Операционный усилитель принцип работы: Операционный усилитель, принцип работы для чайников!

Операционный усилитель, принцип работы для чайников!

Приветствую вас дорогие друзья! Вот наконец добрался я  до своего компьютера,  приготовил себе чайку с печеньками  и понеслась…

Для тех кто впервые на моем блоге и не совсем понимает что здесь происходит спешу напомнить, меня зовут Владимир Васильев и на этих страницах я делюсь со своими читателями сакральными знаниями из области электроники и не только электроники. Так что может быть и вы здесь найдете  для себя что-то полезное, по крайней мере я на это надеюсь.  Обязательно подпишитесь, тогда вы ничего не пропустите.

А сегодня речь пойдет о таком электронном устройстве как операционный усилитель.  Эти усилители   применяются повсеместно, везде где требуется усилить сигнал по мощности найдется работенка для операционника.

Особенно распространено применение  операционных усилителей в аудиотехнике. Каждый аудиофилл стремится усилить звучание своих музыкальных колонок и поэтому старается прикрутить усилитель по мощнее.

Вот здесь мы и сталкиваемся с операционными усилителями,  ведь многие аудиосистемы просто нашпигованы ими.  Благодаря  свойству операционного усилителя усиливать сигнал по мощности мы ощущаем более мощное давление на свои барабанные перепонки когда слушаем композиции на своих аудио колонках. Вот так вот в быту мы оцениваем  качество работы операционного усилителя  на слух.

В  этой статье на слух мы оценивать ничего не будем но постараемся рассмотреть все детально и  разложим все по полочкам чтобы стало понятно даже самому самоварному чайнику .

---

[contents]

---

Что такое операционный усилитель ?

Операционные усилители представляют собой микросхемы которые могут выглядеть по-разному.

Например на этой картинке изображены два операционных усилителя российского производства. Слева операционный усилитель К544УД2АР в  пластмассовом DIP корпусе а справа изображен операционник в металлическом  корпусе.

По началу, до знакомства с операционниками,     микросхемы в таких металлических корпусах я постоянно путал с транзисторами.  Думал что это такие хитромудрые  многоэмиттерные транзисторы 🙂

Условное графическое обозначение (УГО)

Условное обозначение операционного усилителя выглядит следующим образом.

Итак  операционный усилитель (ОУ) имеет два входа и один выход. Также имеются выводы для подключения питания но на условных графических обозначениях их обычно не указывают.

Для такого усилителя есть два правила которые помогут понять принцип работы:

 

1. Выход операционника стремится к тому, чтобы разность напряжений на его входах была равна нулю
2. Входы операционного усилителя ток не потребляют

Вход 1  обозначается знаком «+»  и называется неинвертирующим а вход 2 обозначается как «-» и является инвертирующим.

Входы операционника обладают высоким входным сопротивлением или иначе говорят высоким импедансом.

Это говорит о том, что  входы операционного усилителя ток почти не потребляют (буквально какие-то наноамперы). Усилитель просто оценивает величину напряжений на входах и в зависимости от этого выдает сигнал на выходе усиливая его.

Коэффициент усиления операционного усилителя имеет просто огромное значение,  может достигать миллиона, а это очень большое значение!  Значит это то, что если мы ко входу приложим небольшое напряжение, хотябы 1 мВ, то на выходе  получим сразу максимум,  напряжение почти равное напряжению источника питания ОУ. Из-за этого свойства операционники практически никогда не используют без обратной связи (ОС). Действительно какой смысл во входном сигнале если на выходе мы всегда получим максимальное напряжение, но об этом поговорим чуть позже.

Входы ОУ работают так, что если величина на неинвертирующем входе окажется больше чем на инвертирующем, то на выходе будет  максимальное положительное значение +15В. Если на инвертирующем входе величина напряжения  окажется более положительной то  на выходе будем наблюдать максимум отрицательной величины, где-то -15В.

Действительно операционный усилитель может выдавать значения напряжений как положительной так и отрицательной полярности. У новичка может возникнуть вопрос о том как же такое возможно? Но такое действительно возможно и это связано с применением источника питания с расщепленным  напряжением, так называемым двуполярным питанием. Давайте рассмотрим питание операционника чуток подробнее.

Правильное питание ОУ

Наверное не будет секретом, что для того, чтобы операционник работал, его нужно запитать, т.е. подключить его к источнику питания. Но есть интересный момент, как мы убедились чуток ранее операционный усилитель может выдавать на выход напряжения как положительной так и отрицательной полярности. Как такое может быть?

А такое быть может! Это связано с применением двуполярного источника питания, конечно возможно использование и однополярного источника но в этом случае возможности операционного усилителя будут ограничены.

Вообще в работе с источниками питания многое зависит от того что мы взяли за точку отсчета т.е. за 0 (ноль). Давайте с этим разберемся.

Пример на батарейках

 Обычно примеры проще всего приводить на пальцах но  в электронике думаю подойдут и пальчиковые батарейки 🙂

Допустим у нас есть обычная пальчиковая батарейка (батарейка типа АА). У нее есть два полюса плюсовой и минусовой. Когда минусовой полюс мы принимаем за ноль, считаем нулевой точкой отсчета то соответственно плюсовой полюс батарейки будет у нас показывать + 5В (значение с плюсом).

Это мы можем увидеть с помощью мультиметра (кстати статья про мультиметры в помощь), достаточно подключить   минусовой черный щуп к минусу батарейки а красный щуп к плюсу и вуаля. Здесь все просто и логично.

Теперь немножко усложним задачу и возьмем точно такую же вторую батарейку. Подключим батарейки последовательно и  рассмотрим как меняются показания измерительных приборов (мультиметров или вольтметров) в зависимости от различных точек приложения щупов.

Если мы за ноль приняли минусовой полюс крайней батарейки  а измеряющий щуп подключим к плюсу батарейки то  мультиметр нам покажет значение в +10 В.

Если за точку отсчета будет принят положительный полюс батарейки а измеряющий щуп был подключен к минусу то любой вольтметр нам покажет -10 В.

Но если за точку отсчета будет принята точка между двумя батарейками то в результате мы сможем плучить простой источник двуполярного питания.

И вы можете в этом убедиться, мультиметр нам подтвердит что так оно и есть. У нас в наличии   будет напряжение как положительной полярности +5В так и  напряжение отрицательной полярности -5В.

Схемы источников двуполярного питания

Примеры на батарейках я привел для примера, чтобы было более понятно. Теперь давайте рассмотрим несколько примеров  простых схем источников расщепленного питания которые можно применять в своих радиолюбительских конструкциях.

Схема с трансформатором,  с отводом от «средней» точки

И первая схема источника питания для ОУ перед вами. Она достаточно простая но я немножко поясню принцип ее работы.

Схема питается от привычной нам домашней  сети  поэтому нет ничего удивительного что на первичную обмотку трансформатора приходит переменный ток в 220В. Затем трансформатор преобразует переменный ток 220В в такой же переменный но уже в 30В. Вот такую  вот нам захотелось произвести трансформацию.

Да на вторичной обмотке будет переменное напряжение в 30В но обратите внимание на отвод от средней точки вторичной обмотки.

На вторичной обмотке сделано ответвление, причем количество витков до этого ответвления равно числу витков после ответвления.

Благодаря этому ответвлению мы можем получить на выходе вторичной обмотки переменное напряжение как в 30 В так и переменку в 15В. Это знание мы берем на вооружение.

Далее нам нужно переменку выпрямить и превратить в постоянку поэтому диодный мост нам в помощь. Диодный мост с этой задачей справился и на выходе мы получили не очень стабильную постоянку в 30В. Это напряжение будет нам показывать мультиметр если  мы подключим шупы к выходу диодного моста, но нам нужно помнить про ответвление на вторичной обмотке.

Это ответвление мы ведем далее и подключаем между электролитическими конденсаторами и затем между следующией парой высокочастотных кондерчиков. Чего мы этим добились?

Мы добились нулевой точки отсчета между полюсами потенциалов положительной и отрицательной полярности. В результате на выходе мы имеем достаточно стабильное  напряжение как +15В так и -15В.

Эту схему конечно можно еще более улучшить если добавить стабилитроны или интегральные стабилизаторы но тем не менее приведенная схема уже вполне может справиться с задачей питания операционных усилителей.

Схема с двумя диодными мостами

Эта схема на мой взгляд проще, проще в том ключе, что нет необходимости искать трансформатор с ответвлением от середины или формировать вторичную обмотку самостоятельно. Но здесь придется раскошелиться на второй диодный мост.

Диодные мосты включены так, что положительный потенциал формируется с катодов диодиков первого моста, а отрицательный потенциал выходит с анодов диодов второго моста.  Здесь нулевая точка отсчета выводится между  двумя мостами. Упомяну также, что здесь используются разделительные конденсаторы, они оберегают один диодный мост от воздействий со стороны второго.

Эта схема также легко подвергается различным улучшениям, но самое главное она решает основную задачу — с помощью нее можно запитать операционный усилитель.

Обратная связь ОУ

Как я уже упоминал операционные усилители почти всегда используют с обратной связью (ОС). Но что представляет собой обратная связь и для чего она нужна? Попробуем с этим разобраться.

С обратной связью мы сталкиваемся постоянно: когда хотим налить в кружку чая или даже сходить в туалет по малой нужде 🙂 Когда человек управляет автомобилем или велосипедом то здесь также работает обратная связь. Ведь для того, чтобы ехать легко и непринужденно  мы вынуждены постоянно контролировать управление в зависимости от различных факторов: ситуации на дороге, технического состояния средства передвижения и так далее.

Если на дороге стало скользко ? Ага мы среагировали, сделали коррекцию и дальше двигаемся более осторожно.

В операционном усилителе все происходит подобным образом.

Без обратной связи при подаче на вход определенного сигнала на выходе мы всегда получим одно и тоже значение напряжения. Оно будет близко напряжению питания (так как коэффициент усиления очень большой). Мы не контролируем выходной сигнал. Но если часть сигнала с выхода мы отправим обратно на вход то что это даст?

Мы сможем контролировать выходное напряжение. Это управление будет на столько эффективным, что можно просто забыть про коэффициент усиления, операционник  станет послушным и предсказуемым потому что его поведение будет зависеть лишь от обратной связи. Далее я расскажу как можно эффективно управлять выходным сигналом  и как его контролировать, но для этого нам нужно знать некоторые детали.

Положительная обратная связь,  отрицательная обратная связь

Да, в  операционных усилителях применяют обратную связь и очень широко. Но обратная связь   может быть как положительной так и отрицательной. Надо бы разобраться в чем суть.

Положительная обратная связь это когда часть выходного сигнала поступает обратно на вход причем она (часть выходного) суммируется с входным.

Положительная обратная связь в операционниках применяется не так широко как отрицательная. Более того положительная обратная связь чаще бывает нежелательным побочным явлением некоторых схем и положительной связи стараются избегать.  Она является нежелательной потому, что эта связь может усиливать искажения в схеме и в итоге привести к нестабильности.

С другой стороны положительная обратная связь не уменьшает коэффициент усиления операционного усилителя что бывает полезно. А нестабильность также находит свое применение в компараторах, которые  используют в АЦП (Аналого-цифровых преобразователях).

Отрицательная обратная связь это такая связь когда часть выходного сигнала поступает обратно на вход но при этом она вычитается из входного

А вот отрицательная обратная связь просто создана для операционных усилителей. Несмотря на то, что она способствует некоторому ослаблению коэффициента усиления, она приносит в схему стабильность и управляемость.  В результате схема становится независимой от коэффициента усиления, ее свойства полностью управляются отрицательной обратной связью.

При использовании отрицательной обратной связи операционный усилитель приобретает одно очень полезное свойство. Операционник контролирует состояния своих входов и стремится к тому, потенциалы на его входах были равны. ОУ подстраивает свое выходное напряжение так, чтобы результирующий входной потенциал (разность Вх.1 и Вх.2) был нулевым.

Подавляющая часть схем на операционниках строится с применением отрицательной обратной связи! Так что для того чтобы разобраться как работает отрицательная связь нам нужно рассмотреть схемы включения ОУ.

Схемы включения операционных усилителей

Схемы включения операционных усилителей могут быть весьма разнообразны поэтому мне врятля удастся  рассказать о каждой но  я постараюсь рассмотреть основные.

Компаратор на ОУ

Формулы для  компараторной схемы будут следующие:

Т.е. в результате будет напряжение соответствующее логической единице.

Т.е. в результате будет напряжение соответствующее логическому нулю.

Схема компаратора обладает высоким входным сопротивлением (импедансом) и низким выходным.

Рассмотрим для начала вот такую схему включения  операционника  в режиме компаратора.  Эта схема включения лишена обратной связи.  Такие схемы применяются в цифровой схемотехнике когда нужно оценить сигналы на входе, выяснить какой больше  и выдать результат в цифровой форме. В итоге на выходе будет логическая 1 или логический ноль (к примеру 5В это 1 а 0В это ноль).

Допустим  напряжение стабилизации стабилитрона  5В,  на вход один мы приложили 3В а к входу 2 мы приложили 1В. Далее в компараторе происходит следующее, напряжение на прямом входе 1  используется как есть (просто потому что это неинвертирующий вход) а напряжение на инверсном входе 2 инвертируется. В результате где было 3В так и остается 3В а где был 1В будет -1В.

В результате 3В-1В =2В, но благодаря коэффициенту усиления операционника на выход пойдет напряжение равное напряжению источника питания, т.е. порядка 15В. Но стабилитрон отработает и на выход пойдет 5В что соответствует логической единице.

Теперь представили, что на вход 2 мы кинули 3В а на вход 1 приложили 1В. Операционник все это прожует, прямой вход оставит без изменений, а инверсный (инвертирующий)  изменит на противоположный  из 3В сделает -3В.

В результате 1В-3В=-2В, но согласно логике работы на выход пойдет минус источника питания т.е. -15В. Но у нас стоит стабилитрон и он это не пропустит и на выходе у нас будет величина близкая нулю. Это и будет логический ноль для цифровой схемы.

Триггер Шмитта на ОУ

Чуть ранее мы рассматривали такую схему включения ОУ как компаратор. В компараторе сравниваются два напряжения на входе и выдается результат на выходе. Но чтобы сравнивать входное напряжение с нулем нужно воспользоваться схемой представленной чуть выше.

Здесь сигнал подается на инвертирующий вход а прямой вход посажен на землю, на ноль.

Если на входе у нас напряжение больше нуля то на выходе будем иметь  -15В. Если напряжение меньше нуля то на выходе будет+15В.

Но что случится если мы захотим подать напряжение равное нулю? Такое напряжение никогда не получится сделать, ведь идеального нуля не бывает и сигнал на входе хоть на доли микровольт но обязательно будет меняться в ту или другую сторону.  В результате на выходе будут полный хаос, выходное напряжение будет многократно скакать  максимума до минимума что на практике совершенно не удобно.

Для избавления от подобного хаоса вводит гистерезист — это некий зазор в пределах которого сигнал на выходе не будет меняться.

Этот зазор позволяет реализовать данная схема посредством положительной обратной связи.

Представим, что на вход мы подали 5В , на выходе в первое мгновение получится сигнал напряжением в -15В. Далее начинает отрабатывать положительная обратная связь.  Обратная связь образует делитель напряжения в результате чего на прямом входе операционника появится напряжение -1,36В.

На инверсном входе у нас сигнал более положительный поэтому  операционный усилитель отработает следующим образом.  Внутри него сигнал в 5В инвертируется и становится -5В, далее два сигнала складываются и получается отрицательное значение. Отрицательное значение благодаря коэффициенту усиления станет -15В. Сигнал на выходе не изменится пока сигнал на входе не опустится менее -1,36В.

Пусть сигнал на входе изменился и стал -2В. В нутрях это -2В инвертируется и станет +2В, а -1,36В как был так и останется. Далее все это складывается и получается положительное значение которое на выходе превратится в +15В.  На прямом входе значение -1,36В благодаря обратной связи превратится в +1,36В. Теперь чтобы изменить значение на выходе на противоположное нужно подать сигнал более 1,36В.

Таким образом у нас появилась зона с нулевой чувствительностью с диапазоном от -1,36В до +1,36В. Такая зона нечувствительности носит название гистерезис.

Повторитель

Наиболее простой обладатель отрицательной обратной связи это повторитель.

Повторитель выдает на выходе то напряжение, которое было подано на его вход. Казалось бы для чего  это нужно ведь от этого ничего не меняется. Но в этом есть смысл, ведь вспомним свойство операционника, он обладает высоким входным сопротивлением и низким выходным. В схемах повторители выступают в роли буфера, который оберегает от перегрузок хилые выходы.

Чтобы понять как он работает отмотаете чуток назад, там где мы обсуждали отрицательную обратную связь. Там я упоминал, что в случае с отрицательной обратной связью операционник всеми возможными способами стремится к равному потенциалу по своим входам.  Для этого он подстраивает напряжение на своем выходе так, чтобы разность потенциалов на его входах равнялась нулю.

Так допустим на входе у нас 1В. Чтобы потенциалы на входах были раны на инвертирующем входе должен быть также 1В. На то  он и повторитель.

Неинвертирующий усилитель

Схема неинвертирующего усилителя очень похожа на схему повторителя, только здесь обратная связь представлена делителем напряжения и посажена на землю.

Посмотрим как все это работает. Допустим на вход подано 5В, резистор R1 = 10Ом, резистор R2 = 10Ом. Чтобы напряжение на входах были равны, операционник вынужден поднять напряжение на выходе так, чтобы потенциал на инверсном входе сравнялся с прямым. В данном случае делитель напряжения делит пополам, получается, что напряжение на выходе должно быть  в два раза больше напряжения на входе.

Вообще чтобы применять эту схему включения даже не нужно  ничего ворошить в голове, достаточно воспользоваться формулой, где достаточно узнать коэффициент К.

Инвертирующий усилитель

И сейчас мы рассмотрим работу такой схемы включения как инвертирующий усилитель.  Для инвертирующего усилителя  есть такие формулы:

Инвертирующий усилитель позволяет усиливать сигнал одновременно инвертируя (меняя знак ) его . Причем коэффициент усиления мы можем задать любой. Этот коэффициент усиления мы формируем посредством отрицательной обратной связи, которая представляет собой делитель напряжения.

Теперь попробуем его в работе, допустим на входе у нас сигнал в 1В, резистор R2 = 100Ом, резистор R1 = 10Ом. Сигнал со входа идет через R1, затем R2  и на выход.  Допустим сигнал на выходе невероятным образом стал 0В. Рассчитаем делитель напряжения.

1В/110=Х/100, отсюда Х = 0,91В

Получается что в точке А потенциал равен 0,91В,  но это противоречит правилу операционного усилителя. Ведь операционник стремится уравнять потенциалы на своих входах. Поэтому потенциал в точке А будет равен нулю и равен потенциалу в точке B.

Как сделать так чтобы на входе был 1В а в точке А  был 0В?

Для этого нужно уменьшать напряжение на выходе.  И в результате мы получаем

 

К сожалению инвертирующий усилитель обладает одним явным недостатком — низким входным сопротивлением, которое равняется резистору R1.

Сумматор инвертирующий

 

А эта схема включения позволяет складывать множество входных напряжений. Причем напряжения могут быть как положительными так и отрицательными. По истине на операционниках можно строить аналоговые компьютеры. Так чтож давайте разбираться.

Основой сумматора служит все тот же инвертирующий усилитель только с одним отличием, вместо одного входа он может иметь этих входов сколько угодно. Вспомним формулку и инвертирующего усилка.Потенциал точки Х будет равен нулю поэтому сумма токов входящих с каждого входа будет выглядеть вот так:Если нашей целью является чистое сложение входных напряжений то все резисторы в этой схеме выбираются одного номинала.  Это приводит также что коэффициент усиления для каждого входа будет равен 1. Тогда формула для инвертирующего усилителя принимает вид: 

Ну чтож, я думаю что с работой сумматора и других схем включения на операционниках разобраться не трудно. Достаточно немножко попрактиковаться и попробовать собрать эти схемы и посмотреть что происходит с входными и выходными сигналами.

А я на этом пожалуй остановлюсь ведь в работе с операционными усилителями применяются очень много различных схем включения, это различные преобразователи ток-напряжение,  сумматоры, интеграторы и логарифмирующие усилители и все их рассматривать можно очень долго.

Если вас заинтересовали другие схемы включения и хотите с ними разобраться то советую полистать книжку П.Хоровица и У.Хилла,  все обязательно встанет на свои места.

А на этом я буду завершать, тем более статья получилась достаточно объемной и  после написания ее нужно чутка подшлифовать и навести марафет.

Друзья, не забывайте подписываться на обновления блога, ведь чем больше читателей подписано на обновления тем больше я понимаю что  делаю что-то важное и полезное и это чертовски мотивирует на новые статьи и материалы.

Кстати друзья, у меня возникла одна классная идея и мне очень важно слышать ваше мнение. Я подумываю выпустить обучающий материал   по операционным усилителям, этот материал будет в виде обычной pdf книжки или видеокурса, еще не решил. Мне кажется что несмотря на большое обилие информации в интернете и в литературе все=таки не хватает наглядной практической информации, такой, которую сможет понять каждый.

Так вот, напишите пожалуйста в комментариях какую информацию вы хотели бы видеть в этом обучающем материале чтобы я мог выдавать не просто полезную информацию а информацию которая действительно востребована.

А на этом у меня все, поэтому я желаю вам удачи, успехов и прекрасного настроения, даже не смотря на то что за окном зима!

С н/п Владимир Васильев.

P.S. Друзья, обязательно подписывайтесь на обновления! Подписавшись вы будете получать новые материалы себе прямо на почту! И кстати каждый подписавшийся получит полезный подарок!

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”

Хороший набор радиолюбителя по ссылке <<<

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 🙂

Операционные усилители. Виды и работа. Питание и особенности

Операционные усилители являются одними из основных компонентов в современных аналоговых электронных устройствах. Благодаря простоте расчетов и отличным параметрам, операционные усилители легки в применении. Их также называют дифференциальными усилителями, так как они способны усилить разность входных напряжений.

Особенно популярно использование операционных усилителей в звуковой технике, для усиления звучания музыкальных колонок.

Обозначение на схемах

Операционные усилители на корпусе имеют обычно пять выводов, из которых два вывода – входы, один – выход, остальные два – питание.

Принцип действия

Существуют два правила, помогающие понять принцип действия операционного усилителя:

1. Выход операционного усилителя стремится к нулевой разности напряжений на входах.
2. Входы усилителя не расходуют ток.

Первый вход обозначен «+», он называется неинвертирующим. Второй вход обозначен знаком «–», считается инвертирующим.

Входы усилителя имеют высокое сопротивление, называемое импедансом. Это позволяет расходовать ток на входах в несколько наноампер. На входе происходит оценка величины напряжений. В зависимости от этой оценки усилитель выдает на выход усиленный сигнал.

Большое значение имеет коэффициент усиления, который иногда достигает миллиона. Это означает, что если на вход подать хотя бы 1 милливольт, то на выходе напряжение будет равно величине напряжения источника питания усилителя. Поэтому операционники не применяют без обратной связи.

Входы усилителя действуют по следующему принципу: если напряжение на неинвертирующем входе будет выше напряжения инвертирующего входа, то на выходе окажется наибольшее положительное напряжение. При обратной ситуации на выходе будет наибольшее отрицательное значение.

Отрицательное и положительное напряжение на выходе операционного усилителя возможно из-за использования источника питания, обладающего расщепленным двуполярным напряжением.

Питание операционного усилителя

Если взять пальчиковую батарейку, то у нее два полюса: положительный и отрицательный. Если отрицательный полюс считать за нулевую точку отсчета, то положительный полюс покажет +1,5 В. Это видно по подключенному мультиметру.

Взять два элемента и подключить их последовательно, то получается следующая картина.

Если за нулевую точку принять отрицательный полюс нижней батарейки, а напряжение измерять на положительном полюсе верхней батарейки, то прибор покажет +10 вольта.

Если за ноль принять среднюю точку между батарейками, то получается источник двуполярного напряжения, так как имеется напряжение положительной и отрицательной полярности, равной соответственно +5 вольта и -5 вольта.

Существуют простые схемы блоков с расщепленным питанием, использующиеся в конструкциях радиолюбителей.

Питание на схему подается от бытовой сети. Трансформатор понижает ток до 30 вольт. Вторичная обмотка в середине имеет ответвление, с помощью которого на выходе получается +15 В и -15 В выпрямленного напряжения.

Разновидности

Существует несколько разных схем операционных усилителей, которые стоит рассмотреть подробно.

Инвертирующий усилитель

Такая схема является основной. Особенностью этой схемы является то, что операционники характеризуются кроме усиления, еще и изменением фазы. Буква «k» обозначает параметр усиления. На графике изображено влияние усилителя в данной схеме.

Синий цвет отображает входной сигнал, а красный цвет – выходной сигнал. Коэффициент усиления в этом случае равен: k = 2. Амплитуда сигнала на выходе в 2 раза больше, сигнала на входе. Выходной сигнал усилителя перевернут, отсюда и его название. Инвертирующие операционные усилители имеют простую схему:

Такие операционные усилители стали популярными из-за своей простой конструкции. Для вычисления усиления применяют формулу:

Отсюда видно, что усиление операционника не зависит от сопротивления R3, поэтому можно обойтись без него. Здесь он применяется для защиты.

Неинвертирующие операционные усилители

Эта схема подобна предыдущей, отличием является отсутствие инверсии (перевернутости) сигнала. Это означает сохранение фазы сигнала. На графике изображен усиленный сигнал.

Коэффициент усиления неинвертирующего усилителя также равен: k = 2. На вход подается сигнал в форме синусоиды, на выходе изменилась только ее амплитуда.

Эта схема не менее простая, чем предыдущая, в ней имеется два сопротивления. На входе сигнал подается на плюсовой вывод. Для расчета коэффициента усиления требуется использовать формулу:

Из нее видно, что коэффициент усиления не бывает меньше единицы, так как сигнал не подавляется.

Схема вычитания

Эта схема дает возможность создания разности двух сигналов на входе, которые могут быть усилены. На графике показан принцип действия дифференциальной схемы.

Такую схему усилителя еще называют схемой вычитания.

Она имеет более сложную конструкцию, в отличие от рассмотренных ранее схем. Для расчета выходного напряжения пользуются формулой:

Левая часть выражения (R3/R1) определяет коэффициент усиления, а правая часть (Ua – Ub) является разностью напряжений.

Схема сложения

Такую схему называют интегрированным усилителем. Она противоположна схеме вычитания. Особенностью ее является возможность обработки больше двух сигналов. На таком принципе действуют все звуковые микшеры.

Эта схема показывает возможность суммирования нескольких сигналов. Для расчета напряжения применяется формула:

Схема интегратора

Если в схему добавить конденсатор в обратную связь, то получится интегратор. Это еще одно устройство, в котором используются операционные усилители.

Схема интегратора подобна инвертирующему усилителю, с добавлением емкости в обратную связь. Это приводит к зависимости работы системы от частоты сигнала на входе.

Интегратор характеризуется интересной особенностью перехода между сигналами: сначала прямоугольный сигнал преобразуется в треугольный, далее он переходит в синусоидальный. Расчет коэффициента усиление проводится по формуле:

В этой формуле переменная ω = 2πf повышается с возрастанием частоты, следовательно, чем больше частота, тем коэффициент усиления меньше. Поэтому интегратор может действовать в качестве активного фильтра низких частот.

Схема дифференциатора

В этой схеме получается обратная ситуация. На входе подключена емкость, а в обратной связи подключено сопротивление.

Судя по названию схемы, ее принцип работы заключается в разнице. Чем больше скорость изменения сигнала, тем больше величина коэффициента усиления. Этот параметр дает возможность создавать активные фильтры для высокой частоты. Коэффициент усиления для дифференциатора рассчитывается по формуле:

Это выражение обратно выражению интегратора. Коэффициент усиления повышается в отрицательную сторону с возрастанием частоты.

Аналоговый компаратор

Устройство компаратора сравнивает два значения напряжения и переводит сигнал в низкое или высокое значение на выходе, в зависимости от состояния напряжения. Эта система включает в себя цифровую и аналоговую электронику.

Особенностью этой системы является отсутствие в основной версии обратной связи. Это означает, что сопротивление петли очень велико.

На плюсовой вход подается сигнал, а на минусовой вход подается основное напряжение, которое задается потенциометром. Ввиду отсутствия обратной связи коэффициент усиления стремится к бесконечности.

При превышении напряжения на входе величины основного опорного напряжения, на выходе получается наибольшее напряжение, которое равно положительному питающему напряжению. Если на входе напряжение будет меньше опорного, то выходным значением будет отрицательное напряжение, равное напряжению источника питания.

В схеме аналогового компаратора имеется значительный недостаток. При приближении значений напряжения на двух входах друг к другу, возможно частое изменение выходного напряжения, что обычно приводит к пропускам и сбоям в работе реле. Это может привести к нарушению работы оборудования. Для решения этой задачи применяют схему с гистерезисом.

Аналоговый компаратор с гистерезисом

На рисунке показана схема действия схемы с гистерезисом, которая аналогична предыдущей схеме. Отличием является то, что выключение и включение не происходит при одном напряжении.

Направление стрелок на графике указывает направление перемещения гистерезиса. При рассмотрении графика слева направо видно, что переход к более низкому уровню осуществляется при напряжении Uph, а двигаясь справа налево, напряжение на выходе достигнет высшего уровня при напряжении Upl.

Такой принцип действия приводит к тому, что при равных значениях входных напряжений, состояние на выходе не изменяется, так как для изменения требуется разница напряжений на существенную величину.

Такая работа схемы приводит к некоторой инертности системы, однако это более безопасно, в отличие от схемы без гистерезиса. Обычно такой принцип действия применяется в нагревательных приборах с наличием термостата: плиты, утюги и т.д. На рисунке изображена схема усилителя с гистерезисом.

Напряжения рассчитываются по следующим зависимостям:

Повторители напряжения

Операционные усилители часто применяются в схемах повторителей напряжения. Основной особенностью этих устройств является то, что в них не происходит усиления или ослабления сигнала, то есть, коэффициент усиления в этом случае равен единице. Такая особенность связана с тем, что петля обратной связи имеет сопротивление, равное нулю.

Такие системы повторителей напряжения чаще всего используются в качестве буфера для увеличения нагрузочного тока и работоспособности устройства. Так как входной ток приближен к нулю, а ток на выходе зависит от вида усилителя, то есть возможность разгрузки слабых источников сигнала, например, некоторых датчиков.

Похожие темы:

Описание операционного усилителя: определение, схемы, принцип работы

 Определение операционного усилителя

Операционный усилитель (ОУ) — это высококачественный усилитель, предназначенный для усиления как постоянных, так и переменных сигналов. Ранее такие усилители использовали главным образом в аналоговых вычислительных устройствах для выполнения математических операций (сложения, вычитания и т. д.). Это объясняет происхождение термина «операционный». В настоящее время очень широко используются операционные усилители в виде полупроводниковых интегральных схем. Эти схемы содержат большое число (десятки) элементов (транзисторов, диодов и т. д.), но по размерам и стоимости приближаются к отдельным транзисторам. Оказалось, что операционные усилители очень удобно использовать для решения самых различных задач преобразования и генерирования маломощных сигналов, поэтому эти усилители очень широко используются на практике.

Васильев Дмитрий Петрович

Профессор электротехники СПбГПУ

Задать вопрос

При инженерной разработке электронных устройств на основе операционных усилителей полезно иметь представление о внутренней структуре операционных усилителей, особенно об устройстве входных и выходных каскадов, что помогает правильно решать вопросы согласования операционных усилителей с источниками входных сигналов и приемниками преобразованных сигналов.

Однако во многих случаях нет необходимости учитывать особенности электронной схемы, реализованной в том или ином операционном усилителе. При этом операционный усилитель рассматривается как «черный ящик», который описывается характеристиками и параметрами, соответствующими токам и напряжениям только внешних выводов. Особенности электрических процессов во внутренних цепях операционного усилителя при таком подходе не учитываются. Именно поэтому начальные сведения по операционным усилителям даются в начальном разделе курса электроники, в котором изучают электронные приборы (диоды, транзисторы и т. д.).

Вообще следует отметить, что при обращении к тому или иному объекту как электроники, так и других областей науки и техники всегда можно выделить следующие две тенденции.

Первая тенденция состоит в стремлении как можно подробнее изучить и учесть внутреннюю структуру и внутренние процессы объекта, а вторая — в стремлении охарактеризовать объект так, чтобы эта структура и эти процессы учитывались как можно меньше. В отношении операционного усилителя можно сказать, что представление его в форме «черного ящика» значительно упрощает анализ электронных схем и обычно дает вполне приемлемые практические результаты.

Абрамян Евгений Павлович

Доцент кафедры электротехники СПбГПУ

Задать вопрос

Рассмотрим наиболее широко используемые разновидности операционных усилителей, для питания которых применяются два источника напряжения (обычно +15 В и −15 В). По-другому это называют питанием от источника с нулевым выводом или от расщепленного источника ±15 В.

Схемы операционного усилителя

Приведем один из вариантов условного графического обозначения операционного усилителя (рис. 1.133).

Обозначение общего вывода «0V» расшифровывается как «ноль вольт». Для уяснения назначения выводов изобразим типичную схему на операционном усилителе — схему инвертирующего усилителя (рис. 1.134).

Ниже будет показано, что если входное напряжение uвх достаточно мало по модулю, то выходное напряжение uвых определяется выражениемu вых= −uвх·Rос/R1

Часто на схемах выводы +U, − U и 0V не указывают (но, естественно, подразумевают) и используют упрощенное условное графическое обозначение (рис. 1.135). При этом приведенная выше типичная схема приобретает упрощенный вид (рис. 1.136).

В литературе, особенно зарубежной, часто используют условные графические обозначения, не соответствующие стандарту, принятому у нас (рис. 1.137).

Обозначим напряжения на выводах операционного усилителя (рис. 1.138).

Напряжение uдиф между инвертирующим и неинвертирующим входами называют дифференциальным напряжением (дифференциальным сигналом). Ясно, что uдиф =u+−u−Операционные усилители конструируют таким образом, чтобы они как можно больше изменяли напряжение uвых при изменении дифференциального сигнала (т. е. разности u+−u−) и как можно меньше изменяли напряжение uвых при одинаковом изменении напряжений u+ и u−.

Пусть uдиф= 0. Сделаем обозначение:uсф=u+=u− Напряжение u сф называют синфазным напряжением (синфазным сигналом).

Используя этот термин, можно сказать, что операционные усилители конструируют таким образом, чтобы влияние синфазного сигнала на выходное напряжение было как можно меньше.

Операционный усилитель. Принцип работы и схемы включения.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

U_- = U_{вх}

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

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

Приравниваем эти два значения и получаем, что:

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

U_- = 0

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

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

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

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

K_{ус} = -\frac{R_2}{R_1}

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

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

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

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

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

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

Операционные усилители. Часть 1 | joyta.ru

Операционный усилитель (ОУ) — это основной элемент современной аналоговой электроники. Благодаря отличным характеристикам и простоте расчетов, ОУ очень легки в использовании. Операционные усилители еще называют дифференциальными усилителями, поскольку они могут усилить разность напряжений на входах.

Операционные усилители выпускаются как готовые микросхемы, иногда по одному, а иногда и по несколько штук в одном корпусе. Существует множество видов операционных усилителей, которые отличаются между собой техническими параметрами, что в конечном итоге влияет на целесообразность применения в конкретных схемах.

Профессиональный цифровой осциллограф

Количество каналов: 1, размер экрана: 2,4 дюйма, разрешен…

В теории операционный усилитель имеет идеальные параметры. На практике же их параметры стремятся к идеальным, но все же не достигают их. Использование понятия «идеального» операционного усилителя помогает упростить расчеты.

Этими идеальными параметрами являются:

• бесконечно большое усиление при открытой петли обратной связи;
• бесконечно широкая полоса передаваемых частот;
• бесконечно большое входное сопротивление;
• импеданс равный нулю;
• выходное напряжение равно нулю при равенстве входных напряжений.

Как вы можете видеть, такие параметры не могут быть обеспечены в полной мере, но из года в год ОУ реально все более и более приближаются к идеалу.

Есть несколько основных схем работы операционного усилителя:

• инвертирующий
• неинвертирующий
• вычитание
• сложение
• дифференцирование
• интегрирование
• повторитель напряжения
• аналоговый компаратор

Схема инвертирующего усилителя

Это основная схема, в которой работает ОУ. Работа операционного усилителя характеризуется не только усилением (или ослаблением) входного сигнала, но и изменением его фазы. Усиление обозначается буквой k. Приведенный ниже график показывает влияние операционного усилителя в такой схеме:

Синим цветом представлен график входного сигнала, а красным — график выходного сигнала, причем усиление системы составляет 2 (k=2). Как видно, амплитуда выходного сигнала в два раза выше, чем амплитуда входного сигнала, и также видно, что сигнал перевернут.

Схема такого усилителя достаточно проста, и представлена на следующем рисунке:

Тестер транзисторов / ESR-метр / генератор

Многофункциональный прибор для проверки транзисторов, диодов, тиристоров…

Эта схема доказывает, почему операционные усилители являются настолько популярными. Для того, чтобы вычислить значения элементов нам достаточно использовать следующую формулу:

Как видно, резистор R3 не влияет на усиление схемы, и можно было бы обойтись без него, соединив положительный вход усилителя с минусом питания. В данном случае резистор R3 используется в качестве защиты.

Схема неинвертирующего усилителя

В схеме неинвертирующего усилителя ситуация очень схожа с инвертирующим усилителем, с той лишь разницей, что здесь не происходит инверсия сигнала, то есть фаза сохраняется. Приведенный ниже график показывает, что происходит с усиленным сигналом:

Так же, как и в предыдущей схеме, коэффициент усиления равен k=2, а на вход подан синусоидальный сигнал. Как видно, изменению подверглась только амплитуда сигнала.

Ниже приведена принципиальная схема использования операционного усилителя в качестве неинвертирующего усилителя:

Данная схема усилителя также является очень простой, здесь есть два резистора. Входной сигнал подается на положительный вход ОУ. Чтобы рассчитать усиление необходимо применить формулу:

Из формулы видно, что усиление не может быть меньше единицы, т. е. такая схема не позволяет подавить сигнал.

Операционный усилитель в схеме вычитания (дифференциальный усилитель)

Другим типом схемы использования ОУ является дифференциальный усилитель, который позволяет получить разность двух входных сигналов, которая впоследствии может быть усилена. На графике, приведенном ниже, представлен принцип работы системы.

Следующая схема позволяет реализовать такую работу операционного усилителя:

Схема является более сложной по сравнению с предыдущими. Чтобы рассчитать напряжение на выходе, следует применить формулу:

 

Первая часть уравнения отвечает за усиление (или ослабление), а вторая часть — это разница двух напряжений.

Операционный усилитель в схеме сложения

Этот тип функции полностью противоположен функции вычитания. Его интересной особенностью является то, что здесь может быть обработано более двух сигналов. На этом принципе основаны все аудио микшеры.

Как видно на схеме можно суммировать множество сигналов, схема проста и интуитивно понятна. Для расчета используем формулу:

Основы работы с операционным усилителем

: принцип работы и схема усилителя

Операционный усилитель (называемый «операционным усилителем») представляет собой блок схемы с очень большим увеличением. В реальных схемах определенный функциональный модуль обычно объединен с сетью обратной связи. Это усилитель со специальной схемой связи и обратной связью. Выходной сигнал может быть результатом математических операций, таких как сложение, вычитание, дифференцирование и интегрирование входного сигнала. Из-за своего раннего применения в аналоговых компьютерах для реализации математических операций он получил название «операционный усилитель».

Каталог

Ⅰ Принцип операционного усилителя

Операционный усилитель – это схемный блок, названный с функциональной точки зрения, который может быть реализован в виде дискретного устройства или полупроводникового кристалла. С развитием полупроводниковой технологии большинство операционных усилителей существует в виде единой микросхемы. Есть много типов операционных усилителей, которые широко используются в электронной промышленности.

Операционный усилитель, показанный на рисунке, имеет две входные клеммы an (инвертирующая входная клемма ), b ( неинвертирующая входная клемма ) и выходная клемма o .Когда напряжение U- приложено между выводом a и общим выводом (общий вывод – это точка, в которой напряжение равно нулю, что эквивалентно опорному узлу в цепи.), И его фактическое направление выше, чем общее клемма от клеммы a, фактическое направление выходного напряжения U – от общего конца к концу o, то есть два направления прямо противоположны. Когда входное напряжение U + приложено между клеммой b и общей клеммой, фактические направления U и U + точно такие же относительно общей клеммы.Для различения клеммы a и b помечены как «-» и «+» соответственно, но не путайте их с положительной и отрицательной полярностью направления опорного напряжения. Положительную и отрицательную полярность напряжения следует маркировать отдельно или указывать стрелками. Инвертирующий усилитель и неинвертирующий усилитель представлены ниже:

Рисунок 1. Инвертирующий усилитель

Рисунок 2. Неинвертирующий усилитель

В общем, операционные усилители можно рассматривать как высокопроизводительные усилители. Усилитель напряжения с прямой связью с усилением с портом вывода сигнала (Out) и двумя входными клеммами с высоким импедансом, синфазными и противофазными.Следовательно, операционные усилители могут использоваться для создания синфазных, противофазных и дифференциальных усилителей.

Режим питания операционного усилителя разделен на двойной источник питания и одиночный источник питания. Для операционного усилителя с двойным источником питания его выход может изменяться с обеих сторон от нулевого напряжения, а выход также может быть установлен на ноль, когда дифференциальное входное напряжение равно нулю. При использовании операционного усилителя с одним источником питания выходная мощность варьируется в определенном диапазоне между источником питания и землей.

Входной потенциал операционного усилителя обычно должен быть выше определенного значения отрицательного источника питания и ниже определенного значения положительного источника питания. Специально разработанный операционный усилитель позволяет изменять входной потенциал от отрицательного источника питания к положительному источнику питания, даже немного выше, чем положительный источник питания, или немного ниже, чем отрицательный источник питания. Этот тип операционного усилителя называется операционным усилителем с железнодорожным входом.

Выходной сигнал операционного усилителя пропорционален разности напряжений между двумя входными клеммами. В аудиосегменте: выходное напряжение = A0 (E1-E2), где A0 – это низкочастотное усиление разомкнутого контура операционного усилителя (например, 100 дБ, что в 100000 раз), E1 – напряжение входного сигнала при отсутствии -инвертирующий терминал, а E2 – напряжение входного сигнала на инвертирующем терминале.

Ⅱ Принципиальная схема классического операционного усилителя

Принципиальная схема классического операционного усилителя 1

Ненаправленная клемма операционного усилителя на рисунке 3 заземлена = 0 В, обратная клемма и ненаправленная клемма являются виртуальные короткие замыкания, так что это тоже 0В.Входное сопротивление обратной входной клеммы очень велико, и почти нет подачи и оттока тока. Тогда R1 и R2 включены последовательно, ток, протекающий через каждый компонент в последовательной цепи, одинаков, то есть ток, протекающий через R1, и ток, протекающий через R2, одинаковы.

Ток, протекающий через R1 I1 = (Vi-V -) / R1 …… a

Ток, протекающий через R2 I2 = (V – Vout) / R2 …… b

V- = V + = 0 …… c

I1 = I2 …… d

Решите вышеуказанное алгебраическое уравнение: Vout = (- R2 / R1) * Vi

Это соотношение входа и выхода легендарного инвертирующего усилителя.

Принципиальная схема классического операционного усилителя 2

На рисунке 4, Vi и V- виртуально замкнуты, тогда Vi = V …… a

Из-за виртуального разомкнутого контакта нет токового входа и выхода в обратном направлении. входной терминал, и токи через R1 и R2 равны. Установите этот ток как I. Из закона Ома: I = Vout / (R1 + R2) …… b

Vi равно парциальному давлению на R2, а именно: Vi = I * R2 …… c

c получается по формуле формула abc. Vout = Vi * (R1 + R2) / R2

Это формула легендарного сонаправленного усилителя.

Принципиальная схема классического операционного усилителя 3

На рисунке 5 мы знаем из виртуального короткого замыкания: V- = V + = 0 …… a

a Согласно виртуальному отключению и закону Кирхгофа, сумма ток через R2 и R1 равен току через R3, поэтому (V1 – V -) / R1 + (V2– V -) / R2 = (Vout – V -) / R3 …… b

b подставляется в формулу a, а формула b принимает вид V1 / R1 + V2 / R2 = Vout / R3.

Если R1 = R2 = R3, приведенная выше формула становится Vout = V1 + V2, это легендарный сумматор.

Принципиальная схема классического операционного усилителя 4

На рисунке 6 из-за виртуальной разомкнутой цепи ток через операционный усилитель не течет в одном направлении, поэтому токи, протекающие через R1 и R2, равны, а токи, протекающие через R4 и R3, также равны. Итак (V1 – V +) / R1 = (V + -V2) / R2 …… a

(Vout – V -) / R3 = V- / R4 …… b

Из недостатков: V + = V- …… c

, если R1 = R2, R3 = R4, то V + = (V1 + V2) / 2V- = Vout / 2.

Мы можем получить из приведенной выше формулы, поэтому Vout = V1 + V2 также является сумматором.

Ⅲ Введение в схему усилителя

Схема усиления также называется усилителем. Это одна из наиболее широко используемых электронных схем и базовая единичная схема, составляющая другие электронные схемы. Так называемое усиление заключается в усилении входного слабого сигнала (называемого сигналом, который относится к изменяющемуся напряжению, току и т. Д.) До требуемого значения амплитуды и сигнала, соответствующего исходному закону изменения входного сигнала, то есть , чтобы выполнить неискаженное усиление.Имеет смысл только увеличивать без искажений. Суть усилительной схемы заключается в управлении и преобразовании энергии. В соответствии с общим концом входного контура и выходного контура схема усиления имеет три основных вида: схема усилителя с общим эмиттером, схема усилителя с общим коллектором и схема усилителя с общей базой.

Фактическая схема усилителя обычно состоит из источника сигнала, усилителя, состоящего из транзистора, и нагрузки.

Особенности схемы усилителя:

1.Есть два рабочих состояния: статическое и динамическое, поэтому иногда бывает необходимо нарисовать путь постоянного и переменного тока для анализа;

2. Схемы часто добавляются с отрицательными отзывами. Такая обратная связь иногда присутствует на этом этапе, иногда от последнего этапа к предыдущему, поэтому, анализируя этот этап, мы должны иметь возможность «смотреть вперед и назад». После понимания принципа каждого уровня, вся схема может быть объединена для всестороннего синтеза.

Принципиальная схема транзисторного усилителя:

Это типичная схема транзисторного усилителя.Направление тока и роль каждого резистора смещения можно увидеть из приведенного выше.

Ⅳ Разница между операционным усилителем и схемой усилителя

Схема усиления выполняет только функцию усиления. Обычно он используется для усиления аналогового сигнала различных устройств обнаружения. Конечно, некоторые схемы аналоговых усилителей могут также выполнять функции арифметической логики. Выходной сигнал схемы усиления – аналоговая величина.

Операционные усилители обычно интегрируются в микросхему, а несколько операционных усилителей интегрируются в микросхему.Операционные усилители также называют компараторами, которые можно использовать для сравнения и усиления сигналов. Выход цифровой. Операционный усилитель имеет входы как для положительного, так и для отрицательного сигнала. Какой сигнал является входом на клемму положительного сигнала, то такой же сигнал является выходом. Клемма входа отрицательного сигнала является противоположной, например, клемма отрицательного сигнала вводит положительный сигнал, а выходная клемма противоположна, что является отрицательным сигналом.

Например, электромобиль на 36 В использует четыре индикатора для отображения мощности и подает 5 В на микросхему операционного усилителя.Сделайте несколько фиксированных напряжений, равные 40, 38, 36 и 34 соответственно. Они подключены к четырем отрицательным входным клеммам микросхемы с четырьмя операционными усилителями, а четыре положительных входных клеммы сигнала подключены к выборке батареи. Когда напряжение аккумулятора превышает 40 В, операционный усилитель выдает высокий уровень, и световой индикатор горит. Когда оно ниже 40 В, входной терминал положительного сигнала ниже входного терминала отрицательного сигнала, индикатор низкого уровня выходного сигнала не загорается.Остальные три группы операционных усилителей такие же. В обычных схемах усилителя не будет такой ситуации, когда напряжение сигнала на входе будет выше, чем на выходе.

Кроме того, входной конец операционного усилителя используется в качестве заземления сигнала, а другой конец подключается к входному сигналу. Его можно использовать как усилитель, например передний каскад усилителя мощности. Схему усилителя можно понять как операционный усилитель.

Эти две схемы различаются, прежде всего, принципиально.В некоторых схемах используются транзисторы для усиления и операционные усилители, поскольку напряжение входного сигнала не может напрямую работать на операционном усилителе.

Что такое операционный усилитель?

Введение в операционные усилители ABLIC

1. Что такое операционный усилитель (операционный усилитель)?

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 существенное 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, такую ​​схему можно использовать для усиления минутных сигналов датчиков.
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

Действуя в качестве фильтра входных сигналов, схема операционного усилителя может выделять сигнал с целевой частотой.Например, когда схема операционного усилителя используется для распознавания голоса или в диктофоне, она может извлекать частоты, близкие к целевому звуку, при этом исключая все другие частоты как шум. Схема операционного усилителя может быть настроена для выполнения широкого диапазона частот. такие функции, как арифметические операции или синтез сигналов.

3. Применение 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 пояснения к терминам

Здесь мы будем использовать операционный усилитель ABLIC S-89630A в качестве примера того, какие элементы следует проверять 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 покрывает V _SS – V _DD , называется «входным операционным усилителем Rail-to-Rail»; то есть операционный усилитель с отличным диапазоном входного напряжения сигнала.

(2) Проверьте частоту входного сигнала.

[Произведение на ширину полосы пропускания]
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, составляет 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 работы с такими крошечными напряжениями смещения.

5. Что такое усилитель с нулевым дрейфом?

Усилитель нулевого дрейфа – это операционный усилитель, который минимизирует входное напряжение смещения и дрейф входного напряжения смещения (0).Выбор операционного усилителя с нулевым дрейфом – очень эффективное решение 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, широкий диапазон напряжений (4.0 – 36 В) и атрибуты низкого 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: размер 1,97 x 2,46 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 клеммы: 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 вырабатывают токовый выход.
• Усилители крутизны преобразовывают входное напряжение в выходной ток.
• 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. , рис. 1 ) операционного усилителя – это мера усиления, достигаемого при отсутствии обратной связи в схеме. Это означает, что цепь обратной связи или петля открыта. 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 высокий входной импеданс («Z _IN » на 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 » на 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 потреблению энергии 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 – постоянная величина на кривой, и ее можно рассчитать с помощью Уравнение (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. Коэффициент полезного действия 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 Уравнение (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 спектр применения 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. Нередко проектируют, 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

Самой простой схемой операционного усилителя является 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, усиление напряжения 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 с помощью Уравнение (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 с помощью Уравнение (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 работой с разомкнутым контуром, 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 (одинарное 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, рассмотрите операционные усилители 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

Инвертирующие операционные усилители

Работа и приложения

Введение

Операционные усилители могут быть настроены для работы в виде различных функциональных схем, таких как усилители, генераторы, регуляторы напряжения, фильтры, выпрямители и т. Д.Большинство этих схемных конфигураций требует, чтобы выход операционного усилителя был снова подключен к его входу.

Это соединение между выходом и входом называется «обратной связью». Поскольку операционные усилители имеют две входные клеммы, положительную и отрицательную, соединение обратной связи в операционном усилителе может быть либо положительной, либо отрицательной обратной связью. Если выход подключен к неинвертирующему выводу операционного усилителя, обратная связь считается положительной, а если выход подключен к инвертирующему входу, обратная связь считается отрицательной.Выходной сигнал возвращается на вход операционного усилителя через внешний резистор, называемый резистором обратной связи (R _f ). Подключение обратной связи позволяет точно контролировать усиление операционного усилителя в зависимости от приложения.

Инвертирующий усилитель является важной схемой, использующей операционные усилители, и в нем используется соединение с отрицательной обратной связью. Инвертирующий усилитель, как следует из названия, инвертирует входной сигнал, а также усиливает его. Положительный сигнал на входе инвертирующего усилителя приведет к отрицательному сигналу на выходе и наоборот.Синусоидальный сигнал переменного тока на входе будет давать на выходе синусоидальный сигнал, сдвинутый по фазе на 180 ^o .

На рисунке выше показана принципиальная схема идеального инвертирующего усилителя. Вход подается на инвертирующий входной вывод через резистор R1, а неинвертирующий вывод подключается к земле. Выход возвращается на инвертирующий вход через резистор обратной связи R _f .

Когда положительное напряжение подается на инвертирующий вход (база транзистора Q2), ток на выводе коллектора Q2 увеличивается, а также увеличивается падение напряжения на RC.Этот эффект снижает выходное напряжение, потому что неинвертирующая входная клемма (база Q1) заземлена. База Q2 будет опускаться до уровня земли за счет отрицательной обратной связи, независимо от приложенного входного напряжения. Таким образом, когда применяется Vin, выходной Vout изменяется на уровень, при котором инвертирующая входная клемма остается на уровне земли. По этой причине инвертирующая входная клемма в этой конфигурации схемы называется виртуальной землей. Соединение резисторов R1 и Rf всегда остается на уровне земли из-за виртуальной земли.Игнорируя небольшой ток смещения, который течет в схему операционного усилителя, ток I протекает через оба резистора R1 и Rf. Входное и выходное напряжения могут быть рассчитаны как:

Vin = I.R1

и Vout = -I.Rf

Коэффициент усиления по напряжению с обратной связью равен ACL = Vout / Vin = -I.Rf / I. R1

Коэффициент усиления по напряжению инвертирующего операционного усилителя

Коэффициент усиления по напряжению с обратной связью инвертирующего операционного усилителя задается как

ACL = Vout / Vin = – (Rf / R1)

Отрицательный знак замкнутого -Уравнение усиления контура указывает, что выходной сигнал инвертирован по отношению к приложенному входу.

В практическом инвертирующем усилителе неинвертирующий вход напрямую не заземлен. Он должен быть заземлен резистором того же номинала, что и R1, чтобы входные токи оставались равными. Это дает больше шансов, что выходное напряжение будет нулевым (или близким к 0) вольт, когда входное напряжение равно нулю.

Примечание:

В схеме инвертирующего усилителя, если оба резистора R1 и Rf имеют одинаковую величину Rf = R1, то коэффициент усиления инвертирующего усилителя будет равен -1, создавая выходной сигнал, который является дополнением приложенный вход, Vout = – Vin.Этот тип конфигурации инвертирующего усилителя обычно называется инвертором единичного усиления или просто инвертирующим буфером.

Характеристики напряжения инвертирующего усилителя

Характеристики напряжения или передаточная кривая операционного усилителя показаны на рисунке выше. Можно отметить, что когда входной сигнал VIN положительный, выходной VOUT отрицательный, и наоборот. Кроме того, выходной сигнал изменяется линейно по отношению к приложенному входу. Характеристическая кривая насыщается, или, другими словами, выходной сигнал становится постоянным, когда амплитуда входного сигнала выходит за пределы положительного и отрицательного источников питания, подаваемых на операционный усилитель.

ie + V _CC = + V _SAT и –V _CC = -V _SAT

Примеры инвертирующего операционного усилителя

1. Разработайте инвертирующий усилитель с коэффициентом усиления -10 и равным входным сопротивлением. до 10 кОм.

Приведены значения усиления усилителя и входного сопротивления.

Мы знаем, что для инвертирующего усилителя A _CL = – R _f / R ₁

Следовательно, R _f = -A _CL x R ₁

= – ( -10) x 10 кОм

R _f = 100 кОм

2.В схеме, показанной ниже, R1 = 10 кОм, Rf = 100 кОм, Vin = 1 В. К выходной клемме подключена нагрузка 25 кОм. Вычислить,

• Ток i ₁
• Выходное напряжение В _out
• Ток нагрузки i _L

(i) Входной ток i1

i1 = 9000 R1 = 1 9000 В / 10 кОм

i1 = 0,1 мА

(ii) Выходное напряжение Vout

В _выход = – (R _f / R ₁ ) * В _дюйм

= – (100 кОм / 10 кОм) x 1 В

В _выход = – 10 В

(iii) Ток нагрузки iL:

i _L = В _выход / R _L

= 10 В / 25 кОм

i _L = 0.4 мА

Трансимпедансный усилитель

Трансимпедансный усилитель – это простая схема, которая преобразует входной ток в соответствующее напряжение на выходе, то есть это преобразователь тока в напряжение. Трансимпедансный усилитель можно использовать для усиления выходного тока фотодиодов, фотодетекторов, акселерометров и других типов датчиков до приемлемого значения напряжения. Трансимпедансный усилитель обеспечивает низкое сопротивление фотодиоду и изолирует его от выходного напряжения операционного усилителя.

В простейшем трансимпедансном усилителе будет очень большой резистор обратной связи. Коэффициент усиления усилителя зависит от этого резистора. В зависимости от применения трансимпедансные усилители могут быть настроены по-разному. Все эти различные конфигурации преобразуют ток низкого уровня датчика в значительный уровень напряжения. Значения усиления, полосы пропускания и смещения напряжения / тока меняются в зависимости от типа датчиков.

Работа с постоянным током

Принципиальная схема базового трансимпедансного усилителя показана на рисунке выше.Фотодиод подключается к инвертирующей входной клемме. Неинвертирующий входной терминал заземлен. Это обеспечивает низкоомную нагрузку для фотодиода, что снижает напряжение на фотодиоде. Высокое усиление операционного усилителя поддерживает ток фотодиода равным току обратной связи через Rf. Поскольку у фотодиода нет внешнего смещения в этой цепи, входное напряжение смещения из-за фотодиода очень низкое. Это позволяет получить большой выигрыш по напряжению без какого-либо значительного выходного напряжения смещения.

Можно отметить, что

-I _p = V _out / R _f

т.е. V _out / I _p = -R _f

Вышеприведенное уравнение является DC и низкочастотное усиление трансимпедансного усилителя. Если усиление велико, любое входное напряжение смещения на неинвертирующем входе операционного усилителя приведет к выходному напряжению смещения. Чтобы минимизировать эти эффекты, трансимпедансные усилители обычно проектируются с полевыми транзисторами на входе операционного усилителя, которые имеют очень низкие входные напряжения смещения.

Частотная характеристика трансимпедансного усилителя обратно пропорциональна усилению, установленному резистором обратной связи Rf. Датчики, которые используются в этих усилителях, обычно имеют большую емкость, чем может выдержать операционный усилитель. Эта емкость на входных клеммах операционного усилителя вместе с внутренней емкостью операционного усилителя создает фильтр нижних частот в цепи обратной связи. Отклик фильтра нижних частот этого фильтра можно охарактеризовать как коэффициент обратной связи β, который ослабляет сигнал обратной связи.

Если учесть влияние этого фильтра нижних частот, уравнение отклика схемы принимает вид

V _out = – (1p.R _f ) / {1 + (1 / A _OL ^β )}

Где, AOL – коэффициент усиления ОУ без обратной связи.

На низких частотах коэффициент обратной связи β мало влияет на отклик усилителя. Отклик усилителя будет близок к идеальному значению, пока коэффициент усиления разомкнутого контура (A _OL ^β ) намного больше единицы.

Обзор инвертирующего усилителя

• Схема инвертирующего усилителя использует отрицательную обратную связь и выдает инвертированный выходной сигнал относительно входа. Таким образом, коэффициент усиления инвертирующего усилителя указывается как отрицательный.
• Коэффициент усиления инвертирующего усилителя по напряжению не зависит от коэффициента усиления разомкнутого контура операционного усилителя, который очень велик.
• Коэффициент усиления инвертирующего усилителя по напряжению зависит от номиналов используемого резистора, и, следовательно, усилением можно точно управлять, выбирая значения R1 и Rf соответствующим образом.
• Если Rf> R1, усиление будет больше 1.
• Если Rf
• Если Rf = R1, усиление будет равно единице.
• Таким образом, выходное напряжение может быть больше, меньше или равно входному напряжению по величине и сдвинуть фазу на 180o.

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 Джон Р. Рагаццини из Колумбийского университета разработал первый операционный усилитель на основе вакуумных трубок.
• 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:

1. Металлическая банка для упаковки (ТО) с 8 выводами
2. Пакет с двойным входом (DIP) с 8/14 контактами
3. 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, похожий на инструментальный усилитель, но имеющий устойчивость 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

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. Выходное сопротивление идеального операционного усилителя предполагается равным 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 любой из входных клемм, когда другая клемма подключена 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:

1. Сумматор
2. Вытяжной механизм
3. Преобразователь напряжения в ток (усилитель крутизны)
4. Преобразователь тока в напряжение (усилитель сопротивления)
5. Инструментальный усилитель
6. Усилитель мощности

Еще один класс схем с сильно нелинейными характеристиками входа-выхода:

1. Выпрямитель
2. Детектор пиков
3. Машинка для стрижки
4. Зажим
5. Цепь выборки и хранения
6. Усилитель логарифмический и антилогарифмический
7. Умножитель и делитель
8. 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.

Основы инвертирующего и неинвертирующего усилителя

«Идеальный» или совершенный операционный усилитель – это устройство с определенными особыми характеристиками, такими как бесконечное усиление без обратной связи, бесконечное входное сопротивление, нулевое выходное сопротивление, бесконечная полоса пропускания и смещение нуля. Операционные усилители широко используются при формировании сигналов или выполнении математических операций, поскольку они почти идеальны для усиления постоянного тока. По сути, это устройство усиления напряжения, используемое с компонентами внешней обратной связи, такими как резисторы и конденсаторы, между его выходными и входными клеммами.Операционный усилитель представляет собой трехконтактное устройство, состоящее из двух входов с высоким импедансом, один из которых называется инвертирующим входом (-), а другой – неинвертирующим входом (+). Третий вывод представляет собой выходной порт операционного усилителя, который может как потреблять, так и передавать как напряжение, так и ток.

Отрицательный отзыв

Хотя, с одной стороны, операционные усилители предлагают очень высокое усиление, это делает усилитель нестабильным и трудным для управления. Часть этого усиления можно потерять, подключив резистор через усилитель от выходной клеммы обратно к инвертирующей входной клемме для управления конечным коэффициентом усиления усилителя.Это обычно известно как отрицательная обратная связь и обеспечивает более стабильный операционный усилитель.

Отрицательная обратная связь – это процесс подачи части выходного сигнала обратно на вход. Но чтобы сделать обратную связь отрицательной, она подается на отрицательный или «инвертирующий вход» операционного усилителя с помощью резистора. Этот эффект производит замкнутый контур, приводящий к усилению замкнутого контура. Инвертирующий усилитель с обратной связью использует отрицательную обратную связь для точного управления общим коэффициентом усиления усилителя, но вызывает уменьшение усиления усилителя.

Инвертирующий усилитель

В схеме инвертирующего усилителя инвертирующий вход операционного усилителя принимает обратную связь с выхода усилителя. Предполагая, что операционный усилитель идеален и применяя концепцию виртуального короткого замыкания на входных клеммах операционного усилителя, напряжение на инвертирующей клемме равно неинвертирующей клемме. Неинвертирующий вход операционного усилителя заземлен. Поскольку усиление самого операционного усилителя очень велико, а выходная мощность усилителя составляет всего несколько вольт, это означает, что разница между двумя входными клеммами чрезвычайно мала и ею можно пренебречь.Поскольку неинвертирующий вход операционного усилителя удерживается под потенциалом земли, это означает, что инвертирующий вход должен фактически иметь потенциал земли.

Применяя KCL в инвертирующем узле, мы можем вычислить усиление напряжения,

Коэффициент усиления напряжения (A) = В

_{на выходе} / В _{на выходе} = – R _f / R _{на выходе}

Неинвертирующий усилитель

Неинвертирующий усилитель – это такой усилитель, в котором выход находится в фазе по отношению к входу.Обратная связь применяется на инвертирующем входе. Однако вход теперь применяется к неинвертирующему входу. Выход представляет собой неинвертированную (с точки зрения фазы) усиленную версию входа. Коэффициент усиления схемы неинвертирующего усилителя для операционного усилителя определить легко. Расчет основан на том факте, что напряжение на обоих входах одинаково. Это происходит из-за того, что усиление усилителя чрезвычайно велико. Если выход схемы остается в пределах шины питания усилителя, то деление выходного напряжения на коэффициент усиления означает, что между двумя входами практически нет разницы.

Коэффициент усиления по напряжению можно рассчитать, применив KCL в инвертирующем узле.

Коэффициент усиления напряжения (А) = В

_{на выходе} / В _{на выходе} = (1+ R _f / R _на )

---

Хотите запачкать руки? Ознакомьтесь с некоторыми типовыми вопросами

Эта статья была впервые написана 7 ноября 2017 г. и обновлена ​​4 апреля 2019 г.

8.1: Введение в операционные усилители (операционные усилители)

Что такое операционный усилитель (операционный усилитель)?

Операционные усилители

, также известные как операционные усилители, в основном представляют собой устройства усиления напряжения, предназначенные для использования с такими компонентами, как конденсаторы и резисторы, между его входными / выходными клеммами.По сути, они являются основной частью аналоговых устройств. Подобные компоненты обратной связи используются для определения работы усилителя. Усилитель может выполнять множество различных операций (резистивных, емкостных или и того, и другого), что дало ему название Operational Amplifier.

Пример операционного усилителя на схеме.

Операционные усилители

– это линейные устройства, которые идеально подходят для усиления постоянного тока и часто используются для преобразования сигналов, фильтрации или других математических операций (сложение, вычитание, интегрирование и дифференцирование).

Операционный усилитель, пожалуй, самый полезный отдельный прибор в аналоговой электронной схеме. Имея всего несколько внешних компонентов, он может выполнять широкий спектр задач обработки аналоговых сигналов. Это также вполне доступные усилители общего назначения, которые продаются по цене менее доллара за штуку. Современные конструкции также разработаны с учетом долговечности: производится несколько операционных усилителей, способных выдерживать прямые короткие замыкания на своих выходах без повреждений.

Одним из ключей к полезности этих небольших схем является инженерный принцип обратной связи, особенно отрицательной обратной связи , которая составляет основу почти всех процессов автоматического управления. Принципы, представленные в этом разделе, выходят далеко за рамки непосредственной электроники. Студенту-электронщику стоит потратить время на то, чтобы изучить эти принципы и хорошо их усвоить.

Дополнительная литература

Операционные усилители, или операционные усилители, являются одними из самых фундаментальных строительных блоков, которые инженер-электрик может использовать при проектировании схем.Для операционных усилителей существует масса полезных приложений. В этой статье будут рассмотрены лишь несколько основных схем, которые вы можете реализовать в своих проектах!

Основы: повторители напряжения

Первая схема настолько проста, что выглядит немного сумасшедшей:

Рисунок 1: Повторитель напряжения

Эта схема называется повторителем напряжения и ведет себя следующим образом:

Vin = VoutVin = Vout

На первый взгляд, это не очень полезно.Зачем мне платить несколько дополнительных центов за операционный усилитель, если похоже, что провод будет выполнять ту же работу между двумя компонентами? Ответ прост, если вы знаете несколько простых вещей об операционных усилителях. Когда вы начинаете нарушать схему с помощью операционных усилителей, вы должны помнить два основных принципа:

1. Входные клеммы операционного усилителя, V + и V-, не потребляют ток.
2. Напряжение V + и V- всегда равно. Это свойство иногда называют виртуальным коротким приближением .

Глядя на первое правило, мы видим, что наша схема повторителя напряжения не потребляет ток на входной клемме, подключенной к V +. На самом деле это просто способ сказать, что V + имеет действительно высокий импеданс – на самом деле, поскольку мы говорим об идеальных операционных усилителях, мы склонны просто сказать, что у него бесконечный входной импеданс. На практике это имеет довольно приятные последствия: если V + не потребляет ток, это означает, что мы можем подключить Vin к любому узлу в любой цепи и измерить его , не изменяя исходную схему .Нам не пришлось бы выполнять утомительную процедуру решения кучи новых уравнений для узловых напряжений и токов сетки, потому что мы не будем мешать ни одному из них, добавляя повторитель напряжения. Довольно круто, да?

(Примечание: как и для большинства правил, из этих правил для операционных усилителей есть некоторые исключения. На протяжении всей статьи мы игнорируем эти исключения – они будут мешать анализу нашего повторителя напряжения.)

Вместо того, чтобы проводить прямое измерение на Vin в нашей гипотетической схеме, мы бы измеряли вместо Vout.Это второе действующее правило операционных усилителей – напряжения V + и V- всегда считаются равными. Поскольку мы подключили V- и выход операционного усилителя, мы можем расширить это на шаг дальше и сказать, что Vout = V- = V + из-за виртуального короткого приближения.

Использование повторителей напряжения обеспечивает действительно простой способ сопряжения различных цепей с разным импедансом. Прохладный! Что еще мы можем сделать с операционными усилителями?

Изменение усиления – инвертирующий усилитель

Как следует из названия, операционные усилители – это усилители.Они могут усиливать сигналы за счет определенного соотношения входа и выхода. Это соотношение обычно называют коэффициентом усиления операционного усилителя. В идеальном мире коэффициент усиления операционного усилителя был бы бесконечным – настолько высоким, что он мог бы усилить любой уровень сигнала до любого другого уровня. В реальном мире это не так, но мы рассмотрим это как факт при анализе следующей схемы: инвертирующего усилителя.

Рисунок 2: Инвертирующий усилитель

Давайте шаг за шагом рассмотрим работу этой схемы.Во-первых, давайте применим наши два правила для операционных усилителей, чтобы вычислить некоторые узловые напряжения этой схемы. Самым простым в применении является виртуальное короткое приближение, когда V + и V- всегда находятся под одним и тем же напряжением. Мы видим, что V + заземлен; следовательно, V- также должен быть на земле. А как насчет тока, входящего и выходящего из узла V-? Согласно действующему закону Кирхгофа, мы знаем, что сумма всех токов в этом узле должна быть следующей:

Изначально кажется, что для решения этого уравнения может потребоваться некоторая работа, поскольку это уравнение имеет три неизвестных.Но так ли это? Если вы вспомните правила операционных усилителей, изложенные ранее, вы увидите, что мы бесплатно получаем один член этого уравнения: входы операционных усилителей не потребляют ток! Следовательно, мы знаем, что iV- равно нулю. Затем мы можем преобразовать это уравнение в следующую форму:

Поскольку V- связан с землей посредством виртуального короткого замыкания, закон Ома позволяет нам заменить эти токи напряжениями и сопротивлениями:

Что, с небольшой алгеброй, возвращает нас к тому, с чего мы начали:

Довольно ясно, почему эта схема полезна – она ​​позволяет вам применять линейное усиление ко входу и выходу, выбирая (Rf / Rin) для формирования любого отношения, которое вы хотите.Схема также имеет дополнительный бонус, позволяющий вам в значительной степени контролировать ее входное сопротивление – поскольку вы можете выбрать значение резистора Rin, вы можете увеличить его до максимального или минимального значения, чтобы соответствовать любому выходному импедансу, который вы нужно соответствовать!

Зачем нам нужна сеть резисторов для достижения такого поведения? Чтобы понять это, нам нужно немного больше понять, как работает операционный усилитель. Операционный усилитель – это тип усилителя напряжения. В идеальном случае операционный усилитель обеспечивает бесконечное усиление – он может усилить любое напряжение до любого другого уровня напряжения.Мы можем масштабировать бесконечное усиление операционного усилителя, используя цепь резисторов, которая соединяет входной узел V- и выходной узел. Подключая выход операционного усилителя к входу, мы используем процесс, называемый _feedback_, для регулировки выходного напряжения до желаемого уровня. Обратная связь – действительно важная концепция ЭЭ, достаточно сложная, чтобы заслужить целую статью, посвященную этой теме. На данный момент достаточно понять основной принцип применительно к операционным усилителям: подключив выход ко входу, вы можете изменить поведение схемы действительно полезными способами.

Инверсия инвертора?

Давайте посмотрим, что произойдет, когда мы начнем дурачиться с базовой конструкцией инвертирующего усилителя. Что произойдет, если мы переключим цепь обратной связи на другой входной вывод, V-?

Рисунок 3: Что делает эта схема?

Мы можем проделать ту же серию шагов, что и раньше с инвертирующим усилителем, но мы начинаем заменять напряжения в V-узле. Из-за виртуального короткого приближения V- = V + = Vin.В результате мы можем записать следующее уравнение для тока, проходящего через Rg:

Поскольку мы знаем, что операционный усилитель не потребляет ток, мы знаем, что ток через Rg и ​​Rf должен быть одинаковым, что позволяет нам написать это уравнение:

Виртуальное короткое приближение позволяет нам избавиться от V-, поскольку мы знаем, что оно равно Vin.

И после небольшой алгебраической перестановки получаем следующее:

В отличие от предыдущей схемы, коэффициент усиления этой схемы неотрицательный.В результате эта схема называется неинвертирующим усилителем : она обеспечивает линейное усиление, но с положительным знаком. В отличие от предыдущего неинвертирующего усилителя, он не может обеспечить усиление меньше единицы – установить цепь обратной связи ниже невозможно! С другой стороны, в этой схеме есть то, чего нет в инвертирующем усилителе. Поскольку выход положительный, он находится в фазе с входом. Инвертирующий усилитель, применяя отрицательное усиление, сдвигает выходной сигнал на 180 градусов.Неинвертирующий усилитель этого не делает!

Завершение

Операционные усилители

– действительно универсальные схемные компоненты. В этой статье мы не можем сказать о том, что с ними можно сделать – диапазон функциональных возможностей, которые они могут использовать, огромен. Какие еще схемы вы можете сделать с ними? Есть ли у вас какие-нибудь крутые схемы с операционными усилителями? Оставьте нам сообщение в разделе комментариев и расскажите нам об этом!

.