Принцип действия операционного усилителя

Операционные усилители. Часть 1

Операционный усилитель (ОУ) — это основной элемент современной аналоговой электроники. Благодаря отличным характеристикам и простоте расчетов, ОУ очень легки в использовании. Операционные усилители еще называют дифференциальными усилителями, поскольку они могут усилить разность напряжений на входах.

Операционные усилители выпускаются как готовые микросхемы, иногда по одному, а иногда и по несколько штук в одном корпусе. Существует множество видов операционных усилителей, которые отличаются между собой техническими параметрами, что в конечном итоге влияет на целесообразность применения в конкретных схемах.

В теории операционный усилитель имеет идеальные параметры. На практике же их параметры стремятся к идеальным, но все же не достигают их. Использование понятия «идеального» операционного усилителя помогает упростить расчеты.

Этими идеальными параметрами являются:

• бесконечно большое усиление при открытой петли обратной связи;
• бесконечно широкая полоса передаваемых частот;
• бесконечно большое входное сопротивление;
• импеданс равный нулю;
• выходное напряжение равно нулю при равенстве входных напряжений.

Как вы можете видеть, такие параметры не могут быть обеспечены в полной мере, но из года в год ОУ реально все более и более приближаются к идеалу.

Есть несколько основных схем работы операционного усилителя:

• инвертирующий
• неинвертирующий
• вычитание
• сложение
• дифференцирование
• интегрирование
• повторитель напряжения
• аналоговый компаратор

Схема инвертирующего усилителя

Это основная схема, в которой работает ОУ. Работа операционного усилителя характеризуется не только усилением (или ослаблением) входного сигнала, но и изменением его фазы. Усиление обозначается буквой k. Приведенный ниже график показывает влияние операционного усилителя в такой схеме:

Синим цветом представлен график входного сигнала, а красным — график выходного сигнала, причем усиление системы составляет 2 (k=2). Как видно, амплитуда выходного сигнала в два раза выше, чем амплитуда входного сигнала, и также видно, что сигнал перевернут.

Схема такого усилителя достаточно проста, и представлена на следующем рисунке:

Эта схема доказывает, почему операционные усилители являются настолько популярными. Для того, чтобы вычислить значения элементов нам достаточно использовать следующую формулу:

Как видно, резистор R3 не влияет на усиление схемы, и можно было бы обойтись без него, соединив положительный вход усилителя с минусом питания. В данном случае резистор R3 используется в качестве защиты.

Схема неинвертирующего усилителя

В схеме неинвертирующего усилителя ситуация очень схожа с инвертирующим усилителем, с той лишь разницей, что здесь не происходит инверсия сигнала, то есть фаза сохраняется. Приведенный ниже график показывает, что происходит с усиленным сигналом:

Так же, как и в предыдущей схеме, коэффициент усиления равен k=2, а на вход подан синусоидальный сигнал. Как видно, изменению подверглась только амплитуда сигнала.

Ниже приведена принципиальная схема использования операционного усилителя в качестве неинвертирующего усилителя:

Данная схема усилителя также является очень простой, здесь есть два резистора. Входной сигнал подается на положительный вход ОУ. Чтобы рассчитать усиление необходимо применить формулу:

Из формулы видно, что усиление не может быть меньше единицы, т. е. такая схема не позволяет подавить сигнал.

Операционный усилитель в схеме вычитания (дифференциальный усилитель)

Другим типом схемы использования ОУ является дифференциальный усилитель, который позволяет получить разность двух входных сигналов, которая впоследствии может быть усилена. На графике, приведенном ниже, представлен принцип работы системы.

Следующая схема позволяет реализовать такую работу операционного усилителя:

Схема является более сложной по сравнению с предыдущими. Чтобы рассчитать напряжение на выходе, следует применить формулу:

Первая часть уравнения отвечает за усиление (или ослабление), а вторая часть — это разница двух напряжений.

Операционный усилитель в схеме сложения

Этот тип функции полностью противоположен функции вычитания. Его интересной особенностью является то, что здесь может быть обработано более двух сигналов. На этом принципе основаны все аудио микшеры.

Как видно на схеме можно суммировать множество сигналов, схема проста и интуитивно понятна. Для расчета используем формулу:

Операционный усилитель

Операционным усилителем (ОУ) называется дифференциальный усилитель постоянного тока с очень большим коэфициентом усиления по напряжению (в предельном случае — бесконечным), очень высоким входным импедансом (также в идеале бесконечным) и низким выходным (в идеале — нулевым).

Принцип действия операционного усилителя Править

Эквивалентная схема ОУ.

Действие идеального операционного усилителя можно выразить формулой:

$ U_O = K_U Delta U = K_U(U_+ — I_-), $

• $ U_O $ — выходное напряжение,
• $ Delta U $ — напряжение между двумя входами,
• $ U_+ $ — напряжение на неинвертирующем входе (относительно нуля схемы),
• $ U_- $ — напряжение на инвертирующем входе,
• $ K_U $ — коэффициент усиления напряжения без ОС.

Функциональная схема применения ОУ.

При введении отрицательной обратной связи действие операционного усилителя подчиняется следующему уравнению:

$ U_O = K_U (U_I + U_F) = K_U(Delta U_I + K_FU_O), $

• $ U_I $ — входное напряжение схемы с обратной связью,
• $ U_F $ — напряжение, создаваемое цепью обратной связи,
• $ K_F $ — коэффициент обратной связи.

Из него можно вывести значение напряжения на выходе:

а значит коэффициент передачи напряжения ОУ с ООС будет составлять:

Отсюда видно, что если $ left|frac<1>right| ll K_U $ , то второй множитель оказывается близким к единице, и коэффициент усилиения полученной схемы можно достаточно точно выразить как:

Таким образом коэффициент усиления идеального операционного усилиеля принимается равным бесконечности, а свойства схемы, собранной на ОУ описывается исключительно схемой включения.

Таким образом задача операционного усилителя сводится к тому, чтобы манипулируя выходом удерживать разность потенциалом между входами равной нулю.

Поведение схемы, в случае если устанавливая выходное напряжение ОУ невозможно уравнять потенциалы входов, или обратная связь имеет положительный знак невозможно описать в рамках приближения идеального ОУ. В этом случае реальный ОУ (если такая ситуация вообще допустима) ведёт себя как компаратор, тем не менее использование ОУ (если это не оговорено в спецификации на ОУ) в качестве компаратора имеет свои ограничения и обычно не рекомендуется.

Несмотря на то, что приближение идеального ОУ выведено в линейном виде, выведенный при этом принцип удерживания нулевой разности потенциалов действует и в случае нелинейной обратной связи, пока дифференциальный коэффициент передачи остаётя отрицательным, то есть изменение напряжения на выходе должно вызывать изменение разности потенциалов между входами другого знака (увеличение вызывает уменьшение, уменьшение — увеличение).

Импеданс ОУ Править

Внутренний импеданс ОУ вместе с импедансом источника создаёт на входе ОУ делитель напряжения, и напряжение на входе ОУ для источника ЭДС с конечным импедансом будет составлять:

• $ U_ $ — напряжение на входе (прямом или инверсном) ОУ,
• $ z_ $ — импеданс входа ОУ,
• $ Z_ $ — импеданс источника сигнала,
• $ k_ $ — коэффициент передачи ЭДС источника на вход, причём

$ z_ = frac>+Z_> = 1 — frac+Z_>. $

Аналогично выходной импеданс ОУ вместе и импедансом нагрузки создаёт выходной делитель напряжения, и напряжение на выходе будет выражаться как:

• $ U_L $ — напряжение на нагруженном ОУ,
• $ Z_L $ — импеданс нагрузки,
• $ z_O $ — выходной импеданс ОУ,
• $ U_O $ — напряжение холостого хода (вырабатываемая ЭДС),
• $ k_L $ — коэффициент передачи выходного напряжения в нагрузку:

$ k_L = frac= 1 — frac. $

Подставляя полученные значения в уравнение идеального ОУ, получим:

$ U_L = k_LK_U(k_+E_+ — k_-E_-); $

Тем не менее, если $ z_ gg Z_ $ , а $ z_O ll Z_L $ то коэффициенты $ k_ $ и $ k_L $ оказываются достаточно близки к единице, так что

$ U_L approx K_U(E_+ — E_-). $

Причём при $ z_ = infty, z_O = 0 $ равенство выполняется точно, что и принимается при расчётах схем на ОУ.

Реализация операционных усилителей Править

μA741 в корпусе TO-5

Операционный усилитель состоит из нескольких каскадов усиления, среди которых:

• дифференциальный каскад,
• промежуточные каскады,
• выходной каскад.

Принцип действия операционного усилителя

Практическое применение операционных усилителей.Часть первая.

Автор:
Опубликовано 06.07.2006

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.

Урок 6.1. Операционный усилитель. Первое знакомство.

Часто вспоминаю, свое первое знакомство с операционным усилителем (ОУ). Я всегда знал, что эти загадочные треугольники на схемах, мне пригодятся по жизни. Однако, долгие бессонные ночи, проведенные за изучением их принципа работы, так ни к чему и не привели. Статей на эту тему много, но, как мне кажется, самые основы не очевидны. Постараюсь подойти немного с другой стороны и развеять страшные тайны ОУ.

Попытаемся разобраться с тем, какие «операции» усиливает наш операционный усилитель.

Задача: есть источник сигнала, например сигнал с микрофона или звукоснимателя гитары. Если микрофон подсоединить напрямую к наушникам, то скорее всего вы ничего не услышите, в лучшем случае это будет еле уловимый звук.

Представим себе вместо микрофона человека, который пытается поднять тяжелую плиту, естественно это ему не по силам, так же и микрофон не в силах раскачать динамик. Но если этот человек будет использовать небольшое усилие, чтобы управлять подъемным краном, тогда он сможет поднять любой груз, в пределах грузоподъемности крана. Т.е. кран в данном случае усилитель. Аналогом грузоподъемности крана, является мощность усилителя. Смысл усиления должен быть понятен из картинки. Частота и форма сигнала остается такой же, изменяется только амплитуда.

Теперь мы знаем, что для того чтобы слышать звук из динамиков нужен усилитель. Пока мы не знаем как он работает и что у него внутри, однако мы уже знаем, что должны быть ножки, на которые подается сигнал, который мы хотим усилить Uвх, а также ножки с которых снимается усиленный сигнал Uвых.

Вопрос до какого напряжения можно усилить сигнал? Вы скажете: «хочу 220В усилить до 1000000В», но так нельзя, почему? Потому что, исходный сигнал усиливается за счет внешнего источника. Внешним источником будет являться напряжение питания ОУ. Аналогично подъемный кран не может поднять груз выше своей высоты (условимся что не может :)). Поэтому напряжение на выходе ОУ превысить напряжение питания не может. В реальности оно даже чуть меньше, чем напряжение питания. Например, для LM324 напряжение питания составляет от 3 до 32В.

Теперь мы знаем, что ОУ требуется внешнее питание, нарисуем эти ножки

Кстати, мы привыкли что питание у нас однополярное +5В и земля. Здесь же тонкий момент, если требуется усилить сигнал, который имеет отрицательные значения,

то к -Uпит нужно подключать, именно источник отрицательного напряжения, а не землю. Если подключить землю, то получится, что источник напряжения отсутствует и «нижняя»(отрицательная) часть сигнала не будет усилена, т.е. часть сигнала «срежется», подробнее об этом в примере.

Аналогично, если усилить сигнал больше, чем напряжение питания, то в тех местах где сигнал будет превышать напряжение питания, сигнал будет «срезан», т.е. вместо синусоиды мы увидим нечто подобное

Остался главный вопрос, как задать коэффициент усиления? Очень просто — делителем напряжения. Но для начала, перейдем к более реальным обозначениям. Любой ОУ имеет минимум 5 ножек — 2 питание, о котором было сказано выше, инвертированный вход(-), не инвертированный вход(+) и выход.

Следовательно в зависимости от того, на какой вход подается исходный сигнал, различают два типа включения: неинвертирующий усилитель

Коэффициент усиления, которого равен K=(R4/R3)+1. В данном случае K=4. В этом случае форма сигнала на выходе не меняется.

И инвертирующий, с коэффициентом усиления K=-(R2/R1). Для данной схемы K=3. Сигнал на выходе будет в противофазе с входным.

Перейдем от слов к делу. В качестве исходного сигнала взят меандр частотой 1кГц. Сигнал имеет как положительные значения, так и отрицательные (середина экрана 0). Амплитуда сигнала 50мВ.

Подключаю ОУ (L324) по схеме неинвертирующего усилителя. Питание однополярное. На выходе ОУ сигнал той же формы, но с большей амплитудой. Вероятно, не совсем понятно, почему сигнал именно такой амплитуды и почему он сместился вверх.

Попробуем разобраться. Амплитуда исходного сигнала 50мВ, R4=30k, R3=10k, подставим в формулу 50*(30/10+1)=200мВ, весьма похоже на то что видно на осциллографе. Почему же сигнал сместился вверх? Вспоминаем недостаток однополярного питания, все что ниже 0 не может быть усилено, поэтому сигнал срезается на 0.

А теперь представьте себе, что если к ножке питания был бы подключен источник отрицательного напряжения подать, допустим -5В, то амплитуда сигнала увеличилась бы вдвое. Следовательно громкость бы тоже существенно увеличилась.

Собственно это маленькое предисловие, перед началом изучения ОУ, все выше сказанное лишь капля в море, если понравилось — пишите, будем постепенно осваивать и другие применения ОУ, в т.ч. и практические схемы.

16 комментариев: Урок 6.1. Операционный усилитель. Первое знакомство.

Две поправочки,
1) вход ОУ заземлить необходимо
2) на схеме второго включения не правильно нарисовано просто если на + подать обратную связь получим очень интересные эффекты…

ОПЕРАЦИОННЫЙ УСИЛИТЕЛЬ

Активные элементы — это источники и усилительные элементы.

Пассивные — резисторы, катушки индуктивности и конденсаторы.

Операционный усилитель — активный резистивный элемент, который выполняет в технике связи основной усилительный эффект. Представляет собой то или иное число транзисторов (до 20) и резисторов. Выполняется в виде интегральных микросхем.

Схемное изображение операционного усилителя:

Операционный усилитель имеет 8 выводов: 2 входных, 1 выходной, 1 заземлённый и 2 для регулировки, 2 источника питания. Напряжение питания 12-15 В .

1) очень высокий коэффициент усиления μ = 10 4 — 10 5 ;

2) очень высокое входное сопротивление R вх = 10 5 и выше;

3) маленькое выходное сопротивление R вых = единицы Ом.

Неинвертируемый (положительный) вход операционного усилителя — это такой вход, при подаче на который напряжения одной полярности на выходе получается напряжение той же полярности.

Инвертируемый (отрицательный) вход операционного усилителя — это такой вход, при подаче на который напряжения одной полярности на выходе получается напряжение другой полярности.

Работа операционного усилителя сводится к тому, что напряжение источника питания преобразуется по закону входного напряжения, но напряжение на выходе не может быть больше, чем напряжение источника питания. Поэтому, если операционный усилитель работает без обратной связи, то на его выходе всегда будет сигнал прямоугольной формы, равный напряжению источника питания.

Схема включения операционного усилителя без обратной связи:

Понятие об обратной связи

Обратная связь — это цепи, через которые часть напряжения с выхода четырёхполюсника снова подаётся на вход того же четырехполюсника.

ООС — отрицательная обратная связь — это когда выходное напряжение подаётся на вход со знаком противоположным знаку входного.

ПОС — когда выходное напряжение подаётся на вход с тем же знаком, что и знак входного напряжения.

Операционный усилитель всегда работает с глубокой отрицательной обратной связью. Поэтому его коэффициент передачи уменьшается, но зато улучшаются его другие свойства (стабильность, полоса пропускания).

Схема операционного усилителя с обратной связью:

Тестовые задания:

Задание

Варианты ответов

1.Является ли операционный усилитель активным элементом?

2.Можно ли на выходе операционного усилителя получить напряжение больше чем напряжение питания?

3.Является ли очень высокий коэффициент передачи операционного усилителя его достоинством?

Когда тот или иной физик использует понятие «физический вакуум», он либо не понимает абсурдности этого термина, либо лукавит, являясь скрытым или явным приверженцем релятивистской идеологии.

Понять абсурдность этого понятия легче всего обратившись к истокам его возникновения. Рождено оно было Полем Дираком в 1930-х, когда стало ясно, что отрицание эфира в чистом виде, как это делал великий математик, но посредственный физик Анри Пуанкаре, уже нельзя. Слишком много фактов противоречит этому.

Для защиты релятивизма Поль Дирак ввел афизическое и алогичное понятие отрицательной энергии, а затем и существование «моря» двух компенсирующих друг друга энергий в вакууме — положительной и отрицательной, а также «моря» компенсирующих друг друга частиц — виртуальных (то есть кажущихся) электронов и позитронов в вакууме.

Однако такая постановка является внутренне противоречивой (виртуальные частицы ненаблюдаемы и их по произволу можно считать в одном случае отсутствующими, а в другом — присутствующими) и противоречащей релятивизму (то есть отрицанию эфира, так как при наличии таких частиц в вакууме релятивизм уже просто невозможен). Подробнее читайте в FAQ по эфирной физике.

Операционный усилитель

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

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

Операционный усилитель

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

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

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

Кристалл с интегральной схемой операционного усилителя

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

Схемы операционного усилителя

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

Схема операционного усилителя

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

Схема соединения операционного усилителя с источником питания

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

Схема обозначения общей точки сигналов

Корпусы операционных усилителей

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

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

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

1.3. Устройство и принцип действия операционного усилителя.

Операционный усилитель (ОУ) – унифицированный многокас­кадный усилитель постоянного тока, удовлетворяющий следующим требованиям к электрическим параметрам:

— коэффициент усиления по напряжению стремится к бесконечности (R_U → ∞);

— входное сопротивление стремится к бесконечности (R_вх → ∞);

— выходное сопротивление стремится к нулю (R_вых → ∞);

— если входное напряжение равно нулю, то выходное напряжение также равно нулю (U_вх = 0 → U_вых = 0);’.

— бесконечная полоса усиливаемых частот (f → ∞).

История названия операционного усилителя связана с тем, что подобные усилители постоянного тока использовались в аналого­вой вычислительной технике для реализации различных матема­тических операций, например суммирования, интегрирования и др. В настоящее время эти функции хотя и не утратили своего значе­ния, однако составляют лишь малую часть списка возможных применений ОУ.

Являясь, по существу, идеальным усилительным элементом, ОУ составляет основу всей аналоговой электроники, что стало воз­можным в результате достижений современной микроэлектроники, позволившей реализовать достаточно сложную структуру ОУ в интегр­альном исполнении на одном кристалле и наладить массовый выпуск подобных устройств. Все это позволяет рассматривать ОУ в качестве простейшего элемента электронных схем подобно диоду, транзистору и т. п. Следует отметить, что на практике ни одно из перечисленных выше требований к ОУ не может быть удовлетворено полностью.

Достоверность допущений об идеальности свойств в каждом конкретном случае подтверждается сопоставлением различных па­раметров ОУ и требований к разрабатываемым электронным средствам (ЭС). Так, если требуется разработать усилитель с коэффициентом усиления 10, то стандартный ОУ с коэффициентом ­усиления 25000, как будет показано в дальнейшем, можно рассматривать для этого случая как идеальный.

Операционный усилитель – это аналоговая интегральная схе­ма снабженная, как минимум, пятью выводами. Ее условное гра­фическое изображение приведено на рисунке 1.13. Два вывода ОУ используются в качестве входных, один вывод является выходным, два оставшихся вывода используются для подключения источника питания ОУ. С учетом фазовых соотношений входного и выходного сигналов один из входных выводов (вход 1) называется неинвертирующим, а другой (вход 2) – инвертирующим. Выходное на­пряжение U_вых связано с входными напряжениями U_вх1 и U_вх2 соотношением

,

где К_U0 – собственный коэффициент усиления ОУ по напряжению.

Рисунок 1.13. Условное графическое обозначение ОУ.

Из приведенного выражения следует, что ОУ воспринимает только разность входных напряжений, называемую дифференциальным входным сигналом, и нечувствителен к любой составляющей входного напряжения, воздействующей одновременно на оба его входа (синфазный входной сигнал).

Как было отмечено ранее, К_U0 в ОУ должен стремиться к бесконечности, однако на практике он ограничивается значениями 10 5 . 10 6 или 100 . 120 дБ.

В качестве источника питания ОУ используют двухполярный источник напряжения (+ Е_п, – Е_п). Средний вывод этого источника, как правило, является общей шиной для входных и выходных сигналов и в большинстве случаев не подключается к ОУ. В реальных ОУ напряжение питания лежит в диапазоне ± 3 В … ± 18 В. Использование источника питания со средней точкой предполагает возможность изменения не только уровня, но и полярности как входного, так и выходного напряжений ОУ.

Реальные ОУ обычно снабжаются большим числом выводов, которые используются для подключения внешних цепей частотной коррекции, формирующих требуемый вид ЛАЧХ усилителя. Реализация перечисленных выше требований к электрическим параметрам ОУ невозможна на основе схемы однокaскaдного усилителя. Поэтому реальные ОУ строятся на основе двух- или трёхкаскадных усилителей постоянного тока.

Функциональная схема трехкаскадного ОУ приведена на рисунке 1.14. Она включает в себя входной, согласующий и выходной каскады усиления. Анализ электрических параметров ОУ показы­вает, что их практическая реализация предполагает использование в качестве входного каскада ОУ дифференциального усилительного ­каскада, что позволяет максимально уменьшить величину дрейфа усилителя, получить достаточно высокое усиление, обеспечить ­получение максимально высокого входного сопротивления и максимально подавить действующие на входе синфазные состав­ляющие, обусловленные изменением температуры окружающей среды, изменением напряжения питания, старением элементов и т. п.

Рисунок 1.14. Структурная схема трёхкаскадного ОУ.

Согласующий каскад служит для согласования выходного сигнал­а дифференциального усилителя с выходным каскадом ОУ, обеспечивая необходимое усиление сигнала по току и напряже­нию, а также согласование фаз сигналов.

Выходной каскад, который, как правило, выполняется по двух­тактной схеме, обеспечивает требуемое усиление сигнала по мощ­ности.

Операционный усилитель является сложным электронным устройством, правильное применение которого зависит от понимания особенностей его работы и знания основных требований, которые он предъявляет к схемам разрабатываемого ЭС. Ниже приводятся основные параметры ОУ, характеризующие его работу.

Коэффициент усиления по напряжению К_U0 характеризует способность ОУ усиливать подаваемый на его входы дифференциальный сигнал

.

Типовое значение коэффициента усиления ОУ составляет 10 5 . 10 6 или 100 . 120 дБ.

Входное напряжение смещения – это напряжение, которое обусловлено, в основном, неидентичностью напряжений эмиттерных переходов транзисторов входного дифференциального усилителя. Наличие этого напряжения приводит к нарушению условия, согласно которому U_вых = 0 при U_вх= 0 (см. рис. 1.15). Численно входное напряжение смещения определяется как напряжение, которое необходимо приложить ко входу усилителя для того, его выходное напряжение было равно нулю. Иногда это напряжение называют напряжением сдвига нуля (U_см). Типовое значение этого напряжения единицы – десятки милливольт.

Входной ток I_вх (входной ток смещения) – ток, протекающий во входных выводах ОУ и необходимый для обеспечения требуемого режима работы его транзисторов по постоянному току. Типово­е значение этого тока единицы микроампер – сотни наноампер.

Рисунок 1.15. Передаточные характеристики ОУ по неинвертирующему (а) и инвертирующему входам (б).

Разность входных токов ΔI_вх (ток сдвига). Природа этого тока кроется, в основном, в неодинаковости коэффициентов передачи тока h_21Э транзисторов входного каскада ОУ. Численно он равен модулю разности входных токов усилителя

.

Типовое значение параметра – от единиц микроампер до единиц и десятых долей наноампера.

Входное сопротивление R_вх. Различают дифференциальное входное сопротивление R_вх.диф и синфазное входное сопротивление R_вх.син.

R_вх.диф определяется как сопротивление между входами усилителя, а R_вх.син – как сопротивление между объединенными вход­ными выводами и нулевой шиной.

Типовое значение входного сопротивления – сотни килоом.

Выходное сопротивление R_вых – это сопротивление усилителя, рассматриваемого как эквивалентный генератор. Типовое значение выходного сопротивления – сотни ом.

Коэффициент подавления синфазного сигнала К_п.сф определяет степень подавления (ослабления) синфазной составляющей вход­ного сигнала. Его типовое значение – 50 . 70 дБ.

Максимальная скорость изменения выходногo напряжения (V) характеризует частотные свойства усилителя при его работе в импульс­ных схемах; измеряется при подаче на вход ОУ напряжения ступенчатой формы. Типовое значение скорости изменения выход­ного напряжения – единицы вольт/микросекунд.

Частота единичного усиления F_max – это частота, на которой модуль коэффициента усиления ОУ равен единице. Обычно эта частота не превышает нескольких мегагерц.

Кроме перечисленных обычно задаются и предельно допустимые значения основных эксплуатационных параметров:

— максимально допустимое напряжение питания;

— максимально допустимый выходной ток;

— диапазон рабочих температур;

— максимально допустимая рассеиваемая мощность;

— максимально допустимое входное синфазное напряжение;

— максимально допустимое входное дифференциальное напряжение и др.

Большинство перечисленных параметров сильно зависит условий эксплуатации. Эти зависимости обычно задаются графически.

Ниже приводится классификация операционных усилителей.

Быстродействующие широкополосные операционные усилители используются для преобразования быстроизменяющихся сигналов. Они характеризуются высокой скоростью нарастания выходного сигнала, малым временем установления, высокой частотой единичного усиления, а по остальным параметрам уступают операционным усилителям общего применения. К сожалению, для них нормируется время восстановления после перегрузки.

Их основные параметры: скорость нарастания V_U.вых.max ≥ 30 В/мкс; время установления t_ycт ≤ 1 мкс; частота единичного усиления f₁ ≥ 10 МГц.

Прецизионные (высокоточные) операционные усилители исполь­зуются для усиления малых электрических сигналов, сопровождае­мых высоким уровнем помех, и характеризуются малым значением напряжения смещения и его температурным дрейфом, большими коэффициентами усиления и подавления синфазного сигнала, большим входным сопротивлением и низким уровнем шумов. Как правило, имеют невысокое быстродействие.

Их основные параметры: напряжение смещения U_см ≤ 250 мкВ; температурный дрейф ΔU_см/ΔТ ≤ 5 мкВ/°С; коэффициент усиления К_U0 ≥ 150 тыс.

Операционные усилители общего применения используются для построения узлов аппаратуры, имеющих суммарную приведённую погрешность на уровне 1%. Характеризуются относительно малой стоимостью и средним уровнем параметров (напряжение смещения U_см – единицы милливольт, температурный дрейф ΔU_см/ΔТ – десятки микровольт/°С, коэффициент усиления К_U0 – десятки тысяч, скорость нарастания V_U.вых.max – от десятых долей до единиц вольт/микросекунд).

Операционные усилители с малым входным током – усилители с входным каскадом, построенным на полевых транзисторах. Входной ток I_вх ≤ 100 пА.

Многоканальные операционные усилители имеют параметры аналогичные усилителям общего применения или микромощным усилителям с добавлением такого параметра, как коэффициент разделения каналов. Они служат для улучшения массогабаритных показателей и снижения энергопотребления аппаратуры. Западные фирмы выпускают сдвоенные прецизионные и быстродействующие усилители.

Мощные и высоковольтные операционные усилители — усилители с выходными каскадами, построенными на мощных высоковол­ьтных элементах. Выходной ток I_вых ≥ 100 мА; выходное напря­жение U_вых ≥ 15 В.

Микромощные операционные усилители необходимы в случаях, когда потребляемая мощность жестко лимитирована (переносные приборы с автономным питанием, приборы, работающие в ждущем режиме). Ток потребления I_пот.mах ≤ 1 мА.