Операционные усилители — специальные усилители постоянного тока (УПТ), которые отличаются высоким коэффициентом усиления (иногда более 1 млн.) и пологой частотной характеристикой. В этих усилителях для получения линейной характеристики используют непосредственную связь между каскадами. Поэтому полоса пропускания таких усилителей занимает область от нуля до весьма высоких частот. Обычно для получения требуемого операционного соотношения между выходным и входным импедансами операционного усилителя вводят цепь обратной связи.
Рис. 2.2. Операционный усилитель.
На рис. 2.2 показана типичная схема операционного усилителя. Коэффициент обратной связи р выражает относительную величину напряжения, поступающего по цепи обратной связи с выхода на вход.
Отрицательная обратная связь (ОС) ослабляет шумы, частотные искажения сигнала и расширяет полосу пропускания (см. разд. 1.8). Сигнал обратной связи, поступающий на вход усилителя, усиливается и проходит на выход в противофазе с действующим там сигналом. В результате выходной сигнал ослабляется в степени, определяемой глубиной обратной связи.
Пусть при отсутствии обратной связи входной сигнал еът усиливается (коэффициент усиления схемы без цепи обратной связи обозначим буквой А) и на выходе получается сигнал евыг
(2.1)
Следовательно, коэффициент усиления схемы без обратной связи, или коэффициент усиления схемы с разомкнутой петлей обратной связи, есть отношение мгновенных значений выходного и входного напряжений сигнала ;,
(2.2)
Перед коэффициентом обратной связи |3 ставят знак минус, если обратная связь отрицательна; в схемах генераторов, где используется положительная обратная связь, перед (3 ставят знак плюс. Символом А’ обозначают коэффициент усиления схемы, охваченной обратной связью.
Произведение Л|3 называют фактором обратной связи. Величина (1 — Л(3) есть мера глубины обратной связи. Уравнения усиления для схемы с обратной связью имеют вид
(2.3)
где А’ — коэффициент усиления усилителя с обратной связью, А — коэффициент усиления усилителя без обратной связи, Р — коэффициент обратной связи.
Если фактор обратной связи много больше единицы, то величина коэффициента усиления по напряжению практически не зависит от А и для коэффициента усиления по напряжению схемы с обратной связью можно записать следующее выражение:
(2.4)
Поскольку отрицательная обратная связь ослабляет также и искажения сигнала, полезно выразить величину искажений сигнала на выходе схемы. Обозначим относительную величину искажений сигнала на выходе схемы при наличии и при отсутствии обратной связи соответственно D‘ и D; тогда можно записать уравнение
(2.5)
Таким образом, как величина коэффициента усиления сигнала, так и величина его искажений ослабляются одинаково, причем величина ослабления определяется глубиной обратной связи (il — Лр). Если, например, абсолютная величина глубины обратной связи равна 3, а величина коэффициента усиления без обратной связи равна 60, то при наличии обратной связи величина коэффициента усиления составит
Соответственно, если относительная величина искажений сигнала составляла 6%, то при действии обратной связи она упадет до 2%:
Когда фактор обратной связи много больше единицы (и коэффициент усиления сигнала по напряжению не зависит от А), выходное напряжение евых определяется только значениями токов сигнала, протекающих по сопротивлениям R1 и R2, и входного напряжения евх (рис. 2.2). Поэтому в операционных усилителях с высоким коэффициентом усиления при наличии обратной связи выходное напряжение сигнала схемы определяется следующим выражением:
(2.6)