Операционные усилители (на основе простейших примеров): часть 1 / Хабр

В курсе электроники есть много важных тем. Сегодня мы попытаемся разобраться с операционными усилителями.
Начнем сначала. Операционный усилитель — это такая «штука», которая позволяет всячески оперировать аналоговыми сигналами. Самые простейшие и основные — это усиление, ослабление, сложение, вычитание и много других (например, дифференцирование или логарифмирование). Абсолютное большинство операций на операционных усилителях (далее ОУ) выполняются с помощью положительных и отрицательных обратных связей.
В данной статье будем рассматривать некий «идеал» ОУ, т.к. переходить на конкретную модель не имеет смысла. Под идеалом подразумевается, что входное сопротивление будет стремиться к бесконечности (следовательно, входной ток будет стремиться к нулю), а выходное сопротивление — наоборот, будет стремиться к нулю (это означает, что нагрузка не должна влиять на выходное напряжение). Также, любой идеальный ОУ должен усиливать сигналы любых частот. Ну, и самое важное, коэффициент усиления при отсутствующей обратной связи должен также стремиться к бесконечности.

Ближе к делу

Операционный усилитель на схемах очень часто обозначается равносторонним треугольничком. Слева расположены входы, которые обозначены «-» и «+», справа — выход. Напряжение можно подавать на любой из входов, один из которых меняет полярность напряжения (поэтому его назвали инвертирующим), другой — не меняет (логично предположить, что он называется неинвертирующий). Питание ОУ, чаще всего, двуполярное. Обычно, положительное и отрицательное напряжение питания имеет одинаковое значение (но разный знак!).
В простейшем случае можно подключить источники напряжения прямо ко входам ОУ. И тогда напряжение на выходе будет расчитываться по формуле:

, где — напряжение на неинвертирующем входе, — напряжение на инвертирующем входе, — напряжение на выходе и — коэффициент усиления без обратной связи.
Посмотрим на идеальный ОУ с точки зрения Proteus.

Предлагаю «поиграть» с ним. На неинвертирующий вход подали напряжение в 1В. На инвертирующий 3В. Используем «идеальный» ОУ. Итак, получаем: . Но тут у нас есть ограничитель, т.к. мы не сможем усилить сигнал выше нашего напряжения питания. Таким образом, на выходе все равно получим -15В. Итог:

Изменим коэффициент усиления (чтобы Вы мне поверили). Пусть параметр Voltage Gain станет равным двум. Та же задача наглядно решается.

Реальное применение ОУ на примере инвертирующего и неинвертирующего усилителей

Есть два таких основных правила:
I.Выход операционного усилителя стремится к тому, чтобы дифференциальное напряжение (разность между напряжением на инвертирующем и неинвертирующем входах) было равно нулю.
II.Входы ОУ не потребляют тока.
Первое правило реализуется за счет обратной связи. Т.е. напряжение передается с выхода на вход таким образом, что разность потенциалов становится равной нулю.

Это, так сказать, «священные каноны» в теме ОУ.
А теперь, конкретнее. Инвертирующий усилитель выглядит именно так (обращаем внимание на то, как расположены входы):

Исходя из первого «канона» получаем пропорцию:
, и немного «поколдовав» с формулой выводим значение для коэффициента усиления инвертирующего ОУ:

Приведенный выше скрин в комментариях не нуждается. Просто сами все подставьте и проверьте.

Следующий этап — неинвертирующий усилитель.
Тут все также просто. Напряжение подается непосредственно на неинвертирующий вход. На инвертирующий вход подводится обратная связь. Напряжение на инвертирующем входе будет:

, но применяя первое правило, можно утверждать, что

И снова «грандиозные» познания в области высшей математики позволяют перейти к формуле:
Приведу исчерпывающий скрин, который можете перепроверить, если хотите:

Пара интересных схем

Напоследок, приведу парочку интересных схем, чтобы у Вас не сложилось впечатления, что операционные усилители могут только усиливать напряжение.

Повторитель напряжения (буферный усилитель).

Принцип действия такой же, как и у транзисторного повторителя. Используется в цепях с большой нагрузкой. Также, с его помощью можно решить задачку с согласованием импедансов, если в схеме есть нежелательные делители напряжения. Схема проста до гениальности:

Суммирующий усилитель. Его можно использовать, если требуется сложить (отнять) несколько сигналов. Для наглядности — схема (снова обращаем внимание на расположение входов):

Также, обращаем внимание на то, что R1 = R2 = R3 = R4, а R5 = R6. Формула расчета в данном случае будет: (знакомо, не так ли?)
Таким образом, видим, что значения напряжений, которые подаются на неинвертирующий вход «обретают» знак плюс. На инвертирующий — минус.

Заключение

Схемы на операционных усилителях чрезвычайно разнообразны. В более сложных случаях Вы можете встретить схемы активных фильтров, АЦП и устройств выборки хранения, усилители мощности, преобразователи тока в напряжение и многие многие другие схемы.

Список источников

Краткий список источников, который поможет Вам быстрее освоится как в ОУ, так и в электронике в целом:
Википедия
П. Хоровиц, У. Хилл. «Искусство схемотехники»
Б. Бейкер. «Что нужно знать цифровому разработчику об аналоговой электронике»

Конспект лекций по электронике (желательно, собственный)
UPD.: Спасибо НЛО за приглашение

Операционный усилитель принцип работы для чайников

Говоря операционный усилитель, я зачастую подразумеваю LM Так как если нету каких-то особых требований к быстродействию, очень широкому диапазону напряжений или большой рассеиваемой мощности, то LM хороший выбор. Так как LM имеет в своем составе два операционных усилителя, у каждого по два входа и один выход 6 — выводов и два контакта нужны для питания, то всего получается 8 контактов. Есть и металлокерамическое исполнение для особо тяжелых условий работы.

Поиск данных по Вашему запросу:

Схемы, справочники, даташиты:

Прайс-листы, цены:

Обсуждения, статьи, мануалы:

Дождитесь окончания поиска во всех базах.

По завершению появится ссылка для доступа к найденным материалам.

Содержание:

• Инвертирующий усилитель на ОУ. Принцип работы
• Аналоговый компаратор
• Неинвертирующий усилитель на ОУ. Принцип работы
• LM358 схема включения
• Дифференциальный вход и операционный усилитель – для новичков в радиоделе
• Операционный усилитель принцип работы для чайников
• Что такое операционный усилитель?

ПОСМОТРИТЕ ВИДЕО ПО ТЕМЕ: Электроника от простого к сложному. Урок 5. Операционные усилители. (PCBWay)

Инвертирующий усилитель на ОУ. Принцип работы

Приветствую вас дорогие друзья! А сегодня речь пойдет о таком электронном устройстве как операционный усилитель. Например на этой картинке изображены два операционных усилителя российского производства. Также имеются выводы для подключения питания но на условных графических обозначениях их обычно не указывают.

Для такого усилителя есть два правила которые помогут понять принцип работы:. Входы операционника обладают высоким входным сопротивлением или иначе говорят высоким импедансом. Усилитель просто оценивает величину напряжений на входах и в зависимости от этого выдает сигнал на выходе усиливая его. Из-за этого свойства операционники практически никогда не используют без обратной связи ОС. Действительно какой смысл во входном сигнале если на выходе мы всегда получим максимальное напряжение, но об этом поговорим чуть позже.

Действительно операционный усилитель может выдавать значения напряжений как положительной так и отрицательной полярности. У новичка может возникнуть вопрос о том как же такое возможно? Давайте рассмотрим питание операционника чуток подробнее.

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

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

Вообще в работе с источниками питания многое зависит от того что мы взяли за точку отсчета то есть за 0 ноль. Давайте с этим разберемся. Допустим у нас есть обычная пальчиковая батарейка батарейка типа АА.

У нее есть два полюса плюсовой и минусовой. Здесь все просто и логично. Теперь немножко усложним задачу и возьмем точно такую же вторую батарейку. Если за точку отсчета будет принят положительный полюс батарейки а измеряющий щуп был подключен к минусу то любой вольтметр нам покажет В. Но если за точку отсчета будет принята точка между двумя батарейками то в результате мы сможем плучить простой источник двуполярного питания.

И вы можете в этом убедиться, мультиметр нам подтвердит что так оно и есть. Примеры на батарейках я привел для примера, чтобы было более понятно. И первая схема источника питания для ОУ перед вами. Она достаточно простая но я немножко поясню принцип ее работы. Затем трансформатор преобразует переменный ток В в такой же переменный но уже в 30В. Да на вторичной обмотке будет переменное напряжение в 30В но обратите внимание на отвод от средней точки вторичной обмотки.

На вторичной обмотке сделано ответвление, причем количество витков до этого ответвления равно числу витков после ответвления. Благодаря этому ответвлению мы можем получить на выходе вторичной обмотки переменное напряжение как в 30 В так и переменку в 15В. Это знание мы берем на вооружение. Далее нам нужно переменку выпрямить и превратить в постоянку поэтому диодный мост нам в помощь. Диодный мост с этой задачей справился и на выходе мы получили не очень стабильную постоянку в 30В.

Это ответвление мы ведем далее и подключаем между электролитическими конденсаторами и затем между следующией парой высокочастотных кондерчиков. Чего мы этим добились? Мы добились нулевой точки отсчета между полюсами потенциалов положительной и отрицательной полярности. Эту схему конечно можно еще более улучшить если добавить стабилитроны или интегральные стабилизаторы но тем не менее приведенная схема уже вполне может справиться с задачей питания операционных усилителей.

Эта схема на мой взгляд проще, проще в том ключе, что нет необходимости искать трансформатор с ответвлением от середины или формировать вторичную обмотку самостоятельно. Но здесь придется раскошелиться на второй диодный мост. Диодные мосты включены так, что положительный потенциал формируется с катодов диодиков первого моста, а отрицательный потенциал выходит с анодов диодов второго моста. Упомяну также, что здесь используются разделительные конденсаторы, они оберегают один диодный мост от воздействий со стороны второго.

Эта схема также легко подвергается различным улучшениям, но самое главное она решает основную задачу — с помощью нее можно запитать операционный усилитель. Как я уже упоминал операционные усилители почти всегда используют с обратной связью ОС. Но что представляет собой обратная связь и для чего она нужна?

Попробуем с этим разобраться. Если на дороге стало скользко? Ага мы среагировали, сделали коррекцию и дальше двигаемся более осторожно. Без обратной связи при подаче на вход определенного сигнала на выходе мы всегда получим одно и тоже значение напряжения. Оно будет близко напряжению питания так как коэффициент усиления очень большой.

Мы не контролируем выходной сигнал. Но если часть сигнала с выхода мы отправим обратно на вход то что это даст? Мы сможем контролировать выходное напряжение. Надо бы разобраться в чем суть. Положительная обратная связь это когда часть выходного сигнала поступает обратно на вход причем она часть выходного суммируется с входным. Положительная обратная связь в операционниках применяется не так широко как отрицательная.

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

С другой стороны положительная обратная связь не уменьшает коэффициент усиления операционного усилителя что бывает полезно. Отрицательная обратная связь это такая связь когда часть выходного сигнала поступает обратно на вход но при этом она вычитается из входного.

А вот отрицательная обратная связь просто создана для операционных усилителей. Несмотря на то, что она способствует некоторому ослаблению коэффициента усиления, она приносит в схему стабильность и управляемость.

В результате схема становится независимой от коэффициента усиления, ее свойства полностью управляются отрицательной обратной связью. При использовании отрицательной обратной связи операционный усилитель приобретает одно очень полезное свойство. Операционник контролирует состояния своих входов и стремится к тому, потенциалы на его входах были равны. ОУ подстраивает свое выходное напряжение так, чтобы результирующий входной потенциал разность Вх. Подавляющая часть схем на операционниках строится с применением отрицательной обратной связи!

Так что для того чтобы разобраться как работает отрицательная связь нам нужно рассмотреть схемы включения ОУ. Схема компаратора обладает высоким входным сопротивлением импедансом и низким выходным. Эта схема включения лишена обратной связи. В результате где было 3В так и остается 3В а где был 1В будет -1В. Но стабилитрон отработает и на выход пойдет 5В что соответствует логической единице. Теперь представили, что на вход 2 мы кинули 3В а на вход 1 приложили 1В.

Но у нас стоит стабилитрон и он это не пропустит и на выходе у нас будет величина близкая нулю. Это и будет логический ноль для цифровой схемы. Чуть ранее мы рассматривали такую схему включения ОУ как компаратор.

В компараторе сравниваются два напряжения на входе и выдается результат на выходе. Но чтобы сравнивать входное напряжение с нулем нужно воспользоваться схемой представленной чуть выше.

Здесь сигнал подается на инвертирующий вход а прямой вход посажен на землю, на ноль. Но что случится если мы захотим подать напряжение равное нулю?

Такое напряжение никогда не получится сделать, ведь идеального нуля не бывает и сигнал на входе хоть на доли микровольт но обязательно будет меняться в ту или другую сторону. Для избавления от подобного хаоса вводит гистерезист — это некий зазор в пределах которого сигнал на выходе не будет меняться.

Этот зазор позволяет реализовать данная схема посредством положительной обратной связи. Представим, что на вход мы подали 5В , на выходе в первое мгновение получится сигнал напряжением в В.

Далее начинает отрабатывать положительная обратная связь. Обратная связь образует делитель напряжения в результате чего на прямом входе операционника появится напряжение -1,36В. Внутри него сигнал в 5В инвертируется и становится -5В, далее два сигнала складываются и получается отрицательное значение.

Сигнал на выходе не изменится пока сигнал на входе не опустится менее -1,36В. Пусть сигнал на входе изменился и стал -2В. Теперь чтобы изменить значение на выходе на противоположное нужно подать сигнал более 1,36В. Такая зона нечувствительности носит название гистерезис. Наиболее простой обладатель отрицательной обратной связи это повторитель. Повторитель выдает на выходе то напряжение, которое было подано на его вход.

Но в этом есть смысл, ведь вспомним свойство операционника, он обладает высоким входным сопротивлением и низким выходным. Чтобы понять как он работает отмотаете чуток назад, там где мы обсуждали отрицательную обратную связь. Там я упоминал, что в случае с отрицательной обратной связью операционник всеми возможными способами стремится к равному потенциалу по своим входам. Так допустим на входе у нас 1В.

Аналоговый компаратор

Что то часто мне стали задавать вопросы по аналоговой электронике. Никак сессия студентов за яцы взяла? В частности по работе операционных усилителей. Что это, с чем это едят и как это обсчитывать.

Рассмотрим общий принцип применения ОУ на примере простейшего . к случайным высокочастотным помехам, а также и неустойчива в работе.

Неинвертирующий усилитель на ОУ. Принцип работы

В радиоэлектронике и микросхемотехнике широкое распространение получил операционный усилитель ОУ. Он обладает отличными техническими характеристиками ТХ по усилению сигналов. Чтобы понять сферы применения ОУ, нужно узнать его принцип действия, схему подключения и основные ТХ. 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.

LM358 схема включения

Приветствую вас дорогие друзья! А сегодня речь пойдет о таком электронном устройстве как операционный усилитель. Например на этой картинке изображены два операционных усилителя российского производства. Также имеются выводы для подключения питания но на условных графических обозначениях их обычно не указывают. Для такого усилителя есть два правила которые помогут понять принцип работы:.

Он даже проще чем инвертирующий усилитель, поскольку для работы схемы не нужно двухполярное питание. Обратите внимание на единицу, содержащуюся в формуле.

Дифференциальный вход и операционный усилитель – для новичков в радиоделе

Операционный усилитель ОУ англ. Operational Amplifier OpAmp , в народе — операционник, является усилителем постоянного тока УПТ с очень большим коэффициентом усиления. Имеется ввиду, начиная с частоты в ноль Герц, а это и есть постоянный ток. Коэффициент усиления ОУ зависит от его типа, назначения, структуры и может превышать 1 млн! На схемах операционный усилитель обозначается вот так:.

Операционный усилитель принцип работы для чайников

Теория и практика. Кейсы, схемы, примеры и технические решения, обзоры интересных электротехнических новинок. Уроки, книги, видео. Профессиональное обучение и развитие. Сайт для электриков и домашних мастеров, а также для всех, кто интересуется электротехникой, электроникой и автоматикой. Электронные усилители.

Операционные усилители. Виды и работа. Питание и особенности. Операционный усилитель принцип работы для чайников. Операционные.

Что такое операционный усилитель?

Инвертирующий усилитель является одним из самых простых и наиболее часто используемых аналоговых схем. С помощью всего двух резисторов, мы можем выставить необходимый нам коэффициент усиления. Ничего не мешает нам сделать коэффициент менее 1, тем самым ослабив входной сигнал. Часто к схеме добавляют еще один резистор R3, сопротивление которого равно сумме R1 и R2.

Аналоговый компаратор. Аналоговый компаратор — это устройство, предназначенное для сравнения двух сигналов. Простейшая схема компаратора может быть построена на операционном усилителе без обратной связи. В инженерных расчетах коэффициент усиления идеального операционного усилителя G обычно принимается равным бесконечности. Мы возьмем реальный операционный усилитель — LM

Основы электроники.

Приветствую вас дорогие друзья! А сегодня речь пойдет о таком электронном устройстве как операционный усилитель. Например на этой картинке изображены два операционных усилителя российского производства. Также имеются выводы для подключения питания но на условных графических обозначениях их обычно не указывают. Для такого усилителя есть два правила которые помогут понять принцип работы:. Входы операционника обладают высоким входным сопротивлением или иначе говорят высоким импедансом. Усилитель просто оценивает величину напряжений на входах и в зависимости от этого выдает сигнал на выходе усиливая его.

Операционный усилитель — электронная схема усилителя на полупроводниках, в интегральном исполнении имеющего два балансных входа — прямой и инверсный, обладающий высоким коэффициентом усиления. Интегральное исполнение подразумевает законченную конструкцию усилителя, размещённую в одном корпусе интегральной микросхемы ИМС. Применение операционных усилителей ОУ самое разнообразное — в усилителях различных сигналов, в генераторах сигналов, в частотных фильтрах звукового диапазона, в схемах контроля физических величин температуры, освещённости, влажности, ветра , и т.

Схемы операционных усилителей и анализ цепей

Схемы операционных усилителей — мощный инструмент в современных схемах. Вы можете собрать базовые схемы операционных усилителей для создания математических моделей, предсказывающих сложное поведение в реальном мире. Коммерческие операционные усилители впервые появились на рынке в виде интегральных схем в середине 1960-х, а к началу 1970-х они доминировали на рынке активных аналоговых схем.

Сам операционный усилитель состоит из сложного набора транзисторов, диодов, резисторов и конденсаторов, собранных вместе и построенных на крошечном кремниевом чипе, называемом интегральной схемой. Вы можете смоделировать операционный усилитель с помощью простых уравнений, не заботясь о том, что происходит внутри микросхемы. Вам просто нужны некоторые базовые знания об ограничениях на напряжения и токи на внешних клеммах устройства.

Как рисовать схемы операционных усилителей

В отличие от конденсаторов, катушек индуктивности и резисторов, операционным усилителям для работы требуется питание. Операционные усилители имеют следующие пять ключевых выводов, показанных здесь:

.

• Положительная клемма, называемая неинвертирующим входом v _P

• Отрицательная клемма, называемая инвертирующим входом v _N

• Выходная клемма в результате подачи напряжения между неинвертирующим и инвертирующим входами: v _O = A ( v _P – v _N 377)

• Положительная и отрицательная клеммы источника питания, обычно обозначенные как + В _CC и – В _CC и необходимые для правильной работы операционного усилителя

Хотя многие операционные усилители имеют более пяти выводов, эти выводы обычно не отображаются символически. Кроме того, чтобы уменьшить беспорядок при исследовании схемы операционного усилителя, источники питания обычно также не отображаются.

Когда на схеме ОУ не показаны блоки питания, не забывайте, что блоки питания задают верхний и нижний пределы выходного напряжения, ограничивая диапазон его напряжения. За исключением потусторонних сил, вы не можете получить больше выходной мощности, чем вы поставляете.

Идеальная схема операционного усилителя и ее передаточные характеристики

Вы можете смоделировать операционный усилитель с зависимым источником, если вам нужны точные результаты, но идеального операционного усилителя достаточно для большинства приложений.

OP AMP усиливает разницу между двумя входами, V _P и V _N , на выигрыш A , чтобы дать вам выходной подачу V _{. :}

Коэффициент усиления по напряжению А для операционного усилителя очень большой — более 10 ⁵ .

Когда выходное напряжение превышает подаваемую мощность, операционный усилитель насыщается . Это означает, что выходное напряжение ограничивается или достигает максимального значения при подаваемых напряжениях и больше не может увеличиваться. Когда это происходит, поведение операционного усилителя перестает быть линейным, а работает в нелинейной области.

Вы можете увидеть эту идею здесь; на левой диаграмме показана передаточная характеристика, а на правой диаграмме показана идеальная передаточная характеристика операционного усилителя с бесконечным коэффициентом усиления. На графике показаны три режима работы операционного усилителя.

У вас есть положительные и отрицательные насыщенные области, показывающие нелинейные и линейные области. Если вы хотите усилить сигналы, вам нужно работать в линейной области. Вы можете математически описать три области следующим образом:

Для выполнения математических функций (таких как сложение и вычитание) операционный усилитель должен работать в линейном режиме. Все показанные здесь схемы операционных усилителей работают в линейной активной области.

Моделирование операционного усилителя с зависимым источником

Если вам нужны точные результаты, вы можете смоделировать операционный усилитель с зависимым источником, управляемым напряжением, как показано здесь. Эта модель состоит из большого коэффициента усиления A, большого входного сопротивления R _I и малого выходного сопротивления Р _О . В таблице показаны идеальные и типичные значения этих характеристик ОУ.

Высокое усиление (или коэффициент усиления) упрощает анализ, позволяя вам не беспокоиться о том, что происходит внутри операционного усилителя. Пока операционный усилитель имеет высокий коэффициент усиления, математические схемы операционного усилителя будут работать. Высокое входное сопротивление потребляет мало тока от цепи входного источника, увеличивая срок службы батареи для портативных приложений. Низкое выходное сопротивление или его отсутствие обеспечивает максимальное напряжение на выходной нагрузке.

Здесь также показан зависимый источник тока, управляемый напряжением. Выход ограничен между положительным и отрицательным напряжениями, когда операционный усилитель работает в линейной области.

Изучить основные уравнения для анализа идеальных схем операционных усилителей

Идеальные свойства операционного усилителя составляют два важных уравнения:

Эти уравнения упрощают анализ операционных усилителей и дают ценную информацию о поведении схемы. Почему? Поскольку обратная связь от выходных клемм к одному или обоим входам гарантирует, что v _P и v _N равны.

Чтобы получить первое ограничение, предположим, что линейная область операционного усилителя регулируется, когда выходной сигнал ограничен напряжением питания следующим образом:

Вы можете изменить уравнение, чтобы ограничить ввод до v _P – v _N :

Для идеального операционного усилителя коэффициент усиления A равен бесконечности, поэтому неравенство принимает вид

Следовательно, идеальный операционный усилитель (с бесконечным усилением) должен иметь это ограничение:

Операционный усилитель с бесконечным коэффициентом усиления всегда будет иметь одинаковое неинвертирующее и инвертирующее напряжения. Это уравнение становится полезным при анализе ряда схем операционных усилителей, таких как неинверторный операционный усилитель, инвертор, сумматор и вычитатель.

Другое важное уравнение для операционного усилителя рассматривает входное сопротивление R _I . Идеальный операционный усилитель имеет бесконечное сопротивление. Это означает, что никакие входные токи не могут поступать на операционный усилитель:

Уравнение говорит о том, что входные клеммы операционного усилителя действуют как разомкнутые цепи.

Вам необходимо соединить выходную клемму с инвертирующей клеммой, чтобы обеспечить отрицательную обратную связь, чтобы операционный усилитель работал. Если вы подключаете выход к положительной стороне, вы обеспечиваете положительную обратную связь, что не очень хорошо для линейной работы. При положительной обратной связи операционный усилитель либо насыщается, либо вызывает колебания на выходе.

Полное руководство по операционным усилителям — часть 1

Это первая часть из трех частей «Полного руководства по операционным усилителям». В этой статье мы узнаем, как работают операционные усилители и как с их помощью создавать схемы. В этой серии есть еще две статьи, так что обязательно ознакомьтесь с ними после этой:

• Полное руководство по операционным усилителям. Часть 2: линейные приложения
• Полное руководство по операционным усилителям. Часть 3: нелинейные приложения выполнять аналоговую математику, такую ​​как интегрирование и дифференцирование. Первые операционные усилители были лампового типа. Ранними операционными усилителями на ИС были µA709.и LM101, но они быстро превратились в другие операционные усилители из-за их огромной полезности и популярности.

  Одним из самых известных из них был операционный усилитель LM741. Вы все еще видите много схем, использующих этот операционный усилитель. К счастью, производители сохранили расположение выводов неизменным для постоянно растущего и улучшающегося ассортимента операционных усилителей.

  Поскольку компоненты внешней обратной связи в значительной степени определяют поведение схем операционных усилителей, обычно их можно заменить другими операционными усилителями. Если только это не критическое приложение, такое как сверхвысокочастотная характеристика или очень низкий уровень шума или смещения.

  Выше показаны некоторые корпуса, в которых доступны операционные усилители. Одна интегральная микросхема может иметь один, два или четыре отдельных операционных усилителя.

  Как работают операционные усилители

  Ниже показана внутренняя блок-схема простого операционного усилителя (без источника питания).

  Имеется два входных и один выходной контакт. Вход -ve называется инвертирующим входом , а вход +ve называется неинвертирующим входом . Входы подключены к дифференциальному усилителю, за которым следуют дополнительные каскады дифференциального усиления.

  В дифференциальном усилителе мы находим так называемую длиннохвостую пару. Транзисторы Q1 и Q2 представляют собой пару очень близко согласованных полевых транзисторов или биполярных транзисторов. Они подключены к -ve через транзистор Q3, который сконфигурирован как источник постоянного тока.

  Любая разница в напряжении между входами +ve и -ve приведет к пропорциональному колебанию коллекторов или стоков Q1 и Q2. Это называется усилением операционного усилителя без обратной связи. Любая разница в необработанных усилениях Q1 и Q2 приведет к большому нежелательному колебанию выхода. Все это можно взять под наш контроль и сделать предсказуемым, добавив несколько компонентов, обеспечивающих отрицательную обратную связь между входом и выходом.

  После дифференциального усиления каскад со сдвигом уровня центрирует колебания выходного напряжения около 0 В, поскольку все каскады связаны по постоянному току. Наконец, выходной усилитель с низким импедансом управляет нагрузкой и предотвращает влияние любых изменений на выходе на входы.

  Пример проекта

  Ниже показана схема инвертирующего усилителя с коэффициентом усиления 100, использующая операционный усилитель LM741. В инвертирующем усилителе сигнал на выходе не совпадает по фазе с входным на 180 градусов.

  Источник питания показан как +15 В и -15 В, но операционный усилитель будет работать с очень малыми источниками питания, например, +/- 9 В, ограничивая размах выходного сигнала.

  Если бы мы удалили резистор R2 в приведенной выше схеме, у нас не было бы обратной связи. Это называется разомкнутой петлей, и усиление теперь будет функцией максимального усиления операционного усилителя, которое составляет 100 дБ. Но усиление начинает быстро падать при увеличении частоты входа:

  При 10 Гц усиление начинает быстро падать на 20 дБ за декаду.

  Заменив R2, мы получили отрицательную обратную связь. К сожалению, это снижает усиление:

  Обратите внимание, где сейчас начинается спад — около 37 кГц. Это было бы нормально для звуковых целей. Если бы мы хотели продвинуть его немного дальше, нам пришлось бы увеличить обратную связь и уменьшить усиление. Если усиление становится слишком низким, нам, возможно, придется добавить вторую ступень усиления.

  Важные характеристики операционных усилителей

  Суммарные гармонические искажения (THD): Шум, создаваемый самим операционным усилителем. Обычно выражается в дБ.

  Напряжение смещения: Напряжение постоянного тока, которое при подаче на входные контакты приводит к нулевому выходному напряжению постоянного тока. Если бы оба входа были заземлены, выходное напряжение операционного усилителя не было бы равно нулю.

  Скорость нарастания: Время, необходимое для изменения выхода для данного входа. Задается как В/мс.

  Эквивалентное входное шумовое напряжение: Шумовые характеристики операционного усилителя. Идеальный источник напряжения помещается последовательно с входными контактами, которые представляют внутренний шум.

  Коэффициент подавления синфазного сигнала: Способность операционного усилителя подавлять сигналы, поступающие на оба входа одновременно. Особенно важно для применения в дифференциальных усилителях.

  Надеюсь, эта статья помогла вам понять, как работают операционные усилители, как их выбрать и как построить схему с операционным усилителем.