Операционные усилители

Одним из наиболее употребительных в сенсорике классов интегральных усилителей являются так называемые " операционные усилители " (ОУ). В электрических схемах их изображают в виде треугольника с двумя входами: " инвертирующим", который отмечают знаком " –", и " неинвертирующим", который отмечают знаком " +" (рис. 25.1, а).

Операционный усилитель имеет высокий коэффициент усиления (105–106 и даже выше), низкий коэффициент собственного шума, широкий частотный диапазон, большое входное и малое выходное сопротивление, может надежно работать с электрическими емкостями. ОУ почти не чувствителен к синфазным помехам, которые действуют одновременно на оба его входа.

На рис. 25.1рис. 25.1 показаны типовые схемы использования ОУ. В неинвертирующих усилителях сигналов (рис. 25.1, б) с помощью резисторов организуют цепь обратной связи. Этим обеспечивается точное значение коэффициента усиления

(25.1)

который является постоянным в широком частотном диапазоне и при изменениях температуры, если резисторы и сделаны из одного материала. В случае 100%-й обратной связи (рис. 25.1, в) ОУ работает как повторитель напряжения: коэффициент усиления напряжения практически равен 1, а коэффициент усиления тока может быть очень высоким (до 10⁶ и выше).

На рис. 25.1, г показан " зарядовый" усилитель, предназначенный для восприятия очень слабых сигналов от емкостных элементов, когда электрический заряд изменяется на единицы пикокулона (10^–12 Кл) или скорость изменения заряда составляет порядка единиц пикоампера (10^–12А). Это по сути преобразователь малых изменений электрического заряда в заметные изменения напряжения на выходе ОУ. Цепь обратной связи замыкается здесь через конденсатор , который должен быть высококачественным и иметь очень большое сопротивление стеканию электрических зарядов.

Слабые сигналы от тех чувствительных элементов, которые действуют подобно к источнику тока, например, от фотодиодов, усиливают с помощью типовой схемы, показанной на рис. 25.1, д. Чувствительный элемент в такой схеме работает при почти нулевой и почти неизменной разности потенциалов, а напряжение на выходе

(25.2)

Для надежной работы схемы номинал резистора должен быть намного больше, чем номинал резистора . Операционные усилители реализуют как на биполярных, так и на комплементарных полевых транзисторах со структурой " метал - диэлектрик - полупроводник" (КМДП). Имеются и смешанные " биполярно-полевые" варианты ОУ, где полевые транзисторы используют лишь на входе для обеспечения высокого входного сопротивления и малого входного тока.