Операционный усилитель принцип работы для чайников, инвертирующее включение оу

Что такое операционный усилитель

ОУ – интегральная микросхема (ИМС), основным предназначением которой является усиление значения постоянного тока. Она имеет только один выход, который называется дифференциальным. Этот выход обладает высоким коэффициентом, усиливающим сигнал (Kу). ОУ в основном применяются при построении схем с отрицательной обратной связью (ООС), которая при основной ТХ по усилению и определяет Kу исходной схемы. ОУ применяются не только в виде отдельных ИМС, но и в разных блоках сложных устройств.

У ОУ 2 входа и 1 выход, а также есть выводы для подключения источника питания (ИП). Принцип действия операционного усилителя прост. Существует 2 правила, взятых за основу. Правила описывают простые процессы работы ИМС, происходящие в ОУ, и как работает ИМС, понятно даже чайникам. На выходе разность напряжений (U) равна 0, а входы ОУ почти не потребляют ток (I). Один вход называется неинвертирующим (V+), а другой является инвертирующим (V-). Кроме того, входы ОУ обладают высоким сопротивлением (R) и практически не потребляют I.

Чип сравнивает значения U на входах и выдает сигнал, предварительно усиливая его. Kу ОУ имеет высокое значение, достигающее 1000000. Если произойдет подача низкого U на вход, то на выходе возможно получить величину, равную U источника питания (Uип). Если U на входе V+ больше, чем на V-, то на выходе получится максимальное положительное значение. При запитывании положительным U инвертирующего входа на выходе будет максимальная величина отрицательного напряжения.

Основным требованием для работы ОУ является применение двухполярного ИП. Возможно применение однополярного ИП, но при этом возможности ОУ сильно ограничиваются. Если использовать батарейку и принять за 0 ее плюсовую сторону, то при измерении значений получится 1,5 В. Если взять 2 батарейки и соединить их последовательно, то произойдет сложение U, т.е. прибор покажет 3 В.

Если принять за ноль минусовой вывод батарейки, то прибор покажет 3 В. В другом случае, если принять за 0 плюсовой вывод, то получается -3 В. При использовании в качестве нуля точки между двумя батарейками получится примитивный двухполярный ИП. Проверить исправность ОУ можно только при подключении его в схему.

Виды и обозначения на схеме

С развитием электросхемотехники операционные усилители постоянно совершенствуются и появляются новые модели.

Классификация по сферам применения:

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

По входным сигналам ОУ делятся на 2 типа:

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

Схема операционного усилителя достаточно сложная, и не имеет смысла его изготавливать, а радиолюбителю нужно только знать правильную схему включения операционного усилителя, но для этого следует понимать расшифровку его выводов.

Основные обозначения выводов ИМС:

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

Практически в любом ОУ присутствуют 5 выводов. Однако в некоторых разновидностях может отсутствовать V-. Существуют модели, которые обладают дополнительными выводами, которые расширяют возможности ОУ.

Выводы для питания необязательно обозначать, т.к. это увеличивает читабельность схемы. Вывод питания от положительной клеммы или полюса ИП располагают вверху схемы.

Основные характеристики

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

1. Усилительные.
2. Входные.
3. Выходные.
4. Энергетические.
5. Дрейфовые.
6. Частотные.
7. Быстродействие.

Коэффициент усиления является основной характеристикой ОУ. Он характеризуется отношением выходного сигнала ко входному. Его еще называют амплитудной, или передаточной ТХ, которая представлена в виде графиков зависимости. К входным относятся все величины для входа ОУ: Rвх, токи смещения (Iсм) и сдвига (Iвх), дрейф и максимальное входное дифференциальное U (Uдифмакс).
Iсм служит для работы ОУ на входах. Iвх нужен для функционирования входного каскада ОУ. Iвх сдвига – разность Iсм для 2 входных полупроводников ОУ.

Во время построения схем нужно учитывать эти I при подключении резисторов. Если Iвх не учитывать, то это может привести к созданию дифференциального U, которое приведет к некорректной работе ОУ.

Uдифмакс – U, которое подается между входами ОУ. Его величина характеризует исключение повреждения полупроводников каскада дифференциального исполнения.

Для надежной защиты между входами ОУ подключаются встречно-параллельно 2 диода и стабилитрона. Дифференциальное входное R характеризуется R между двумя входами, а синфазное входное R – величина между 2 входами ОУ, которые объединены, и массой (земля). К выходным параметрам ОУ относятся выходное R (Rвых), максимальное выходное U и I. Параметр Rвых должен быть меньшим по значению для обеспечения лучших характеристик усиления.

Для достижения маленького Rвых нужно применять эмиттерный повторитель. Iвых изменяется при помощи коллекторного I. Энергетические ТХ оцениваются максимальной мощностью, которую потребляет ОУ. Причина некорректной работы ОУ – разброс ТХ полупроводников дифференциального усилительного каскада, зависящего от температурных показателей (температурный дрейф). Частотные параметры ОУ являются основными. Они способствуют усилению гармонических и импульсных сигналов (быстродействие).

В ИМС ОУ общего и специального вида включается конденсатор, предотвращающий генерацию высокочастотных сигналов. На частотах с низким значением схемы обладают большим коэффициентом Kу без обратной связи (ОС). При ОС используется неинвертирующее включение. Кроме того, в некоторых случаях, например при изготовлении инвертирующего усилителя, ОС не используется. Кроме того, у ОУ есть динамические характеристики:

1. Скорость нарастания Uвых (СН Uвых).
2. Время установления Uвых (реакция ОУ при скачке U).

Где применяются

Существует 2 вида схем ОУ, которые различаются способом подключения. Главный недостаток ОУ – непостоянство Kу, зависящего от режима функционирования. Основные сферы применения – усилители: инвертирующий (ИУ) и неинвертирующий (НИУ). В схеме НИУ Kу по U задается резисторами (сигнал нужно подавать на вход). ОУ содержит ООС последовательного типа. Эта связь выполнена на одном из резисторов. Она подается только на V-.

В ИУ происходит сдвиг сигналов по фазе. Для изменения знака выходного отрицательного напряжения необходима параллельная ОС по U. Вход, который является неинвертирующим, нужно заземлить. Входной сигнал через резистор подается на инвертирующий вход. Если неинвертирующий вход уходит на землю, то разность U между входами ОУ равна 0.

Можно выделить устройства, в которых применяются ОУ:

1. Предусилители.
2. Усилители звуковых и видеочастотных сигналов.
3. Компараторы U.
4. Дифусилители.
5. Диференциаторы.
6. Интеграторы.
7. Фильтрующие элементы.
8. Выпрямители (повышенная точность выходных параметров).
9. Стабилизаторы U и I.
10. Вычислители аналогового типа.
11. АЦП (аналого-цифровые преобразователи).
12. ЦАП (цифро-аналоговые преобразователи).
13. Устройства для генерации различных сигналов.
14. Компьютерная техника.

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

Основная инвертирующая схема включения ОУ

123

Операционные усилители.

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

На рис.1.1 показаны условные обозначения ОУ.

а) б) в)

Рис.1.1. Условнее обозначения ОУ

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

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

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

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

Идеальный ОУ характеризуется следующими свойствами электрических параметров:

1. Коэффициент усиления напряжения со стороны неинвертирующего входа положителен.

2. Коэффициент усиления напряжения со стороны инвертирующего входа отрицателен.

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

4. Выходное сопротивление Rвых равно нулю.

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

6. Ширина полосы пропускания бесконечно велика.

7. Uвых=К(е+-е_).

8. Uвых=0, если е+=е_.

9. Выходная характеристика линейна и симметрична относительно нулевого уровня.

Достижение этих показателей и есть основное требование к ОУ.

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

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

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

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

Основная инвертирующая схема включения ОУ

На рис.1.2 приведена основная инвертирующая схема включения ОУ.

Рис.1.2. Основная инвертирующая схема включения ОУ

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

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

(1.1)

Входное сопротивление каскада равно R1.

Суммирующий усилитель

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

Рис.1.3. Суммирующий усилитель

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

Эти токи суммируются в цепи обратной связи: .

Подставим значения токов: , отсюда:

Идеальный операционный усилитель и его свойства

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

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

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

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

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

Неинвертирующий усилитель

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

Схема включения неинвертирующего усилителя.

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

Таким образом, основные параметры данной схемы описываются следующим соотношением

Отсюда выводится соотношение для коэффициента усиления неинвертирующего усилителя

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

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

Логарифмирующий преобразователь

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

Логарифмирующий преобразователь.

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

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

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

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

тогда выходное напряжение

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

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

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

Экспоненциальный преобразователь

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

Экспоненциальный преобразователь.

Работа схемы описывается известными выражениями

Таким образом, выходное напряжение составит

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

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

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

принцип работы, схемы и т.д.

Операционный усилитель — это усилитель постоянного тока с высоким коэффициентом усиления, который может быть очень большим, вплоть до миллионов. Часто встречается коэффициент усиления в 200 000. Операционные усилители способны усиливать сигналы переменного тока, также как сигналы постоянного тока, они чаще используются в измерительном оборудовании для усиления сигналов постоянного тока.

Название «операционный» усилитель происходит от того, что выполняемые операционным усилителем функции представляют собой математические операции. Например, устройство для извлечение квадратного корня является контрольно-измерительным устройством, в котором используется операционный усилитель для определения квадратного корня сигналов для обеспечения контроля изменения величины потока жидкой или газообразной среды.

Операционный усилитель

Обратите внимание на основы электричества и на приборы электроники.

Операционные усилители не обладают бесконечными входными сопротивлениями и нулевыми выходными сопротивлениями. Хотя возможно входное сопротивление в несколько триллионов Ом, и выходные сопротивления близкие к нулю. В результате выходные сигналы от таких операционных усилителей могут очень точно регулироваться. По этой причине операционные усилители считаются точными усилителями.

Высокая степень точности, обеспечиваемая операционными усилителями, возможна благодаря применению технологии интегральных схем. Хотя в принципе возможно изготовить операционный усилитель из дискретных компонентов, соединенных вместе на монтажной плате, однако практически все операционные усилители в настоящее время выполнены в виде интегральных схем.

Кристалл интегральной схемы операционного усилителя содержит все транзисторы и другие элементы, необходимые для усиления сигнала. Стандартный кристалл выполнен из, на нем может располагаться порядка 30 транзисторов и других элементов.

Кристалл с интегральной схемой операционного усилителя

При использовании операционных усилителей в различных типах схем они могут выполнять различные операции, необходимые в контрольно-измерительном оборудовании. Например, они могут суммировать сигналы, вычитать сигналы, находить среднюю величину сигнала и выполнять даже более сложные функции.

Схемы операционного усилителя

Все операционные усилители имеют два входа. Минус на схеме обозначает один вход, плюс — другой. Условное обозначение операционного усилителя можно узнать на схеме по знакам плюс и минус на вертикальной стороне треугольника. Это отличительные черты условного обозначения операционного усилителя. Если вы встретите на схеме подобный символ, но без знаков плюс и минус, то элемент, обозначенный таким образом, может представлять собой усилитель, но это не операционный усилитель.

Схема операционного усилителя

Выход операционного усилителя представлен на вершине треугольника, противолежащей стороне, где находятся входные зажимы. Соединения с источником питания обычно обозначаются линиями на противоположных сторонах треугольника. Большинство операционных усилителей рассчитаны на работу от биполярного источника напряжения, имеющего положительное и отрицательное напряжения. В целом, операционные усилители могут работать в пределах напряжения от +-1 В до +-40 В. Наиболее распространенное напряжение питания для них 15 В.

Схема соединения операционного усилителя с источником питания

Выход биполярного источника напряжения измеряется относительно нуля вольт, не всегда относительно земли шасси. Для указания точки отсчета используется стрелка с не закрашенной треугольной головкой. Такая стрелка показывает общую точку в схеме, называемую «общей точкой сигналов». Входной и выходной сигналы операционного усилителя также измеряются относительно общей точки сигналов. Соединения общих точек сигналов не всегда отображаются на принципиальных схемах с операционными усилителями.

Схема обозначения общей точки сигналов

Корпусы операционных усилителей

Операционные усилители размещаются в контейнерах, называемых корпусами. Четыре наиболее распространенных типов корпусов это: ТО-5 (корпус транзисторного типа), DIP (плоский корпус с двухрядным расположением выводов), мини — DIP и плоский корпус с планарными выводами.

Операционный усилитель в корпусе ТО-5 (небольшой, металлический, круглой формы)Операционный усилитель в DIP- корпусе (самый большой из представленных)Операционный усилитель в мини DIP-корпусе (самый маленький из представленных)Операционный усилитель в плоском корпусе с боковыми выводами

Штырьки корпуса операционного усилителя используются в качестве выводов, с их помощью операционный усилитель соединяется с остальной схемой. Операционные усилители либо непосредственно припаиваются к монтажной плате, либо вставляются в колодку, которая припаяна к плате. Если операционный усилитель вставлен в колодку, его легко можно извлечь при помощи специального пинцета, предназначенного для этих целей.

⚡️Операционный усилитель как работает | radiochipi.ru

Во многих аналоговых схемах применяются операционные усилители.

В данной статье на сайте radiochipi.ru речь пойдёт именно об этом. Изучая цифровую электронику мы привыкли воспринимать логические элементы, как некие “черные ящички”, “кулики” из которых складываются схемы. Мы знаем их свойства, но не задумываемся над их внутренним содержанием.

Так и есть, давно принято, что цифровая схема состоит из логических элементов, а не из транзисторов и диодов. Такое отношение сформировалось и к операционным усилителями, таким элементам аналоговой техники.

Конструируя схему на ОУ или собирая готовую конструкцию, мы воспринимаем операционный усилитель (ОУ) как «ящик» с известными свойствами, и редко задумываемся над ого содержимым. Именно по этому, на схемах с ОУ уже давно никто не рисует схемы самих ОУ, а только их графическое обозначение (рис.1).

Если операционный усилитель подробно описывать, нажав на теорию, то получится хороший материал, если не для диссертации, то для дипломной работы ВУЗа (впрочем, как и в случае с простым транзисторным ключом). Мы же преследуем другую задачу, понять как он работает и что мы с этого можем иметь. Если, же кому-то не хватит теории, то можно обратиться к ВУЗовским учебникам.

И так, операционный усилитель

— это элемент аналоговой электроники, так и будем его изучать. А в качестве «подопытного кролика» возьмем наиболее распространенную на нынешний день “модель” — КРН0УД608 (рис.1). Корпус КР140УД608 похож на разломанный пополам 16-вы водный корпус какой-то цифровой микросхемы (рисунок 1).

Он как раз в два раза короче чем, например, К561ИЕ10. С каждой из сторон по четыре вывода Ключ (точка, углубление, паз) расположен у торца от первого вывода. У любого операционного усилителя есть два входа и один выход. Входы разнополярные, у нашего “кролика” на вывод 3 выведен ПРЯМОЙ вход, а на вывод 2 — ИНВЕРСНЫЙ (выход — вывод 6).

Операционный усилитель усиливает сигнал приложенный к одному из его входов относительно другого, вернее, получается, что входной сигнал и есть разность потенциалов между его входами (или ток между его входами). Чтобы понять как этот выглядит на практике, можно собрать схему, показанную на рисунке 2.

В качестве элементов питания используем две “плоские” батарейки по 4.5 В каждая; включив их последовательно, и сделав вывод от середины (питание двуполярное). Контролировать напряжение будем все тем же мультиметром, а еще лучше двумя мультиметрами (типа М-838 или другими).

И так, в схеме на рисунке 2 инверсный вход (вывод 2) соединен с общим проводом (с средним выводом источника питания), а на прямой вход (вывод 3) подаем напряжение от переменного резистора R1. Вращая R1 и измеряя напряжение на выходе ОУ и на движке R1 можно понять, что установить R1 в такое положение, чтобы как выходе был 0V очень сложно (почти невозможно).

Если напряжение на движке R1 чуть больше 0V (чуть больше напряжения на инверсном входе), то на выходе будет около +4V, а если это напряжение чуть меньше 0V (отрицательное относительно общей точки источника питания), то на выходе будет (-4V). Теперь сменим точку подключения минусового провода мультиметра (рис. 3).

Теперь получается, что если напряжение на движке резистора R1 чуть больше 4,5 V. то на выходе будет примерно 8.5V, а если напряжение на движке R1 чуть меньше 4,5V, то на выходе будет примерно 0,5V. Таким образом, мы вернулись обратно к цифровой технике если на прямом входе напряжение больше чем на инверсном, то на выходе получается логическая единица, а если напряжение на прямом входе ниже чем на инверсном, то на выходе логический ноль (вот так от аналоговой до цифровой один шаг).

Теперь ради чистоты эксперимента, можно поменять местами подключения входов ОУ, и опять все проверить. Зависимость, изложенная выше подтвердится. Таким образом, если напряжение на прямом входе больше, то и на выходе оно тоже больше, а если напряжение на инверсном входе больше, то на выходе оно меньше. В этом и состоит разница между прямым и инверсным входами.

Так работает аналоговый компаратор, он служит для сравнения разных напряжений, поданных на его входы. В таком включении (рис.2, рис.3) коэффициент усиления ОУ стремится к бесконечности (около 30000). Но для работы в аналоговых схемах обычно требуется не компаратор, а усилитель, причем нужно чтобы коэффициент усиления этого усилитель можно было устанавливать “по вкусу”.

Чтобы операционный усилитель перестал быть компаратором необходимо ввести отрицательную обратную связь между его выходом и инверсным входом. Так и поступим, отключим инверсный вход от общего провода источника питания и подсоединим его к выходу (рисунок 4).

Теперь от огромного коэффициента усиления не осталось и следа. Коэффициент усиления в схеме на рис. 4 равен 1. То есть напряжение на выходе меняется точно так же как и напряжение на прямом входе. ОУ только повторяет входной сигнал и по напряжению его не усиливает. Все дело в том, что ООС стопроцентная.

Чтобы можно было установить любой желаемый коэффициент усиления нужно включить ОУ по схеме, показанной на рисунке 5 (или на рисунке 6). А коэффициент усиления будет определяться соотношением левой и правой (по схеме) частей переменного резистора R3 (рис. 5, рис 6) относительно точки расположения его движка. То есть, коэффициент усиления ОУ будет равен, для рисунка 5:

Ку =1*(R3np / R3n)
для рисунка 6:
Ку = —(R3np/R3n)
Где R3np — сопротивление правой части R3, а R3n — сопротивление левой части R3.

Входное сопротивление усилителя по рис. 6 будет равно R3n.
Входное сопротивление усилителя по рис. 5 определяется, в основном, входным сопротивлением прямого входа ОУ. И так, две типовые схемы включения любого операционного усилителя рисунок 7.

Эти схемы рассчитаны на работу с постоянным входным напряжением приложенным относительно общего провода питания, хотя конечно, они будут работать и с переменным входным напряжением, если оно не имеет постоянной составляющей.

Если переменное входное напряжение имеет постоянную составляющую (например, снимается с коллектора транзистора предварительного усилительного каскада), её необходимо удалить включив на входе разделительный конденсатор (рис. 8).

Существенный недостаток схем, показанных на рисунках 7 и 8 это необходимость в двухполярном источнике питания. Чтобы питать ОУ от однополярного источника, нужно его немного “обмануть”, сделать такую схему, в которой будет некоторое постоянное напряжение, равное половине напряжения питания, и подключать к этому напряжению его входы, как-бы к общему проводу питания. Если нужно усиливать только переменное напряжение, то такой “обман” вполне проходит.

На рисунке 9 показана схема инвертируеющего усилителя на ОУ, работающем с однопопярным питанием. Резисторы R3 и R4 имеют одинаковые сопротивления, и напряжение в точке их соединения будет равно половине напряжения питания. Эту точку соединяем в прямым входом ОУ, а конденсатор С2 подавляет различные помехи, которые могут иметь место в этой цепи.

Если нам нужен неинвертирующий усилитель, схема будет такая как на рисунке 10. В этом случае входное сопротивление будет практически равно сопротивлению каждого из резисторов R3 и R4.
Конденсатор С2 выполняет роль разделительного. Он пропускает переменный ток, и ООС зависит от сопротивлений R1 и R2. по переменному току, устанавливая требуемый коэффициент усиления по переменному току.

По постоянному току R1 как бы отсутствует, и инверсный вход соединен с выходом через R2, поэтому глубина ООС по постоянному току почти равна 100%, а, следовательно, коэффициент усиления по постоянному току такой схемы равен 1. Следует учесть, что в схемах на рис. 9 и 10 коэффициент усиления зависит не только от соотношения R1 и R2, но и от емкости разделительного конденсатора (С1 для рис. 9, С2 для рис. 10), поскольку С2 (рис. 10)

имеет реактивное сопротивление, складывающееся с сопротивлением R1, так что, коэффициент усиления будет зависеть от частоты входного сигнала, увеличиваться при её увеличении и уменьшаться при её уменьшении. Компаратор тоже может быть с однополярным питанием (рис.11).

Для экспериментов кроме операционного усилителя КР140УД608 можно использовать и другие ОУ, на рисунке 12 приводятся цоколевки других популярных ОУ. В качестве источника питания можно использовать две “батарейки” по 4,5 В каждая, например, 312S. 3R12. Переменные резисторы могут быть от 100 килоом до 1 мегаома.

Операционный усилитель. Примеры схем с описанием работы ч. 3

▌Антилогарифический усилитель

Если переставить диод в логарифмическом усилителе, то получим антилогарифмический, с экспоненциальным усилением. Работает точно также, ток, ничем не ограниченный, течет в виртуальное заземление, увеличиваясь примерно по экспоненте, как это принято у pn перехода. Ну, а поскольку это тот же ток, что течет в ООС, то помноженный на сопротивление резистора он даст нам выходное напряжение увеличивающееся по экспоненте. Все просто :))) Правда вместо диода лучше использовать транзистор. Используя его БЭ переход в качестве диодного pn перехода, а база при этом заземляется. У него характеристика лучше. Или, вообще специализированные усилители с готовой характеристикой.

Зачем такой усилок нужен? Ну у меня не нашлось идей для чего его можно применить отдельно, но вот в сочетании с логарифмическим он вполне может использоваться для умножения и деления аналоговых сигналов.

▌Умножитель и делитель
Как упростить умножение? Заменить его сложением логарифмов. Ln(A*B) = Ln(A) + Ln(B). А деление это, соответственно Ln(A/B) = Ln(A)-Ln(B). Проще некуда, лол. Но так на самом деле выходит сильно проще 🙂 Т.е. если нам надо помножить два аналоговых сигнала, то мы сначала прогоняем их через логарифмирующие усилители, потом загоняем в сумматор с коэффициентом усиления 1, а дальше прогоном через антилогарифмический усилитель достаем из под логарифма.

Правда тут есть нюанс, как в том анекдоте. Попасть в чисто логарифмическую характеристику на диоде или транзисторе можно с оооочень большой натяжкой. А тут это критически важно. Так что вот так вот, на рассыпухе, собрать схему умножения на логарифмах/антилогарифмах задачка нетривиальная. Ее все время будет выносить черт знает куда. Про то, что надо будет скорректировать все смещения и перекосы самих усилителей я и не говорю. Поэтому я даже схему приводить не буду. Из описания и так понятно, если уж сильно заинтересует кого.

Для таких задач есть специальные микросхемы, вроде AD633 (умножитель) или AD734 (умножитель/делитель), тысячи их.

▌Суммирующие и комбинированные схемы
За что я люблю ОУ так это за то, что тут можно на одном ОУ склепать сразу несколько узлов одновременно. Интегратор, плюс сумматор и сверху еще усилителем обмазать… Помните, может быть, схему аналогового реобаса.

Там на одном ОУ я брал значение с термостабилитрона, вычитал из него опорное напряжение смещения, а результат еще и домножал на коэффициент, чтобы смасштабировать — #3. На двух ОУ сделал генератор пилы (меандр плюс интегратор) — #1 И еще из одного ОУ получился компаратор, который из пилы и постоянки сделал мне ШИМ — #2.

Точно также можно комбинировать, усиливающие интегрирующие и дифференцирующие схемы.

Вот, например, суммирующий усилитель:

Ток от входных напряжений течет в виртуальное КЗ через входные резисторы согласно их номиналам, просто по закону Ома. А в итоге все токи суммируется в узле и утекают в цепь ООС через резистор Roc — это суммирующая часть.

Дальше все домножается на сопротивление Roc — это уже усиливающая часть. Если все элементы взять одинаковые, скажем по 10кОм, то получим простой сумматор. Если резистор Roc взять вдвое больше, то результат суммирования умножится на два (опять же по закону Ома, ток то в ООС прежним останется). Если менять входные резисторы, то можно каждое слагаемое еще и на коэффициент домножить. В результате мы на одном элементе делаем и масштабирование входных сигналов и масштабирование выходных. Красота же!

А еще можно засунуть сумматор, например, в интегратор, а чего нет то? Получим суммирующий интегратор.

В соответствии с током через конденсатор, который вычисляется как I = C(dU/dt), суммарный ток даст нам с учетом сопротивления резисторов:

-C*dUвых/dt = (U1/R1)+(U2/R2)+…+(Un/Rn)

Если резисторы одинаковые, то на выходе будет -1/RC * ∫ (U1+U2+..+Un) dt.

Добавив вторую ветвь, можно сделать разностный интегратор:

Если считать, что резисторы равны, то:

Uвых = 1/RC ∫(U2-U1)dt

Или можно сунуть интегратору в ОС резистор и тогда к нему добавится еще и коэффициент усиления.

Он именно что добавится, то есть не результат интеграции умножится на коэффициент усиления, а к результату интеграции прибавится еще и функция обычного усиления. Т.к. результирующее напряжение теперь поделится на напряжение конденсатора (интегрирующая часть) и напряжение падения на резисторе (пропорциональная часть). На скорость зарядки конденсатора это не повлияет никак, т.к. ток в ОС зависит только от входного напряжения и входного резистора, а там ток течет в виртуальное КЗ. Ну вы поняли 😉

Uвых = -(Roc/R)*Uвх-(1/RC) ∫ Uвх dt

С дифференциатором та же история. Можно сделать суммирующий дифференциатор, добавив конденсаторов в параллель. Или добавить коэффициент усиления в сумму, поставив резистор параллельно конденсатору. Схема разностного дифференциатора аналогична интегратору.

Продолжение следует…