Операционных усилителей: Операционные усилители – принцип действия и параметры.

8.4.    Применение операционных усилителей | Электротехника

Операционный усилитель является базовым элементом устройств аналоговой обработки сигналов и применяется в самых разнообразных схемах. На основе операционных усилителей (ОУ) создаются схемы, предназначенные для выполнения математических операций над входными сигналами (сложения, вычитания, интегрирования, выделения модуля функции и т.п.). Такие схемы находят широкое применение в устройствах автоматического управления. Наиболее распространенными являются суммирующие и интегрирующие схемы на ОУ, а также ряд схем, в которых ОУ используются в нелинейном режиме (мультивибратор, одновибратор, генератор линейно изменяющегося напряжения и т.д.).

Главным недостатком ОУ является нестабильность коэффициента усиления, который в полупроводниковых усилителях очень сильно зависит от режима работы, в первую очередь от температуры, и меняется от экземпляра к экземпляру в очень широких пределах. Кроме того, линейный участок  АЧХ ограничен весьма малыми значениями входных напряжений.

Поэтому ОУ  используются  с цепями обратной связи.

Основными схемами на ОУ являются инвертирующий и неинвертирующий усилители, режим работы которых осуществляется в пределах линейного участка передаточной характеристики. Любое схемотехническое решение с применением ОУ содержит одно из таких включений. Также весьма важны схемы компенсации напряжения сдвига

При анализе схем на ОУ обычно принимают следующие упрощающие предположения

· коэффициент усиления стремится к бесконечности;

· входы ОУ не потребляют тока;

· входное сопротивление стремиться к бесконечности;

· напряжение между входами равно нулю.

Неинвертирующий усилитель на ОУ

В неинвертирующем усилителе (рис. 8.10) коэффициент усиления всей схемы по напряжению может быть жестко задан с помощью сопротивлений R₁ и R_ос. В данной схеме входной сигнал подается на неинвертирующий вход ОУ. Усилитель содержит последовательную отрицательную обратную связь по напряжению, создаваемую на резисторе R

ос и поданную на инвертирующий вход. Схема обладает высоким полным входным сопротивлением.

Выражение для коэффициента усиления этой схемы можно получить, используя условие равенства напряжений на входах ОУ и считая ОУ идеальным. Тогда

,

отсюда коэффициент усиления схемы равен:

.

Повторитель напряжения

Если в неинвертирующем усилителе положить R_вх равным бесконечности (R_вх = ∞), а R_о равным нулю         (R_о = 0), то мы придём к схеме, изображённой на рис. 8.11.

Согласно принятым допущениям, напряжение на инвертирующем входе ОУ должно равняться входному напряжению (U_вх). Но, с другой стороны, неинвертирующий вход соединен с выходом схемы. Следовательно, Uвых = U

вх, то есть выходное напряжение повторяет входное напряжение.

Такая схема повторителя напряжения используется в качестве усилителя с большим значением входного сопротивления, обеспечивая развязку предыдущего каскада от нагрузочного влияния следующих за ним каскадов.

Инвертирующий усилитель

В инвертирующем усилителе (рис. 8.12) входной и выходной сигналы сдвинуты по фазе на 180°. Изменение знака выходного сигнала относительно входного создается введением по инвертирующему входу ОУ с помощью резистора R_ос параллельной обратной связи по напряжению. Неинвертирующий вход связан с общей точкой (заземляется). Входной сигнал подается через резистор R₁ на инвертирующий вход ОУ.

Так как неинвертирующий вход ОУ заземлен и разность напряжений между входами U

0 = 0, то инвертирующий вход тоже имеет нулевой потенциал относительно земли. Поэтому I_вх = U_вх / R₁. Так как входы ОУ не потр

Практическое применение операционных усилителей.Часть первая.

РадиоКот >Статьи >

Практическое применение операционных усилителей.Часть первая.

Всем привет.
В этой статье мы обсудим некоторые аспекты практического применения операционных усилителей в повседневной жизни радиолюбителя.
Не растекаясь мыслею по древу и не вдаваясь в дремучие теоретические основы работы вышеозначенного усилителя, давайте все же обозначим некоторые основные термины и понятия, с которыми нам предстоит столкнуться в дальнейшем.
Итак – операционный усилитель. Далее будем называть его ОУ, а то очень лень писать каждый раз полностью.
На принципиальных схемах, чаще всего, он обозначается следующим образом:

На рисунке обозначены три самых главных вывода ОУ – два входа и выход. Разумеется, есть еще выводы питания и иногда выводы частотной коррекции, хотя последнее встречается все реже – у большинства современных ОУ она встроенная. Два входа ОУ – Инвертирующий и Неинвертирующий названы так по присущим им свойствам. Если подать сигнал на Инвертирующий вход, то на выходе мы получим инвертированный сигнал, то бишь сдвинутый по фазе на 180 градусов – зеркальный; если же подать сигнал на Неинвертирующий вход, то на выходе мы получим фазово не измененный сигнал.

Так же как и основных выводов, основных свойств ОУ тоже три – можно назвать их ТриО (или ООО – кому как нравится): Очень высокое сопротивление входа, Очень высокий коэффициент усиления (10000 и более), Очень низкое сопротивление выхода. Еще один очень важный параметр ОУ называется скорость нарастания напряжения на выходе (slew rate на буржуинском). Обозначает он фактически быстродействие данного ОУ – как быстро он сможет изменить напряжение на выходе при изменение оного на входе.

Измеряется этот параметр в вольтах в секунду (В/сек).
Этот параметр важен прежде всего для товарищей, конструирующих УЗЧ, поскольку, если ОУ недостаточно быстрый, то он не будет успевать за входным напряжением на высоких частотах и возникнут изрядные нелинейные искажения. У большинства современных ОУ общего назначения скорость нарастания сигнала от 10В/мксек и выше. У быстродействующих ОУ этот параметр может достигать значения 1000В/мксек.
Оценить – подходит ли тот или иной ОУ для ваших целей по скорости нарастания сигнала можно по формуле:

где, fmax – частота синусоидального сигнала, Vmax – скорость нарастания сигнала, Uвых – максимальное выходное напряжение.

Ну да не будем больше тянуть кота за хвост – приступим к главной задаче этого опуса – куда, собственно, эти клевые штуки можно воткнуть и что из этого можно получить.

Первая схема включения ОУ – инвертирующий усилитель.

Наиболее популярная и часто встречающаяся схема усилителя на ОУ. Входной сигнал подается на инвертирующий вход, а неинвертирующий вход подключается к общему проводу.
Коэффициент усиления определяется соотношением резисторов R1 и R2 и считается по формуле:

Почему “минус”? Потому что, как мы помним, в инвертирующем усилителе фаза выходного сигнала “зеркальна” фазе входного.
Входное сопротивление определяется резистором R1. Ежели его сопротивление, например 100кОм, то и входное сопротивление усилителя будет 100кОм.

Следующая схема – инвертирующий усилитель с повышенным входным сопротивлением.

Предыдущая схема всем хороша, за исключением одного нюанса – соотношение входного сопротивления и коэффициента усиления может не подойти для реализации какого-либо специфического проекта. Ведь что получается – допустим, нам нужен усилитель с К=100. Тогда, исходя из того, что значения резисторов должны быть в разумных пределах берем R2=1Мом, а R1=10кОм. То есть, входное сопротивление усилителя будет равным 10 кОм, что в некоторых случаях недостаточно.
В этих самых случая можно применить следующую схему:

В данном случае, коэффициент усиления считается по следующей формуле:

То есть, при том же коэффициенте усиление сопротивление R1 можно увеличить, а значит и повысить входное сопротивление усилителя.

Едем дальше – неинвертирующий усилитель.
Выглядит он следующим образом:

Коэффициент усиления определяется так:

В данном случае, как видите, никаких минусов нет – фаза сигнала на входе и на выходе совпадает.
Основное отличие от инвертирующего усилителя заключается в повышенном входном сопротивлении, которое может достигать 10Мом и выше.
Если при реализации данной схемы в практических конструкциях, необходимо предусмотреть развязку с предыдущими каскадами по постоянному току – установить разделительный конденсатор, то нужно между входом ОУ и общим проводом включить резистор сопротивлением около 100кОм, как показано на рисунке.

Если этого не сделать, то ОУ перевозбудится и ничего дельного вы от него не получите. Ну кроме половины питания на выходе.

Усилитель с изменяемым коэффициентом усиления.

Примем R1=R2=R3=R. И введем некую переменную А, которая может принимать значения от 1 до 0 в зависимости от поворота движка переменного резистора R3.
Тогда коэффициент усиления можно определить так:
K=2A-1
Входное сопротивление практически не зависит от положения движка переменного резистора.
Так, с усилителями разобрались – дальше у нас по плану – фильтры.

Вопросы, как обычно, складываем тут.

---

Как вам эта статья?	Заработало ли это устройство у вас?

Орлов В.В. Применение операционных усилителей в радиолюбительских конструкциях

Орлов В.В. Применение операционных усилителей в радиолюбительских конструкциях

Основные сведения об операционных усилителях

Внутренняя структура. На рис. 1 приведена упрощенная принципиальная схема, на рис. 2 – условное графическое изображение операционного усилителя (ОУ), включенного по схеме неинвертирующего усилителя. Дифференциальный входной каскад ОУ на биполярных транзисторах VТ1, VT2 нагружен на токовое зеркало, собранное на транзисторах VT4, VT5. Ток покоя дифференциального каскада задает источник тока на транзисторе VТЗ. Второй каскад ОУ выполнен на транзисторе VT7, включенном по схеме усилителя с общим эмиттером. В качестве нагрузки второго каскада использован источник тока на транзисторе VT6. Выходной каскад ОУ образован транзисторами VT8, VT9, включенными по схеме двухтактного эмиттерного повторителя.

При использовании двухполярного источника питания ОУ имеет потенциал на выходе, близкий к нулю. Значение выходного постоянного напряжения (напряжение смещения) тем меньше, чем меньше входное напряжение сдвига. Для уменьшения входного напряжения сдвига и, следовательно, напряжения смещения необходимо резисторы R1 и R7, через которые протекают базовые токи транзисторов дифференциального входного каскада, выбирать равными.

В последнее время .в общем объеме производства ОУ все больший удельный вес имеют интегральные микросхемы, в которых наряду с биполярными используются полевые транзисторы. Несмотря на большее, чем в ОУ с биполярными транзисторами на входе, напряжение смещения, ОУ с полевыми транзисторами на входе имеют более высокую скорость нарастания выходного напряжения. На рис. 3 изображена упрощенная принципиальная схема ОУ с полевыми транзисторами на входе. Дифференциальный входной каскад на VТI, VT2 нагружен на токовое зеркало, выполненное на транзисторах VТ4, VT5. Ток покоя дифференциального входного каскада задан источником тока на полевом транзисторе VТЗ. Второй каскад ОУ выполнен на транзисторе VT7, включенном по схеме усилителя с общим эмиттером. В качестве нагрузки второго каскада использован источник тока на транзисторе VТ6. На выходе ОУ – двухтактный эмиттерный повторитель на транзисторах VT8, VT9.

Отрицательная обратная связь и устойчивость. При охвате ОУ отрицательной обратной связью (ООС) выходное напряжение частично или полностью подается через цепь ООС на вход ОУ, сдвиг фаз между входным и выходным напряжениями составляет 180°. Каждый усилительный каскад ОУ можно рассматривать как фильтр нижних частот, вносящий выше частоты среза фазовый сдвиг, равный 90°. В двухкаскадном ОУ фазовый сдвиг составляет: 90+90= 180°. При охвате двухкаскадного ОУ ООС суммарный сдвиг фаз между входным и выходным напряжением составляет на частотах выше частоты среза второго каскада: 180+ 180=360°. Если на этих частотах коэффициент усиления ОУ больше или равен 1, то выполняется условие возбуждения автогенератора (балансы фаз и амплитуд) и ОУ возбуждается. Для предотвращения самовозбуждения ОУ используются RС-цепи коррекции, уменьшающие до 1 коэффициент усиления ОУ раньше, чем начнется влияние второго фильтра нижних частот, образованного вторым каскадом ОУ.

…

---

Моделирование операционных усилителей на примере OPA2187

В статье описаны основные параметры операционных усилителей с замкнутой и разомкнутой цепями обратной связи. Приведены схемы для оценки моделей.

Для успешного выбора модели операционного усилителя (ОУ) необходимо определить главные критерии выбора, а после выбора усилителя требуется провести его моделирование в составе схемы. Следовательно, выбор правильной модели усилителя для текущего проекта – залог успеха разработчика. Качество моделирования зависит от используемой модели.

Рассмотрим параметры, определяющие соответствие модели реальным характеристикам ОУ.

 

Выходной импеданс при разомкнутой петле ОС

Одной из наиболее важных характеристик ОУ является выходной импеданс при разомкнутой петле ОС и малом переменном сигнале. Особое значение он имеет в процессе анализа устойчивости при малом сигнале или работе в присутствии импульсных помех в нагрузке (например, при управлении АЦП).

Для обозначения выходного импеданса ОУ при разомкнутой петле ОС при малом переменном сигнале будем использовать Z_O. Выходной импеданс при замкнутой цепи ОС для малого переменного сигнала обозначим Z_OUT. Их нельзя путать. Ниже будет показано, почему. К сожалению, производители по-разному обозначают данные параметры, отсюда и возникает путаница.

Импеданс Z_O наблюдается между каскадом с открытой петлей (A_OL) и выходным выводом (V_OUT). Он взаимодействует с A_OL на разных частотах, формируя выходной отклик ОУ. На рисунке 1 показана упрощенная модель ОУ при малом сигнале. Входной дифференциальный сигнал V_E вырабатывается внутренним входным сопротивлением R_DIFF. Он усиливается в A_OL, обеспечивая на выходе идеальное выходное напряжение V_O, которое падает на Z_O и появляется на выходном выводе V_OUT.

Рис. 1. Упрощенная модель ОУ при малом сигнале при открытой ОС

Импеданс Z_O является важной характеристикой выходного каскада ОУ. Прежде, когда были распространены более простые биполярные усилители, выходной импеданс с разомкнутой цепью ОС большинства устройств был резистивным, т. е. не зависел от частоты. В современных ОУ зависимость импеданса Z_O от частоты может иметь очень сложную форму с емкостным, индуктивным, резистивным участками с резкими переломами. Это обусловлено, например, использованием в аналоговых ИС входа и выхода с полным размахом напряжения (rail-to-rail), высокого коэффициента усиления с разомкнутой петлей ОС, высокого коэффициента удаления синфазной составляющей, низкого напряжения питания или связано с малым шумом.

На рисунке 2 сравниваются выходные импедансы с разомкнутой ОС современного биполярного усилителя Texas Instruments OPA202 с классическим выходным каскадом КМОП на OPA189 – усилителе с очень высокой точностью и полным размахом выходного напряжения (ultra-high DC precision). Виден резистивный характер импеданса Z_O OPA202, в то время как выходной импеданс Z_O усилителя OPA189 при разных частотах принимает то емкостной, то индуктивный характер.

Рис. 2. Выходной импеданс с разомкнутым контуром ОС для OPA202 и OPA189

Перед анализом модели ОУ на стабильность необходимо проверить, соответствует ли импеданс Z_O модели значениям, указанным в технической документации.

Рекомендуемая схема для проверки показана на рисунке 3. Дроссель L₁ образует замкнутый контур ОС для постоянного сигнала, позволяя проводить анализ с разомкнутой петлей ОС по переменному току. Конденсатор С1 при сигнале переменного напряжения закорачивает инвертирующий вход на общий провод, чтобы он не «повис в воздухе». ОУ должен работать в линейной области, как показано на рисунке 3. В этом случае V_OUT равно малому напряжению смещения. Необходимо следить, чтобы напряжение питания и синфазное напряжение не выходили за допустимые пределы.

Рис. 3. Тестовая схема для измерения выходного импеданса при разомкнутой цепи ОС

Источник переменного тока I_OUT подает ток из ОУ. В нашем примере I_OUT = 1 А. Далее измеряется выходное напряжение V_OUT, и по закону Ома рассчитывается выходной импеданс Z_O:

Для получения зависимости выходного импеданса Z_O от частоты достаточно получить модель передаточной характеристики в рассматриваемом частотном диапазоне, поскольку I_OUT = 1 А. Заметим, что многие симуляторы выдают результат на логарифмической шкале. В этом случае выходное напряжение соответствует Омам. На рисунке 4 показана зависимость выходного импеданса от частоты для модели OPA189. Видно, что выходной импеданс очень близок к характеристикам, указанным в документации. Таким образом, данную модель можно использовать для анализа при малом переменном сигнале.

Рис. 4. Зависимость выходного импеданса от частоты у модели OPA189

 

Выходной импеданс при замкнутом контуре ОС

Выходным импедансом Z_OUT при замкнутом контуре ОС называется импеданс, видимый со стороны выхода усилителя при замкнутом контуре ОС. В отличие от Z_O, который является характеристикой собственно усилителя и не меняется, Z_OUT зависит от Z_O, A_OL и β – коэффициента ОС.

Вернемся к модели ОУ для малого сигнала. На этот раз контур ОС замкнут (см. рис. 5).

Рис. 5. Упрощенная схема ОУ при замкнутом контуре ОС и малом сигнале

Из уравнения (2) видно, что выходной импеданс по-прежнему равен отношению V_OUT к I_OUT. Коэффициент ОС β вычисляется как отношение напряжения на выводе ОС V_FB к выходному напряжению V_OUT. Рассматривая схему как обычный резистивный делитель, получаем:

Поскольку неинвертирующий вход ОУ заземлен, напряжение ошибки V_E между выходами ОУ равно V_FB.  Переписывая уравнение (2), получаем:

ОУ усиливает напряжение V_E до V_O. Поскольку неинвертирующий вход заземлен, V_E отрицательно:

Теперь рассчитаем выходное напряжение. Для простоты допустим, что выходной импеданс намного меньше, чем импеданс цепи ОС, вследствие чего ток I_OUT течет только через Z_O:

Подставляя (4) в (5), получаем:

Подставляя (4) в (6), получаем:

Преобразуем (7):

Отсюда:

Поскольку коэффициент A_OL, как правило, высок, особенно при малом сигнале, импеданс Z_OUT очень мал. При этом если полоса пропускания ОУ превышена и контур ОС разрывается, Z_OUT приближается к Z_O.

На рисунке 6 показан выходной импеданс ОУ ОРА350 (выпущен в 2000 г.) при замкнутой цепи ОС. Заметим, насколько малым становится выходной импеданс (1–100 мОм) при уменьшении коэффициента ОС. Общая форма зависимости напоминает перевернутую зависимость выходного импеданса для усилителя с разомкнутой ОС.  Приведены зависимости для коэффициентов ОС, равных 1, 10 и 100 В/В.

Рис. 6. Выходной импеданс ОУ ОРА350 при замкнутой цепи ОС

Если производитель указал импеданс Z_OUT, то для сверки выходных импедансов потребуется схема, приведенная на рисунке 7.

Рис. 7. Тестовая схема для измерения выходного импеданса при замкнутой цепи ОС

Резисторы R_F и R_I замыкают контур ОС. Как и в предыдущем случае, I_OUT обозначает ток, вытекающий из ОУ. Применяя закон Ома, получаем:

Далее в рассматриваемом частотном диапазоне строится характеристика Z_OUT как передаточная характеристика V_OUT. Если симулятор позволяет, полезно несколько раз изменить значения R_F и R_I, чтобы подобрать параметры ОС, обеспечивающие максимально близкие к указанным в документации характеристики. Протестируем Z_OUT модели усилителя OPA350 при КУ = 1, 10 и 100 В/В.

Пусть для КУ = 1 В/В R_F = 1 мОм (замкнуто накоротко) и R_I = 1 TОм (разрыв цепи). Это стандартная конфигурация ОУ с единичным усилением. Для КУ = 10 В/В R_F = 10R_I, для КУ = 100 В/В R_F = 100R_I.

Выходной импеданс близок к указанному в документации за исключением небольшого отклонения на малых частотах. Для анализа стабильности при малом сигнале данные отклонения несущественны. Таким образом, предложенная модель позволяет исследовать реальный отклик схемы.

 

Коэффициент усиления при разомкнутой цепи ОС

Вернемся к схеме на рисунке 1. Входной дифференциальный сигнал V_E вырабатывается на входном сопротивлении R_DIFF усилителя. Он усиливается до идеального выходного напряжения V_O, проходит через импеданс Z_O на выходной вывод V_OUT.

Рис. 8. Зависимость выходного импеданса Z_OUT от частоты для модели OPA350

Как уже упоминалось, коэффициент усиления A_OL не является идеальным и зависит от частоты. Еще на стадии проектирования ОУ можно спрогнозировать его усиление и сдвиг фаз выходного сигнала относительно входного. На рисунке 8 приведен пример зависимости этих параметров от частоты. Для удобства анализа разделим график на три участка, как показано на рисунке 9.

Рис. 9. Режимы работы усилителя (A_OL)

На первом участке, выделенным красным, как коэффициент усиления, так и сдвиг фаз практически постоянны. В этом случае работа усилителя очень близка к идеальной. Максимальный коэффициент усиления очень высок – более 100 дБ, или 100 000 В/В, нет вероятности потери устойчивости.

Этот участок простирается до первого доминирующего полюса fp1. На этой частоте происходит изменение характера зависимости коэффициента усиления и сдвига фаз: коэффициент усиления уменьшается на 3 дБ, сдвиг фаз изменяется на –45°. Далее коэффициент усиления продолжает спадать со скоростью –20 дБ на декаду, сдвиг фаз изменяется на –90°. Этот участок спада отмечен зеленым. Именно на нем обычно работают ОУ. Усилители с отрицательной ОС можно настроить так, чтобы они стабильно работали при разных значениях коэффициента усиления при замкнутой цепи ОС (ACL), поскольку требуемый A_CL меньше A_OL на этих частотах.

Конец участка спада приходится на частоту единичного усиления. В этой точке коэффициент усиления достигает 0 дБ, или 1 В/В. Поскольку он не перестает уменьшаться при дальнейшем увеличении частоты, сигналы с более высокой частотой не могут пройти через усилитель без ослабления. Разница между текущим сдвигом фаз и –180° называется запасом по фазе. Это ключевой показатель общей стабильности ОУ в режиме единичного усиления.

Третий участок назовем высокочастотным – он показан голубым цветом. На нем проявляются высокочастотные полюсы и нули, что приводит к резкому изменению сдвига фаз. При этом схему становится сложно характеризовать. На данном участке на выходную характеристику ОУ начинают влиять импеданс Z_O, входная емкость C_IN, паразитные связи с печатной платой и другие высокочастотные характеристики. Соответственно, работать на этом участке не рекомендуется.

Итак, теперь становится очевидно, что необходимо промоделировать работу ОУ, чтобы понять, на каком участке он работает. На рисунке 10 приведена схема тестирования. Она очень похожа на схему измерения выходного импеданса при разомкнутой петле ОС. Дроссель L₁ замыкает контур обратной связи для постоянного сигнала, позволяя проводить анализ по переменному току. Резистор R₁ имеет невысокое сопротивление, позволяя учитывать неидеальность реальной схемы при моделировании. Конденсатор С₁ закорачивает инвертирующий вход усилителя на V_IN при переменном сигнале и выступает как разрыв цепи при постоянном сигнале.

Рис. 10. Схема для тестирования схемы с разомкнутой ОС

Если усилитель работает в линейной области, как показано на рисунке 10, напряжение V_OUT равно напряжению смещения. Следует следить за тем, чтобы выполнялись указанные в документации требования к напряжению питания, входному синфазному напряжению, сопротивлению и емкости нагрузки.

Для примера получим модель ОУ OPA1678 Texas Instruments. Это малошумящий звуковой усилитель общего назначения с малыми искажениями. Из рисунка 11 видно, что поскольку предложенная модель хорошо согласуется с поведением реального усилителя, ее можно использовать для анализа по малому сигналу.

Рис. 11. Результаты моделирования OPA1678

 

Коэффициент усиления с замкнутым контуром ОС

Коэффициент усиления при замкнутом контуре обратной связи A_CL характеризует отклик усилителя, охваченного отрицательной ОС. В отличие от коэффициента A_OL, который является собственной характеристикой ОУ и практически не зависит от нагрузки и характеристик ОС, коэффициент A_CL является функцией A_OL, Z_O и β.

Рассмотрим схему на рисунке 12. Это модель усилителя с отрицательной ОС для малого сигнала. Нашей задачей является нахождение передаточной функции, т. е. отношения V_OUT/V_IN, которое, в свою очередь, эквивалентно коэффициенту A_CL.

Рис. 12. Упрощенная модель ОУ при малом сигнале (с замкнутым контуром ОС)

Для начала вспомним, что коэффициент обратной связи β представляет собой отношение напряжения обратной связи V_FB к выходному V_OUT.  Напряжение обратной связи найдем из уравнения (11):

Поскольку неинвертирующий вход ОУ заземлен, напряжение ошибки V_E между входами равно V_FB. Из уравнения (11) получаем:

Чтобы найти A_CL, обратимся к контрольной модели ОУ с ОС (см. рис. 13). Для наглядности допустим, что Z_O замкнут накоротко, тогда V_O = V_OUT. На практике Z_O вносит вклад в работу схемы при переменном токе. Отрицательный вход сумматора представляет собой инвертирующий вход усилителя. Напряжение на нем равно V_FB.

Рис. 13. Теоретическая модель усилителя с замкнутым контуром ОС

Принимая во внимание уравнение (12), после суммирования получаем:

На выходе схемы напряжение равно входному напряжению, помноженному на A_OL (14):

Отсюда получаем:

Учитывая, что A_OL → ∞, упрощаем выражение:

Этим приближением пользуются достаточно часто на низких и средних частотах, однако необходимо помнить, что A_OL начинает заваливаться, начиная с частоты первого доминирующего полюса fp₁, поэтому на высоких частотах A_CL тоже начинает спадать.

Рис. 14. Коэффициент усиления OPA1678 при замкнутой цепи ОС

Большинство производителей специфицируют A_CL для нескольких β. На рисунке 14 показана зависимость коэффициента усиления с замкнутой ОС от частоты для OPA1678. Заметим, что она очень гладкая на низких и средних частотах, начинает спадать на более высокой частоте, чем коэффициент A_OL. На рисунке 15 показана рекомендуемая схема измерения A_CL для трех разных коэффициентов усиления.

Рис. 15. Схема для тестирования схемы с замкнутой ОС

При КУ = 1 резистор R_F закорочен, R_I представляет собой разрыв цепи.  R_F = R_I при КУ = –1. R_F = 10R_I при КУ = 10. На рисунке 16 показаны результаты моделирования.

Рис. 16. Результаты тестирования OPA1678 (A_CL)

Эти результаты хорошо соответствуют теоретическим кривым при КУ = –1 и КУ = 10. Поведение при КУ = 1 на высоких частотах заметно отличается. Это объясняется влиянием внешних компонентов схемы. Кроме того, поскольку среди устройств серии всегда имеется некоторый разброс характеристик, в документации приведены средние показатели. Например, типичное значение входной емкости (C_DIFF) OPA1678 равно 6 пФ, и разумным допуском следует принять погрешность до ±20%. На рисунке 17 видны различия, обусловленные вариацией значений C_DIFF. Таким образом, она сильно влияет на поведение усилителя на частотах выше 10 МГц, смещая угловую частоту. Изменение емкости нагрузки и сопротивления ОС приводит к аналогичному эффекту.

Рис. 17. Влияние номинала CDIFF на OPA1678 на A_CL при КУ = 1

При анализе модели рекомендуется измерить частоту на уровне –3 дБ и оценить характер спада выходной характеристики. Они должны отличаться от указанных в документации не более чем на ±20%.

 

Ступенчатый отклик при малом сигнале

Полосу пропускания усилителя при малом сигнале можно измерить во временной области, подав ступенчатый сигнал. На усилитель, охваченный контуром ОС, подается прямоугольный импульс с малой амплитудой (не более 100 мВ), и измеряется выходное напряжение. Полученная характеристика содержит много информации: время нарастания и спада определяет полосу пропускания при замкнутой цепи ОС. Перегрузка на выходе позволяет оценить запас по фазе. На рисунке 18 показан пример отклика на прямоугольный импульс для OPA1678 при КУ = 1 и КУ = –1.

Рис. 18. Отклик OPA1678 на прямоугольный импульс

Схема для тестирования показана на рисунке 19.

Рис. 19. Схема для тестирования отклика схемы на прямоугольный импульс

Для получения отклика на прямоугольный импульс следует воспользоваться анализом переходных процессов и измерить выходное напряжение при КУ = 1 и КУ = –1. На рисунках 20–21 приведены результаты тестирования и заявленные характеристики OPA1678.

Рис. 20. Результаты тестирования OPA1678 при КУ = 1Рис. 21. Результаты тестирования OPA1678 при КУ = –1

 

Коэффициент подавления синфазной составляющей

Операционный усилитель усиливает входной дифференциальный сигнал, не пропуская синфазную составляющую, т. е. среднее напряжение, присутствующее на входах (см. рис. 22).

Рис. 22. Дифференциальный и синфазный сигнал

Синфазную составляющую можно также представить напряжением смещения, паразитными наводками или шумом. Если от них не избавиться, они усилятся, приведя к насыщению усилителя и невозможности выделить полезный сигнал.

Обратимся к упрощенной модели ОУ на рисунке 23. Синфазная составляющая показана в виде источника напряжения ошибки V_CMRR на неинвертирующем входе. Это напряжение зависит от коэффициента подавления синфазной составляющей и величины синфазной составляющей во входном сигнале. Оно усиливается вместе с входным дифференциальным сигналом, образуя выходное напряжение V_OUT.

Рис. 23. Упрощенная модель CMRR

Коэффициент подавления синфазной составляющей меняется с частотой: он выше на низких частотах и в большинстве усилителей составляет 80–160 дБ (см. рис. 24).

Рис. 24. Типичная зависимость CMRR от частоты

Рассмотрим пример. Если входная синфазная составляющая имеет частоту 100 кГц, то коэффициент подавления равен 100 дБ. Преобразуем его в безразмерную величину (В/В):

Теперь рассчитаем приведенное ко входу напряжение ошибки, вносимое синфазным сигналом на частоте 100 кГц. Для этого перемножим амплитуду синфазного сигнала и коэффициент подавления 10 мкВ/В. Выражение (18) позволяет рассчитать размах амплитуды синфазной составляющей 1 В:

Таким образом, синфазный входной сигнал с размахом амплитуды 1 В и частотой 100 кГц генерирует сигнал ошибки, приведенный ко входу, около 10 мкВ. Из рисунка 24 можно получить значения для других частот.

Измерить коэффициент подавления синфазной составляющей можно через отношение КУ дифференциального сигнала при разомкнутой петле ОС к КУ синфазного сигнала при разомкнутой петле ОС. Поскольку измерить эти коэффициенты достаточно сложно, воспользуемся моделированием (см. рис. 25).

Рис. 25. Схема для тестирования CMRR

В верхней части на входы U₁ подается переменное напряжение V_IN, чтобы получить чисто синфазный сигнал. Дроссель L1 выступает в роли провода при постоянном сигнале. При переменном сигнале это разрыв схемы, т. е. контур ОС разрывается, и можно измерить коэффициент усиления синфазного сигнала при разомкнутой петле ОС A_CМ.

В нижней части источник входного переменного напряжения преобразован в дифференциальный с помощью ГУН Е₁ и Е₂. Таким образом, на вход U₂ поступает дифференциальный сигнал, центрированный на уровне 0 В. По аналогии с верхней частью находим A_DM. Следует удостовериться, что усилители работают в линейной области.

Для получения коэффициента подавления синфазной составляющей требуется найти передаточную характеристику для переменного сигнала в интересующем частотном диапазоне. Отношение A_DM/A_CM и даст искомый коэффициент подавления синфазной составляющей. На рисунке 26 приведены результаты для модели OPA2187 (маломощный прецизионный ОУ с нулевым напряжением дрейфа).

Рис. 26. Результаты тестирования OPA2187

 

Подавление помех по питанию

Коэффициент подавления помех по шине питания (PSRR) (в отечественной литературе в аналогичных случаях часто используется термин «коэффициент ослабления нестабильности питания, хотя, строго говоря, это не одно и то же) характеризует, насколько хорошо ОУ ослабляет пульсации на шине питания, которые практически всегда имеются на этих шинах и порождают ошибку VPSRR. На рисунке 27 показан вклад этой ошибки, приведенный ко входу.

Рис. 27. Упрощенная модель PSRR

На рисунке 28 показан типичный вид зависимости PSRR от частоты. Для положительного и отрицательного источников питания зависимости различаются. Если они совпадают, в документации указывают только одну зависимость.

Рис. 28. Типичная зависимость PSRR от частоты

Коэффициент PSRR определяется как отношение сигнала, приложенного к одному из выводов питания, к общему напряжению смещения на входе. На рисунках 29–30 приведены рекомендуемые схемы тестирования для положительного и отрицательного коэффициентов PSRR. Источник переменного напряжения V_IN генерирует положительный сигнал тестирования. Усилитель работает как стандартный буфер с единичным усилением, неинвертирующий вход заземлен. Измеряется напряжение смещения на входе V_OS.

Рис. 29. Схема для тестирования PSRR+Рис. 30. Схема для тестирования PSRR–

Для получения частотной зависимости PSRR проведем анализ передаточной характеристики при переменном сигнале. Получим зависимость V_IN и V_OS. С помощью функции постобработки симулятора получаем кривую V_IN/V_OS, т. е. PSRR.

На рисунке 31 приведены результаты тестирования модели OPA2187. Видно близкое соответствие полученных значений приведенным в документации.

Рис. 31. Результаты тестирования модели OPA2187

 

V

_OS, I_B, I_OS

Во многих прецизионных схемах при выборе ОУ одними из первых параметров рассматриваются V_OS и I_B. Напряжение V_OS – напряжение ошибки, обусловленное слабым рассогласованием транзисторов во входной дифференциальной паре ОУ.

Напряжение V_OS моделируется как источник постоянного напряжения ошибки, подключенных к неинвертирующему входу. Оно не зависит от частоты, однако меняется с изменением температуры.

Ток сдвига I_B поступает на входы ОУ. Для биполярных усилителей он обусловлен током базы входных транзисторов; для полевых транзисторов это ток утечки входных диодов, защищающих от электростатического разряда.

Поскольку в идеальном случае на входы поступают токи одинаковой величины, они уничтожаются. Однако на практике это происходит редко. Разница между токами сдвига на неинвертирующем и инвертирующем входах называется током смещения I_OS. При моделировании I_B заменяют источником постоянного тока, включенным между входом усилителя и общим проводом. Этот источник зависит от температуры.

При малых значениях сопротивлений на входе и в контуре ОС токи I_B и I_OS не вносят заметной погрешности в работу схемы (см. рис. 32).

Рис. 32. Упрощенная модель ОУ с учетом I_B и V_OS

Следует помнить, что источники ошибки CMRR, PSRR и V_OS могут быть как положительной, так и отрицательной полярности. Поскольку они некоррелированы и подчиняются распределению Гаусса, можно использовать сумму их среднеквадратичных значений, чтобы упростить анализ.

В таблице приведены характеристики V_OS, I_B и I_OS, указанные в документации OPA2187. Приведены максимальные и типичные значения. При создании модели используются средние показатели, чтобы анализировать типичное поведение ОУ.

Рис. 33. Схема для тестирования V_OS, I_B, I_OS

Верификация V_OS, I_B и I_OS не представляет труда. На рисунке 33 приведена схема тестирования. Усилитель работает в режиме буферного повторителя, неинвертирующий вход заземлен. Ток измеряется на обоих входах ОУ (I_B+ и I_B–), дифференциальный вольтметр V_OS подключен между входами. С помощью анализа рабочей точки по постоянному току получаем показания всех трех приборов. Если требуется исследовать зависимость от температуры, анализ повторяют при других значениях температуры.

Рис. 34. Результаты тестирования OPA2187

На рисунке 34 показаны результаты тестирования OPA2187. Сравнивая их с приведенными в документации (см. табл.), видно, что модель обеспечивает точные результаты.

Таблица. Характеристики VOS, IB и IOS, указанные в документации OPA2187

	Условие	Тип. значение	Макс. значение
Напряжение смещения
VOS – входное напряжение смещения, мкВ		±1	±15
Входной ток сдвига
IB – входной ток сдвига, пА	VCM = VS/2	±100	±350
IOS – входной ток смещения, пА		±100	±500

 

Выводы

Мы рассмотрели разницу между параметрами Z_O и Z_OUT, нашли взаимосвязь между ними. Выходной импеданс является важным параметром при оценке работы ОУ при малом сигнале.

Коэффициенты усиления ОУ при наличии ОС и в ее отсутствие различаются. Мы нашли связь между ними. Коэффициент усиления A_OL является собственной характеристикой ОУ и практически не зависит от параметров ОС и нагрузки.

При воздействии прямоугольным импульсом выброс в выходном сигнале позволяет судить о запасе по фазе и устойчивости ОУ.

Коэффициент CMRR показывает, насколько хорошо усилитель подавляет синфазную составляющую. Этот коэффициент определяет степень подавления помех по питанию.

Для анализа зависимости работы ОУ от температуры требуются параметры V_OS, I_B и I_OS. Они не зависят от частоты входного сигнала.

Модели операционных усилителей

Добавлено 29 декабря 2018 в 04:20

Сохранить или поделиться

Хотя упоминание об операционных усилителях обычно вызывает воспоминание о полупроводниковых устройствах, построенных как интегральные микросхемы на миниатюрном кремниевом чипе, первые операционные усилители были фактически схемами на электронных лампах. Первый коммерческий операционный усилитель общего назначения был изготовлен компанией George A. Philbrick Researches, Incorporated в 1952 году. Обозначенный как K2-W, он был построен на двух сдвоенных триодных лампах, смонтированных вместе с восьмивыводным разъемом для легких установки и обслуживания в шасси электронного оборудования той эпохи. Сборка выглядела примерно так:

Операционный усилитель Philbrick Researches, модель K2-W

Принципиальная схема представляет собой две лампы, а также десять резисторов и два конденсатора, довольно простая схема даже по стандартам 1952 года:

Операционный усилитель K2-W, принципиальная схема

В случае если вы не знакомы с работой электронных вакуумных ламп, они работают аналогично полевым транзисторам с изолированным затвором (IGFET) с обедненным каналом N-типа: то есть они проводят большой ток, когда управляющая сетка (пунктирная линия) становится более положительной по напряжению по отношению к катоду (изогнутая линия в нижней части условного обозначения лампы), и проводят меньше тока, когда управляющая сетка по напряжению менее положительна (или более отрицательна), чем катод. Лампа двойного триода слева работает как дифференциальная пара, преобразующая дифференциальные входные сигналы (сигналы напряжения на инвертирующем и неинвертирующем входах) в один усиленный сигнал напряжения, который затем подается на управляющую сетку левого триода второй триодной пары через делитель напряжения (1 МОм – 2,2 МОм). Этот триод усиливает и инвертирует выходной сигнал дифференциальной пары для получения большего коэффициента усиления по напряжению, затем усиленный сигнал подается на второй триод этой же лампы двойного триода в схеме неинвертирующего усилителя для получения большего коэффициента усиления по току. Две неоновые «светящиеся лампы» действуют как стабилизаторы напряжения, аналогично поведению полупроводниковых стабилитронов, для обеспечения напряжения смещения в соединении между двумя несимметричными триодными усилителями.

При напряжении двуполярного источника питания +300/-300 вольт этот операционный усилитель мог развивать выходное напряжение только до +/- 50 вольт, что очень плохо по сегодняшним стандартам. Он имел коэффициент усиления по напряжению при разомкнутой петле обратной связи от 15000 до 20000, скорость нарастания +/- 12 вольт/микросекунда, максимальный выходной ток 1 мА, потребляемую мощность более 3 Вт (без учета ламп накаливания!), и стоил около 24 долларов в 1952 году. Лучшей производительности можно было бы достичь, используя более сложную конструкцию схемы, но только при большем энергопотреблении, большей стоимости и пониженной надежности.

С появлением твердотельных транзисторов стали возможны операционные усилители с гораздо меньшим энергопотреблением и повышенной надежностью, но многие другие параметры производительности остались примерно такими же. Возьмем, к примеру, модель P55A от Philbrick, твердотельный операционный усилитель общего назначения примерно 1966 года. P55A демонстрировал коэффициент усиления при разомкнутой петле обратной связи 40000, скорость нарастания 1,5 вольт/мкс и размах выходного сигнала +/- 11 вольт (при напряжении источника питания +/- 15 вольт), максимальный выходной ток 2,2 мА и стоимость 49 долларов (или около 21 доллара для версии «широкого потребления»). P55A, как и другие операционные усилители линейки Philbrick, имел дискретную компонентную конструкцию, состоящую из транзисторов, резисторов и конденсаторов, помещенных в твердый «кирпич», напоминающий большой корпус интегральной микросхемы.

Построить неточный операционный усилитель на дискретных компонентах нетрудно. Схема одной такой схемы показана на рисунке ниже.

Простой операционный усилитель, выполненный на дискретных компонентах

Несмотря на то, что его производительность по современным стандартам довольно неутешительна, он демонстрирует, что для создания минимально функционирующего операционного усилителя сложность не требуется. Транзисторы Q3 и Q4 формируют сердце другой схемы дифференциальной пары, полупроводникового эквивалента первой триодной лампы в схеме K2-W. Как и в схеме с электронной вакуумной лампой, назначением дифференциальной пары является усиление и преобразование дифференциального напряжения между двумя входными клеммами в выходное несимметричное напряжение.

С появлением технологии интегральных микросхем (ИМС) в конструкциях операционных усилителей произошло резкое увеличение производительности, надежности, плотности и экономичности. Между 1964 и 1968 годами корпорация Fairchild представила три модели микросхем операционных усилителей: 702, 709 и всё еще популярный 741. Хотя 741 в настоящее время считается устаревшим с точки зрения производительности, он по-прежнему пользуется популярностью среди любителей за свою простоту и отказоустойчивость (например, защита от короткого замыкания на выходе). Личный опыт использования множества операционных усилителей 741 привел меня к выводу, что его сложно убить…

Внутренняя принципиальная схема операционного усилителя модели 741 показана на рисунке ниже.

Операционный усилитель, модель 741. Принципиальная схема

По стандартам интегральных микросхем 741 является очень простым устройством: пример низкой степени интеграции, или технологии SSI (small-scale integration). Сборка этой схемы на дискретных компонентах стоила бы усилий, поэтому вы можете увидеть преимущества даже самой примитивной технологии интегральных микросхем по сравнению с дискретными компонентами, когда задействовано большое количество элементов.

Радиолюбителям, студентам и инженерам, желающим повысить производительность, на выбор предлагаются сотни моделей операционных усилителей. Многие продаются по цене менее доллара за штуку даже в розницу. Операционные усилители специального назначения, измерительные (инструментальные) и радиочастотные, могут быть немного дороже. В этом разделе я продемонстрирую несколько популярных и доступных операционных усилителей, сравнивая их технические характеристики. Достопочтенный 741 включен в качестве «эталона» для сравнения, хотя он, как я уже говорил, считается устаревшим.

Модели операционных усилителей

Широко используемые модели операционных усилителей

Модель	Устройства/корпус	Напряжение питания	Полоса пропускания	Ток смещения	Скорость нарастания напряжения	Выходной ток
(номер)	(количество)	(В)	(МГц)	(нА)	(В/мкс)	(мА)
TL082	2	12 / 36	4	8	13	17
LM301A	1	10 / 36	1	250	0. 5	25
LM318	1	10 / 40	15	500	70	20
LM324	4	3 / 32	1	45	0.25	20
LF353	2	12 / 36	4	8	13	20
LF356	1	10 / 36	5	8	12	25
LF411	1	10 / 36	4	20	15	25
741C	1	10 / 36	1	500	0.5	25
LM833	2	10 / 36	15	1050	7	40
LM1458	2	6 / 36	1	800	10	45
CA3130	1	5 / 16	15	0.05	10	20

В приведенной выше таблице перечислены лишь некоторые из недорогих моделей операционных усилителей, широкодоступных у поставщиков электроники. Большинство из них доступно в розничных магазинах. Все цены ниже 1 доллара. Как вы можете видеть, между некоторыми из этих устройств наблюдается существенная разница в производительности. Возьмем, к примеру, параметр входного тока смещения: CA3130 выигрывает приз за самое низкое значение, 0,05 нА (или 50 пА), а LM833 имеет самое высокое значение, чуть более 1 мкА. Модель CA3130 достигает своего невероятно низкого тока смещения благодаря использованию MOSFET транзисторов в своем входном каскаде. Один производитель объявляет входное сопротивление 3130 равным 1,5 тераом, или 1,5 x 10¹² Ом! Другие операционные усилители, показанные здесь, с низкими значениями тока смещения используют на входах полевые транзисторы (JFET), в то время как модели с высоким током смещения используют на входах биполярные транзисторы.

В то время как 741 указывается в схемах многих электронных проектов и демонстрируется во многих учебниках, его производительность во всех отношениях давно обойдена другими конструкциями. Некоторые конструкции, даже изначально основанные на 741, с годами были улучшены, чтобы значительно превзойти первоначальные технические характеристики. Одним из таких примеров является модель 1458, два операционных усилителя в 8-выводном DIP корпусе, которая когда-то имела те же характеристики производительности, что и одиночный 741. В своем последнем воплощении он может похвастаться более широким диапазоном напряжений источника питания, скоростью нарастания напряжения в 50 раз выше и почти вдвое большим выходным током по сравнению с 741, при этом сохранив функцию защиты от короткого замыкания как в 741. Операционные усилители с полевыми транзисторами (JFET и MOSFET) на входах значительно превосходят характеристики 741 по току смещения и, как правило, превосходят 741 по ширине полосы частот и скорости нарастания напряжения.

Мои персональные рекомендации для операционных усилителей таковы: когда приоритетом является низкий ток смещения (например, в схемах низкоскоростных интеграторов), выбирайте 3130. Для работы усилителя постоянного тока общего назначения хорошую производительность предлагает модель 1458 (и вы можете получить два операционных усилителя в одном корпусе). Для повышения производительности выбирайте модель 353, так как это совместимая по выводам замена для 1458. 353 разработан с входной схемой на полевых транзисторах для получения очень низкого тока смещения и имеет полосу пропускания, в 4 раза большую, чем у 1458, хотя его ограничение по выходному току ниже (но выход всё еще имеет защиту от короткого замыкания). Может быть, его будет труднее найти на полке вашего местного магазина радиодеталей, но он всё еще продается по разумной цене, как и 1458.

Если требуется низкое напряжение питания, я рекомендую модель 324, так как она работает при постоянном напряжении 3 В. Ее требования к входному току смещения также низки, и она предоставляет четыре операционных усилителя в одной 14-выводной микросхеме. Ее основными недостатками являются скорость, полоса пропускания, ограниченная до 1 МГц, и скорость нарастания выходного напряжения только 0,25 вольт в микросекунду. Для схем высокочастотных усилителей хорошо подходит модель «общего назначения» 318.

Операционные усилители специального назначения, доступные по скромной цене, обеспечивают лучшие технические характеристики. Многие из них выполнены для определенного типа преимуществ по производительности, таких как максимальная полоса пропускания или минимальный ток смещения. Возьмем, для примера, операционные усилители в таблице ниже, оба из которых рассчитаны на высокую пропускную способность.

Операционные усилители с высокой пропускной способностью

Модель	Устройства/корпус	Напряжение питания	Полоса пропускания	Ток смещения	Скорость нарастания напряжения	Выходной ток
(номер)	(количество)	(В)	(МГц)	(нА)	(В/мкс)	(мА)
CLC404	1	10 / 14	232	44000	2600	70
CLC425	1	5 / 14	1900	40000	350	90

CLC404 стоит 21,8 долларов (почти столько же, сколько первый коммерческий операционный усилитель Джорджа Филбрика, хотя и без поправки на инфляцию), а CLC425 стоит немного дешевле – 3,23 доллара за штуку. В обоих случаях высокая скорость достигается за счет высоких токов смещения и ограниченных диапазонов напряжения питания.

Некоторые операционные усилители, рассчитанные на высокую выходную мощность, перечислены в таблице ниже.

Операционные усилители с высокими выходными токами

Модель	Устройства/корпус	Напряжение питания	Полоса пропускания	Ток смещения	Скорость нарастания напряжения	Выходной ток
(номер)	(количество)	(В)	(МГц)	(нА)	(В/мкс)	(мА)
LM12CL	1	15 / 80	0.7	1000	9	13000
LM7171	1	5.5 / 36	200	12000	4100	100

Да, на самом деле LM12CL имеет номинальный выходной ток 13 ампер (13000 миллиампер)! Он стоит 14,4 долларов, что не так уж и много, учитывая мощность устройства. LM7171, с другой стороны, обменивает способность высокого выходного тока на способность быстрого изменения выходного напряжения (высокой скорости нарастания напряжения). Он стоит 1,19 доллара, примерно столько же, сколько стоят некоторые операционные усилители общего назначения.

Также могут быть приобретены сборки усилителей, готовые к применению, в отличие от голых операционных усилителей. Например, корпорации Burr-Brown и Analog Devices, давно известные своими линейками прецизионных усилителей, предлагают в заранее разработанных корпусах инструментальные усилители, а также другие специализированные усилительные устройства. В конструкциях, где важны высокая точность и повторяемость после ремонта, разработчику может быть выгоднее выбрать такой заранее спроектированный усилительный «блок», а не создавать схему из отдельных операционных усилителей. Конечно, эти устройства обычно стоят немного больше, чем отдельные операционные усилители.

Оригинал статьи:

Теги

ОбучениеОУ (операционный усилитель)Электроника

Сохранить или поделиться

10 схем на (почти) все случаи жизни

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

Введение

В рамках данной статьи будет рассмотрено десять широко используемых схем на операционных усилителя. При написании данной статьи я исходил из того, что читатель знает, что такое операционный усилитель и хотя бы в общих чертах представляет, как он работает. Также предполагается, что ему известны базовые вещи теории электрических цепей, такие как закон Ома или расчет делителя напряжения.
Не следует воспринимать эту статью как законченное руководство по применению операционных усилителей в любых ситуациях. Для большого количества задач, действительно, этих схем может быть достаточно, однако в сложных проектах всегда может потребоваться что-то нестандартное.

1. Неинвертирующий усилитель

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

Из этой формулы легко получается коэффициент усиления неинвертирующего усилителя:

Рассчитаем и промоделируем неинвертирующий усилитель со следующими параметрами:

• Операционный усилитель LT1803
• Коэффициент усиления
• Частота входного сигнала
• Амплитуда входного сигнала
• Постоянна составляющая входного сигнала

Выберем из ряда Е96 и . Тогда коэффициент усиления будет равен

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

2. Повторитель

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

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

Моделирования будем проводить для двух случаев: в первом случае пусть источник сигнала работает на нагрузку через повторитель, а во втором случае — напрямую.
Результаты моделирования приведены на рисунке ниже (картинка кликабельна): на верхней осциллограмме выходной и входной сигналы в точности совпадают друг с другом, тогда как на нижней сигнал на выходе в несколько раз меньше по амплитуде относительно сигнала на входе.
Вместо повторителя на операционном усилителе можно также использовать и эмиттерный повторитель на транзисторе, не забывая, однако, про присущие ему ограничения.

3. Инвертирующий усилитель (классическая схема)

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

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

Отсюда коэффициент усиления инвертирующего усилителя равен

По инвертирующему усилителю можно сделать следующие выводы:

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

Для примера рассчитаем инвертирующий усилитель со следующими параметрами:

• Операционный усилитель LT1803
• Коэффициент усиления
• Частота входного сигнала
• Амплитуда входного сигнала
• Постоянна составляющая входного сигнала

В качестве резисторов в цепи обратной связи выберем резисторы номиналами и : их отношение как раз равно десяти.
Результаты моделирования усилителя приведены на рисунке (картинка кликабельна).
Как видим, выходной сигнал в 10 раз больше по амплитуде, чем входной, и при этом проинвертирован.
Входное сопротивление данной схемы равно . А что будет, если источник сигнала будет иметь значительное выходное сопротивление, допустим, эти же 10 кОм? Результат моделирования этого случая представлен на рисунке ниже (картинка кликабельна).
Амплитуда выходного сигнала просела в два раза по сравнению с предыдущим случаем! Очевидно, что это все из-за того, что выходное сопротивление генератора в этом случае равно входному сопротивлению инвертирующего усилителя. Таким образом, стоит всегда помнить про эту особенность инвертирующего усилителя. Как же быть, если все-таки требуется обеспечить работу источника сигнала с высоким выходным сопротивлением на инвертирующий усилитель? В теории надо увеличивать сопротивление R1. Однако одновременно с эти будет расти и сопротивление R2. Если мы хотим обеспечить входное сопротивление схемы в 500 кОм при коэффициенте усиления 10, резистор R2 должен иметь сопротивление в 5 МОм! Такие большие номиналы сопротивлений применять не рекомендуется: схема будет очень чувствительной к наводкам, пыли и флюсу на печатной плате. Есть ли какие-то выходы из этой ситуации? На самом деле да. Можно, например, использовать буфер-повторитель, который мы рассмотрели в прошлом разделе. А можно еще применить схему с Т-образным мостом в обратной связи, про нее поговорим в следующем разделе.

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

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

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

Результаты моделирования схемы усилителя приведены на рисунке ниже (картинка кликабельна).
Попробуем теперь подключить источник с выходным сопротивлением 10 кОм, как мы это сделали в предыдущем разделе. Получим такую картинку (кликабельно):
Выходной сигнал практически не изменился по амплитуде по сравнению с предыдущим моделированием, и это ни в какое сравнение не идет с тем, насколько он проседал в схеме простого инвертирующего усилителя без Т-моста. Кроме того, как мы видим, эта схема позволяет обойтись без мегаомных резисторов даже при больших коэффициентах усиления и значительном входном сопротивлении.

5. Инвертирующий усилитель в схемах с однополярным питанием

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

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

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

Отсюда напряжения на инвертирующем входе равно

Напряжение на неинвертирующем входе равно

Исходя из принципа равенства напряжения на инвертирующем и неинвертирующем входах получаем

Таким образом, напряжение на выходе операционного усилителя равно

Отсюда делаем вывод, что для корректной работы напряжения смещения должно быть больше максимального входного напряжения с учетом подаваемого на вход напряжения смещения.
Промоделируем схему инвертирующего усилителя со следующими параметрами:
Результаты моделирования приведены на рисунке ниже (картинка кликабельна)
Как видим, мы получили усиленный в 10 раз инвертированный сигнал, при этом сигнал проинвертировался, однако, не залез в отрицательную область.

6. Инвертирующий сумматор

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

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

Результат моделирования приведен на рисунке ниже (картинка кликабельна).
Видим, что выходной сигнал проинвертирован и усилен в соответствии с выражением, приведенным выше. Однако стоит всегда помнить, что приведенное выше выражение верно для постоянных напряжений (либо же мгновенных значений переменного сигнала). Если же сдвинуть сигналы по фазе или если они будут обладать разной частотой, то результат будет совершенно другим. Аналитически его можно рассчитать, воспользовавшись формулами преобразования тригонометрических выражений (в случае, если мы имеем дело с синусоидальными сигналами). В качестве примера на рисунке ниже приведен результат моделирования инвертирующего сумматора для случая сдвинутых по фазе входных сигналов (изображение кликабельно).
Как видим, итоговый сигнал не превышает по амплитуде сигнал , а также имеет в начальной части артефакты, вызванные постепенным появлениями сигналов на входах.
Необходимо также помнить, что инвертирующий сумматор – по сути все тот же инвертирующий усилитель, и его входное сопротивление определяется величиной резистора в цепи обратной связи, поэтому его надо аккуратно применять в случаях, если источник сигнала имеет большое выходное сопротивление.

7. Дифференциальный усилитель

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

Для дифференциального усилителя можно записать следующие выражения:

Решая эту систему уравнений, получаем

Если мы примем, что

то данное выражение упрощается и преобразуется в

Таким образом, коэффициент усиления дифференциального сигнала определяется отношением R2 к R1.
Эта формула (да и сама схема включения дифференциального усилителя) очень похожа на рассмотренный ранее случай инвертирующего усилителя в схеме с однополярным питанием. Действительно, все так и есть: схема инвертирующего усилителя с однополярным питанием и напряжением смещения есть частный случай дифференциального усилителя, просто в ней на один из входов подается не какой-то переменный сигнал, а постоянное напряжение.
Произведем моделирование схемы со следующими параметрами:
Результаты моделирования приведены на рисунке ниже (изображение кликабельно).
Как видим, разница между сигналами и в 5 мВ оказалась усиленной в 50 раз и стала 250 мВ.
Посмотрим теперь, как дифференциальный усилитель давит синфазную помеху. Для этого подключим к сигналам и общий генератор белого шума и произведем моделирование, его результаты представлены на рисунке (картинка кликабельна).
На верхней осциллограмме приведены сигналы и с добавленной помехой: самого сигнала уже даже не видно за шумами. На нижней осциллограмме приведен результат работы дифференциального усилителя. Поскольку помеха одна и та же для инвертирующего и неинвертирующего входа, дифференциальный усилитель ее убирает, и в результате мы имеем чистый сигнал, не отличающийся от случая без помехи. Однако стоит все же помнить, что способность операционного усилителя давить синфазную помеху не бесконечна, данный параметр обычно приводится в документации на операционный усилитель. Кроме того, нельзя забывать и про величину входного сопротивления дифференциального усилителя со стороны инвертирующего входа: оно по-прежнему может быть невелико.

8. Источник тока

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

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

Произведем расчет и моделирование источника тока со следующими параметрами:

• Операционный усилитель LT1803
• Величина силы тока
• Величина сопротивления нагрузки

Для обеспечения заданных характеристик подойдут следующие номиналы сопротивлений резисторов:

Результат моделирования источника тока с заданными параметрами представлен на рисунке ниже (изображение кликабельно).
На рисунке приведено два графика. Верхний график показывает величину тока через сопротивление нагрузки, и она равна 10 мА. Нижний график показывает напряжение на нагрузке, оно равно 100 мВ. Попробуем теперь изменить сопротивление нагрузки: вместо 10 Ом возьмем 100 Ом и промоделируем (изображение кликабельно):
Как мы видим, через нагрузку течет все тот же самый ток в 10 мА: операционный усилитель отработал изменение нагрузки, повысив на ней напряжение, оно теперь стало равным 1 В. Но в реальности операционный усилитель не сможет поднимать напряжение бесконечно: оно ограничено напряжением источника питания (а зачастую еще и несколько меньше него). Что же будет, если задать сопротивление нагрузки слишком высоким? По сути, источник тока перестает работать. На рисунке ниже пример моделирования источника с сопротивление нагрузки в 1 кОм (изображение кликабельно).
Согласно графику, ток через нагрузку теперь уже никакие не 10 мА, а всего лишь 4 мА. При дальнейшем повышении сопротивления нагрузки ток будет все меньше и меньше.
Дополнительно по приведенным схемам источников тока на операционных усилителях надо отметить, что стабильность выходного тока в них зависит от стабильности напряжения , в связи с этим оно должно быть хорошо стабилизированным. Существуют более сложные схемы, которые позволяют уйти от этой зависимости, но в рамках данной статьи мы их рассматривать не будем.

9. Интегратор на операционном усилителе

Думаю, что все читатели знакомы с классической схемой интегратора на RC-цепочке:
Эта схема чрезвычайно широко используется на практике, однако имеет в себе один серьезный недостаток: выходное сопротивление этой схемы велико и, как следствие, входной сигнал может существенно ослабляться. Для устранения этого недостатка возможно использование операционного усилителя.
Простейшая схема интегратора на операционном усилителе, встречающаяся во всех учебниках, приведена на рисунке ниже.
Как видно из рисунка — это инвертирующий интегратор, т.е. помимо интегрирования сигнала, он меняет также и его полярность. Следует отметить, что это требуется далеко не всегда. Еще один серьезный недостаток этой схемы — конденсатор интегратора накапливает в себе заряд, который надо как-то сбрасывать. Для этого можно либо применять резистор, включенный параллельно с конденсатором (однако необходимо учитывать также его влияние на итоговый сигнал), либо же сбрасывать заряд с помощью полевого транзистора, открывая его в нужные моменты времени. По этой причине я решил рассмотреть более подробно другую схему интегратора с использованием операционного усилителя, которая, на мой взгляд, заслуживает больший практический интерес:
Как видно из рисунка, эта схема представляет собой классический интегратор на RC-цепочке, к которому добавлен повторитель на операционном усилителе: с помощью него решается проблема выходного сопротивления.
Интегратор можно также рассматривать как фильтр нижних частот. Частота среза АЧХ фильтра высчитывается по формуле

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

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

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

Результат моделирования приведен на рисунке ниже (изображение кликабельно). На этом рисунке показаны две частотные характеристики: отдельно для RC-цепочки (красная линия) и для всей схемы целиком (RC-цепочка+операционный усилитель, зеленая линия).
Как видно из рисунка, красная и зеленая линии сначала совпадают, а начиная с определенной частоты зеленая идет вниз гораздо круче. Это как раз и объясняется тем, что на частотные свойства схемы начинает оказывать влияние уже сам операционный усилитель.
Ну и поскольку все-таки мы рассматриваем интегратор, то на следующем рисунке (кликабельно) приведена классическая картинка из учебников: интегрирование прямоугольных импульсов. Параметры интегратора те же, какие были в предыдущем моделировании частотной характеристики.

10. Дифференциатор на операционном усилителе

Схема простейшего дифференциатора на RC-цепочке известна ничуть не меньше, чем схема интегратора:
Эта схема имеет все тот же недостаток, связанный с высоким выходным сопротивлением, и для его устранения можно аналогичным образом применить операционный усилитель. Схема инвертирующего дифференциатора получается из схемы инвертирующего интегратора путем замены конденсаторов на резисторы и резисторов на конденсаторы, она приведена на рисунке ниже.

Однако и в этом случае более подробно рассмотрим другую схему, состоящую из классического дифференциатора на RC-цепочке и повторителя на операционном усилителе:

Если интегратор мы рассматривали как простейший фильтр нижних частот, то дифференциатор наоборот – фильтр верхних частот. Частота среза АЧХ считается все по той же формуле

В случае дифференциатора также нельзя забывать про частотные свойства самого операционного усилителя: здесь они выражены даже более ярко, чем в случае с интегратором. Как мы уже убедились в прошлом разделе, начиная с определенной частоты операционный усилитель работает как фильтр нижних частот, тогда как дифференциатор – это фильтр верхних частот. Вместе они будут работать как полосовой фильтр.
В качестве примера рассчитаем ФВЧ с частотой среза АЧХ равной тем же 1 МГц. Для такой частоты можно выбрать все те же номиналы компонентов, которые были в случае ФНЧ:

Результат моделирования приведен на рисунке ниже (картинка кликабельна). На этом рисунке показаны две частотные характеристики: отдельно для RC-цепочки (красная линия) и для всей схемы целиком (RC-цепочка + операционный усилитель, зеленая линия).
Как видно из рисунка, красная и зеленая линии сначала совпадают, а начиная с определенной частоты, зеленая линия идет резко вниз, тогда как красная линия, отражающая работу непосредственно самой RC-цепочки, горизонтальна.
Работа дифференциатор при подаче на его вход прямоугольных импульсов приведена на рисунке ниже (изображение кликабельно).

Заключение

В данной статье мы рассмотрели десять наиболее часто встречающихся схем на операционных усилителях. Операционный усилитель – мощный инструмент в умелых руках, и количество схем, которые можно создать с его помощью, конечно, многократно превосходит то, что было рассмотрено, однако, надеюсь, данный материал будет кому-то полезен и поможет более уверенно использовать этот компонент в своих разработках. Полезные ссылки

1. Хоровиц П., Хилл У. Искусство схемотехники: — Изд. 2-е. — М.: Издательство БИНОМ — 2014. — 704 с
2. Картер Б., Манчини Р. Операционные усилители для всех — М.: Издательский дом «Додэка — XXI» — 2011. — 509 с
3. LT1803

Основные свойства операционных усилителей | Основы электроакустики

Операционный усилитель (ОУ) – это высококачественный усилитель, выполненный в виде полупроводниковой интегральной схемы, предназначенный для усиления как постоянных, так и переменных сигналов.

        По принципу действия операционный усилитель сходен с обычным усилителем. Как и обычный усилитель, он предназначен для усиления напряжения или мощности входного сигнала. Однако, тогда как свойства и параметры обычного усилителя полностью определены его схемой, свойства и параметры операционного усилителя определяются преимущественно параметрами цепи обратной связи. Операционные усилители выполняют по схеме усилителей постоянного тока с нулевыми значениями входного напряжения смещения нуля и выходного напряжения. Они характеризуются также большим коэффициентом усиления, высоким входным и низким выходным сопротивлениями. Ранее подобные высококачественные усилители использовались исключительно в аналоговых вычислительных устройствах для выполнения таких математических операций, как суммирование и интегрирование. Отсюда и произошло их название – операционные усилители.

В настоящее время операционные усилители выполняются, как правило, в виде монолитных интегральных микросхем и по своим размерам и цене практически не отличаются от отдельно взятого транзистора. Благодаря отличным характеристикам операционных усилителей реализация различных схем на их основе оказывается значительно проще, чем на отдельных транзисторах. Поэтому операционные усилители вытесняют отдельные транзисторы как элементы схем во многих областях линейной схемотехники.

Чтобы определить, какой тип операционного усилителя подходит для конкретного случая его применения, достаточно, как правило, знания их основных характеристик. Тем не менее, для некоторых особых случаев использования операционных усилителей необходимо знание их внутренней структуры. В таких случаях следует использовать справочники.

Здесь рассматриваются основные параметры операционных усилителей, и, прежде всего те, которые используются для описания реально выпускаемых элементов, приводятся основные принципы построения схем на базе операционных усилителей с использованием внешних обратных связей.

         На рис.9.1 приведено условное графическое обозначение ОУ. Показанный усилитель имеет один выходной вывод (показывается справа) и два входных (изображаются с левой стороны). Знак  характеризует усиление. Вход, напряжение на котором сдвинуто по фазе на 180° относительно выходного напряжения, называется инвертирующим и на схеме обозначается знаком «-» или знаком инверсии ○, а вход, напряжение на котором совпадает по фазе с выходным напряжением – неинвертирующим и обозначается знаком «+», хотя обычно этот знак опускают.

Рис. 9.1. Условное графическое обозначение ОУ:

•  а – без дополнительного поля;
• б – с дополнительными полями;
• NC – выводы балансировки;
• FC – выводы частотной коррекции;
• ЕП – выводы напряжения питания;
• 0V – общий вывод 

         На принципиальных схемах обычно не показывают выводы напряжения питания и общего провода (но, естественно, подразумевают). В современных ОУ, как правило, нет отдельного вывода для общего провода. Выводы частотной коррекции FC и коррекции нуля NC используются только в специальных типах ОУ. Цепь внешней коррекции позволяет требуемым образом изменить частотную характеристику ОУ, что важно при введении в него различных цепей обратной связи. Следует отметить, что цепи коррекции часто встраиваются непосредственно в усилитель. Обычно в схемах указываются только два входа и выход. Подключение ОУ к источникам питания и источникам входных сигналов, показано на рис. 9.2.

Рис.9.2. Подключение ОУ к внешним цепям 

         Входной каскад ОУ выполняется в виде дифференциального усилителя, поэтому он имеет два входа. В области низких частот выходное напряжение UВЫХнаходится в той же фазе, что и разность входных напряжений, именуемая дифференциальным входным сигналом: UДИФ= UНЕИНВ  – UИНВ.         Операционные усилители предназначены для усиления дифференциального входного напряжения и для подавления синфазного входного сигнала – одинакового изменения сигналов .         Чтобы обеспечить возможность работы ОУ как с положительными, так и с отрицательными входными сигналами, используют двуполярное питающее напряжение. Для этого предусмотрены два источника постоянного напряжения, которые, как показано на рис.9.2, подключаются к соответствующим внешним выводам ОУ. Как правило, стандартные ОУ в интегральном исполнении работают с напряжениями питания ±3…±18В.         

В зарубежной литературе часто используют условные графические изображения, не соответствующие отечественному стандарту (рис.9.3).

Рис.9.3. Альтернативное условное графическое обозначение ОУ

 

 

 

 

Операционный усилитель

: основы, типы и применение | Статья

.

СТАТЬЯ

Получайте ценные ресурсы прямо на ваш почтовый ящик – рассылается один раз в месяц

Мы ценим вашу конфиденциальность

Что такое операционный усилитель?

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

Операционные усилители

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

Классификация операционных усилителей

Существует четыре способа классификации операционных усилителей:

• Усилители напряжения принимают напряжение и создают напряжение на выходе.
• Усилители тока получают токовый вход и выдают токовый выход.
• Усилители Transconductance преобразуют 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 разомкнутого контура: Коэффициент усиления разомкнутого контура («A» на рис. 1 ) операционного усилителя является мерой 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 энергопотреблению или увеличению стоимости.

Рисунок 2: Кривая частотной характеристики разомкнутого контура операционного усилителя

Продукт прироста полосы пропускания (GBP)

Как следует из названия, GBP – это произведение коэффициента усиления и полосы пропускания усилителя.GBP является постоянной величиной на кривой, и ее можно рассчитать с помощью 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. GBP операционного усилителя обычно является мерой его полезности и производительности, так как 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 диапазон применений и, как таковые, являются ключевым строительным блоком во многих аналоговых приложениях, включая конструкции фильтров, буферы напряжения, схемы компараторов и многие другие. Кроме того, большинство компаний предоставляют поддержку моделирования, такую ​​как модели PSPICE, чтобы дизайнеры проверяли свои проекты операционных усилителей перед созданием реальных проектов.

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

Топологии конфигурации операционных усилителей

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

Повторитель напряжения

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, коэффициент усиления по напряжению устанавливается соотношением двух резисторов.

Инвертирующий операционный усилитель

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

Рисунок 5: Инвертирующий операционный усилитель

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

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

Неинвертирующий операционный усилитель

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

Рисунок 6: Неинвертирующий операционный усилитель

Операционный усилитель вынуждает инвертирующее (-) напряжение на клеммах равняться входному напряжению, что создает ток 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 уравнения (4) :

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

Компаратор напряжения

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

Рисунок 7: Компаратор напряжения

Как выбрать операционный усилитель для вашего приложения

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

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

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

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

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

Сводка

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

_________________________

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

Получить техническую поддержку

Основы работы с операционным усилителем

»Примечания по электронике

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

---

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

---

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

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

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

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

Обозначение схемы операционного усилителя с ИС

Разработка ОУ

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

Обозначение схемы операционного усилителя

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

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

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

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

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

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

Что такое операционный усилитель? Основы

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

Посмотрите наше видео по основам операционных усилителей

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

Операционный усилитель – это в основном дифференциальный усилитель, поскольку выходной сигнал пропорционален разнице напряжений между двумя входами.

Эквивалентная схема операционного усилителя

Два входа получили свои названия из-за способа, которым они усиливают сигналы:

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

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

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

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

Характеристики операционного усилителя

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

Характеристики операционного усилителя

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

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

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

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

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

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

Базовые схемы операционных усилителей

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

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

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

Операционные усилители разновидностей

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

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

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

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

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

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

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

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

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 разрабатывались с учетом долговечности: производятся несколько операционных усилителей, которые могут выдерживать прямые короткие замыкания на своих выходах без повреждений.

Одним из ключей к полезности этих маленьких 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 могут помешать анализу нашего повторителя напряжения.)

Вместо того, чтобы проводить прямое измерение на Vin в нашей гипотетической схеме, мы бы измеряли на 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 сигнала. 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.У схемы также есть дополнительный бонус, позволяющий вам в значительной степени контролировать ее входное сопротивление – поскольку вы можете выбирать значение резистора Rin, вы можете увеличить его до максимального или минимального значения, чтобы соответствовать любому выходному импедансу, который вы нужно сопоставить это!

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. Подключив 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 подстановку напряжений 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 даже не догадались, 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!

Введение в операционные усилители с LTSpice

Добавлено в избранное Любимый 11

Введение

Если вы еще не ознакомились с руководством «Приступая к работе с LTSpice», вам обязательно следует подождать, поскольку крайне необходимо обновить качество звука.Для тех из вас, кто смотрел это и закончил – благослови вас. Я подумал, что убью здесь двух зайцев и продолжу учебник по LTSpice введением в операционные усилители – или для краткости операционный усилитель. Мы рассмотрим здесь только основы – что такое операционные усилители, некоторые распространенные конфигурации и пару примеров – и закончим красивым простым проектом, который, надеюсь, вдохновит вас немного больше на работу с аналоговыми схемами.

Для начала загрузите схемы, символы и модели, нажав кнопку ниже.

Введение в операционные усилители

Операционный усилитель – это устройство для усиления напряжения. С помощью некоторых внешних компонентов операционный усилитель, который представляет собой активный элемент схемы , может выполнять математические операции, такие как сложение, вычитание, умножение, деление, дифференцирование и интегрирование. Если мы посмотрим на общий корпус операционного усилителя (внутреннее устройство будет в следующем руководстве), такое как вездесущий 741, мы заметим стандартный 8-контактный DIP (двухрядный корпус):

Фото предоставлено Learning About Electronics

В основном нас интересуют пять контактов.Обозначение схемы операционного усилителя представляет собой треугольник с пятью контактами, показанный ниже.

Фото предоставлено Virtual Labs

Операционный усилитель имеет широкий спектр применений, и, в зависимости от того, как подключен каждый вывод, результирующая схема может быть одной из следующих (это ни в коем случае не исчерпывающий список):

• Компаратор
• Инвертирующий усилитель , например суммирующий усилитель
• A Неинвертирующий усилитель , например повторитель напряжения
• Разностный усилитель
• Дифференциатор или Интегратор
• Фильтр
• Пиковый детектор
• Аналого-цифровой преобразователь
• Осциллятор

В этом руководстве я покажу вам, как измерить типичные характеристики операционного усилителя, такие как усиление, полоса пропускания, ошибка, скорость нарастания, потребляемый ток, размах выходного сигнала и другие характеристики, указанные в технических паспортах устройств.

Идеальный операционный усилитель

Операционный усилитель предназначен для определения разницы в напряжении, подаваемом на вход (клеммы «плюс» (v2) и «минус» (v1), либо контакты 2 и 3 корпуса операционного усилителя). Разница также известна как дифференциальное входное напряжение . Выход, таким образом, представляет собой разницу, измеренную на входе, умноженную на некоторое значение A – коэффициент усиления разомкнутого контура . Операционный усилитель действует как источник напряжения, управляемый напряжением, который мы сейчас смоделируем.Мы будем моделировать конфигурацию усилителя как с разомкнутым контуром, так и с замкнутым контуром .

Идеальный операционный усилитель имеет следующие характеристики:

• Бесконечное усиление без обратной связи
• Бесконечное входное сопротивление
• Ноль выходное сопротивление
• Ноль синфазное усиление = бесконечное синфазное отклонение
• Бесконечная полоса пропускания
• Нулевой шум
• Нулевой вход смещение

Модель операционного усилителя любезно предоставлена ​​Википедией

Поскольку входное сопротивление (Rin) бесконечно, мы можем сделать вывод, что ток на выводах (+) (v2) и (-) (v1) равен нулю, используя законы Кирхгофа.Поскольку выходное сопротивление (Rout) равно нулю, потери напряжения на выходе отсутствуют. Источник напряжения в форме ромба на изображении выше известен как источник напряжения, зависящий от напряжения, и в этом случае напряжение представляет собой коэффициент усиления (G), умноженный на разницу между входными клеммами (Vin). В текстах коэффициент усиления обычно обозначается буквой (A), поэтому уравнение для выхода определяется следующим образом:

Давайте смоделируем источник напряжения, управляемый напряжением, и посмотрим, сможем ли мы заставить его поведение имитировать идеальный операционный усилитель.

Обратная связь с усилителями

Операционные усилители

не предназначены для использования в качестве автономных устройств. Мы просто проверили уравнение Vout в видео об идеальном операционном усилителе, чтобы показать, почему его обычно называют источником напряжения, управляемым напряжением. Мы собираемся поговорить о обратной связи и замкнутом контуре усилении и применении. Что такое обратная связь? Обратная связь возникает, когда выход системы возвращается в качестве входа (ов).Есть два типа обратной связи: положительная (восстанавливающая) и отрицательная (дегенеративная). Обратная связь применяется к системе, чтобы влиять на одно или несколько из следующих свойств:

• Снижение чувствительности усиления – значение усиления становится менее чувствительным к изменениям значений компонентов схемы, например к температурным воздействиям на транзисторы.
• Уменьшите нелинейные искажения – выход пропорционален входу.
• Снижает влияние шума – снижает количество нежелательных электрических помех на выходе.Эти помехи могут быть внешними или исходить от самих компонентов схемы.
• Управляйте входным и выходным сопротивлениями – с соответствующей конфигурацией обратной связи можно управлять входным и выходным сопротивлениями.
• Увеличьте полосу пропускания усилителя. Здесь нам нужно знать о продукте “прирост-пропускная способность”. Вы можете расширить полосу пропускания (до определенной степени), но за счет выигрыша. Произведение коэффициента усиления на полосу пропускания является постоянным и описывает поведение усиления операционного усилителя в зависимости от частоты.

Краткое примечание о единицах

Когда мы говорили об усилении, мы берем отношение выхода к входу. Если и выход, и вход выражены в виде напряжения, то единицы измерения будут вольт / вольт. В анализе .ac усиление выражается в децибелах. Вот формула преобразования.

Фото предоставлено Planet Analog

Вся обратная связь имеет свою цену, и эта цена – выгода. Отрицательная обратная связь способствует приобретению более желаемых свойств; увеличение входного сопротивления также увеличивает полосу пропускания.

Коэффициент усиления замкнутого контура

В отличие от усиления без обратной связи, усиление с обратной связью зависит от внешней схемы из-за обратной связи. Однако его можно обобщить.

Фото предоставлено https://paginas.fe.up.pt/~fff/eBook/MDA/Teo_realim.html

Инвертирующие усилители

Пример инвертирующей конфигурации состоит из одного операционного усилителя и двух резисторов R1 и R2. R2 подключен от выходной клеммы операционного усилителя к инвертирующей или отрицательной клемме операционного усилителя.R2 замыкает петлю вокруг операционного усилителя.

Одна вещь, не упомянутая в видео ниже, но считается, что подразумевает , потому что мы все еще используем идеальный операционный усилитель, – это отсутствие тока через операционный усилитель. Весь ток (I1), протекающий через R1, также течет через R2. Следует также отметить, что если R1 и R2 равны по значению, эта схема обычно используется для преобразования -vout в + vout (изменяет фазу). Это известно как инвертор с единичным усилением.

Проект

: Суммирующий усилитель

Типичным применением инвертирующего усилителя является суммирующий усилитель, также известный как микшер виртуального заземления, используемый при микшировании звука. У меня случайно валяется довольно много операционных усилителей LM741, поэтому я пошел дальше и построил суммирующий усилитель. Сначала я смоделировал это в LTSpice.

Усилители неинвертирующие

Повторитель напряжения

Повторитель напряжения – хороший пример неинвертирующего усилителя.Свойство очень высокого входного импеданса является желательной особенностью неинвертирующей конфигурации. Повторитель напряжения можно использовать в качестве буферного усилителя с единичным усилением, подключенного от источника с высоким импедансом к источнику с низким импедансом – это помогает избежать воздействия нагрузки на схему управления.

Разностные усилители

Разностные усилители реагируют на разницу между двумя сигналами, подаваемыми на его вход, и отклоняют сигналы, общие для двух входов.

Разностный усилитель с одним операционным усилителем

Помните, что коэффициент усиления неинвертирующего усилителя положительный и равен:

и что коэффициент усиления инвертирующего усилителя отрицательный и определяется выражением:

Комбинируя эти две топологии, мы приближаемся к возможности разработать схему, которая сможет получить разницу между двумя входными сигналами. Чтобы добиться этого, мы должны сначала убедиться, что величины усиления (думайте, что абсолютные значения всегда положительны) для каждого равны.Ослабив усиление положительного пути от (1+ R2 / R1) до (R2 / R1), мы сделали именно это. Теперь у нас есть четыре резистора; нам нужно убедиться, что коэффициенты усиления равны, поэтому важно соотношение резисторов:

Проблема с этой схемой заключается в том, что для получения высокого усиления R1 должен быть относительно низким. Это вызывает падение входного сопротивления. Другая проблема в том, что изменить коэффициент усиления этого усилителя непросто. Обе эти проблемы решаются с помощью инструментального усилителя.Используя три операционных усилителя, мы можем получить точно настроенный дифференциальный усилитель. Поскольку у нас есть проблема с низким входным сопротивлением при использовании одного операционного усилителя, мы можем добавить дополнительный повторитель напряжения или буфер на каждый вход. Еще более удивительно то, что буферы могут увеличивать усиление, уменьшая нагрузку на дифференциальный усилитель во втором каскаде.

Инструментальный усилитель прекрасно сочетает в себе весь предыдущий материал: инвертирующие и неинвертирующие усилители в каскаде.

В этом руководстве мы не будем рассматривать интеграторы, дифференциаторы, генераторы или аналого-цифровые преобразователи.Как только мы начнем добавлять конденсаторы и катушки индуктивности, математика станет немного более специализированной и обобщенной с точки зрения импеданса, а не сопротивления. Это будет отдельный урок.

Тактико-технические характеристики

Если мы посмотрим на технический паспорт аудиоусилителя LM386, то увидим массу параметров, которые помогают охарактеризовать операционный усилитель. Большинство из них можно проверить с помощью моделирования в LTSpice. Прежде чем мы дойдем до этого, давайте определим некоторые из этих характеристик.

Коэффициент подавления синфазного сигнала

Коэффициент подавления синфазного сигнала (CMRR) измеряет количество сигнала, общего для обоих входов, который не усиливается. Желательно, чтобы коэффициент синфазного усиления был очень низким, что соответствует очень высокому CMRR.

Коэффициент подавления синфазного сигнала – это отношение абсолютного значения дифференциального усиления к абсолютному значению синфазного усиления. Дифференциальное усиление обычно составляет половину внутреннего усиления МОП-транзистора, установленного производителем.Операционные усилители с высоким выходным сопротивлением будут иметь лучший CMRR.

Коэффициент отклонения блока питания

Коэффициент подавления помех от источника питания

или PSRR является мерой влияния пульсаций источника питания на выходное напряжение операционного усилителя. PSSR важен для устройств MOSFET, поскольку они обычно находятся на ИС со смешанными сигналами, где цифровое переключение в цепи вызывает повышенную пульсацию источника питания. Последнее, что вам нужно в своем дизайне, – это усилить эту пульсацию через операционный усилитель.

Вывод состоит в том, что для минимизации эффекта пульсации в источниках питания операционный усилитель должен иметь большой PSRR.Так что имейте это в виду, просматривая таблицы данных для любых предстоящих проектов.

Скорость нарастания

Скорость нарастания означает максимальную скорость изменения, возможную на выходе операционного усилителя. Для большинства операционных усилителей скорость нарастания ограничена, и она рассчитывается путем взятия максимума производной по времени выходного напряжения операционного усилителя.

Полное гармоническое искажение

Задача аудиоусилителя – принять слабый сигнал и усилить его, не внося никаких изменений, кроме усиления.Это сложная задача, потому что нежелательные сигналы (например, пульсации) могут усиливаться вместе с полезным сигналом. Любое отклонение от линейности считается искажением. Гармонические искажения – это распространенная форма искажения в аудиоприложениях, когда пики выходного сигнала «срезаются». Чем ниже процентное значение, указанное для THD, тем лучше, но после определенного момента оно становится практически незаметным для человеческого уха.

Усилитель звука LM386

Моделировать, проверять, строить – мой девиз.В этом случае с проектом мини-портативного гитарного усилителя я зашел слишком далеко. Мне не удалось найти модель, которую можно было бы импортировать в LTSpice, и я начал с нуля. Ниже находится кнопка, с помощью которой вы можете загрузить файлы проекта для того, что я собираюсь вам показать. Я разработал операционный усилитель на основе LM386, но с MOSFET вместо BJT. На самом деле я получил этот дизайн, чтобы он немного превосходил ту часть, на которой я основал свой дизайн, но он работает только от 2 до 6 вольт. Несмотря на то, что моя модель LM386 не совсем похожа на деталь, используемую в проекте, она все же удобна для изучения электрических характеристик операционных усилителей и более глубокого знакомства с LTSpice.

Проект

: портативный мини-гитарный усилитель

Я встроил в корпус своей гитары небольшой усилитель с батарейным питанием, используя LM386 и минимум дополнительных деталей. Вся сборка стоила около 5 долларов, и на ее сборку ушло меньше часа. Схема, которую я взял прямо из раздела технических данных приложений (усиление 200):

Единственные изменения, которые я внес, были в выходной конденсатор. У меня не было под рукой конденсатора емкостью 250 мкФ, я заменил его на 470 мкФ. Я также добавил 1/4-дюймовую монофоническую розетку для гитарного кабеля и добавил светодиодный индикатор состояния, чтобы я знал, когда я буду готов к игре.В моем футляре для гитары есть небольшой отсек для кабелей и медиаторов, поэтому я использовал это пространство, чтобы встроить усилитель.

Схема:

Примечание. J1 – это гнездо для монофонического аудиоразъема 1/4 дюйма.

Посмотрите это в действии:

Ресурсы и дальнейшее развитие

Лаборатория виртуальных операционных усилителей:

Создатель

Music from Outer Space Рэй Уилсон создал это приложение для виртуального операционного усилителя MFOS, которое позволяет нам экспериментировать с операционными усилителями, просматривая выходной сигнал на смоделированном осциллографе.

Примечание: Если ссылка сообщает, что приложение Operational Amp Application не найдено, щелкните вкладку «Synth-DIY» вверху, и она должна обновиться соответствующим образом. Кроме того, вы можете найти «MFOS In The Classroom» в меню слева и выбрать «Virtual Op Amp Lab».

Музыка из космоса

Вы когда-нибудь хотели заняться DIY-синтезаторами, но не знаете, с чего начать? Music From Outer Space – отличный ресурс, предлагающий сотни схем, разработанных Рэем Уилсоном.

Любители

Если вы только начинаете заниматься проектами в области аналоговой электроники, я не могу порекомендовать Mini Notebooks от Форреста Мимса.

Измерение CMRR

В

EE Times есть фантастическая статья о коэффициенте подавления синфазного сигнала и дифференциальных усилителях.

Что такое операционный усилитель?

Операционные усилители или операционные усилители являются фундаментальными строительными блоками в проектировании электроники, главным образом потому, что эти аналоговые интегральные схемы (ИС) очень универсальны.Операционные усилители могут делать больше, чем просто усиливать или добавлять «усиление» к сигналу, но основная функция операционного усилителя заключается в увеличении входного сигнала (а также любого шума в этом сигнале, поэтому разумно отфильтровать шум перед усилением. сигнал.)

Приложения: Однако операционные усилители также могут использоваться для создания множества различных схем, таких как регуляторы, фильтры, буферы, интеграторы, инверторы сигналов, источники тока или напряжения, преобразователи тока в напряжение, разностные усилители, сумматоры и т. Д.В прошлом операционные усилители использовались для выполнения математических функций до появления цифровых вычислений. Есть много конфигураций операционных усилителей, которые продаются в виде микросхем. Термин «дифференциальный усилитель», например, просто означает, что операционный усилитель будет пытаться усилить любую разницу между сигналами. «Лето» добавляет сигналы, и это лишь одна из многих функций, для выполнения которых может быть настроен операционный усилитель.

Электрический символ операционного усилителя

Электрический символ операционного усилителя представляет собой простой треугольник на его стороне с положительной (неинвертирующей) и отрицательной (инвертирующей) входными клеммами.Единственный выход (Vout) выходит на вершину треугольника.

Рисунок 1: Vs + означает «положительное напряжение питания» и необходимо для работы операционного усилителя. Vs- отрицательное напряжение питания. V- – инвертирующий вход, а V + – неинвертирующий вход. Все приведенные выше выводы часто представлены в виде отдельных выводов в корпусе микросхемы. (Источник: wikipedia) Операционные усилители

производят усиление, и, поскольку вы не можете получить больше энергии, чем вложили, вводит в заблуждение то, что символ операционного усилителя на принципиальных схемах часто отображается без выводов напряжения питания.Однако операционный усилитель не может усилить сигнал без добавления энергии, поэтому напряжение питания приводит к символу операционного усилителя, если он отсутствует, подразумевается. Если они присутствуют, они обычно обозначаются как V + и V-, хотя некоторые операционные усилители являются «однополярными», что просто означает, что второй источник питания создается для вас (с использованием одного вывода напряжения) внутри корпуса микросхемы.

Основные операции Операционного усилителя

Сигналы подаются на два входных вывода операционного усилителя. Каждый операционный усилитель «настроен» сохранять входные сигналы одинаковыми, но может делать это только путем управления своим выходом в ответ, поэтому выход операционного усилителя должен быть подключен в петлю обратной связи, чтобы операционный усилитель мог выполнять свои функции. цель поддержания нулевой разницы между двумя входными сигналами.Другими словами, выход операционного усилителя, подключенный в качестве обратной связи (полностью или частично с помощью резистора), выполняет регулировку входа, поскольку операционный усилитель пытается сбалансировать входные сигналы.

При работе с операционными усилителями следует помнить два основных «правила»:

1. Теоретически ток не течет по входным проводам и не выходит из них. Проще всего работать с операционными усилителями, если вы примете эту концепцию и будете следовать ей в своем анализе. Предположим, что импеданс на этих входах бесконечен.
2. Операционный усилитель будет пытаться поддерживать на своих входах одинаковое напряжение (используя обратную связь).

Создание операционного усилителя с дискретными компонентами

Операционный усилитель можно создать как схему с дискретными компонентами, хотя большинство операционных усилителей представляют собой интегральные схемы с тщательно подобранными компонентами для оптимальной производительности, а согласованные компоненты вносят меньше ошибок. Но если бы вы сделали операционный усилитель с собственными компонентами, технически у вас была бы схема дифференциального усилителя со связью по постоянному току с очень высоким коэффициентом усиления и одним выходом.Связь по постоянному току означает, что операционный усилитель будет пропускать как переменный, так и постоянный ток.

Операционные усилители и обратная связь

Микросхемы операционного усилителя

могут включать или не включать средства для подключения внешнего контура обратной связи , в зависимости от того, для какой функции он настроен, но если внешняя обратная связь недоступна, она, вероятно, настроена на установленное значение во встроенной микросхеме. Внешняя обратная связь позволяет разработчику настраивать его по мере необходимости, добавляя большую универсальность длинному списку атрибутов операционного усилителя.Операционный усилитель без обратной связи непрактичен, а возможность регулировать количество и направление обратной связи – вот что делает операционные усилители такими полезными в первую очередь. (Обратная связь – это когда вы берете выход и подключаете его к одному из входов операционного усилителя, поэтому операционный усилитель имеет информацию о том, насколько хорошо он контролирует разницу между двумя входами.) Если вы подключаете выход операционного усилителя к выходу без -инвертирующий вход (+), это называется «положительная обратная связь». Если вы направите выход на другой (инвертирующий) вход (-), у вас будет «отрицательная обратная связь».«Без обратной связи, операционный усилитель будет пытаться усилить настолько, насколько это возможно, с учетом напряжения питания. Он не может усилить сигнал выше напряжения питания.

Что такое «рельсы»?

Положительные и отрицательные напряжения питания на жаргоне операционного усилителя часто называют «рельсами», потому что выходной сигнал не может выдать больше энергии, чем подается на операционный усилитель в . (Сделать это означало бы нарушить известные нам законы физики. Любая таблица данных операционного усилителя, которая заявляет, что «выходит за рамки рельсов», просто демонстрирует изобретательские концепции в маркетинге или некоторые дополнительные средства добавления энергии в уравнение.Таким образом, выходной сигнал операционного усилителя всегда будет ограничен его «шинами» напряжения питания, которые на самом деле очень немного меньше, чем сами напряжения питания, поскольку операционный усилитель тратит впустую (например, из-за тепла) и использует некоторую энергию в операция.

Операционный усилитель без обратной связи будет направлять свой выход на шины, пытаясь поддерживать нулевую разницу между входами, эффект, известный как «насыщение». В любой ситуации без обратной связи вы также назвали бы это «разомкнутым контуром», который используется в определенных системах управления, но редко на уровне электроники с операционными усилителями.Операционные усилители могут продаваться как отдельные компоненты, которые немного похожи на жестяные банки на ножках, или как несколько операционных усилителей в одном корпусе IC с выводами. Операционные усилители, как строительные блоки в других, более сложных схемах, встраиваются в корпуса ИС на печатных платах почти в каждый продукт, использующий аналоговые сигналы. Вот насколько полезны операционные усилители для реализации аналоговых приложений. Например, это может быть телефон, на котором вы, возможно, читаете это, потому что человеческий голос – это аналоговый вход, а операционные усилители используются во множестве аналоговых функций или приложений.

Ресурсы по теме:
Часто задаваемые вопросы: Что такое обратная связь?

Общие сведения о входных каскадах операционных усилителей

10 лучших операционных усилителей

Операционный усилитель – или сокращенно «операционный усилитель» – это обычный строительный блок аналоговой электроники. Независимо от того, являетесь ли вы профессиональным дизайнером электроники или только начинаете, вполне вероятно, что вы использовали в своих разработках операционный усилитель.

Изобретенный в 1941 году Карлом Д. Шварцелем-младшим из Bell Labs, операционный усилитель изначально был построен на электронных лампах и был изобретен для выполнения математических операций в аналоговых компьютерах, отсюда и свое название.Теперь операционные усилители используются во всех сферах применения, начиная с обработки сигналов и фильтрации, а также для сложных математических операций, таких как интегрирование и дифференцирование. Они составляют основу многих современных аналоговых электронных схем, поскольку они экономичны, оптимально работают и легко доступны.

Операционные усилители

обычно доступны в виде интегральных схем (ИС). У них есть входные и выходные клеммы, способные выдавать большую версию сигналов напряжения, которые проходят через них.Они могут быть спроектированы так, чтобы действовать как устройство усиления напряжения при использовании с активными компонентами, такими как транзисторы, и пассивными компонентами, такими как резисторы и конденсаторы, для обеспечения желаемого отклика.

Когда сигналы проходят через дискретные элементы в аналоговой цепи, они имеют тенденцию к уменьшению амплитуды – их уровень напряжения уменьшается, но операционный усилитель может помочь буферизовать и повысить амплитуду таких сигналов, тем самым обеспечивая сигнал, который полезен на выходе. .

Операционные усилители

легко адаптируются и универсальны для многих электронных схем.Они используются в аудио и видео приложениях, регуляторах напряжения, прецизионных схемах, аналого-цифровых и цифро-аналоговых преобразователях и во многих других приложениях.

Выбор операционного усилителя

При разработке приложения, для которого требуется операционный усилитель, важно учитывать требования к конструкции, чтобы убедиться, что вы выбрали правильный.

Разработчикам следует учитывать усиление, входное сопротивление, выходное сопротивление, шум и полосу пропускания, а также следующие факторы, которые следует учитывать при выборе ИС операционного усилителя:

1.Количество каналов / входов

Операционный усилитель может иметь несколько каналов от 1 до 8, причем наиболее распространенные операционные усилители имеют 1, 2 или 4 канала.

2. Прирост

Коэффициент усиления операционного усилителя показывает, насколько больше по величине будет его выход, чем его вход, следовательно, его коэффициент усиления. Обычно это определяется как усиление без обратной связи или усиление по напряжению большого сигнала .

Бесконечное усиление разомкнутого контура подразумевает, что нулевое напряжение на входе полностью включит или выключит выход, и хотя это кажется непрактичным, в основном это означает, что вы можете быстро переключить выход с включения на выключение просто с небольшим изменением в входное напряжение.Типичные реальные значения находятся в диапазоне примерно от 20 000 до 200 000.

Коэффициент усиления большого сигнала по напряжению , обычно обозначаемый как AVD, представляет собой отношение изменения выходного напряжения к дифференциальному изменению напряжения на входе, измеренное при постоянном токе – на низкой частоте – с усилителем, производящим большое выходное напряжение. Обычно его предпочитают коэффициенту усиления по напряжению разомкнутого контура, как правило, в В / мВ. Разница в том, что он измеряется при выходной нагрузке и, следовательно, учитывает эффекты нагрузки.

3. Входное сопротивление

Это отношение входного напряжения к входному току. В идеале это значение бесконечно, но большинство операционных усилителей, которые сейчас производятся, имеют типичные значения порядка миллионов Ом. Желательно, чтобы входное сопротивление операционного усилителя было достаточно высоким, чтобы передавать все напряжение от входа к цели без потерь. Типичный входной ток утечки составляет несколько пико-миллиампер.

4. Выходное сопротивление

Это полное сопротивление слабого сигнала между выходной клеммой и землей.Обычно он идет последовательно с нагрузкой, тем самым увеличивая выходную мощность, доступную для нагрузки. Выходное сопротивление для идеального усилителя предполагается равным нулю, следовательно, для реальных значений оно должно быть небольшим.

5. Шум

Операционные усилители

имеют внутренние источники паразитного шума. Обычно они измеряются на выходе и ссылаются на вход. Наиболее важным из них является эквивалентное входное шумовое напряжение, часто указываемое e _n. Он задается как напряжение, В _n , на корень герц на определенной частоте.Желательно, чтобы это значение было как можно меньше.

6. Пропускная способность

Полоса пропускания операционного усилителя – это допустимый диапазон частот входного сигнала, который он может воспроизводить. Идеальный операционный усилитель допускает любую частоту, следовательно, его полоса пропускания бесконечна и может усиливать любой частотный сигнал от постоянного до самых высоких частот переменного тока.

Это не относится к практическим операционным усилителям, которые ограничены определенным диапазоном и плохо работают выше определенной частоты.

Параметр Gain Bandwidth Product (GBP) часто используется для описания предела полосы пропускания операционного усилителя по отношению к его усилению. Он равен частоте, на которой коэффициент усиления усилителя становится равным единице.

7. Номинальная скорость нарастания

Скорость нарастания операционного усилителя – это скорость изменения выходного напряжения, вызванная скачком на входе. Он измеряется как изменение напряжения за заданное время – обычно В / мкс или В / мс. В идеале скорость нарастания операционного усилителя должна быть бесконечной, что позволяет выходу быть точной усиленной копией входа без каких-либо искажений.В реальных приложениях, чем выше значение скорости нарастания, тем быстрее может изменяться выходной сигнал и тем легче воспроизводятся высокочастотные сигналы.

8. Максимальное входное напряжение смещения

Это максимальное дифференциальное напряжение, необходимое на входе для получения выходного напряжения 0 В. В идеале он равен нулю, когда оба входа операционного усилителя равны нулю. Следовательно, он должен быть достаточно маленьким.

9. Максимальное напряжение питания

Следует учитывать допустимый диапазон рабочего напряжения операционного усилителя, следовательно, его максимальное напряжение питания не должно превышаться.

А теперь давайте погрузимся в топ-10 самых загружаемых операционных усилителей на SnapEDA! *

10 лучших операционных усилителей на SnapEDA

# 10 LM741 от Texas Instruments

LM741 – это старый, но классический операционный усилитель общего назначения, выпущенный в 1981 году в 8-выводном корпусе PDIP, CDIP или TO-99 с максимальным напряжением питания ± 22 В. Он имеет большое усиление сигнала по напряжению 200 В / мВ и полосу пропускания до 1 МГц. Его вход и выход имеют защиту от перегрузки.Этот операционный усилитель также не имеет фиксации при превышении синфазного диапазона. Это прямая подключаемая замена для других операционных усилителей, таких как 709C, LM201, MC1439 и 748, в большинстве приложений.

Средняя цена у дистрибьюторов на момент публикации: 0,50 доллара США

Загрузите символ, след и 3D-модель на SnapEDA.

# 9 LM358-N от Texas Instruments

LM358-N – это 2-канальный операционный усилитель промышленного стандарта, доступный в 4 различных 8-выводных корпусах (DSBGA, TO-CAN, SOIC, PDIP) с широким диапазоном напряжения питания от 3 В (± 1.5 В) до 32 В (± 16 В) и полосе усиления 1 МГц. Он имеет низкое входное напряжение смещения 2 мВ и большое усиление напряжения сигнала 100 В / мВ, а его диапазон рабочих температур составляет от 0 до 70 ° C. Этот операционный усилитель очень популярен благодаря своей гибкости, доступности и экономической эффективности.

Средняя цена у дистрибьюторов на момент публикации: 0,48 доллара США

Загрузите символ, след и 3D-модель на SnapEDA.

# 8 LM324 от Texas Instruments

LM324 поставляется с четырьмя операционными усилителями с внутренней компенсацией, все в 14-выводном корпусе SOIC, PDIP или TSSOP.Это маломощный операционный усилитель общего назначения с большим коэффициентом усиления сигнала по напряжению около 100 В / мВ, широкой полосой усиления 1 МГц и входным током смещения не более 250 нА. Он работает от одного источника питания в широком диапазоне от 3 В до 32 В, а также поддерживает двойные источники питания в диапазоне от ± 1,5 В до ± 16 В. Он подходит для усилителей преобразователей, блоков усиления постоянного тока и обычных операционных усилителей.

Средняя цена у дистрибьюторов на момент публикации: 0,21 доллара США

Загрузить Symbol & Footprint на SnapEDA.

# 7 RC4558 от Texas Instruments

RC4558, электрически подобный uA741, представляет собой двойной операционный усилитель общего назначения. Он поставляется в 8-выводном корпусе PDIP, SOIC, SOP, SSOP, TSSOP или VSSOP, имеет низкий входной ток смещения не более 500 нА и диапазон температур от 0 ° C до 70 ° C или от -40 ° C до 85 ° C для RC4558I. Это устройство предназначено для работы и имеет типичное произведение коэффициента усиления на полосу пропускания 3 МГц. Его особенности делают его подходящим для приложений с повторителями напряжения.

Средняя цена у дистрибьюторов на момент публикации: 0,20 доллара США

Загрузить Symbol & Footprint на SnapEDA.

# 6 NE5532 от Texas Instruments

NE5532 (5534 также довольно популярен) – это 2-канальный высокоскоростной звуковой операционный усилитель с низким уровнем шума, который поставляется в 8-контактном корпусе PDIP, SOIC или SOP с широкой полосой усиления 10 МГц и высоким постоянным током. коэффициент усиления по напряжению 100 В / мВ, CMRR этого устройства составляет 100 дБ, а его скорость нарастания составляет 9 В / мс.

Средняя цена у дистрибьюторов на момент публикации: 0,29 доллара США

Загрузить Symbol & Footprint на SnapEDA.

# 5 TL072 от Texas Instruments

TL072 – это двойной малошумящий операционный усилитель общего назначения с полевым транзистором и JFET, поставляемый в 8-выводном корпусе PDIP, SOIC, SOP или TSSOP. Он имеет низкий входной ток смещения 200 пА в диапазоне рабочих температур окружающего воздуха от 0 ° C до 70 ° C или от -40 ° C до 85 ° C для TL07xI. Работает от одного источника питания с диапазоном -0.От 3 В до 36 В, а также поддерживает два источника питания с диапазоном ± 18 В. Он имеет широкую полосу усиления 3 МГц. Подходит для высококачественных аудиоустройств и предварительных усилителей звука.

Средняя цена у дистрибьюторов на момент публикации: 0,40 доллара США

Загрузить Symbol & Footprint на SnapEDA.

# 4 OPA2134 от Texas Instruments

OPA2134 – это операционный усилитель с низким уровнем искажений и шума для аудиоприложений, который поставляется в 8-контактном корпусе PDIP или SOIC.Он предназначен для работы от 5 В до 36 В (от ± 2,5 В до ± 18 В) и имеет высокий коэффициент усиления без обратной связи 120 дБ (600 Ом). Этот операционный усилитель с полевым входом и диапазоном рабочих температур окружающего воздуха от 40 ° C до 85 ° C имеет широкую полосу усиления 8 МГц и скорость нарастания напряжения 20 В / мкс. Этот усилитель идеально подходит для обеспечения превосходного качества звука и скорости для исключительного качества звука.

Средняя цена у дистрибьюторов на момент публикации: 3,15 доллара США

Загрузить Symbol & Footprint на SnapEDA.

# 3 LM339 от Texas Instruments

LM339 является наиболее часто используемым четырехканальным дифференциальным компаратором, он поставляется в 14-выводном корпусе PDIP, SOIC, SOP, SSOP или TSSOP, рассчитан на работу в диапазоне от 0 ° C до 70 ° C и имеет типичное входное смещение. напряжение и ток 2 мВ и 3 нА соответственно. Он имеет типичный входной ток смещения 25 нА. Подходит для промышленных устройств, генераторов, приложений преобразования логического напряжения и т. Д.

Средняя цена у дистрибьюторов на момент публикации: 0 долларов США.17 долларов США

Загрузить Symbol & Footprint на SnapEDA.

# 2 OP07 от Analog Devices

OP07 – это операционный усилитель со сверхнизким напряжением смещения (макс. 75 мкВ для OP07E), который поставляется в корпусе типа PDIP-8 или SOIC-8 с низким входным током смещения ± 4 нА и высоким коэффициентом усиления без обратной связи 200 В / мВ. Обычно он имеет полосу усиления 0,6 МГц и диапазон входного напряжения ± 13 В. OP07 является прямой заменой усилителей 725, 108A и OP05 и подходит для измерительных приборов с высоким коэффициентом усиления.

Средняя цена у дистрибьюторов на момент публикации: 0,94 доллара США

Загрузите символ, след и 3D-модель на SnapEDA.

# 1 LMH6629 от Texas Instruments

LMH6629 – это быстродействующий операционный усилитель с обратной связью по напряжению со сверхмалым шумом. Это очень особенное устройство, поскольку оно может работать с большим коэффициентом усиления и при этом обеспечивать исключительную скорость и низкий уровень шума. Поставляется в 8-выводном корпусе WSON или SOT-23. Он имеет полосу пропускания –3 дБ при 900 МГц и скорость нарастания 1600 В / мкс.Он отлично подходит для коммуникационных, контрольно-измерительных, оптических и ультразвуковых систем.

Средняя цена у дистрибьюторов на момент публикации: 4,16 доллара США

Загрузите символ, след и 3D-модель на SnapEDA.

Вот и наш список 10 лучших.

Если вы хотите увидеть другую категорию компонентов, сообщите нам об этом в разделе комментариев.

Есть ли у вас другой набор операционных усилителей, которые входят в ваш список? Мы также хотели бы услышать ваши мысли о том, какие факторы вы учитываете при выборе операционного усилителя ниже.

* Эти данные были собраны с помощью аналитики SnapEDA путем просмотра загрузок из библиотеки моделей деталей (символы, контуры и 3D-модели). Ежегодно в SnapEDA оцениваются миллионы деталей, однако, если детали нет в нашей базе данных, она не будет отображаться в этом списке. Мы постоянно увеличиваем охват и периодически обновляем этот список!

Создавайте электронные устройства в мгновение ока. Начать сейчас.

Операционный усилитель

| Основы и приложения для операционных усилителей

В этом руководстве мы узнаем об операционных усилителях в целом, их характеристиках, некоторых приложениях и некоторых важных основах для операционных усилителей.

Операционный усилитель или просто операционный усилитель – один из наиболее часто и широко используемых электронных компонентов. Они являются основными строительными блоками аналоговых схем и используются в широком спектре бытовой электроники, промышленного оборудования и научных устройств.

Введение

Операционный усилитель, широко известный как ОУ, представляет собой дифференциальный усилитель напряжения с двумя входами и одним выходом, который характеризуется высоким коэффициентом усиления, высоким входным сопротивлением и низким выходным сопротивлением.

Операционный усилитель назван так потому, что он возник в аналоговых компьютерах и в основном использовался для выполнения математических операций.

В зависимости от схемы обратной связи и смещения операционный усилитель может быть создан для сложения, вычитания, умножения, деления, отрицания и, что интересно, даже для выполнения операций вычисления, таких как дифференцирование и интегрирование.

Сегодня операционные усилители являются очень популярными строительными блоками в электронных схемах. Операционные усилители используются для различных приложений, таких как усиление сигналов переменного и постоянного тока, фильтры, генераторы, регуляторы напряжения, компараторы, а также в большинстве бытовых и промышленных устройств.

Операционные усилители мало зависят от изменений температуры или производственных колебаний, что делает их идеальными строительными блоками в электронных схемах.

Базовая схема операционного усилителя показана на рисунке выше.Операционный усилитель имеет входной каскад дифференциального усилителя и выходной каскад эмиттерного повторителя. Практические схемы операционного усилителя намного сложнее, чем показанная выше базовая схема операционного усилителя.

Транзисторы Q1 и Q2 образуют дифференциальный усилитель, в котором разностное входное напряжение подается на базовые выводы Q1 и Q2. Транзистор Q3 работает как эмиттерный повторитель и обеспечивает низкий выходной импеданс.

Выход базовой схемы операционного усилителя V _OUT задается как,

V _OUT = V _CC –V _RC – V _BE3

VOUT = VCC – IC2RC – VBE

Где, V _RC – напряжение на резисторе R _C , а V _BE3 – напряжение база-эмиттер транзистора Q3.

Предположим, что транзисторы Q1 и Q2 являются согласованными транзисторами, т. Е. Имеют одинаковые уровни V _BE и одинаковые коэффициенты усиления по току. Если оба вывода базы транзистора соединены с землей, токи эмиттера I _E1 и I _E2 равны, и оба I _E1 и I _E2 протекают через общий резистор RE. Ток эмиттера определяется соотношением:

I _E1 + I _E2 = V _RE / R _E

Если обе базы Q1 и Q2 подключены к земле,

0 – V _BE –V _RE + V _EE = 0

i.е. V _RE = V _EE – V _BE

Следовательно, I _E1 + I _E2 = (V _EE – V _BE ) / R _E

При положительном напряжении подается на неинвертирующий входной вывод, база Q1 подтягивается входным напряжением, а его вывод эмиттера следует за входным сигналом. Поскольку эмиттеры Q1 и Q2 соединены вместе, эмиттер Q2 также подтягивается положительным входом на неинвертирующем выводе.

База Q2 заземлена, поэтому положительное напряжение на его эмиттере вызывает уменьшение его напряжения база-эмиттер V _BE2 . Уменьшение V _BE2 приводит к уменьшению тока эмиттера I _E2 и, следовательно, к уменьшению I _C2 .

Можно отметить, что положительный вход на выводе № 3 дает положительный выход, отсюда и название неинвертирующий входной терминал.

Символ операционного усилителя

Примечание:

• Если входной сигнал подается на одну из входных клемм на другую входную клемму, подключенную к земле, операция называется «несимметричной».
• В несимметричном режиме используется один вход, управляющие обоими транзисторами из-за соединения с общим эмиттером. Таким образом, полученный выход управляется обоими коллекторами.
• Если два входных сигнала подаются на две входные клеммы, операция называется «двусторонней».
• В двустороннем режиме разность входов, подаваемых на две входные клеммы, приводит в действие транзисторы, а полученный выход управляется обоими коллекторами.
• Если к обоим входам применяется один и тот же вход, операция называется «синфазным режимом».В синфазном режиме общий входной сигнал на обоих входных клеммах приводит к противоположным сигналам на каждом коллекторе.
• Эти сигналы отменяются, что приводит к нулевому выходному сигналу. На практике противоположные сигналы не полностью подавляют друг друга, и на выходе получается слабый сигнал.

Дифференциальный усилитель на транзисторах

Все операционные усилители состоят из дифференциального усилителя на входном каскаде. Если к двум входным клеммам операционного усилителя подаются два разных сигнала напряжения, результирующий выходной сигнал пропорционален «разнице» между двумя сигналами.

Таким образом, дифференциальные усилители усиливают разницу между двумя напряжениями, измеренными относительно общего эталона. Каскад дифференциального усилителя операционного усилителя показан ниже.

Два транзистора Q1 и Q2 имеют идентичные характеристики. Два входных сигнала Vi1 и Vi2 подаются на базовые клеммы Q1 и Q2 соответственно. Обратите внимание, что дифференциальный усилитель имеет две выходные клеммы V _O1 и V _O2 .

В идеале выходное напряжение равно нулю, когда оба входа равны.Когда Vi1 больше, чем Vi2, выходная клемма V _O1 будет положительной, а V _O2 будет отрицательной. Когда V _i2 больше, чем V _i1 , выходная клемма V _O2 будет положительной по отношению к V _O1 .

Выход V _O определяется как:

V _O = A _D (V _i1 – V _i2 )

Где A _D – дифференциальное усиление.

Дифференциальный усилитель можно настроить четырьмя различными способами:

• Дифференциальный усилитель с балансным выходом и двумя входами.
• Дифференциальный усилитель с несимметричным выходом и двумя входами.
• Дифференциальный усилитель с балансным выходом и одним входом.
• Дифференциальный усилитель с несимметричным выходом с одним входом.

Усиление синфазного сигнала

Когда на обе входные клеммы подается один и тот же сигнал входного напряжения, операция называется «синфазной» работой. Синфазный сигнал обычно представляет собой помехи или статический сигнал.

Коэффициент усиления синфазного режима – это изменение выходного напряжения из-за входного синфазного сигнала, деленное на входное синфазное напряжение.

Хотя дифференциальный усилитель обеспечивает большое усиление разностного напряжения, приложенного к обоим входам, он распознает входные синфазные сигналы, то есть отказывается усиливать синфазные сигналы.

Способность дифференциального усилителя подавлять синфазный сигнал выражается его коэффициентом подавления синфазного сигнала (CMRR).

Более высокое значение CMRR означает лучшую способность отклонять синфазные сигналы. Таким образом, любой нежелательный сигнал, такой как шум или наводка помех, будет казаться общим для обоих входных клемм, и влияние этого сигнала на выход будет нулевым.

CMRR – это отношение дифференциального усиления к синфазному усилению дифференциального усилителя, т.е.

CMRR = A _D / A _C

Где, A _D = V _O / (V _i1 – V _i2 )

и A _C = V _{O (CM)} / V _{i (CM)}

Эквивалентная схема идеального операционного усилителя

Эквивалентная схема идеальный операционный усилитель показан выше. Входное напряжение V _DIFF – это разность напряжений (V ₁ -V ₂ ).Z _в – это входное сопротивление, а Z _{на выходе} – это выходное сопротивление.

Параметр усиления A называется усилением разомкнутого контура. Если операционный усилитель не имеет обратной связи от выхода к любому из входов, говорят, что он работает в конфигурации с разомкнутым контуром.

Идеальный операционный усилитель демонстрирует бесконечное усиление разомкнутого контура, бесконечное входное сопротивление, нулевое выходное сопротивление, бесконечное колебание напряжения, бесконечную полосу пропускания, бесконечную скорость нарастания и нулевое входное напряжение смещения.

Рабочие характеристики усилителя

Входное сопротивление (Z _в )

Идеальный операционный усилитель имеет бесконечное входное сопротивление для предотвращения любого протекания тока от источника питания в схему операционного усилителя.Но когда операционный усилитель используется в линейных приложениях, некоторая форма отрицательной обратной связи обеспечивается извне. Из-за этой отрицательной обратной связи входное сопротивление становится равным

Z _в = (1 + A _OL β) Z _i

Где Z _в – входное сопротивление без обратной связи

A _OL – коэффициент усиления разомкнутого контура

β – коэффициент обратной связи (1 для повторителя напряжения)

Импеданс источников сигнала, подключенных ко входу операционного усилителя, должен быть намного меньше, чем входное сопротивление усилителя, чтобы избежать потери сигнала. .

Выходное сопротивление (Zout)

Идеальный операционный усилитель имеет нулевое выходное сопротивление. Это означает, что выходное напряжение не зависит от выходного тока. Таким образом, идеальный операционный усилитель может выступать в качестве идеального внутреннего источника напряжения с нулевым внутренним сопротивлением, так что к нагрузке может подаваться максимальный ток.

Фактически, выходной импеданс операционного усилителя зависит от отрицательной обратной связи и определяется выражением

Zout = Zo / (1 + AOL β)

Где

Zo – выходное сопротивление операционного усилителя. без обратной связи

AOL – коэффициент усиления разомкнутого контура

β – коэффициент обратной связи

Полное сопротивление нагрузки, подключенное к выходу операционного усилителя, должно быть намного больше, чем выходное сопротивление схемы, чтобы избежать значительных потерь на выходе в падение напряжения на Zout.

Усиление разомкнутого контура (AVO)

Усиление разомкнутого контура операционного усилителя определяется как усиление операционного усилителя, когда нет обратной связи от выхода к любому из его входов. Для идеального операционного усилителя теоретически коэффициент усиления будет бесконечным, но практическое значение колеблется от 20 000 до 200 000.

Полоса пропускания (BW)

Идеальный операционный усилитель может усилить любой частотный сигнал от постоянного до самых высоких частот переменного тока, таким образом, он имеет бесконечную частотную характеристику. Следовательно, полоса пропускания идеального операционного усилителя должна быть бесконечной.

В практических схемах полоса пропускания операционного усилителя ограничена произведением коэффициента усиления на пропускную способность (ГБ).

CMRR (коэффициент подавления синфазного сигнала)

CMRR определяется как способность операционного усилителя отклонять входной синфазный сигнал. CMRR – важный показатель операционного усилителя. Идеальный операционный усилитель будет иметь бесконечный CMRR. В практических схемах CMRR определяется как

CMRR = 20 log10 (AD / | AC |) дБ

Где AD – это дифференциальное усиление, а AC – синфазное усиление операционного усилителя.

Напряжение смещения (В _iO )

Входное напряжение смещения определяет дифференциальное напряжение постоянного тока, необходимое между входными клеммами, чтобы сделать выходное напряжение нулевым по отношению к земле. Идеальный операционный усилитель будет иметь нулевое напряжение смещения, тогда как практические операционные усилители показывают небольшое смещение.

Скорость нарастания

Скорость нарастания определяется как максимальное изменение выходного напряжения в единицу времени и выражается в вольтах в секунду.

Идеальный операционный усилитель будет иметь бесконечную скорость нарастания напряжения.В практических операционных усилителях скорость нарастания по сути ограничена небольшими внутренними токами возбуждения операционного усилителя, а также внутренней емкостью, предназначенной для компенсации высокочастотных колебаний.

Таблица характеристик операционного усилителя

Частотная характеристика операционного усилителя

Коэффициент усиления разомкнутого контура A _OL не является постоянным для всех частот. Реальные операционные усилители имеют частотно-зависимое усиление без обратной связи. Кривая частотной характеристики практического операционного усилителя показана ниже.

Из приведенной выше кривой мы можем отметить, что произведение усиления и частоты постоянно в любой точке кривой. Эта константа известна как произведение «коэффициент усиления-пропускная способность» (ГБ). Кроме того, коэффициент усиления усилителя в любой точке кривой определяется частотой единичного усиления (0 дБ).

Полоса пропускания операционного усилителя

Полоса пропускания операционного усилителя определяется как частотный диапазон, в котором коэффициент усиления по напряжению усилителя превышает -3 дБ (максимум 0 дБ) от его максимального выходного значения.

На приведенном выше рисунке значение -3 дБ AV (макс.) Показано как 37 дБ. Линия 37 дБ пересекается с кривой на частотах чуть выше 10 кГц. Эту частоту можно более точно рассчитать, если известно произведение GB усилителя.

Можно отметить, что коэффициент усиления разомкнутого контура уменьшается с увеличением частоты входного сигнала. Частота отображается в логарифмическом масштабе, и коэффициент усиления линейно уменьшается с логарифмическим увеличением частоты.

Известно, что скорость падения коэффициента усиления в операционном усилителе составляет 20 дБ за декаду.

Приложения операционного усилителя

• Операционные усилители являются популярными строительными блоками в электронных схемах и находят применение в большинстве бытовых и промышленных электронных систем.
• Операционные усилители могут быть настроены для работы в качестве усилителей сигналов различных типов, таких как инвертирующий, неинвертирующий, дифференциальный, суммирующий и т. Д., А также он используется для выполнения математических операций, таких как сложение, вычитание, умножение, деление, а также дифференцирование. и интеграция.
• Операционные усилители могут использоваться при создании активных фильтров, обеспечивающих функции высокочастотных, низкочастотных, полосовых, режекторных и задерживающих.
• Высокий входной импеданс и коэффициент усиления операционного усилителя позволяют напрямую вычислять значения элементов, позволяют точно реализовать любую желаемую топологию фильтра, не обращая внимания на эффекты нагрузки каскадов в фильтре или последующих каскадов.
• Операционный усилитель при необходимости можно заставить работать как компаратор.Самая маленькая разница между входными напряжениями будет значительно усилена.
• Операционные усилители используются в конструкции генераторов, например, в мостовом генераторе Вейна. Операционные усилители также используются в нелинейных схемах, таких как логарифмические и антилогарифмические усилители.
• Операционные усилители находят применение в качестве источников напряжения, источников тока и приемников тока, а также в качестве вольтметров постоянного и переменного тока. Операционные усилители также используются в схемах обработки сигналов, таких как прецизионные выпрямители, схемы ограничения и схемы выборки и хранения.

Операционный усилитель Краткое описание

• Операционный усилитель – это дифференциальный усилитель постоянного тока с очень высоким коэффициентом усиления. Большинству операционных усилителей для работы требуется как положительный, так и отрицательный источник питания.
• Операционные усилители могут быть сконфигурированы с использованием одной или нескольких внешних обратных связей и смещений напряжения для получения желаемых откликов и характеристик.
• Базовая конструкция операционного усилителя представляет собой трехконтактное устройство, исключая силовые соединения. Операционные усилители определяют разницу между сигналами напряжения, подаваемыми на их входные клеммы, и затем усиливают ее с некоторым заранее определенным коэффициентом усиления.Это усиление часто называют усилением «разомкнутого контура».
• Замыкание разомкнутого контура путем подключения резистивного или реактивного компонента между выходом и одной входной клеммой операционного усилителя значительно снижает и регулирует это усиление разомкнутого контура.