Работа операционного усилителя для чайников: Операционный усилитель | Описание и принцип работы. — Мир Антенн

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, V_CC и V_EE, Vc и V_E. 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 V_Uвых_.

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

. 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:

Инвертирующий усилитель инвертирует сигнал. Это значит, что необходимо применение двухполярного питания.
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.
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

: 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»

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

Хоровиц П., Хилл У. Искусство схемотехники: — Изд. 2-е. — М.: Издательство БИНОМ — 2014. — 704 с
Картер Б., Манчини Р. Операционные усилители для всех — М.: Издательский дом «Додэка — XXI» — 2011. — 509 с
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 U_вых= K*U_вх 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:

U_out=(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.

U_out = (0 — U₁)*К = — К*U₁
U_out’ = (-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 U_out = U₁. Ну и получается, что U_out = 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 U_out/2 = U₁ или U_out = 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:

U_out = 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 U_out. 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 U_out=0. Пока равно нулю. А напряжение на входе, например, 10 вольт относительно U_out. 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:

U_out = — U_in * 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 U_out станет 30 вольт. Ток через резистор R4 будет при этом (U₁-U_out)/(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:

U_out = 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

U_out = 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.

U_out= -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 U_out = -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 🙂

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:

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

По входным сигналам ОУ делятся на 2 типа:

С 2 входами.
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:

V+ — неинвертирующий вход.
V- — инвертирующий вход.
Vout — выход.Vs+ (Vdd, Vcc, Vcc+) — плюсовая клемма ИП.
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:

Усилительные.
Входные.
Выходные.
Энергетические.
Дрейфовые.
Частотные.
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:

Скорость нарастания Uвых (СН Uвых).
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:

Предусилители.
Усилители звуковых и видеочастотных сигналов.
Компараторы U.
Дифусилители.
Диференциаторы.
Интеграторы.
Фильтрующие элементы.
Выпрямители (повышенная точность выходных параметров).
Стабилизаторы U и I.
Вычислители аналогового типа.
АЦП (аналого-цифровые преобразователи).
ЦАП (цифро-аналоговые преобразователи).
Устройства для генерации различных сигналов.
Компьютерная техника.

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

Неинвертирующий усилитель на ОУ. Принцип работы

Неинвертирующий усилитель — это, пожалуй, одним из трех самых элементарных схем аналоговой электроники, наряду со схемами инвертирующего усилителя и повторителя напряжения. Он даже проще чем инвертирующий усилитель, поскольку для работы схемы не нужно двухполярное питание.

Обратите внимание на единицу, содержащуюся в формуле. Это нам говорит о том, что неинвертирующий усилитель всегда имеет усиление больше 1, а это значит, что с помощью такой схемы вы не можете ослабить сигнал.

Чтобы лучше понять, как работает неинвертирующий усилитель, давайте рассмотрим схему на операционном усилителе и подумаем, какое будет напряжение на его выходе.

В первую очередь мы должны подумать о том, какие напряжения присутствуют на обоих входах нашего операционного усилителя. Вспомним первое из правил, которое описывает работу операционного усилителя:

Правило №1 — операционный усилитель оказывает воздействие своим выходом на вход через ООС (отрицательная обратная связь), в результате чего напряжения на обоих входах, как на инвертирующем (-), так и на неинвертирующем (+) выравнивается.

То есть, напряжение на инвертирующем входе составляет 3В. На следующем этапе давайте рассмотрим резистор сопротивлением 10k. Мы знаем, какое напряжение на нем и его сопротивление, а значит, из закона Ома мы можем вычислить какой ток течет через него:

I = U/R = 3В/10k = 300мкА.

Держатель для платы

Материал: АБС + металл, размер зажима печатной платы (max): 20X14 см…

Этот ток, согласно правилу 2, не может быть взят с инвертирующего входа (-), таким образом, он идет с выхода усилителя.

Правило №2 — входы усилителя не потребляют ток

Ток 300мкА протекает также через резистор сопротивлением 20к. Напряжение на нем мы легко вычислим с помощью закона Ома:

U = IR = 300мкА * 20к = 6В

Получается, что это напряжение и есть выходное напряжение усилителя? Не, это не так. Напомним, что резистор 20к на одном из своих выводов имеет напряжение 3В. Обратите внимание, как направлены напряжения на обоих резисторах.

Ток течет в направлении противоположном направлению стрелки, символизирующей точку с более высоким напряжением. Поэтому к рассчитанным 6В нужно добавить еще 3В на входе. В таком случае конечный результат будет 9В.

Стоит отметить, что резисторы R1 и R2 образуют простой делитель напряжения. Помните, что сумма напряжений на отдельных резисторах делителя должно быть равно напряжению, поступающему на делитель — напряжение не может исчезнуть бесследно и возникнуть из ниоткуда.

В заключение мы должны проверить полученный результат с последним правилом:

Правило №3 — напряжения на входах и выходе должны быть в диапазоне между положительным и отрицательным напряжением питания ОУ.

То есть нам необходимо проверить, что рассчитанное нами напряжение можно получить реально. Часто начинающие думают, что усилитель работает как «Perpetuum Mobile», и вырабатывает напряжение из ничего. Но надо помнить, что для работы усилителя также нужно питание.

Классические усилители работают от напряжения -15В и +15В. В такой ситуации расчетные нами 9В являются реальным напряжением, поскольку 9В находится в диапазоне питающего напряжения. Однако современные усилители часто работают с напряжением от 5В или еще ниже. В такой ситуации нет никаких шансов, чтобы усилитель выдал на выходе 9В.

Поэтому при разработке схем необходимо всегда помнить, что теоретические расчеты всегда должны сверяться с реальностью и физическими возможностями компонентов.

Операционный усилитель принцип работы для чайников, инвертирующее включение оу

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.

Виды и обозначения на схеме

Классификация по сферам применения:

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

По входным сигналам ОУ делятся на 2 типа:

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

Основные обозначения выводов ИМС:

V+ – неинвертирующий вход.
V- – инвертирующий вход.
Vout – выход.Vs+ (Vdd, Vcc, Vcc+) – плюсовая клемма ИП.
Vs- (Vss, Vee, Vcc-) – минус ИП.

Основные характеристики

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

Усилительные.
Входные.
Выходные.
Энергетические.
Дрейфовые.
Частотные.
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).

Скорость нарастания Uвых (СН Uвых).
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-.

Можно выделить устройства, в которых применяются ОУ:

Предусилители.
Усилители звуковых и видеочастотных сигналов.
Компараторы U.
Дифусилители.
Диференциаторы.
Интеграторы.
Фильтрующие элементы.
Выпрямители (повышенная точность выходных параметров).
Стабилизаторы U и I.
Вычислители аналогового типа.
АЦП (аналого-цифровые преобразователи).
ЦАП (цифро-аналоговые преобразователи).
Устройства для генерации различных сигналов.
Компьютерная техника.

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

Основная инвертирующая схема включения ОУ

123

Операционные усилители.

В современной измерительной аппаратуре в качестве линейных усилителей используются операционные усилители. Легкость их применения, стабильность рабочих характеристик и способность выполнять различные преобразования сигнала делает ОУ идеальным выбором для аналоговых схем. Исторически ОУ получили свое развитие в области аналогового вычисления, где эти схемы разрабатывались для суммирования, вычитания, умножения, интегрирования, дифференцирования и т.д., с целью решения дифференциальных уравнений во многих технических задачах. Сегодня аналоговые вычислительные устройства в основном заменены цифровыми, однако высокие функциональные возможности ОУ по-прежнему находят себе применение и поэтому их используют во многих электронных схемах и приборах, в частности, аналого-цифровых и цифро-аналоговых преобразователях.

На рис.1.1 показаны условные обозначения ОУ.

а) б) в)

Рис.1.1. Условнее обозначения ОУ

Обозначения а) и б) часто встречаются в литературе, в) – условное графическое обозначение на принципиальных электрических схемах.

Условное обозначение ОУ (рис. 1.1) — треугольник, у которого на стороне основания слева показаны два входа, а справа в вершине— выход. Вход со знаком «+» является неинвертирующим, при подаче входного сигнала на этот вход полярность сигнала на выходе остается той же, что и на входе; вход со знаком «—» инвертирующий, при подаче сигнала на этот вход на выходе его полярность меняется на противоположную.

Разность напряжений на входах ОУ (е++е_) называют дифференциальным (разностным) входным сигналом ОУ, а полусумму этих напряжений (е++е_)/2 — синфазным входным сигналом. Синфазный входной сигнал определяет ту составляющую входных сигналов, которая является общей для обоих входов ОУ.

Операционный усилитель тем точнее будет реализовать заданную для него конкретной схемой включения функцию, чем ближе его параметры будут приближаться к параметрам идеального операционного усилителя.

Идеальный ОУ характеризуется следующими свойствами электрических параметров:

1. Коэффициент усиления напряжения со стороны неинвертирующего входа положителен.

2. Коэффициент усиления напряжения со стороны инвертирующего входа отрицателен.

3. Входное сопротивление неограниченно велико (RBX=∞).

4. Выходное сопротивление Rвых равно нулю.

5. Коэффициент усиления напряжения неограниченно велик (К=∞).

6. Ширина полосы пропускания бесконечно велика.

7. Uвых=К(е+-е_).

8. Uвых=0, если е+=е_.

9. Выходная характеристика линейна и симметрична относительно нулевого уровня.

Достижение этих показателей и есть основное требование к ОУ.

Реально идеальных ОУ не существует; например, создать усилитель с бесконечной полосой пропускания даже при конечном коэффициенте усиления невозможно.

В зависимости от конкретного применения ОУ в реальных устройствах к ним предъявляют и дополнительные требования, связанные со спецификой данного устройства.

Большое Rвx свидетельствует о том, что практически на входе ОУ не потребляется энергия от источника сигнала, что ко входу ОУ может быть подключен источник сигнала с любым внутренним сопротивлением. Очень малое сопротивление Rвых позволяет подключить к выходу ОУ низкоомную нагрузку, при этом потери мощности на выходном сопротивлении ОУ будут незначительны.

Наличие низкого уровня шума означает, что реальная чувствительность ОУ очень велика, что ОУ способен усиливать самые слабые сигналы.

Основная инвертирующая схема включения ОУ

На рис.1.2 приведена основная инвертирующая схема включения ОУ.

Рис.1.2. Основная инвертирующая схема включения ОУ

Выход ОУ соединен с инвертирующим входом сопротивлением обратной связи RОС. Сигнал подается на инвертирующий вход через сопротивление R1. Исходя из свойств ОУ (бесконечный коэффициент усиления), делаем вывод, что при конечном напряжении на выходе разность потенциалов в трчках А и В равна нулю. Т.к. потенциал точки В равен нулю (соединение с землей), то и потенциал точки А тоже равен нулю. Этот факт дает основание считать точку А кажущейся землей, поскольку прямого соединения с землей эта точка не имеет.

Отсюда следует, что ток во входной цепи определяется только сопротивлением R1: i=uВХ/R1. Из-за бесконечного входного сопротивления ОУ на вход усилителя ток не ответвляется и полностью протекает по сопротивлению ОС RОС. Отсюда: . Подставив сюда значение тока, получим: . Следовательно, коэффициент усиления:

(1.1)

Входное сопротивление каскада равно R1.

Суммирующий усилитель

Наличие точки кажущейся земли позволяет строить при помощи ОУ суммирующие усилители (рис.1.3).

Рис.1.3. Суммирующий усилитель

Вследствие того, что потенциал в точке А равен нулю, входные токи не влияют друг на друга и определяются только параметрами входных цепей:

Эти токи суммируются в цепи обратной связи: .

Подставим значения токов: , отсюда:

Идеальный операционный усилитель и его свойства

Так как наш мир не является идеальным, так и идеальных операционных усилителей не существует. Однако параметры современных ОУ находятся на достаточно высоком уровне, поэтому анализ схем с идеальными ОУ даёт результаты, очень близкие к реальным усилителям.

Для понимания работы схем с операционными усилителями вводится ряд допущений, которые приводят реальные операционные усилители к идеальным усилителям. Таких допущений всего пять:

Ток, протекающий через входы ОУ, принимается равным нулю.
Коэффициент усиления ОУ принимается бесконечно большим, то есть выходное напряжение усилителя может достичь любых значений, однако в реальность ограничено напряжением питания.
Разность напряжений между входами идеального ОУ равна нулю, то есть если один из выводов соединён с землёй, то и второй вывод имеет такой же потенциал. Отсюда также следует, что входное сопротивление идеального усилителя бесконечно.
Выходное сопротивление идеального ОУ равно нулю.
Амплитудно-частотная характеристика идеального ОУ является плоской, то есть коэффициент усиления не зависит от частоты входного сигнала.

Близость параметров реального операционного усилителя к идеальным определяет точность, с которой может работать данный ОУ, а также выяснить ценность конкретного операционного усилителя, быстро и правильно сделать выбор подходящего ОУ.

Исходя из вышеописанных допущений, появляется возможность проанализировать и вывести соотношения для основных схем включения операционного усилителя.

Неинвертирующий усилитель

Неинвертирующий усилитель характеризуется тем, что входной сигнал поступает на неинвертирующий вход операционного усилителя. Данная схема включения изображена ниже

Схема включения неинвертирующего усилителя.

Работа данной схемы объясняется следующим образом, с учётом характеристик идеального ОУ. Сигнала поступает на усилитель с бесконечным входным сопротивлением, а напряжение на неинвертирующем входе имеет такое же значение, как и на инвертирующем входе. Ток на выходе операционного усилителя создает на резисторе R2 напряжение, равное входному напряжению.

Таким образом, основные параметры данной схемы описываются следующим соотношением

Отсюда выводится соотношение для коэффициента усиления неинвертирующего усилителя

Таким образом, можно сделать вывод, что на коэффициент усиления влияют только номиналы пассивных компонентов.

Необходимо отметить особый случай, когда сопротивление резистора R2 намного больше R1 (R2 >> R1), тогда коэффициент усиления будет стремиться к единице. В этом случае схема неинвертирующего усилителя превращается в аналоговый буфер или операционный повторитель с единичным коэффициентом передачи, очень большим входным сопротивлением и практически нулевым выходным сопротивлением. Что обеспечивает эффективную развязку входа и выхода.

Логарифмирующий преобразователь

Одной из схем на операционном усилителе, которые нашли применение, является логарифмирующий преобразователь. В данном схеме используется свойство диода или биполярного транзистора. Схема простейшего логарифмического преобразователя представлена ниже

Логарифмирующий преобразователь.

Данная схема находит применение, прежде всего в качестве компрессора сигналов для увеличения динамического диапазона, а так же для выполнения математических функций.

Рассмотрим принцип работы логарифмического преобразователя. Как известно ток, протекающий через диод, описывается следующим выражением

где IO – обратный ток диода,
е – число е, основание натурального логарифма, e ≈ 2,72,
q – заряд электрона,
U – напряжение на диоде,
k – постоянная Больцмана,
T – температура в градусах Кельвина.

При расчётах можно принимать IO ≈ 10-9 А, kT/q = 25 мВ. Таким образом, входной ток данной схемы составит

тогда выходное напряжение

Простейший логарифмический преобразователь практически не используется, так как имеет ряд серьёзных недостатков:

Высокая чувствительность к температуре.
Диод не обеспечивает достаточной точности преобразования, так как зависимость между падением напряжения и током диода не совсем логарифмическая.

Вследствие этого вместо диодов применяют транзисторы в диодном включении или с заземлённой базой.

Экспоненциальный преобразователь

Схема экспоненциального преобразователь получается из логарифмического преобразователя путём перемены места диода и резистора в схеме. А работа такой схемы так же как и логарифмического преобразователя основана на логарифмической зависимости между падение напряжения на диоде и током протекающим через диод. Схема экспоненциального преобразователя показана ниже

Экспоненциальный преобразователь.

Работа схемы описывается известными выражениями

Таким образом, выходное напряжение составит

Также как и логарифмический преобразователь, простейший экспоненциальный преобразователь с диодом на входе применяют редко, вследствие вышеописанных причин, поэтому вместо диодов на входе используют биполярные транзисторы в диодном включении или с общей базой.

Схемы включения операционных усилителей, описанные выше, не являются исчерпывающими, а лишь только призваны дать основные понятия. Более подробно схемы включения операционных усилителей я рассмотрю в следующих статьях. Всем удачи.

Теория это хорошо, но без практического применения это просто слова.Здесь можно всё сделать своими руками.

Операционный усилитель — это… Что такое Операционный усилитель?

Разные операционные усилители в различных корпусах, в том числе несколько в одном корпусе

Операционный усилитель (ОУ, OpAmp) — усилитель постоянного тока с дифференциальным входом и, как правило, единственным выходом, имеющий высокий коэффициент усиления. ОУ почти всегда используются в схемах с глубокой отрицательной обратной связью, которая, благодаря высокому коэффициенту усиления ОУ, полностью определяет коэффициент передачи полученной схемы.

В настоящее время ОУ получили широкое применение как в виде отдельных чипов, так и в виде функциональных блоков в составе более сложных интегральных схем. Такая популярность обусловлена тем, что ОУ является универсальным блоком с характеристиками, близкими к идеальным, на основе которого можно построить множество различных электронных узлов.

История

Операционный усилитель изначально был спроектирован для выполнения математических операций (отсюда его название), путём использования напряжения как аналоговой величины. Такой подход лежит в основе аналоговых компьютеров, в которых ОУ использовались для моделирования базовых математических операций (сложение, вычитание, интегрирование, дифференцирование и т. д.). Однако идеальный ОУ является многофункциональным схемотехническим решением, он имеет множество применений помимо математических операций. Реальные ОУ, основанные на транзисторах, электронных лампах или других активных компонентах, выполненные в виде дискретных или интегральных схем, являются приближением к идеальным.

Ламповый операционный усилитель K2-W.

Первые промышленные ламповые ОУ (1940-е гг.) выполнялись на паре двойных триодов, в том числе в виде отдельных конструктивных сборок в корпусах с октальным цоколем. В 1963 Роберт Видлар, инженер Fairchild Semiconductor, спроектировал первый интегральный ОУ — μA702. При цене в 300 долларов прибор, содержавший 9 транзисторов использовался только в военных применениях. Первый доступный интегральный ОУ, μA709, также спроектированный Видларом, был выпущен в 1965; вскоре после выпуска его цена упала ниже 10 долларов, что было всё ещё слишком дорого для бытового применения, но вполне доступно для массовой промышленной автоматики и т. п. гражданских задач.

В 1967 National Semiconductor, куда перешёл работать Видлар, выпустила LM101, а в 1968 Fairchild выпустило практически идентичный μA741 — первый ОУ со встроенной частотной коррекцией. ОУ LM101/μA741 был более стабилен и прост в использовании, чем предшественники. Многие производители до сих пор выпускают версии этого классического чипа (их можно узнать по числу «741» в наименовании). Позднее были разработаны ОУ и на другой элементной базе: на полевых транзисторах с p-n переходом (конец 1970х) и с изолированным затвором (начало 1980х), что позволило существенно улучшить ряд характеристик. Многие из более современных ОУ могут быть установлены в схемы, спроектированные для 741 без каких-либо доработок, при этом характеристики схемы только улучшатся.

Применение ОУ в электронике чрезвычайно широко — операционный усилитель, вероятно, наиболее часто встречающийся элемент в аналоговой схемотехнике. Добавление лишь нескольких внешних компонентов делает из ОУ конкретную схему аналоговой обработки сигналов. Многие стандартные ОУ сто́ят всего несколько центов в крупных партиях (1000шт), но усилители с нестандартными характеристиками (в интегральном или дискретном исполнении) могут стоить $100 и выше.

Обозначения

Обозначение операционного усилителя на схемах

На рисунке показано схематичное изображение операционного усилителя. Выводы имеют следующее значение:

Указанные пять выводов присутствуют в любом ОУ, они необходимы для его функционирования. Однако, существуют операционные усилители, не имеющие неинвертиующего входа^[1]. В частности, такие ОУ находят применение в аналоговых вычислительных машинах (АВМ). ОУ, применяемые в АВМ, принято делить на 5 классов, из которых ОУ первого и второго класса имеют только один вход. Операционные усилители первого класса — усилители высокой точности (УВТ) с одним входом. Они предназначены для работы в составе интеграторов, сумматоров, устройств слежения-хранения, электронных коэффициентов. Высокий коэффициент усиления, предельно малые значения смещения нуля, входного тока и дрейфа нуля, высокое быстродействие обеспечивают снижение погрешности, вносимой усилителем, ниже 0,01 %. Операционные усилители второго класса — усилители средней точности (УСТ) также с одним входом, обладающие меньшим коэффициентом усиления и большими значениями смещения и дрейфа нуля. Эти ОУ предназначены для применения в составе электронных устройств установки коэффициентов, инверторов, электронных переключателей, в функциональных преобразователях, множительных устройствах. Помимо этого, некоторые ОУ могут иметь дополнительные выводы (предназначенные, например, для установки тока покоя, частотной коррекции, балансировки или других функций).

Выводы питания (V_S+ и V_S−) могут быть обозначены по-разному (см. выводы питания интегральных схем). Часто выводы питания не рисуют на схеме, чтобы не загромождать её несущественными деталями, при этом способ подключения этих выводов явно не указывается или считается очевидным (особенно часто это происходит при изображении одного усилителя из микросхемы с четырьмя усилителями с общими выводами питания). При обозначении ОУ на схемах можно менять местами инвертирующий и неинвертирующий входы, если это удобно; выводы питания, как правило, всегда располагают единственным способом (положительный вверху).

Основы функционирования

ОУ 741 в корпусе TO-5

Питание

В общем случае ОУ использует двуполярное питание, то есть источник питания имеет три вывода с потенциалами:

U₊ (к нему подключается V_S+)
0
U_— (к нему подключается V_S-)

Вывод источника питания с нулевым потенциалом непосредственно к ОУ обычно не подключается, но, как правило, является сигнальной землёй и используется для создания обратной связи. Часто вместо двуполярного используется более простое однополярное, а общая точка создаётся искусственно или совмещается с отрицательной шиной питания.

ОУ способны работать в широком диапазоне напряжений источников питания, типичное значение для ОУ общего применения от ±1,5 В до ±15 В при двуполярном питании (то есть U₊ = 1,5…15 В, U_— = -15…-1,5 В, допускается значительный перекос).

Простейшее включение ОУ

Рассмотрим работу ОУ как отдельного дифференциального усилителя, то есть без включения в рассмотрение каких-либо внешних компонентов. В этом случае ОУ ведёт себя как обычный усилитель с дифференциальным входом, то есть поведение ОУ описывается следующим образом:

((1))

здесь

V_out: напряжение на выходе
V₊: напряжение на неинвертирующем входе
V₋: напряжение на инвертирующем входе
G_openloop: коэффициент усиления с разомкнутой петлёй обратной связи

Все напряжения считаются относительно общей точки схемы. Рассматриваемый способ включения ОУ (без обратной связи) практически не используется^[2] вследствие присущих ему серьёзных недостатков:

Коэффициент усиления с разомкнутой петлёй обратной связи G_openloop нормируется в очень широких пределах и может изменяться в тысячи раз (зависит сильнее всего от частоты сигнала и температуры).
Коэффициент усиления очень велик (типичное значение 10⁶ на постоянном токе) и не поддаётся регулировке.
Точка отсчёта входного и выходного напряжений не поддаются регулировке.

Идеальный операционный усилитель

Для того, чтобы рассматривать функционирование ОУ в режиме с обратной связью, необходимо вначале ввести понятие идеального операционного усилителя. Идеальный ОУ является физической абстракцией, то есть не может реально существовать, однако позволяет существенно упростить рассмотрение работы схем на ОУ благодаря использованию простых математических моделей.

Идеальный ОУ описывается формулой (1) и обладает следующими характеристиками:

Бесконечно большой коэффициент усиления с разомкнутой петлей обратной связи G_openloop.^[3]
Бесконечно большое входное сопротивление входов V_— и V₊. Другими словами, ток, протекающий через эти входы, равен нулю.
Нулевое выходное сопротивление выхода ОУ.
Способность выставить на выходе любое значение напряжения.
Бесконечно большая скорость нарастания напряжения на выходе ОУ.
Полоса пропускания: от постоянного тока до бесконечности.

Пункты 5 и 6 в действительности следуют из формулы (1), поскольку в неё не входят временны́е задержки и фазовые сдвиги. Из перечисленных условий следует важнейшее свойство идеального ОУ, упрощающее рассмотрение схем с его использованием:

Идеальный ОУ, охваченный отрицательной обратной связью, поддерживает одинаковое напряжение на своих входах ^[4]^[5]

Другими словами, при указанных условиях всегда выполняется равенство:

(2)

Не следует думать, что ОУ выравнивает напряжения на своих входах, подавая напряжение на входы «изнутри». На самом деле ОУ выставляет на выходе такое напряжение, которое через обратную связь подействует на входы таким образом, что разность входных напряжений уменьшится до нуля.

Легко убедиться в справедливости равенства (2). Допустим, (2) нарушено — имеет место небольшая разность напряжений. Тогда входное дифференциальное напряжение, усиленное в ОУ, вызвало бы (вследствие бесконечного коэффициента усиления) бесконечно большое выходное напряжение, которое, в соответствии с определением ООС, ещё уменьшило бы разность входных напряжений. И так до тех пор, пока равенство (2) не будет выполнено. Заметим, что выходное напряжение может быть любым — оно определяется видом обратной связи и входным напряжением.

Простейший неинвертирующий усилитель на ОУ

Из рассмотрения принципа работы идеального ОУ следует очень простая методика проектирования схем:

Пусть необходимо построить цепь на ОУ с требуемыми свойствами. Требуемые свойства заключаются прежде всего в заданном состоянии выхода (выходное напряжение, выходной ток и т. д.), которое, возможно, зависит от какого-либо входного воздействия. Для создания схемы нужно подключить к ОУ такую обратную связь, чтобы при требуемом выходном состоянии достигалось равенство напряжений на входах ОУ (инвертирующем и неинвертирующем), а обратная связь была бы отрицательной.

Таким образом, требуемое состояние системы будет устойчивым состоянием равновесия, и система будет в нем находиться неограниченно долго^[6]. Пользуясь этим упрощённым подходом, несложно получить простейшую схему усилителя.

Обозначение операционного усилителя на схемах, неинвертирующая схема включения

От усилителя требуется наличие на выходе напряжения, превышающего входное в K раз. В соответствии с приведённой выше методикой подадим на неинвертирующий вход ОУ сам входной сигнал, а на инвертирующий — выходной сигнал, поделённый в K раз резистивным делителем напряжения.

Пусть, K — коэффициент деления напряжения резистивным делителем R₁R₂:

K = R₁ / (R₁ + R₂)

тогда для неидеального ОУ (с конечным коэффициентом усиления G_openloop) имеем:

V₊ = V_in

V₋ = K V_out

V_out = G_openloop(V_in − K V_out)

Решая данную систему относительно V_out / V_in, получаем:

V_out/V_in = G_openloop/(1 + G_openloop K)

то есть получен усилитель, коэффициент усиления которого зависит от усиления ОУ и номиналов резисторов. Если же ОУ имеет очень большой коэффициент усиления G_openloop (много больший, чем 1/K), то коэффициент G_openloop в выражении сокращается и получаем более простое выражение:

V_out/V_in = 1/K = 1 + (R₂/R₁)

Таким образом, коэффициент передачи усилителя, построенного на ОУ с достаточно большим усилением, практически зависит только от параметров обратной связи. Это полезное свойство позволяет проектировать системы с очень стабильным коэффициентом передачи, необходимые, например, при измерениях и обработке сигналов.

Отличия реальных ОУ от идеального

Параметры ОУ, характеризующие его неидеальность, можно разбить на группы:

Параметры по постоянному току

Ограниченное усиление: коэффициент G_openloop не бесконечен (типичное значение 10⁵ ÷ 10⁶ на постоянном токе). Этот эффект заметно проявляется только в случаях, когда коэффициент передачи каскада с ОУ отличается от параметра G_openloop в небольшое число раз (усиление каскада отличается от G_openloop на 1÷2 порядка или еще меньше).
Ненулевой входной ток (или, что почти то же самое, ограниченное входное сопротивление): типичные значения входного тока составляют 10⁻⁹ ÷ 10⁻¹² А. Это накладывает ограничения на максимальное значение сопротивлений в цепи обратной связи, а также на возможности согласования по напряжению с источником сигнала. Некоторые ОУ имеют на входе дополнительные цепи для защиты входа от чрезмерного напряжения — эти цепи могут значительно ухудшить входное сопротивление. Поэтому некоторые ОУ выпускаются в защищенной и незащищенной версии.
Ненулевое выходное сопротивление. Данное ограничение не имеет большого значения, так как наличие обратной связи эффективно уменьшает выходное сопротивление каскада на ОУ (практически до сколь угодно малых значений).
Ненулевое напряжение смещения: требование о равенстве входных напряжений в активном состоянии для реальных ОУ выполняется не совсем точно — ОУ стремится поддерживать между своими входами не точно ноль вольт, а некоторое небольшое напряжение (напряжение смещения). Другими словами, реальный ОУ ведет себя как идеальный ОУ, у которого внутри последовательно с одним из входов включен генератор напряжения с ЭДС U_см. Напряжение смещения — очень важный параметр, он ограничивает точность ОУ, например, при сравнении двух напряжений. Типичные значения U_см составляют 10⁻³ ÷ 10⁻⁶ В.
Ненулевое усиление синфазного сигнала. Идеальный ОУ усиливает только разницу входных напряжений, сами же напряжения значения не имеют. В реальных ОУ значение входного синфазного напряжения оказывает некоторое влияние на выходное напряжение. Данный эффект определяется параметром коэффициент ослабления синфазного сигнала (КОСС, англ. common-mode rejection ratio, CMRR), который показывает, во сколько раз приращение напряжения на выходе меньше, чем вызвавшее его приращение синфазного напряжения на входе ОУ. Типичные значения: 10⁴ ÷ 10⁶.

Параметры по переменному току

Ограниченная полоса пропускания. Любой усилитель имеет конечную полосу пропускания, но фактор полосы не особенно значим для ОУ, поскольку они имеют внутреннюю частотную коррекцию для увеличения запаса по фазе.
Ненулевая входная ёмкость. Образует паразитный фильтр нижних частот.
Ненулевая задержка сигнала. Данный параметр, косвенно связанный с ограничением полосы пропускания, может ухудшить действие ООС при повышении рабочих частот.
Ненулевое время восстановления после насыщения .

Нелинейные эффекты

Насыщение — ограничение диапазона возможных значений выходного напряжения. Обычно выходное напряжение не может выйти за пределы напряжения питания. Насыщение имеет место в случае, когда выходное напряжение «должно быть» больше максимального или меньше минимального выходного напряжения. ОУ не может выйти за пределы, и выступающие части выходного сигнала «срезаются» (то есть ограничиваются).

В моменты насыщения усилитель не действует в соответствии с формулой (1), что вызывает отказ в работе ООС и появлению разности напряжений на его входах, что обычно является признаком неисправности схемы (и это легко обнаруживаемый наладчиком признак проблем). Исключение — работа ОУ в режиме компаратора.

Искажение входного П-образного сигнала при ограниченной скорости нарастания выходного сигнала ОУ. Ограниченная скорость нарастания. Выходное напряжение ОУ не может измениться мгновенно. Скорость изменения выходного напряжения измеряется в вольтах за микросекунду, типичные значения 1÷100 В/мкс. Параметр обусловлен временем, необходимым для перезаряда внутренних ёмкостей.

Ограничения тока и напряжения

Ограниченное выходное напряжение. У любого ОУ потенциал на выходе не может быть выше, чем потенциал положительной шины питания и не может быть ниже, чем потенциал отрицательной шины питания (в случае, если нагрузка отсутствует, или является резистивной и не содержит источник тока). Другими словами, выходное напряжение не может выйти за пределы питающего напряжения. Например, для ОУ opa277[1] выходное напряжение находится в пределах от V_S−+0,5 В до V_S+-2 В при сопротивлении нагрузки 10 кОм. Ширина этих «мертвых зон» выходного напряжения, которых выход ОУ не может достичь, зависит от ряда условий (сопротивление нагрузки, направление выходного тока и др.). Существуют ОУ, у которых мертвые зоны минимальны, например, по 50 мВ до шин питания при нагрузке 10 кОм для opa340[2], эта особенность ОУ называется «rail-to-rail» (от шины до шины).
Ограниченный выходной ток. Большинство ОУ широкого применения имеют встроенную защиту от превышения выходного тока — типичное значение максимального тока 25 мА. Защита предотвращает перегрев и выход ОУ из строя.

Мощные ОУ, такие как К157УД1, могут иметь крепление для радиатора.

Ограниченная выходная мощность. Большинство ОУ предназначено для применений, не требовательных к мощности: сопротивление нагрузки не должно быть менее 2 кОм.

Классификация ОУ

По типу элементной базы

^[7]

По области применения

Выпускаемые промышленностью операционные усилители постоянно совершенствуются, параметры ОУ приближаются к идеальным. Однако улучшить все параметры одновременно технически невозможно или нецелесообразно из-за дороговизны полученного чипа. Для того, чтобы расширить область применения ОУ, выпускаются различные их типы, в каждом из которых один или несколько параметров являются выдающимися, а остальные на обычном уровне (или даже чуть хуже). Это оправдано, так как в зависимости от сферы применения от ОУ требуется высокое значение того или иного параметра, но не всех сразу. Отсюда вытекает классификация ОУ по областям применения.

Индустриальный стандарт. Так называют широко применяемые, очень дешевые ОУ общего применения со средними характеристиками. Пример «классических» ОУ: с биполярным входом — LM324, с полевым входом — TL084.
Прецизионные ОУ имеют очень малые напряжения смещения, применяются в точных измерительных схемах. Обычно ОУ на биполярных транзисторах по этому показателю несколько лучше, чем на полевых. Также от прецизионных ОУ требуется долговременная стабильность параметров. Исключительно малыми смещениями обладают стабилизированные прерыванием ОУ. Примеры: AD707, AD708, с напряжением смещения 30 мкВ, а также новейшие AD8551 с типичным напряжением смещения 1 мкВ.
С малым входным током (электрометрические) ОУ. Все ОУ, имеющие полевые транзисторы на входе, обладают малым входным током. Но среди них существуют специальные ОУ с исключительно малым входным током. Чтобы полностью реализовать их преимущества, при проектировании устройств с их использованием необходимо даже учитывать утечку тока по печатной плате. Пример: AD549 с входным током 6·10⁻¹⁴ А.
Микромощные и программируемые ОУ потребляют малый ток на собственное питание. Такие ОУ не могут быть быстродействующими, так как малый потребляемый ток и высокое быстродействие — взаимоисключающие требования. Программируемыми называются ОУ, для которых все внутренние токи покоя можно задать с помощью внешнего тока, подаваемого на специальный вывод ОУ.
Мощные (сильноточные) ОУ могут отдавать большой ток в нагрузку, то есть допустимое сопротивление нагрузки меньше стандартных 2 кОм, и может составлять до 50 Ом.
Низковольтные ОУ работоспособны при напряжении питания 3 В и даже ниже. Как правило, они имеют rail-to-rail выход.
Высоковольтные ОУ. Все напряжения для них (питания, синфазное входное, максимальное выходное) значительно больше, чем для ОУ широкого применения.
Быстродействующие ОУ имеют высокую скорость нарастания и частоту единичного усиления. Такие ОУ не могут быть микромощными, и как правило выполнены на биполярных транзисторах.
Малошумящие ОУ.
Звуковые ОУ. Имеют минимально возможный коэффициент гармоник (THD).
Для однополярного питания. CMOS ОУ обеспечивают выходное напряжение, практически равное напряжению питания (rail-to-rail, R2R), биполярные ОУ — примерно на 1.2 В меньше, что существенно при небольших значениях Ucc.
Специализированные ОУ. Обычно разработаны для конкретных задач (подключение фотодатчика, магнитной головки, и др.). Могут содержать в себе готовые цепи ООС или отдельные необходимые для этого прецизионные резисторы.

Возможны также комбинации данных категорий, например, прецизионный быстродействующий ОУ.

Другие классификации

По входным сигналам:

Обычный двухвходовый ОУ;
ОУ с тремя входами ^[8]: третий вход, имеющий коэффициент передачи +1 (для чего используется внутренняя ООС), используется для расширения возможностей ОУ, например, смещение по напряжению выходных сигналов относительно входных, или возможность построения каскада с высоким выходным сопротивлением синфазному сигналу, что напоминает трансформатор с двумя обмотками, однако каскад на AD8132 передаёт и постоянный ток, что трансформатор не может.

По выходным сигналам:

Обычный ОУ с одним выходом;
ОУ с дифференциальным выходом ^[9]

Использование ОУ в схемотехнике

Использование ОУ как схемотехнического элемента гораздо проще и понятнее, чем оперирование отдельными элементами, его составляющими (транзисторов, резисторов и т. д.). При проектировании устройств на первом (приближённом) этапе операционные усилители можно считать идеальными. Далее для каждого ОУ определяются требования, которые накладывает на него схема, и подбирается ОУ, удовлетворяющий этим требованиям. Если получается, что требования к ОУ слишком жёсткие, то можно частично перепроектировать схему для обхода данной проблемы.

Принципиальная схема операционного усилителя

Схемы на операционных усилителях

Операционные усилители являются основным элементом для дифференциаторов.

Области применения

См. также

Примечания

↑ http://cxem.net/beginner/beginner96.php
↑ Единственным исключением является простейший аналоговый компаратор
↑ Казалось бы, это бессмысленное допущение, поскольку при этом на выходе было бы бесконечное напряжение всегда, за исключением редкого случая, когда напряжения на входах V_— и V₊ равны. В действительности выходное напряжение даже в теоретической модели всегда ограничено из-за использования отрицательной обратной связи.
↑ Путём изменения выходного напряжения
↑ Если система (ОУ с ОС) устойчива
↑ Это очень упрощённый подход, в действительности необходимо учитывать другие возможные состояния равновесия, а также ряд других факторов.
↑ По типу элементной базы, используемой для построения входных цепей (моста)
↑ AD8132 — ОУ, имеющий третий вход с усилением +1
↑ AD8132 — ОУ с дифференциальным выходом

Ссылки

Основы операционных усилителей (часть 1): 9 шагов

Если вас действительно мало волнует теория, лежащая в основе операционных усилителей, или вы просто не хотите читать прямо сейчас, пропустите этот шаг. Здесь не будет сложной математики, просто подведем итоги. Я рекомендую вам найти время, чтобы прочитать о них, поскольку они очень полезны во многих приложениях. Некоторые действительно хорошие образовательные / учебные материалы доступны здесь, в главе 5.

Операционные усилители обычно представляют собой устройства с двумя входами и одним выходом, с дополнительными контактами для источников питания +/-.Глядя на разницу между двумя входами и используя источники +/- напряжения в качестве максимальных / минимальных выходных значений, операционный усилитель будет выдавать опорное значение напряжения, которое может быть во много раз выше, чем входное. Величина усиления называется усилением и часто измеряется в децибелах (дБ). Независимо от того, что вы усиливаете, будь то напряжение, ток или мощность, разделение выхода на вход даст вам общее усиление. Различные конструкции операционных усилителей имеют разные максимальные значения, которые они могут достичь для усиления, но для подавляющего большинства приложений вы можете выбрать уровень усиления, который хотите применить к входному дифференциалу.Вы также можете выбрать, должен ли вывод быть инверсным входному или совпадать с входным. Входы помечены как «инвертирующий» и «неинвертирующий», и есть два уравнения для определения значения усиления вашей конструкции операционного усилителя: одно для неинвертирующей конфигурации, а другое — для инвертирующей конфигурации. Обратите внимание, что для неинвертирующего уравнения у вас есть дополнительный коэффициент усиления 1, которого вы не можете избежать. Если, например, вы подключите неинвертирующий вывод к GND, а инвертирующий вывод к вашему сигналу, выходной сигнал будет сдвинут по фазе на 180 градусов и усилен коэффициентом усиления.На графике он будет полностью перевернут вверх ногами по оси x (см. Изображение 2). Если вы переключите входы и подключите инвертирующий контакт к земле, а неинвертирующий контакт к вашему сигналу, выход будет выглядеть так же, как вход (см. Изображение 3).

Операционные усилители обычно имеют встроенное по умолчанию чрезвычайно высокое усиление, которое пользователь не может изменить, и если вы не создадите обратную связь в системе, вы очень быстро насытите операционный усилитель и достигнете одного из значений напряжения. подача рельсов. Это означает, что операционный усилитель без обратной связи будет функционировать как компаратор, а это означает, что если есть разница в напряжении между двумя входами (+ или -), даже на минимальную величину, выход будет соответствовать значению соответствующего напряжение питания рейки.С логической точки зрения вы получите 1 или 0. Это может быть полезно в определенных приложениях, например, при генерации прямоугольной волны из синусоидальной или треугольной волны, но не во всех случаях. Часто вы хотите, чтобы результат был масштабированной версией ввода, идентичной, за исключением величины. Чтобы управлять усилением, вы должны реализовать обратную связь, подключив один или другой вход к выходу через один или несколько пассивных компонентов, таких как резисторы, конденсаторы или катушки индуктивности.

Некоторые применения операционных усилителей включают буферы / повторители напряжения, фильтры низких, высоких и полосовых частот, компараторы, интеграторы, дифференциаторы, пиковые детекторы, регуляторы напряжения / тока, аналого-цифровые преобразователи и цифро-аналоговые преобразователи. аналого-аналоговые преобразователи.Я рассмотрю некоторые из этих вариантов использования на более поздних этапах.

Операционные усилители также имеют множество различных вариантов конструкции, поэтому выбор подходящего может быть затруднительным. Что лучше: OP37 или LM741? Вы решили, что хотите действительно высокую скорость, и выбрали OP37. Но какая версия? OP37A, C, E, F, G, N, NT, GT или GR? Вам понадобится больше одного в вашем дизайне? Если да, следует ли использовать одиночные, парные или четверные? Конечно, у каждого есть своя таблица данных, поэтому легко проводить сравнения может быть сложно.Чтобы дать вам представление, я включил электронную таблицу Excel с несколькими перечисленными параметрами, чтобы показать широкий спектр доступных ИС. Это не исчерпывающий список всех спецификаций, это лишь некоторые основные данные.

Сравнивая некоторые данные, мы видим, что операционный усилитель 741 не имеет очень высокой скорости (низкая скорость нарастания) и не имеет высокого произведения коэффициента усиления и полосы пропускания (GBP). OP37, однако, имеет гораздо (намного, намного) более высокую скорость нарастания и GBP, поэтому его можно использовать в гораздо более широком диапазоне частот, чем 741.Все остальные микросхемы попадают где-то в спектре скорости, надежности и … всего, что вы хотите сравнить. У каждого из них есть собственное приложение, и вам решать, как вы хотите его использовать. Однако для большинства приложений подойдет практически любой операционный усилитель. Если вы разрабатываете что-то экстремальное (например, высокую скорость, высокое напряжение, высокое усиление), просмотрите таблицы данных, чтобы найти то, что лучше всего соответствует вашим потребностям. Как уже упоминалось, я покажу несколько простых схем операционного усилителя, которые могут быть построены с использованием любого из этих чипов, но в некоторых моментах я укажу на сильные / слабые стороны определенных чипов.Для получения дополнительной информации об операционных усилителях посетите этот веб-сайт.

Операционные усилители: Руководство для начинающих | ОРЕЛ

Мы все живем в мире, окруженном чудесными усилителями. Если вы когда-нибудь были на концерте и слышали громкий электрический визг гитарного звука по стадиону, значит, это усилитель в действии. Или динамики, воспроизводящие музыку через ваше радио ленивым воскресным днем, снова усилители. В этом мире усиления цель проста — повысить электрический ток и напряжение на ступеньку выше.Но все ли усилители созданы одинаково или используются для одних и тех же целей? Точно нет. Мы здесь, чтобы узнать о таинственном черном ящике семейства усилителей и о том, как он играет гораздо большую роль, чем просто звуки. Это операционный усилитель, и он здесь, чтобы усилить вас!

Обзор усилителей

Прежде чем погрузиться в тонкости операционного усилителя, давайте сначала разберемся, что делают усилители как общая категория компонентов для мира электроники. Вы когда-нибудь получали слуховой аппарат? Они прекрасный пример.Слуховые аппараты используют микрофон для улавливания звуков из внешней среды, которые затем преобразуются в электрический сигнал. Внутри этого слухового аппарата есть усилитель, который принимает этот сигнал, усиливает его, чтобы сделать его громче, и отправляет его в динамик, расположенный внутри вашего слухового прохода. Это не магия, а просто инженерия!

Усилители делают слуховые аппараты возможными. (Источник изображения)

Весь этот процесс приема входного сигнала, его усиления и отправки в качестве выходного сигнала является сутью схем усилителя.Повышение, которое усилитель производит для данного сигнала, измеряется коэффициентом усиления или коэффициентом усиления. Это просто разница в напряжении между входным и выходным сигналами. Например, если вы начинаете с 1 вольт на входе и получаете 5 вольт на выходе, тогда у вас есть коэффициент усиления 5. Для усиления, связанного со звуком, это усиление измеряется в децибелах (дБ).

Так что же делает операционный усилитель особенным?

Хотя все усилители могут иметь одно и то же общее назначение, когда вам нужен идеальный усилитель, вы можете использовать операционный усилитель.В аналоговой электронике ничто не может сравниться с идеальными характеристиками усилителя, подобного этому устройству. Прекрасная особенность операционного усилителя заключается в том, что вы можете смешивать и сопоставлять активные части, такие как транзисторы, с пассивными компонентами, такими как резисторы, конденсаторы и т. Д., Чтобы получить некоторые полезные характеристики усиления, например:

Высокое усиление . Одна из самых известных особенностей операционных усилителей — их очень высокий коэффициент усиления, который может варьироваться от 10 000 до 100 000! Конечно, такой уровень усиления, используемый в усилителе с разомкнутым контуром, немного бесполезен и избыточен, поэтому вы добавите источники обратной связи для управления уровнями усиления и искажениями.
Высокое входное сопротивление . Еще один ключевой атрибут — это высокий импеданс, и производимые в наши дни операционные усилители поставляются с почти бесконечным входным сопротивлением, измеряемым на уровне 0,25 МОм или даже сотнях миллионов Ом.
Низкое выходное сопротивление . В идеальном усилителе вы получите нулевой выходной импеданс, а операционный усилитель — единственный физический компонент, который приближается к этому. Вы найдете большинство операционных усилителей на базе микросхем с выходным сопротивлением менее одной сотой ома.
Ограниченная пропускная способность . Операционные усилители также имеют ограниченную полосу пропускания, что может работать в вашу пользу. Многие микросхемы операционных усилителей, используемые для аудиоприложений, испытывают полное усиление только в небольшой полосе пропускания. Но в других схемах вам может понадобиться уменьшить это усиление, и здесь может пригодиться ограниченная полоса пропускания.

Внутреннее устройство операционного усилителя

Самое замечательное в операционных усилителях то, что они используются не только для усиления звука, как традиционный усилитель.Вы также увидите, что они используются для:

Предварительные усилители и буферы звуковой и видеочастоты
Регуляторы напряжения и тока
Аналоговые калькуляторы
Прецизионные пиковые детекторы
Аналого-цифровые и цифро-аналоговые преобразователи
И многое другое!

Независимо от своего конкретного назначения, операционный усилитель всегда стремится обеспечить выходное напряжение, повышающее или понижающее входные напряжения до тех пор, пока они не станут равными. Но как это сделать? Давайте посмотрим на типичное схематическое обозначение операционного усилителя, чтобы объяснить, как он работает.Вот что вам нужно знать:

Идеальное схемное обозначение операционного усилителя само по себе без добавления обратной связи.

Входные сигналы

Есть два входных сигнала: инвертирующий вход, отмеченный отрицательным (-) символом, и неинвертирующий вход, обозначенный положительным (+) символом. Когда у вас есть положительный сигнал на инвертирующем входе, вы получите усиленный выход, который является инверсным или противоположным этому сигналу. Таким образом, если поступает положительный сигнал, то ваш выходной сигнал будет отрицательным.Неинвертирующий вход работает наоборот. Если вы отправите положительный сигнал на неинвертирующий вход, то вы получите выход, который соответствует входному сигналу, только что усиленному.

Тип используемого входа напрямую влияет на выходные сигналы в схеме операционного усилителя. (Источник изображения)

Выходные сигналы

На другой стороне условного обозначения этого операционного усилителя находится выход. Этот выходной сигнал использует разницу между вашими инвертирующими и неинвертирующими входными сигналами для создания усиленного выходного сигнала до тех пор, пока входные напряжения не станут равными.Вот почему операционный усилитель обычно называют дифференциальным усилителем, поскольку он обеспечивает выходной результат, основанный на разнице между двумя входными сигналами.

Силовые сигналы

Вам необходимо запитать ваше устройство. Вверху и внизу символа операционного усилителя у вас есть V + и V-, которые отмечают положительную и отрицательную стороны подключения к источнику постоянного тока. Эти шины питания часто не отображаются на принципиальных схемах, поскольку предполагается, что они всегда будут подключены. Независимо от того, видите вы их или нет, вы найдете операционные усилители, подключенные к шине питания + 5-15 В и -5-15 В, и все это основано на характеристиках микросхемы операционного усилителя, которую вы планируете использовать.

Самые распространенные схемы операционных усилителей

Операционные усилители

имеют чрезвычайно высокий коэффициент усиления, который вы не сможете изменить. Вот почему вы добавляете обратную связь в свою схему операционного усилителя с добавлением резисторов, конденсаторов или катушек индуктивности для управления усилением и получения различных результатов от вашей схемы. Это добавление контуров обратной связи также позволяет легко создавать вариации схемы операционного усилителя для получения совершенно разных результатов. Вот наиболее распространенные схемы, которые вы будете строить, когда только начнете:

Триггер Шмитта операционного усилителя .Эта конфигурация схемы обеспечивает невосприимчивость к шуму и различным уровням переключения, которые зависят от того, находится ли ваша схема операционного усилителя в состоянии высокого или низкого напряжения.
Суммирующий усилитель ОУ . Эта конфигурация схемы идеальна для суммирования аудиовходов и обычно используется в аудиомикшерах.
Компаратор ОУ . Это конфигурация выбора, когда вам нужно обеспечить высокий или низкий сигнал в зависимости от состояния ваших двух входов.
Инвертирующий усилитель ОУ . Эта схема является наиболее распространенной конфигурацией операционного усилителя и хорошо известна тем, что обеспечивает усиление, а также используется в качестве усилителя виртуального заземления.
Неинвертирующий усилитель операционного усилителя . Эта конфигурация схемы обеспечивает высокое усиление и высокое входное сопротивление и используется во многих входных каскадах усилителей.

Инвертирующая и неинвертирующая схемы операционного усилителя, расположенные рядом. (Источник изображения)

Покупка операционных усилителей

У вашего любимого поставщика запчастей вы найдете множество различных типов корпусов операционных усилителей.Большинство из них классифицируются по многим значениям, в том числе:

Номинальная скорость нарастания
Количество каналов
Максимальное входное напряжение смещения
Максимальное напряжение питания
Тип упаковки
Диапазон номинального усиления

Наиболее распространенные диапазоны номинального усиления операционного усилителя, которые вы найдете, составляют 1 МГц, 1,3 МГц и 4 МГц. Вы также найдете количество каналов от 1 до 8, причем наиболее распространенные операционные усилители имеют 1, 2 или 4 канала.

Среди типов корпусов самый известный операционный усилитель, с которым вы встретитесь, — это 741, который поставляется в 8-контактном корпусе mini-DIP. Этот операционный усилитель состоит из 20 транзисторов и 11 резисторов и является предпочтительной конфигурацией операционного усилителя с 1968 года. Кроме того, он является самым дешевым из всех и стоит менее доллара.

ИС операционного усилителя UA741, готовая к установке в макет или пайке!

Вы также увидите ИС операционных усилителей, доступные в корпусах SOIC, что позволяет легко добавлять их в схему, не занимая слишком много места.Однако чаще операционные усилители будут доступны в виде DIP-пакетов с восемью, четырнадцатью или шестнадцатью контактами. Этот пакет позволяет легко припаять их вручную на следующем прототипе или быстро вставить в макетную плату.

Усиление

Вот и все, что вам может понадобиться знать об операционных усилителях как новичку в проектировании электроники! Эта ИС является предпочтительным компонентом, когда вам нужен высокопроизводительный усилитель с высоким коэффициентом усиления, высоким входным сопротивлением и низким выходным сопротивлением.А благодаря возможности поменять местами различные компоненты обратной связи, такие как резисторы, конденсаторы и катушки индуктивности, вы можете собрать вместе массу различных вариантов для создания собственного мультивибратора, аналого-цифрового преобразователя или схемы точного таймера.

Вы готовы спроектировать свою собственную схему операционного усилителя? Попробуйте Autodesk EAGLE бесплатно сегодня!

Что такое операционный усилитель?

Операционный усилитель или операционный усилитель — это просто линейная интегральная схема (ИС), имеющая несколько выводов.Операционный усилитель можно рассматривать как устройство усиления напряжения, которое предназначено для использования с внешними компонентами обратной связи, такими как резисторы и конденсаторы, между его выходными и входными клеммами. Это электронный усилитель напряжения с высоким коэффициентом усиления с дифференциальным входом и обычно несимметричным выходом. Операционные усилители являются одними из наиболее широко используемых электронных устройств сегодня, поскольку они используются в большом количестве потребительских, промышленных и научных устройств.

Краткая история

В 1947 году первый операционный усилитель, разработанный на основе вакуумных трубок Джоном Р.Рагаццини из Колумбийского университета.
С появлением кремниевых транзисторов концепция ИС стала реальностью. В начале 1960-х годов Роберт Дж. Уайлдар из Fairchild Semiconductor изготовил операционный усилитель μA702.
В 1968 году был выпущен μA741, что привело к его широкому производству.

Современные операционные усилители доступны в:

Металлическая банка в упаковке (ТО) с 8 штырями
Двухканальный линейный пакет (DIP) с 8/14 контактами
Плоская упаковка из плоской упаковки с 10/14 контактами

Строительство

Внутренняя схема типичного операционного усилителя выглядит так:

Операционный усилитель (схема операционного усилителя)

Клемма со знаком (-) называется инвертирующей входной клеммой, а клемма со знаком (+) называется неинвертирующей входной клеммой.

Клеммы источника питания V + и V- подключены к положительной и отрицательной клеммам источника постоянного напряжения соответственно. Общий вывод V + и V- подключен к опорной точке или заземлению, иначе удвоенное напряжение питания может повредить операционный усилитель.

Типы операционных усилителей

Операционный усилитель имеет бесчисленное множество применений и является основным строительным блоком линейных и нелинейных аналоговых систем. Некоторые из типов операционных усилителей включают:

Дифференциальный усилитель, представляющий собой схему, усиливающую разницу между двумя сигналами.
Инструментальный усилитель, который обычно состоит из трех операционных усилителей и помогает усилить выходной сигнал преобразователя (состоящий из измеренных физических величин).
Изолирующий усилитель, который похож на инструментальный усилитель, но имеет допуск к синфазным напряжениям (которые разрушают обычный операционный усилитель).
Усилитель с отрицательной обратной связью, который обычно состоит из одного или нескольких операционных усилителей и резистивной цепи обратной связи.
Усилители мощности для усиления слабых сигналов, принимаемых от источника входного сигнала, такого как микрофон или антенна.

Операционный усилитель работает

В идеале операционный усилитель усиливает только разницу в напряжении между ними, также называемую дифференциальным входным напряжением. Выходное напряжение ОУ V _{на выходе} определяется уравнением:

В _выход = A _OL (V ₊ — V _—)

, где A _OL — коэффициент усиления усилителя без обратной связи.

В линейном операционном усилителе выходной сигнал представляет собой коэффициент усиления, известный как коэффициент усиления усилителя (A), умноженный на значение входного сигнала.

Параметры операционного усилителя

Коэффициент усиления без обратной связи — это коэффициент усиления без положительной или отрицательной обратной связи. В идеале коэффициент усиления должен быть бесконечным, но типичные реальные значения находятся в диапазоне примерно от 20 000 до 200 000 Ом.
Входное сопротивление — это отношение входного напряжения к входному току. Предполагается, что он бесконечен, чтобы предотвратить протекание тока от источника к усилителям.
Предполагается, что выходной импеданс идеального операционного усилителя равен нулю.Этот импеданс включен последовательно с нагрузкой, тем самым увеличивая выходную мощность, доступную для нагрузки.
Полоса пропускания идеального операционного усилителя бесконечна и может усилить сигнал любой частоты от постоянного до самых высоких частот переменного тока. Однако типичная полоса пропускания ограничена произведением коэффициента усиления на полосу пропускания, которое равно частоте, на которой коэффициент усиления усилителя становится равным единице.
Идеальный выход усилителя равен нулю, когда разность напряжений между инвертирующим и неинвертирующим входами равна нулю.Реальные усилители действительно демонстрируют небольшое выходное напряжение смещения.

Некоторые другие важные электрические параметры, которые следует учитывать:

Входное напряжение смещения: Это напряжение, которое должно быть приложено между входными клеммами операционного усилителя для обнуления выходного сигнала.
Входной ток смещения: Это алгебраическая разница между токами на входе (-) и входа (+).
Входной ток смещения: Это среднее значение токов, поступающих на (-) входные и (+) входные клеммы операционного усилителя.
Входное сопротивление: Это дифференциальное входное сопротивление, которое видно на любой из входных клемм, когда другая клемма подключена к земле.
Входная емкость: Это эквивалентная емкость, которую можно измерить на одном из входных выводов, когда другой вывод подключен к земле.
Скорость нарастания: Определяется как максимальная скорость изменения выходного напряжения, вызванная ступенчатым входным напряжением. Скорость нарастания увеличивается с увеличением коэффициента усиления с обратной связью и напряжения питания постоянного тока.Это также функция температуры и обычно уменьшается с повышением температуры.

Примечание: — Хотя идеальный операционный усилитель не потребляет ток от источника и его характеристика не зависит от температуры, настоящий операционный усилитель не работает таким образом.

Операционный усилитель реагирует только на разницу между двумя напряжениями независимо от индивидуальных значений на входах. Внешние резисторы или конденсаторы часто подключаются к операционному усилителю различными способами, чтобы сформировать базовые схемы, включая усилители инвертирующего, неинвертирующего, повторителя напряжения, суммирующего, дифференциального, интеграционного и дифференциального типа.Операционный усилитель легко доступен в корпусе IC, наиболее распространенным из которых является μA-741.

Общедоступный операционный усилитель IC

Приложения для операционных усилителей

Операционный усилитель имеет бесчисленное множество применений и является основным строительным блоком линейных и нелинейных аналоговых систем.

В линейных схемах выходной сигнал изменяется линейно вместе с входным сигналом. Вот некоторые из линейных приложений:

Сумматор
Вычитатель
Преобразователь напряжения в ток (усилитель крутизны)
Преобразователь тока в напряжение (усилитель сопротивления)
Инструментальный усилитель
Усилитель мощности

Еще один класс схем с сильно нелинейными характеристиками ввода-вывода:

Выпрямитель
Детектор пиков
Машинка для стрижки
Зажим
Цепь выборки и хранения
Усилитель логарифмический и противоударный
Умножитель и делитель
Компаратор

Благодаря операционным усилителям и связанным с ними схемам они стали неотъемлемой частью звуковых усилителей, генераторов сигналов, регуляторов напряжения, активных фильтров, таймеров 555, аналого-цифровых и цифро-аналоговых преобразователей.

Как работают операционные усилители?

Загрузить статью в формате .PDF

Хотя иногда это считается само собой разумеющимся, разработчики не должны упускать из виду сложности операционных усилителей с обратной связью по напряжению и току — неотъемлемых элементов аналоговых и смешанных сигналов. Операционные усилители усиливают крошечные сигналы от датчиков, поэтому аналого-цифровые преобразователи (АЦП) могут оцифровывать их. Они также позволяют создавать активные фильтры с лучшими характеристиками, чем фильтры, построенные только из катушек и конденсаторов.Хотя схема ИС операционного усилителя имеет тенденцию быть тонкой и сложной, принципы ее применения — по крайней мере в первом приближении — относительно просты.

Определение операционного усилителя

Операционный усилитель или ОУ обычно состоит из каскада дифференциального входа с высоким входным сопротивлением, каскада промежуточного усиления и двухтактного выходного каскада с низким выходным сопротивлением (не более 100 Ом) (рис. 1) .

% {[data-embed-type = «image» data-embed-id = «5df275ecf6d5f267ee20f9d7» data-embed-element = «aside» data-embed-align = «left» data-embed-alt = «Www Electronicdesign Com Сайты Electronicdesign com Файлы 0912 Web E Eopamps Fig1 «data-embed-src =» https: // img.electronicdesign.com/files/base/ebm/electronicdesign/image/2012/10/www_electronicdesign_com_sites_electronicdesign.com_files_0912WebEEopampsFig1.png?auto=format&fit=max&w=1440 «data-embed-caption =» 1.]}% характеристик 9033 из Операционный усилитель обладает высоким входным сопротивлением, низким выходным сопротивлением и высоким коэффициентом усиления без обратной связи. Все это способствует возможности управления коэффициентом усиления с обратной связью с помощью обратной связи и входного сопротивления.

Коэффициент усиления по напряжению разомкнутого контура очень высокий, порядка 1 миллиона.Каскад дифференциального входа подразумевает инвертирующий и неинвертирующий вход. Благодаря двойному (положительному и отрицательному) источникам питания он может обрабатывать входные сигналы, которые не обязательно связаны с землей.

На практике операционные усилители всегда используются с отрицательной обратной связью. То есть выход возвращается на инвертирующий вход через некоторое сопротивление. Кроме того, операционные усилители могут быть оптимизированы для конкретных приложений, подчеркнув различные рабочие характеристики (см. Таблицу) .

% {[data-embed-type = «image» data-embed-id = «5df275ecf6d5f267ee20f9d9» data-embed-element = «aside» data-embed-align = «left» data-embed-alt = «Www Electronicdesign Com Сайты Electronicdesign com Файлы 0912 Web Ee Opamps Таблица 1 «data-embed-src =» https://img.electronicdesign.com/files/base/ebm/electronicdesign/image/2012/10/www_electronicdesign_com_sites_electronicdesign.com_files_0912_WebEE_Opngamps format & fit = max & w = 1440 «data-embed-caption =» «]}%

Отрицательная обратная связь управляет усилением, поведение в частотной области

Отношение выходного импеданса к входному импедансу определяет коэффициент усиления операционного усилителя, который использует отрицательную обратную связь (рис.2) . Если одно из этих импедансов является реактивным (практически, если это импеданс емкостной обратной связи) и имеется чисто резистивный входной импеданс, коэффициент усиления A определяется как:

% {[data-embed-type = «image» data-embed-id = «5df275ecf6d5f267ee20f9db» data-embed-element = «aside» data-embed-align = «left» data-embed-alt = «Www Electronicdesign Com Сайты Electronicdesign com Файлы 0912 Web E Eopampstext Equation 1 «data-embed-src =» https://img.electronicdesign.com/files/base/ebm/electronicdesign/image/2012/10/www_electronicdesign_com_sites_electronicdesign.com_files_0912WebEEopampstext_Equation_1.png? auto = format & fit = max & w = 1440 «data-embed-caption =» «]}%

% {[data-embed-type = «image» data-embed-id = «5df275ecf6d5f267ee20f9dd» data-embed-element = «aside» data-embed-align = «left» data-embed-alt = «Www Electronicdesign Com Сайты Electronicdesign com Файлы 0912 Web E Eopamps Fig2all «data-embed-src =» https://img.electronicdesign.com/files/base/ebm/electronicdesign/image/2012/10/www_electronicdesign_com_sites_electronicdesign.com_files_0912WebEEopamps.png? auto = format & fit = max & w = 1440 «data-embed-caption =» «]}%.

В этом случае характеристика усиления зависит от частоты. С точки зрения частотной области схема представляет собой фильтр нижних частот. Во временной области выходной сигнал схемы является интегралом входного сигнала. Также умножается кажущаяся емкость цепи. Простым изменением входного сопротивления становится легко построить схему с выходным напряжением, которое в 0,1, или 1, или 10 раз больше интеграла входного напряжения.

Входное смещение / смещение и общий режим

Фактические входные каскады могут быть подвержены ошибкам смещения и смещения. (Рис. 3) . Входные токи смещения (порядка наноампер) текут, потому что входной импеданс конечен, и они в конечном итоге влияют на линейность. Разработчики операционных усилителей могут найти компромисс между более высокими токами смещения в пользу более высоких скоростей. Смещение представляет собой разницу напряжений, вызванную изменением токов смещения на двух входах.

% {[data-embed-type = «image» data-embed-id = «5df275ecf6d5f267ee20f9df» data-embed-element = «aside» data-embed-align = «left» data-embed-alt = «Www Electronicdesign Com Сайты Electronicdesign com Файлы 0912 Web E Eopamps Рис. 3 1 «data-embed-src =» https: // img.electronicdesign.com/files/base/ebm/electronicdesign/image/2012/10/www_electronicdesign_com_sites_electronicdesign.com_files_0912WebEEopampsFig3_1.png?auto=format&fit=max&w=1440% «data-embed-caption curnts
3.»]} которые влияют на линейность, присутствуют, потому что входное сопротивление не бесконечно. Смещение напряжения отражает любую разницу между токами смещения на двух входах.

Реальные операционные усилители также имеют ограничения по максимально допустимому входному напряжению. Такое допустимое синфазное колебание обычно падает ниже напряжения питания.Некоторые операционные усилители рассчитаны на перепады входного напряжения между питанием от шины питания (или почти с питанием от шины).

Операционные усилители с обратной связью по напряжению и току

Существуют практические различия между топологиями операционных усилителей с обратной связью по напряжению и по току, как в том, как они построены, так и в том, как они используются.

Усилители с обратной связью по напряжению (VFB) фактически управляют выходным напряжением с помощью каскада усиления по напряжению (рис. 4) . Разность напряжений между двумя входами умножается на безразмерную константу усиления (A).В усилителе VFB с отрицательной обратной связью выходной сигнал изменяется, чтобы довести разность напряжений между инвертирующим и неинвертирующим входом до нуля.

% {[data-embed-type = «image» data-embed-id = «5df275ecf6d5f267ee20f9e1» data-embed-element = «aside» data-embed-align = «left» data-embed-alt = «Www Electronicdesign Com Сайты Electronicdesign com Файлы 0912 Web E Eopamps Рис4 «data-embed-src =» https://img.electronicdesign.com/files/base/ebm/electronicdesign/image/2012/10/www_electronicdesign_com_sites_electronicdesign.com_files_0912WebEEopampsFig4.png? auto = format & fit = max & w = 1440 «data-embed-caption =» «]}%
4. В усилителях VFB используется каскад усиления по напряжению, в котором константа усиления (A) умножает напряжение на входах.

Идеальный VFB должен обладать очень большим коэффициентом усиления холостого хода, который не зависит от входной частоты. Однако в реальном VFB усиление разомкнутого контура велико на постоянном токе, но падает на 6 дБ / октаву (рис. 5) . По мере уменьшения коэффициента усиления без обратной связи коэффициент усиления ОУ с отрицательной обратной связью падает ниже отношения R _F / R _I.Когда коэффициент усиления холостого хода равен R _F / R _I, общее усиление схемы будет вдвое меньше значения постоянного тока. Это называется шириной полосы по уровню –3 дБ.

% {[data-embed-type = «image» data-embed-id = «5df275ecf6d5f267ee20f9e3» data-embed-element = «aside» data-embed-align = «left» data-embed-alt = «Www Electronicdesign Com Сайты Electronicdesign com Файлы 0912 Web E Eopamps Fig5 «data-embed-src =» https://img.electronicdesign.com/files/base/ebm/electronicdesign/image/2012/10/www_electronicdesign_com_sites_electronicdesign.com_files_0912WebEEopampsFig5.png? auto = format & fit = max & w = 1440 «data-embed-caption =» «]}%
5. В VFB усиление разомкнутого контура велико на постоянном токе. Выше оно падает на 6 дБ / октаву. .Произведение коэффициента усиления и ширины полосы, произведение коэффициента усиления на ширину полосы частот, является постоянным в большей части частотного диапазона схемы усилителя.

Для большей части частотного диапазона произведение коэффициента усиления и ширины полосы, или произведение коэффициента усиления и ширины полосы пропускания (GBP), становится постоянным. Следовательно, для любого реального усилителя VFB можно спроектировать схему с высоким коэффициентом усиления или широкой полосой пропускания, но не то и другое вместе.

С топологической точки зрения два ключевых фактора отличают усилители с обратной связью по току (CFB) от их аналогов с VFB. Во-первых, буфер с единичным усилением находится между неинвертирующим входом и инвертирующим входом (фиг. 6). Буфер обычно имеет очень высокий входной импеданс и очень низкий выходной импеданс.

% {[data-embed-type = «image» data-embed-id = «5df275edf6d5f267ee20f9e5» data-embed-element = «aside» data-embed-align = «left» data-embed-alt = «Www Electronicdesign Com Сайты Electronicdesign com Файлы 0912 Web E Eopamps Рис6 «data-embed-src =» https: // img.electronicdesign.com/files/base/ebm/electronicdesign/image/2012/10/www_electronicdesign_com_sites_electronicdesign.com_files_0912WebEEopampsFig6.png?auto=format&fit=max&w=1440 «data-embed-caption =» «6.» буфер с единичным усилением на входе. Выходное напряжение — это ток, протекающий между входами, умноженный на передаточное сопротивление.

Буфер влияет на характеристики разомкнутого контура CFB по-разному:

Очень высокое входное сопротивление на неинвертирующем входе
Очень низкий входной импеданс на инвертирующем импедансе
Очень низкий выходной импеданс

Второе отличие состоит в том, что в CFB передаточная функция, работающая с током, протекающим через буфер между входами, в основном управляет выходным напряжением.Передаточное сопротивление (Z) умножает этот ток.

В CFB с отрицательной обратной связью сигнал с выхода будет пытаться сбросить ток ошибки до нуля. Это иначе известно как «текущая обратная связь».

Важно отметить, что усилители CFB не имеют ограничений полосы пропускания усиления, чем усилители VFB. Вместо этого усилитель CFB ограничивает размер импеданса обратной связи, который указывается как значение сопротивления в таблицах данных.

В идеальном случае коэффициент усиления по напряжению в усилителе CFB (и в усилителях VFB) по-прежнему определяется отношением сопротивления обратной связи к входному сопротивлению.Но для реальных усилителей коэффициент усиления спадает с увеличением частоты. Следовательно, размер резистора обратной связи влияет на частотную характеристику, что в конечном итоге ограничивает диапазон возможных значений R _F.

На практике полоса пропускания усилителя CFB немного зависит от усиления, хотя и не так сильно, как у операционных усилителей с VFB. В основном это связано с ненулевым выходным импедансом входного буфера, который влияет на усиление контура и, следовательно, на динамику замкнутого контура.

В отличие от усилителей VFB, операционные усилители CFB не имеют ограничения скорости нарастания напряжения.Только R _F будет управлять переходной характеристикой CFB, как и в случае с частотной характеристикой. Точно так же требуется очень мало времени (наносекунды или меньше), чтобы выходной сигнал усилителя CFB установился в пределах 0,1% от его конечного значения.

Ограничения CFB

Почему инженеры продолжают разрабатывать схемы с усилителями VFB, учитывая их преимущества в отношении усиления в полосе пропускания? Во-первых, VFB предлагают более низкий уровень шума и лучшую производительность по постоянному току, чем операционные усилители CFB. Во-вторых, усилители VFB можно использовать в качестве интеграторов, просто используя конденсатор в качестве импеданса обратной связи.В отличие от этого, операционные усилители CFB должны избегать прямой емкости между выходом и инвертирующим входом. Есть обходные пути, но они усложняют схему.

Характеристики операционного усилителя

В технических описаниях операционных усилителей с обратной связью по напряжению

указаны пять различных коэффициентов усиления: коэффициент усиления без обратной связи или A _VOL (который может составлять 160 дБ или выше без отрицательной обратной связи), коэффициент усиления с обратной связью, коэффициент усиления сигнала, коэффициент усиления шума и коэффициент усиления петли.

Коэффициент усиления контура — это разница между коэффициентом усиления разомкнутого и замкнутого контура или общий коэффициент усиления через усилитель и обратно на вход через сеть обратной связи.Он включает усиление сигнала и усиление шума. Коэффициент усиления сигнала — это коэффициент усиления входного сигнала, в то время как коэффициент усиления шума отражает входное напряжение смещения и шум напряжения операционного усилителя на выходе.

Таблица данных также покажет различные измерения искажений. Общие гармонические искажения (THD) и THD + N (THD плюс шум) являются измерениями искажений, генерируемых входом однотональной синусоидальной волны. Интермодуляционные искажения (IMD) — это измерение динамического диапазона, создаваемого взаимодействием двух тонов.Точка перехвата третьего порядка (IP3) измеряет влияние интермодуляционных искажений третьего порядка.

Другие характеристики включают точку сжатия 1 дБ. Он представляет уровень входного сигнала, при котором выходной сигнал сжимается на 1 дБ от идеальной передаточной функции входа / выхода. Это определяет конец динамического диапазона усилителя.

Отношение сигнал / шум (SNR) также определяет динамический диапазон. Он измеряет (в дБ) максимальный уровень сигнала до среднеквадратичного уровня минимального шума.

В ВЧ-работе важными характеристиками являются коэффициент шума и коэффициент шума.Коэффициент шума связывает шум, создаваемый усилителем, с тепловым шумом резистора 50 Ом при комнатной температуре. Коэффициент шума — это коэффициент шума, выраженный в дБ; то есть 10 × log ₁₀ (коэффициент шума).

Артикулы:

Юнг, Уолт, «История операционных усилителей».
Малиняк, Дэвид, «Среда онлайн-дизайна проясняет загадки операционного усилителя», Electronic Design, 19 января 2004 г.

Что такое операционный усилитель?

Введение в операционные усилители ABLIC

1.Что такое операционный усилитель (ОУ)?

Операционный усилитель — это интегральная схема, которая может усиливать слабые электрические сигналы.
Операционный усилитель имеет два входных контакта и один выходной контакт. Его основная роль заключается в усилении и выводе разности напряжений между двумя входными контактами.

2. Возможности операционного усилителя

Операционный усилитель не используется в одиночку, он предназначен для подключения к другим схемам для выполнения самых разнообразных операций.В этой статье приведены несколько типичных примеров использования схем с операционными усилителями.

● Обеспечивает значительное усиление входного сигнала

Когда операционный усилитель объединен со схемой усиления, он может преобразовывать слабые сигналы в сильные. Он ведет себя как мегафон, где входным сигналом является голос человека, а мегафон — это схема операционного усилителя. Например, такая схема может использоваться для усиления сигналов датчиков минут.
Обработка сигналов датчиков может быть дополнительно улучшена путем ввода усиленного сигнала в блок микроконтроллера * (MCU).
* Микроконтроллер… Компактный компьютер для управления электронными устройствами. Как мозг электронных устройств, микроконтроллеры работают в соответствии с входными сигналами.

● Позволяет устранить шум из входного сигнала

Работая в качестве фильтра входных сигналов, схема операционного усилителя может выделять сигнал с заданной частотой. Например, когда схема операционного усилителя используется для распознавания голоса или в диктофоне, она может извлекать частоты, близкие к целевой звук, при этом все остальные частоты не рассматриваются как шум.Схема операционного усилителя может быть настроена для выполнения широкого диапазона функций, таких как арифметические операции или синтез сигналов.

3. Приложения для операционных усилителей

Как отмечалось выше, операционный усилитель практически никогда не используется отдельно. Подключив резисторы или конденсаторы, вы можете сконфигурировать схему, способную усиливать сигнал, фильтровать или выполнять арифметические операции схемы, описанные в «2. На что способен операционный усилитель ».

(1) Операции внутреннего операционного усилителя

Ниже описаны операции, выполняемые операционным усилителем в схеме. Давайте посмотрим, как операционный усилитель ведет себя в схеме усилителя, на примере схемы неинвертирующего усилителя. В дополнение к этому простому расчету при настройке схемы необходимо учитывать характеристики операционного усилителя. Этот момент описан далее в этом разделе в разделе «4. Выбор рабочего усилителя и объяснение терминов.”

(2) Примеры схем

Здесь мы описываем некоторые типичные применения операционных усилителей.

[Схема неинвертирующего усилителя]

Как объяснено в (1), это также схема для усиления и вывода входных сигналов.

[Схема инвертирующего усилителя]

Инвертирующая схема усилителя обозначена знаком минус. Если напряжение V _IN увеличивается, напряжение V _OUT уменьшается.

[Цепь повторителя напряжения]

Это схема неинвертирующего усилителя, в которой R2 замкнут накоротко (R2 = 0 Ом), а R1 разомкнут (R1 = бесконечность). Поскольку V _OUT = (1 + R2 / R1) × V _IN = (1 + 0Ω / ∞) × V _IN = V _IN, выходное напряжение равно входному сигналу. Повторитель напряжения используется в качестве буферной схемы для преобразования импеданса или для разделения цепей.

[Схема дифференциального усилителя]

Это схема для усиления и вывода разницы между двумя входными сигналами.

4. Выбор рабочего усилителя и объяснение терминов

Здесь мы будем использовать операционный усилитель ABLIC S-89630A в качестве примера того, какие элементы следует проверить при выборе операционного усилителя и объяснения характеристик операционного усилителя.

(1) Проверьте рабочее напряжение.

[Диапазон рабочего напряжения источника питания]
Это диапазон рабочего напряжения источника питания на выводе VDD.Убедитесь, что напряжение источника питания находится в пределах диапазона рабочего напряжения операционного усилителя.

[Диапазон синфазного входного напряжения]
Диапазон напряжения сигнала, который может быть приложен к входным контактам. Операционный усилитель будет работать, пока входной сигнал находится в этом диапазоне. Операционный усилитель, диапазон синфазного входного напряжения которого охватывает V _SS — V _DD, называется «Операционный усилитель с входом Rail-to-Rail»; то есть операционный усилитель с отличным диапазоном входного напряжения сигнала.

(2) Проверьте частоту входного сигнала.

[Произведение на ширину полосы частот]
Определяет максимальную частоту, до которой операционный усилитель может усилить сигнал. Максимальная частота зависит от коэффициента (усиления), который вы используете для усиления сигнала. При коэффициенте усиления, равном единице (= 0 дБ), сигнал может быть усилен до максимальной частоты, так называемого произведения коэффициента усиления на ширину полосы частот.

График справа показывает, что при коэффициенте усиления, равном единице (= 0 дБ), максимальная частота, на которой усиление позволяет использовать S-89630A, равна 1.2 МГц, а при усилении 10 (= 20 дБ) максимальная частота составляет 120 кГц. Убедитесь, что максимальная частота, до которой вы хотите усилить, находится в пределах диапазона коэффициента, с которым вы хотите усилить.

(3) Проверьте потребление тока.

[Потребление тока]
Указывает текущее значение, полученное с вывода VDD. Чем ниже это значение, тем больше вы можете снизить мощность системы. Обычно операционный усилитель с низким потреблением тока имеет также низкую частоту полосы пропускания усиления.

(4) Проверить точность усиления сигнала.

[Входное напряжение смещения]
Входное напряжение смещения представляет собой преобразование напряжения ошибки, генерируемого на выходе, во входное значение, когда входное напряжение равно 0 В. Это важный атрибут, влияющий на точность усиления операционных усилителей. Обычно, когда амплитуда напряжения входного сигнала порядка мВ, требуется входное напряжение смещения порядка мкВ. Это заставляет выбирать «операционный усилитель с нулевым дрейфом » для обработки таких крошечных напряжений смещения.

5. Что такое усилитель с нулевым дрейфом?

Усилитель с нулевым дрейфом — это операционный усилитель, который сводит к минимуму входное напряжение смещения и дрейф входного напряжения смещения (0). Выбор операционного усилителя с нулевым дрейфом является высокоэффективным решением для приложений, требующих высокоточного усиления сигнала.

Усилитель с нулевым дрейфом ABLIC

ABLIC имеет операционные усилители с нулевым дрейфом серий S-89630A и S-89713 для общего использования, а также усилители с нулевым дрейфом S-19630A и S-19611A для автомобильного использования.

S-89630A (для общего использования) и S-19630A (для автомобильного использования) операционный усилитель обеспечивает работу с нулевым дрейфом, работу в широком диапазоне напряжений (4,0 — 36 В) и низкие атрибуты напряжения смещения.

Серия

S-89713 (для общего использования) и S-19611A (для автомобильного использования) обеспечивает работу с автоматическим дрейфом нуля при работе при низком напряжении от 2,65 В и с низкими характеристиками напряжения смещения. Мы также предлагаем серию S-89713 (для общего использования) в сверхкомпактном корпусе (SNT-8A: 1,97 x 2.Размер 46 мм).

Если вам нужен операционный усилитель с нулевым дрейфом, настоятельно рекомендуются операционные усилители ABLIC.

Таблица выбора операционных усилителей

Представление операционного усилителя ABLIC

Операционный усилитель

: основы, типы и применение | Статья

СТАТЬЯ

Получайте ценные ресурсы прямо на свой почтовый ящик — рассылается раз в месяц

Мы ценим вашу конфиденциальность

Что такое операционный усилитель?

Операционный усилитель (ОУ) — это блок аналоговой схемы, который принимает входное дифференциальное напряжение и выдает несимметричный выходной сигнал напряжения.

Операционные усилители

обычно имеют три терминала: два входа с высоким сопротивлением и выходной порт с низким сопротивлением. Инвертирующий вход обозначается знаком минус (-), а неинвертирующий вход использует положительный знак (+). Операционные усилители работают для усиления разности напряжений между входами, что полезно для множества аналоговых функций, включая цепочку сигналов, питание и приложения управления.

Классификация операционных усилителей

Существует четыре способа классификации операционных усилителей:

Усилители напряжения принимают напряжение и создают напряжение на выходе.
Усилители тока получают токовый вход и выдают токовый выход.
Transconductance Усилители преобразуют входное напряжение в токовый выход.
Трансрезистивные усилители преобразуют входной ток и выдают выходное напряжение.

Поскольку большинство операционных усилителей используются для усиления напряжения, в этой статье основное внимание будет уделено усилителям напряжения.

Операционные усилители

: основные характеристики и параметры

Операционные усилители (см. Рисунок 1) имеют много различных важных характеристик и параметров.Эти характеристики более подробно описаны ниже.

Рисунок 1: Схема операционного усилителя

Коэффициент усиления без обратной связи

Коэффициент усиления без обратной связи: Коэффициент усиления без обратной связи («A» на рис. 1 , ) операционного усилителя является мерой усиления, достигаемого при отсутствии обратной связи в схеме. Это означает, что цепь обратной связи разомкнута. Коэффициент усиления без обратной связи часто должен быть чрезвычайно большим (10 000+), чтобы быть полезным сам по себе, за исключением компараторов напряжения.

Компараторы

напряжения сравнивают напряжения на входных клеммах. Даже при небольших перепадах напряжения компараторы напряжения могут направлять выходной сигнал либо на положительную, либо на отрицательную шины. Высокие коэффициенты усиления без обратной связи полезны в конфигурациях с обратной связью, поскольку они обеспечивают стабильное поведение схемы при изменении температуры, процесса и сигнала.

Входное сопротивление

Другой важной характеристикой операционных усилителей является то, что они обычно имеют высокое входное сопротивление («Z _IN» на рисунке , рис. 1, ).Входное сопротивление измеряется между отрицательной и положительной входными клеммами, и его идеальное значение равно бесконечности, что минимизирует нагрузку на источник. (На самом деле происходит небольшая утечка тока.) Размещение схемы вокруг операционного усилителя может значительно изменить эффективное входное сопротивление источника, поэтому внешние компоненты и контуры обратной связи должны быть тщательно настроены. Важно отметить, что входное сопротивление определяется не только входным сопротивлением постоянному току. Входная емкость также может влиять на поведение схемы, поэтому это также необходимо учитывать.

Выходное сопротивление

Операционный усилитель в идеале должен иметь нулевой выходной импеданс («Z _OUT» в , рис. 1, ). Однако выходное сопротивление обычно имеет небольшое значение, которое определяет величину тока, который он может выдавать, и насколько хорошо он может работать в качестве буфера напряжения.

Частотная характеристика и полоса пропускания (BW)

Идеальный операционный усилитель должен иметь бесконечную полосу пропускания (BW) и поддерживать высокий коэффициент усиления независимо от частоты сигнала.Однако все операционные усилители имеют конечную полосу пропускания, обычно называемую «точкой -3 дБ», где коэффициент усиления начинает падать с увеличением частоты. Затем коэффициент усиления усилителя уменьшается со скоростью -20 дБ / декаду, а частота увеличивается. Операционные усилители с более высокой полосой пропускания обладают улучшенными характеристиками, поскольку они поддерживают более высокий коэффициент усиления на более высоких частотах; однако этот более высокий выигрыш приводит к большему энергопотреблению или увеличению стоимости.

Рисунок 2: Кривая частотной характеристики разомкнутого контура операционного усилителя

Продукт усиления полосы пропускания (GBP)

Как следует из названия, GBP — это произведение коэффициента усиления и полосы пропускания усилителя.GBP является постоянной величиной на кривой, и ее можно рассчитать с помощью уравнения (1):

$$ GBP = Прирост x Полоса пропускания = A x BW $$

GBP измеряется в точке частоты, в которой коэффициент усиления операционного усилителя достигает единицы. Это полезно, поскольку позволяет пользователю рассчитать коэффициент усиления разомкнутого контура устройства на разных частотах. GBP операционного усилителя обычно является мерой его полезности и производительности, поскольку операционные усилители с более высоким коэффициентом полезного действия могут использоваться для достижения лучших характеристик на более высоких частотах.

Это основные параметры, которые следует учитывать при выборе операционного усилителя в вашей конструкции, но есть много других факторов, которые могут повлиять на вашу конструкцию, в зависимости от приложения и требований к производительности. Другие общие параметры включают входное напряжение смещения, шум, ток покоя и напряжения питания.

Отрицательная обратная связь и усиление с обратной связью

В операционном усилителе отрицательная обратная связь реализуется путем подачи части выходного сигнала через внешний резистор обратной связи и обратно на инвертирующий вход (см. Рисунок 3) .

Рисунок 3: Отрицательная обратная связь с инвертирующим операционным усилителем

Отрицательная обратная связь используется для стабилизации усиления. Используя отрицательную обратную связь, коэффициент усиления с обратной связью можно определить с помощью внешних компонентов обратной связи, которые могут иметь более высокую точность по сравнению с внутренними компонентами операционного усилителя. Это связано с тем, что внутренние компоненты операционного усилителя могут существенно отличаться из-за технологических сдвигов, изменений температуры, изменения напряжения и других факторов. Коэффициент усиления с обратной связью можно рассчитать с помощью уравнения (2) :

$$ \ frac {V_ {OUT}} {V_ {IN}} = \ frac 1 f $$ Операционные усилители

: преимущества и ограничения

Использование операционного усилителя дает множество преимуществ.Операционные усилители часто имеют форму ИС и широко доступны с бесчисленным количеством выбираемых уровней производительности для удовлетворения потребностей любого приложения. Операционные усилители имеют широкий диапазон применений и, как таковые, являются ключевым строительным блоком во многих аналоговых приложениях, включая конструкции фильтров, буферы напряжения, схемы компараторов и многие другие. Кроме того, большинство компаний предоставляют поддержку моделирования, такую как модели PSPICE, чтобы дизайнеры проверяли свои проекты операционных усилителей перед созданием реальных проектов.

Ограничения на использование операционных усилителей включают тот факт, что они являются аналоговыми схемами, и требуют, чтобы разработчик понимал основы аналоговой обработки, такие как нагрузка, частотная характеристика и стабильность. Нет ничего необычного в том, чтобы спроектировать, казалось бы, простую схему операционного усилителя, только чтобы включить ее и обнаружить, что она колеблется. Из-за некоторых ключевых параметров, обсужденных ранее, разработчик должен понимать, как эти параметры влияют на его дизайн, что обычно означает, что разработчик должен иметь опыт аналогового проектирования от среднего до высокого.

Топологии конфигурации операционных усилителей

Существует несколько различных схем операционного усилителя, каждая из которых отличается по функциям. Ниже описаны наиболее распространенные топологии.

Повторитель напряжения

Самая простая схема операционного усилителя — повторитель напряжения (см. Рисунок 4) . Эта схема обычно не требует внешних компонентов и обеспечивает высокий входной импеданс и низкий выходной импеданс, что делает ее полезным буфером.Поскольку входное и выходное напряжение равны, изменения на входе вызывают эквивалентные изменения выходного напряжения.

$$ V_ {OUT} = V_ {IN} $$

Рисунок 4: Повторитель напряжения

Наиболее распространенными операционными усилителями, используемыми в электронных устройствах, являются усилители напряжения, которые увеличивают величину выходного напряжения. Инвертирующая и неинвертирующая конфигурации — две наиболее распространенные конфигурации усилителей. Обе эти топологии являются замкнутыми (это означает, что существует обратная связь от выхода к входным клеммам), и, таким образом, коэффициент усиления по напряжению устанавливается соотношением двух резисторов.

Инвертирующий операционный усилитель

В инвертирующих операционных усилителях операционный усилитель заставляет отрицательную клемму равняться положительной клемме, которая обычно является землей. Следовательно, входной ток определяется соотношением V _IN / R1 (см. Рисунок 5) .

Рисунок 5: Инвертирующий операционный усилитель

В этой конфигурации такой же ток протекает через R2 к выходу. В идеале ток не течет на отрицательную клемму операционного усилителя из-за высокого уровня Z _IN.Ток, протекающий от отрицательной клеммы через R2, создает инвертированную полярность напряжения по отношению к V _IN. Вот почему эти операционные усилители имеют инвертирующую конфигурацию. Обратите внимание, что выход операционного усилителя может качаться только между положительным и отрицательным питанием, поэтому для создания отрицательного выходного напряжения требуется операционный усилитель с отрицательной шиной питания. V _OUT можно рассчитать по формуле (3) :

$$ V_ {OUT} = — \ left ({R_2} \ over {R_1} \ right) x V_ {IN} $$

Неинвертирующий операционный усилитель

В схеме неинвертирующего усилителя входной сигнал от источника подключается к неинвертирующей (+) клемме (см. Рисунок 6) .

Рисунок 6: Неинвертирующий операционный усилитель

Операционный усилитель вынуждает инвертирующее (-) напряжение на клеммах равняться входному напряжению, что создает ток, протекающий через резисторы обратной связи. Выходное напряжение всегда находится в фазе с входным напряжением, поэтому эта топология известна как неинвертирующая. Обратите внимание, что с неинвертирующим усилителем коэффициент усиления по напряжению всегда больше 1, что не всегда имеет место в инвертирующих конфигурациях. VOUT можно рассчитать по формуле (4) :

$$ V_ {OUT} = \ left (1 + \ frac {{R_2}} {R_1} \ right) x V_ {IN} $$

Компаратор напряжения

Компаратор напряжения операционного усилителя сравнивает входное напряжение и подает выход на шину питания того входа, который выше.Эта конфигурация считается операцией без обратной связи, потому что нет обратной связи. Компараторы напряжения работают намного быстрее, чем топологии с обратной связью, описанные выше (см. Рисунок 7) .

Рисунок 7: Компаратор напряжения

Как выбрать операционный усилитель для вашего приложения

В разделе ниже обсуждаются некоторые соображения при выборе подходящего операционного усилителя для вашего приложения.

Во-первых, выберите операционный усилитель, который может поддерживать ожидаемый диапазон рабочих напряжений.Эту информацию можно получить, посмотрев на напряжение источника питания усилителя. Напряжение питания, вероятно, будет либо V _DD (+) и заземлением (однополярное питание), либо усилитель может поддерживать как положительное, так и отрицательное питание. Отрицательное питание полезно, если выход должен поддерживать отрицательное напряжение.

Во-вторых, рассмотрим GBP усилителя. Если ваше приложение должно поддерживать более высокие частоты или требует более высокой производительности и уменьшения искажений, подумайте об операционных усилителях с более высоким коэффициентом полезного действия.

Следует также учитывать энергопотребление, поскольку для некоторых приложений может потребоваться работа с низким энергопотреблением. Рекомендуемые требования к питанию обычно можно найти в техническом описании детали и обычно указаны как ток питания и потребляемая мощность. Потребляемая мощность также может быть оценена как произведение тока и напряжения питания. Как правило, операционные усилители с более низкими токами питания имеют меньшее значение GBP и соответствуют более низким характеристикам схемы.

Для приложений, требующих более высокой точности, разработчик должен уделять особое внимание входному напряжению смещения усилителя, поскольку это напряжение приводит к смещению выходного напряжения усилителя.

Сводка

Операционные усилители широко используются во многих аналоговых и силовых приложениях. Преимущества использования операционного усилителя заключаются в том, что они, как правило, широко понятны, хорошо документированы и поддерживаются, а также довольно просты в использовании и внедрении. Операционные усилители полезны для многих приложений, таких как буферы напряжения, создание аналоговых фильтров и пороговых детекторов. Обладая более глубоким пониманием ключевых параметров и распространенных топологий, связанных с операционными усилителями, вы можете приступить к их внедрению в свои схемы.

_________________________

Вам это показалось интересным? Получайте ценные ресурсы прямо на свой почтовый ящик — рассылайте их раз в месяц!

Получить техническую поддержку

Операционные усилители (операционные усилители) | Analog Devices

Некоторые файлы cookie необходимы для безопасного входа в систему, но другие необязательны для функциональной деятельности. Сбор наших данных используется для улучшения наших продуктов и услуг.Мы рекомендуем вам принять наши файлы cookie, чтобы обеспечить максимальную производительность и функциональность нашего сайта. Для получения дополнительной информации вы можете просмотреть сведения о файлах cookie. Узнайте больше о нашей политике конфиденциальности.

Принять и продолжить Принять и продолжить
Файлы cookie, которые мы используем, можно разделить на следующие категории:
Строго необходимые файлы cookie:
Это файлы cookie, которые необходимы для работы analog.com или определенных предлагаемых функций.Они либо служат единственной цели передачи данных по сети, либо строго необходимы для предоставления онлайн-услуг, явно запрошенных вами.
Аналитические / рабочие файлы cookie:
Эти файлы cookie позволяют нам выполнять веб-аналитику или другие формы измерения аудитории, такие как распознавание и подсчет количества посетителей и наблюдение за тем, как посетители перемещаются по нашему веб-сайту.