Схема операционного усилителя: обзор простейших примеров

Содержание

1. Основные свойства и схема операционного усилителя в современной электронике
2. Ближе к делу
3. Посмотрим на идеальную схему операционного усилителя с точки зрения Proteus
4. Реальное применение схемы операционного усилителя на примере инвертирующего и неинвертирующего усилителей
5. Пара интересных схем
6. Заключение

---

Схема операционного усилителя — 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 cхема операционного усилителя, где 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, любая идеальная схема операционного усилителя должна 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 схемы операционного усилителя, 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 рассчитываться по формуле:

U_out=(U_in1-U_in2•G, где U_in1 — напряжение на неинвертирующем входе, U_in2 — напряжение на инвертирующем входе, U_out — напряжение на выходе и G — коэффициент усиления без обратной связи.

Посмотрим на идеальную схему операционного усилителя с точки зрения Proteus

Предлагаю «поиграть» с ним. На неинвертирующий вход подали напряжение в 1В. На инвертирующий 3В. Используем «идеальный» ОУ. Итак, получаем: (1V-3V)•10⁶=-2•10⁶V. 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 схемы операционного усилителя 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

U=U_in

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.

Источник: habr.com

Простой аудио усилитель на операционном усилителе LM833

   Это схема простого аудио усилителя на основе операционного усилителя LM833. Она относится к разряду тех схем, которые можно собрать за час «на коленке». Однако, несмотря на свою простоту, схема вполне работоспособна и при должном качестве сборки может найти применение в качестве усилителя для наушников или предусилителя электрогитары. Или, на худой конец, вашего первого собранного устройства.

Рис. 1. Схема простого аудио усилителя на LM833.

   Усилитель работает от девяти вольтовой батарейки типа «крона». Основу усилителя составляет сдвоенный операционный аудио усилитель общего назначения — LM833. Задействованная часть микросхемы включена по схеме неинвертирующего усилителя, незадействованная — по схеме повторителя, то есть по сути «заглушена». Полоса пропускания схемы приблизительно от 0.5 Гц до 16 кГц. Коэффициент усиления от 1 до 100 в зависимости от значения переменного резистора.

Номиналы всех компонентов понятны из схемы. 

   Операционный усилитель имеет однополярное питание 9 В. Идеальный операционный усилитель может давать на выходе напряжение в диапазоне от 0 до напряжения питания. В реальности так могут вести себя только операционные усилители типа Rail-to-rail, а операционные усилители общего назначения работают в диапазоне от минимального до максимального напряжения насыщения, которое обычно меньше напряжения питания на ~1 — 2 В. Для того чтобы усилить входной сигнал по максимуму и без искажений, мы должны сместить его в середину диапазона выходного напряжения оу — приблизительно в точку 4 В. Тогда выходному сигналу будет где «развернуться». 

Рис. 1. Усиление входного сигнала (красный) без смещения. Выходной сигнал (синий) «обрезается снизу».

Рис. 2. Слишком большое смещение. Выходной сигнал «обрезается сверху». Можно уменьшить усиление, тогда сигнал не будет искажаться.

Рис. 3. Оптимальное смещение и усиление. Сигнал не искажается.

   Схему смещения составляют компоненты R1, R4 и С3. Резисторы R1 и R4 образуют делитель напряжения, благодаря которому на неинвертирующем выводе операционного усилителя присутствует постоянное напряжение чуть меньше половины питания, а конденсатор C3 отсекает постоянную составляющую входного сигнала. Если вы посмотрите осциллографом напряжение в точке A, то увидите, что входной сигнал колеблется на «подставке» в 4 В. Это как раз то, что нам нужно. 

   Помимо смещения компоненты R1, R4 и С3 выполняют роль пассивного RC фильтра низкой частоты. Частота среза этого фильтра будет определяться формулой

f = 1/(2*Pi*R*C), [Гц]

   С — это емкость входного разделительно конденсатора C3, а R — это суммарное сопротивлении параллельно соединенных резисторов R1 и R4. Почему параллельных? Потому что для переменного сигнала источник питания представляет собой «закоротку». То есть он его как бы не «видит».
   Операционный усилитель имеет высокое входное сопротивление.

Резисторы R1 и R4 будут уменьшать это сопротивление (потому что для переменного входного сигнала они включены параллельно входному сопротивлению усилителя) и, по сути, определять его значение.
   Для того чтобы не «загробить» входной аудио сигнал (по амплитуде и частоте), номиналы резисторов и конденсатора нужно взять достаточно большими — сотни кОм и единицы мкФ. Для номиналов указанных в схеме, частота среза фильтра составит ~0.6 Гц.

   Самая простая схема усилителя напряжения на оу — это схема неинвертирующего усилителя (на рисунке ниже она выделена серой рамкой). Для усиления входного сигнала мы можем использовать ее. Коэффициент усиления такой схемы равен отношению двух резисторов в цепи обратной связи. 

   Uout/Uin = 1 + R5/R6

Рис. 4 Схема неинвертирующего усилителя на оу.

   Однако, если мы подадим наш смещенный сигнал на вход обычного неинвертирующего усилителя, операционный усилитель даже при небольшом усилении «уйдет» в насыщение (то есть на выходе будет максимальное напряжение).
   Чтобы этого избежать, нужно «заставить» его усиливать только переменный сигнал. Этого можно добиться, если добавить в схему конденсатор — C7. По постоянному сигналу эта схема будет представлять собой повторитель (потому что конденсатор для постоянного сигнала равносилен обрыву), а по переменному неинвертирующий усилитель.

   Как можно догадаться, данный конденсатор будет оказывать влияние на полосу пропускания нашей схемы. А если точнее, то конденсатор C7 и резистор R6 образуют низкочастотный фильтр с частотой среза:

   F = 1/(2*Pi*R6 * C7) , [Гц]

   Емкость конденсатора C7 нужно взять достаточно большой (десятки мкФ), чтобы частота среза этого НЧ фильтра была маленькой (доли Гц).

   Схема неинвертирующего усилителя будет усиливать все частоты, которые пропускает операционный усилитель, и в том числе высокочастотный шум. Для аудио усилителя это нам совершенно не нужно. Чтобы ограничить полосу пропускания усилителя со стороны высоких частот, параллельно резистору R5 добавлен конденсатор C5.

На низких частотах он не оказывает влияния на коэффициент усиления схемы, а на высоких, когда его сопротивление становится сравнимым с R5, коэффициент усиления схемы уменьшается. Конденсатор C5 вместе с резистором R5 образуют ВЧ фильтр, частота среза которого определяется формулой:

   F = 1/(2*Pi*R5* C5) , [Гц]

   Большой номинал этого конденсатора придаст звуку более басовое звучание (за счет подавления высоких частот), но может значительно уменьшить коэффициент усиления схемы. Поиграв с номиналом этого конденсатора, можно подобрать приемлимое частотное звучание усилителя.

   На выходе операционного усилителя мы получим усиленный входной сигнал на «подставке» 4 В. В отсутствии входного сигнала на выходе усилителя будет просто напряжение 4 В (потому что для постоянного сигнала схема будет работать как повторитель, а на входе у нас 4 В). Если подключить наушники напрямую к выходу, то в отсутствии входного сигнала через них потечет ток. Это нам совершенно не нужно, поэтому на выходе усилителя стоит разделительный конденсатор C4, который «отсекает» постоянную составляющую.

   Также на выходе усилителя стоит ВЧ фильтр на элементах R2 и C6. Во-первых R2 ограничивает выходной ток операционного усилителя в случае замыкания выхода на землю, а во-вторых фильтр корректирует выходной сигнал, то есть дополнительно «обрезает» высокие частоты.

   И последнее — это конденсаторы в цепи питания операционного усилителя (C1, C2). Это особенно актуально при запитывании схемы от сетевого адаптера.

   Конечно, это схема не является эталоном аудио звучания, и, возможно, не оправдает ваши ожидания по качеству звука. Однако, она позволяет начинающему электронщику познакомиться с основами и получить при этом конкретный практический результат. Такой опыт запоминается куда лучше, чем простое чтение учебника и зубрежка формул.

   В одном материале всего не объяснишь (да и всего я не знаю), но я постарался коснуться основных моментов схемы. С ними можно поэкспериментировать и посмотреть, как будет вести себя усилитель.

Операционные усилители мощности | TI.

com

Наш широкий ассортимент усилителей мощности позволяет вам выбирать интегрированные или дискретные решения для различных рынков, таких как контрольно-измерительные приборы (T&M), связь по линиям электропередач (ПЛК) и автомобилестроение. Наши устройства способны работать с высоковольтными источниками питания до 180 В и выходным током до 10 А, поставляемым в миниатюрных корпусах с флажками самозащиты и диагностики. Новые технологические процессы обеспечивают улучшенные характеристики постоянного тока, обеспечивая более высокую точность системы.

Выбор по параметрическому заданию

Найдите мощный операционный усилитель, который наилучшим образом соответствует потребностям вашего проекта

Технические ресурсы

Указания по применению

Замечания по применению

Применение однокристального резольвера ALM2403-Q1 для снижения стоимости системы

В этом отчете по применению описывается, как использовать интегрированные усилители мощности (ALM2403-Q1 и ALM2402F-Q1) для уменьшения сложности конструкции, снижения стоимости системы, улучшения надежность и производительность для автомобильного и промышленного применения.

документ-pdfAcrobat ПДФ

Примечание по применению

Замечания по применению

Управление пьезоэлектрическими нагрузками с помощью прецизионного усилителя OPA462

В этом отчете по применению рассматриваются две конфигурации операционных усилителей для управления пьезоэлектрическими нагрузками: схема с одним операционным усилителем и схема с мостовым выходом.

документ-pdfAcrobat PDF

Примечание по применению

Замечания по применению

Методы расширения рабочего диапазона источника питания OPA462

В этом отчете по применению описаны 3 схемы усилителя высокого напряжения, которые могут работать с напряжением питания до ±180 В (360 В), что дополнительно расширяет диапазон полезного выходного напряжения усилителя OPA462 до ±150 В (300 В _pp ).

документ-pdfAcrobat PDF

Ресурсы для проектирования и разработки

Инструмент моделирования

PSpice® for TI инструмент проектирования и моделирования

PSpice® for TI — это среда проектирования и моделирования, помогающая оценить функциональность аналоговых схем. В этом полнофункциональном пакете для проектирования и моделирования используется модуль аналогового анализа от Cadence®. Доступный бесплатно PSpice для TI включает в себя одну из крупнейших библиотек моделей в (…)

Оценочная плата

Двойной операционный усилитель с сильноточным выходом и модулем оценки скорости нарастания

ALM2403-Q1 — это автомобильный двойной высоковольтный сильноточный операционный усилитель (операционный усилитель) с функциями защиты от Texas Instruments. Этот оценочный модуль ALM2403Q1EVM (EVM) предназначен для предоставления доступа к функциям и измерения производительности устройства ALM2403-Q1.

Оценочная плата

Модуль оценки OPA462

Оценочный модуль OPA462 представляет собой платформу для оценки высоковольтного сильноточного операционного усилителя OPA462. Многокомпонентная конструкция позволяет использовать наиболее распространенные конфигурации схем, включая токовый насос Howland.

Мощность операционных усилителей | Machine Design

---

Операционные усилители мощности (POP) все чаще используются в схемах управления. Их основными преимуществами по сравнению с обычными усилителями являются уменьшенное количество деталей, повышенная надежность и упрощенная конструкция. И хотя отдельные компоненты мощного операционного усилителя могут стоить дороже, чем альтернативы, общая стоимость, включая время проектирования, логистику и производственные затраты, может быть меньше.

Есть и другие преимущества. При использовании в качестве драйверов линейных двигателей операционные усилители производят меньший электрический шум, чем их цифровые аналоги с быстрым переключением.

Операционный усилитель считается силовым устройством, если его выходной ток превышает ±50 мА, а напряжение питания превышает 44 В (±22 В для устройства с двойным питанием). Некоторые операционные усилители мощности имеют внутреннее рассеивание мощности до 500 Вт и могут обеспечивать пиковую мощность до 1000 Вт в аудиоприложениях. Пока что большинство этих устройств находятся в гидроакустических блоках подводных лодок.

Некоторые устройства могут непрерывно рассеивать 500 Вт и обеспечивать ток 30 А. Способность выдерживать мощность и ток в первую очередь является результатом новых методов упаковки и защиты.

Разработчики POP уделяют пристальное внимание тепловым характеристикам. Производители используют пакеты и свинцовые рамы из медного сплава вместо стали из-за ее превосходной теплопроводности. Медь проводит тепло в пять раз быстрее, чем сталь. Чтобы изолировать локальный нагрев подложки и предотвратить растрескивание, используются несколько подложек. Новые процессы пайки устраняют пустоты под кристаллом и подложкой, что обеспечивает более высокую безопасную рабочую зону (SOA).

Некоторые операционные усилители имеют схему ограничения напряжения-тока для защиты усилителя от повреждений SOA, таких как короткое замыкание на землю. Ограничитель измеряет как выходной ток, так и напряжение и увеличивает предельное значение тока, когда выходное напряжение приближается к напряжению питания. Схема активируется подключением программирующего резистора.

В мощных операционных усилителях часто используются схемы, минимизирующие количество компонентов управления питанием. Во многих усилителях мощности выходные устройства могут занимать около 70% площади кремниевого кристалла и, таким образом, существенно снижать стоимость устройства. В более старых конструкциях часто использовались как минимум три силовых компонента, квазикомплементарная пара выходных транзисторов и диод. Эти компоненты были необходимы для обеспечения работы класса AB.

Альтернативой мощным операционным усилителям в большинстве приложений является создание сопоставимых схем с дискретными мощными транзисторами. Дискретный подход часто был менее затратным в приложениях, не требующих высокой производительности. Как правило, дискретные конструкции должны использовать выходы мощности класса C (где выходные транзисторы выключены гораздо более чем на половину цикла), а не дополнительный выход класса B или AB, используемый в гибридах.

Одна из причин, по которой дискретные конструкции часто строятся класса C, заключается в том, что их выходы не могут быть термически согласованы в достаточной степени для получения выходного сигнала класса B. Проблема в том, что напряжение, необходимое для подачи определенного количества тока через транзистор, заметно падает с температурой. Схемы теплового слежения, которые компенсируют этот эффект, сложно построить с дискретными компонентами, потому что схемы должны точно регистрировать температуру перехода база-эмиттер силового транзистора. С другой стороны, гибридные схемы (и монолитные устройства) могут легче обеспечивать отслеживание из-за непосредственной близости компонентов.

Дискретные усилители мощности, основанные на работе класса C, обычно используют цепь обратной связи для получения адекватного отклика. Производители говорят, что такие конструкции часто приемлемы, когда время отклика шлейфа меньше 1 мс и где усиливаемые сигналы имеют частоту ниже 1 кГц. Но эти конструкции может быть трудно стабилизировать на более высоких скоростях. Обратная связь в схемах класса C является нелинейной с быстрыми изменениями усиления каскада по мере того, как схема переходит от порога к полному включению. Из-за таких трудностей дискретные схемы питания могут давать сильно искаженные выходные сигналы при работе на частотах около 10 кГц.

Производители автоматического испытательного оборудования часто используют мощные операционные усилители в программируемых источниках питания. Они также используются в гидролокаторах с фазированной решеткой из-за их точной фазовой характеристики и линейности. А проекционные дисплеи для истребителей упрощены из-за высокой скорости нарастания POP.

Многие конструкции POP в конечном итоге приводят в действие двигатель постоянного тока определенного типа. Производители предупреждают о нескольких соображениях, которые необходимо учитывать при использовании таких цепей, особенно об обратной электродвижущей силе. Когда двигатель внезапно останавливается или реверсирует, на выходном каскаде усилителя возникает большое напряжение. Выходной транзистор также ограничивает ток, и эту комбинацию необходимо проверить по SOA.

Другие индуктивные нагрузки, такие как провода или катушки, также могут вывести POP из его SOA. Для защиты от переходных процессов некоторые усилители имеют встроенные защитные диоды, ограничивающие обратноходовые напряжения выше В _с . В других конструкциях необходимо использовать внешние диоды.

Большие емкостные нагрузки могут вызывать колебания POP. Обычно критическая емкость зависит от количества обратной связи. Чем ниже коэффициент усиления, тем ниже емкость, которая может вызвать колебания. Производители операционных усилителей могут предложить способы борьбы с емкостными нагрузками и предотвращения звона.

Поскольку СОЗ работают при больших токах, производители предусмотрели меры предосторожности при разработке прототипов.

• При первом включении цепи источники питания должны быть установлены на минимальный рабочий уровень, указанный в техпаспорте.
• Уровни ограничения тока должны устанавливаться токоограничивающими резисторами, а не лабораторным блоком питания. Установка низкого тока на источнике питания не всегда обеспечивает защиту от перенапряжения от конденсаторов фильтра. Токоограничивающие резисторы обеспечивают работу в СОУ и предотвращают пробой двухполярных выходных каскадов.