Операционный усилитель: что это такое, принцип работы, схемы включения

Принцип работы операционного усилителя

Давайте рассмотрим, как работает ОУ

Принцип работы ОУ очень прост. Он сравнивает два напряжения и на выходе уже выдает отрицательный, либо положительный потенциал питания. Все зависит от того, на каком входе потенциал больше. Если потенциал на НЕинвертирующем входе U1 больше, чем на инвертирующем U2, то на выходе будет +Uпит, если же на инвертирующем входе U2 потенциал будет больше, чем на НЕинвертирующем U1, то на выходе будет -Uпит. Вот и весь принцип ;-).

Давайте рассмотрим этот принцип в симуляторе Proteus. Для этого выберем самый простой и распространенный операционный усилитель LM358 (аналоги 1040УД1, 1053УД2, 1401УД5) и соберем примитивную схему, показывающую принцип работы

Подадим на НЕинвертирующий вход 2 Вольта, а на инвертирующий вход 1 Вольт. Так как на НЕинвертирующем входе потенциал больше, то следовательно, на выходе мы должны получить +Uпит. Мы получили 13,5 Вольт, что близко к этому значению

Но почему не 15 Вольт? Виновата во всем сама внутренняя схемотехника ОУ. Максимальное значение ОУ не всегда может равняться положительному либо отрицательному напряжению питания. Оно может отклоняться от 0,5 и до 1,5 Вольт в зависимости от типа ОУ.

Но, как говорится, в семье не без уродов, и поэтому на рынке уже давно появились ОУ, которые могут выдавать на выходе допустимое напряжение питания, то есть в нашем случае это значения, близкие к +15 и -15 Вольтам. Такая фишка называется Rail-to-Rail, что в дословном переводе с англ. “от рельса до рельса”, а на языке электроники “от одной шины питания и до другой”.

Давайте теперь на инвертирующий вход подадим потенциал больше, чем на НЕинвертирущий. На инвертирующий подаем 2 Вольта, а на НЕинвертирующий подаем 1 Вольт:

Как вы видите, в данный момент выход “лег” на -Uпит, так как на инвертирующем входе потенциал был больше, чем на НЕинвертирующем.

Чтобы не качать лишний раз программный комплекс Proteus, можно в онлайне с помощью программы Falstad сэмулировать работу идеального ОУ. Для этого выбираем вкладку Circuits—Op-Amps—>OpAmp. В результате на вашем экране появится вот такая схемка:

На правой панели управления увидите бегунки для добавления напряжения на входы ОУ и уже можете визуально увидеть, что получится на выходе ОУ при изменении напряжения на входах.

Обозначение на схеме операционного усилителя

На схемах операционный усилитель обозначается вот так:

или так

Чаще всего ОУ на схемах обозначаются без выводов питания

Итак, далее по классике, слева два входа, а справа – выход.

Вход со знаком «плюс» называют НЕинвертирующий, а вход со знаком «минус» инвертирующий. Не путайте эти два знака с полярностью питания! Они НЕ говорят о том, что надо в обязательном порядке подавать на инвертирующий вход сигнал с отрицательной полярностью, а на НЕинвертирующий сигнал с положительной полярностью, и далее вы поймете почему.

Активные фильтры

В электронике широко применяются устройство для выделения полезного сигнала из ряда входных сигналов с одного одновремённым ослаблением мешающих сигналов за счёт использования фильтров.

Фильтры подразделяются не пассивные, выполненные на основе конденсаторов, индуктивностей и резисторов, и активные на базе транзисторов и операционных усилителей.

В информационной электронике обычно используются активные фильтры. Термин «активный» объясняется включением в схему RLC — фильтра активного элемента (с транзистора или ОУ) для компенсации потерь на пассивных элементах.

Фильтром называют устройство, которое пропускает сигналы в полосе пропускания и задерживает их в остальном диапазоне частот.

По виду АЧХ фильтры подразделяются на фильтры нижних частот (ФНЧ), и на фильтры верхних частот (ФВЧ), полосовые фильтры и режекторные фильтры.

Схема простейшего ФНЧ и его АЧХ приведены на рисунке:

В полосе пропускания 0 — fc полезный сигнал проходит через ФНЧ без искажений.

fс – fз – переходная полоса, fз — ∞ – полоса задерживания, fс – частота среза, fз – частота задерживания.

ФВЧ пропускает сигналы верхних частот и задерживает сигналы нижних частот.

Полосовой фильтр пропускает сигналы одной полосы частот, расположенной в некоторой внутренней части оси частот.

Схема фильтра получила название моста Вина. На частоте f =

Мост Вина имеет коэффициент передачи β = 1/3. При R1 = R2 = R и C1 = C2 = C

Режекторный фильтр не пропускает сигналы, лежащие в некоторой полосе частот, и пропускает сигналы с другими частотами.

Схема фильтра называется несимметричным двойным Т-образным мостом.

, где R1 = R2 = R3 = R, C1 = C2 = C3 = C.

В качестве примера рассмотрим двухполюсный (по числу конденсаторов) активный ФНЧ.

ОУ работает в линейном режиме. При расчёте задаются fс. Коэффициент усиления в полосе пропускания должен удовлетворять условию: К ≤ 3.

Если принять С1 = С2 = С, R1 = R2 = R, то C = 10/fc, где fс – в Гц, С – в мкФ,

Для получения более быстрого изменения коэффициента усиления на удаление от полосы пропускания последовательно включают подобные схемы.

Поменяв местами резисторы R1, R2 и конденсаторы С1, С2, получим ФВЧ.

Прецизионные ОУ от Maxim Integrated

Помимо ОУ с технологией «AutoZero» Maxim Integrated предлагает семейство усилителей MAX4426013, главной особенностью которого является автоматическая калибровка при включении питания (таблица 2). При подаче питающего напряжения интегрированная в ОУ схема сброса по питанию (POR) удерживает входы и выходы в высокоимпедансном состоянии в течение 10 мс. За это время внутренняя схема коррекции калибрует ОУ. Такая техника позволяет получить напряжение смещения нуля около 50 мкВ.

Таблица 2. Новые прецизионные ОУ от Maxim Integrated

Наименование	Число ОУ в корпусе	Питание, В	Ток потребления (типовой), мкА	Напряжение смещения (макс), мкВ	CMRR, дБ	PSRR, дБ	Входной ток (макс), нА	Плотность шума входного напряжения, нВ/√Гц	Плотность шума входного тока, нВ/√Гц
MAX44260	1	1,7…5,5	750	50	90	95	0,0005	12,7	0,0012
MAX44261	1	750
MAX44263	2	650

MAX44260 имеет дополнительный вход SHDN, позволяющий перевести ОУ в режим пониженного потребления (менее 1 мкА). Выходы и входы ОУ при этом находятся в высокоимпедансном состоянии, благодаря этому возможно каскадирование ОУ, что избавляет от необходимости использовать мультиплексоры. При выходе из данного режима калибровка не производится, что позволяет достичь времени пробуждения не более 30 мкс.

В отличие от MAX44260 в ОУ MAX44261 возможно проведение калибровки без выключения питания. Для этого предназначен дополнительный управляющий вход CAL.

Микросхема MAX44263 имеет два ОУ в одном корпусе.

Общей особенностью всех трех микросхем является отсутствие переходных искажений при переходе через 0 (при переключении входных транзисторов). Это достигается наличием внутреннего преобразователя (charge pump). Выходное напряжение этого преобразователя превышает напряжение питания на 1 В и используется для питания входного каскада.

Помимо малого напряжения смещения, MAX44260/1/3 отличаются низким уровнем собственных шумов. Шум входного напряжения составляет 12,7 нВ/ЦГц, шум входного тока 1,2 фА/ЦГц. При этом частота единичного усиления составляет 15 МГц. Низкие шумы и большая частота единичного усиления позволяют применять данное семейство в составе трансимпедансных усилителей (рисунок 4).

Рис. 4. Трансимпедансный усилитель на основе MAX44260

Стоит отметить, что семейство MAX44260/1/3 идеально подходит для портативных устройств с батарейным питанием (ноутбуки, плееры), так как имеет низкое потребление и малое напряжение питания. Типовой питающий ток каждого усилителя составляет 700 мкА. При этом MAX44260 в спящем режиме потребляет всего 1 мкА. Уровень напряжения питания составляет 1,8 В (при температуре от -40 до 125°C), а при температуре от 0 до 70°C всего 1,7 В.

Обозначения

На рисунке показано схематичное изображение операционного усилителя. Выводы имеют следующее значение:

V+{\displaystyle V_{\mathrm {+} }} — неинвертирующий вход;
V₋ — инвертирующий вход;
V_out — выход;
V_S+ — плюс источника питания (также может обозначаться как VDD{\displaystyle V_{\mathrm {DD} }}, VCC{\displaystyle V_{\mathrm {CC} }}, или VCC+{\displaystyle V_{\mathrm {CC+} }});
V_S− — минус источника питания (также может обозначаться как VSS{\displaystyle V_{\mathrm {SS} }}, VEE{\displaystyle V_{\mathrm {EE} }}, или VCC−{\displaystyle V_{\mathrm {CC-} }}).

Указанные пять выводов присутствуют в любом ОУ и необходимы для его функционирования. Однако, существуют операционные усилители, не имеющие неинвертирующего входа. В частности, такие ОУ находят применение в аналоговых вычислительных машинах (АВМ).

ОУ, применяемые в АВМ, принято делить на пять классов, из которых ОУ первого и второго класса имеют только один вход.

Операционные усилители первого класса — усилители высокой точности (УВТ) с одним входом. Предназначены для работы в составе интеграторов, сумматоров, устройств слежения-хранения. Высокий коэффициент усиления, предельно малые значения смещения нуля, входного тока и дрейфа нуля, высокое быстродействие обеспечивают снижение погрешности, вносимой усилителем, ниже 0,01 %.

Операционные усилители второго класса — усилители средней точности (УСТ), имеющие один вход, обладающие меньшим коэффициентом усиления и большими значениями смещения и дрейфа нуля. Эти ОУ предназначены для применения в составе электронных устройств установки коэффициентов, инверторов, электронных переключателей, в функциональных преобразователях, в множительных устройствах.

Помимо этого, некоторые ОУ могут иметь дополнительные выводы (предназначенные, например, для установки тока покоя, частотной коррекции, балансировки или других функций).

Выводы питания (V_S+ и V_S−) могут быть обозначены по-разному (см. выводы питания интегральных схем). Часто выводы питания не рисуют на схеме, чтобы не загромождать её несущественными деталями, при этом способ подключения этих выводов явно не указывается или считается очевидным (особенно часто это происходит при изображении одного усилителя из микросхемы с четырьмя усилителями с общими выводами питания). При обозначении ОУ на схемах можно менять местами инвертирующий и неинвертирующий входы, если это удобно; выводы питания, как правило, всегда располагают единственным способом (положительный вверху).

Отличия реальных ОУ от идеального[править | править код]

Параметры ОУ, характеризующие его неидеальность, можно разбить на группы:

Параметры по постоянному токуправить | править код

Ограниченное усиление: коэффициент G_openloop не бесконечен (тпичное значение 105 ÷ 106 на постоянном токе). Этот эффект заметно проявляется только в случаях, когда коэффициент передачи каскада с ОУ отличается от парметра G_openloop в небольшое число раз (усиление каскада отличается от G_openloop на 1÷2 порядка или еще меньше).
Ненулевой входной ток (или, что почти то же самое, ограниченное входное сопротивление): типичные значения входного тока составляют 10-9 ÷ 10-12 А. Это накладывает ограничения на максимальное значение сопротивлений в цепи обратной связи, а также на возможности с источником сигнала. Некоторые ОУ имеют на входе дополнительные цепи для защиты входа от чрезмерного напряжения — эти цепи могут значительно ухудшить входное сопротивление. Поэтому некоторые ОУ выпускаются в защищенной и незащищенной версии.
Ненулевое . Данное ограничение не имеет большого значения, так как наличие обратной связи эффективно уменьшает выходное сопротивление каскада на ОУ (практически до сколь угодно малых значений).
Ненулевое напряжение смещения: требование о равенстве входных напряжений в активном состоянии для реальных ОУ выполняется не совсем точно — ОУ стремится поддерживать между своими входами не точно ноль вольт, а некоторое небольшое напряжение (напряжение смещения). Другими словами, реальный ОУ ведет себя как идеальный ОУ, у которого внутри последовательно с одним из входов включен генератор напряжения с ЭДС U_см. Напряжение смещения — очень важный параметр, он ограничивает точность ОУ, например, при сравнении двух напряжений. Типичные значения U_см составляют 10-3 ÷ 10-6 В.
Ненулевое усиление синфазного сигнала. Идеальный ОУ усиливает только разницу входных напряжений, сами же напряжения значения не имеют. В реальных ОУ значение входного синфазного напряжения оказывает некоторое влияние на выходное напряжение. Данный эффект определяется параметром коэффициент ослабления синфазного сигнала (КОСС, англ. common-mode rejection ratio, CMRR), который показывает, во сколько раз приращение напряжения на выходе меньше, чем вызвавшее его приращение синфазного напряжения на входе ОУ. Типичные значения: 104 ÷ 106.

Параметры по переменному токуправить | править код

Ограниченная полоса пропускания. Любой усилитель имеет конечную полосу пропускания, но фактор полосы особенно значим для ОУ, поскольку они имеют внутреннюю частотную коррекцию для увеличения запаса по фазе.
Ненулевая входная ёмкость. Образует паразитный фильтр низких частот.

Нелинейные эффекты:править | править код

Насыщение — ограничение диапазона возможных значений выходного напряжения. Обычно выходное напряжение не может выйти за пределы напряжения питания. Насыщение имеет место в случае, когда выходное напряжение «должно быть» больше максимального или меньше минимального выходного напряжения. ОУ не может выйти за пределы, и выступающие части выходного сигнала «срезаются» (то есть ограничиваются).
Ограниченая скорость нарастания. Выходное напряжение ОУ не может измениться мгновенно. Скорость изменения выходного напряжения измеряется в вольтах за микросекунду, типичные значения 1÷100 В/мкс. Параметр обусловлен временем, необходимым для перезаряда внутренних емкостей.

Ограничения, обусловленные питаниемправить | править код

Ограниченный выходной ток. Большинство ОУ широкого применения имеют встроенную защиту от превышения выходного тока — типичное значение максимального тока 25 мА. Защита предотвращает перегрев и выход ОУ из строя.
Ограниченная выходная мощность. Большинство ОУ предназначено для применений, не требовательных к мощности: сопротивление нагрузки не должно быть менее 2 кОм.

Генераторы гармонических колебаний

В системах управления используются генераторы сигналов различного вида. Генератором гармонических колебаний называют устройство, создающее переменное синусоидальное напряжение.

Структурная схема такого генератора показана на рисунке:

Входной сигнал отсутствует. Uвых = К · Uос.

Для возникновения синусоидальных колебаний должно выполняться условие самовозбуждения только для одной частоты: К · γ = 1 – баланс амплитуд, φ + ψ = 2πn – баланс фаз, где К – коэффициент усиления усилителя, γ – коэффициент передачи звена положительной обратной связи, φ – сдвиг по фазе для усилителя, ψ – сдвиг по фазе для цепи обратной связи, n = 0, 1, …

Основной генераторов синусоидальных сигналов являются фильтры, например мост Вина. Генератор на основе ОУ, содержащий мост Вина, представлен на рисунке:

Генератор вырабатывает синусоидальный сигнал частотой .

На частоте f коэффициент передачи фильтра β = 1/3. Усилитель должен иметь коэффициент усиления К ≥ 3, который задаётся резисторами R1 и R2

Важной проблемой является стабилизация амплитуды Uвых, которая обеспечивается в ведением резистора R3 и стабилитронов VD1 и VD2. При малых Uвых напряжение на VD1 и VD2 меньше напряжения стабилизации и R3 не зашунтировано стабилитронами

При этом К > 3 и Uвых возрастает. При достижении напряжения на стабилитронах, равного напряжения стабилизации, тот или иной стабилитрон открывается и пара стабилитронов шунтирует сопротивление R3. Коэффициент усиления становится равным и напряжение Uвых начинает уменьшатся, коэффициент усиления снова становится больше 3 и Uвых снова будет уменьшатся, но уже и в противоположном направлении. Таким образом стабилитроны предотвращают насыщение.

При использовании данного генератора нагрузку желательно подключать через буферный каскад.

Просто, но без «защиты от дурака»

При такой надежной и понятной схеме всегда существует риск самоуспокоения. Вот некоторые потенциальные проблемы, которые вы должны иметь в виду:

Это очевидно, но убедитесь, что биполярный транзистор может справиться с вашим током нагрузки. Например, транзистор 2N2222, который вы найдете среди своих запчастей, вероятно, рассчитан только на постоянный ток коллектора 800 мА.
Это не так очевидно: не превышаете ли вы максимальную рассеиваемую мощность транзистора? Эта проблема особенно неуловима, потому что это то, что вы можете не заметить в симуляции – например, симуляции, выполненные в этой статье, как-то не предупредили нас о том, что мы сжигали транзистор 2SCR293P. Максимальная рассеиваемая мощность для этого компонента с «каждым выводом, установленным на опорной земле» (я не совсем уверен, что это значит) составляет 0,5 Вт. В нашей схеме, если V_вых = 3 В, ток через нагрузку будет равен (3 В) / (5 Ом) = 600 мА, а напряжение коллектор-эмиттер на транзисторе составляет 12 В — 3 В = 9 В. Таким образом, рассеиваемая мощность составляет около (600 мА) × (9 В) = 5,4 Вт. Хотя ток коллектора находится в пределах допустимого диапазона, мы превысили максимальную мощность в 10 раз! Вы можете исправить это, используя более низкое напряжение питания, если это возможно, и после этого вам нужно выбрать более мощный транзистор.
Когда биполярный транзистор работает в активной области, ток, текущий через базу, приблизительно равен току нагрузки, деленному на коэффициент бета, иначе известный как h_FE или коэффициент усиления по току. Таким образом, операционный усилитель все еще должен подавать некоторый ток, и вы можете столкнуться с проблемами, если у вас будет высокий ток нагрузки в сочетании с относительно слабым выходным каскадом операционного усилителя. Например, если ваш ток нагрузки составляет 2500 мА, и вы используете транзистор с h_FE = 100, вам потребуется ток базы около 25 мА; а некоторые операционные усилители не способны его обеспечить.
Имейте в виду, что выходное напряжение операционного усилителя примерно на 0,7–0,9 В выше напряжения нагрузки. Это необходимо учитывать при выборе напряжения питания операционного усилителя. Например, допустим, вам необходимо напряжение нагрузки в диапазоне от 0 до 4 В. Подходит ли вам напряжение питания 5 В? Возможно, нет: напряжение базы может доходить до 4,9 В; и если размах выходного сигнала операционного усилителя ограничен положительной шиной минус 0,8 В, у вас будут проблемы.
Биполярный транзистор начинает входить в режим насыщения, когда напряжение базы превышает напряжение коллектора примерно на 0,5 В, а поскольку напряжение базы примерно на 0,7–0,9 В выше напряжения нагрузки, напряжение коллектора биполярного транзистора (которое в этой схеме такое же, как напряжение питания) должно быть как минимум на (0,9 В – 0,5 В) = 0,4 В выше, чем максимально необходимое напряжение нагрузки. (Эти числа приблизительны и будут варьироваться в зависимости от условий эксплуатации и электрических характеристик транзистора.) Насыщение биполярного транзистора приведет к выравниванию напряжения нагрузки, прежде чем оно достигнет напряжения питания транзистора.

Связываем всё вместе

Теперь надо уделить внимание транзисторам, которые формируют саму схему следящего питания. Здесь такая же гибкость в выборе транзисторов, как и в выборе операционных усилителей

Основными заботами являются:

•Напряжение пробоя, VCB и VCE (важный параметр по понятным причинам);

•β или hFE: чем выше коэффициент усиления, тем больше может быть номинал резисторов R1 … R4.

•Рассеиваемая мощность: в большинстве случаев транзисторы должны рассеивать больше мощности, чем операционные усилители.

Тестовые схемы для этой статьи используют ZTX653 и ZTX753. Эти транзисторы имеют hFE более 100 и напряжение пробоя более 100 В. Их рассеиваемая мощность не имеет большого значения для целей тестирования, поскольку испытательные схемы не работали на значительные нагрузки. Вместо диодов, включённых последовательно с R1 и R3, в тестах просто использовались эти же транзисторы в «диодном включении».

Вместо биполярных транзисторов можно использовать МОП-транзисторы. Основным недостатком МОП-транзисторов в этих схемах является уменьшение запаса по напряжению. Поэтому, если ваш дизайн не требует, чтобы его выходные напряжения приближались к напряжениям питания системы, МОП-транзисторы могли бы быть хорошим выбором. При использовании МОП-транзисторов следует по возможности заменить диоды, последовательно соединённые с R1 и R3, на несколько последовательных диодов, чтобы получить напряжение, близкое к VGS МОП-транзисторов. В качестве альтернативы для получения того же результат вместо диодов можно подключить вторую пару МОП-транзисторов.

Как и в большинстве аналоговых схем отсутствие адекватной фильтрации питания может значительно ухудшить параметры, особенно когда сигналы при переходных процессах нуждаются в точном усилении. Однако, в отличие от типовых схем с операционными усилителями, схема со следящим питанием имеет локальные источники питания VCO и VEO, которые динамически изменяются вместе с напряжением сигнала. Следовательно, нельзя подключать фильтрующие конденсаторы этих узлов непосредственно на землю. В этом случае наилучшее место для локальных конденсаторов фильтрации питания находится между базами двух транзисторов схемы следящего питания (Рисунки 1, 6 и 8). В дополнение к этой локальной фильтрации питания устройства, VCO и VEO, следует установить фильтрующие конденсаторы между шинами питания системы, VCC и VEE, и непосредственно землёй.

Литература

1. Linear Design Seminar, Analog Devices Inc, 1995, Section 1.

Синтетические элементы

Гиратор индуктивности

Имитирует катушку индуктивности (т. Е. Обеспечивает индуктивность без использования возможно дорогостоящей катушки индуктивности). Схема использует тот факт, что ток, протекающий через конденсатор, во времени ведет себя как напряжение на катушке индуктивности. Конденсатор, используемый в этой цепи, меньше, чем индуктор, который он имитирует, и его емкость меньше подвержена изменениям в величине из-за изменений окружающей среды. Приложения, в которых эта схема может превосходить физический индуктор, моделируют переменную индуктивность или имитируют очень большую индуктивность.

Эта схема имеет ограниченное использование в приложениях, полагающихся на свойство обратной ЭДС индуктивности, поскольку этот эффект будет ограничен в цепи гиратора до источников напряжения на операционном усилителе.

Преобразователь отрицательного импеданса (NIC)

Создает резистор, имеющий отрицательное значение для любого генератора сигналов.

В этом случае соотношение между входным напряжением и входным током (таким образом, входное сопротивление) определяется как:

рвзнак равно-р3р1р2{\ displaystyle R _ {\ text {in}} = — R_ {3} {\ frac {R_ {1}} {R_ {2}}}}

В общем, компоненты , и не нужно быть резисторы; они могут быть любым компонентом, который можно описать с помощью импеданса .
р1{\ displaystyle R_ {1}}р2{\ displaystyle R_ {2}}р3{\ displaystyle R_ {3}}

Всего один биполярный транзистор

Самая простая схема для буферизации выходного тока операционного усилителя выглядит так:

Рисунок 1 – Схема для буферизации выходного тока операционного усилителя на биполярном транзисторе

А вот соответствующая схема LTspice:

Рисунок 2 – Схема для буферизации выходного тока операционного усилителя на биполярном транзисторе в LTspice

Давайте получим четкое понимание идеи этой схемы, прежде чем двигаться дальше. Входной сигнал подается на неинвертирующий вход операционного усилителя, а выход ОУ подключается непосредственно к базе биполярного транзистора. Операционный усилитель и биполярный транзистор могут использовать один и тот же положительный источник питания, но в этом случае мы предполагаем, что доступны два напряжения – источник питания 5 В для маломощных, малошумящих схем и 12 В для мощной части проекта. Значение резистора нагрузки очень низкое, поэтому выходные напряжения более 200 мВ, приложенные непосредственно к нагрузке, потребуют большего выходного тока, чем может обеспечить LT6203. Транзистор, выбранный в схеме LTspice, может работать с токами около 1000 мА, что означает, что он подходит для напряжений на нагрузке до 5 В.

Ключевым моментом этой схемы является соединение обратной связи. Помните «виртуальное короткое замыкание»: при анализе операционного усилителя в схеме с отрицательной обратной связью мы можем предположить, что напряжение на неинвертирующем входе равно напряжению на инвертирующем входе. Уже одно это говорит нам о том, что выходное напряжение (то есть напряжение на нагрузке) будет равно входному напряжению. Но давайте пойдем немного глубже, чтобы убедиться, что мы действительно понимаем, что происходит; виртуальное короткое замыкание – это своего рода суеверие, которое может отвлечь нас от реальной работы операционного усилителя. Операционный усилитель умножает дифференциальное входное напряжение на очень большой коэффициент усиления. Таким образом, с отрицательной обратной связью операционный усилитель быстро достигает равновесия, потому что большие изменения выходного напряжения уменьшают дифференциальное напряжение, которое вызывает эти самые выходные изменения. В этом состоянии равновесия выход стабилизируется при любом напряжении, что устраняет разницу между напряжениями на инвертирующем и неинвертирующем входах – иными словами, операционный усилитель автоматически регулирует свой выходной сигнал любым способом, необходимым для того, чтобы V_вх– было равно V_вх+.

В контексте этой схемы буферизации выходного сигнала операционный усилитель автоматически генерирует любое выходное напряжение, необходимое для того, чтобы сделать напряжение эмиттера биполярного транзистора равным входному напряжению. Подумайте, насколько сложно это было бы в ситуации разомкнутой петли – каким-то образом необходимо было бы рассчитать соотношение между входным и выходным сигналами усилителя, чтобы компенсировать падение напряжения база-эмиттер биполярного транзистора, которое не является ни линейным, ни предсказуемым. Но с операционным усилителем и некоторой отрицательной связью проблема становится тривиальной.

Давайте подкрепим это понимание идеи парой симуляций. Первая не очень захватывающая; она просто подтверждает, что выходное напряжение следует за входным напряжением (график входного напряжения V_in скрыт под графиком выходного напряжения V_out):

Рисунок 3 – График входного и выходного напряжений схемы

На следующем графике показано, что должно быть на выходном выводе операционного усилителя, чтобы обеспечить нужное напряжение на нагрузке.

Рисунок 4 – График входного напряжения схемы, выходного напряжения операционного усилителя и выходного напряжения схемы

Принцип работы операционного усилителя

Давайте рассмотрим, как работает ОУ

Виды и обозначения на схеме

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

Классификация по сферам применения:

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

По входным сигналам ОУ делятся на 2 типа:

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

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

Основные обозначения выводов ИМС:

V+ — неинвертирующий вход.
V- — инвертирующий вход.
Vout — выход.Vs+ (Vdd, Vcc, Vcc+) — плюсовая клемма ИП.
Vs- (Vss, Vee, Vcc-) — минус ИП.

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

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

Фильтры

Операционные усилители могут использоваться при построении активных фильтров , обеспечивающих функции пропускания высоких и низких частот, полосы пропускания, подавления и задержки. Высокий входной импеданс и коэффициент усиления операционного усилителя позволяют напрямую вычислять значения элементов, позволяя точно реализовать любую желаемую топологию фильтра, не обращая внимания на эффекты нагрузки каскадов в фильтре или последующих каскадов. Однако частоты, на которых могут быть реализованы активные фильтры, ограничены; когда поведение усилителей значительно отличается от идеального поведения, предполагаемого в элементарной конструкции фильтров, характеристики фильтра ухудшаются.

Операционные усилители. виды и работа. питание и особенности

Принцип работы операционного усилителя

Обозначение на схеме операционного усилителя

Активные фильтры

Прецизионные ОУ от Maxim Integrated

Обозначения

Отличия реальных ОУ от идеального[править | править код]

Параметры по постоянному токуправить | править код

Параметры по переменному токуправить | править код

Нелинейные эффекты:править | править код

Ограничения, обусловленные питаниемправить | править код

Генераторы гармонических колебаний

Просто, но без «защиты от дурака»

Связываем всё вместе

Синтетические элементы

Гиратор индуктивности

Преобразователь отрицательного импеданса (NIC)

Всего один биполярный транзистор

Принцип работы операционного усилителя

Виды и обозначения на схеме

Фильтры

Похожие записи: