Усилитель на операционном усилителе: Операционный усилитель? Это очень просто!

В статье будет рассмотрена стандартная схема усилителя на операционном усилителе, а также приведены примеры различных режимов работы этого прибора. На сегодняшний день ни одно устройство управления не обходится без использования операционных усилителей. Это поистине универсальные приборы, которые позволяют выполнять различные функции с сигналом. О том, как работает и что конкретно позволяет сделать этот прибор, вы и узнаете далее.

Инвертирующие усилители

Схема инвертирующего усилителя на ОУ достаточно проста, вы ее можете увидеть на изображении. В ее основе находится операционный усилитель (схемы включения его рассмотрены в данной статье). Кроме этого, здесь:

1. На резисторе R1 падение напряжения присутствует, по своему значению оно такое же, как входное.
2. На резисторе R2 также имеется падение напряжения – оно такое же, как выходное.

При этом отношение выходного напряжения к сопротивлению R2 равно по значению отношению входного к R1, но обратно ему по знаку. Зная значения сопротивления и напряжения, можно вычислить коэффициент усиления. Для этого необходимо разделить выходное напряжение на входное. При этом операционный усилитель (схемы включения у него могут быть любыми) может иметь одинаковый коэффициент усиления независимо от типа.

Работа обратной связи

Теперь нужно более детально разобрать один ключевой момент – работу обратной связи. Допустим, на входе имеется некоторое напряжение. Для простоты расчетов примем его значение равным 1 В. Допустим также, что R1=10 кОм, R2=100 кОм.

А теперь предположим, что возникла какая-то непредвиденная ситуация, из-за которой на выходе каскада напряжение установилось на значении 0 В. Далее наблюдается интересная картина – два сопротивления начинают работать в паре, совместно они создают из себя делитель напряжения. На выходе инвертирующего каскада оно поддерживается на уровне 0,91 В. При этом ОУ позволяет фиксировать рассогласование по входам, а на выходе происходит уменьшение напряжения. Поэтому очень просто спроектировать схему на операционных усилителях, реализующую функцию усилителя сигнала от датчика, например.

И продолжаться это изменение будет до той самой поры, покуда не установится на выходе значение стабильное в 10 В. Именно в этот миг на входах операционного усилителя потенциалы окажутся равными. И они будут такими же, как потенциал земли. С другой стороны, если на выходе устройства продолжит уменьшаться напряжение, и оно будет меньше, чем -10 В, на входе потенциал станет ниже, нежели у земли. Следствие этого – на выходе начинает увеличиваться напряжение.

У такой схемы имеется большой недостаток – входной импеданс очень маленький, в особенности у усилителей с большим значением коэффициента усиления по напряжению, в том случае, если цепь обратной связи замкнута. А конструкция, рассмотренная дальше, лишена всех этих недостатков.

Неинвертирующий усилитель

На рисунке приведена схема неинвертирующего усилителя на операционном усилителе. Проанализировав ее, можно сделать несколько выводов:

1. Значение напряжения UA равно входному.
2. С делителя снимается напряжение UA, которое равно отношению произведения выходного напряжения и R1 к сумме сопротивлений R1 и R2.
3. В случае, когда UA по значению равен входному напряжению, коэффициент усиления равен отношению выходного напряжения к входному (или же можно к отношению сопротивлений R2 и R1 прибавить единицу).

Называется данная конструкция неинвертирующим усилителем, у него практически бесконечный входной импеданс. Например, для операционных усилителей 411 серии его значение – 1012 Ом, минимум. А для операционных усилителей на биполярных полупроводниковых транзисторах, как правило, свыше 108 Ом. А вот выходной импеданс каскада, равно как и в ранее рассмотренной схеме, очень мал – доли ома. И это нужно учитывать, когда производится расчет схем на операционных усилителях.

Схема усилителя переменного тока

Обе схемы, рассмотренные в статье ранее, работают на постоянном токе. Но вот если в качестве связи источника входного сигнала и усилителя выступает переменный ток, то придется предусматривать заземление для тока на входе устройства. Причем нужно обратить внимание на то, что значение тока крайне мало по величине.

В том случае, когда происходит усиление сигналов переменного тока, необходимо уменьшать коэффициент усиления сигнала постоянного до единицы. В особенности это актуально для случаев, когда коэффициент усиления по напряжению очень большой. Благодаря этому имеется возможность значительно снизить влияние напряжения сдвига, которое приводится к входу устройства.

Второй пример схемы для работы с переменным напряжением

В данной схеме на уровне -3 дБ можно видеть соответствие частоте 17 Гц. На ней у конденсатора импеданс оказывается на уровне двух килоом. Поэтому конденсатор должен быть достаточно большим.

Чтобы построить усилитель переменного тока, необходимо использовать неинвертирующий тип схемы на операционных усилителях. И у него должен быть достаточно большой коэффициент усиления по напряжению. Но вот конденсатор может быть чересчур большим, поэтому лучше всего отказаться от его использования. Правда, придется правильно подобрать напряжение сдвига, приравняв его по значению к нулю. А можно применить Т-образный делитель и увеличить значения сопротивлений обоих резисторов в схеме.

Какую схему предпочтительнее использовать

Большинство разработчиков отдают свое предпочтение неинвертирующим усилителям, так как у них очень высокий импеданс на входе. И пренебрегают схемам инвертирующего типа. Зато у последнего имеется огромное преимущество – он не требователен к самому операционному усилителю, который является его «сердцем».

Кроме того, характеристики, на поверку, у него значительно лучше. И с помощью мнимого заземления можно без особого труда все сигналы комбинировать, причем они не будут оказывать друг на друга какое-то влияние. Может использоваться в конструкциях и схема усилителя постоянного тока на операционном усилителе. Все зависит от потребностей.

И самое последнее – случай, если вся схема, рассмотренная здесь, подключается к стабильному выходу другого операционного усилителя. В этом случае значение импеданса на входе не играет существенной роли – хоть 1 кОм, хоть 10, хоть бесконечность. В этом случае первый каскад всегда выполняет свою функцию по отношению к следующему.

Схема повторителя

Работает повторитель на операционном усилителе аналогично эмиттерному, построенному на биполярном транзисторе. И выполняет аналогичные функции. По сути, это неинвертирующий усилитель, в котором у первого резистора сопротивление бесконечно большое, а у второго равно нулю. При этом коэффициент усиления равен единице.

Имеются специальные типы операционных усилителей, которые используются в технике лишь для схем повторителей. У них значительно лучшие характеристики – как правило, это высокое быстродействие. В качестве примера можно привести такие операционные усилители как OPA633, LM310, TL068. Последний имеет корпус, как у транзистора, а также три вывода. Очень часто такие усилители называют просто буферами. Дело в том, что они обладают свойствами изолятора (очень большой входной импеданс и крайне низкий выходной). Примерно по такому принципу строится и схема усилителя тока на операционном усилителе.

Активный режим работы

По сути, это такой режим работы, при котором выходы и входы операционного усилителя не перегружаются. Если на вход схемы подать очень большой сигнал, то на выходе его просто начнет резать по уровню напряжения коллектора или эмиттера. А вот когда на выходе напряжение фиксируется на уровне среза – на входах ОУ напряжение не меняется. При этом размах не может оказаться большим, нежели напряжение питания усилительного каскада.

Большая часть схем на операционных усилителях рассчитывается таким образом, что этот размах меньше питающего напряжения на 2 В. Но все зависит от того, какая используется конкретно схема усилителя на операционном усилителе. Такое же имеется ограничение на устойчивость источника тока на базе операционного усилителя.

Допустим, есть в источнике с плавающей нагрузкой некое падение по напряжению. В случае если ток имеет нормальное направление движения, можно встретить странную на первый взгляд нагрузку. Например, несколько переполюсованных батарей питания. Такая конструкция может применяться для того, чтобы получить прямой ток заряда.

Некоторые предосторожности

Простой усилитель напряжения на операционном усилителе (схема может быть выбрана любая) можно изготовить буквально “на коленке”. Но потребуется учитывать некоторые особенности. Обязательно нужно удостовериться, что обратная связь в схеме отрицательная. Это также говорит о том, что недопустимо путать неинвертирующий и инвертирующий входы усилителя. Кроме того, должна присутствовать цепочка обратной связи для постоянного тока. Иначе операционный усилитель начнет быстро переходить в режим насыщения.

У большинства операционных усилителей входное дифференциальное напряжение очень маленькое по значению. При этом максимальная разность неинвертирующего и инвертирующего входов может ограничиваться значением 5 В при любом подключении источника питания. Если пренебречь данным условием, появятся на входе довольно большие значения токов, которые приведут к тому, что все характеристики схемы ухудшатся.

Самое страшное в этом – физическое разрушение самого операционного усилителя. В результате перестает работать схема усилителя на операционном усилителе полностью.

Следует учитывать

И, конечно же, нужно рассказать о правилах, которые стоит соблюдать, чтобы обеспечить стабильную и долговечную работу операционного усилителя.

Самое главное – ОУ обладает очень высоким коэффициентом усиления по напряжению. И если между входами напряжения изменятся на долю милливольт, на выходе его значение может измениться существенно. Поэтому важно знать: у операционного усилителя выход старается стремиться к тому, чтоб между входами разница напряжений оказалась близка (в идеале равна) к нулю.

Второе правило – потребление тока операционным усилителем крайне малое, буквально наноамперы. Если же на входах установлены полевые транзисторы, то оно исчисляется пикоамперами. Отсюда можно сделать вывод, что входы не потребляют ток, независимо от того, какой используется операционный усилитель, схема – принцип работы остается тем же.

Но не стоит думать, что ОУ действительно постоянно меняет на входах напряжение. Физически это осуществить почти нереально, так как не было бы соответствия со вторым правилом. Благодаря операционному усилителю происходит оценка состояния всех входов. При помощи схемы обратной внешней связи передается напряжение на вход с выхода. Результат – между входами операционного усилителя разница напряжений находится на уровне нуля.

Понятие обратной связи

Это распространенное понятие, и оно уже применяется в широких смыслах во всех областях техники. В любой системе управления имеется обратная связь, которая сравнивает выходной сигнал и заданное значение (эталонное). В зависимости от того, какое значение текущее – происходит корректировка в нужную сторону. Причем системой управления может быть что угодно, даже автомобиль, которые едет по дороге.

Водитель жмет на тормоза, и обратная связь здесь – начало замедления. Проведя аналогию с таким простым примером, можно лучше разобраться с обратной связью в электронных схемах. А отрицательная обратная связь – это если бы при нажимании педали тормоза автомобиль ускорялся.

В электронике обратной связью называют процесс, во время которого происходит передача сигнала с выхода на вход. При этом происходит также погашение сигнала на входе. С одной стороны, это не очень разумная идея, ведь может показаться со стороны, что значительно уменьшится коэффициент усиления. Такие отзывы, кстати, получали основоположники разработки обратной связи в электронике. Но стоит разобраться детальнее в ее влиянии на операционные усилители – практические схемы рассмотреть. И станет ясно, что она и правда немного уменьшает коэффициент усиления, но зато позволяет несколько улучшить остальные параметры:

1. Сгладить частотные характеристики (приводит их к необходимой).
2. Позволяет предсказывать поведение усилителя.
3. Способна устранить нелинейность и искажения сигнала.

Чем глубже обратная связь (речь идет про отрицательную), тем меньшее влияние оказывают на усилитель характеристики с разомкнутой ОС. Результат – все его параметры зависят только от того, какие свойства имеет схема.

Стоит обратить внимание на то, что все операционные усилители работают в режиме с очень глубокой обратной связью. А коэффициент усиления по напряжению (с ее разомкнутой петлей) может достигать даже нескольких миллионов. Поэтому схема усилителя на операционном усилителе крайне требовательна к соблюдению всех параметров по питанию и уровню входного сигнала.

Основы, характеристики, типы и применение

Что такое операционные усилители?

Операционные усилители являются основными строительными блоками аналоговых электронных схем. Это линейные устройства со всеми свойствами усилителя постоянного тока. Мы можем использовать внешние резисторы или конденсаторы, чтобы в операционном усилителе было много разных способов сделать их разными формами усиления, такими как инвертирующий усилитель, неинвертирующий усилитель, повторитель напряжения, компаратор, дифференциальный усилитель, суммирующий усилитель, интегратор и т. Д.OPAMP могут быть одиночными, двойными, четверными и т. Д. OPAMP, такие как CA3130, CA3140, TL0 71, LM311 и т. Д., Имеют отличные характеристики при очень низком входном токе и напряжении. Идеальный операционный усилитель имеет три важных терминала в дополнение к другим терминалам. Входными клеммами являются Инвертирующий вход и Неинвертирующий вход. Третий вывод является выходом, который может потреблять и источник тока и напряжения. Выходной сигнал – это усиление усилителя, умноженное на значение входного сигнала.

5 Идеальные персонажи операционного усилителя:

1.Коэффициент усиления разомкнутого контура

Коэффициент усиления разомкнутого контура – это коэффициент усиления операционного усилителя без положительной или отрицательной обратной связи. Идеальный операционный усилитель должен иметь бесконечное усиление в разомкнутом контуре, но обычно он находится в диапазоне от 20000 до 2.000000.

2. Входной импеданс

Это отношение входного напряжения к входному току. Оно должно быть бесконечным без какой-либо утечки тока из источника питания на входы. Но в большинстве операционных усилителей будет несколько утечек тока Пико-Ампер.

3.Выходной импеданс

Идеальный операционный усилитель должен иметь нулевой выходной импеданс без какого-либо внутреннего сопротивления. Так что он может подавать полный ток на нагрузку, подключенную к выходу.

4. Ширина полосы

Идеальный операционный усилитель должен иметь бесконечную частотную характеристику, чтобы он мог усиливать любую частоту от сигналов постоянного тока до самых высоких частот переменного тока. Но большинство операционных усилителей имеют ограниченную пропускную способность.

5. Смещение

Выход операционного усилителя должен быть нулевым, если разность напряжений между входами равна нулю.Но в большинстве операционных усилителей выходной сигнал не будет равен нулю, когда он выключен, но от него будет небольшое напряжение.

OPAMP Конфигурация контактов:

В обычном операционном усилителе будет 8 контактов. Это

, контакт 1 – нулевое смещение

, контакт 2 – инвертирующий вход INV

, контакт 3 – неинвертирующий вход, не INV

, контакт 4 – заземление – отрицательное напряжение

контакт 5 – смещение, нулевое значение

контакт 6 – выход

контакт 7 – положительный источник питания

Pin8 – стробоскоп

4 типа усиления в OPAMP:

Усиление напряжения – Вход и выход напряжения

Усиление тока – Вход и выход тока

Transconductance – Входы и выходы

Транс сопротивление – Ток на входе и на выходе

Работа операционного усилителя:

Здесь мы использовали операционный усилитель LM358.Обычно неинвертирующий вход должен быть задан смещением, а инвертирующий вход является реальным усилителем; подключил это к обратной связи 60 к резистор от выхода на вход. И резистор 10 кОм соединен последовательно с конденсатором, и в цепь подается питание синусоидальной формы 1 В, теперь мы увидим, как будет регулироваться коэффициент усиления R2 / R1 = 60 кОм / 10 к = 6, тогда выходной сигнал равен 6 В. , Если мы изменим усиление на 40, тогда выходной сигнал равен 4 В синусоидальной волны.

Видео о работе операционного усилителя

Обычно это усилитель с двумя источниками питания, его легко настроить на один источник питания с помощью сети резисторов.При этом резисторы R3 и R4 помещают напряжение половины напряжения питания на неинвертирующий вход, что приводит к тому, что выходное напряжение также составляет половину напряжения питания, образуя своего рода резисторы напряжения смещения R3 и R4, которые могут иметь любое значение из 1k до 100k, но во всех случаях они должны быть равны. Дополнительный конденсатор емкостью 1 F был добавлен к неинвертирующему входу для уменьшения шума, вызванного конфигурацией. Использование конденсаторов связи для входа и выхода требуется для этой конфигурации.

3 Приложения OPAMP:

1. Усиление

Усиленный выходной сигнал от операционного усилителя – это разность между двумя входными сигналами.

На рисунке выше показано простое подключение операционного усилителя. Если на оба входа подается одинаковое напряжение, то операционный усилитель примет разницу между двумя напряжениями, и она будет равна 0. Операционный усилитель умножит это на свое усиление 1 000 000, поэтому выходное напряжение будет равно 0.Когда на один вход подается 2 вольт, а на другой 1 вольт, то операционный усилитель получает свою разницу и умножается на коэффициент усиления. Это 1 вольт х 1 000 000. Но это усиление очень велико, поэтому для уменьшения усиления обратная связь с выхода на вход обычно осуществляется через резистор.

Инвертирующий усилитель:

Схема, показанная выше, представляет собой инвертирующий усилитель с неинвертирующим входом, подключенным к земле. Два резистора R1 и R2 соединены в цепи таким образом, что R1 подает входной сигнал, а R2 возвращает выходной сигнал на инвертирующий вход.Здесь, когда входной сигнал положительный, выходной будет отрицательным, и наоборот. Изменение напряжения на выходе относительно входа зависит от соотношения резисторов R1 и R2. R1 выбран как 1K и R2 как 10K. Если на вход поступает 1 вольт, то через R1 будет проходить ток 1 мА, а на выходе должно быть – 10 вольт, чтобы подавать ток 1 мА через R2 и поддерживать нулевое напряжение на инвертирующем входе. Следовательно, коэффициент усиления по напряжению равен R2 / R1. То есть 10K / 1K = 10

Неинвертирующий усилитель:

Схема, показанная выше, является неинвертирующим усилителем.Здесь неинвертирующий вход получает сигнал, а инвертирующий вход подключен между R2 и R1. Когда входной сигнал перемещается в положительную или отрицательную сторону, выход будет синфазным и сохраняет напряжение на инвертирующем входе таким же, как и на неинвертирующем входе. Усиление напряжения в этом случае всегда будет выше 1, поэтому (1 + R2 / R1).

2. Повторитель напряжения

Приведенная выше цепь является повторителем напряжения. Здесь это обеспечивает высокий входной импеданс, низкий выходной импеданс.При изменении входного напряжения выходной сигнал и инвертирующий вход будут меняться одинаково.

3. Comparator

Операционный усилитель сравнивает напряжение, подаваемое на один вход, с напряжением, подаваемым на другой вход. Любая разница между напряжениями, если она мала, приводит к насыщению операционного усилителя. Когда напряжения, подаваемые на оба входа, имеют одинаковую величину и одинаковую полярность, выходной сигнал операционного усилителя составляет 0 Вольт.

Компаратор вырабатывает ограниченные выходные напряжения, которые могут легко взаимодействовать с цифровой логикой, даже если необходимо проверить совместимость.

Видео об операционном усилителе в качестве схемы компаратора

Здесь мы имеем операционный усилитель, используемый в качестве компаратора с инвертирующими и неинвертирующими клеммами и подключенный к ним делитель и измеритель потенциала, а также вольтметр на выходе и Светодиод на выходе. Основная формула для компаратора состоит в том, что когда «+» больше, чем «-», тогда выходной сигнал высокий (один), в противном случае выходной сигнал равен нулю. Когда напряжение на входе является отрицательным ниже опорного напряжения, выход высок, и, когда вход отрицательного поднимается выше напряжения на положительной, то выход переходит в низкий уровень.

3 Требования к OPAMP:

1. Offset Nulling

Большая часть OPAMP имеет напряжение смещения на выходе, даже если входные напряжения одинаковы. Для вывода нулевого напряжения используется метод смещения нуля. В большинстве операционных усилителей имеется небольшое смещение из-за присущего им свойства и является результатом несовпадений в расположении входного смещения. Таким образом, небольшое выходное напряжение доступно на выходе некоторых операционных усилителей, даже если входной сигнал равен нулю.Этот недостаток можно устранить, подав небольшое напряжение смещения на входы. Это известно как напряжение смещения входа. Чтобы удалить или обнулить смещение, большинство операционных усилителей имеют два контакта для включения обнуления смещения. Для этого между контактами 1 и 5 должен быть подключен горшок или пресет с типичным значением 100K, а его стеклоочиститель – к земле. Регулируя предустановку, выход можно установить на нулевое напряжение.

2. Стробирование или фазовая компенсация

Операционные усилители могут иногда работать нестабильно и для обеспечения их стабильности для всех частотных диапазонов Cap обычно подключается между своим стробирующим выводом 8 и выводом 1.Обычно для компенсации фазы добавляется дисковый конденсатор 47 пФ, чтобы операционный усилитель оставался стабильным. Это наиболее важно, если в качестве чувствительного усилителя используется операционный усилитель.

3. Обратная связь

Как вы знаете, операционный усилитель имеет очень высокий уровень усиления, обычно около 1000,00 раз. Предположим, что операционный усилитель имеет коэффициент усиления 10000, тогда операционный усилитель усилит разность напряжений на своем неинвертирующем входе (V +) и инвертирующем входе (V-). Таким образом, выходное напряжение V out составляет
10 000 x (V + – V-)

На схеме сигнал подается на неинвертирующий вход, а на инвертирующем входе подключается к выходу.Так V + = V в и V- = Vout. Следовательно, Вут = 10000 х (Вин – Вут). Следовательно, выходное напряжение практически равно входному напряжению.

Теперь давайте посмотрим, как работает обратная связь. Простое добавление резистора между инвертирующим входом и выходом значительно уменьшит усиление. Принимая часть выходного напряжения на инвертирующий вход можно значительно уменьшить усиление.

Согласно предыдущему уравнению V out = 10000 x (V + – V-). Но здесь добавлен резистор обратной связи.Здесь V + Vin, а V- R1.R1 + R2 x V out. Следовательно, V out равно 10000 x (Vin – R1.R1 + R2xVout). Итак, V out = R1 + R2.R1x Vin

Отрицательная обратная связь:

Здесь выход операционного усилителя подключен к его инвертирующему (-) входу, таким образом, выход подается обратно на вход, чтобы достичь равновесия , Таким образом, входной сигнал на неинвертирующем (+) входе будет отражен на выходе. Операционный усилитель с отрицательной обратной связью выводит свой выходной сигнал на необходимый уровень, и, следовательно, разность напряжений между его инвертирующим и неинвертирующим входами будет почти равна нулю.

Положительная обратная связь:

Здесь выходное напряжение подается обратно на неинвертирующий (+) вход. Входной сигнал подается на инвертирующий вход. В конструкции с положительной обратной связью, если инвертирующий вход подключен к земле, выходное напряжение от операционного усилителя будет зависеть от величины и полярности напряжения на неинвертирующем входе. Когда входное напряжение положительное, выход операционного усилителя будет положительным, и это положительное напряжение будет подано на неинвертирующий вход, что приведет к полному положительному выходу.Если входное напряжение отрицательно, то условие будет полностью изменено.

Применение операционных усилителей – предусилитель звука

Фильтры и предварительные усилители:

Усилители мощности будут идти после предварительных усилителей и перед динамиками. Современные CD и DVD плееры не нуждаются в предварительных усилителях. Им нужны регулятор громкости и селекторы источника. Используя переключатели и пассивную громкость, мы можем избежать предварительных усилителей.

Давайте кратко расскажем об усилителях мощности звука

Усилитель мощности – это компонент, который может управлять громкоговорителями путем преобразования сигнала низкого уровня в большой сигнал.Работа усилителей мощности производит относительно высокое напряжение и высокий ток. Обычно диапазон усиления по напряжению находится в диапазоне от 20 до 30. Усилители мощности имеют очень низкое выходное сопротивление.

Технические характеристики усилителя мощности звука

Выходное напряжение не зависит от нагрузки как для малых, так и для больших сигналов. Заданное напряжение, приложенное к нагрузке, вызывает удвоенную величину тока. Следовательно, вдвое больше энергии будет доставлено. Номинальная мощность представляет собой непрерывную среднюю мощность синусоидальной волны, так что мощность может быть измерена с использованием синусоидальной волны, среднеквадратичное напряжение которой измеряется на долгосрочной основе.

Частотная характеристика должна расширять полную звуковую полосу от 20 Гц до 20 КГц. Допуск на частотную характеристику составляет ± 3 дБ. Традиционный способ задания полосы пропускания – это усиление усилителя на 3 дБ от номинального 0 дБ.

Усилители мощности должны создавать низкий уровень шума, когда усилители мощности используются на высоких частотах. Параметр шума может быть взвешенным или невзвешенным. Невзвешенный шум будет определяться в полосе шириной 20 кГц. На основании чувствительности уха будет принята взвешенная характеристика шума.Измерение взвешенного шума имеет тенденцию ослаблять шум на более высоких частотах, следовательно, измерение взвешенного шума гораздо лучше, чем измерение невзвешенного шума.

Общее гармоническое искажение – это общее искажение, обычно заданное на разных частотах. Это будет указано для уровня мощности, который задается с помощью импеданса нагрузки усилителя мощности.

приложений операционных усилителей

Ранние операционные усилители (операционные усилители) использовались главным образом для выполнения математических операций, таких как сложение, вычитание, интегрирование и дифференцирование – таким образом, термин был операционным. Эти ранние устройства были сконструированы с вакуумными трубками и работали с высоким напряжением. Современные операционные усилители представляют собой линейные интегральные схемы (IC _с ), которые используют относительно низкое напряжение питания постоянного тока, являются надежными и недорогими.

Стандартный операционный усилитель (операционный усилитель), символ , показан на рисунке.Он имеет две входные клеммы: инвертирующий (-) вход и неинвертирующий (+) вход и одну выходную клемму. Большинство операционных усилителей работают с двумя напряжениями питания постоянного тока, одно положительное, а другое отрицательное, хотя некоторые имеют один источник постоянного тока. Обычно эти клеммы напряжения постоянного тока не показаны на схематическом обозначении для простоты, но подразумевается, что они есть. Некоторые типичные пакеты операционных усилителей. Символы и комплекты операционного усилителя показаны на рисунках выше:

Идеальный операционный усилитель:

Чтобы проиллюстрировать, что такое операционный усилитель, давайте рассмотрим его идеальные характеристики.Практический операционный усилитель, конечно, не соответствует этим идеальным стандартам, но гораздо проще понять и проанализировать устройство с идеальной точки зрения.

Во-первых, идеальный операционный усилитель имеет бесконечное усиление напряжения и неограниченную полосу пропускания. Кроме того, он имеет бесконечного входного сопротивления (разомкнут), поэтому он не загружает источник возбуждения. Наконец, он имеет нулевое выходное сопротивление. Входное напряжение, V _в , появляется между двумя входными клеммами, а выходное напряжение составляет A _v V _в , как указано символом внутреннего источника напряжения.Концепция бесконечного входного сопротивления является особенно ценным инструментом анализа для различных конфигураций операционного усилителя.

Базовое представление операционных усилителей показано на рисунке выше:

Практический операционный усилитель:

Хотя операционные усилители интегральной микросхемы (IC) подходят к значениям параметров, которые во многих случаях могут рассматриваться как идеальные идеальное устройство никогда не может быть сделано. Любое устройство имеет ограничения, и IC операционный усилитель не является исключением. Операционные усилители имеют ограничения по напряжению и току.Например, пиковое выходное напряжение обычно ограничивается чуть меньшим, чем два напряжения питания. Выходной ток также ограничен внутренними ограничениями, такими как рассеиваемая мощность и номинальные характеристики компонентов.
Характеристики практического операционного усилителя – очень высокое усиление напряжения, очень высокий входной импеданс, и очень низкий выходной импеданс . Они обозначены на рисунке. Другое практическое соображение заключается в том, что внутри операционного усилителя всегда возникает шум. Шум – это нежелательный сигнал, который влияет на качество желаемого сигнала.Сегодня разработчики схем используют меньшие напряжения, которые требуют высокой точности, поэтому компоненты с низким уровнем шума пользуются большим спросом. Все схемы генерируют шум; операционные усилители не являются исключением, но количество может быть сведено к минимуму.

Внутренняя блок-схема операционного усилителя:

Типичный операционный усилитель состоит из трех типов схем усилителя: дифференциального усилителя, усилителя напряжения и двухтактного усилителя. Дифференциальный усилитель является входным каскадом для операционного усилителя. Это обеспечивает усиление разности напряжений между двумя входами.Вторая ступень обычно представляет собой усилитель класса А, который обеспечивает дополнительное усиление. Некоторые операционные усилители могут иметь более одного каскада усилителя напряжения. Двухтактный усилитель класса B обычно используется для выходного каскада. Базовое внутреннее расположение операционного усилителя показано на рисунке:

Термин дифференциал происходит от способности усилителя усиливать разность двух применяемых входных сигналов. на его входы. Усиливается только разница в двух сигналах; если нет разницы, выход равен нулю.Дифференциальный усилитель имеет два режима работы в зависимости от типа входных сигналов. Эти режимы являются дифференциальными и общими, которые описаны в следующем разделе. Поскольку дифференциальный усилитель является входным каскадом операционного усилителя, операционный усилитель демонстрирует те же режимы.

Режимы ввода и параметры операционного усилителя:

В этом разделе определяются важные режимы ввода операционного усилителя и несколько параметров. Также несколько общих операционных усилителей сравниваются по этим параметрам.

Режимы входного сигнала:

Напомним, что режимы входного сигнала определяются входным каскадом дифференциального усилителя операционного усилителя.

Дифференциальный режим

:

В дифференциальном режиме либо один сигнал подается на вход с другим заземленным входом, либо на вход поступают два сигнала противоположной полярности. Когда операционный усилитель работает в одностороннем дифференциальном режиме, один вход заземляется, а напряжение сигнала подается на другой вход, как показано на рисунке. В случае, когда напряжение сигнала подается на инвертирующий вход, как в части (а), инвертированное усиленное напряжение сигнала появляется на выходе.В случае, когда сигнал подается на неинвертирующий вход с заземленным инвертирующим входом, как на рисунке, на выходе появляется неинвертированное усиленное напряжение сигнала. Односторонний дифференциальный режим показан на рисунке:

В двустороннем дифференциальном режиме на входы подаются два сигнала противоположной полярности (противофазные), как показано на рисунке. Усиленная разница между двумя входами появляется на выходе. Эквивалентно, двусторонний дифференциальный режим может быть представлен одним источником, подключенным между двумя входами, как показано на рисунке:

Общий режим:

В общем режиме два напряжения сигнала одной и той же фазы , частота и амплитуда применяются к двум входам, как показано на рисунке.Когда равные входные сигналы подаются на оба входа, они имеют тенденцию к отмене, что приводит к нулевому выходному напряжению. Работа в синфазном режиме показана на рисунке выше:

Это действие называется синфазным отклонением. Его важность заключается в ситуации, когда нежелательный сигнал обычно появляется на обоих входах операционного усилителя. Отклонение синфазного режима означает, что этот нежелательный сигнал не будет появляться на выходе и искажать требуемый сигнал. Синфазные сигналы (шум), как правило, являются результатом приема излучаемой энергии на входных линиях, от соседних линий, линии электропередачи 60 Гц или других источников.

Параметры операционного усилителя:

Коэффициент подавления синфазного сигнала:

Желаемые сигналы могут появляться только на одном входе или с противоположной полярностью на обеих входных линиях. Эти желательные сигналы усиливаются и появляются на выходе, как обсуждалось ранее. Нежелательные сигналы (шум), появляющиеся с одинаковой полярностью на обеих входных линиях, по существу, отменяются операционным усилителем и не появляются на выходе. Мера способности усилителя отклонять синфазные сигналы – это параметр, называемый CMRR (коэффициент подавления синфазного сигнала).

В идеале операционный усилитель обеспечивает очень высокое усиление для сигналов дифференциального режима и нулевое усиление для сигналов общего режима. Практические операционные усилители, однако, демонстрируют очень небольшое усиление синфазного сигнала (обычно намного меньше 1), обеспечивая при этом высокий коэффициент дифференциального усиления без обратной связи (обычно несколько тысяч). Чем выше коэффициент усиления в разомкнутом контуре по сравнению с усилением синфазного режима, тем выше производительность операционного усилителя в отношении подавления синфазных сигналов. Это говорит о том, что хорошим показателем эффективности операционного усилителя при подавлении нежелательных синфазных сигналов является отношение усиления дифференциального напряжения разомкнутого контура, A _или , к усилению синфазного сигнала, A _см .Это соотношение – коэффициент отклонения синфазного сигнала, CMRR.

Чем выше CMRR, тем лучше. Очень высокое значение CMRR означает, что усиление в разомкнутом контуре, A _или , является высоким, а усиление синфазного сигнала, A _см , является низким.

CMRR часто выражается в децибелах (дБ) как:

Коэффициент усиления без обратной связи , _или операционного усилителя является внутренним коэффициентом усиления напряжения устройства и представляет собой отношение выходного напряжения к входному напряжению при отсутствии внешних компонентов.Коэффициент усиления по напряжению в разомкнутом контуре полностью определяется внутренней конструкцией. Коэффициент усиления по напряжению в разомкнутом контуре может варьироваться до 200 000 (106 дБ) и не является хорошо контролируемым параметром. В спецификациях часто упоминается усиление напряжения разомкнутого контура как усиление напряжения с большим сигналом .

CMRR 100000, например, означает, что желаемый входной сигнал (дифференциальный) усиливается в 100000 раз больше, чем нежелательный шум (синфазный режим). Если амплитуды дифференциального входного сигнала и синфазного шума равны, требуемый сигнал появится на выходе в 100 000 раз больше по амплитуде, чем шум.Таким образом, шум или помехи были по существу устранены.

Максимальное колебание выходного напряжения (В _{O (стр.} ):

При отсутствии входного сигнала выход операционного усилителя в идеале равен 0 В. Это называется выходным напряжением покоя. Когда применяется входной сигнал, идеальные пределы выходного сигнала от пика к пику составляют ± V _CC . Однако на практике этот идеал может быть достигнут, но никогда не достигнут. V _{O (pp)} изменяется в зависимости от нагрузки, подключенной к операционному усилителю и увеличивается непосредственно с сопротивлением нагрузки.Например, таблица данных Fairchild KA741 показывает типичное значение V _{O (p-p)} ± 13 В для V _{CC = ± 15 В} , когда R L = 2 кОм. V _{O (p-p)} увеличивается до ± 14 В, когда R _L = 10 кОм.

Некоторые операционные усилители не используют как положительное, так и отрицательное напряжение питания. Одним примером является случай, когда один источник постоянного напряжения используется для питания операционного усилителя, который управляет аналого-цифровым преобразователем. В этом случае выход операционного усилителя предназначен для работы между заземлением и выходом полной шкалы, который находится вблизи (или в) положительное напряжение питания.Операционные усилители, работающие от одного источника, используют терминологию V _OH и V _OL для определения максимального и минимального выходного напряжения. (Обратите внимание, что они не совпадают с цифровыми определениями V _OL и V _OH. ).

Напряжение смещения на входе:

Идеальный операционный усилитель выдает нулевое напряжение при нулевом напряжении. Однако в практическом операционном усилителе на выходе появляется небольшое постоянное напряжение, V _{OUT (ошибка)} , когда нет. подается дифференциальное входное напряжение.Его основная причина – небольшое несоответствие напряжений базового эмиттера входного каскада дифференциального усилителя операционного усилителя.

Как указано в техническом описании операционного усилителя, входное напряжение смещения, V _OS , представляет собой дифференциальное напряжение постоянного тока, требуемое между входами, чтобы принудительно установить выходной сигнал на ноль вольт. Типичные значения входного напряжения смещения находятся в диапазоне 2 мВ или менее. В идеальном случае это 0 В.

Смещение входного напряжения смещения является параметром, относящимся к V _OS , который указывает, насколько сильно изменяется входное напряжение смещения для каждого изменения температуры в градусах.Типичные значения находятся в диапазоне от примерно 5 мкВ на градус Цельсия до примерно 50 мкВ на градус Цельсия. Обычно операционный усилитель с более высоким номинальным значением входного напряжения смещения демонстрирует более высокий дрейф.

Ток смещения входа:

Вы видели, что входные клеммы биполярного дифференциального усилителя являются базами транзисторов и, следовательно, входные токи являются токами базы.

Входной ток смещения – это постоянный ток, который требуется входам усилителя для правильной работы первой ступени.По определению, входной ток смещения является средним значением обоих входных токов и рассчитывается следующим образом:

Концепция входного тока смещения показана на рисунке:

Входное сопротивление:

Два основных способа Определяя входной импеданс операционного усилителя являются дифференциальный и общий режим. Дифференциальный входной импеданс – это полное сопротивление между инвертирующим и неинвертирующим входами, как показано на рисунке.Дифференциальный импеданс измеряется путем определения изменения тока смещения для данного изменения дифференциального входного напряжения. Входной импеданс синфазного режима – это изменение сопротивления дифференциального входного напряжения. Входной импеданс синфазного режима – это сопротивление для данного изменения синфазного входного напряжения. Это изображено на рисунке:

Ток смещения входа:

В идеале два входных тока смещения равны, и поэтому их разность равна нулю. Однако в практическом операционном усилителе токи смещения не совсем равны.

Входной ток смещения, I _OS , представляет собой разность входных токов смещения, выраженную в виде абсолютного значения.

I _ОС | I 1 I 2 |

Фактические величины тока смещения обычно, как минимум, на порядок (в десять раз) меньше тока смещения. Во многих приложениях током смещения можно пренебречь. Однако усилители с высоким коэффициентом усиления и высоким входным импедансом должны иметь как можно меньше I _OS , поскольку разность токов через большие входные сопротивления развивает существенное напряжение смещения, как показано на рисунке:

Сформированное напряжение смещения по входному току смещения:

Ошибка, создаваемая I _OS , усиливается коэффициентом усиления A _v операционного усилителя и отображается на выходе как:

Изменение смещения Ток с температурой влияет на погрешность напряжения.Значения температурного коэффициента для тока смещения в диапазоне 0,5 нА на градус Цельсия являются общими.

Выходное сопротивление:

Выходное сопротивление – это сопротивление, наблюдаемое с выходного терминала операционного усилителя, как показано на рисунке:

Скорость нарастания:

Максимальная скорость изменения выходного напряжения в ответ к ступенчатому входному напряжению относится скорость нарастания операционного усилителя. Скорость нарастания зависит от высокочастотного отклика каскадов усилителя в операционном усилителе.

Скорость нарастания измеряется с помощью подключенного операционного усилителя, как показано на рисунке. Это конкретное соединение операционного усилителя представляет собой неинвертирующую конфигурацию с единичным усилением. Это дает наихудший (самый медленный) показатель нарастания. Напомним, что высокочастотные составляющие ступеньки напряжения содержатся в переднем фронте и что верхняя критическая частота усилителя ограничивает его реакцию на ступенчатый вход. Для пошагового ввода наклон на выходе обратно пропорционален верхней критической частоте. Наклон увеличивается при уменьшении верхней критической частоты.

Импульс подается на вход, и результирующее идеальное выходное напряжение показано на рисунке. Ширина входного импульса должна быть достаточной для того, чтобы выход «отклонился» от своего нижнего предела до верхнего предела. Определенный временной интервал, Δt, необходим для того, чтобы выходное напряжение перешло от своего нижнего предела -V _макс. до его верхнего предела + V _макс. , после применения шага ввода. Скорость нарастания выражается как:

, где ΔV _вне = + V _макс. – (-V _макс. ).Единицей скорости нарастания является вольт в микросекунду (В / мкс).

Частотная характеристика:

Внутренние каскады усилителя, составляющие операционный усилитель, имеют коэффициенты усиления по напряжению, ограниченные емкостными контактами. Хотя дифференциальные усилители, используемые в операционных усилителях, несколько отличаются от основных усилителей, которые обсуждались ранее, применяются те же принципы. Однако операционный усилитель не имеет внутренних конденсаторов связи; следовательно, низкочастотный отклик простирается до постоянного тока (0 Гц).

Шум Спецификация:

Шум стал более важной проблемой в новых схемах конструкции из-за требования работать при более низких напряжениях и с большей точностью, чем в прошлом.Всего два или три микровольт могут создать ошибки в аналого-цифровом преобразовании. Многие датчики создают только крошечные напряжения, которые могут быть замаскированы шумом. В результате нежелательные шумы от операционных усилителей и компонентов могут ухудшить характеристики цепей.
Шум определяется как нежелательный сигнал, который влияет на качество полезного сигнала. В то время как помехи от внешнего источника (например, от ближайшей линии электропередачи) квалифицируются как шум, для целей спецификации операционного усилителя помехи не включены.Только шум, генерируемый в операционном усилителе, рассматривается в спецификации шума. Когда операционный усилитель добавляется в цепь, дополнительные вклады шума добавляются от других элементов схемы, таких как резисторы обратной связи или любые датчики. Например, все резисторы генерируют тепловой шум – даже один, сидящий в мусорном баке. Разработчик схемы должен учитывать все источники в схеме, но здесь важна спецификация операционного усилителя для шума, которая учитывает только операционный усилитель.
Существуют две основные формы шума.На низких частотах шум обратно пропорционален частоте; это называется 1/ f шум или «розовый шум». Выше критической частоты шума шум становится ровным и равномерно распределяется по частотному спектру; это называется «белый шум». Распределение мощности шума измеряется в ваттах на герц (Вт / Гц). Мощность пропорциональна квадрату напряжения, поэтому напряжение (плотность) шума определяется путем взятия квадратного корня из плотности мощности шума, в результате чего получаются единицы измерения в вольтах на квадратный корень герц (В / 1√Гц).Для операционных усилителей уровень шума обычно отображается в единицах n V / √¯Hz и указывается относительно входа на определенной частоте выше критической частоты шума. Например, график уровня шума для операционного усилителя с очень низким уровнем шума показан на рисунке; спецификация для этого операционного усилителя будет указывать, что плотность шума входного напряжения на частоте 1 кГц составляет 1,1 нВ / √Гц. На низких частотах уровень шума выше этого из-за вклада шума 1 / f, как вы можете видеть на графике:

Сравнение параметров операционного усилителя:

сравнение значений, показывающих выбранные параметры для некоторых репрезентативных ОУ.Как видно из таблицы, в некоторых спецификациях существует большая разница. Все проекты предполагают определенные компромиссы, поэтому для того, чтобы дизайнеры оптимизировали один параметр, они часто должны жертвовать другим параметром. Выбор операционного усилителя для конкретного приложения зависит от того, какие параметры важно оптимизировать. Параметры зависят от условий, для которых они измеряются. Для получения подробной информации о любой из этих спецификаций, обратитесь к таблице.
Большинство доступных операционных усилителей имеют три важных свойства: защита от короткого замыкания, отсутствие фиксации и обнуление входного смещения.Защита от короткого замыкания предохраняет цепь от повреждения, если выходной сигнал закорочен, а функция отсутствия замыкания предотвращает зависание операционного усилителя в одном состоянии выхода (высокий или низкий уровень напряжения) при определенных входных условиях. Обнуление входного смещения достигается с помощью внешнего потенциометра, который устанавливает выходное напряжение точно на ноль с нулевым входом.

Отрицательная обратная связь:

Отрицательная обратная связь – одна из наиболее полезных концепций в электронике, особенно в области применения операционных усилителей. Отрицательная Обратная связь – это процесс, посредством которого часть выходного напряжения усилителя возвращается на вход с фазовым углом, который противоположен (или вычитается) из входного сигнала.
Отрицательный отзыв показан на рисунке. Инвертирующий (-) вход эффективно делает сигнал обратной связи на 180 ° не в фазе с входным сигналом.

Зачем использовать отрицательную обратную связь?

Как видно из таблицы, коэффициент усиления по напряжению в разомкнутом контуре типичного операционного усилителя очень высок (обычно более 100 000).Следовательно, чрезвычайно малое входное напряжение приводит операционный усилитель в состояние насыщенного выхода. Фактически, даже напряжение смещения входного сигнала операционного усилителя может привести к насыщению. Например, предположим, что V _В 1 мВ и A _или = 100000. Затем

Поскольку выходной уровень операционного усилителя никогда не может достигать 100 В, он приводится в глубокое насыщение, и выходной сигнал ограничивается максимальными выходными уровнями, как показано на рисунке для положительного и отрицательного входного напряжения. 1 мВ.
Полезность операционного усилителя, работающего без отрицательной обратной связи, обычно ограничена применениями компаратора. При отрицательной обратной связи усиление по напряжению в замкнутом контуре (A _cl ) можно уменьшить и контролировать таким образом, чтобы операционный усилитель мог функционировать как линейный усилитель

. Помимо обеспечения управляемого стабильного усиления по напряжению, отрицательная обратная связь также обеспечивает управление входным и выходным импедансами и полосой пропускания усилителя. В таблице приведены общие последствия отрицательной обратной связи на производительность операционного усилителя.

Операционные усилители с отрицательной обратной связью:

Операционный усилитель можно подключить с использованием отрицательной обратной связи для стабилизации усиления и увеличения

Смотрите также видео об операционном усилителе:

.

Что такое операционный усилитель?

Внедрение операционных усилителей ABLIC

1. Что такое операционный усилитель (операционный усилитель)?

Операционный усилитель – это интегральная схема, которая может усиливать слабые электрические сигналы.
Операционный усилитель имеет два входа и один выход. Его основная роль заключается в усилении и выводе разности напряжений между двумя входными контактами.

2. Что может сделать операционный усилитель

Операционный усилитель используется не один, а предназначен для подключения к другим цепям для выполнения самых разнообразных операций. В этой статье приведены типичные примеры использования схем с операционными усилителями.

● Обеспечивает существенное усиление входного сигнала

.

Когда операционный усилитель объединен со схемой усиления, он может усиливать слабые сигналы до сильных сигналов.Он ведет себя как мегафон, где входной сигнал – это голос человека, а мегафон – схема операционного усилителя. Например, такая схема может использоваться для усиления мельчайших сигналов датчиков.
Обработка сигналов датчиков может быть дополнительно улучшена путем ввода усиленного сигнала в микроконтроллер * блок (MCU).
* Микроконтроллер… Компактный компьютер для управления электронными устройствами. Как мозг электронных устройств, микроконтроллеры работают в соответствии с входными сигналами.

● Позволяет устранить шум от входного сигнала

Работая в качестве фильтра входных сигналов, схема операционного усилителя способна извлекать сигнал с целевой частотой.Например, когда схема операционного усилителя используется для распознавания голоса или в диктофоне, она может извлекать частоты, близкие к целевому звуку, при этом все другие частоты отключаются как шум. Схема операционного усилителя может быть настроена для выполнения широкого спектра функций, таких как арифметические операции или синтез сигнала.

3. Применение операционного усилителя

Как отмечено выше, операционный усилитель почти никогда не используется один.Подключив резисторы или конденсаторы, вы можете настроить схему, способную к усилению сигнала, фильтрации или арифметической операции, описанной в «2. Что может сделать операционный усилитель ».

(1) Операции с внутренним операционным усилителем

Далее описываются операции, выполняемые операционным усилителем в схеме. Давайте посмотрим, как ведет себя операционный усилитель в схеме усилителя, на примере схемы неинвертирующего усилителя. В дополнение к этому простому вычислению, производительность операционного усилителя также должна учитываться при настройке схемы. Этот момент описан ниже в этом разделе в разделе «4. Выбор операционного усилителя и объяснение терминов ».

(2) Примеры схем

Мы опишем здесь некоторые типичные приложения операционного усилителя.

[Неинвертирующая схема усилителя]

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

[Инвертирующая схема усилителя]

Цепь инвертирующего усилителя обозначена знаком минус. Если напряжение V _IN увеличивается, напряжение V _OUT уменьшается.

[схема контроля напряжения]

Это неинвертирующая схема усилителя, где R2 замкнут накоротко (R2 = 0Ω), а R1 разомкнут (R1 = бесконечность). Поскольку V _OUT = (1 + R2 / R1) × V _IN = (1 + 0Ω / ∞) × V _IN = V _IN , выходное напряжение соответствует напряжению входного сигнала.Повторитель напряжения используется в качестве буферной схемы для преобразования импеданса или для разделения цепей.

[Дифференциальный усилитель]

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

4. Выбор операционного усилителя и объяснение терминов

Здесь мы будем использовать операционный усилитель ABLIC S-89630A в качестве примера того, какие элементы проверять при выборе операционного усилителя и объяснении атрибутов операционного усилителя.

(1) Проверьте рабочее напряжение.

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

[Диапазон синфазного входного напряжения]
Диапазон напряжения сигнала, который может подаваться на входные контакты. Операционный усилитель будет работать, пока входной сигнал находится в этом диапазоне.Операционный усилитель, чей диапазон синфазного входного напряжения покрывает V _SS – V _DD , называется «операционный усилитель между рельсами»; операционный усилитель с превосходным диапазоном напряжения входного сигнала.

(2) Проверьте частоту входного сигнала.

[Продукт полосы пропускания усиления]
Указывает максимальную частоту, на которую операционный усилитель может усиливать сигнал. Максимальная частота зависит от коэффициента (усиления), который вы используете для усиления сигнала.При усилении в один (= 0 дБ) сигнал может быть усилен до максимальной частоты, так называемое произведение полосы пропускания усиления.

График справа показывает, что при усилении, равном единице (= 0 дБ), максимальная частота, которую позволяет использовать усиление S-89630A, составляет 1,2 МГц, а при усилении 10 (= 20 дБ) максимальная частота составляет 120 кГц. Убедитесь, что максимальная частота, на которую вы хотите усилить, находится в пределах диапазона коэффициента, на который вы хотите усилить.

(3) Проверьте потребление тока.

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

(4) Проверьте точность усиления сигнала.

[Входное напряжение смещения]
Входное напряжение смещения является преобразованием напряжения ошибки, сгенерированного на выходе, во входное значение, когда входное напряжение равно 0 В.Это существенный атрибут, влияющий на точность усиления операционных усилителей. Как правило, когда амплитуда напряжения входного сигнала составляет порядка мВ, требуется напряжение смещения на входе порядка мкВ. Это делает необходимым выбор «операционного усилителя с нулевым дрейфом » для обработки таких крошечных смещенных напряжений.

5. Что такое усилитель с нулевым дрейфом?

Усилитель с нулевым дрейфом – это операционный усилитель, который минимизирует входное смещение напряжения и смещение входного напряжения смещения (≒ 0).Выбор операционного усилителя с нулевым дрейфом является высокоэффективным решением для приложений, требующих высокоточного усиления сигнала.

Усилитель нулевого дрейфа ABLIC

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

Операционный усилитель

S-89630A (для общего пользования) и S-19630A (для автомобильного использования) обеспечивает работу без дрейфа, широкий диапазон напряжения (4.0 – 36 В) характеристики работы и низкого напряжения смещения.

серии S-89713 (для общего использования) и S-19611A (для автомобильного использования) обеспечивают работу с автоматическим нулевым дрейфом при работе на низком напряжении от 2,65 В и атрибутах низкого смещения напряжения. Мы также предлагаем серию S-89713 (для общего пользования) в ультрамалой упаковке (SNT-8A: размер 1,97 x 2,46 мм).

Если вы ищете операционный усилитель с нулевым дрейфом, вам настоятельно рекомендуется использовать операционные усилители ABLIC.

Таблица выбора операционного усилителя

Внедрение операционного усилителя ABLIC

,

Схема проектирования, конфигурации, усиления и практические примеры

, сокращение от , операционный усилитель является основой аналоговой электроники. Операционный усилитель представляет собой электронный компонент, подключенный к постоянному току, который усиливает напряжение с дифференциального входа с помощью резисторной обратной связи. Операционные усилители популярны своей универсальностью, так как их можно настраивать разными способами и использовать в разных аспектах. Схема операционного усилителя состоит из нескольких переменных, таких как полоса пропускания, входное и выходное сопротивление, запас усиления и т. Д.Различные классы операционных усилителей имеют разные характеристики в зависимости от этих переменных. В различных корпусах интегральных микросхем (IC) имеется множество операционных усилителей, некоторые операционные усилители имеют два или более операционных усилителя в одном корпусе. LM358, LM741, LM386 – это некоторые часто используемые ИС операционных усилителей. Вы можете узнать больше об операционных усилителях, следуя нашему разделу схем операционных усилителей.

Операционный усилитель имеет два дифференциальных входа и выходной контакт вместе с выводами питания. Эти два дифференциальных входа – это инвертирующего контакта или отрицательный и неинвертирующего контакта или положительный.Операционный усилитель усиливает разницу в напряжении между этими двумя входными контактами и обеспечивает усиленный выход через его Vout или выходной контакт.

В зависимости от типа входа операционный усилитель может быть классифицирован как инвертирующий или неинвертирующий. В предыдущем уроке неинвертирующего операционного усилителя мы видели, как использовать усилитель в неинвертирующей конфигурации. В этом уроке мы узнаем , как использовать операционный усилитель в инвертирующей конфигурации .

Инвертирование конфигурации операционного усилителя

Это называется Inverting , потому что операционный усилитель изменяет фазовый угол выходного сигнала точно на 180 градусов не в фазе относительно входного сигнала.Как и прежде, мы используем два внешних резистора для создания цепи обратной связи и замкнутого контура на усилителе.

В неинвертирующей конфигурации мы предоставили положительную обратную связь через усилитель, но для инвертирующей конфигурации мы создали отрицательную обратную связь через цепь операционного усилителя.

Давайте посмотрим схему подключения для инвертирования конфигурации операционного усилителя

На изображении выше мы видим, что R1 и R2 обеспечивают необходимую обратную связь по схеме операционного усилителя.Резистор R2 является входным резистором сигнала, а резистор R1 является резистором обратной связи. Эта цепь обратной связи заставляет дифференциальное входное напряжение почти нуля .

Обратная связь подключена через отрицательный вывод операционного усилителя, а положительный вывод подключен к земле. Потенциал напряжения на инвертирующем входе такой же, как потенциал напряжения на неинвертирующем входе. Таким образом, через неинвертирующий вход создается точка суммирования Виртуальной Земли, которая находится в том же потенциале, что и земля или Земля.Операционный усилитель будет действовать как дифференциальный усилитель .

Итак, в случае инвертирования операционного усилителя ток не поступает на входную клемму, а также входное напряжение равно напряжению обратной связи на двух резисторах, так как они оба используют один общий виртуальный источник заземления. Из-за виртуального заземления входное сопротивление операционного усилителя равно входному резистору операционного усилителя, который является R2. Этот R2 имеет отношение с усилением в замкнутом контуре, и усиление может быть установлено отношением внешних резисторов, используемых в качестве обратной связи.

Поскольку на входной клемме нет тока, а дифференциальное входное напряжение равно нулю, мы можем рассчитать коэффициент усиления замкнутого контура инвертора.

Gain of Inverting Op-amp

На изображении выше показаны два резистора R2 и R1, которые представляют собой резисторы обратной связи с делителем напряжения, используемые вместе с инвертирующим операционным усилителем. R1 – резистор обратной связи (Rf), а R2 – входной резистор (Rin).Если рассчитать ток, протекающий через резистор, то –

  i = (Vin - Vout) / (Rin (R2) - Rf (R1))  

Так как Dout является средней точкой делителя, мы можем заключить

Как мы описали ранее, из-за виртуальной земли или той же точки суммирования узлов напряжение обратной связи равно 0, Dout = 0. Итак,

Таким образом, усиление в замкнутом контуре инвертирующего операционного усилителя будет

  Gain (Av) = (Vout / Vin) = - (Rf / Rin)  

Итак, из этой формулы мы получаем любую из четырех переменных, когда доступны три другие переменные.

Как мы можем видеть в формуле отрицательный знак, выходной сигнал будет отклоняться от фазы на на 180 градусов, в отличие от фазы входного сигнала.

Практический пример инвертирующего усилителя

На изображении выше показана конфигурация операционного усилителя, где два резистора обратной связи обеспечивают необходимую обратную связь в операционном усилителе. Резистор R2, который является входным резистором, и R1, является резистором обратной связи.Входной резистор R2 имеет значение сопротивления 1 кОм, а резистор обратной связи R1 имеет значение сопротивления 10 кОм. Мы рассчитаем усиление инвертирования операционного усилителя. Обратная связь обеспечивается в отрицательной клемме, а положительная клемма соединена с землей.

Формула для инвертирования усиления схемы операционного усилителя –

  Gain (Av) = (Vout / Vin) = - (Rf / Rin)  

В приведенной выше схеме Rf = R1 = 10k и Rin = R2 = 1k

  Итак, Gain (Av) = (Vout / Vin) = - (Rf / Rin) 
  Gain (Av) = (Vout / Vin) = - (10k / 1k)  

Таким образом, коэффициент усиления будет в 10 раз больше, а выходной сигнал будет сдвинут по фазе на 180 градусов.

Теперь, если мы увеличим коэффициент усиления операционного усилителя до -20 раз, каким будет значение резистора обратной связи, если входной резистор будет таким же? Итак,

  Gain = -20 и Rin = R2 = 1k. 
  -20 = - (R1 / 1k) 
  R1 = 20k  

Итак, если мы увеличим значение 10k до 20k, усиление операционного усилителя будет -20 раз.

Мы можем увеличить коэффициент усиления операционного усилителя, изменив соотношение резисторов , однако не рекомендуется использовать меньшее сопротивление, как Rin или R2.По мере того как меньшее значение сопротивления понижает входной импеданс и создает нагрузку для входного сигнала. В типичных случаях для входного резистора используется значение от 4,7 кОм до 10 кОм.

Когда требуется высокое усиление, и мы должны обеспечить высокое сопротивление на входе, мы должны увеличить значение резисторов обратной связи. Но также не рекомендуется использовать очень высокое значение резистора через Rf. Более высокий резистор обратной связи обеспечивает нестабильный запас усиления и не может быть приемлемым выбором для операций, связанных с ограниченной полосой пропускания. Типичное значение 100 кОм или чуть больше того, которое используется в резисторе обратной связи .

Нам также необходимо проверить полосу пропускания цепи операционного усилителя для надежной работы с высоким усилением.

Суммирующий усилитель или схема сумматора операционного усилителя

Инвертирующий операционный усилитель можно использовать в разных местах. Одним из важных применений инвертирующего операционного усилителя является суммирующий усилитель или виртуальный заземлитель.

На изображении выше показан виртуальный микшер заземления или суммирующий усилитель, в котором инвертированный операционный усилитель микширует несколько различных сигналов на своем инвертирующем терминале.Вход инвертирующих усилителей фактически находится под потенциалом земли, что обеспечивает превосходное применение микшера в работе, связанной с микшированием звука.

Как мы видим, разные сигналы складываются вместе через отрицательный вывод, используя разные входные резисторы. Количество добавляемых сигналов не ограничено. Коэффициент усиления каждого отдельного сигнального порта определяется соотношением резистора R2 обратной связи и входного резистора конкретного канала.

Трансимпедансный усилитель Circui т

Другое использование инвертирующего усилителя – использование усилителя в качестве трансимпедансного усилителя.

В такой схеме операционный усилитель преобразует очень низкий входной ток в соответствующее выходное напряжение. Таким образом, трансимпедансный усилитель преобразует ток в напряжение .

Он может преобразовывать ток от фотодиодов, акселерометров или других датчиков, которые вырабатывают малый ток, и с помощью трансимпедансного усилителя ток может быть преобразован в напряжение.

На приведенном выше изображении инвертированный операционный усилитель, используемый для создания трансимпедансного усилителя , который преобразует ток, полученный из фотодиода, в напряжение.Усилитель обеспечивает низкий импеданс через фотодиод и создает изоляцию от выходного напряжения операционного усилителя.

В приведенной выше схеме используется только один резистор обратной связи. R1 – это высокоомный резистор обратной связи. Мы можем изменить усиление, изменив значение этого резистора R1. Высокое усиление операционного усилителя использует стабильное состояние, когда ток фотодиода равен току обратной связи через резистор R1.

Поскольку мы не обеспечиваем никакого внешнего смещения через фотодиод, входное напряжение смещения фотодиода очень низкое, что приводит к большому усилению напряжения без какого-либо выходного напряжения смещения.Ток фотодиода будет преобразован в высокое выходное напряжение.

Другие применения инверторного операционного усилителя: –

1. Фазовращатель
2. Интегратор
3. В балансировки сигналов связанных работ
4. Линейный радиочастотный смеситель
5. Различные датчики используют инвертирующий операционный усилитель для выхода.