Идеальный операционный усилитель: Операционные усилители – принцип действия и параметры.

Идеальный операционный усилитель » PRO-диод

08.11.2013 | Рубрика: Операционный усилитель

Понятие идеального операционного усилителя

Понятие идеального ОУ используется для упрощения анализа работы ОУ, достигаемого в предположении, что все основные его параметры идеальны. На деле идеальных ОУ не существует (иначе, они бы разрушили вселенную), но уровень параметров ОУ на сегодняшний день столь высок, что анализ идеального ОУ даёт результаты, очень близкие к реальности.

Существует два основных отличия идеального ОУ от реального. Во-первых, параметры по постоянному току, например напряжение смещения, вызывают отклонения от идеальности (для идеального ОУ напряжение смещения равно нулю). Во-вторых, параметры по переменному току, например коэффициент усиления, зависят от частоты и изменяются от больших значений на низких частотах до малых на высоких частотах.

Предположение об идеальности ОУ упрощает анализ и делает более ясным понимание работы схем на ОУ.

Прежде чем приступить к анализу работы идеального ОУ, необходимо сделать несколько допущений. Во-первых, ток, текущий через входы ОУ, принимается равным нулю. Это допущение вполне справедливо для ОУ с полевыми транзисторами на входе, у которых входные токи могут быть меньше пикоампер, но не всегда верно для высокочастотных ОУ с биполярными транзисторами на входе, у которых входные токи могут составлять десятки микроампер.

Во-вторых, коэффициент усиления ОУ предполагается бесконечно большим. Отсюда следовало бы, что выходное напряжение может достичь любого значения, но в реальности оно ограничено уровнями напряжения питания. Однако данное обстоятельство несущественно для нашего предположения, оно лишь определяет границы его применимости.

Предположение о бесконечности коэффициента усиления идеального ОУ влечёт за собой третье предположение — о том, что разность напряжений между входами ОУ равна нулю. Это означает, в частности, что если один из входов соединён, например, с землёй, то и другой вход имеет такой же потенциал. Отметим также, что нулевой входной ток ОУ означает, что входной импеданс ОУ бесконечен.

Четвёртое допущение  — это нулевое выходное сопротивление идеального ОУ У большинства реальных ОУ при малых токах нагрузки выходное сопротивление составляет доли ома, так что это допущение в большинстве случаев весьма близко к истине.

Пятое допущение касается амплитудно-частотной характеристики, которая у идеального ОУ предполагается плоской. Иными словами, коэффициент усиления не зависит от частоты сигнала. При использовании реальных ОУ на низких частотах это допущение вполне справедливо.

В таблице перечислены допущения, принятые при рассмотрении работы идеального ОУ, а на рис. 1 показана эквивалентная схема идеального ОУ.

Параметр	Символ	Значение
Входной ток	IIN, IB
Напряжение смещения нуля	VOS
Входное сопротивление	ZIN	∞
Выходное сопротивление	ZOUT
Коэффициент усиления	a	∞

Схема идеального ОУ

В следующих статьях будут рассмотрены основные схемы на идеальном ОУ.

Метки:: Операционный усилитель

Идеальный операционный усилитель. OrCAD PSpice. Анализ электрических цепей

Идеальный операционный усилитель. OrCAD PSpice. Анализ электрических цепей

ВикиЧтение

OrCAD PSpice. Анализ электрических цепей
Кеоун Дж.

Содержание

Идеальный операционный усилитель

Идеальный ОУ будет смоделирован для PSpice как усилитель с высоким входным сопротивлением, нулевым выходным сопротивлением и высоким коэффициентом усиления по напряжению. Типичные значения этих параметров показаны на рис. 5.1, где R_i=1 ГОм; А=200000 и v₀=A(v₂–v₁). Обратите внимание, что напряжение v₁ относится к инвертирующему входу, a v₂ — к неинвертирующему. Эта модель будет служить для анализа на постоянном токе и при низкой частоте. При необходимости мы будем изменять модель, учитывая другие свойства ОУ.

Рис. 5.1. Идеальный операционный усилитель

Хотя в применении PSpice для анализа простых схем на ОУ нет необходимости, желательно посмотреть, какую информацию дает программа даже в этих ситуациях. Имеются также некоторые ограничения, которые заслуживают нашего внимания. 

На рис. 5.2, а показана схема включения ОУ с использованием отрицательной обратной связи по напряжению. Резистор обратной связи R₂ включен между выходом и инвертирующим входом, при этом неинвертирующий вход заземлен. На рис. 5.2, б приведен вариант такой схемы для PSpice.

(а)

(b)

Рис. 5.2. Усилитель с отрицательной обратной связью по напряжению на базе идеального ОУ: а) схема усилителя; б) модель усилителя для PSpice

Входной файл для анализа схемы:

Ideal Operational Amplifier

VS 1 0 1V

E 3 0 0 2 200ЕЗ

R1 2 0 1G

R1 1 2 1k

R2 3 2 10k

. OP

.OPT nopage

.TF V(3) VS

.END

Проведите анализ и рассмотрите результаты, полученные в выходном файле. Убедитесь, что V(3)/VS=-9,999. Коэффициент усиления очень близок к -10 и может быть приближенно аппроксимирован выражением

v₀/v_s=–R₂/R₁. Используя метод узловых потенциалов, запишите уравнения, необходимые, чтобы получить значение v₀/v_s. Убедитесь, что результаты зависят от значения А и что аппроксимация верна только тогда, когда А приближается к бесконечному значению.

В результате анализа должно получиться значение входного сопротивления R_in=1 кОм. Можете вы это объяснить? Не забудьте, что мы можем считать оба входа ОУ заземленными, и при этом входное сопротивление оказывается равным R₁.

Данный текст является ознакомительным фрагментом.

Усилитель с общим эмиттером и шунтирующим конденсатором

Усилитель с общим эмиттером и шунтирующим конденсатором Обычно в усилителе с общим эмиттером (ОЭ) используют шунтирующий конденсатор, подобный Се на рис. 4.5, включенный параллельно Re, что позволяет увеличить коэффициент усиления по напряжению. Проблема состоит в том,

Усилитель с общим эмиттером с параллельной обратной связью по напряжению

Усилитель с общим эмиттером с параллельной обратной связью по напряжению В качестве примера, относящегося уже не к колебательному контуру, а к усилителю, на рис. 4.18 показана упрощенная гибридная ?-модель для усилителя ОЭ с параллельной обратной связью по напряжению. Рис.

Трехкаскадный усилитель с параллельной обратной связью по напряжению

Трехкаскадный усилитель с параллельной обратной связью по напряжению Теперь рассмотрим более значительное изменение.

Включим резистор обратной связи Rf=5 кОм между узлами 8 и 2 (то есть между коллектором последнего и базой первого каскадов). Это приведет к созданию

Неинвертирующий идеальный операционный усилитель

Неинвертирующий идеальный операционный усилитель На рис. 5.3 показана другая простая схема на ОУ. В ней напряжение vs подключено к неинвертирующему (+) входу. На рис. 5.4 показана модель и приведены параметры элементов. Рис. 5.3. Неинвертирующий усилитель на базе идеального

Операционный усилитель с дифференциальным входом

Операционный усилитель с дифференциальным входом Если входной сигнал подается между инвертирующим и неинвертирующим входами, на выходе ОУ получается усиленная разность входных напряжений. Чтобы упростить анализ, примем, что на рис. 5.5 Ri=R3=5 кОм и R2=R4=10 кОм. Модель PSpice для

Усилитель с общим эмиттером с нешунтированным эмиттерным резистором

Усилитель с общим эмиттером с нешунтированным эмиттерным резистором Когда усилитель ОЭ использует эмиттерный резистор, не шунтированный конденсатором, коэффициент усиления по напряжению схемы уменьшается, зато улучшается частотная характеристика. Схема с

Усилитель без эмиттерного конденсатора

Усилитель без эмиттерного конденсатора Обратимся к рис. 10.13, где приведена схема без СЕ. Входной файл для анализа: Phase Relations in СЕ AmplifierVCC 4 0 12VR1 4 1 40kR2 1 0 5kRC 4 2 1kRE 3 0 100Rs 6 5 100RB 1 1A 0.01C1 5 1 15uFQ1 2 1A 3 BJT.MODEL BJT NPN (BF=80)vs 6 0 sin (0 10mV 5kHz).TRAN 0.02ms 0.2ms.PROBE.END Проведите анализ и получите в Probe графики

Усилитель с эмиттерным конденсатором

Усилитель с эмиттерным конденсатором Однако обычно усилитель работает с конденсатором СЕ, подключенным параллельно RЕ. Давайте снова вставим во входной файл исключенную строкуСЕ 3 0 10uFи заново выполним анализ. Получите в Probe только график напряжения на эмиттере,

12.5. МОП-транзисторный усилитель как усилитель постоянного напряжения

12. 5. МОП-транзисторный усилитель как усилитель постоянного напряжения Входной фильтр выходного МОП-транзисторного каскада, состоящий из R3, R4, С2 и С3, образует полосовой фильтр. Он настроен таким образом, что подходит для любых источников низкочастотных сигналов

Идеальный тренер

Идеальный тренер Как надежный слуга, редактор Visual Basic постоянно (но ненавязчиво) проверяет и подправляет вашу работу следующим образом.* Если вы напечатаете одну строку программного кода с отступом, тот же отступ автоматически будет установлен и для следующих строк (это

Идеальный любитель

Идеальный любитель Что нужно для полного счастья обычному фотолюбителю? Нужно, чтобы с фотоаппаратом было просто обращаться, нужно, чтобы он позволял легко искать и компоновать кадр, быстро подправлять вручную некоторые основные настройки, а главное – чтобы по

Голубятня: Идеальный мобильный звук.

Часть первая Сергей Голубицкий

Голубятня: Идеальный мобильный звук. Часть первая Сергей Голубицкий Опубликовано 07 февраля 2012 года Сегодня — первая часть давно обещанного видеорассказа о самом восхитительном «железном» моем открытии не только 2011 года, но, пожалуй, и последнего

Идеальный журнал

Идеальный журнал LinuxFormat, #78 (апрель 2006)Традиционно «толстые» компьютерные журналы разделяются на две части: блок новостей и, так сказать, «тело» журнала – собственно материалы номера. Оправдана ли такая организация в век тотальной интернетизации? В век, когда все, имеющие

Идеальный компьютер для Adobe Creative Suite

Идеальный компьютер для Adobe Creative Suite Дэниел С. Эванс За время, прошедшее после выпуска Adobe Creative Suite, этот программный комплекс успел получить немало хвалебных отзывов, в том числе и от сотрудников редакции PC Magazine. Это отличный продукт при условии, что вы располагаете

Что такое идеальный операционный усилитель? | Toshiba Electronic Devices & Storage Corporation

Эта страница частично использует JavaScript. Эта страница может работать неправильно, если эти функции не поддерживаются вашим браузером или настройка отключена.​
Пожалуйста, ищите необходимую информацию на следующих страницах:

Обычно желательно, чтобы усилители не влияли ни на предшествующую цепь, ни на последующую цепь.
Поэтому усилители должны иметь высокое входное сопротивление и низкое выходное сопротивление.
Операционные усилители имеют характеристики, близкие к этим требованиям. Далее сравниваются идеальные и реальные операционные усилители:

Хотя идеального операционного усилителя не существует, вы можете предположить его идеальный операционный усилитель на ранней стадии проектирования.
Однако вы должны учитывать различия между идеальными и реальными операционными усилителями, когда переходите к стадии детального проектирования.
Например, если входное сопротивление операционного усилителя низкое, его входное напряжение получается из входного сопротивления этого операционного усилителя и выходного сопротивления предыдущего устройства. Низкий входной импеданс операционного усилителя также влияет на его петлю обратной связи.
Если выходное сопротивление операционного усилителя не равно нулю, его выходное напряжение получается из выходного сопротивления этого операционного усилителя и импеданса его нагрузки.

Однако в типичных приложениях входной импеданс операционного усилителя пренебрежимо велик по сравнению с входным импедансом предыдущей схемы, а выходной импеданс пренебрежимо мал по сравнению с импедансом последующей нагрузки. Поэтому эти импедансы обычно не оказывают существенного влияния. То же самое относится и к другим параметрам, показанным выше.
Учитывайте их влияние при создании детального проекта.

Следующие документы также содержат соответствующую информацию:

Замечания по применению
Основы операционных усилителей и компараторов

Часто задаваемые вопросы
Почему обратная связь используется в операционных усилителях?
Что такое коэффициенты усиления без обратной связи и обратной связи операционного усилителя?
Для чего используется дифференциальный усилитель? (Коэффициент подавления синфазного сигнала: CMRR)
Каково входное напряжение смещения операционного усилителя?
На какой максимальной частоте можно использовать операционный усилитель?
Можно ли как-то усилить сигнал с напряжением, близким к уровню питания?
Какие типы шума влияют на операционный усилитель?
Есть ли соображения по использованию операционного усилителя при низком напряжении?
Какое синфазное входное напряжение операционного усилителя?
Что означает железнодорожное сообщение?

Веб-страница продукта
Операционные усилители и компараторы

Списки продуктов
ИС операционных усилителей и компараторов
Полный диапазон ввода и вывода
Низкое входное напряжение смещения
Низкий уровень шума

Откроется новое окно

Идеальный операционный усилитель | Характеристики

Идеальный операционный усилитель представляет собой усилитель, усиливающий разницу между двумя входными сигналами. В своей базовой форме операционный усилитель представляет собой не что иное, как дифференциальный усилитель. Чтобы понять идеальные характеристики операционного усилителя, давайте обсудим работу идеального дифференциального усилителя, который является основным строительным блоком операционного усилителя.

Идеальный дифференциальный усилитель:

Дифференциальный усилитель усиливает разницу между двумя входными сигналами напряжения. Поэтому его также называют дифференциальным усилителем .

Рассмотрим идеальный дифференциальный усилитель, показанный на рис. 2.4 выше. V ₁ и V ₂ — это два входных сигнала, а V _или — несимметричный выход. Каждый сигнал измеряется относительно земли. В идеальном дифференциальном усилителе выходное напряжение V _или пропорционально разнице между двумя входными сигналами. Следовательно, мы можем написать,

Дифференциальное усиление A _d :

Из уравнения (1) мы можем написать,

, где A _d – константа пропорциональности. A _d — коэффициент усиления, с которым дифференциальный усилитель усиливает разницу между двумя входными сигналами. Следовательно, он называется дифференциальным коэффициентом усиления дифференциального усилителя.

Таким образом,

A _d = дифференциальное усиление

Разность между двумя входами (V ₁ — V ₂ ) обычно называется разностью напряжением и обозначается как 65 906 90 d 90.

Следовательно, дифференциальное усиление может быть выражено как

Обычно дифференциальное усиление выражается в децибелах (дБ) как

Синфазное усиление A входные напряжения, которые во всех отношениях равны дифференциальному усилителю, т. е. V ₁ = V ₂ , тогда в идеале выходное напряжение V _o = (V ₁  – V ₂ )A _d должно быть равно нулю. Но выходное напряжение практического дифференциального усилителя зависит не только от разности напряжений, но и от среднего общего уровня двух входов. Такой средний уровень двух входных сигналов называется синфазным сигналом и обозначается как V _c .

На практике дифференциальный усилитель также создает выходное напряжение, пропорциональное такому синфазному сигналу. Коэффициент усиления, с которым он усиливает синфазный сигнал для получения выходного сигнала, называется 9.0055 синфазное усиление дифференциального усилителя, обозначенное как A _c .

Таким образом, существует некоторый конечный выход для V ₁ = V ₂ из-за такого коэффициента усиления синфазного сигнала A _c в случае практических дифференциальных усилителей. Таким образом, общий выход любого дифференциального усилителя может быть выражен как

. Это показывает, что если на одном входе + 25 мкВ, а на другом – 25 мкВ, то выход усилителя не будет таким же, а на входах 600 мкВ. и 650 мкВ, хотя разница между двумя наборами входов составляет 50 мкВ.

Для идеального дифференциального усилителя дифференциальное усиление A _d должно быть бесконечным, а синфазное усиление должно быть равно нулю. Это обеспечивает нулевой выход для V ₁ = V ₂ . Но из-за несоответствия во внутренней схеме имеется некоторый выходной сигнал для V ₁ = V ₂ , а усиление A _c практически не равно нулю. Значение такого синфазного усиления A _c очень мало, в то время как значение дифференциального усиления A _d всегда очень большой. На этом этапе мы можем определить один важный параметр дифференциального усилителя, известный как коэффициент подавления синфазного сигнала (CMRR).

Коэффициент ослабления синфазного сигнала (CMRR):

Когда на оба входа подается одинаковое напряжение, говорят, что дифференциальный усилитель работает в синфазной конфигурации. Многие сигналы помех, шумовые сигналы появляются как общий входной сигнал на обоих входах дифференциального усилителя. Такой общий сигнал должен подавляться дифференциальным усилителем.

Способность дифференциального усилителя подавлять синфазный сигнал выражается отношением, называемым коэффициентом подавления синфазного сигнала , обозначаемым как CMRR или ρ.

Определяется как отношение коэффициента усиления дифференциального напряжения A _d к коэффициенту усиления синфазного напряжения A _c .

В идеале усиление синфазного напряжения равно нулю, следовательно, идеальное значение CMRR бесконечно. Для практического дифференциального усилителя A _d большой и A _c мало, поэтому значение CMRR также очень велико.

Во многих случаях CMRR также выражается в дБ, например

Идеальные характеристики операционного усилителя:

На основе идеального дифференциального усилителя и CMRR давайте изучим идеальные характеристики операционного усилителя.

На рис. 2.6 выше показан идеальный операционный усилитель. Он имеет два входных сигнала V ₁ и V ₂ , подаваемых на неинвертирующие и инвертирующие клеммы соответственно.

Для идеального операционного усилителя, показанного на рис. 2.6, можно наблюдать следующее.

• Идеальный операционный усилитель не потребляет ток на обеих входных клеммах, т. е. I ₁  = I ₂  =0. Таким образом, его входное сопротивление бесконечно. Любой источник может управлять им, и на этапе драйвера нет нагрузки.
• Коэффициент усиления идеального операционного усилителя бесконечен (∞), поэтому дифференциальный вход V _d  = V ₁  – V ₂ практически равен нулю для конечного выходного напряжения V _или .
• Выходное напряжение В _или не зависит от тока, потребляемого с выходных клемм. Таким образом, его выходное сопротивление равно нулю, и, следовательно, выход может управлять бесконечным числом других цепей.

Эти свойства обычно выражаются как характеристики идеального операционного усилителя. Различные характеристики идеального операционного усилителя:

Бесконечный коэффициент усиления по напряжению: Обозначается как A _OL . Это дифференциальное усиление без обратной связи, и оно бесконечно для идеального операционного усилителя.

Бесконечное входное сопротивление: Входное сопротивление обозначается как R _в и бесконечно для идеального операционного усилителя. Это гарантирует, что ток не может течь в идеальный операционный усилитель.

Нулевой выходной импеданс: Выходной импеданс обозначается как R _или и равен нулю для идеального операционного усилителя. Это гарантирует, что выходное напряжение операционного усилителя остается одинаковым, независимо от значения сопротивления подключенной нагрузки

Напряжение нулевого смещения: Наличие небольшого выходного напряжения, хотя В ₁  = В ₂  = 0, называется напряжением смещения. Для идеального операционного усилителя он равен нулю. Это гарантирует нулевой выход для нулевого напряжения входного сигнала.

Бесконечная полоса пропускания : Диапазон частот, в котором работа усилителя является удовлетворительной, называется полосой пропускания . Полоса пропускания идеального операционного усилителя бесконечна. Это означает, что диапазон рабочих частот составляет от 0 до ∞. Это гарантирует, что коэффициент усиления операционного усилителя будет постоянным в диапазоне частот от постоянного тока до (нулевая частота) до бесконечной частоты. Таким образом, операционный усилитель может усиливать постоянный ток. а также а.с. сигналы.

Бесконечный КОСС : Отношение дифференциального усиления к синфазному усилению определяется как КОСС. Таким образом, бесконечный CMRR идеального операционного усилителя обеспечивает нулевое усиление синфазного сигнала. Из-за этого синфазного шума выходное напряжение равно нулю для идеального операционного усилителя.

Бесконечная скорость нарастания: Это гарантирует, что изменения выходного напряжения происходят одновременно с изменениями входного напряжения.

Скорость нарастания является важным параметром идеального операционного усилителя. Когда приложенное входное напряжение является ступенчатым, которое изменяется мгновенно, выходное напряжение также должно быстро изменяться при изменении входного сигнала. Если выходные данные не изменяются с той же скоростью, что и входные, то в выходных данных возникают искажения. Такое искажение нежелательно. Бесконечная скорость нарастания указывает на то, что выходное напряжение изменяется одновременно с изменением входного напряжения.

Скорость нарастания параметра фактически определяется как максимальная скорость изменения выходного напряжения во времени и   выражается в В/мкс.

Идеальное значение для операционного усилителя бесконечно.