Применение операционных усилителей — Википедия

В статье описаны некоторые типовые применения операцио́нных усили́телей (ОУ) в аналоговой схемотехнике.

Электрические схемы на рисунках изображены упрощённо, поэтому следует иметь в виду, что подробности, несущественные для объяснения работы схемы (соединения ОУ с цепями питания, блокировочные конденсаторы в цепях питания, цепи частотной коррекции ОУ, конкретный тип применённого ОУ, нумерация выводов ОУ), опущены.

Резисторы, используемые в данных схемах, имеют типичное сопротивление порядка единиц-десятков килоом. Использование резисторов с сопротивлением менее 1 кОм нежелательно (кроме тех резисторов, которые не создают нагрузки на выход ОУ), так как они могут вызвать чрезмерный ток выходного каскада ОУ, перегружающий выход ОУ. Резисторы с сопротивлениями более 1 МОм, подключённые ко входам ОУ, вносят повышенный тепловой шум и делают схему менее точной из-за влияния входных токов токов ОУ и дрейфа входных токов.

В современной электронике в качестве ОУ в подавляющем большинстве случаев применяются ОУ в монолитном интегральном исполнении, но все рассуждения применимы и для других любых иначе сконструированных ОУ, например, в виде гибридных микросхем.

Примечание: математические выражения, приведенные в статье, если не оговорено особо, получены в предположении о том, что операционные усилители являются идеальными. Ограничения, вызванные неидеальностью ОУ, явно указаны. Для практического использования схемных решений из приведенных примеров следует ознакомиться с более подробным их описанием. См. разделы «Список литературы» и «Ссылки».

Дифференциальный усилитель (вычитатель)[править | править код]

Дифференциальный усилитель

Примечание: не следует путать дифференциальный усилитель с дифференциатором (см. ниже)

Данная схема предназначена для получения разности двух напряжений, при этом каждое из них предварительно умножается на некоторую константу (константы определяются соотношением резисторов).

Vout=(Rf+R1)Rg(Rg+R2)R1V2−RfR1V1={\displaystyle V_{out}={\frac {\left(R_{f}+R_{1}\right)R_{g}}{\left(R_{g}+R_{2}\right)R_{1}}}V_{2}-{\frac {R_{f}}{R_{1}}}V_{1}=}

=(R1+RfR1)⋅(RgRg+R2)V2−RfR1V1.{\displaystyle =\left({\frac {R_{1}+R_{f}}{R_{1}}}\right)\cdot \left({\frac {R_{g}}{R_{g}+R_{2}}}\right)V_{2}-{\frac {R_{f}}{R_{1}}}V_{1}.}

Если обозначить дифференциальную составляющую Vdif{\displaystyle V_{dif}} входных напряжений как:

Vdif=V2−V1,{\displaystyle V_{dif}=V_{2}-V_{1},}

и синфазную составляющую Vsnf{\displaystyle V_{snf}} как полусумму входных напряжений:

Vsnf=(V1+V2)/2,{\displaystyle V_{snf}=(V_{1}+V_{2})/2,}

то выражение для выходного напряжения Vout{\displaystyle V_{out}} можно переписать в виде:

Vout=RfR1(VsnfR1/Rf−R2/Rg1+R2/Rg+Vdif1+(R2/Rg+R1/Rf)/21+R2/Rg).{\displaystyle V_{out}={\frac {R_{f}}{R_{1}}}\left(V_{snf}{\frac {R_{1}/R_{f}-R_{2}/R_{g}}{1+R_{2}/R_{g}}}+V_{dif}{\frac {1+(R_{2}/R_{g}+R_{1}/R_{f})/2}{1+R_{2}/R_{g}}}\right).}

Для того, чтобы этот усилитель усиливал только разность входных напряжений, но был нечувствителен к синфазной составляющей, необходимо выполнить соотношение:

R1/Rf=R2/Rg.{\displaystyle R_{1}/R_{f}=R_{2}/R_{g}.}

При этом коэффициент передачи для синфазной составляющей становится равным 0 и выходное напряжение зависит только от разности входных напряжений:

Vout=RfR1Vdif=RfR1(V2−V1).{\displaystyle V_{out}={\frac {R_{f}}{R_{1}}}V_{dif}={\frac {R_{f}}{R_{1}}}\left(V_{2}-V_{1}\right).}

• Входное сопротивление для дифференциального сигнала (между входными выводами) при любых значениях сопротивлений:

Zindif=R1+R2{\displaystyle Z_{indif}=R_{1}+R_{2}}

• Входное сопротивление для синфазного сигнала будет в общем случае:

Zinsnf=(R1+Rf)⋅(R2+Rg)R1+Rf+R2+Rg.{\displaystyle Z_{insnf}={\frac {(R_{1}+R_{f})\cdot (R_{2}+R_{g})}{R_{1}+R_{f}+R_{2}+R_{g}}}.}

При выполнении соотношения R1/Rf=R2/Rg{\displaystyle R_{1}/R_{f}=R_{2}/R_{g}}:

Zinsnf=(R1+Rf)/2.{\displaystyle Z_{insnf}=(R_{1}+R_{f})/2.}

Инвертирующий усилитель[править | править код]

Инвертирующий усилитель

Инвертирует и усиливает/ослабляет напряжение (то есть умножает напряжение на отрицательную константу, определяемую соотношением сопротивлений резисторов). Модуль коэффициента усиления может быть как больше, так и меньше единицы.

Vout=−Vin(Rf/Rin){\displaystyle V_{\mathrm {out} }=-V_{\mathrm {in} }(R_{\mathrm {f} }/R_{\mathrm {in} })}

• Zin=Rin{\displaystyle Z_{in}=R_{in}} Поскольку потенциал на инвертируем входе самого ОУ равен нулю, так как за счет действия отрицательной обратной связи является виртуальной землёй.

• Иногда между неинвертирующим входом и землей устанавливают третий резистор Rg{\displaystyle R_{g}} с сопротивлением, равным Rf‖Rin=RfRinRf+Rin{\displaystyle R_{f}\|R_{in}={\frac {R_{f}R_{in}}{R_{f}+R_{in}}}} (сопротивление параллельно соединенных резисторов
  R_f и R_in). Этот дополнительный резистор исключает ошибку, возникающую из-за входных токов ОУ.

Если Rin=0{\displaystyle R_{in}=0}, то схема представляет собой собой линейный преобразователь ток-напряжение. Входное сопротивление такой схемы в предположении идеальности ОУ равно 0. Фактически оно определяется коэффициентом усиления реального ОУ с разомкнутой обратной связью и сопротивлением обратной связи Rf{\displaystyle R_{f}} по формуле: Zin=Rf/(1+KA),{\displaystyle Z_{in}=R_{f}/(1+K_{A}),} где KA{\displaystyle K_{A}} — собственный коэффициент усиления ОУ; и очень мало, так как KA{\displaystyle K_{A}} современных ОУ более сотен тысяч, что выгодно отличает такой преобразователь от простого резистора, который тоже является линейным преобразователем ток-напряжение.

Выходное напряжение такого преобразователя ток-напряжение будет:

Uout=−RfIin.{\displaystyle U_{\mathrm {out} }=-R_{\mathrm {f} }I_{\mathrm {in} }.}

Предполагается, что втекающий ток — положителен.

Неинвертирующий усилитель[править | править код]

Неинвертирующий усилитель

Усиливает напряжение (умножает напряжение на константу, большую единицы)

Vout=Vin(1+R2R1){\displaystyle V_{\mathrm {out} }=V_{\mathrm {in} }\left(1+{R_{2} \over R_{1}}\right)}

• Zin=∞{\displaystyle Z_{\mathrm {in} }=\infty } (на практике — входное сопротивление операционного усилителя: от 1 MОм до 10 TОм)
• Третий резистор с сопротивлением, равным R1‖R2{\displaystyle R_{\mathrm {1} }\|R_{\mathrm {2} }} (сопротивление параллельно соединенных резисторов R₁ и R₂), устанавливаемый (при необходимости) между точкой подачи входного сигнала Vin{\displaystyle V_{\mathrm {in} }} и неинвертирующим входом, уменьшает ошибку, возникающую из-за тока смещения.

Повторитель напряжения[править | править код]

Повторитель напряжения

Используется как буферный усилитель, для исключения влияния низкоомной нагрузки на источник с высоким выходным сопротивлением.

Vout=Vin {\displaystyle V_{\mathrm {out} }=V_{\mathrm {in} }\!\ }

• Zin=∞{\displaystyle Z_{\mathrm {in} }=\infty } (на практике — входное сопротивление операционного усилителя: от 1 MОм до 10 TОм)

Инвертирующий суммирующий усилитель (инвертирующий сумматор)[править | править код]

Суммирующий усилитель

Суммирует (с весом) несколько напряжений. Сумма на выходе инвертирована, то есть все веса отрицательны.

Vout=−Rf(V1R1+V2R2+⋯+VnRn){\displaystyle V_{\mathrm {out} }=-R_{\mathrm {f} }\left({V_{1} \over R_{1}}+{V_{2} \over R_{2}}+\cdots +{V_{n} \over R_{n}}\right)}

• Если R1=R2=⋯=Rn{\displaystyle R_{1}=R_{2}=\cdots =R_{n}}, то

Vout=−(RfR1)(V1+V2+⋯+Vn) {\displaystyle V_{\mathrm {out} }=-\left({R_{\mathrm {f} } \over R_{1}}\right)(V_{1}+V_{2}+\cdots +V_{n})\!\ }

• Если R1=R2=⋯=Rn=Rf{\displaystyle R_{1}=R_{2}=\cdots =R_{n}=R_{\mathrm {f} }}, то

Vout=−(V1+V2+⋯+Vn) {\displaystyle V_{\mathrm {out} }=-(V_{1}+V_{2}+\cdots +V_{n})\!\ }

• Выход инвертирован
• Входной импеданс n-го входа равен Zn=Rn{\displaystyle Z_{\mathrm {n} }=R_{\mathrm {n} }} (Поскольку V−{\displaystyle V_{-}} является виртуальной землёй)

Интегратор[править | править код]

Простейший интегратор на операционном усилителе. Вариант практической схемы интегратора на ОУ.
RL{\displaystyle R_{L}} — сопротивление нагрузки.

Интегрирует (с инверсией) входной сигнал по времени.

Vout(t)=−1RC∫0tVin(τ)dτ+Vinitial,{\displaystyle V_{\mathrm {out} }(t)=-{1 \over RC}\int _{0}^{t}V_{\mathrm {in} }(\tau )\,d\tau +V_{\mathrm {initial} },}

где Vin{\displaystyle V_{\mathrm {in} }} и Vout{\displaystyle V_{\mathrm {out} }} — функции времени, Vinitial{\displaystyle V_{\mathrm {initial} }} — выходное напряжение интегратора в момент времени t=0{\displaystyle t=0}.

Такой интегратор можно также рассматривать как фильтр нижних частот 1-го порядка со спадом коэффициента передачи −20 дБ/декаду.

• Некоторые ограничения, накладываемые неидеальностью ОУ:

• • Обычно предполагается, что входное напряжение Vin{\displaystyle V_{in}} не имеет постоянной составляющей (то есть усреднение Vin{\displaystyle V_{in}} за длительный промежуток времени даёт ноль). В противном случае выходное напряжение будет дрейфовать со скоростью интегрирования постоянной составляющей, и со временем установится на одном из пределов рабочего диапазона выходного напряжения ОУ, если конденсатор периодически не разряжать. Для этого в практических схемах обычно параллельно конденсатору включают электронный или электромеханический ключ.

• • Даже если Vin{\displaystyle V_{in}} не имеет постоянной составляющей, отличия реальных ОУ от идеального входной ток ОУ создаёт некоторое падение напряжения на входном резисторе, это напряжение интегрируется так же, как и входной сигнал. Другой источник дрейфа интегратора — ненулевое напряжение смещения между инвертирующим и неинвертирующим входами. Напряжение смещения суммируется с полезным сигналом, вызывая ошибку интегрирования и дрейф.

• • • Скомпенсировать дрейф от входного тока ОУ можно, включив резистор с неинвертирующего входа на «землю» с сопротивлением, равным сопротивлению входного резистора, как показано на рисунке. При равенстве входных токов падение напряжение на этом дополнительном резисторе равно дополнительному падению напряжения от тока инвертирующего входа и, тем самым, дрейф от входного тока ОУ будет подавлен. Если токи входов не равны, то сопротивление дополнительного резистора нужно выбрать таким, чтобы падения напряжения на обоих резисторах от входных токов были равны. В результате дрейф от входных токов будет определяться только дрейфом разности токов, например, от изменений температуры.

• • • Дрейф от входного напряжения смещения можно снизить тщательной балансировкой входа ОУ. В выпускаемых промышленностью ОУ повышенной точности и в прецизионных ОУ для балансировки входа предусмотрены специальные выводы.

Поскольку в этой схеме отсутствует обратная связь по постоянному току (конденсатор имеет бесконечный импеданс для постоянного тока, иными словами — не пропускает ток с нулевой частотой), даже самым тщательным образом скомпенсированный по дрейфу интегратор постепенно изменяет выходное напряжение (так называемое «сползание» интегратора).

В тех случаях, когда требуется интегрирование переменного сигнала и нужно подавить медленный дрейф, параллельно конденсатору включают дополнительный резистор Rf{\displaystyle R_{f}}, как показано на рисунке. Такая мера превращает интегратор для медленно изменяющегося напряжения и постоянного тока в ФНЧ 1-го порядка с коэффициентом передачи на постоянном токе равным −Rf/R{\displaystyle -R_{f}/R} и частотой среза f−3dB=1/2πRfC{\displaystyle f_{-3dB}=1/2\pi R_{f}C}.

Другой способ подавления медленного дрейфа — разряд конденсатора дополнительной внешней цепью или закорачивание его ключом.

Дифференциатор[править | править код]

Дифференциатор на операционном усилителе

Примечание: Не следует путать дифференциатор с дифференциальным усилителем (см. выше)

Дифференцирует (инвертированный) входной сигнал по времени.

Vout=−RC(dVindt){\displaystyle V_{\mathrm {out} }=-RC\left({dV_{\mathrm {in} } \over dt}\right)}

где Vin{\displaystyle V_{\mathrm {in} }} и Vout{\displaystyle V_{\mathrm {out} }} — функции времени.

Компаратор[править | править код]

Операционные усилители. Виды и работа. Питание и особенности

Операционные усилители являются одними из основных компонентов в современных аналоговых электронных устройствах. Благодаря простоте расчетов и отличным параметрам, операционные усилители легки в применении. Их также называют дифференциальными усилителями, так как они способны усилить разность входных напряжений.

Особенно популярно использование операционных усилителей в звуковой технике, для усиления звучания музыкальных колонок.

Обозначение на схемах

Из корпуса усилителя обычно выходят пять выводов, из которых два вывода – входы, один – выход, остальные два – питание.

Принцип действия

Существуют два правила, помогающие понять принцип действия операционного усилителя:

1. Выход операционного усилителя стремится к нулевой разности напряжений на входах.
2. Входы усилителя не расходуют ток.

Первый вход обозначен «+», он называется неинвертирующим. Второй вход обозначен знаком «–», считается инвертирующим.

Входы усилителя имеют высокое сопротивление, называемое импедансом. Это позволяет расходовать ток на входах в несколько наноампер. На входе происходит оценка величины напряжений. В зависимости от этой оценки усилитель выдает на выход усиленный сигнал.

Большое значение имеет коэффициент усиления, который иногда достигает миллиона. Это означает, что если на вход подать хотя бы 1 милливольт, то на выходе напряжение будет равно величине напряжения источника питания усилителя. Поэтому операционники не применяют без обратной связи.

Входы усилителя действуют по следующему принципу: если напряжение на неинвертирующем входе будет выше напряжения инвертирующего входа, то на выходе окажется наибольшее положительное напряжение. При обратной ситуации на выходе будет наибольшее отрицательное значение.

Отрицательное и положительное напряжение на выходе операционного усилителя возможно из-за использования источника питания, обладающего расщепленным двуполярным напряжением.

Питание операционного усилителя

Если взять пальчиковую батарейку, то у нее два полюса: положительный и отрицательный. Если отрицательный полюс считать за нулевую точку отсчета, то положительный полюс покажет +1,5 В. Это видно по подключенному мультиметру.

Взять два элемента и подключить их последовательно, то получается следующая картина.

Если за нулевую точку принять отрицательный полюс нижней батарейки, а напряжение измерять на положительном полюсе верхней батарейки, то прибор покажет +10 вольта.

Если за ноль принять среднюю точку между батарейками, то получается источник двуполярного напряжения, так как имеется напряжение положительной и отрицательной полярности, равной соответственно +5 вольта и -5 вольта.

Существуют простые схемы блоков с расщепленным питанием, использующиеся в конструкциях радиолюбителей.

Питание на схему подается от бытовой сети. Трансформатор понижает ток до 30 вольт. Вторичная обмотка в середине имеет ответвление, с помощью которого на выходе получается +15 В и -15 В выпрямленного напряжения.

Разновидности

Существует несколько разных схем операционных усилителей, которые стоит рассмотреть подробно.

Инвертирующий усилитель

Такая схема является основной. Особенностью этой схемы является то, что операционники характеризуются кроме усиления, еще и изменением фазы. Буква «k» обозначает параметр усиления. На графике изображено влияние усилителя в данной схеме.

Синий цвет отображает входной сигнал, а красный цвет – выходной сигнал. Коэффициент усиления в этом случае равен: k = 2. Амплитуда сигнала на выходе в 2 раза больше, сигнала на входе. Выходной сигнал усилителя перевернут, отсюда и его название. Инвертирующие операционные усилители имеют простую схему:

Такие операционные усилители стали популярными из-за своей простой конструкции. Для вычисления усиления применяют формулу:

Отсюда видно, что усиление операционника не зависит от сопротивления R3, поэтому можно обойтись без него. Здесь он применяется для защиты.

Неинвертирующие операционные усилители

Эта схема подобна предыдущей, отличием является отсутствие инверсии (перевернутости) сигнала. Это означает сохранение фазы сигнала. На графике изображен усиленный сигнал.

Коэффициент усиления неинвертирующего усилителя также равен: k = 2. На вход подается сигнал в форме синусоиды, на выходе изменилась только ее амплитуда.

Эта схема не менее простая, чем предыдущая, в ней имеется два сопротивления. На входе сигнал подается на плюсовой вывод. Для расчета коэффициента усиления требуется использовать формулу:

Из нее видно, что коэффициент усиления не бывает меньше единицы, так как сигнал не подавляется.

Схема вычитания

Эта схема дает возможность создания разности двух сигналов на входе, которые могут быть усилены. На графике показан принцип действия дифференциальной схемы.

Такую схему усилителя еще называют схемой вычитания.

Она имеет более сложную конструкцию, в отличие от рассмотренных ранее схем. Для расчета выходного напряжения пользуются формулой:

Левая часть выражения (R3/R1) определяет коэффициент усиления, а правая часть (Ua – Ub) является разностью напряжений.

Схема сложения

Такую схему называют интегрированным усилителем. Она противоположна схеме вычитания. Особенностью ее является возможность обработки больше двух сигналов. На таком принципе действуют все звуковые микшеры.

Эта схема показывает возможность суммирования нескольких сигналов. Для расчета напряжения применяется формула:

Схема интегратора

Если в схему добавить конденсатор в обратную связь, то получится интегратор. Это еще одно устройство, в котором используются операционные усилители.

Схема интегратора подобна инвертирующему усилителю, с добавлением емкости в обратную связь. Это приводит к зависимости работы системы от частоты сигнала на входе.

Интегратор характеризуется интересной особенностью перехода между сигналами: сначала прямоугольный сигнал преобразуется в треугольный, далее он переходит в синусоидальный. Расчет коэффициента усиление проводится по формуле:

В этой формуле переменная ω = 2πf повышается с возрастанием частоты, следовательно, чем больше частота, тем коэффициент усиления меньше. Поэтому интегратор может действовать в качестве активного фильтра низких частот.

Схема дифференциатора

В этой схеме получается обратная ситуация. На входе подключена емкость, а в обратной связи подключено сопротивление.

Судя по названию схемы, ее принцип работы заключается в разнице. Чем больше скорость изменения сигнала, тем больше величина коэффициента усиления. Этот параметр дает возможность создавать активные фильтры для высокой частоты. Коэффициент усиления для дифференциатора рассчитывается по формуле:

Это выражение обратно выражению интегратора. Коэффициент усиления повышается в отрицательную сторону с возрастанием частоты.

Аналоговый компаратор

Устройство компаратора сравнивает два значения напряжения и переводит сигнал в низкое или высокое значение на выходе, в зависимости от состояния напряжения. Эта система включает в себя цифровую и аналоговую электронику.

Особенностью этой системы является отсутствие в основной версии обратной связи. Это означает, что сопротивление петли очень велико.

На плюсовой вход подается сигнал, а на минусовой вход подается основное напряжение, которое задается потенциометром. Ввиду отсутствия обратной связи коэффициент усиления стремится к бесконечности.

При превышении напряжения на входе величины основного опорного напряжения, на выходе получается наибольшее напряжение, которое равно положительному питающему напряжению. Если на входе напряжение будет меньше опорного, то выходным значением будет отрицательное напряжение, равное напряжению источника питания.

В схеме аналогового компаратора имеется значительный недостаток. При приближении значений напряжения на двух входах друг к другу, возможно частое изменение выходного напряжения, что обычно приводит к пропускам и сбоям в работе реле. Это может привести к нарушению работы оборудования. Для решения этой задачи применяют схему с гистерезисом.

Аналоговый компаратор с гистерезисом

На рисунке показана схема действия схемы с гистерезисом, которая аналогична предыдущей схеме. Отличием является то, что выключение и включение не происходит при одном напряжении.

Направление стрелок на графике указывает направление перемещения гистерезиса. При рассмотрении графика слева направо видно, что переход к более низкому уровню осуществляется при напряжении Uph, а двигаясь справа налево, напряжение на выходе достигнет высшего уровня при напряжении Upl.

Такой принцип действия приводит к тому, что при равных значениях входных напряжений, состояние на выходе не изменяется, так как для изменения требуется разница напряжений на существенную величину.

Такая работа схемы приводит к некоторой инертности системы, однако это более безопасно, в отличие от схемы без гистерезиса. Обычно такой принцип действия применяется в нагревательных приборах с наличием термостата: плиты, утюги и т.д. На рисунке изображена схема усилителя с гистерезисом.

Напряжения рассчитываются по следующим зависимостям:

Повторители напряжения

Операционные усилители часто применяются в схемах повторителей напряжения. Основной особенностью этих устройств является то, что в них не происходит усиления или ослабления сигнала, то есть, коэффициент усиления в этом случае равен единице. Такая особенность связана с тем, что петля обратной связи имеет сопротивление, равное нулю.

Такие системы повторителей напряжения чаще всего используются в качестве буфера для увеличения нагрузочного тока и работоспособности устройства. Так как входной ток приближен к нулю, а ток на выходе зависит от вида усилителя, то есть возможность разгрузки слабых источников сигнала, например, некоторых датчиков.

Похожие темы:

Аналоговый компьютер на операционных усилителях / Habr

Аналоговый компьютер — аналоговая вычислительная машина (АВМ), это компьютер непрерывного действия, обрабатывающий аналоговые данные (непрерывную информацию).

БСЭ дает такое определение аналоговой вычислительной машины.
Аналоговая вычислительная машина (АВМ), вычислительная машина, в которой каждому мгновенному значению переменной величины, участвующей в исходных соотношениях, ставится в соответствие мгновенное значение другой (машинной) величины, часто отличающейся от исходной физической природой и масштабным коэффициентом. Каждой элементарной математической операции над машинными величинами, как правило, соответствует некоторый физический закон, устанавливающий математические зависимости между физическими величинами на выходе и входе решающего элемента (например, законы Ома и Кирхгофа для электрических цепей, выражение для эффекта Холла, лоренцовой силы и т. д.).

Стоит отметить, что аналоговый компьютер бывает не только электрический, но и механический, гидравлический и даже пневматический.

Несмотря на кажущийся анахронизм, аналоговые вычисления широко используются в современной жизни. Автомобильная автоматическая трансмиссия является примером гидромеханического аналогового вычислителя, в котором при изменении вращающего момента жидкость в гидроприводе меняет давление, что позволяет получить изменение коэффициента передачи.

Аналоговая обработка электрических сигналов занимает важное место в промышленной электронике. Большинство типов первичных преобразователей физических величин являются источниками аналоговых сигналов, а многие исполнительные элементы в объектах управления управляются непрерывно изменяющимся электрическим током. Даже системы управления, основой которых являются цифровые вычислительные комплексы, не могут отказаться от аналоговой обработки сигналов и сопрягаются с объектами управления и датчиками с помощью аналоговых и аналого-цифровых устройств.

В связи с объемностью материала, который хотелось бы представить, я планирую написать цикл статей. Предлагаю на суд читателя первую часть, где будет кратко рассказана история создания операционного усилителя в том виде, как мы его знаем.

История использования АВМ насчитывает несколько тысячелетий. Интересующиеся могут начать свои поиски со статьи в википедии.

Но в данной статье я остановлюсь лишь на датах, непосредственно качающихся истории создания электронного операционного усилителя. И начну я с даты, которая на первый взгляд, никак не относится к теме статьи.

1614 г. Шотландский математик Джон Непер публикует «Канон о логарифмах», который начинался так: «Осознав, что в математике нет ничего более скучного и утомительного, чем умножение, деление, извлечение квадратных и кубических корней, и что названные операции являются бесполезной тратой времени и неиссякаемым источником неуловимых ошибок, я решил найти простое и надежное средство, чтобы избавиться от них».

Позволю себе напомнить про некоторые свойства логарифмов. Из свойств логарифма следует, что вместо трудоёмкого умножения многозначных чисел достаточно найти (по таблицам) и сложить их логарифмы, а потом по тем же таблицам выполнить потенцирование, то есть найти значение результата по его логарифму. Выполнение деления отличается только тем, что логарифмы вычитаются.
В виде формул это выглядит так:

lg(xy) = lg(x) + lg(y) для умножения
lg(x/y) = lg(x) — lg(y) для деления

Непер же создал первые таблицы логарифмов тригонометрических функций.
Школьники докомпьютерной эпохи должны помнить, что такое четырехзначные таблицы Брадиса.

1622 г. Английский математик-любитель Уильям Отред создал, пожалуй, один из самых успешных аналоговый вычислительный механизм — логарифмическую линейку.

Любители мастерить руками могут собрать свой карманный аналоговый калькулятор по этим инструкциям и научиться им пользоваться до декабря 2012. Вдруг пригодится…

Но всё же я пропущу историю развития не электронных аналоговых вычислительных машин и перейду непосредственно к теме нашей статьи.

1904 г. В ноябре 1904 года Джон Амброз Флеминг изобрёл выпрямитель на двухэлектродной электронной лампе, который он назвал осцилляторный вентиль. Изобретение носит также названия: лампа с термокатодом, вакуумный диод, кенотрон, термоионная лампа, вентиль Флеминга.

1906 г. Американец Ли де Форест добавил в электронную лампу управляющую «сетку» и создал радиочастотный детектор, названный аудион, но Флеминг обвинил его в копировании своих идей. Прибор де Фореста был вскоре доработан им и Эдвином Армстронгом и применён в первом электронном усилителе, а сама лампа названа триодом.

1927 г. — Герольд Стевен Блэк в исследовательском центре Bell Telephone Laboratories создает усилитель с отрицательной обратной связью.

Рис. 1. Усилитель с обратной отрицательной связью.
По своей сути все электронные приборы (электронная лампа, биполярный транзистор, МОП-транзистор) работают нелинейно. Отрицательная обратная связь исправляет этот недостаток, жертвуя коэффициентом усиления ради улучшения линейности (уменьшения искажений). Но отрицательная обратная связь может при определенных условиях стать положительной, и тогда усилитель превратится в генератор. В последствии, Гарри Найквист разработал теорию о том, как сделать оос стабильной.

30-40 гг. В 30-ых годах Джордж А. Филбрик (George A. Philbrick), работая в Foxboro Corporation, развивал аналоговые схемы моделирования управления процессами с электронными лампами и пассивными элементами. Филбрик разработал много интересных схем, и некоторые были предками операционного усилителя.

Хотя усилители с использованием как с обратной связью и так без обратной связи были улучшены в конце 1930-х и на протяжении 1940-х годов, стоит отметить несколько очень интересных событий в области дифференциальных усилителей.

В 30-х годах была необходимость в сигналов низкого уровня получаемых от живой ткани. Для этого использовались различные ламповые усилители, такие усилители часто называли «биологический усилитель».

В 1934 г. В. H. C. Matthews, биолог по профессии, описал схему дифференциального усилителя. Усилитель действительно имеел дифференциальные входы, но так как общие катоды были привязаны непосредственно к источнику общего питания, то он не оптимизирован к минимуму разницы напряжений синфазного сигнала на входах. Обратите внимание, что в те дни синфазные сигналы часто упоминаются, как push-push сигналы, для обозначения сигналов по фазе на обоих входах.

В 1936 г. Alan Blumlein развил идеи Matthews, путем смещения общих катодов дифференциальной пары через общее сопротивление к земле. Alan Blumlein получил патент на свой усилитель, но патент касался широкополосных сигналов, а не биологических. Тем не менее, это был определенный шаг вперед по сравнению с усилителем Matthews, так как он обеспечивает лучшее обнаружение ошибки синфазного сигнала. Схемы усилителей Matthews и Blumlein представлены на рис. 2.

Рис. 2. Схема дифференциального усилителя.

1941 г. В ходе работы над gun data computer под индексом M9 Bell Labs получила патент № 2,401,779 на «Summing amplifier».

Schematic diagram and component values for «Summing Amplifier»
US Patent 2,401,779, assigned to Bell Telephone Laboratories, Inc.)
Рис. 3. Схема и список компонентов суммирующего усилителя.

Эта конструкция использует три вакуумных лампы для достижения усиления 90 дБ и управляется от напряжения ± 350 В. Схема имеет единственный инвертирующий вход, а не дифференциальной инвертирующий и неинвертирующий входы, как часто встречаются в сегодняшних операционных усилителях. Использование данной схемы в военном компьютере M9 вместе с радарной системмой SCR584 дало 90% точности ведения зенитного огня. Впервые данная система была применена в 1944 г. при высадке союзных войск в Италии.

1947 г. В Колумбийском университете Нью-Йорка в ходе проведения исследовательских работ по совершенствованию аналоговых вычислений для военных целей возник термин операционный усилитель (ОУ). Дизайн ОУ был разработан Лоебом Джули (Loebe Julie). У этой схемы было два главных новшества. Были применены средства для уменьшения дрейфа нуля усилителя и, что более важно, это был первый дизайн операционного усилителя, который будет иметь два входа (одно инвертирование, другое неинвертирование).

1953 г. В 1946 г. После увольнения из армии Джордж А. Филбрик создал компанию имени себя George A. Philbrick Researches, Inc., (GAP/R) и стал занимался созданием операционных усилителей. Его работы сыграли важную роль в развитии ОУ.

Вскоре, в январе 1953 г, был выпущен первый коммерческий ОУ K2-W. При этом его стоимость была около $20. K2-W использовал два двойных триода 12AX7 и был упакован в стандартный восьмиштырьковый разъем. ОУ был построен на дизайне Лоеба Джули. Работая на напряжении ±300В ОУ мог работать с напряжениями на выходе и входе до ±50В и имел коэффициент усиления более 15000.
Если читателю придется создавать схемы на этом ОУ, то по ссылкам он может изучить даташит страница 1, страница 2. Для остальных я просто приведу рисунок 4.

Рис.4. K2-W. Фотография и электрическая принципиальная схема.

50 гг. Ламповые усилители совершенствовались. Улучшались схемотехнические решения, увеличивалось усиление, точность, уменьшалось энергопотребление. Но уже к началу 60-х годов начался закат эры теплого лампового операционного усилителя и на сцену вышел транзистор и в последствии, интегральные схемы.

1947 г. Уильям Шокли, Джон Бардин и Уолтер Браттейн в лабораториях Bell Labs впервые создали действующий биполярный транзистор, продемонстрированный 16 декабря. 23 декабря состоялось официальное представление изобретения и именно эта дата считается днём изобретения транзистора. По технологии изготовления он относился к классу точечных транзисторов.

В мае 1954 года. Гордон Тил из компании Texas Instruments разработал кремниевый транзистор.

В 1958 году Джек Килби из Texas Instruments изобрел интегральную схему, теперь известную как универсальная ИС. Работы Килби однако были не единственными. В начале 1959 года, Роберт Нойс, инженер в компании Fairchild Semiconductor, также разработал концепцию ИС. Через 10 лет, в 1968 году, Роберт Нойс и Гордон Мур уйдут из Fairchild Semiconductor и организуют фирму Intel, но это уже совсем другая история.

Ядро концепции Нойса было на самом деле ближе к концепции сегодняшним ИС, так как он использует взаимные соединения металлических слоев между транзисторами и резисторами. ИС Килби, напротив, использовали связи из проводов.
Одна из версий истории создания ИС представлена в статье в Виртуальном компьютерном музее.

Рис. 5. Макет первой ИС Килби.

Рис. 6. Илюстрация к патенту Нойса.

1961 г. Как бы то ни было, в результате, в 1961 году были произведены первые интегральные схемы операционных усилителей. Это был GAP/R P45 стоимостью около $120. Данные операционные усилители были фактически небольшими платами с краевыми разъемами. Как правило, они комплектовались из тщательно отобранных резисторов для того, чтобы улучшить характеристики ОУ, таких как напряжение смещения и дрейфа.

ОУ GAP/R P45 имел усиление 94 дБ и питался напряжением ±15V. ОУ должно было иметь дело с сигналами в диапазоне ±10V.
В последствии, эти напряжения стали своеобразным стандартом.

Рис. 7. ОУ GAP/R P45. Фотография и электрическая принципиальная схема.

1961 г. Джордж А. Филбрик создает схему варакторного мостового операционного усилителя.
В этой схеме, напряжение переменных конденсаторов (varactors) используются в входном каскаде операционного усилителя. В результате использования варакторного моста был достигнут самый низкий входной ток любого ОУ. Даже меньше чем у ламп.

Рис. 8 иллюстрирует в виде блок-схемы варакторный мостовой ОУ. Существуют четыре основных компонента, передняя часть состоит из мостовой схемы и цепи высокочастотного генератора, усилителя переменного тока для усиления напряжения ошибки моста, синхронный детектор фазы для преобразования переменного тока  ошибки для соответствующего постоянного тока ошибки, и наконец, выходной усилитель, обеспечивающий дополнительное усиление постоянного тока и нагрузки устройства.

Рис. 8. Блок-схема варакторного мостового операционного усилителя.
Схема работает следующим образом: небольшая ошибка напряжения постоянного тока Vin применяется к подобранным варакторным диодам D1 и D2 и вызывает дисбаланс моста переменного тока, который подается в усилитель переменного тока. Это напряжение переменного тока будет сдвинутым по фазе в зависимости от напряжения ошибки постоянного тока. Остальные части схемы усиливают и обнаруживают ошибку постоянного тока. Филбрик выпустил операционный усилитель GAP/R P2. Выпущенный в 1966 году модифицированный ОУ GAP/R SP2A мог усиливать входной ток порядка ±10pA (10⁻¹²).

В 1965 г. Рэй Стейти Мэттью Лорбер создают Analog Devices, Inc. (ADI). Вскоре, Льюис Р. Смит (Lewis R. Smith) создал варакторный усилитель модели 301, а также его правопреемников, модели 310 и 311. Эти проекты смогли добиться существенного повышения точности входных токов до ±10fA (10⁻¹⁵) (примерно на 3 порядка ниже GAP/R P2). Интересно, 310 и 311 модели продавались по ценам порядка $75. Эти усилители и по сей день выпускаются в ограниченном количестве

1967 г. Стоит также отметить, что ADI много сделала для популяризации использования ОУ. Так, она в 1967 году начала выпускать журнал Analog Dialogue Magazine, который выходит по сей день. Интернет версия журнала — это форум для обмена решениями в области схемотехники и программного обеспечения для реальных устройств и систем обработки сигналов. В нем рассматриваются технологии и методы для аналоговых, цифровых и смешанных сигналов. Работая в качестве шлюза к технологиям компании ADI, Analog Dialogue ежемесячно публикуется в Интернете. Избранные технические статьи представлены также в ежеквартальных печатных изданиях.

1962 г. Алан Перлман и Roger Noble уходят из GAP/R и создают небольшую компанию Nexus Research Laboratory, Inc. Они первыми стали выпускать ОУ, упакованные в прямоугольные модули с выводами, приспособленными для монтажа на печатных платах. Такая конструкция превратила ОУ в «черный ящик», который легко было рассматривать как отдельный элемент схемы. Модули стали настолько популярны, что GAP/R вынуждена была выпустить свой усилитель в подобном корпусе.

Рис. 9. ОУ GAP/R PP65. Фотография и электрическая принципиальная схема.

1963 г. μA702 из Fairchild Semiconductor Corporation стала первый монолитной интегральной схемой ОУ. μA702 разработал молодой инженер Роберт ДЖ (Боб) Видлар. Профессиональная деятельность Видлара в течение всего семи лет (1963—1970) во многом определила развитие аналоговой микроэлектроники. Но его μA702 точно не взял мир штурмом. Он не был хорошо принят, из-за необычных свойств — лишнее напряжение питания, низкий коэффициент усиления, и т.д. Тем не менее, несмотря на эти недостатки, μA702 были установлены некоторые важные для ИС тенденции в дизайне.

1965 г. Выпущен μA709. Он значительно улучшил характеристики μA702. Это и больший коэффициент усиления (45,000 или ~94dB), расширенное до ±10V напряжение входа/выхода, уменьшение входного тока до 200nA и повышение выходного тока. Питался усилитель от напряжения ±15V. Компенсация частоты достигалась двумя RC цепочками между контактами 1-8, и 6-5. μA709 быстро стали стандартом и производились несколько десятилетий. Рис. 10 демонстрирует принципиальную схему μA709.

Рис. 10. Электрическая принципиальная схема μA709.

Несмотря на достаточно сильное улучшение схемы по сравнению с μA702, у усилителя все еще были проблемы.

1967 г. Не желая почивать на лаврах своих ОУ μA702 и μA709, Боб Видлар перешел к другой компании, National Semiconductor Corporation (NSC). Его следующий дизайн интегральных схем, LM101, был запущен в 1967 году. LM101 использовала простую двухступенчатую ​​топологию, которая явилась решением проблем μA709. Кроме того, это был дизайн операционных усилителей, которому впоследствии следовали многие производители. Упрощенная схема LM101 показана на рисунке 11.

Рис. 11. Упрощенная схема LM101.

Целями проекта LM101 было устранить такие проблемы μA709 как:
 • Отсутствует защита от короткого замыкания.
 • Комплексные частоты компенсации.
 • Чувствительность к чрезмерному напряжению дифференциального входа.
 • Чрезмерное рассеиваемая мощность и ограниченный диапазон питания.
 • Чувствительность к емкостным нагрузкам.

Новый дизайн LM101 решил проблемы μA709, и добавил еще несколько улучшений. Усиление увеличилось до 160 000 (~ 104 дБ), полезный диапазон питания увеличился с ± 5V до ± 20V. Для легкой модернизации, LM101 использовали такие же выводы, как μA709 для входа, выхода и питания.

1968 г. Меньше, чем через год после выпуска LM101, Fairchild в 1968 году выпустила ОУ μA741, разработанный Дэйвом Фаллэгэром. Упрощенная схема μA741 представлена на рисунке 12.

Рис. 12. Упрощенная схема μA741.

Хотя есть очевидные различия в схемах, в μA741 путь прохождения сигнала эквивалентен LM101, и он обеспечивает подобное поведение с точки зрения короткого замыкания входа и защиты от перенапряжения, и имеет сопоставимую полосу пропускания. Отличительной особенностью μA741 было наличие 30pF конденсатора компенсации в чипе, вскоре это стало стандартом.

LM101, с добавленным пользователем конденсатором, были функционально эквивалентны μA741. Однако простота в употреблении оказалась более ценна пользователям, чем гибкость. National Semiconductor в последствии сделал гибридный пакет из чипа LM101 и 30pF конденсатора, но именно μA741 стали стандартом.

В википедии этому усилителю посвящена целая статья.

1970 г. John Cadigan, работающий в ADI, создает высокоскоростной операционный усилитель. Отличительный способностью этого ОУ было использование полевых транзисторов во входном каскаде. ОУ был выполнен как гибридная интегральная схема. Ниже я приведу схему и фотографию более совершенного ОУ HQS-050, выпущенного в 1977 году.

Рис. 13. HSQ-050. Схема электрическая принципиальная и фотография.

Думаю, что на этом стоит остановиться. И в качестве заключения приведу схему еще одного ОУ, который позволит оценить уровень схемотехники современных операционных усилителей.

Рис 14. AD549. Схема электрическая принципиальная.

Во второй части я кратко рассмотрю внутреннюю схемотехнику операционного усилителя.
Использование операционных усилителей в качестве элементов аналоговых вычислительных устройств я представлю в третьей части.

Список использованных источников

Основным источником для данной статьи явилась книга.
http://ru.wikipedia.org/wiki/
http://www.computer-museum.ru/
http://www.computerhistory.org/

Практическое применение операционных усилителей.Часть первая.

РадиоКот >Статьи >

Практическое применение операционных усилителей.Часть первая.

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

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

Так же как и основных выводов, основных свойств ОУ тоже три — можно назвать их ТриО (или ООО — кому как нравится): Очень высокое сопротивление входа, Очень высокий коэффициент усиления (10000 и более), Очень низкое сопротивление выхода. Еще один очень важный параметр ОУ называется скорость нарастания напряжения на выходе (slew rate на буржуинском). Обозначает он фактически быстродействие данного ОУ — как быстро он сможет изменить напряжение на выходе при изменение оного на входе.
Измеряется этот параметр в вольтах в секунду (В/сек).
Этот параметр важен прежде всего для товарищей, конструирующих УЗЧ, поскольку, если ОУ недостаточно быстрый, то он не будет успевать за входным напряжением на высоких частотах и возникнут изрядные нелинейные искажения. У большинства современных ОУ общего назначения скорость нарастания сигнала от 10В/мксек и выше. У быстродействующих ОУ этот параметр может достигать значения 1000В/мксек.
Оценить — подходит ли тот или иной ОУ для ваших целей по скорости нарастания сигнала можно по формуле:

где, fmax — частота синусоидального сигнала, Vmax — скорость нарастания сигнала, Uвых — максимальное выходное напряжение.
Ну да не будем больше тянуть кота за хвост — приступим к главной задаче этого опуса — куда, собственно, эти клевые штуки можно воткнуть и что из этого можно получить.

Первая схема включения ОУ — инвертирующий усилитель.

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

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

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

В данном случае, коэффициент усиления считается по следующей формуле:

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

Едем дальше — неинвертирующий усилитель.
Выглядит он следующим образом:

Коэффициент усиления определяется так:

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

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

Усилитель с изменяемым коэффициентом усиления.

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

Вопросы, как обычно, складываем тут.

---

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

схемы включения, принцип работы. Схема усилителя на операционном усилителе неинвертирующего. Схема усилителя напряжения постоянного тока на операционном усилителе

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.

Операционный усилитель. Примеры схем с описанием работы ч. 2

▌Преобразователь тока в напряжение

Некоторые виды датчиков имеют токовый выход, т.е. их сигнал в виде тока, в зависимости от измеряемой величины. А нам этот ток надо оцифровать, например, через АЦП. Как это сделать? Простейшее решение это пропустить ток через резистор и снять падение напряжения:

Вот так. Но у данного метода есть боольшой недостаток — высокое входное сопротивление. Т.е. нам, чтобы получить напряжение надо наш ток умножить на сопротивление, ну по закону Ома U=I*R. А если ток маленький? Скажем, дает датчик 0…1мА? А нам снять для АЦП нам надо хотя бы несколько вольт. Первое что приходит в голову это просто поставить резистор побольше, скажем на 5кОм. Получим, в максимуме, 5 вольт на выходе. Ага… По идее, и то если источник тока, которым является наш некий датчик, будет обладать достаточно высоким внутренним сопротивлением, чтобы развить на выходе такое напряжение, чтобы через эти 5кОм продавить 1мА. А это далеко не всегда так. Датчик может быть хиленьким и дохленьким и от нашего нагрузочного сопротивления просто сдуется и не даст своего тока.

В таком случае надо датчик нагрузить на КЗ и снимать непосредственно ток уходящий в это КЗ. Но чтобы КЗ как бы и не было, чтобы было откуда брать падение… Ну, в общем, вы поняли к чему я клоню 😉

Конечно! Теперь все отлично, входной ток течет через виртуальное КЗ прямо в землю, ничего ему не мешает. Пусть там хоть пикоамперы будут. И этот же самый ток у нас течет по обратной связи. Т.к. другому там взяться некуда. В ОУ ничего не втекает и не вытекает. А раз так, то мы можем смело ставить туда любое сопротивление, хоть гигаомное. Тем самым умножив наш входной ток на огромное сопротивление и получив осязаемое напряжение, которое уже легко измерить тем же АЦП.

И напряжение на выходе ОУ будет таким, чтобы компенсировать это падение на резисторе ОС, поддерживая заданный уровень тока. Т.е. выходное напряжение будет:

Uвых = -I_вх * R_ос

Из неудобства только инверсия напряжения, но это не проблема, прогнать через инвертирующий ОУ с коэффициентом 1 и порядок.

▌Дифференциатор
В прошлой статье был рассмотрен интегратор, а это его антипод. Простейший пример дифференциатора делается тоже на RC цепочке и схема похожа на интегратор, только на этот раз элементы меняются местами.

Работает до элементарщины просто. При изменении напряжения на входе у нас конденсатор или дозаряжается или разряжается, в зависимости от того куда меняется входное напряжение. Возникает ток и он высаживается в виде падения напряжения на резисторе. Которое и будет примерно производной по времени от входной величины. Почему примерно?

А потому, что у нас конденсатор заряжается/разряжается через резистор, который существенно растягивает этот процесс, согласно своей постоянной времени T=RC. Что портит картину. К примеру, есть у нас меандр, гоним мы его на этот дифференциатор:

Что такое дифференциал? Правильно, скорость изменения функции. Так что дифференциатора мы ждем, что там где сигнал меняется резко, а на меандре он меняется мгновенно, мы должны иметь бесконечно большие пики, т.к. скорость изменения бесконечно большая. Тогда как на стабильном сигнале он должен быть равен нулю. Т.к. скорость изменения фукнции нулевая, производная константы ноль. На деле же резистор все портит. Мы можем его, конечно, бесконечно уменьшать, но тогда мы с водой и ребенка выплеснем — выходное напряжение устремится к нулю вместе с ним. Что делать вы уже знаете — отвязать одно от другого через виртуальное КЗ, которое устроить с помощью ОУ.

Усе, кондер колбасится через виртуальное КЗ прямо в землю, ничего его больше не тормозит, а резистор ООС мы можем накрутить какой угодно, помножив наш входной ток на него и получив нужное напряжение.

Uвых = — RC dUвх/dt

Да, с инверсией полярности сигнала также придется смириться.

Чем дифференциатор может пригодиться? Ну… Часто его используют в схемах управления, когда надо на резкое изменение воздействия дать такой же резкий пинок в ответ.

Например когда, кожаные ублюдки из Бостон Динамикс с ноги пинают несчастную робособаку, то не слететь с копыт ей помогает именно дифференциальная часть контура управления, которая мгновенно начинает компенсировать ударное воздействие и чем сильней удар тем резче ответочка. В этих вот всеми любимых, но мало кем понимаемых, ПИД регуляторах Д это он и есть.

Еще дифференциатором удобно конвертить сигналы из одного в другой. Например, из пилы дифференциатором можно сделать меандр (а интегратором наоборот).

Еще дифуры можно решать в аналоговом компьютере. Если будет интерес и будет не лень, то приведу какой-нибудь пример решения дифференциального уравнения на АВМ.

Хотел еще накинуть какой-нибудь пример на ОУ, но чет поздно уже. Спать хоца. Так что to be continued. A’il be back.

Операционный усилитель. На пальцах. Для самых маленьких.

Я когда то уже писал статью про операционные усилители. Но она была унылым говном, спустя какое-то время я кажись понял КАК надо раскрыть и повернуть тему, чтобы данная деталька о 5 ногах стала понятна даже школьнику, но все никак не мог собраться выложить. И так прошло дохрена лет и я, наконец то, созрел написать это 🙂

▌Что это ваще?
Операционный усилитель, далее ОУ это краеугольный камень аналоговой электроники. Такая микросхемка с помощью которой можно сделать кучу интересных вещей. Вы не смотрите, что ее зовут усилитель. Это только принцип, а вот если его применять по разному, то с его помощью можно складывать, вычитать, умножать, интегрировать и дифференцировать аналоговые сигналы. С его помощью можно сделать генератор или регулятор. Любой: П, И, ПИ, ПД, ПИД. На нем можно сделать фильтр частот, да черт знает еще что. Очень функциональная девайсина.

▌Немного теории
Идеальный операционный усилитель обладает тремя свойствами.

1. У него БЕСКОНЕЧНО БОЛЬШОЕ сопротивление входов. Т.е. ток в его входы не течет вообще.
2. У него БЕСКОНЕЧНО БОЛЬШОЙ коэффициент усиления. Т.е. любой ничтожный сигнал превращается в бесконечно большое значение.
3. У него два дифференциальных входа и один выход. Дифференциальные входы означают то, что из напряжения пришедшего в прямой вход мы вычитаем напряжение пришедшее по инверсному входу, а результат этого вычисления умножаем на бесконечность, согласно пункту 2.

Во всей статье будут рассматриваться ТОЛЬКО ИДЕАЛЬНЫЕ ОУ. Чисто теоретическая абстракция.

Давайте попробуем промоделировать его поведение. Это очень просто:

Ситуация первая: U₁ = U₂. Тогда разница будет равна нулю, а ноль умножить на бесконечность будет ноль. Математики скажут, что там неопределенность, но у нас не такая большая бесконечность, насколько мал наш ноль.

Ситуация вторая: U₁=2V, U₂=1V Разница в 1-2=-1 вольт и будучи умноженный на бесконечность даст бесконечно большое отрицательное напряжение на выходе.

Если кто еще не знаком с терминологией, то напряжение в какой либо точке цепи, относительно заданной точки земли зовется потенциалом.

Третья ситуация аналогична второй, но с другим знаком. Т.к. 2-1=1.

Ну да, зашибись, у нас получилось сравнить два сигнала и выдать троичный результат — больше, меньше или равно. Не густо, однако. Но все меняется если добавить обратную связь:

Берем и заворачиваем выход через резистор на вход. А еще добавим по паре резисторов на вход. Резистор тут важен, резисторы на входах важны тоже. Теперь ситуация становится интересней.

Для наглядности добавим значения. Хотя они тут принципиально не важны, главное соотношения. Пусть у нас U₂=2V, а U1 = 1V. Так как сопротивление входа у ОУ бесконечное, то в точке В напряжение будет 2 вольта. В точке А, по началу, напряжение будет тоже соответствовать входному, будет равно 1 вольт. Но ОУ сразу же сведет дебет с кредитом, вычтет одно из другого и добавит свою маржу, в стиле лихих 90х. И в точке E моментально появится бесконечно большой потенциал. Который начнет через резистор R3 яростно подтягивать точку А в бесконечность. И дотянет ее до того момента, что напряжение в точке А станет равно напряжению в точке В. Разность на входе приходит в ноль и вся система самоустановится в единственно возможное состояние, когда на выходе, в точке E, будет присутствовать такое напряжение, чтобы уравновесить напряжение в точках А и В.

Если же ситуацию развернуть наоборот, сделать так, чтобы А стало больше В, тогда на E появится бесконечно большой отрицательный потенциал, который начнет унижать напряжение на входе А, чтобы установить равновесие.

Стоит попытаться как-либо поколебать это равновесие, изменяя напряжения на входе системы (U₁ и U₂), как ОУ, пользуясь возможностью дать ЛЮБОЕ напряжение на выходе, через резистор отрицательной обратной связи R3 быстро восстановит равновесие.

Ну да, все здорово. Это все и так знают. Об этом говорят на парах и пишут в учебниках. А как это понимать то? Как использовать? А это как раз те три сосны в которых обычно все утыкаются и не видят основного леса.

▌Добро пожаловать в лес
Главный прикол, который крайне редко кто разъясняет, но который сразу делает все схемы с ОУ простыми и понятными заключается в том, что с точки зрения классического ТОЭ если в каких либо точках одинаковый потенциал, всегда одинаковый, то мы можем закоротить их нахрен и от этого НИЧЕГО в цепи не изменится. А как я уже показал в примере выше, то точки А и В у нас всегда равны друг другу. Операционный усилитель, через обратную связь их надежно выравнивает. А значит, мы смело можем рисовать виртуальное КЗ, вот так:

И главная принцип разбора любой схемы на операционном усилителе это посмотреть на нее с двух точек зрения.

1) С точки зрения «виртуального КЗ» между выводами. Посчитав что и куда течет на входе если считать, что входы закорочены между собой. Какие токи там протекают и от чего и как зависят.

2) А потом, убрав КЗ, посмотреть как вычисленные в пункте 1 токи потекут через обратную связь и каким образом это ОУ должен обеспечить своим напряжением на выходе. С учетом того, что во входы ничего не течет в принципе.

И теперь давайте посчитаем нашу схему, что будет на U₃? Пусть все резисторы будут по 1 ому. Для простоты расчетов. Специально буду разжевывать до предела.

Взгляд 1. Виртуальное КЗ:
Ток в ОУ не течет от слова совсем, у входов сопротивление бесконечное. Наличие там резистора R2 не играет никакой роли вообще. Какой бы он ни был его сопротивление ничтожно по сравнению с бесконечностью сопротивления входа идеального ОУ. Значит потенциал в точке В равен входному напряжению и равен 2 вольта.

Напряжение в точке А равно напряжению в точке В и равно 2 вольта. У нас же там «виртуальное КЗ» за счет отрицательной обратной связи и свойств идеального ОУ, на счет этого ОУ постарается, будьте уверены.

Потенциал в точке С у нас 1 вольт, а в точке А оно 2 вольта. Т.е. разность потенциалов между точками С и А у нас 1 вольт.

Раз есть разность потенциалов ака напряжение U_ac, значит ток I течет из точки А, где потенциал выше в точку С, где потенциал ниже. Прям как вода в канализации.

И так как у нас резистор R1 в 1 ом, а напряжение U_ac=1, то ток I будет, по закону Ома, 1 А.

Взгляд 2. Убираем КЗ и смотрим на токи через ОС.
Теперь еще раз вспоминаем про то, что через входы самого ОУ ничего течь не может, считайте что там обрыв. А перемычка между и А и В виртуальная и по факту ее на самом деле нет. А это значит… что ток I и ток обратной связи I_oc это один и тот же ток. Другому там взяться просто негде.

И для того, чтобы в точку А шел ток силой в 1А из точки С, через резистор в один ом, разница потенциалов между А и С должна быть +1 вольт. В точке А у нас потенциал два вольта, значит в точке E должно быть три вольта. Т.е. U₃ будет три вольта.

А если мы резистор R3 изменим? Скажем увеличим в два раза. До двух ом. Что будет? Обратили внимание? Состояние левой части схемы, до «перемычки» не изменилось никак вообще. Там останется тот же самый ток в 1А, который будет равен току в 1А в ОС, ведь это тот же самый ток.

Но чтобы продавить ток в 1А через резистор в 2 Ома разница потенциалов между точками А и Е должна быть уже не 1 вольт, а 2. И U₃ будет уже 4 вольта.

А если мы вместо R3 засунем ЧТО УГОДНО. Любую схему, любую конструкцию, любой двухполюсник, то наш идеальный усилитель, способный выдать любое напряжение на выходе, сдохнет, но обеспечит через Ioc ток равный I. А ток I зависит ТОЛЬКО от соотношений R1 и напряжений на входах.

Т.е. мы можем взять ОУ, сунуть ему в обратную связь любую цепь и навязать ей любой нужный нам закон изменения тока или напряжения играясь напряжением на входе.

▌Интегратор
Покажу пример навязывания закона с помощью ОУ на примере интегратора. Что такое интегратор? Это такой узел который интегрирует входной сигнал, логично. Да. Т.е. если на вход ему подать ступенчатый сигнал, то на выходе будет бесконечно возрастающий сигнал. Ведь что такое интеграл? Это площадь под кривой. У ступеньки площадь линейно возрастает, а значит интегральная функция на выходе тоже будет линейно и бесконечно расти. С другими функциями аналогичная история — интегрируем их и получаем то, что должно быть на выходе.

Простейшим интегратором в электротехнике является RC цепочка:

Напряжение на конденсаторе Uвых= Q/C

Где С — емкость, константа для данного конденсатора. А Q это заряд в этом конденсаторе. А что такое у нас ток? Ток это движение заряженных частиц, т.е. заряд у нас током втекает в кондер, как вода в банку. При этом заряд растет и напряжение на выходе растет. Скорость тока, точнее его сила, зависит от резистора. И на начальном этапе, когда конденсатор еще разряжен и не оказывает большого сопротивления, ее можно считать константой, а рост заряда, а значит и напряжения, линейной величиной. Получается как то так:

Напряжение не кондере растет по экспоненте, а где то в начале, отмечено синим отрезком, можно принять его за линейное и с натяжкой назвать его интегратором. Разумеется расти оно будет только до напряжения входа, ни о какой бесконечности речи быть не может. В общем, херовый такой интегратор.

Причина такой лажи в том, что у конденсатора с ростом заряда увеличивается напряжение, а значит растет потенциал на нем, и это мешает току в него течь. Ну как если бы мы надували воздушный шарик. Сначала надувается легко, но чем сильней раздуваем мы шар, тем тяжелей идет. И так до тех пор пока напряжение на кондере не уравновесит напряжение на входе. Финита ля комедия. Приехали.

Как нам отрезать входной ток от выходного напряжения, чтобы они были в разных плоскостях и не мешали нам жить? Правильно. С помощью ОУ, его бесконечной силы и его волшебной обратной связи.

Взгляд 1. Виртуальное КЗ:
Смотрите что получается. У ОУ есть отрицательная обратная связь. Через конденсатор. А значит мы смело можем считать, что у нас есть виртуальное КЗ между входами. Отмечено красным. А раз так, то ток I будет определяться исключительо входным напряжением и сопротивлением резистора. Ведь он через это виртуальное КЗ течет прямо в землю. Остальные ответвления уже не имеют значения. Т.е. будет ровным и константным и ему на все будет похрену. Он будет течь как будто бы ничего и не было.

Взгляд 2. Убираем КЗ и смотрим на токи через ОС.
Но! КЗ то там на самом деле нет. А входы у ОУ имеет бесконечное сопротивление, а значит по факту у нас I равен Iос и течет он прямехонько в конденсатор. Линейнено равномерно наполняя его. Помним, что Uc=Q/C. И вот этот самый Q за счет константного тока будет расти строго линейно. А чтобы это получалось ОУ свой выход будет чем дальше тем сильнее опускать вниз, ниже уровня земли, в отрицательные значения. Обратите внимание на стрелочку. Питание то у нас двуполярное. А если учесть, что ОУ может выдать бесконечное отрицательное напряжение, да и конденсатор у нас тут такой же идеальный, то результат будет выглядеть как то так:

То есть ОУ навязывает закон изменения заряда конденсатора событиями на входе, которые определяются простым законом Ома при протекании тока через резистор. И нас больше не волнует нелинейность процесса заряда конденсатора при его прямом включении.

▌Повторитель

Тоже простейший узел. Разбирается аналогично. Обратная связь есть, она отрицательная. А значит мы можем смело считать, что у нас входы ОУ закорочены, а то что на входе автоматически будет на выходе. Вольт в вольт. Но на самом деле… И да, ток по прежнему в ОУ не течет. А это значит мы получили идеальную «щупалку» слабого сигнала, которая позволяет что-либо измерить и измеренное обработать так, чтобы не повлиять на измеряемый сигнал.

Например, есть у нас делитель из терморезистора и обычного. И мы хотим, чтобы он зажигал лампочку пропорционально выходному напряжению. Но вот беда, у лампочки сопротивление сильно мало. Если мы ее подключим напрямую, то она, во-первых, даже гореть не будет, а во-вторых, обрушит нам выходное напряжение. А так, ставим повторитель и все. Развязались.

Еще пример использования повторителя это построение виртуальных нулей. Скажем, есть у нас однополярное питание. А нам ужас как хочется сделать аналоговую схему с биполярным питанием. Что делать? Можно располовинить питание с помощью ОУ. Т.е. если мы просто возьмем резисторами развалим питание пополам, сделав делитель, то этот ноль будет плавать как говно в проруби при малейшем токе через эту виртуальную землю. Но если мы развалим питание, а потом пропустим через повторитель, то мощный выход ОУ позволит нам цеплять на него земли других ОУ, которые будут думать, что работают в полноценной среде с двуполярным питанием. Есть, кстати, такие источники опорного напряжения, которые просто разваливают питание пополам. К сожалению не могу вспомнить маркировку, а так нагуглить не смог. Кто знает, подскажите. А то вечно теряется. Так хоть в статье будет 🙂

▌Линейный стабилизатор

Примерно по такой схеме работают все эти нами любимые LM1117, LM7805 и прочие грелки.

Работает точно по такому же принципу. На прямой вход ОУ мы подаем опорное напряжение со стабилитрона Vref. А на инверсный вход подаем отрицательную обратную связь с делителя который завязан на выход. А выход ОУ цеплеяем на базу транзистора. ООС есть, значит ОУ должен исполнить нашу волю, разбиться и сдохнуть, но обеспечить так, чтобы напряжения на обоих входах сравнялись. Что он и будет делать, так выдавая напряжение в базу транзистора, чтобы тот открывался ровно на столько, чтобы после делителя из R2-R3 получалось Vref. Когда с делителя напряжение меньше чем опорное, то ОУ выдает положительное напряжение и открывает транзистор сильней, пока все не сравняется. И наоборот. Меняя пропорции делителя мы меняем выходное напряжение.

Для начала хватит. Продолжение будет. Покажу еще парочку неочевидных схем которые возможны с помощью обмазывания их ОУ. А пока, в качестве домашнего задания, разберите сами с изложенными принципами работу «классических» схем на ОУ о которых написано в 100500 статей про ОУ для начинающих. Это суммирующий, инвертирующий и не инвертирующий усилитель. Дифференциатор. Выведите формулы зависимости выходного от входного.