Операционный усилитель обозначение на схеме: Операционный усилитель | Описание и принцип работы.

Содержание

Операционный усилитель | Описание и принцип работы.

Что такое операционный усилитель

Операционный усилитель (ОУ) англ. Operational Amplifier (OpAmp), в народе – операционник, является усилителем постоянного тока (УПТ) с очень большим коэффициентом усиления. Словосочетание «усилитель постоянного тока» не означает, что операционный усилитель может усиливать только постоянный ток. Имеется ввиду, начиная с частоты в ноль Герц, а это и есть постоянный ток.

Термин «операционный» укрепился давно, так как первые образцы ОУ использовались для различных математических операций типа интегрирования, дифференцирования, суммирования и тд. Коэффициент усиления ОУ зависит от его типа, назначения, структуры и может превышать 1 млн!

Обозначение на схеме операционного усилителя


На схемах операционный усилитель обозначается вот так:

или так

Чаще всего ОУ на схемах обозначаются без выводов питания

Итак, далее по классике, слева два входа, а справа – выход.

Вход со знаком «плюс» называют НЕинвертирующий, а вход со знаком «минус» инвертирующий. Не путайте эти два знака с полярностью питания! Они НЕ говорят о том, что надо  в обязательном порядке подавать на инвертирующий вход сигнал с отрицательной полярностью, а на НЕинвертирующий сигнал с положительной полярностью, и далее вы поймете почему.

Питание операционных усилителей

Если выводы питания не указаны, то считается, что на ОУ идет двухполярное питание +E и -E Вольт. Его также помечают как  +U и -U, VCC и VEE, Vc и VE. Чаще всего это +15 и -15 Вольт. Двухполярное питание также называют биполярным питанием. Как это понять – двухполярное питание?

Давайте представим себе батарейку

Думаю, все вы в курсе, что у батарейки есть “плюс” и есть “минус”.  В этом случае “минус” батарейки принимают за ноль,  и уже относительно нуля считают напряжение батарейки. В нашем случае напряжение батарейки равняется 1,5 Вольт.

А давайте возьмем еще одну такую батарейку и соединим их последовательно:

Итак, общее напряжение у нас будет 3 Вольта, если брать за ноль минус первой батарейки.

А что если взять на ноль минус второй батарейки и относительно него уже замерять все напряжения?

Вот здесь мы как раз и получили двухполярное питание.

Идеальная и реальная модель операционного усилителя

Для того, чтобы понять суть работы ОУ, рассмотрим его идеальную и реальную модели.

1) Входное сопротивление идеального ОУ бесконечно большое.

В реальных ОУ значение входного сопротивления зависит от назначения ОУ (универсальный, видео, прецизионный и т.п.) типа используемых транзисторов и схемотехники входного каскада и может составлять от сотен Ом и до десятков МОм. Типовое значение для ОУ общего применения – несколько МОм.

2) Второе правило вытекает из первого правила. Так как входное сопротивление идеального ОУ бесконечно большое, то  входной ток будет равняться нулю.

На самом же деле это допущение вполне справедливо для ОУ с полевыми транзисторами на входе, у которых входные токи могут быть меньше пикоампер. Но есть также ОУ с биполярными транзисторами на входе. Здесь уже входной ток может быть десятки микроампер.

3) Выходное сопротивление идеального ОУ равняется нулю.

Это значит, что напряжение на выходе ОУ не будет изменяться при изменении тока нагрузки. В реальных ОУ общего применения выходное сопротивление составляет десятки Ом (обычно 50 Ом).
Кроме того, выходное сопротивление зависит от частоты сигнала.

4) Коэффициент усиления в идеальном ОУ бесконечно большой. В реальности он ограничен внутренней схемотехникой ОУ, а выходное напряжение ограничено напряжением питания.

5) Так как коэффициент усиления  бесконечно большой, следовательно,  разность напряжений между входами идеального ОУ равняется нулю. Иначе если даже потенциал одного входа будет больше или меньше хотя бы на заряд одного электрона, то на выходе будет бесконечно большой потенциал.

6) Коэффициент усиления в идеальном ОУ не зависит от частоты сигнала и постоянен на всех частотах. В реальных ОУ это условие выполняется только для низких частот до какой-либо частоты среза, которая у каждого ОУ индивидуальна. Обычно за частоту среза принимают падение усиления на 3 дБ или до уровня 0,7 от усиления на нулевой частоте (постоянный ток).

Схема простейшего ОУ на транзисторах выглядит примерно вот так:

Принцип работы операционного усилителя

Давайте рассмотрим, как работает ОУ

Принцип работы ОУ очень прост. Он сравнивает два напряжения и на выходе уже выдает отрицательный, либо положительный потенциал питания. Все зависит от того, на каком входе потенциал больше. Если потенциал на НЕинвертирующем входе U1 больше, чем на инвертирующем U2, то на выходе будет +Uпит, если же на инвертирующем входе U2 потенциал будет больше, чем на НЕинвертирующем U1, то на выходе будет -Uпит. Вот и весь принцип ;-).

[quads id=1]

Давайте рассмотрим этот принцип в симуляторе Proteus. Для этого выберем самый простой и распространенный операционный усилитель LM358 (аналоги 1040УД1, 1053УД2, 1401УД5) и соберем примитивную схему, показывающую принцип работы

Подадим на НЕинвертирующий вход 2 Вольта, а на инвертирующий вход 1 Вольт. Так как на НЕинвертирующем входе потенциал больше, то следовательно, на выходе мы должны получить +Uпит. Мы получили 13,5 Вольт, что близко к этому значению

Но почему не 15 Вольт? Виновата во всем сама внутренняя схемотехника ОУ. Максимальное значение ОУ не всегда может равняться положительному либо отрицательному напряжению питания. Оно может отклоняться от 0,5 и до 1,5 Вольт в зависимости от типа ОУ.

Но, как говорится, в семье не без уродов, и поэтому на рынке уже давно появились ОУ, которые могут выдавать на выходе допустимое напряжение питания, то есть в  нашем случае это значения, близкие к +15 и -15 Вольтам. Такая фишка называется Rail-to-Rail, что в дословном переводе с англ. “от рельса до рельса”, а на языке электроники “от одной шины питания и до другой”.

Давайте теперь на инвертирующий вход подадим потенциал больше, чем на НЕинвертирущий. На инвертирующий подаем 2 Вольта, а на НЕинвертирующий подаем 1 Вольт:

Как вы видите, в данный момент выход “лег” на -Uпит, так как на инвертирующем входе потенциал был больше, чем на НЕинвертирующем.

Чтобы не качать лишний раз программный комплекс Proteus, можно в онлайне с помощью программы Falstad сэмулировать работу идеального ОУ. Для этого выбираем вкладку Circuits—Op-Amps—>OpAmp. В результате на вашем экране появится вот такая схемка:

На правой панели управления увидите бегунки для добавления напряжения на входы ОУ и уже можете визуально увидеть, что получится на выходе ОУ при изменении напряжения на входах.

Что будет на выходе ОУ, если на обоих входах будет ноль вольт?

Итак, мы рассмотрели случай, когда напряжение на входах может различаться. Но что будет, если они будут равны? Что нам покажет Proteus в этом случае? Хм, показал +Uпит.

А что покажет Falstad? Ноль Вольт.

Кому верить? Никому! В реале, такое сделать невозможно, чтобы на два входа загнать абсолютно равные напряжения. Поэтому такое состояние ОУ будет неустойчивым и значения на выходе могут принимать  значения или -E Вольт, или +E Вольт.

Давайте подадим синусоидальный сигнал амплитудой в 1 Вольт и частотой в 1 килоГерц на НЕинвертирующий вход, а инвертирующий посадим на землю, то есть на ноль.

Смотрим, что имеем на виртуальном осциллографе:

Что можно сказать в этом случае? Когда синусоидальный сигнал находится в отрицательной области, на выходе ОУ у нас -Uпит, а когда синусоидальный сигнал находится в положительной области, то и на выходе имеем +Uпит.

Скорость нарастания выходного напряжения

Также обратите внимание на то, что напряжение на выходе ОУ не может резко менять свое значение. Поэтому, в ОУ есть такой параметр, как скорость нарастания выходного напряжения VUвых.

Этот параметр показывает насколько быстро может измениться выходное напряжение ОУ при работе в импульсных схемах. Измеряется в Вольт/сек. Ну и как вы поняли, чем больше значение этого параметра, тем лучше ведет себя ОУ в импульсных схемах. Для LM358 этот параметр равен 0,6 В/мкс.

При участии Jeer

Также смотрите видео “Что такое операционный усилитель (ОУ) и как он работает”

10 схем на (почти) все случаи жизни / Хабр

Всем привет!

В последнее время я по большей части ушел в цифровую и, отчасти, в силовую электронику и схемы на операционных усилителях использую нечасто. В связи с этим, повинуясь неуклонному закону полураспада памяти, мои знания об операционных усилителях стали постепенно тускнеть, и каждый раз, когда все-таки надо было использовать ту или иную схему с их участием, мне приходилось гуглить ее расчет или искать его в книгах. Это оказалось не очень удобно, поэтому я решил написать своего рода шпаргалку, в которой отразил наиболее часто используемые схемы на операционных усилителях, приведя их расчет, а также результаты моделирования в LTSpice.



Введение


В рамках данной статьи будет рассмотрено десять широко используемых схем на операционных усилителя. При написании данной статьи я исходил из того, что читатель знает, что такое операционный усилитель и хотя бы в общих чертах представляет, как он работает. Также предполагается, что ему известны базовые вещи теории электрических цепей, такие как закон Ома или расчет делителя напряжения.

Не следует воспринимать эту статью как законченное руководство по применению операционных усилителей в любых ситуациях. Для большого количества задач, действительно, этих схем может быть достаточно, однако в сложных проектах всегда может потребоваться что-то нестандартное.

1. Неинвертирующий усилитель


Неинвертирующий усилитель – наверное, наиболее часто встречающаяся схема включения операционного усилителя, она приведена на рисунке ниже.
В этой схеме усиливаемый сигнал подается на неинвертирующий вход операционного усилителя, а сигнал с выхода через делитель напряжения попадает на инвертирующий вход.
Расчет этой схемы прост, он строится исходя из того, что операционный усилитель, охваченный петлей обратной связи, отрабатывает входное воздействие таким образом, чтобы напряжение на инвертирующем входе было равно напряжению на неинвертирующем:


Из этой формулы легко получается коэффициент усиления неинвертирующего усилителя:


Рассчитаем и промоделируем неинвертирующий усилитель со следующими параметрами:
  • Операционный усилитель LT1803
  • Коэффициент усиления
  • Частота входного сигнала
  • Амплитуда входного сигнала
  • Постоянная составляющая входного сигнала

Выберем из ряда Е96 и . Тогда коэффициент усиления будет равен


Результат моделирования данной схемы приведен на рисунке (картинка кликабельна):


Давайте теперь рассмотрим граничные случаи этого усилителя. Допустим, величина сопротивления резистора . При этом мы получим, что коэффициент усиления будет стремиться к бесконечности. На самом деле, конечно, это хоть и очень большая, но все-таки конечная величина, она обычно приводится в документации на микросхему конкретного операционного усилителя. С другой стороны, величина выходного напряжения реального операционного усилителя даже при бесконечно большом коэффициенте усиления не может быть бесконечно большой: она ограничена напряжением питания микросхемы. На практике она зачастую даже несколько меньше, за исключением некоторых типов усилителей, которые отмечены как rail-to-rail. Но в любом случае не рекомендуется загонять операционные усилители в предельные состояния: это приводит к насыщению их внутренних выходных каскадов, нелинейным искажениям и перегрузкам микросхемы. Поэтому данный предельный случай не несет какой-то практической пользы.

Гораздо больший интерес представляет собой другой предельный случай, когда величина сопротивления . Его мы рассмотрим в следующем разделе.

2. Повторитель


Как уже говорилось ранее, включение операционного усилителя по схеме повторителя – это предельный случай неинвертирующего усилителя, когда один из резисторов имеет нулевое сопротивление. Схема повторителя приведена на рисунке ниже.
Как видно из формулы, приведенной в прошлом разделе, коэффициент передачи для повторителя равен единице, то есть выходной сигнал в точности повторяет входной. Зачем же вообще нужен операционный усилитель в таком случае? Он выступает в роли буфера, обладая высоким входным сопротивлением и маленьким выходным. Когда это бывает нужно? Допустим, мы имеем какой-то источник сигнала с большим выходным сопротивлением и хотим этот сигнал без искажения передать на относительно низкоомную разгрузку. Если мы это сделаем напрямую, без каких бы то ни было буферов, то неизбежно потеряем какую-то часть сигнала.

Убедимся в этом с помощью моделирования схемы со следующими основными параметрами:

  • Выходное сопротивление источника сигнала 10 кОм
  • Сопротивление нагрузки 1 кОм
  • Частота входного сигнала
  • Амплитуда входного сигнала
  • Постоянная составляющая входного сигнала

Моделирования будем проводить для двух случаев: в первом случае пусть источник сигнала работает на нагрузку через повторитель, а во втором случае — напрямую.
Результаты моделирования приведены на рисунке ниже (картинка кликабельна): на верхней осциллограмме выходной и входной сигналы в точности совпадают друг с другом, тогда как на нижней сигнал на выходе в несколько раз меньше по амплитуде относительно сигнала на входе.

Вместо повторителя на операционном усилителе можно также использовать и эмиттерный повторитель на транзисторе, не забывая, однако, про присущие ему ограничения.

3. Инвертирующий усилитель (классическая схема)


В схеме инвертирующего усилителя входной сигнал подается на инвертирующий вывод микросхемы, на него же заведена и обратная связь. Неинвертирующий вход при этом подключается к земле (иногда к источнику смещения). Типовая схема инвертирующего усилителя приведена на рисунке ниже.
Для входной цепи инвертирующего усилителя можно записать следующее выражение:


Где — напряжение на инвертирующем входе операционного усилителя.
Поскольку операционный усилитель, охваченный петлей обратной связи, стремится выровнять напряжения на своих входах, то , и при заземленном неинвертирующем входе получаем


Отсюда коэффициент усиления инвертирующего усилителя равен


По инвертирующему усилителю можно сделать следующие выводы:
  1. Инвертирующий усилитель инвертирует сигнал. Это значит, что необходимо применение двухполярного питания.
  2. Величина модуля коэффициента усиления инвертирующего усилителя равна отношению резисторов цепи обратной связи. При равенстве номиналов двух резисторов коэффициент усиления равен -1, т.е. инвертирующий усилитель работает просто как инвертор сигнала.
  3. Величина входного сопротивления инвертирующего усилителя равна величине резистора R1. Это важно, потому что при маленьких значениях R1 может сильно нагружаться предыдущий каскад.

Для примера рассчитаем инвертирующий усилитель со следующими параметрами:
  • Операционный усилитель LT1803
  • Коэффициент усиления
  • Частота входного сигнала
  • Амплитуда входного сигнала
  • Постоянная составляющая входного сигнала

В качестве резисторов в цепи обратной связи выберем резисторы номиналами и : их отношение как раз равно десяти.
Результаты моделирования усилителя приведены на рисунке (картинка кликабельна).


Как видим, выходной сигнал в 10 раз больше по амплитуде, чем входной, и при этом проинвертирован.

Входное сопротивление данной схемы равно . А что будет, если источник сигнала будет иметь значительное выходное сопротивление, допустим, эти же 10 кОм? Результат моделирования этого случая представлен на рисунке ниже (картинка кликабельна).


Амплитуда выходного сигнала просела в два раза по сравнению с предыдущим случаем! Очевидно, что это все из-за того, что выходное сопротивление генератора в этом случае равно входному сопротивлению инвертирующего усилителя. Таким образом, стоит всегда помнить про эту особенность инвертирующего усилителя. Как же быть, если все-таки требуется обеспечить работу источника сигнала с высоким выходным сопротивлением на инвертирующий усилитель? В теории надо увеличивать сопротивление R1. Однако одновременно с эти будет расти и сопротивление R2. Если мы хотим обеспечить входное сопротивление схемы в 500 кОм при коэффициенте усиления 10, резистор R2 должен иметь сопротивление в 5 МОм! Такие большие номиналы сопротивлений применять не рекомендуется: схема будет очень чувствительной к наводкам, пыли и флюсу на печатной плате. Есть ли какие-то выходы из этой ситуации? На самом деле да. Можно, например, использовать буфер-повторитель, который мы рассмотрели в прошлом разделе. А можно еще применить схему с Т-образным мостом в обратной связи, про нее поговорим в следующем разделе.

4. Инвертирующий усилитель с Т-образным мостом в цепи ОС


Схема инвертирующего усилителя с Т-образным мостом в цепи обратной связи приведена на рисунке ниже.
Коэффициент усиления этой схемы равен


Рассчитаем усилитель со следующими параметрами:
Расчет показывает, что следящие номиналы резисторов должны сформировать усилитель с Т-образным мостом, отвечающий заявленным требованиям:


Результаты моделирования схемы усилителя приведены на рисунке ниже (картинка кликабельна).


Попробуем теперь подключить источник с выходным сопротивлением 10 кОм, как мы это сделали в предыдущем разделе. Получим такую картинку (кликабельно):


Выходной сигнал практически не изменился по амплитуде по сравнению с предыдущим моделированием, и это ни в какое сравнение не идет с тем, насколько он проседал в схеме простого инвертирующего усилителя без Т-моста. Кроме того, как мы видим, эта схема позволяет обойтись без мегаомных резисторов даже при больших коэффициентах усиления и значительном входном сопротивлении.

5. Инвертирующий усилитель в схемах с однополярным питанием


Схемы с однополярным питанием распространены гораздо больше, чем схемы с двухполярным. Вместе с тем, как мы выяснили в прошлых двух разделах, при использовании схемы инвертирующего усилителя у нас меняется знак выходного напряжения, что влечет за собой обязательное применение двухполярного источника питания. Можно ли как-то обойти это ограничение и использовать инвертирующий усилитель в схемах с однополярным питанием? На самом деле можно, для этого надо на неинвертирующий вход усилителя подать напряжение смещения как показано на рисунке ниже
Примечание

Позиционные обозначения R1 и R2 показаны условно. Они одни и те же для разных резисторов на схеме, что, конечно, невозможно для реальной схемы, однако допускается на рисунке для подчеркивания того, что эти резисторы имеют одинаковые номиналы.


Расчет этой схемы строится все на том же принципе равенства напряжений на инвертирующем и неинвертирующем входах усилителя. Ток через цепочку резисторов R1-R2 инвертирующего плеча равен.


Отсюда напряжения на инвертирующем входе равно


Напряжение на неинвертирующем входе равно


Исходя из принципа равенства напряжения на инвертирующем и неинвертирующем входах получаем


Таким образом, напряжение на выходе операционного усилителя равно


Отсюда делаем вывод, что для корректной работы напряжения смещения должно быть больше максимального входного напряжения с учетом подаваемого на вход напряжения смещения.
Промоделируем схему инвертирующего усилителя со следующими параметрами:
Результаты моделирования приведены на рисунке ниже (картинка кликабельна)


Как видим, мы получили усиленный в 10 раз инвертированный сигнал, при этом сигнал проинвертировался, однако, не залез в отрицательную область.

6. Инвертирующий сумматор


Операционный усилитель можно использовать для суммирования различных сигналов. С помощью резисторов можно задавать «вес» каждого из сигнала в общей сумме. Схема инвертирующего сумматора приведена на рисунке ниже.
Расчет инвертирующего сумматора очень прост и основывается на принципе суперпозиции: суммарный выходной сигнал равен сумме отдельных составляющих:


Рассчитаем и произведем моделирование инвертирующего сумматора со следующими параметрами:
Для обеспечения требуемых «весов» , и выберем следущие номиналы резисторов из ряда Е96:


Результат моделирования приведен на рисунке ниже (картинка кликабельна).


Видим, что выходной сигнал проинвертирован и усилен в соответствии с выражением, приведенным выше. Однако стоит всегда помнить, что приведенное выше выражение верно для постоянных напряжений (либо же мгновенных значений переменного сигнала). Если же сдвинуть сигналы по фазе или если они будут обладать разной частотой, то результат будет совершенно другим. Аналитически его можно рассчитать, воспользовавшись формулами преобразования тригонометрических выражений (в случае, если мы имеем дело с синусоидальными сигналами). В качестве примера на рисунке ниже приведен результат моделирования инвертирующего сумматора для случая сдвинутых по фазе входных сигналов (изображение кликабельно).


Как видим, итоговый сигнал не превышает по амплитуде сигнал , а также имеет в начальной части артефакты, вызванные постепенным появлениями сигналов на входах.
Необходимо также помнить, что инвертирующий сумматор – по сути все тот же инвертирующий усилитель, и его входное сопротивление определяется величиной резистора в цепи обратной связи, поэтому его надо аккуратно применять в случаях, если источник сигнала имеет большое выходное сопротивление.

7. Дифференциальный усилитель


Дифференциальный усилитель предназначен для усиления разности сигналов, поступающих на его входы. Такое включение усилителей широко используется, например, для усиления сигнала с резистора-шунта-датчика тока. Что немаловажно, операционный усилитель в таком включении помимо, собственно, усиления сигнала, давит синфазную помеху.

Схема дифференциального усилителя приведена на рисунке.


Для дифференциального усилителя можно записать следующие выражения:


Решая эту систему уравнений, получаем


Если мы примем, что


то данное выражение упрощается и преобразуется в


Таким образом, коэффициент усиления дифференциального сигнала определяется отношением R2 к R1.

Эта формула (да и сама схема включения дифференциального усилителя) очень похожа на рассмотренный ранее случай инвертирующего усилителя в схеме с однополярным питанием. Действительно, все так и есть: схема инвертирующего усилителя с однополярным питанием и напряжением смещения есть частный случай дифференциального усилителя, просто в ней на один из входов подается не какой-то переменный сигнал, а постоянное напряжение.

Произведем моделирование схемы со следующими параметрами:


Результаты моделирования приведены на рисунке ниже (изображение кликабельно).


Как видим, разница между сигналами и в 5 мВ оказалась усиленной в 50 раз и стала 250 мВ.

Посмотрим теперь, как дифференциальный усилитель давит синфазную помеху. Для этого подключим к сигналам и общий генератор белого шума и произведем моделирование, его результаты представлены на рисунке (картинка кликабельна).


На верхней осциллограмме приведены сигналы и с добавленной помехой: самого сигнала уже даже не видно за шумами. На нижней осциллограмме приведен результат работы дифференциального усилителя. Поскольку помеха одна и та же для инвертирующего и неинвертирующего входа, дифференциальный усилитель ее убирает, и в результате мы имеем чистый сигнал, не отличающийся от случая без помехи.

Однако стоит все же помнить, что способность операционного усилителя давить синфазную помеху не бесконечна, данный параметр обычно приводится в документации на операционный усилитель. Кроме того, нельзя забывать и про величину входного сопротивления дифференциального усилителя со стороны инвертирующего входа: оно по-прежнему может быть невелико.

8. Источник тока


Операционный усилитель при определенном включении может работать как источник тока. Источник тока поддерживает постоянный ток вне зависимости от величины сопротивления нагрузки (в идеальном источнике нагрузка может быть вообще любая, в реальном – не больше какой-либо величины, пропорциональной максимально возможному напряжению, которое может сформировать на ней источник тока). Возможно как минимум две схемы источника тока на операционном усилителе: с плавающей нагрузкой и с заземленной нагрузкой. Схема источника тока с плавающей нагрузкой предельно проста и приведена на рисунке ниже
Как видим, на неинвертирующий вход подается опорное напряжение, а в роли нагрузки выступает один из элементов обратной связи. Величина тока при этом определяется следующим выражением


Однако все-таки чаще требуется, чтобы нагрузка была заземлена. В этому случае схема немного усложняется: потребуется дополнительный транзистор. Для этих целей лучше брать полевой транзистор: у биполярного транзистора токи коллектора и эмиттера немного отличаются из-за тока базы, что приведет к менее стабильной работе источника тока. Схема источника тока на операционном усилителе с заземленной нагрузкой приведена на рисунке ниже
Величина тока рассчитывается так:


Произведем расчет и моделирование источника тока со следующими параметрами:
  • Операционный усилитель LT1803
  • Величина силы тока
  • Величина сопротивления нагрузки

Для обеспечения заданных характеристик подойдут следующие номиналы сопротивлений резисторов:


Результат моделирования источника тока с заданными параметрами представлен на рисунке ниже (изображение кликабельно).


На рисунке приведено два графика. Верхний график показывает величину тока через сопротивление нагрузки, и она равна 10 мА. Нижний график показывает напряжение на нагрузке, оно равно 100 мВ. Попробуем теперь изменить сопротивление нагрузки: вместо 10 Ом возьмем 100 Ом и промоделируем (изображение кликабельно):


Как мы видим, через нагрузку течет все тот же самый ток в 10 мА: операционный усилитель отработал изменение нагрузки, повысив на ней напряжение, оно теперь стало равным 1 В. Но в реальности операционный усилитель не сможет поднимать напряжение бесконечно: оно ограничено напряжением источника питания (а зачастую еще и несколько меньше него). Что же будет, если задать сопротивление нагрузки слишком высоким? По сути, источник тока перестает работать. На рисунке ниже пример моделирования источника с сопротивление нагрузки в 1 кОм (изображение кликабельно).


Согласно графику, ток через нагрузку теперь уже никакие не 10 мА, а всего лишь 4 мА. При дальнейшем повышении сопротивления нагрузки ток будет все меньше и меньше.

Дополнительно по приведенным схемам источников тока на операционных усилителях надо отметить, что стабильность выходного тока в них зависит от стабильности напряжения , в связи с этим оно должно быть хорошо стабилизированным. Существуют более сложные схемы, которые позволяют уйти от этой зависимости, но в рамках данной статьи мы их рассматривать не будем.

9. Интегратор на операционном усилителе


Думаю, что все читатели знакомы с классической схемой интегратора на RC-цепочке:
Эта схема чрезвычайно широко используется на практике, однако имеет в себе один серьезный недостаток: выходное сопротивление этой схемы велико и, как следствие, входной сигнал может существенно ослабляться. Для устранения этого недостатка возможно использование операционного усилителя.

Простейшая схема интегратора на операционном усилителе, встречающаяся во всех учебниках, приведена на рисунке ниже.


Как видно из рисунка — это инвертирующий интегратор, т.е. помимо интегрирования сигнала, он меняет также и его полярность. Следует отметить, что это требуется далеко не всегда. Еще один серьезный недостаток этой схемы — конденсатор интегратора накапливает в себе заряд, который надо как-то сбрасывать. Для этого можно либо применять резистор, включенный параллельно с конденсатором (однако необходимо учитывать также его влияние на итоговый сигнал), либо же сбрасывать заряд с помощью полевого транзистора, открывая его в нужные моменты времени. По этой причине я решил рассмотреть более подробно другую схему интегратора с использованием операционного усилителя, которая, на мой взгляд, заслуживает больший практический интерес:
Как видно из рисунка, эта схема представляет собой классический интегратор на RC-цепочке, к которому добавлен повторитель на операционном усилителе: с помощью него решается проблема выходного сопротивления.

Интегратор можно также рассматривать как фильтр нижних частот. Частота среза АЧХ фильтра высчитывается по формуле


Тут стоит обратить внимание на один очень важный момент. Надо всегда помнить, что частота среза, рассчитанная выше, верна только для RC-цепочки и не учитывает частотных свойств самого операционного усилителя. Частотными свойствами операционного усилителя можно пренебречь, если мы попадаем в его рабочий диапазон частот, но если мы вдруг выйдем за него, то итоговая частотная характеристика схемы будет совсем не такой, как мы ожидали. Грубо говоря, если у нас RC-цепочка настроена на 1 МГц, а операционный усилитель позволяет работать до 100 МГц – все хорошо. Но если у нас цепочка на 10 МГц, а операционный усилитель работает до 1 МГц – все плохо.

В качестве примера рассчитаем ФНЧ со следующими параметрами частотой среза АЧХ в 1 МГц. Для такой частоты можно выбрать

  • Частота среза АЧХ
  • Операционный усилитель LT1803 (Максимальная частота 85 МГц)

Для заданной частоты среза АЧХ подойдут следующие номиналы сопротивления и емкости RC-цепочки:


Результат моделирования приведен на рисунке ниже (изображение кликабельно). На этом рисунке показаны две частотные характеристики: отдельно для RC-цепочки (красная линия) и для всей схемы целиком (RC-цепочка+операционный усилитель, зеленая линия).


Как видно из рисунка, красная и зеленая линии сначала совпадают, а начиная с определенной частоты зеленая идет вниз гораздо круче. Это как раз и объясняется тем, что на частотные свойства схемы начинает оказывать влияние уже сам операционный усилитель.

Ну и поскольку все-таки мы рассматриваем интегратор, то на следующем рисунке (кликабельно) приведена классическая картинка из учебников: интегрирование прямоугольных импульсов. Параметры интегратора те же, какие были в предыдущем моделировании частотной характеристики.

10. Дифференциатор на операционном усилителе


Схема простейшего дифференциатора на RC-цепочке известна ничуть не меньше, чем схема интегратора:
Эта схема имеет все тот же недостаток, связанный с высоким выходным сопротивлением, и для его устранения можно аналогичным образом применить операционный усилитель. Схема инвертирующего дифференциатора получается из схемы инвертирующего интегратора путем замены конденсаторов на резисторы и резисторов на конденсаторы, она приведена на рисунке ниже.
Однако и в этом случае более подробно рассмотрим другую схему, состоящую из классического дифференциатора на RC-цепочке и повторителя на операционном усилителе:
Если интегратор мы рассматривали как простейший фильтр нижних частот, то дифференциатор наоборот – фильтр верхних частот. Частота среза АЧХ считается все по той же формуле


В случае дифференциатора также нельзя забывать про частотные свойства самого операционного усилителя: здесь они выражены даже более ярко, чем в случае с интегратором. Как мы уже убедились в прошлом разделе, начиная с определенной частоты операционный усилитель работает как фильтр нижних частот, тогда как дифференциатор – это фильтр верхних частот. Вместе они будут работать как полосовой фильтр.

В качестве примера рассчитаем ФВЧ с частотой среза АЧХ равной тем же 1 МГц. Для такой частоты можно выбрать все те же номиналы компонентов, которые были в случае ФНЧ:


Результат моделирования приведен на рисунке ниже (картинка кликабельна). На этом рисунке показаны две частотные характеристики: отдельно для RC-цепочки (красная линия) и для всей схемы целиком (RC-цепочка + операционный усилитель, зеленая линия).


Как видно из рисунка, красная и зеленая линии сначала совпадают, а начиная с определенной частоты, зеленая линия идет резко вниз, тогда как красная линия, отражающая работу непосредственно самой RC-цепочки, горизонтальна.

Работа дифференциатор при подаче на его вход прямоугольных импульсов приведена на рисунке ниже (изображение кликабельно).

Заключение


В данной статье мы рассмотрели десять наиболее часто встречающихся схем на операционных усилителях. Операционный усилитель – мощный инструмент в умелых руках, и количество схем, которые можно создать с его помощью, конечно, многократно превосходит то, что было рассмотрено, однако, надеюсь, данный материал будет кому-то полезен и поможет более уверенно использовать этот компонент в своих разработках. Полезные ссылки
  1. Хоровиц П., Хилл У. Искусство схемотехники: — Изд. 2-е. — М.: Издательство БИНОМ — 2014. — 704 с
  2. Картер Б., Манчини Р. Операционные усилители для всех — М.: Издательский дом «Додэка — XXI» — 2011. — 509 с
  3. LT1803

Операционный усилитель | Электроника для всех

Что то часто мне стали задавать вопросы по аналоговой электронике. Никак сессия студентов за яцы взяла? 😉 Ладно, давно пора двинуть небольшой ликбезик. В частности по работе операционных усилителей. Что это, с чем это едят и как это обсчитывать.

Что это
Операционный усилитель это усилок с двумя входами, невье… гхм… большим коэфициентом усиления сигнала и одним выходом. Т.е. у нас Uвых= K*Uвх а К в идеале равно бесконечности. На практике, конечно, там числа поскромней. Скажем 1000000. Но даже такие числа взрывают мозг при попытке их применить напрямую. Поэтому, как в детском саду, одна елочка, две, три, много елочек — у нас тут много усиления 😉 И баста.

А входа два. И один из них прямой, а другой инверсный.

Более того, входы высокоомные. Т.е. их входное сопротивление равно бесконечности в идеальном случае и ОЧЕНЬ много в реальном. Счет там идет на сотни МегаОм, а то и на гигаомы. Т.е. оно замеряет напряжение на входе, но на него влияет минимально. И можно считать, что ток в ОУ не течет.

Напряжение на выходе в таком случае обсчитывается как:

Uout=(U2-U1)*K

Очевидно, что если на прямом входе напряжение больше чем на инверсном, то на выходе плюс бесконечность. А в обратном случае будет минус бесконечность.

Разумеется в реальной схеме плюс и минус бесконечности не будет, а их замещать будет максимально высокое и максимально низкое напряжение питания усилителя. И у нас получится:

Компаратор
Устройство позволяющее сравнивать два аналоговых сигнала и выносить вердикт — какой из сигналов больше. Уже интересно. Применений ему можно придумать массу. Кстати, тот же компаратор встроен в большую часть микроконтроллеров и как им пользоваться я показывал на примере AVR в статьях про использование аналогового компаратора и про создание на его базе АЦП. Также компаратор замечательно используется для создания всяких ШИМ сигналов.

Но одним компаратором дело не ограничивается, ведь если ввести обратную связь, то из ОУ можно сделать очень многое.

Обратная связь
Если мы сигнал возьмем со выхода и отправим прямиком на вход, то возникнет обратная связь.

Положительная обратная связь
Возьмем и загоним в прямой вход сигнал сразу с выхода.

Что получим? А ничего интересного, процесс пойдет по следующей цепочке событий.

Uout = (0 — U1)*К = — К*U1
Uout’ = (-K*U1 — U1)*K1

В общем, выход мгновенно свалится в бесконечные минуса, а в реале ляжет на шину отрицательного питания и усе. Поэтому такое включение применяется крайне редко. Например в триггере Шмитта для обеспечения гистерезиса.

Триггер Шмитта
Представим себе компаратор включенный по такой вот схеме и запитанный от +/- 15 вольт:

  • Напряжение U1 больше нуля — на выходе -15 вольт
  • Напряжение U1 меньше нуля — на выходе +15 вольт

А что будет если напряжение будет равно нулю? По идее на выходе должен быть ноль. Но в реальности напряжение НИКОГДА не будет равно нулю. Ведь даже если на один электрон заряд правого перевесит заряд левого, то уже этого достаточно, чтобы на бесконечном усилении вкатить потенциал на выход. И на выходе начнется форменный ад — скачки сигнала то туда, то сюда со скоростью случайных возмущений, наводящихся на входы компаратора.

Для решения этой проблемы вводят гистерезис. Т.е. своего рода зазор между переключениями из одного состояния в другое. Для этого вводят положительную обратную связь, вот так:

Считаем, что на инверсном входе в этот момент +10 вольт. На выходе с ОУ минус 15 вольт. На прямом входе уже не ноль, а небольшая часть выходного напряжения с делителя. Примерно -1.4 вольта Теперь, пока напряжение на инверсном входе не снизится ниже -1.4 вольта выход ОУ не сменит своего напряжения. А как только напряжение станет ниже -1.4, то выход ОУ резко перебросится в +15 и на прямом входе будет уже смещение в +1.4 вольта.

И для того, чтобы сменить напряжение на выходе компаратора сигналу U1 надо будет увеличиться на целых 2.8 вольта, чтобы добраться до верхней планки в +1. 4.

Возникает своеобразный зазор где нет чувствительности, между 1.4 и -1.4 вольтами. Ширина зазора регулируется соотношениями резисторов в R1 и R2. Пороговое напряжение высчитывается как Uout/(R1+R2) * R1 Скажем 1 к 100 даст уже +/-0.14 вольт.

Но все же ОУ чаще используют в режиме с отрицательной обратной связью.

Отрицательная обратная связь
Окей, воткнем по другому:

В случае отрицательной обратной связи у ОУ появляется интересное свойство. Он всегда будет пытаться так подогнать свое выходное напряжение, чтобы напряжения на входах были равны, в результате давая нулевую разность.
Пока я в великой книге от товарищей Хоровица и Хилла это не прочитал никак не мог вьехать в работу ОУ. А оказалось все просто.

Повторитель
И получился у нас повторитель. Т.е. на входе U1, на инверсном входе Uout = U1. Ну и получается, что Uout = U1.

Спрашивается нафига нам такое счастье? Можно же было напрямую кинуть провод и не нужен будет никакой ОУ!

Можно, но далеко не всегда. Представим себе такую ситуацию, есть датчик выполненный в виде резистивного делителя:

Нижнее сопротивление меняет свое значение, меняется расклад напряжений выхода с делителя. А нам надо снять с него показания вольтметром. Но у вольтметра есть свое внутреннее сопротивление, пусть большое, но оно будет менять показания с датчика. Более того, если мы не хотим вольтметр, а хотим чтобы лампочка меняла яркость? Лампочку то сюда никак не подключить уже! Поэтому выход буфферизируем операционным усилителем. Его то входное сопротивление огромно и влиять он будет минимально, а выход может обеспечить вполне ощутимый ток (десятки миллиампер, а то и сотни), чего вполне хватит для работы лампочки.
В общем, применений для повторителя найти можно. Особенно в прецезионных аналоговых схемах. Или там где схемотехника одного каскада может влиять на работу другого, чтобы разделить их.

Усилитель
А теперь сделаем финт ушами — возьмем нашу обратную связь и через делитель напряжения подсадим на землю:

Теперь на инверсный вход подается половина выходного напряжения. А усилителю то по прежнему надо уравнять напряжения на своих входах. Что ему придется сделать? Правильно — поднять напряжение на своем выходе вдвое выше прежнего, чтобы компенсировать возникший делитель.

Теперь будет U1 на прямом. На инверсном Uout/2 = U1 или Uout = 2*U1.

Поставим делитель с другим соотношением — ситуация изменится в том же ключе. Чтобы тебе не вертеть в уме формулу делителя напряжения я ее сразу и дам:

Uout = U1*(1+R1/R2)

Мнемонически запоминается что на что делится очень просто:

Таким образом, можно очень легко умножать аналоговые значения на числа больше 1. А как быть с числами меньше единицы?

Инвертирующий усилитель
Тут поможет только инверсный усилитель. Разница лишь в том, что мы берем и прямой вход коротим на землю.

При этом получается, что входной сигнал идет по цепи резисторов R2, R1 в Uout. При этом прямой вход усилителя засажен на нуль. Вспоминаем повадки ОУ — он постарается любыми правдами и неправдами сделать так, чтобы на его инверсном входе образовалось напряжение равное прямому входу. Т.е. нуль. Единственный вариант это сделать — опустить выходное напряжение ниже нуля настолько, чтобы в точке 1 возник нуль.

Итак. Представим, что Uout=0. Пока равно нулю. А напряжение на входе, например, 10 вольт относительно Uout. Делитель из R1 и R2 поделит его пополам. Таким образом, в точке 1 пять вольт.

Пять вольт не равно нулю и ОУ опускает свой выход до тех пор, пока в точке 1 не будет нуля. Для этого на выходе должно стать (-10) вольт. При этом относительно входа разность будет 20 вольт, а делитель обеспечит нам ровно 0 в точке 1. Получили инвертор.

Но можно же и другие резисторы подобрать, чтобы наш делитель выдавал другие коэффициенты!
В общем, формула коэффициента усиления для такого усилка будет следующей:

Uout = — Uin * R1/R2

Ну и мнемоническая картинка для быстрого запоминания ху из ху.

Вычитающая схема
Однако никто же не мешает подать на прямой вход не ноль, а любое другое напряжение. И тогда усилитель будет пытаться приравнять свой инверсный вход уже к нему. Получается вычитающая схема:

Допустим U2 и U1 будет по 10 вольт. Тогда на 2й точке будет 5 вольт. А выход должен будет стать таким, чтобы на 1й точке стало тоже 5 вольт. То есть нулем. Вот и получается, что 10 вольт минус 10 вольт равняется нуль. Все верно 🙂

Если U1 станет 20 вольт, то выход должен будет опуститься до -10 вольт.
Сами посчитайте — разница между U1 и Uout станет 30 вольт. Ток через резистор R4 будет при этом (U1-Uout)/(R3+R4) = 30/20000 = 0.0015А, а падение напряжения на резисторе R4 составит R4*I4 = 10000*0.0015 = 15 вольт. Вычтем падение в 15 вольт из входных 20 и получим 5 вольт.

Таким образом, наш ОУ прорешал арифметическую задачку из 10 вычел 20, получив -10 вольт.

Более того, в задачке есть коэффициенты, определяемые резисторами. Просто у меня, для простоты, резисторы выбраны одинакового номинала и поэтому все коэффициенты равны единице. А на самом деле, если взять произвольные резисторы, то зависимость выхода от входа будет такой:

Uout = U2*K2 — U1*K1

K2 = ((R3+R4) * R6 ) / (R6+R5)*R4
K1 = R3/R4

Мнемотехника для запоминания формулы расчета коэффициентов такова:
Прям по схеме. Числитель у дроби вверху поэтому складываем верхние резисторы в цепи протекания тока и множим на нижний. Знаменатель внизу, поэтому складываем нижние резисторы и множим на верхний.

Если же вводные резисторы (R4 и R5) равны друг другу. И резистор обратной связи и резистор на землю (R3 и R6) тоже равны друг другу. То формула упрощается до

Uout = R3/R4 (U2 — U1).

Таким образом, на одном усилке можно два сигнала сначала вычесть, а потом умножить на константу. Этим, кстати, я воспользовался в схеме реобаса, чтобы привести милливольтный сигнал с датчика температуры к вменяемому виду.

Раз можно вычитать, то можно и суммировать

Сумматор инвертирующий

Тут все просто. Т.к. точка 1 у нас постоянно приводится к 0, то можно считать, что втекающие в нее токи всегда равны U/R, а входящие в узел номер 1 токи суммируются. Соотношение входного резистора и резистора в обратной связи определяет вес входящего тока.

Ветвей может быть сколько угодно, я же нарисовал всего две.

Uout = -1(R3*U1/R1 + R3*U2/R2)

Резисторы на входе (R1, R2) определяют величину тока, а значит общий вес входящего сигнала. Если сделать все резисторы равными, как у меня, то вес будет одинаковым, а коэффициент умножения каждого слагаемого будет равен 1. И Uout = -1(U1+U2)

Сумматор неинвертирующий
Тут все чуток посложней, но похоже.

Uout = U1*K1 + U2*K2

K1 = R5/R1
K2 = R5/R2

Причем резисторы в обратной связи должны быть такими, чтобы соблюдалось уравнение R3/R4 = K1+K2

В общем, на операционных усилителях можно творить любую математку, складывать, умножать, делить, считать производные и интегралы. Причем практически мгновенно. На ОУ делают аналоговые вычислительные машины. Одну такую я даже видел на пятом этаже ЮУрГУ — дура размером в пол комнаты. Несколько металлических шкафов. Программа набирается соединением разных блоков проводочками 🙂

Продолжение следует, когда-нибудь 🙂

Операционный усилитель. Принцип работы и схемы включения.

Продолжаем изучать основы электроники на нашем сайте, и героем сегодняшней статьи будет еще одно замечательное устройство – а именно операционный усилитель. Сегодня разберемся, что это вообще такое, как он работает, ну и парочку основных схем по традиции разберем 🙂

Итак, по определению ОУ – это дифференциальный усилитель постоянного тока с очень большим коэффициентом усиления и несимметричным выходом. Теперь разберемся, что это значит…

ОУ имеет два входа и один выход. Один из этих входов называют неинвертирующим и обозначают на схемах плюсом, второй, соответственно, является инвертирующим. Так вот, напряжение на выходе ОУ определяется следующим образом:

U_{вых} = K(U_+\medspace-\medspace U_-)

K – это коэффициент усиления операционника, обычно он имеет значения порядка 100000 – 1000000. Из формулы видим, что в случае, когда сигналы на обоих входах ОУ равны, на выходе ноль. Если, например, потенциал инвертирующего входа (-) стал более положительным, чем потенциал неинвертирующего входа (+), то выходной сигнал изменится в отрицательном направлении. В этом и заключается работа операционного усилителя.

Помимо уже упомянутых входов и выхода ОУ имеет также выводы для подачи питания, и вот как выглядит его обозначение на принципиальных схемах:

Чаще всего в схемах на операционниках используется обратная связь, поскольку коэффициент усиления ОУ без обратной связи слишком уж велик 🙂 В замечательной книге Хоровица и Хилла приведены несколько, а точнее два правила, которые определяют как работает операционник в схемах с обратной связью.

  • Итак, первое правило заключается в том, что входы ОУ не потребляют ток. Конечно, в реальности потребление все-таки есть, поскольку идеального ничего не бывает, но это потребление составляет единицы нА, а то и меньше.
  • Второе правило заключается в том, что выход ОУ стремится к тому, чтобы разность напряжений между его входами была равна нулю. Вот эта формулировка мне, честно говоря, не слишком нравится. А суть тут заключается в том, что часть выходного напряжения через цепь обратной связи передается на вход и в результате этого потенциал обоих входов ОУ выравнивается.

Для того, чтобы разобраться в работе операционного усилителя, давайте рассмотрим пару-тройку схем. И начнем со схемы неинвертирующего усилителя (кстати на схемах порой опускают обозначение выводов для подачи питания на ОУ, мы, пожалуй, тоже так поступим 🙂 ):

Для начала определим, какое же значение напряжения мы получим на выходе, подав на вход U_{вх}. Как следует из второго правила – операционник с обратной связью “добьется” того, чтобы потенциалы входов выровнялись, а это значит, что:

U_- = U_{вх}

Но в то же время R_1 и R_2 образуют делитель напряжения и тогда:

U_- = \frac{U_{вых}\medspace R_1}{R_1\medspace+\medspace R_2}

Приравниваем эти два значения и получаем, что:

U_{вых} = U_{вх}\medspace (1 + \frac{R_2}{R_1})

K_{ус} = \frac{U_{вых}}{U_{вх}} = 1\medspace+\medspace\frac{R_2}{R_1}

Получили такой вот коэффициент усиления для неинвертирующего усилителя на операционном усилителе с обратной связью.

Давайте рассмотрим конкретный пример, чтобы еще лучше понять работу данной схемы. Пусть будут такие номиналы: R_2 = 10\medspace КОм , R_1 = 1\medspace КОм. На вход подадим 1 В. В этом случае напряжение на выходе ОУ начнет расти, поскольку (U_+\medspace-\medspace U_- > 0).

И расти оно будет до тех пор, пока потенциал на инвертирующем (-) выходе не станет равен 1 В (так как на неинвертирующем входе (+) у нас как раз-таки 1 В). Остается определить, при каком выходном значении напряжения, U_- будет равно 1 В. Входы ОУ ток не потребляют, значит ток протекает по цепи выход – R_2 – R_1 – земля:

I = \frac{U_{вых}}{R_1\medspace+\medspace R_2} = \frac{U_-}{R_1}

Из этого равенства без проблем определим U_{вых}, при значении U_- равном 1 В:

U_{вых} = U_-\frac{R_1\medspace+\medspace R_2}{R_1}

Подставив наши значения, получим U_{вых} = 11\medspace В. Это подтверждает верность выведенной нами ранее формулы U_{вых} = U_{вх}\medspace(1 + \frac{R_2}{R_1}) 🙂

С неинвертирующим усилителем разобрались, давайте рассмотрим еще одну схему – инвертирующий усилитель.

В принципе работает эта схема практически так же, как предыдущая. На неинвертирующем (+) входе потенциал земли, значит на инвертирующем тоже будет такой же потенциал. То есть:

U_- = 0

Не забываем, что ток входы ОУ не потребляют, а значит ток протекает по цепи выход – R_2 – R_1 – вход и равен он:

I = \frac{U_{вых}\medspace-\medspace U_-}{R_2} = \frac{U_-\medspace-\medspace U_{вх}}{R_1}

Отсюда нам остается только выразить U_{out} и определить коэффициент усиления цепи:

U_{вых} = -U_{вх}\medspace\frac{R_2}{R_1}

K_{ус} = -\frac{R_2}{R_1}

Сразу же становится понятно, почему усилитель называется инвертирующим 🙂 Сигналы на входе и на выходе разных знаков.

В завершение рассмотрим, пожалуй, еще одну небольшую схемку, а именно схему повторителя на операционном усилителе с обратной связью:

Если внимательно посмотреть на эту схему, то становится понятно, что это всего лишь неинвертирующий усилитель, у которого R_1 равно бесконечности, а R_2 равно нулю. Подставив эти значения в формулу для U_{out} получим:

U_{вых} = U_{вх}\medspace(1\medspace+\medspace\frac{R_2}{R_1}) = U_{вх}

Таким образом, напряжение на выходе повторяет сигнал на входе! Огромный плюс такого повторителя заключается в том, что его входной импеданс огромен, а выходной, напротив, мал.

Наверно, на этом сегодня закончим, а в следующей статье рассмотрим и проанализируем какие-нибудь схемки посложнее 🙂 До скорых встреч!

принцип работы, схемы и т.д.

Операционный усилитель — это усилитель постоянного тока с высоким коэффициентом усиления, который может быть очень большим, вплоть до миллионов. Часто встречается коэффициент усиления в 200 000. Операционные усилители способны усиливать сигналы переменного тока, также как сигналы постоянного тока, они чаще используются в измерительном оборудовании для усиления сигналов постоянного тока.

Название «операционный» усилитель происходит от того, что выполняемые операционным усилителем функции представляют собой математические операции. Например, устройство для извлечение квадратного корня является контрольно-измерительным устройством, в котором используется операционный усилитель для определения квадратного корня сигналов для обеспечения контроля изменения величины потока жидкой или газообразной среды.

Операционный усилитель
Обратите внимание на основы электричества и на приборы электроники.

Операционные усилители не обладают бесконечными входными сопротивлениями и нулевыми выходными сопротивлениями. Хотя возможно входное сопротивление в несколько триллионов Ом, и выходные сопротивления близкие к нулю. В результате выходные сигналы от таких операционных усилителей могут очень точно регулироваться. По этой причине операционные усилители считаются точными усилителями.

Высокая степень точности, обеспечиваемая операционными усилителями, возможна благодаря применению технологии интегральных схем. Хотя в принципе возможно изготовить операционный усилитель из дискретных компонентов, соединенных вместе на монтажной плате, однако практически все операционные усилители в настоящее время выполнены в виде интегральных схем.

Кристалл интегральной схемы операционного усилителя содержит все транзисторы и другие элементы, необходимые для усиления сигнала. Стандартный кристалл выполнен из, на нем может располагаться порядка 30 транзисторов и других элементов.

Кристалл с интегральной схемой операционного усилителя

При использовании операционных усилителей в различных типах схем они могут выполнять различные операции, необходимые в контрольно-измерительном оборудовании. Например, они могут суммировать сигналы, вычитать сигналы, находить среднюю величину сигнала и выполнять даже более сложные функции.

Схемы операционного усилителя

Все операционные усилители имеют два входа. Минус на схеме обозначает один вход, плюс — другой. Условное обозначение операционного усилителя можно узнать на схеме по знакам плюс и минус на вертикальной стороне треугольника. Это отличительные черты условного обозначения операционного усилителя. Если вы встретите на схеме подобный символ, но без знаков плюс и минус, то элемент, обозначенный таким образом, может представлять собой усилитель, но это не операционный усилитель.

Схема операционного усилителя

Выход операционного усилителя представлен на вершине треугольника, противолежащей стороне, где находятся входные зажимы. Соединения с источником питания обычно обозначаются линиями на противоположных сторонах треугольника. Большинство операционных усилителей рассчитаны на работу от биполярного источника напряжения, имеющего положительное и отрицательное напряжения. В целом, операционные усилители могут работать в пределах напряжения от +-1 В до +-40 В. Наиболее распространенное напряжение питания для них 15 В.

Схема соединения операционного усилителя с источником питания

Выход биполярного источника напряжения измеряется относительно нуля вольт, не всегда относительно земли шасси. Для указания точки отсчета используется стрелка с не закрашенной треугольной головкой. Такая стрелка показывает общую точку в схеме, называемую «общей точкой сигналов». Входной и выходной сигналы операционного усилителя также измеряются относительно общей точки сигналов. Соединения общих точек сигналов не всегда отображаются на принципиальных схемах с операционными усилителями.

Схема обозначения общей точки сигналов

Корпусы операционных усилителей

Операционные усилители размещаются в контейнерах, называемых корпусами. Четыре наиболее распространенных типов корпусов это: ТО-5 (корпус транзисторного типа), DIP (плоский корпус с двухрядным расположением выводов), мини — DIP и плоский корпус с планарными выводами.

Операционный усилитель в корпусе ТО-5 (небольшой, металлический, круглой формы)Операционный усилитель в DIP- корпусе (самый большой из представленных)Операционный усилитель в мини DIP-корпусе (самый маленький из представленных)Операционный усилитель в плоском корпусе с боковыми выводами

Штырьки корпуса операционного усилителя используются в качестве выводов, с их помощью операционный усилитель соединяется с остальной схемой. Операционные усилители либо непосредственно припаиваются к монтажной плате, либо вставляются в колодку, которая припаяна к плате. Если операционный усилитель вставлен в колодку, его легко можно извлечь при помощи специального пинцета, предназначенного для этих целей.

2.4 Интегральные и операционные усилители

2.4 Интегральные и операционные усилители

2.4.1 Операционные усилители

Операционным усилителем называют усилитель постоянного тока, предназначенный для выполнения различного рода операций над аналоговыми сигнала при работе в схемах с отрицательной обратной связью.

Операционные усилители обладают большим и стабильным коэффициентом усиления напряжения, имеют дифференциальный вход с высоким входным сопротивлением и несимметричный выход с низким выходным сопротивлением, малым дрейфом нуля. То есть под операционным усилителем понимают высококачественный универсальный усилитель.

Условные обозначения операционных усилителей приведены на рисунке 2.4.1.1

Рисунок 2.4.1.1 Условные обозначения операционных усилителей

Один из входов, обозначенный знаком «+» называют неинвертирующим (прямым), так как сигнал на выходе и сигнал на этом входе имеют одинаковую полярность. Второй вход, обозначенный знаком «–», (его также обозначают знаком инверсии «o») называют инвертирующим, так как сигнал на выходе по отношению к сигналу на этом входе имеет противоположную полярность. Помимо трех сигнальных контактов (двух входных и одного выходного) операционный усилитель содержит дополнительные контакты (обычно число контактов составляет 14 или 16).

 

2.4.2 Интегральные усилители

Интегральным усилителем принято называть усилитель постоянного тока с большим коэффициентом усиления, имеющий симметричный вход и несимметричный выход. Термин операционный усилитель (ОУ) первоначально относился к классам усилителей, способных выполнять различные математические операции за счет использования отрицательной обратной связи с соответствующими передаточными характеристиками. В настоящее время ОУ выполняется, как правило, в виде монолитных интегральных микросхем и по своим размерам и цене практически не отличаются от отдельно взятого транзистора. Благодаря практически идеальным характеристикам ОУ, реализация различных схем на их основе оказывается значительно проще, чем на отдельных транзисторах. Чтобы определить, какой тип ОУ подходит для конкретного случая его применения, необходимо знать его основные характеристики, а для некоторых случаев необходимо и знание внутренней структуры. Для полного описания прибора необходимо знать более 30 электрических параметров. Однако для упрощения расчета и анализа схем пользуются понятием «идеального» ОУ. Идеальный ОУ имеет следующие свойства: собственные значения коэффициента усиления и входного сопротивления стремятся к бесконечности, выходное сопротивление стремится к нулю, высокочастотный спад амплитудно-частотной характеристики имеет скорость не более 20 дб/дек. Отметим важные правила, которые определяют поведение ОУ, охваченного петлей обратной связи. 1. Выход ОУ стремится к тому, чтобы разность напряжений между его входами была равна нулю. Это правило не означает, что ОУ действительно изменяет напряжение на своих входах. Это невозможно. ОУ «оценивает» состояние входов и с помощью внешней схемы обратной связи передает напряжение с выхода на вход, так что в результате разность напряжений между входами стремится к нулю. Второе правило, которое широко используется при анализе схем на ОУ, связано с малым потреблением входного тока (например, ОУ К140УД7 имеет входной ток 0,08 мкА, а ОУ с полевыми транзисторами на входе имеют входные токи утечки единицы пикоампер).

2. Входы ОУ не потребляют ток в цепи источника сигнала. Эти правила справедливы для любого ОУ при условии, что входы не перегружены. При проектировании усилительных устройств на ОУ необходимо помнить, что обратная связь должна быть всегда отрицательной (т. е. нельзя путать инвертирующий и не инвертирующий входы), причем в схеме ОУ обязательно должна быть предусмотрена цепь обратной связи по постоянному току. В противном случае ОУ обязательно попадает в режим насыщения. Интегральные ОУ представляют собой схему с двумя входами и несимметричным выходом. Кроме информационных выводов интегральные ОУ обычно имеют специальные выводы для подключения напряжения источника питания, цепей балансировки и коррекции амплитудно-частотной характеристики

Первые ОУ (например, К140УД1, К140УД5, К153УД1 и т. д.) для получения высокого коэффициента усиления имели три каскада усиления, в которых в качестве нагрузки применялись резисторы. Применение p-n-p транзисторов в качестве активной нагрузки позволило не только получить большой коэффициент усиления, но и существенно упростить схему ОУ Двухкаскадные схемы ОУ работают с меньшими токами питания, имеют повышенный коэффициент усиления, малые входные токи, могут устойчиво работать как при малых (±ЗВ), так и при больших (±15В) напряжениях питания, сохраняя при этом высокий коэффициент усиления и амплитуду выходного сигнала, пропорциональную питающим напряжениям. Двухкаскадная структура ОУ требует применения лишь одного конденсатора для коррекции АЧХ, что дает возможность осуществлять внутреннюю коррекцию. Необходимый коэффициент усиления при разомкнутой обратной связи в этой схеме обеспечивается двумя усилительными каскадами. Для получения более высокого коэффициента усиления на каскад в качестве нагрузки в обоих каскадах используются не резисторы, а схемы источников тока.

В первом каскаде транзисторы VT1, VT2 и VT6, VT7 образуют дифференциальный каскад, в котором транзисторы VT1 и VT6 включены по схеме ОК, а транзисторы VT2 и VT7 по схеме ОБ. Транзисторы VT3, VT8 являются высокоомной динамической нагрузкой для транзисторов VT2 и VT7. Входные транзисторы VT1 и VT6 все время работают при одном и том же напряжении на коллекторе, что приводит к отсутствию влияния модуляции ширины базы на напряжение смещения.

На транзисторы VT2 и VT7 р-n-р типа смещение подается с ГСТ на транзисторе VT10. Если предположить, что напряжения Uэб транзисторов VT1, VT6, VT8, VT9 хорошо согласованы, то их коллекторные токи будут приблизительно равными. Эмиттерный повторитель на транзисторе VT5 задает уровень смещения на транзисторы VT3 и VT8 и преобразует напряжение на коллекторе транзистора VT3 в базовое напряжение, управляющее транзистором VT8. Таким образом, дифференциальный выход первого каскада усиления преобразуется в одиночный выход с коллектора транзистора VT8. Для стабилизации рабочей точки транзисторов VT2, VT7, смещение которой вызвано несогласованностью характеристик этих транзисторов, в первом каскаде предусмотрена цепь обратной связи, выполненная на транзисторах VT9 и VT4, причем транзистор VT4 используется в диодном включении. Транзистор VT4 определяет уровни токов, протекающих через транзисторы VT1 и VT6. Он также определяет величину тока через транзистор VT9, который в свою очередь регулирует базовые токи транзисторов VT2 и VT7 путем сложения или вычитания токов транзистора VT9 и ГСТ на транзисторе VT10. В дифференциальном каскаде такая ОС, кроме того, улучшает стабильность уровня смещения и подавление синфазных сигналов, без изменения его коэффициента усиления.

Балансировка ОУ производится в первом каскаде с помощью потенциометра сопротивлением 10 кОм, включенным между выводами эмиттеров транзисторов VT3 и VT8. Средняя точка потенциометра подключается к отрицательной шине питания — Е2. Сложный дифференциальный усилитель, включенный на входе ОУ, имеет коэффициент усиления по напряжению более 60 дб. Включение транзисторов VT1, VT6 и VT2, VT7 по схеме OK–ОБ позволило повысить входное сопротивление усилителя до значения 400 кОм и выше. Транзисторы VT9, VT10 образуют ГСТ для первого каскада, причем базы этих транзисторов получают смещение от транзисторов VT11, VT 12, имеющих диодное включение.

Второй каскад усиления построен на транзисторах VT13, VT16, включенных по схеме составного транзистора, многоколлекторном транзисторе VT15, который служит в качестве активной нагрузки каскада. Транзистор VT15 имеет эмиттерный ток, равный току через его диод смещения (транзистор VT11). Эмиттерный ток транзистора VT15 делится поровну между двумя его коллекторами. Второй каскад имеет коэффициент усиления по напряжению около 45 дб.

С выхода второго каскада усиления напряжение поступает на базу двухэмиттерного транзистора VT20, который регулирует работу выходных эмиттерных повторителей. Изменение напряжения на базе транзистора VT20 либо шунтирует через схему сдвига уровня (транзисторы VT17, VT19) выходной транзистор VT23, отбирая у него базовый ток, открывая в то же время транзистор VT24, и наоборот.

Выходной каскад, работающий в режиме АВ, построен на транзисторах разного тина проводимости VT23 и VT24, причем последний является транзистором р-n-р типа, в котором подложка используется в качестве коллекторной области. Транзисторы VT21 и VT22 с резисторами R10 и R11 образуют схему защиты выходных цепей от короткого замыкания. Эти транзисторы открываются падением напряжения на резисторах R10, R11, если импульс выходного тока превышает 25 мА. Если эти транзисторы открываются (поочередно при смене полуволн тока короткого замыкания), то выходные транзисторы становятся генераторами предельного выходного тока, величина которого

Iк пред = Uбэ /R10 = 0,65В/30 Ом ? 27 мА.

Транзистор VT14 и цепь второго эмиттера транзистора VT18 предназначена для защиты выходного каскада от насыщения. ОУ имеет внутреннюю коррекцию амплитудно-частотной характеристики с помощью конденсатора С .

 

Задания для самостоятельной работы

Задания для самостоятельной работы по теме «Усилители электрических сигналов»

  Скачать файл задания целиком.

а) Указать, для какого режима усиления изображены временные диаграммы выходного тока.

б) Объяснить, как выбирается рабочая точка для данного режима.

в) Охарактеризовать  указанный режим

 

№1.

 

 

 

№2

 

№3

 

что это такое, принцип работы, схемы включения

В радиоэлектронике и микросхемотехнике широкое распространение получил операционный усилитель (ОУ). Он обладает отличными техническими характеристиками (ТХ) по усилению сигналов. Чтобы понять сферы применения ОУ, нужно узнать его принцип действия, схему подключения и основные ТХ.

Что такое операционный усилитель

ОУ — интегральная микросхема (ИМС), основным предназначением которой является усиление значения постоянного тока. Она имеет только один выход, который называется дифференциальным. Этот выход обладает высоким коэффициентом, усиливающим сигнал (Kу). ОУ в основном применяются при построении схем с отрицательной обратной связью (ООС), которая при основной ТХ по усилению и определяет Kу исходной схемы. ОУ применяются не только в виде отдельных ИМС, но и в разных блоках сложных устройств.

У ОУ 2 входа и 1 выход, а также есть выводы для подключения источника питания (ИП). Принцип действия операционного усилителя прост. Существует 2 правила, взятых за основу. Правила описывают простые процессы работы ИМС, происходящие в ОУ, и как работает ИМС, понятно даже чайникам. На выходе разность напряжений (U) равна 0, а входы ОУ почти не потребляют ток (I). Один вход называется неинвертирующим (V+), а другой является инвертирующим (V-). Кроме того, входы ОУ обладают высоким сопротивлением (R) и практически не потребляют I.

Чип сравнивает значения U на входах и выдает сигнал, предварительно усиливая его. Kу ОУ имеет высокое значение, достигающее 1000000. Если произойдет подача низкого U на вход, то на выходе возможно получить величину, равную U источника питания (Uип). Если U на входе V+ больше, чем на V-, то на выходе получится максимальное положительное значение. При запитывании положительным U инвертирующего входа на выходе будет максимальная величина отрицательного напряжения.

Основным требованием для работы ОУ является применение двухполярного ИП. Возможно применение однополярного ИП, но при этом возможности ОУ сильно ограничиваются. Если использовать батарейку и принять за 0 ее плюсовую сторону, то при измерении значений получится 1,5 В. Если взять 2 батарейки и соединить их последовательно, то произойдет сложение U, т.е. прибор покажет 3 В.

Если принять за ноль минусовой вывод батарейки, то прибор покажет 3 В. В другом случае, если принять за 0 плюсовой вывод, то получается -3 В. При использовании в качестве нуля точки между двумя батарейками получится примитивный двухполярный ИП. Проверить исправность ОУ можно только при подключении его в схему.

Виды и обозначения на схеме

С развитием электросхемотехники операционные усилители постоянно совершенствуются и появляются новые модели.

Классификация по сферам применения:

  1. Индустриальные — дешевый вариант.
  2. Презиционные (точная измерительная аппаратура).
  3. Электрометрические (малое значение Iвх).
  4. Микромощные (потребление малого I питания).
  5. Программируемые (токи задаются при помощи I внешнего).
  6. Мощные или сильноточные (отдача большего значения I потребителю).
  7. Низковольтные (работают при U<3 В).
  8. Высоковольтные (рассчитаны на высокие значения U).
  9. Быстродействующие (высокая скорость нарастания и частота усиления).
  10. С низким уровнем шума.
  11. Звуковой тип (низкий коэффициент гармоник).
  12. Для двухполярного и однополярного типа электрического питания.
  13. Разностные (способны измерять низкие U при высоких помехах). Применяются в шунтах.
  14. Усилительные каскады готового типа.
  15. Специализированные.

По входным сигналам ОУ делятся на 2 типа:

  1. С 2 входами.
  2. С 3 входами. 3 вход применяется для расширения функциональных возможностей. Обладает внутренней ООС.

Схема операционного усилителя достаточно сложная, и не имеет смысла его изготавливать, а радиолюбителю нужно только знать правильную схему включения операционного усилителя, но для этого следует понимать расшифровку его выводов.

Основные обозначения выводов ИМС:

  1. V+ — неинвертирующий вход.
  2. V- — инвертирующий вход.
  3. Vout — выход.Vs+ (Vdd, Vcc, Vcc+) — плюсовая клемма ИП.
  4. Vs- (Vss, Vee, Vcc-) — минус ИП.

Практически в любом ОУ присутствуют 5 выводов. Однако в некоторых разновидностях может отсутствовать V-. Существуют модели, которые обладают дополнительными выводами, которые расширяют возможности ОУ.

Выводы для питания необязательно обозначать, т.к. это увеличивает читабельность схемы. Вывод питания от положительной клеммы или полюса ИП располагают вверху схемы.

Основные характеристики

ОУ, как и другие радиодетали, имеют ТХ, которые можно разделить на типы:

  1. Усилительные.
  2. Входные.
  3. Выходные.
  4. Энергетические.
  5. Дрейфовые.
  6. Частотные.
  7. Быстродействие.

Коэффициент усиления является основной характеристикой ОУ. Он характеризуется отношением выходного сигнала ко входному. Его еще называют амплитудной, или передаточной ТХ, которая представлена в виде графиков зависимости. К входным относятся все величины для входа ОУ: Rвх, токи смещения (Iсм) и сдвига (Iвх), дрейф и максимальное входное дифференциальное U (Uдифмакс).
Iсм служит для работы ОУ на входах. Iвх нужен для функционирования входного каскада ОУ. Iвх сдвига — разность Iсм для 2 входных полупроводников ОУ.

Во время построения схем нужно учитывать эти I при подключении резисторов. Если Iвх не учитывать, то это может привести к созданию дифференциального U, которое приведет к некорректной работе ОУ.
Uдифмакс — U, которое подается между входами ОУ. Его величина характеризует исключение повреждения полупроводников каскада дифференциального исполнения.

Для надежной защиты между входами ОУ подключаются встречно-параллельно 2 диода и стабилитрона. Дифференциальное входное R характеризуется R между двумя входами, а синфазное входное R — величина между 2 входами ОУ, которые объединены, и массой (земля). К выходным параметрам ОУ относятся выходное R (Rвых), максимальное выходное U и I. Параметр Rвых должен быть меньшим по значению для обеспечения лучших характеристик усиления.

Для достижения маленького Rвых нужно применять эмиттерный повторитель. Iвых изменяется при помощи коллекторного I. Энергетические ТХ оцениваются максимальной мощностью, которую потребляет ОУ. Причина некорректной работы ОУ — разброс ТХ полупроводников дифференциального усилительного каскада, зависящего от температурных показателей (температурный дрейф). Частотные параметры ОУ являются основными. Они способствуют усилению гармонических и импульсных сигналов (быстродействие).

В ИМС ОУ общего и специального вида включается конденсатор, предотвращающий генерацию высокочастотных сигналов. На частотах с низким значением схемы обладают большим коэффициентом Kу без обратной связи (ОС). При ОС используется неинвертирующее включение. Кроме того, в некоторых случаях, например при изготовлении инвертирующего усилителя, ОС не используется. Кроме того, у ОУ есть динамические характеристики:

  1. Скорость нарастания Uвых (СН Uвых).
  2. Время установления Uвых (реакция ОУ при скачке U).

Где применяются

Существует 2 вида схем ОУ, которые различаются способом подключения. Главный недостаток ОУ — непостоянство Kу, зависящего от режима функционирования. Основные сферы применения — усилители: инвертирующий (ИУ) и неинвертирующий (НИУ). В схеме НИУ Kу по U задается резисторами (сигнал нужно подавать на вход). ОУ содержит ООС последовательного типа. Эта связь выполнена на одном из резисторов. Она подается только на V-.

В ИУ происходит сдвиг сигналов по фазе. Для изменения знака выходного отрицательного напряжения необходима параллельная ОС по U. Вход, который является неинвертирующим, нужно заземлить. Входной сигнал через резистор подается на инвертирующий вход. Если неинвертирующий вход уходит на землю, то разность U между входами ОУ равна 0.

Можно выделить устройства, в которых применяются ОУ:

  1. Предусилители.
  2. Усилители звуковых и видеочастотных сигналов.
  3. Компараторы U.
  4. Дифусилители.
  5. Диференциаторы.
  6. Интеграторы.
  7. Фильтрующие элементы.
  8. Выпрямители (повышенная точность выходных параметров).
  9. Стабилизаторы U и I.
  10. Вычислители аналогового типа.
  11. АЦП (аналого-цифровые преобразователи).
  12. ЦАП (цифро-аналоговые преобразователи).
  13. Устройства для генерации различных сигналов.
  14. Компьютерная техника.

Операционные усилители и их применение получили широкое распространение в различной аппаратуре.

Операционный усилитель - Основы операционного усилителя, идеальный рабочий операционный усилитель, инвертирующий, неинвертирующий операционный усилитель

Введение в операционные усилители

В этом посте будут проанализированы основы операционного усилителя (обычно обозначаемого как операционный усилитель) вместе с его блок-схемой, базовой структурой, символом, типами и подробным объяснением типичного операционного усилителя.

Что такое операционный усилитель (ОУ)?

Операционный усилитель - это многокаскадный усилитель с отрицательной обратной связью с прямым подключением и высоким коэффициентом усиления, который имеет один или несколько дифференциальных усилителей и завершен преобразователем уровня и выходным каскадом.В операционном усилителе предусмотрена шунтирующая обратная связь по напряжению для получения стабилизированного усиления по напряжению. Операционные усилители доступны как интегральных схем (ИС) .

В основном операционный усилитель используется для усиления входных сигналов переменного и постоянного тока и первоначально использовался для основных математических операций, таких как сложение, вычитание, умножение, дифференцирование и интегрирование. В настоящее время применение операционных усилителей варьируется от усиления сигналов переменного и постоянного тока до использования в активных фильтрах, генераторах, компараторах, регуляторах напряжения, контрольно-измерительных приборах и системах управления, генераторах импульсов, генераторах прямоугольных импульсов и многих других электронных схемах.Для проектирования всех этих схем операционные усилители изготавливаются со встроенными транзисторами, диодами, конденсаторами и резисторами, что делает их чрезвычайно компактными, многозадачными, недорогими, высоконадежными и термостабильными интегральными схемами. Он также спроектирован таким образом, что внешние характеристики могут быть изменены путем добавления внешних компонентов, таких как конденсаторы и резисторы. Таким образом, он может выступать в качестве полноценного усилителя с различными характеристиками.

Блок-схема операционного усилителя (ОУ)

Блок-схема многокаскадного операционного усилителя приведена ниже.

Блок-схема операционного усилителя (ОУ)

Операционный усилитель начинается с каскада дифференциального усилителя, который работает в дифференциальном режиме. Таким образом, входы отмечены «+» и «-». Положительный знак соответствует неинвертирующему входу, а отрицательный - инвертирующему входу. Неинвертирующий вход - это сигнал переменного тока (или постоянного тока), подаваемый на дифференциальный усилитель, который обеспечивает такую ​​же полярность сигнала на выходе операционного усилителя. Вход инвертирующего сигнала - это сигнал переменного (или постоянного) тока, подаваемый на дифференциальный усилитель.Это дает сигнал на выходе, сдвинутый по фазе на 180 градусов.

Инвертирующий и неинвертирующий входы подаются на входной каскад, который представляет собой дифференциальный усилитель с двойным входом и балансным выходом. На этом этапе обеспечивается коэффициент усиления по напряжению, необходимый для усилителя, вместе с входным сопротивлением операционного усилителя. Выход начального каскада подается на промежуточный каскад, который управляется выходом входного каскада. В этом каскаде используется прямая связь, которая делает постоянное напряжение на выходе промежуточного каскада выше потенциала земли.Следовательно, уровень постоянного тока на его выходе должен быть понижен до 0 В по отношению к земле. Для этого используется ступень сдвига уровня, где обычно применяется эмиттерный повторитель с источником постоянного тока. Затем сигнал со смещенным уровнем подается на выходной каскад, где двухтактный усилитель увеличивает размах выходного напряжения сигнала, а также увеличивает пропускную способность операционного усилителя по току.

Символ операционного усилителя (ОУ)

Схематическое изображение операционного усилителя показано ниже.

Обозначение операционного усилителя (ОУ)

Показанный выше символ является наиболее широко используемым символом операционного усилителя для всех электронных схем.

В1 (Вольт) - неинвертирующее входное напряжение.

V2 (Volts) - инвертирование входного напряжения.

V0 (Вольт) - Выходное напряжение

Характеристики операционных усилителей (ОУ)

1. Высокое входное сопротивление - более 100 кОм.

2. Низкая мощность - менее 100 Ом.

3. Усилитель сигналов с диапазоном частот от 0 Гц до 1 МГц.

4. Низкое напряжение смещения и низкий ток смещения.

5. Очень высокое усиление напряжения - около 2,00,000.

Схемы базового операционного усилителя

Как объяснялось ранее, дифференциальные схемы являются одной из основных схем, используемых в операционных усилителях. Мы уже объясняли дифференциальный усилитель и его работу в более раннем посте. Вы можете проверить ссылки здесь - Дифференциальный усилитель .

Ниже показана схема дифференциального усилителя, модифицированная для использования операционного усилителя. Это составляет основную схему операционного усилителя и объясняет входные характеристики типичной ИС операционного усилителя.

Схема базового операционного усилителя (ОУ)

Базовая конфигурация схемы изображена выше. Предусмотрены два транзистора Q1 и Q2, в которых вход подается на базу обоих транзисторов. Оба транзисторных эмиттера подключены к общему эмиттеру RE, так что на два входных сигнала влияет один или оба входных сигнала.Два напряжения питания VCC и VEE подключены как к коллекторам, так и к эмиттерам QI и Q2. На принципиальной схеме нет обозначения общей точки заземления. Следует понимать, что противоположные точки источников как положительного, так и отрицательного напряжения соединены с землей.

Когда входной сигнал в точке 1 (V1) увеличивается, эмиттерный ток транзистора Q1 увеличивается и, таким образом, вызывает повышение напряжения на вершине сопротивления эмиттера RE. Таким образом, уменьшается напряжение база-эмиттер VBE транзистора Q2.Таким образом, когда VBE Q2 уменьшается, в транзисторе Q2 протекает меньше тока, что приводит к падению напряжения на сопротивлении коллектора RC и увеличению выходного напряжения VOUT, поскольку это разница между напряжением питания коллектора VCC и падением напряжения. в сопротивлении коллектора RC (ICRC). Это подводит нас к выводу, что будет увеличение выходного напряжения при увеличении входного напряжения V1. Вот почему V1 считается неинвертирующим входом. Vout находится в фазе с V1.

В другой момент, когда напряжение V2 увеличивается, ток коллектора Q2 увеличивается и уступает место падению напряжения на сопротивлении коллектора и, следовательно, уменьшению выходного напряжения VOUT. Вот почему V2 считается инвертирующим входом. VOUT сдвинут по фазе на 180 градусов с V2.

Основное введение в операционный усилитель uA741 уже было дано. Перейдите по ссылке ниже.

Введение в операционный усилитель uA 741

В статье в основном описывается, что такое операционный усилитель., символ операционного усилителя, концепция инвертирующего и неинвертирующего входа и многое другое. Он также описывает популярность 741 IC среди различных типов операционных усилителей, доступных на рынке. Также объясняются особенности операционного усилителя и необходимость двойного источника питания для ИС. Вы можете больше узнать о стиле упаковки и назначении выводов операционного усилителя, а также о различных номиналах идеального операционного усилителя 741 IC. Некоторые из основных приложений операционного усилителя перечислены ниже. Ознакомьтесь с подробным описанием, перейдя по основным ссылкам.

Компаратор ОУ

В статье показана принципиальная схема и работа операционного усилителя в качестве компаратора. В основном есть два типа компараторов. Один - это схема инвертирующего компаратора, а другой - неинвертирующий компаратор. Оба они поясняются аккуратными формами сигналов, а также приводятся различные применения схемы.

Триггер Шмитта с ОУ

Применение операционного усилителя в качестве быстродействующего детектора уровня рабочего напряжения показано в этой основной статье с помощью принципиальной схемы и соответствующей формы сигнала.Точная работа схемы также объясняется уравнениями для различных опорных напряжений, когда выход положительно насыщен и отрицательно насыщен. Различные характеристики триггера Шмитта также объясняются вместе с его UTP и LTP.

Астабильный мультивибратор с ОУ

Работа операционного усилителя в качестве генератора прямоугольных импульсов объясняется с помощью принципиальной схемы и формы сигнала. Также приводится уравнение выходного напряжения и уравнение заряда конденсатора.Также объясняется причина, по которой схема называется «автономным мультивибратором».

Моностабильный мультивибратор

В этом посте объясняются основы импульсного генератора. Принципиальная схема и форма сигнала проиллюстрированы в статье вместе с условиями установившегося режима и уравнениями напряжения конденсатора.

Детектор пересечения нуля

Это прикладная форма схемы компаратора операционного усилителя. Здесь опорное напряжение обнулено.Детектор перехода через ноль, использующий инвертирующий компаратор операционного усилителя, поясняется принципиальной схемой и формой сигнала.

Делитель напряжения с ОУ

Схема делителя напряжения подключена к неинвертирующему входу операционного усилителя. Схема подробно описана в оригинальном посте.

Основы работы с операционным усилителем

»Примечания по электронике

Операционные усилители являются одними из наиболее полезных схемных блоков для проектирования аналоговых электронных схем. Они просты в использовании и могут обеспечить почти идеальные аналоговые схемы.


Учебное пособие по операционному усилителю Включает:
Введение Усиление операционного усилителя Пропускная способность Скорость нарастания операционного усилителя Смещение null Входное сопротивление Выходное сопротивление Понимание спецификаций Как выбрать операционный усилитель Сводка схем операционного усилителя


Интегральные схемы, ИС оказали огромное влияние на сцену электроники - как аналоговые, так и цифровые схемы изменили лицо электроники.

На арене аналоговой электроники нет ничего лучше, чем операционный усилитель или операционный усилитель.Операционный усилитель представляет собой дифференциальный усилитель и представляет собой блок схемы усилителя с очень высокими характеристиками, который позволяет проектировать множество различных схем электронного усилителя с добавлением всего лишь нескольких других компонентов.

Операционный усилитель может составлять основу множества других схем, от фильтров до таймеров и генераторов до компараторов и нестабильных устройств. Таким образом, операционный усилитель является одним из самых универсальных строительных блоков, доступных инженерам-проектировщикам аналоговой электроники и любителям.

Одним из преимуществ использования схем операционного усилителя является то, что конструкция электронной схемы часто очень проста, но при этом позволяет получить готовые схемы с высокими характеристиками.

Обозначение схемы операционного усилителя с ИС

Разработка ОУ

Хотя термин «операционный усилитель» теперь полностью интегрирован в сегодняшнюю терминологию электроники, можно не понимать, что он восходит к статье, опубликованной в 1947 году. Здесь описывалась работа, которая была проведена с использованием этих усилителей в аналоговых компьютерах того времени.

Обозначение схемы операционного усилителя

Однако только в 1960-х годах концепция этих усилителей могла быть полностью реализована с повсеместным внедрением технологии интегральных схем.

В 1963 году был представлен первый операционный усилитель на монолитной интегральной схеме. Это был µA702 от Fairchild Semiconductor, разработанный их инженером Бобом Видларом.

Позже, в 1965 году, была выпущена усовершенствованная модель µA702. Снова произведенный Fairchild, это был µA709, и это был первый операционный усилитель, получивший широкое распространение.Он работал хорошо, преодолев некоторые проблемы micro; A702, хотя необходимо было внешнюю компенсацию усилителя, чтобы предотвратить его переход в колебания.

В 1968 году был впервые представлен очень известный µA741. Этот операционный усилитель решил проблему нестабильности за счет включения небольшого конденсатора 30 пФ в микросхему внутри кристалла. Это означало, что никаких внешних компонентов компенсации не требовалось. Это различие позволило 741 использовать особенно широко, и на самом деле он все еще производится некоторыми компаниями по сей день.Конфигурация выводов также была перенесена на многие современные микросхемы операционных усилителей.

С тех пор было выпущено множество микросхем операционных усилителей, предлагающих улучшенные характеристики с точки зрения входного импеданса, малых смещений, низкого уровня шума и т. Д., И они стали использоваться в схемах аналоговой электроники.

Теперь операционные усилители стали фундаментальным строительным блоком, используемым во всей электронной промышленности. Несмотря на то, что они существуют уже некоторое время, вероятность того, что их использование снизится, невелика.

Что такое операционный усилитель? Основы

Операционный усилитель - это очень близкое приближение к идеальному усилителю, который имеет бесконечное усиление, бесконечный входной импеданс и нулевой выходной импеданс. На самом деле операционные усилители не совсем достигают совершенства, но с коэффициентом усиления часто в районе 100000 или более, уровнями входного импеданса в мегом и более и очень низкими уровнями выходного импеданса они подходят достаточно близко, чтобы можно было игнорировать недостатки в большинство случаев.


Посмотрите наше видео об основах операционных усилителей

Операционный усилитель имеет два входа.Один из них называется инвертирующим входом и отмечен знаком «-» на принципиальных схемах. Другой - неинвертирующий вход, отмеченный знаком «+».

Операционный усилитель - это, по сути, дифференциальный усилитель, поскольку выходной сигнал пропорционален разнице напряжений между двумя входами.

Эквивалентная схема операционного усилителя

Два входа получили свое название из-за способа, которым они усиливают сигналы:

  • Неинвертирующий вход: Неинвертирующий вход операционного усилителя отмечен знаком «+» на принципиальной схеме.Обнаружено, что положительное напряжение, приложенное к неинвертирующему входу, вызывает положительный размах на выходе. Если изменяющаяся форма волны, например синусоида, применяется к неинвертирующему входу, то она будет отображаться в том же смысле на выходе. Он не был перевернут. Сигнал, подаваемый на неинвертирующий вход, появляется на выходе в том же смысле. Подавая входной сигнал на неинвертирующий вход и отрицательную обратную связь на инвестиционный вход, можно разработать схему, которая не инвертирует смысл входного сигнала.
  • Инвертирующий вход: & nbsp Инвертирующий вход операционного усилителя отмечен знаком «-» на принципиальной схеме. Положительное напряжение, приложенное к инвертирующему входу, приведет к отрицательному размаху на выходе. Таким образом, на инвертирующий вход был подан синус, на выходе он будет перевернут. Сигнал, подаваемый на инвертирующий вход, появляется на выходе в противоположном смысле. Подавая сигнал и отрицательную обратную связь на инвертирующий вход операционного усилителя, можно разработать схему, в которой выходной сигнал является обратным входному.

Если на оба входа одновременно подается одинаковое напряжение, то на выходе не должно быть никаких изменений. Фактически выход пропорционален разнице между инвертирующим и неинвертирующим входами. По этой причине эти усилители часто называют дифференциальными усилителями.

Как и любая электронная схема, те, кто использует операционные усилители, должны иметь источник питания. Обычно операционные усилители питаются от двух источников: положительного и отрицательного.Кроме того, линии питания часто не показаны, поскольку они вносят путаницу в принципиальную схему.

В большинстве случаев операционному усилителю для работы потребуется всего пять подключений - инвертирующий, неинвертирующий, выходной и две шины питания. Изредка можно использовать еще три. Обычно они предназначены для возможности «нулевого смещения». Это используется для уменьшения любых возможных смещений постоянного тока, и для большинства приложений их можно игнорировать и оставить отключенными.

Характеристики операционного усилителя

Операционные усилители и операционные усилители имеют ряд основных функций, некоторые из которых обеспечивают преимущества, другие ограничивают их производительность:

Характеристики операционного усилителя
  • Очень высокий коэффициент усиления: Одним из ключевых атрибутов операционных усилителей является их очень высокий коэффициент усиления.Типичные цифры простираются от 10 000 до 100 000 и более. Хотя усилитель с разомкнутым контуром с уровнем усиления этого порядка будет мало полезен, операционные усилители могут использовать преимущества очень высоких уровней усиления за счет использования отрицательной обратной связи. Таким образом, уровни усиления очень управляемы, а уровни искажений могут быть очень низкими.

    Использование отрицательной обратной связи - ключ к разблокировке мощности операционных усилителей. Высокое усиление операционного усилителя в сочетании с умным использованием отрицательной обратной связи означает, что сеть отрицательной обратной связи способна управлять общей производительностью блока схемы операционного усилителя, что позволяет ему выполнять множество различных функций.

  • Высокое входное сопротивление: Высокое входное сопротивление - еще один ключевой аспект операционных усилителей. Теоретически их входное сопротивление должно быть бесконечным, а используемые сегодня операционные усилители очень близки к этому с импедансом от 0,25 МОм и выше. Некоторые входные каскады, использующие полевые МОП-транзисторы, имеют сопротивление в сотни МОм.
  • Низкое выходное сопротивление: Выходное сопротивление операционного усилителя также важно. Как и следовало ожидать, он должен быть низким.В идеальном усилителе он должен быть равен нулю, но на самом деле многие усилители имеют выходной импеданс менее 100 Ом, а многие намного меньше этого. Тем не менее, возможности управления многими операционными усилителями на базе ИС естественным образом ограничены.
  • Подавление синфазного сигнала: Другой важной особенностью операционного усилителя является подавление синфазного сигнала. Это относится к ситуации, когда на оба входа подается один и тот же сигнал. Для идеального дифференциального усилителя в этих условиях не должно быть никакого выхода на выходе, однако усилитель никогда не будет идеальным.

    Фактический коэффициент подавления синфазного сигнала, CMMR, представляет собой соотношение между уровнем выходного сигнала, когда сигнал подается на оба входа, по сравнению с выходным уровнем, когда он применяется только к одному. Это число выражается в децибелах и обычно составляет около 70 дБ.

    Используя подавление синфазного сигнала операционного усилителя, можно разработать схему, которая снижает уровень помех для сигнала низкого уровня. Сигнальная и обратная линии подаются на два входа, и только дифференциальные сигналы усиливаются, любые шумы или помехи, обнаруженные и появляющиеся на обеих линиях, будут подавлены.Это часто используется в инструментальных усилителях.

  • Ограниченная полоса пропускания: Полоса пропускания операционного усилителя может варьироваться в довольно широких пределах. Идеальный усилитель имел бы бесконечную полосу пропускания, но, как можно себе представить, это было бы невозможно создать, а также очень сложно использовать и приручить на практике. На самом деле операционные усилители имеют ограниченную полосу пропускания. Многие микросхемы, используемые для аудиоприложений, могут демонстрировать полное усиление только в относительно небольшой полосе пропускания, после чего усиление падает.Несмотря на это, большинство схем уменьшают усиление и позволяют поддерживать этот меньший уровень усиления в большей полосе пропускания.

Базовые схемы операционных усилителей

Хотя операционные усилители широко используются в качестве усилителей, они также могут быть основой многих других схем.

Поскольку схемы операционного усилителя создают обратную связь вокруг усилителя, ее изменение изменяет свойства всей схемы. Изменение обратной связи может не только изменить уровень усиления, но также может изменить функцию схемы - можно сделать дифференциаторы, интеграторы, фильтры, генераторы, нестабильные, мультивибраторы и многие другие схемы, просто изменив уровни обратной связи и конфигурация.

Существует множество различных схем, основанных на операционных усилителях. Их, как правило, легко спроектировать и построить.

Варианты операционных усилителей

Как и любой другой вид электронных компонентов, операционные усилители доступны во многих вариантах.

Операционные усилители доступны во многих корпусах IC. Ранние операционные усилители, такие как µA709, были доступны в круглых 8-контактных металлических корпусах, тогда как более поздние операционные усилители были доступны в 8-контактных двойных линейных корпусах. Несколько операционных усилителей также были доступны в 14-контактных DIL-корпусах - были даже двойные операционные усилители в 8-контактных DIL-модулях, хотя доступа к возможностям смещения нуля не было, так как на корпусе было недостаточно контактов.

По мере того, как электронные компоненты перемещались на страницы для поверхностного монтажа, операционные усилители стали доступны в небольших корпусах, что позволяло легко подключать их к различным схемам, где это необходимо.

Операционные усилители также доступны с широким спектром рабочих параметров. Частично из тех, которые предлагают общие рабочие характеристики, есть другие, которые обеспечивают низкий уровень шума, малое смещение, высокое входное сопротивление, высокочастотные характеристики, а также множество других улучшенных характеристик.

Соответственно, эти электронные компоненты можно получить в форматах и ​​с характеристиками, которые удовлетворяют почти любым требованиям.

Операционный усилитель - очень полезный строительный блок для аналоговой электроники. Будучи схемой дифференциального усилителя, она подходит для очень многих областей или схем аналоговой электроники. Ввиду широкого распространения микросхемы очень дешевы и могут использоваться для самых разных функций.

Ввиду их производительности, простоты использования и разнообразия различных схем, в которых они могут использоваться, операционные усилители используются в огромном количестве схем, как как самостоятельные интегральные схемы, так и в качестве схемных блоков в интегральных схемах. микросхемы, содержащие большое количество аналоговых функций.

Другие схемы и схемотехника:
Основы операционных усилителей Схемы операционных усилителей Цепи питания Конструкция транзистора Транзистор Дарлингтона Транзисторные схемы Схемы на полевых транзисторах Условные обозначения схем
Вернуться в меню «Конструкция схемы». . .

Операционный усилитель - Базовый курс аналоговой электроники

Операционный усилитель (ОУ) - это электронный усилитель напряжения с высоким коэффициентом усиления, связанный по постоянному току, с дифференциальным входом и, как правило, с несимметричным выходом.Выходное напряжение, создаваемое операционным усилителем, обычно в сотни тысяч раз превышает разность напряжений между его входными клеммами.

Характеристики схемы, в которой используется операционный усилитель, задаются внешними компонентами с небольшой зависимостью от изменений температуры или производственных вариаций самого операционного усилителя, что делает операционные усилители популярными строительными блоками для проектирования схем.

Операционный усилитель - один из самых полезных и важных компонентов аналоговой электроники.Операционные усилители широко используются в бытовых, промышленных и научных устройствах.

Операционный усилитель Symbol

Символ схемы операционного усилителя показан справа, где:

  • В +: неинвертирующий вход
  • V−: инвертирующий вход
  • Vout: выход
  • VS +: положительный источник питания
  • VS-: отрицательный источник питания

Дифференциальные входы усилителя состоят из входа V + и входа V-, и операционный усилитель усиливает только разницу в напряжении между ними, которая называется дифференциальным входным напряжением.Выходное напряжение операционного усилителя определяется уравнением: \ begin {уравнение} V_ {out} = {A_ {OL} \, (V _ {\! +} - V _ {\! -})} \ end {уравнение} где

  • V + - это напряжение на неинвертирующем выводе, V- - напряжение на инвертирующем выводе и A OL - коэффициент усиления без обратной связи усилителя.
  • Диапазон напряжения V out ограничен напряжениями источника питания до VS + и VS-.

Характеристики идеального операционного усилителя

Чтобы упростить наш расчет различных практических конфигураций операционных усилителей, мы предполагаем, что идеальный операционный усилитель имеет следующие свойства:

  • Бесконечное усиление без обратной связи (A OL = ∞)
  • Диапазон напряжения на выходе ограничен напряжениями источника питания до максимального VS + и минимального VS-.Если VS + и VS- не указаны, предполагается, что диапазон выходного напряжения бесконечен.
  • Бесконечная полоса пропускания с нулевым сдвигом фазы и бесконечной скоростью нарастания
  • Бесконечное входное сопротивление и, следовательно, нулевой входной ток (I- = I + = 0)
  • Напряжение смещения нулевого входа
  • Нулевое выходное сопротивление
  • Без шума
  • Бесконечный коэффициент подавления синфазного сигнала (CMRR)
  • Бесконечный коэффициент отклонения источника питания.

Конфигурации обратной связи

Цепи операционных усилителей

имеют следующие 3 конфигурации обратной связи

  • Открытый контур - обратной связи нет.Операционный усилитель, используемый в этой конфигурации, также называется компаратором.
  • Отрицательная обратная связь - часть выходного сигнала возвращается на инвертирующий вход (V-). Цепи, использующие эту конфигурацию, считаются цепями линейных операционных усилителей и включают: Только для цепей отрицательной обратной связи мы можем предположить следующее (почему?) \ begin {уравнение} V_ + = V_- \ end {уравнение}
  • Положительная обратная связь - часть выходного сигнала возвращается на неинвертирующий вход (V +).Схемы, использующие эту конфигурацию, включают
    • Триггер Шмитта
    • ,
    • , триггерный осциллятор Шмитта

Поскольку доходы от рекламы падают, несмотря на увеличение числа посетителей, нам нужна ваша помощь в поддержании и улучшении этого сайта, что требует времени, денег и тяжелого труда. Благодаря щедрости наших посетителей, которые давали ранее, вы можете использовать этот сайт бесплатно.

Если вы получили пользу от этого сайта и можете, пожалуйста, отдать 10 долларов через Paypal .Это позволит нам продолжаем в будущее. Это займет всего минуту. Спасибо!

Я хочу дать!

© 2021 Emant Pte Ltd Co., рег. № 200210155R | Условия использования | Конфиденциальность | О нас

Условное обозначение цепи и конфигурация выводов OP-AMP

OP-AMP представлен треугольным символом, как показано на рисунке. Он имеет две входные клеммы и одну выходную клемму.

Операционный усилитель (OP - AMP)

Линейные интегральные схемы используется в ряде электронных приложений, например, в таких областях, как связь, медицинская электроника, управление приборами и т. д.Важно linear IC - это операционный усилитель.

OP-AMP - твердотельное устройство, способное обнаруживать и усиливать входные сигналы постоянного и переменного тока. OP-AMP - усилитель с двумя входами (дифференциальный входы) и один выход. OP-AMP состоит из 20 транзисторов, 11 резисторов. и один конденсатор. Обычно требуется положительный и отрицательный источник питания. (двойной источник питания). Это позволяет выходному напряжению быть положительным и отрицательный по отношению к земле.

Самое главное Характеристики OP-AMP: (i) очень высокий входной импеданс или даже бесконечность который производит незначительный ток на входах, (ii) очень высокий коэффициент усиления, (iii) очень низкий выходной импеданс или даже ноль, чтобы не влиять на выход усилитель по нагрузке.

OP-AMP назван так, потому что он изначально был разработан для выполнения математических операций, таких как сложение, вычитание, умножение, деление, интегрирование, дифференцирование и т. д. в аналоговый компьютер.В настоящее время OP-AMP используются в аналоговых компьютерных операциях и в схемы синхронизации.

Обозначение цепи и распиновка конфигурация OP-AMP

OP - AMP представлен треугольный символ, как показано на рис. Он имеет два входа и один выход. Терминал. Клемма с минусом знак называется инвертирующим входом, а клемма с положительным знаком называется неинвертирующий вход.Входные клеммы находятся у основания треугольника. В выходной терминал показан на вершине треугольника.

Широко используемый, очень популярный тип Операционный усилитель IC 741, доступный в корпусе DIP. Ссылаясь на вид сверху Двойной корпус, конфигурация выводов IC 741 может быть описана (рис.) как следует. Верхний штифт с левой стороны выемки обозначает штифт 1. Штифт номер 2 - инвертирующий входной терминал, а 3 - неинвертирующий входной терминал.Штырь 6 - выходной терминал. Постоянный ток сигнал напряжения или переменного тока, подаваемый на инвертирующий вход будет 180 o не в фазе на выходе. Постоянный ток напряжение или переменный ток сигнал, подаваемый на неинвертирующий вход, будет синфазным на выходе. Контакты 7 и 4 - это клеммы источника питания. Клеммы 1 и 5 используются для нулевая корректировка. Нулевые регулировочные штифты используются для обнуления выходного напряжения, когда на входные клеммы подается одинаковое напряжение для идеального баланса. Штырь 8 указывает на отсутствие связи.


Учебные материалы, примечания к лекциям, задания, справочные материалы, объяснение описания Wiki, краткие сведения

Входы операционных усилителей

  • Изучив этот раздел, вы сможете:
  • Распознавайте типичные формы символов схем операционного усилителя.
  • Поймите необходимость одиночных и двойных источников питания.
  • Ознакомьтесь с типичными эксплуатационными требованиями.
  • • Высокое усиление и отрицательная обратная связь.
  • • Дифференциальные входы.
  • • Источники постоянного тока.
  • • Подавление синфазного сигнала, CMRR.
  • • Нулевое смещение.

Рис. 6.1.1 Обозначение цепи операционного усилителя

Обозначение цепи операционного усилителя

Обозначение схемы для операционного усилителя - это, по сути, стандартный треугольный символ для усилителя.Показаны основные соединения, такие как инвертирующий (-) и неинвертирующий входы и выход, но часто другие соединения не отображаются. Типичный символ операционного усилителя показан на рис. 6.1.1. Однако обратите внимание, что на многих принципиальных схемах не показаны соединения источника постоянного тока.

Двойные блоки питания

Операционному усилителю требуется минимум пять соединений, как показано на рис. 6.1.1, а также два входа и один выход, есть два подключения источника питания. Они могут быть помечены как + V и -V, что указывает на то, что микросхеме нужны как положительные, так и отрицательные источники питания.Часто они находятся в диапазоне от + 5В до + 15В для положительного источника питания и от -5В до -15В для отрицательного источника питания. Эта схема с двойным питанием позволяет выходному напряжению колебаться как выше, так и ниже нуля вольт, а также дает выход 0 В, когда нет разницы напряжений между двумя входами.

Операционные усилители с однополярным питанием

Однако количество операционных усилителей, использующих однополярный источник питания, с маркировкой + V и Gnd или 0V постоянно растет. Это полезное устройство для многих портативных и мобильных приложений, где двойные положительные и отрицательные источники питания недоступны, например, в автомобилях.

Усилитель постоянного тока с отрицательной обратной связью с высоким коэффициентом усиления

Операционные усилители

- это в основном усилители постоянного тока с отрицательной обратной связью (NFB). Операционный усилитель имеет очень большое усиление, выходной сигнал может быть в сотни тысяч раз больше, чем входной. Однако это огромное усиление уменьшается за счет использования отрицательной обратной связи для создания схемы со стабильным усилением, не зависящим от характеристик полупроводника.

Операционные усилители

также всегда связаны по постоянному току, в отличие от усилителя, использующего дискретные компоненты, где можно включать компоненты переменного тока, такие как конденсаторы и катушки индуктивности, в крошечной интегральной схеме невозможно изготовить компоненты переменного тока, достаточно большие, чтобы быть полезными на звуковых частотах. , поэтому операционный усилитель ДОЛЖЕН быть усилителем постоянного тока.

Одним из преимуществ использования усилителей постоянного тока (с прямой связью или постоянного тока) является то, что их полоса пропускания простирается вплоть до 0 Гц, что делает их подходящими для многих приложений управления и измерения, где способность операционного усилителя генерировать выходной сигнал постоянного тока по сравнению с разницей между двумя Входные величины постоянного тока чрезвычайно важны. Однако проблема с напрямую подключенными усилителями заключается в их тенденции к дрейфу, вызывая изменение постоянного напряжения, присутствующего в цепи, особенно при изменении температуры.

Поскольку операционный усилитель имеет очень высокое усиление, требуется лишь небольшое изменение напряжения на входе, чтобы вызвать большое изменение напряжения на выходе. Из-за этого входные цепи операционного усилителя спроектированы вокруг дифференциального усилителя, также называемого усилителем с эмиттерной связью или парой с длинным хвостом, который обеспечивает два входа операционного усилителя (инвертирующий и неинвертирующий), а также имеет возможность компенсировать напряжение. дрейф.

Разностный усилитель

Рис. 6.1.2 Усилитель с эмиттерной связью

Операционный усилитель работает в основном как разностный усилитель, вырабатывающий выходное напряжение, пропорциональное разности напряжений на его двух входах.Эти входы, помеченные - (инвертирующий вход) и + (неинвертирующий вход), образуют входы усилителя с эмиттерной связью, базовый пример которого показан на рис. 6.1.2, он состоит из пары согласованных транзисторов. Tr1 и Tr2, которые имеют один и тот же эмиттерный резистор R E .

Предположим, что на одном из входов (b) поддерживается фиксированное напряжение, что доказывает подходящее базовое смещение для обеспечения проводимости Tr2. Если теперь сигнал подается на вход (a), каждый раз, когда напряжение сигнала возрастает, проводимость Tr1 увеличивается, напряжение его коллектора падает, а напряжение его эмиттера (напряжение на общем R E ) повышается.Это повышение также вызывает повышение напряжения эмиттера Tr2, и, поскольку база Tr2 фиксирована, напряжение база-эмиттер (V BE ) Tr2 уменьшается и уменьшает ток через Tr2. Это вызывает повышение напряжения на коллекторе Tr2, в результате чего сигнал на выходе C возрастает в противофазе относительно выхода на D.

При условии, что транзисторы идеально согласованы и нет других факторов, вызывающих различия между проводимостью в каждой половине схемы, рост тока из-за проводимости Tr1 компенсируется падением тока через Tr2, а напряжение по R E менять не должно.На практике изменение составит всего несколько милливольт.

Синфазные сигналы

Если на каждый вход поданы два идентичных сигнала, можно рассмотреть две возможности:

1. Сигналы на каждом входе идентичны и находятся в противофазе друг с другом.

2. Сигналы на каждом входе идентичны и синфазны.

Состояние 1 называется дифференциальным входом, поскольку существует разница, создаваемая противофазными сигналами.В этом случае два усиленных сигнала, сформированные на двух выходах, будут усиленной разницей между двумя сигналами, но поскольку выходные сигналы находятся в противофазе друг с другом, по мере увеличения напряжения одного сигнала напряжение другого сигнала падает, и результирующий сигнал между выходами C и D будет в два раза больше амплитуды любого одиночного выхода.

Условие 2 имеет оба входных сигнала в фазе, поэтому это называется синфазным входом. Выходы C и D также находятся в фазе, одновременно повышаясь и понижаясь.Следовательно, разница между выходами C и D равна нулю. Таким образом, можно сказать, что дифференциальный усилитель усиливает дифференциальный вход, но отклоняет вход синфазного сигнала или является невосприимчивым к нему. Это идеальное подавление синфазных сигналов не совсем реализуется на практике, поскольку неизбежны небольшие различия между коэффициентами усиления между каждым из двух входов и их соответствующими выходами, даже если в интегральной схеме они изготовлены на одной и той же детали. кремния. Однако синфазные сигналы, которые заставляют эмиттерные токи Tr1 и Tr2 увеличиваться и уменьшаться в унисон, будут устанавливать изменяющееся напряжение на общем эмиттерном резисторе R E , и, поскольку нет развязки на R E , будет возникать отрицательная обратная связь. , вызывая уменьшение синфазного усиления усилителя.Эта обратная связь общего режима может использоваться для улучшения подавления синфазного сигнала, если используется большое значение для R E .

Источник постоянного тока

Рис.6.1.3 Источник постоянного тока

Вместо того, чтобы полагаться исключительно на отрицательную обратную связь, создаваемую R E для улучшения подавления синфазных помех в интегральных схемах, большинство микросхем операционных усилителей заменяют R E в усилителе с эмиттерной связью с источником постоянного тока, как показано на рис. 6.1. 3. Эта схема намного эффективнее предотвращает изменения тока общего эмиттера Tr1 и Tr2, которые возникают из-за синфазных сигналов.База Tr3 смещена при относительно фиксированном напряжении, в данном случае делителем потенциала, образованном R4 и тремя смещенными в прямом направлении диодами D1, D2 и D3, но могут использоваться другие устройства, обычно состоящие из некоторой комбинации диодов или стабилитронов и резисторов. использоваться.

При наличии синфазного сигнала ток коллектор-эмиттер через Tr3 будет пытаться измениться; любое увеличение этого тока приведет к увеличению напряжения на R3, а любое уменьшение - к его уменьшению. Однако, поскольку базовое напряжение Tr3 поддерживается на постоянном уровне, увеличение тока коллектор-эмиттер увеличивает напряжение эмиттера и, следовательно, снижает V BE .Это уменьшит проводимость Tr3 и уменьшит ток коллектор-эмиттер до исходного значения. Уменьшение тока коллектор-эмиттер Tr3 аналогичным образом увеличило бы V BE и увеличило бы проводимость Tr3 до тех пор, пока ток снова не вернется в норму. Включение источника постоянного тока в цепь эмиттера дифференциального усилителя делает подавление синфазных сигналов очень эффективным.

Обратите внимание, что в схеме, показанной на рис. 6.1.3, только один выход коллектора Tr2 используется для создания одного усиленного напряжения, которое пропорционально разнице между входами a и b, и почти полностью не зависит от изменений, общих для и б.Существуют операционные усилители, использующие два выхода, но операционных усилителей с одним выходом гораздо больше.

Коэффициент подавления синфазного сигнала (CMRR)

В идеале выход операционного усилителя реагирует только на дифференциальные сигналы, но на практике, даже когда входы имеют точно такой же потенциал, а выход должен иметь нулевое напряжение, некоторый небольшой выходной потенциал будет присутствовать. Это вызвано неизбежными небольшими различиями в усилении между инвертирующим и неинвертирующим входами. Таким образом, операционный усилитель имеет некоторое усиление по отношению к синфазным сигналам, что указывается параметром Common Mode Voltage Gain (A VCM ), а соотношение между этим и дифференциальным усилением напряжения (A VD ) указывается в основной операции. параметры усилителя по коэффициенту подавления синфазного сигнала CMRR.Поскольку это отношение обычно является очень большим числом, оно часто указывается в децибелах.

Причина, по которой CMRR является важным параметром, заключается в том, что при использовании операционного усилителя, как это часто бывает, в схемах, включающих измерения, будет присутствовать некоторая ошибка, например, при измерении разницы между двумя очень небольшими напряжениями, эта ошибка составляет усиливается вместе с истинным дифференциальным напряжением, что делает любые измерения неточными.

В некоторых режимах работы синфазные сигналы не генерируются, например, когда операционный усилитель используется в качестве инвертирующего усилителя, а неинвертирующий вход заземлен.Тогда входные данные одинаковы только тогда, когда они оба равны нулю.

Смещение нуля

Рис. 6.1.4 Регулировка нуля смещения

Если необходимо избежать синфазных сигналов, усиление на каждом из входов должно соответствовать как можно точнее. Чтобы производить операционные усилители с минимальным усилением синфазного сигнала, производители используют различные методы, такие как изготовление дополнительных резисторов для управления усилением на каждом входе в микросхеме, которые затем могут быть удалены по мере необходимости путем выборочного сгорания предохранителей для удаления отдельных резисторов из того или иного канала. чтобы сбалансировать входное усиление.Другой, более точный метод с крошечными резисторами, встроенными в кремниевый чип, заключается в использовании лазеров для обрезки ширины резисторов для изменения их сопротивления в процессе производства и тестирования.

Хотя современные операционные усилители могут иметь очень низкие напряжения смещения, многие операционные усилители имеют два дополнительных вывода для дополнительного обнуления внешнего смещения. Типичная компоновка нулевого смещения показана на рис. 6.1.4. Потенциометр подключен между двумя нулевыми выводами смещения, а стеклоочиститель потенциометра подключен к отрицательному источнику питания.Входы подключены к земле, а при включенном питании и работе ИС при температуре окружающей среды потенциометр настраивается так, чтобы выходное напряжение было равно 0 В. Обратите внимание на то, что потенциометр нуля смещения, хотя и присутствует в реальной схеме, довольно часто не включается в принципиальную схему, поскольку после регулировки во время изготовления он не считается играющим какую-либо дальнейшую роль в основной работе схемы.

Из-за таких малых напряжений регулировка может быть весьма чувствительной, и при необходимости потенциометр 10 кОм можно заменить на 1 кОм с резисторами 4 К7, установленными между каждым концом дорожки потенциометра и нулевыми выводами смещения ИС.

Начало страницы

2.2: Что такое операционный усилитель?

Операционный усилитель - это, по сути, многокаскадный усилитель с высоким коэффициентом усиления, рассматриваемый как единое целое. Обычно операционные усилители имеют дифференциальный вход и несимметричный выход. Другими словами, один вход создает инвертированный выходной сигнал, а другой вход создает неинвертированный выходной сигнал. Часто операционный усилитель питается от биполярного источника питания (т. Е. От двух источников питания, одного положительного и одного отрицательного).Для отдельных каскадов можно использовать практически любое активное усилительное устройство. Операционные усилители могут быть сделаны полностью из электронных ламп или дискретных биполярных транзисторов (и, конечно, они были сделаны таким образом несколько лет назад). Достижения в производстве полупроводников в конце 1960-х - начале 1970-х годов в конечном итоге позволили миниатюризировать необходимые компоненты и разместить все это на одном кремниевом кристалле (отсюда и термин «интегральная схема»). Это то, что сегодня обычно подразумевают под термином «операционный усилитель».

Как видно на рисунке \ (\ PageIndex {1} \), типичный операционный усилитель имеет как минимум пять различных соединений; инвертирующий вход (помеченный «-»), неинвертирующий вход (помеченный «+»), выход, а также положительный и отрицательный входы источника питания. Эти соединения источника питания иногда называют шинами питания. Обратите внимание, что заземление напрямую не дается. Скорее, заземление подразумевается через другие соединения. Этот символ и связанные с ним связи типичны, но ни в коем случае не абсолютны.Разработчику доступно большое количество устройств, которые предлагают такие функции, как дифференциальные выходы или работу с однополярным источником питания. В любом случае для условного обозначения будет использоваться какая-то форма треугольника.

Рисунок \ (\ PageIndex {1} \): общий символ операционного усилителя.

Операционные усилители лучше всего рассматривать как строительные блоки общего назначения. С их помощью вы можете создавать самые разные полезные схемы. Для работы общего назначения проектирование с использованием операционных усилителей обычно намного быстрее и экономичнее, чем полностью дискретный подход.Таким же образом могут быть уменьшены ограничения по устранению неисправностей и упаковке. Для более требовательных приложений, например для тех, где требуется очень низкий уровень шума, высокий выходной ток и / или напряжение или широкая полоса пропускания, производители создали специальные операционные усилители. Однако последнее слово в производительности сегодня по-прежнему остается за дискретными схемами. Кроме того, очень часто можно увидеть сочетание дискретных и интегрированных устройств в данной схеме. Конечно, нет закона, который гласил бы, что операционные усилители могут использоваться только с другими операционными усилителями.Часто разумное сочетание дискретных устройств и операционных усилителей может создать схему, превосходящую схему, полностью состоящую из дискретных или одних только операционных усилителей.

Где можно найти схемы операционных усилителей? Одним словом, где угодно. Они, вероятно, используются в вашей домашней стереосистеме или телевизоре, где они помогают захватывать входящие сигналы, в электронных музыкальных инструментах, где их можно использовать для создания и изменения тонов, в камере в сочетании с системой измерения освещенности или в медицинских инструментах, где они могут использоваться вместе с различными устройствами биологического зондирования.Возможности практически безграничны.

2.2.1: Блок-схема операционного усилителя

В этот момент вы можете спросить себя: «Что внутри операционного усилителя?» Типовой операционный усилитель состоит из трех основных функциональных каскадов. Настоящий операционный усилитель может содержать более трех отдельных каскадов, но может быть снижен до этого уровня для анализа. Обобщенное дискретное представление дано на рисунке \ (\ PageIndex {2} \). Поскольку для операционного усилителя требуется схема дифференциального входа, первым каскадом чаще всего является дифференциальный усилитель.Как видно здесь, \ (Q_1 \) и \ (Q_2 \) составляют дифференциальный усилитель на основе PNP. Выход одного коллектора (здесь \ (Q_2 \)) затем подается на второй каскад с высоким коэффициентом усиления. Этот каскад обычно включает в себя запаздывающий сетевой конденсатор, который играет важную роль в настройке характеристик переменного тока операционного усилителя (это подробнее рассматривается в пятой главе). \ (Q_3 \) составляет второй этап в примере. Он настроен на общую конфигурацию эмиттера для усиления как по току, так и по напряжению. Упомянутый выше запаздывающий конденсатор расположен поперек перехода база-коллектор \ (Q_3 \), чтобы воспользоваться эффектом Миллера.Третья и последняя секция - это ведомый элемент класса B или класса AB для наиболее эффективного привода нагрузки. \ (Q_4 \) и \ (Q_5 \) составляют заключительный этап. Двойные диоды компенсируют падения \ (Q_4 \) и \ (Q_5 \) \ (V_ {BE} \) и создают постоянный ток смещения, который минимизирует искажения. Это относительно стандартный этап класса АВ. Обратите внимание, что вся схема имеет прямую связь. Нет выводных цепей, и поэтому операционный усилитель может усиливать до нуля герц (постоянный ток). Есть много возможных изменений, которые можно увидеть в реальной схеме, включая использование пар Дарлингтона или полевых транзисторов для дифференциального усилителя, нескольких каскадов с высоким коэффициентом усиления и ограничения выходного тока для секции класса B.

Рисунок \ (\ PageIndex {2} \): Общая схема операционного усилителя.

В примере дискретной схемы используются только пять транзисторов и два диода. Напротив, интегрированная версия может использовать от двух до трех десятков активных устройств. Из-за превосходных возможностей согласования устройств, связанных с интеграцией одного кристалла, некоторые методы используются в пользу стандартных дискретных схем. Внутренние источники тока ИС обычно изготавливаются с помощью зеркал для тока. Текущие конфигурации зеркал также используются для создания активных нагрузок, чтобы добиться максимального усиления схемы.

Рисунок \ (\ PageIndex {3} \): упрощенная схема LF411. Перепечатано любезно Texas Instrutments

Типичный интегрированный операционный усилитель будет содержать очень мало резисторов и обычно только один или два запаздывающих сетевых конденсатора. Из-за ограничений по размеру и других факторов индукторы практически не видны в этих схемах. Упрощенная эквивалентная схема операционного усилителя LF411 показана на рисунке \ (\ PageIndex {3} \). Обратите внимание, что это устройство использует JFET для дифференциального усилителя с активной нагрузкой.Источник хвостового тока дифференциального усилителя и источник постоянного смещения класса AB показаны как простые источники тока. На самом деле они немного сложнее, в них используются современные зеркала.

Одним из самых популярных операционных усилителей на протяжении многих лет был 741. Технические характеристики этого устройства кажутся довольно тусклыми по сегодняшним меркам, но это было одно из первых произведенных простых в использовании устройств. В результате он нашел свое отражение в большом количестве дизайнов. Действительно, это по-прежнему разумный выбор для менее требовательных приложений или там, где важна стоимость запчастей.Полная схема \ (\ mu \) A 741 показана на рисунке \ (\ PageIndex {4} \). 741 выпускают несколько разных производителей. Эта версия производится Signetics и может несколько отличаться от модели 741 другой компании 1 . Схема содержит 20 активных устройств и около десятка резисторов.

Рисунок \ (\ PageIndex {4} \): Схема \ (\ mu \) A741. Воспроизведение любезно предоставлено Philips Semiconductors

На первый взгляд эта схема может показаться безнадежно запутанной.При более внимательном рассмотрении можно увидеть много знакомых схемных блоков. Прежде всего, вы заметите, что ряд устройств показывает закорачивающее соединение между их базовыми и коллекторными клеммами, например \ (Q_8 \), \ (Q_ {11} \) и \ (Q_ {12} \). По сути, это диоды (они нарисованы таким образом, потому что изготавливаются как транзисторные переходы. На самом деле, сделать диоды таким способом проще). По большей части эти диоды являются частью токовых цепей смещения зеркал. Настройка смещения находится в самом центре схемы и вращается от \ (Q_9 \) до \ (Q_ {12} \).Установочный ток определяется путем вычитания двух падений диода (\ (Q_ {11}, \ (Q_ {12} \)) из общего потенциала источника питания (\ (V _ {+} - V _ {-} \)) и разделив результат на \ (R_5 \). Для стандартного блока питания \ (\ pm15 \) В это получается как

\ [I_ {bias} = \ frac {V _ {+} - V _ {-} −V_ {BE-Q11} −V_ {BE-Q12}} {R_5} \ notag \]

\ [I_ {bias} = \ frac {30 \ V - 1.4 \ V} {39 \ k \ Omega} \ notag \]

\ [I_ {bias} = 733 \ mu A \ notag \]

Этот ток отражается в \ (Q_ {13} \).Внимательный взгляд на \ (Q_ {10} \) и \ (Q_ {11} \) показывает, что эта часть не является простым текущим зеркалом. При включении \ (R_4 \) падение напряжения на базовом эмиттере \ (Q_ {10} \) уменьшается, создавая ток меньше \ (733 \ mu A \). Эта конфигурация известна как источник тока Видлара. Вывод точного уравнения тока довольно сложен и выходит за рамки данной главы 2 . Этот ток отражается в \ (Q_8 \) через \ (Q_9 \) и устанавливает хвостовой ток для дифференциального усилителя.В каскаде дифференциального усилителя используется всего четыре транзистора усиления в конфигурации с общим коллектором и общей базой (от \ (Q_1 \) до \ (Q_4 \)). По сути, \ (Q_1 \) и \ (Q_2 \) сконфигурированы как повторители эмиттера, что обеспечивает высокий входной импеданс и разумное усиление по току. \ (Q_3 \) и \ (Q_4 \) сконфигурированы как усилители с общей базой и, как таковые, обеспечивают большое усиление по напряжению. Максимальное усиление достигается за счет активной нагрузки, состоящей из от \ (Q_5 \) до \ (Q_7 \). Выходной сигнал на коллекторе \ (Q_4 \) проходит на сдвоенный транзисторный каскад с высоким коэффициентом усиления (\ (Q_ {16} \) и \ (Q_ {17} \)).\ (Q_ {16} \) настроен как повторитель эмиттера и буферы \ (Q_ {17} \), который установлен как усилитель напряжения с общим эмиттером. Резистор \ (R_ {11} \) служит для стабилизации как смещения, так и усиления этого каскада (то есть, это резистор вырождения эмиттера или подавляющий резистор). \ (Q_ {17} \) напрямую связан с выходным каскадом класса AB (\ (Q_ {14} \) и \ (Q_ {20} \)). Обратите внимание на использование умножителя \ (V_ {BE} \) для смещения выходных транзисторов. Умножитель \ (V_ {BE} \) состоит из \ (Q_ {18} \) и резисторов \ (R_7 \) и \ (R_8 \).Обратите внимание, что эта секция получает ток смещения от \ (Q_ {13} \), который является частью комплекса центрального токового зеркала.

Некоторые транзисторы в этой схеме используются исключительно для защиты от перегрузок. Хороший пример этого - \ (Q_ {15} \). По мере увеличения выходного тока напряжение на \ (R_9 \) будет увеличиваться пропорционально. Обратите внимание, что этот резистор включен параллельно переходу база-эмиттер \ (Q_ {15} \). Если этот потенциал становится достаточно высоким, включается \ (Q_ {15} \), шунтируя базовый ток возбуждения вокруг выходного устройства (\ (Q_ {14} \)).Таким образом, коэффициент усиления по току уменьшается, а максимальный выходной ток ограничивается безопасным значением. Это предельное значение можно найти с помощью закона Ома:

\ [I_ {limit} = \ frac {V_ {BE}} {R_9} \ notag \]

\ [I_ {limit} = \ frac {0,7 \ V} {25 \ \ Omega} \ notag \]

\ [I_ {limit} = 28 \ mA \ notag \]

Аналогичным образом \ (Q_ {20} \) защищен \ (R_ {10} \), \ (R_ {11} \) и \ (Q_ {22} \). Если выход пытается опустить слишком большой ток, включится \ (Q_ {22} \), отводя ток от основания \ (Q_ {16} \).Хотя схемы отдельных операционных усилителей могут сильно различаться, они, как правило, придерживаются основной темы, состоящей из четырех частей, представленной здесь:

  • Центральный источник тока / токовая зеркальная секция для обеспечения надлежащего смещения.
  • Входной каскад дифференциального усилителя с активной нагрузкой.
  • Промежуточный каскад высокого напряжения.
  • Секция ведомого вывода класса B или AB.

К счастью для проектировщика или специалиста по ремонту, глубокие знания внутренней структуры конкретного операционного усилителя обычно не требуются для успешного применения устройства.Фактически, в большинстве случаев можно использовать несколько простых моделей. Одна очень полезная модель представлена ​​на рисунке \ (\ PageIndex {5} \).

Рисунок \ (\ PageIndex {5} \): Упрощенная модель.

Здесь весь многокаскадный операционный усилитель смоделирован с простой резистивной входной цепью и выходом источника напряжения. Этот выходной источник является зависимым источником. В частности, это источник напряжения, управляемый напряжением. Ценность этого источника

\ [E_ {out} = A_v \ (V_ {in +} - V_ {in-}) \ notag \]

Входная сеть определяется как сопротивление между каждым входом и землей, а также сопротивление изоляции входа-входа.Для обычных операционных усилителей эти значения обычно составляют сотни кОм или более на низких частотах. Из-за дифференциального входного каскада разница между двумя входами умножается на коэффициент усиления системы. Этот сигнал подается на выходной терминал через выходное сопротивление конечного каскада. Выходное сопротивление, скорее всего, будет меньше 100 \ (\ Omega \). Повышение напряжения системы более 80 дБ (10 000) является нормой.

2.2.2: Простая имитационная модель ОУ

Для любого операционного усилителя можно создать большое количество имитационных моделей.Вообще говоря, чем точнее модель, тем больше вероятность, что она будет сложной. Из-за природы большинства симуляторов более сложная модель требует больше времени для завершения анализа. Всегда существует компромисс между сложностью модели и временем вычисления. Мы можем создать очень простую модель на основе предыдущего раздела. Эта модель показана на рисунке \ (\ PageIndex {6} \).

Рисунок \ (\ PageIndex {6} \): Упрощенная модель SPICE.

Он состоит всего из пяти узлов.Входная секция моделируется как единственный резистор \ (R_ {in} \) между узлами 1 и 2. Эти два узла являются неинвертирующими и инвертирующими входами операционного усилителя соответственно. Вторая половина модели состоит из источника напряжения, управляемого напряжением, и выходного резистора. Значение этого зависимого источника зависит от дифференциального входного напряжения и коэффициента усиления по напряжению. При минимальном количестве компонентов время моделирования для этой модели очень мало. Чтобы использовать эту модель, вам нужно установить только три параметра: входное сопротивление, выходное сопротивление и коэффициент усиления по напряжению.Пример показан на рисунке \ (\ PageIndex {7} \) с использованием Multisim.

Рисунок \ (\ PageIndex {7} \): Простая модель операционного усилителя в Multisim.

Эту модель необходимо использовать с большой осторожностью, потому что она очень проста. Это полезно в качестве обучающего инструмента для исследования общей работы операционного усилителя, но никогда не следует рассматривать как часть реалистичного моделирования. Эта модель не пытается учесть многие ограничения операционного усилителя. Поскольку эта модель никоим образом не накладывает ограничений на размах выходного сигнала, эффекты насыщения останутся незамеченными.Точно так же не было предпринято никаких попыток моделирования частотной характеристики операционного усилителя. Это вызывает большую озабоченность, и в следующих главах мы уделим этому вопросу много времени. Многие другие эффекты также игнорируются. С таким количеством ограничений вы можете задаться вопросом, где можно использовать такую ​​модель. Эта модель полезна для некритических симуляций с низкочастотными входными сигналами. Вы также должны сами распознать начало насыщения (отсечения). Его основное преимущество состоит в том, что модель схемы мала и, следовательно, обладает высокой скоростью вычислений.Благодаря этому он очень эффективен для студентов, которые плохо знакомы как с операционными усилителями, так и с симуляцией схем. Возможно, не менее важным является тот факт, что эта модель указывает на тот факт, что результаты вашего моделирования могут быть настолько хороши, насколько хороши модели, которые вы используете. Многие люди попадают в ловушку, что «поскольку моделирование было произведено с помощью компьютера, оно должно быть правильным». Нет ничего более далекого от правды. Всегда помните старую аксиому: GIGO (Garbage In = Garbage Out). Было бы очень поучительно смоделировать схему, используя разные уровни точности и сложности, а затем отметить, насколько точно результаты соответствуют той же схеме, построенной в лаборатории.

2.2.3: Технические данные операционных усилителей и их интерпретация

Различные производители часто используют специальные коды и соглашения об именах, чтобы отделить свою продукцию от продукции других производителей, а также предоставить информацию об уровне качества и производстве. Код производителя обычно представляет собой буквенный префикс, а код качества или конструкции - суффикс. Общие префиксные коды включают \ (\ mu \) A (Fairchild), AD (Analog Devices), CS (Crystal), LM, LH и LF (National Semiconductor, в настоящее время принадлежит Texas Instruments, где M указывает на монолитную конструкцию, H указывает на гибридная конструкция, а буква F указывает на устройство на полевом транзисторе), LT (линейная технология), MC (Motorola), NE и SE (Signetics), OPA (Burr-Brown) и TL (Texas Instruments).

Многие производители выпускают множество стандартных деталей, таких как 741. Например, Texas Instruments производит LM741, а Fairchild производит \ (\ mu \) A741. Эти части обычно считаются взаимозаменяемыми, хотя они могут различаться. Некоторые производители будут использовать префиксный код исходного разработчика детали и зарезервировать свой префикс для своих собственных разработок. Например, Signetics выпускает свою версию 741, которую они называют \ (\ mu \) A741, потому что этот операционный усилитель был впервые разработан Fairchild.(Signetics тогда упоминается как второй источник для \ (\ mu \) A741).

Коды суффиксов

сильно различаются у разных производителей. Типичные обозначения для деталей потребительского класса - C и CN. Суффикс N часто означает «Не оценен». Интересно, что отсутствие последнего суффикса часто указывает на очень качественную деталь, обычно с расширенным температурным диапазоном. Суффикс-коды также используются для обозначения стилей пакетов. Эта практика особенно популярна среди стабилизаторов напряжения и других мощных линейных ИС.

Наконец, некоторые производители будут использовать «параллельную» систему нумерации для высококачественных деталей. Например, устройство коммерческого класса может иметь номер детали «серия 300», промышленному классу - обозначение «серия 200», а части военного уровня - номеру «серия 100». Один из возможных примеров - операционный усилитель коммерческого класса LM318 по сравнению с его полноценным аналогом LM118. Как правило, детали, предназначенные для военных, имеют очень широкий диапазон температур, а промышленные и коммерческие марки предлагают все меньше.

Технические данные операционного усилителя LF411 показаны на рисунке \ (\ PageIndex {8} \). Давайте посмотрим на некоторые основные параметры и описания. Приведенные значения типичны для современного операционного усилителя. Полное исследование всех параметров будет дано в пятой главе, когда мы немного познакомимся с устройством.

Рисунок \ (\ PageIndex {8} \): Лист данных для LF411. Перепечатано любезно Texas Instrutments

Рисунок \ (\ PageIndex {8} \) (продолжение.): Технический паспорт LF411. Перепечатано любезно Texas Instrutments

Во-первых, обратите внимание, что даны две версии IC. Мы будем рассматривать LF411, а не полноценный LF411A. В самом верху таблицы данных находится список абсолютных максимальных оценок. Операционный усилитель никогда не должен работать при значениях, превышающих указанные, поскольку это может привести к его необратимому повреждению. Как и большинство операционных усилителей общего назначения, LF411 питается от биполярного источника питания. Напряжение в шинах питания не должно превышать \ (\ pm \) 18 В постоянного тока.Обычно операционные усилители используются с источниками питания \ (\ pm \) 15 В. Максимальная рассеиваемая мощность составляет 670 мВт. Очевидно, это небольшое сигнальное устройство. В соответствии с этим диапазон рабочих температур и максимальные температуры перехода относительно низкие. Мы также видим, что устройство выдерживает дифференциальные входные сигналы до 30 В и несимметричные входы до 15 В без повреждений. На выходе LF411 способен непрерывно выдерживать состояние закороченной нагрузки. Это делает операционный усилитель более «пуленепробиваемым».В оставшейся части этого раздела подробно описаны условия пайки. Чрезмерный нагрев во время пайки может повредить устройство.

Во втором разделе таблицы данных перечислены характеристики постоянного тока операционного усилителя. Эта таблица разбита на пять основных разделов:

  • Обозначение параметра.
  • Имя параметра.
  • Условия, при которых измеряется параметр.
  • Значения параметров, типичные или мин. / Макс.
  • Единицы измерения параметров.{\ circ} \) При работе это указано как 25 В / мВ или 25 000. Среднее устройство даст выигрыш в 200000. Как правило, при расширении температурного диапазона характеристики ухудшаются. В диапазоне рабочих температур минимальное усиление может упасть до 15000.

    Поскольку операционный усилитель использует повторитель класса AB для своего выходного каскада, мы должны ожидать, что выходное соответствие будет очень близким к шинам источника питания. Размах выходного напряжения указан для источников питания \ (\ pm \) 15 В с нагрузкой 10 к \ (\ Omega \).Типичное устройство может размахиваться до \ (\ pm \) 13,5 В с размахом в худшем случае до \ (\ pm \) 12 В. Снижение напряжения питания, естественно, приведет к падению максимального размаха на выходе. Значительное уменьшение сопротивления нагрузки также вызовет падение \ (V_o \), как мы увидим чуть позже. Эти максимальные выходные значения вызваны достижением внутренними ступенями своих пределов насыщения. Когда это происходит, говорят, что операционный усилитель находится в режиме ограничения или насыщения. Как правило, насыщенность может быть приблизительно равна 1.На 5 В меньше, чем у блоков питания.

    Последний элемент в списке - это потребляемый ток в режиме ожидания, \ (I_S \). Обратите внимание, насколько это мало, всего 1,8 мА, в худшем случае 3,4 мА. Это ток, который ОУ потребляет от источника питания при отсутствии сигнала. При формировании выходных сигналов потребление тока возрастает.

    В последнем разделе таблицы данных перечислены некоторые характеристики переменного тока операционного усилителя, которые будут иметь большое значение для нас в следующих разделах. Многие параметры устройства сильно меняются в зависимости от частоты, температуры, напряжения питания или других факторов.Из-за этого технические характеристики также включают большое количество графиков, которые дополнительно детализируют характеристики операционного усилителя. Наконец, основные характеристики могут быть дополнены советами по применению и типичными схемами.

    Список литературы

    1 Хотя точная внутренняя схема может быть изменена, версии различных производителей будут иметь одинаковые распиновки и очень похожие технические характеристики.

    2 Полный вывод источника тока Видлара можно найти в Принципах электронных схем С.Дж. Бернс и П. Р. Бонд, 1987, West Publishing Company.

    «Оперативный» усилитель | Операционные усилители

    Задолго до появления цифровых электронных технологий были созданы компьютеры для выполнения вычислений в электронном виде с использованием напряжений и токов для представления числовых величин. Это было особенно полезно для моделирования физических процессов. Например, переменное напряжение может представлять скорость или силу в физической системе.Благодаря использованию резистивных делителей напряжения и усилителей напряжения математические операции деления и умножения могут быть легко выполнены с этими сигналами.

    Расчетная производная функция как основа для вычисления тока конденсатора

    Реактивные свойства конденсаторов и катушек индуктивности хорошо подходят для моделирования переменных, связанных с помощью вычислительных функций. Помните, как ток через конденсатор был функцией скорости изменения напряжения, и как эта скорость изменения была обозначена в расчетах как производная ? Что ж, если бы напряжение на конденсаторе отражало скорость объекта, ток через конденсатор представлял бы силу, необходимую для ускорения или замедления этого объекта, а емкость конденсатора представляет массу объекта:


    Это аналоговое электронное вычисление производной функции исчисления технически известно как дифференцирование и является естественной функцией тока конденсатора по отношению к приложенному к нему напряжению.Обратите внимание, что эта схема не требует «программирования» для выполнения этой относительно сложной математической функции, как это сделал бы цифровой компьютер.

    Электронные схемы очень легко и недорого создавать по сравнению со сложными физическими системами, поэтому этот вид аналогового электронного моделирования широко использовался при исследовании и разработке механических систем. Однако для реалистичного моделирования в этих ранних компьютерах требовались схемы усилителя с высокой точностью и простой конфигурацией.

    Преимущество дифференциального усилителя над несимметричным усилителем

    В ходе разработки аналогового компьютера было обнаружено, что дифференциальные усилители с чрезвычайно высоким коэффициентом усиления по напряжению удовлетворяют этим требованиям точности и конфигурируемости лучше, чем несимметричные усилители со специально разработанными коэффициентами усиления.Используя простые компоненты, подключенные ко входам и выходу дифференциального усилителя с высоким коэффициентом усиления, практически любое усиление и любая функция могут быть получены из схемы в целом без регулировки или изменения внутренней схемы самого усилителя. Эти дифференциальные усилители с высоким коэффициентом усиления стали известны как операционные усилители , , или операционные усилители, из-за их применения в математических операциях аналоговых компьютеров.

    Некоторые особенности операционных усилителей

    Современные операционные усилители, такие как популярная модель 741, представляют собой высокопроизводительные недорогие интегральные схемы.Их входные импедансы довольно высоки, входы потребляют токи в диапазоне половины микроампер (максимум) для 741 и намного меньше для операционных усилителей, использующих входные полевые транзисторы. Выходное сопротивление обычно довольно низкое, около 75 Ом для модели 741, и многие модели имеют встроенную защиту от короткого замыкания на выходе, что означает, что их выходы могут быть напрямую замкнуты на землю, не причиняя вреда внутренней схеме. Благодаря прямому соединению между внутренними транзисторными каскадами операционных усилителей они могут усиливать сигналы постоянного тока так же, как и переменного тока (до определенных пределов максимального времени нарастания напряжения).Разработка сопоставимой схемы усилителя на дискретных транзисторах, которая бы соответствовала таким характеристикам, потребовала бы гораздо больше денег и времени, если только не требовалась высокая мощность. По этим причинам операционные усилители имеют почти устаревшие усилители сигналов на дискретных транзисторах во многих приложениях.

    На следующей схеме показаны соединения контактов для одиночных операционных усилителей (741 в комплекте), когда они размещены в 8-контактной микросхеме DIP ( D ual I nline P ackage):

    Некоторые модели операционных усилителей идут в комплекте по два, в том числе популярные модели TL082 и 1458.Эти блоки называются «сдвоенными» и обычно также размещаются в 8-контактном DIP-корпусе со следующими контактами:


    Операционные усилители также доступны по четыре в корпусе, обычно в 14-контактном DIP-исполнении. К сожалению, назначение контактов не является таким стандартным для этих «четырехъядерных» операционных усилителей, как для «сдвоенных» или одиночных устройств. Подробные сведения см. В таблицах данных производителя.

    Практический коэффициент усиления по напряжению для операционных усилителей находится в диапазоне 200000 и более, что делает их практически бесполезными в качестве аналоговых дифференциальных усилителей сами по себе.Для операционного усилителя с коэффициентом усиления по напряжению ( В, ) 200000 и максимальным размахом выходного напряжения + 15 В / -15 В все, что потребуется, - это дифференциальное входное напряжение 75 мкВ (микровольт), чтобы довести его до насыщения. или отсечка! Прежде чем мы посмотрим, как используются внешние компоненты для снижения коэффициента усиления до разумного уровня, давайте рассмотрим применение «голого» операционного усилителя отдельно.

    Компаратор

    Одно приложение называется компаратором . Для всех практических целей мы можем сказать, что выход операционного усилителя будет полностью положительным, если вход (+) более положительный, чем вход (-), и насыщенным полностью отрицательным, если вход (+) менее положительный. чем вход (-).Другими словами, чрезвычайно высокое усиление по напряжению операционного усилителя делает его полезным в качестве устройства для сравнения двух напряжений и изменения состояний выходного напряжения, когда один вход превышает другой по величине.

    В приведенной выше схеме у нас есть операционный усилитель, подключенный в качестве компаратора, который сравнивает входное напряжение с опорным напряжением, установленным потенциометром (R 1 ). Если V в упадет ниже напряжения, установленного R 1 , выход операционного усилителя перейдет в насыщение до + V, тем самым загорится светодиод.В противном случае, если V в выше опорного напряжения, светодиод останется выключенным. Если Vin представляет собой сигнал напряжения, создаваемый измерительным прибором, эта схема компаратора может работать как аварийный сигнал «низкого уровня» с точкой срабатывания, установленной R 1 . Вместо светодиода выход операционного усилителя может управлять реле, транзистором, тиристором или любым другим устройством, способным переключать питание на нагрузку, например, соленоидный клапан, для принятия мер в случае аварийного сигнала низкого уровня.

    Преобразователь прямоугольных импульсов

    Еще одно применение показанной схемы компаратора - это прямоугольный преобразователь.Предположим, что входное напряжение, подаваемое на инвертирующий (-) вход, было синусоидальной волной переменного тока, а не стабильным напряжением постоянного тока. В этом случае выходное напряжение будет переходить между противоположными состояниями насыщения всякий раз, когда входное напряжение равно опорному напряжению, создаваемому потенциометром. Результатом будет прямоугольная волна:


    Регулировка настройки потенциометра изменит опорное напряжение, подаваемое на неинвертирующий (+) вход, что изменит точки пересечения синусоидальной волны, изменив время включения / выключения или рабочий цикл прямоугольной волны :


    Должно быть очевидно, что входное напряжение переменного тока не обязательно должно быть синусоидальным, чтобы эта схема выполняла ту же функцию.Входное напряжение может быть треугольной волной, пилообразной волной или любой другой волной, плавно переходящей от положительного к отрицательному и снова к положительному. Такая схема компаратора очень полезна для создания прямоугольных импульсов с различной продолжительностью включения. Этот метод иногда называют широтно-импульсной модуляцией , или ШИМ (изменение или модуляция формы волны в соответствии с управляющим сигналом, в данном случае сигналом, создаваемым потенциометром).

    Драйвер барграфа

    Еще одно приложение компаратора - драйвер гистограммы.Если бы у нас было несколько операционных усилителей, подключенных в качестве компараторов, каждый со своим собственным опорным напряжением, подключенным к инвертирующему входу, но каждый из которых отслеживал один и тот же сигнал напряжения на своих неинвертирующих входах, мы могли бы построить измеритель в виде гистограммы, такой как обычно видно на лицевой стороне стерео тюнеров и графических эквалайзеров. По мере увеличения напряжения сигнала (представляющего силу радиосигнала или уровень звука звука) каждый компаратор будет последовательно «включаться» и передавать питание на соответствующий светодиод. Когда каждый компаратор включается на разном уровне звука, количество горящих светодиодов будет указывать на силу сигнала.


    В схеме, показанной выше, LED1 будет первым, кто загорится, когда входное напряжение увеличится в положительном направлении. По мере того, как входное напряжение продолжало увеличиваться, другие светодиоды загорались последовательно, пока не загорелись все.

    Та же самая технология используется в некоторых преобразователях аналого-цифрового сигнала, а именно в флэш-преобразователе , для преобразования величины аналогового сигнала в серию включенных / выключенных напряжений, представляющих цифровое число.

    ОБЗОР:

    • Треугольник - это общий символ схемы усилителя, широкий конец обозначает вход, а узкий конец - выход.
    • Если не указано иное, все напряжения в схемах усилителя относятся к общей точке заземления , обычно подключенной к одной клемме источника питания. Таким образом, мы можем говорить о том, что определенное количество напряжения находится «на одном проводе», при этом понимая, что напряжение всегда измеряется между двумя точками.
    • Дифференциальный усилитель представляет собой усилитель, усиливающий разность напряжений между двумя входными сигналами. В такой схеме один вход имеет тенденцию приводить выходное напряжение к той же полярности, что и входной сигнал, в то время как другой вход делает прямо противоположное.Следовательно, первый вход называется неинвертирующим входом (+) , а второй называется инвертирующим входом (-) .
    • Операционный усилитель (или сокращенно ОУ) - это дифференциальный усилитель с чрезвычайно высоким коэффициентом усиления по напряжению ( В, = 200 000 или более). Его название происходит от его первоначального использования в аналоговых компьютерных схемах (выполнение математических операций).
    • Операционные усилители
    • обычно имеют очень высокий входной импеданс и довольно низкий выходной импеданс.
    • Иногда операционные усилители используются в качестве компараторов сигналов , работающих в режиме полной отсечки или насыщения, в зависимости от того, какой вход (инвертирующий или неинвертирующий) имеет наибольшее напряжение. Компараторы полезны для обнаружения условий сигнала «больше» (сравнения одного с другим).
    • Одно приложение компаратора называется широтно-импульсным модулятором и выполняется путем сравнения синусоидального сигнала переменного тока с опорным напряжением постоянного тока. По мере регулировки опорного напряжения постоянного тока прямоугольный сигнал на выходе компаратора изменяет свой рабочий цикл (положительное или отрицательное время).Таким образом, опорное напряжение постоянного тока контролирует, или модулирует ширину импульса выходного напряжения.

    СВЯЗАННЫЙ РАБОЧИЙ ЛИСТ:

    .

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *