Применение операционных усилителей

В последние годы широкое распространение получили операционные усилители в интегральном исполнении. Они характеризуются большим коэффициентом усиления (около 100 дБ), широкой полосой пропускания (до 15 МГц), высоким входным (сотни мегом) и малым выходным (десятки ом) сопротивлениями.

Параметры наиболее распространенных интегральных операционных усилителей, выпускаемых отечественной промышленностью, приведены в таблице.

На базе операционных усилителей достаточно просто можно сконструировать самые разнообразные узлы радиоэлектронной аппаратуры: усилители, активные фильтры, генераторы, компараторы и т. д. Характеристики этих узлов определяются внешними элементами, подключаемыми к операционному усилителю. В данной статье приведены схемы нескольких устройств, которые радиолюбители могут использовать в конструируемой низкочастотной аппаратуре.

На рис. 1 изображена схема инвертирующего усилителя. В нем фаза выходного сигнала по отношению к фазе входного сигнала сдвинута на 180°. Усилитель охвачен отрицательной обратной связью— с выхода на инвертирующий вход. Коэффициент усиления такого устройства определяется отношением сопротивлений резисторов R3 и R1 и равен в данном случае 100. Входное сопротивление усилителя практически равно сопротивлению резистора R1 (10 кОм),

Элементы C 1 R 4 и С2 служат для коррекции амплитудно-частотной характеристики инвертирующего усилителя и устраняют его самовозбуждение. При использовании элементов, которые указаны на принципиальной схеме, полоса пропускания усилителя ограничена частотой 500 кГц.

На базе инвертирующего усилителя можно построить простейший микшер (рис. 2). Токи, поступающие от микрофона, звукоснимателя, магнитофона или иного источника звуковой информации, не зависят друг от друга, так как напряжение на инвертирующем входе операционного усилителя равно нулю.

На рис. 3 приведена принципиальная схема не инвертирующего усилителя. В отличие от усилителя, принципиальная схема которого приведена на рис. 1, в данном случае сигнал подается на неинвертирующий вход. Фазы входного и выходного сигналов совпадают. Усилитель охвачен отрицательной обратной связью по напряжению. Часть выходного напряжения через резисторный делитель R4R5 подается на инвертирующий вход. Коэффициент передачи усилителя равен 1+R4/R5, т. е. практически такой же, как и у инвертирующего усилителя. Отличительной особенностью неинвертирующего усилителя является его высокое входное сопротивление. Это позволяет использовать такой усилитель в качестве буферного устройства для усиления сигналов от различных датчиков с высоким выходным сопротивлением. Если инвертирующий вход соединить с выходом операционного усилителя, то такое устройство будет выполнять те. же функции, что и эмиттерный повторитель. Его входное сопротивление будет велико, а выходное — очень небольшим. При использовании корректирующих элементов, номиналы которых указаны на схеме, полоса пропускания усилителя ограничена частотой 500 кГц.

На рис. 4 изображена принципиальная схема микрофонного усилителя. Питание операционного усилителя — несимметричное, используется один источник напряжением 20 В. Электродинамический микрофон подключен через RC цепочку к инвертирующему входу операционного усилителя.

Сам усилитель через цепочку R4C3 охвачен отрицательной частотнозависимой обратной связью. Средняя точка питания, необходимая для нормальной работы интегрального операционного усилителя, образована искусственно. Она получается на неинвертирующем входе, к которому подключен делитель R2R3. Полоса усиливаемых частот такого микрофонного усилителя равна 20 Гц — 20 кГц. Коэффициент усиления — около 50.

В современных высококачественных низкочастотных усилителях очень часто используют всевозможные активные фильтры, выполненные на операционных усилителях. Так, для устранения низкочастотного шума, вызываемого, например, работой электродвигателя, на входе усилителя включают низкочастотный фильтр с частотой среза 70—80 Гц. Принципиальная схема одного из таких фильтров показана на рис. 5. Частота среза его на уровне —3 дБ составляет около 70 Гц, крутизна амплитудно-частотной характеристики за частотой среза — около 12 дБ на октаву.

Для оптимального режима работы фильтра сопротивление резисторов R2 и R3 должно быть в два раза больше сопротивления резистора R1. Частотная характеристика фильтра определяется элементами Rl, C1 и С2. Коэффициент нелинейных искажений данного усилителя на частоте 1 кГц при выходном напряжении 10 В не превышает 0,1%.

Для устранения высокочастотного шума, возникающего, например, при проигрывании старой грампластинки, можно воспользоваться фильтром, схема которого приведена на рис. 6. Частота среза такого фильтра при использовании элементов, указанных на схеме, около 6,5 кГц, крутизна амплитудно-частотной характеристики за частотой среза примерно 12 дБ на октаву. Для достижения оптимального режима работы фильтра сопротивление резистора R3 и емкость конденсатора С1 должны в два раза превышать соответственно сопротивление резистора R1 и емкость конденсатора С2. Так же как и в предыдущем фильтре, коэффициент нелинейных искажений на частоте 1 кГц при выходном напряжении 10 В не превышает 0,1%.

На рис. 7 показана схема селективного усилителя, настроенного на частоту 2,5 кГц. Включение такого устройства в низкочастотный усилитель позволяет создать у слушателя впечатление присутствия рядом с ним исполнителя. В цепь отрицательной обратной связи операционного усилителя включен двойной Т-мост, квазирезонансная частота которого равна 2,5 кГц. Подъем амплитудно-частотной характеристики на этой частоте (до 12 дБ) регулируют переменным резистором R3. Коэффициент нелинейных искажений в данном усилителе на частоте 1 кГц при выходном напряжении 10 В не превышает 0,1%.

Принципиальная схема четырехканального селективного усилителя, предназначенного для регулировки тембра, приведена на рис. 8. Между инвертирующим и неинвертирующим входами включены последовательные колебательные контуры L1C1, L2C2, L3C3, L4C4, настроенные соответственно на частоты 70 и 800 Гц, 4 и 12 кГц.

В зависимости от положения движков переменных резисторов R2—R5 контуры оказываются подключенными либо к инвертирующему, либо к неинвертирующему входу. Это, в свою очередь, определяет спад и подъем частотной характеристики в определенных полосах частот. Полоса регулируемых каждым переменным резистором частот определяется добротностью соответствующего колебательного контура. Если необходимо расширить полосы, то параллельно катушкам индуктивности можно включить резисторы сопротивлением от 10 до 100 кОм. Диапазон регулировки тембра на указанных ранее частотах составляет ±22 дБ.

Катушки L1—L4 наматывают проводом ПЭВ-1 или ПЭВ-2 на тороидальных сердечниках из феррита марки М200НМ, типоразмер К20Х12Х6. Катушка Ы содержит 1250 витков, L2 - 350 витков, L3 — 220 витков, L4 — 90 витков.

Для регулировки тембра можно также воспользоваться устройством, схема которого изображена на рис. 9. Оно обеспечивает раздельную регулировку тембра по низшим и высшим звуковым частотам. Максимальная глубина регулировки на частотах 20 Гц и 200 кГц — около ±20 дБ.

В цепь отрицательной обратной связи операционного усилителя включен двойной Т-мост. Когда движки переменных резисторов находятся в среднем положении, устройство представляет собой инвертирующий усилитель с единичным коэффициентом усиления. При крайних положениях движков происходит подъем или спад амплитудно-частотной характеристики в области высших или низших звуковых частот.

Как известно, амплитудно-частотная характеристика музыкальной программы, записанной на грампластинку, имеет подъем на высших частотах и завал на низших. По- широко распространенному стандарту RIAA уровень на частоте 20 кГц достигает +19,6 дБ, на частоте14 кГц - + 16,64 дБ, на частоте 10 кГц— +13,7 дБ, на частоте 1 кГц — 0 дБ, на частоте 30 Гц равен —18,6 дБ. Для того чтобы при воспроизведении грамзаписи выровнять амплитудно-частотную характеристику во всем диапазоне звуковых частот, к выходу звукоснимателя подключают корректирующий усилитель, имеющий частотную характеристику, обратную характеристике механического устройства записи.

На рис. 10 изображена принципиальная схема одного из таких корректирующих усилителей для стереосистем. Он предназначен для подключения к магнитному звукоснимателю. Усилитель-корректор выполнен на двух операционных усилителях.