Схема операционного усилителя. Схема и принципы работы операционного усилителя: от теории к практике

Что такое операционный усилитель и как он работает. Какие основные схемы применения операционных усилителей существуют. Как рассчитать коэффициент усиления и другие параметры схем на операционных усилителях. Каковы преимущества и недостатки использования операционных усилителей в электронике.

Основные характеристики и принцип работы операционного усилителя

Операционный усилитель (ОУ) — это универсальный электронный компонент, позволяющий выполнять различные операции с аналоговыми сигналами. Основные характеристики идеального ОУ:

• Бесконечно большое входное сопротивление
• Нулевое выходное сопротивление
• Бесконечно большой коэффициент усиления
• Бесконечно широкая полоса пропускания

Реальные ОУ имеют характеристики, близкие к идеальным. Например, входное сопротивление современных ОУ может достигать нескольких тераом, а коэффициент усиления — сотен тысяч.

Основные правила работы операционных усилителей

При анализе схем на ОУ используются два основных правила:

1. Правило напряжения: выходное напряжение ОУ изменяется так, чтобы напряжения на инвертирующем и неинвертирующем входах были равны.
2. Правило тока: ток через входы ОУ равен нулю из-за бесконечно большого входного сопротивления.

Эти правила позволяют упростить анализ схем на ОУ и легко рассчитывать их параметры.

Инвертирующий усилитель на операционном усилителе

Инвертирующий усилитель — одна из базовых схем на ОУ. Его особенности:

• Входной сигнал подается на инвертирующий вход
• Выходной сигнал находится в противофазе с входным
• Коэффициент усиления определяется отношением резисторов обратной связи и входного
• На инвертирующем входе образуется виртуальная земля

Коэффициент усиления инвертирующего усилителя рассчитывается по формуле:

K = -Rf / Rвх

где Rf — сопротивление резистора обратной связи, Rвх — входное сопротивление.

Неинвертирующий усилитель на операционном усилителе

Неинвертирующий усилитель отличается от инвертирующего следующим:

• Входной сигнал подается на неинвертирующий вход
• Выходной сигнал совпадает по фазе с входным
• Коэффициент усиления всегда больше единицы
• Отсутствует виртуальная земля на входе

Коэффициент усиления неинвертирующего усилителя рассчитывается по формуле:

K = 1 + Rf / R1

где Rf — сопротивление резистора обратной связи, R1 — сопротивление резистора, соединенного с землей.

Преимущества использования операционных усилителей

Применение ОУ в электронных схемах дает ряд преимуществ:

• Простота реализации сложных функций обработки сигналов
• Высокая стабильность параметров схем
• Широкий динамический диапазон
• Низкий уровень шумов и искажений
• Возможность работы как с постоянным, так и с переменным током

Благодаря этим преимуществам ОУ широко используются в различных областях электроники — от простых усилителей до сложных измерительных приборов.

Ограничения и недостатки операционных усилителей

Несмотря на многочисленные достоинства, ОУ имеют и некоторые ограничения:

• Ограниченная полоса пропускания реальных ОУ
• Наличие входных токов смещения
• Напряжение смещения нуля
• Зависимость параметров от температуры
• Ограниченный диапазон выходного напряжения

Эти факторы необходимо учитывать при разработке схем на ОУ для обеспечения их стабильной работы.

Специальные схемы на операционных усилителях

Помимо базовых схем усилителей, ОУ позволяют реализовать множество специальных схем:

• Интегратор — для интегрирования входного сигнала
• Дифференциатор — для дифференцирования сигнала
• Сумматор — для сложения нескольких сигналов
• Компаратор — для сравнения двух напряжений
• Активные фильтры различных типов
• Генераторы сигналов

Эти схемы находят широкое применение в измерительной технике, системах управления, аудиотехнике и других областях.

Применение операционных усилителей в современной электронике

ОУ активно используются в различных электронных устройствах:

• Измерительные приборы (вольтметры, осциллографы)
• Аудиоаппаратура (предусилители, эквалайзеры)
• Системы автоматического управления
• Аналого-цифровые и цифро-аналоговые преобразователи
• Источники питания и стабилизаторы напряжения
• Медицинская электроника

Универсальность и удобство применения делают ОУ незаменимыми компонентами во многих областях современной электроники.

Калейдоскоп схем на операционных усилителях

Операционные усилители

Калейдоскоп схем на операционных усилителях

Подразделы: 4.09 4.10

Мы предоставляем читателю право самостоятельно проанализировать работу приведенных ниже схем.

Схема с инвертированием по выбору. Схемы, представленные на рис. 4.14, позволяют инвертировать входной сигнал или пропускать его без инвертирования в зависимости от положения переключателя. Положение переключателя определяет также коэффициент усиления по напряжению — он может быть равен или +1, или -1.

Рис. 4.14.

Упражнение 4.5. Покажите, что схемы, представленные на рис. 4.14, работают так, как сказано выше.

Повторитель со следящей связью. В транзисторных усилителях на величину входного импеданса могут влиять цепи смешения; такая же проблема возникает при использовании ОУ, особенно с межкаскадными связями по переменному току, когда ко входу обязательно должен быть подключен заземленный резистор. Схема со следящей связью, представленная на рис. 4.15. позволяет решить эту проблему. Как и в транзисторной схеме со следящей связью (разд. 2.17), конденсатор емкостью 0,1 мкФ вместе с верхним резистором с сопротивлением 1 МОм образует для входных сигналов высокоомную входную цепь. Низкочастотный спад усиления для этой схемы начинается на частоте 10 Гц, на более низких частотах на спаде усиления начинает сказываться влияние обоих конденсаторов и ослабление оценивается величиной 12дБ/октава. Замечание: у вас может появиться искушение уменьшить величину входного конденсатора связи, так как его нагрузка привязана к высокому импедансу. Однако, это может привести к появлению пика в частотной характеристике, как в характеристике схемы активного фильтра (см. разд. 5.06).

Рис. 4.15.

Идеальный преобразователь тока в напряжение. Напомним, что простейшим преобразователь тока в напряжение — это всего — навсего резистор. Однако у него есть недостаток, который состоит в том, что для источника входного сигнала входное сопротивление такого преобразователя не равно нулю; этот недостаток может оказаться очень серьезным, если устройство, обеспечивающее входной ток, имеет очень малый выходной рабочий диапазон или не может обеспечить постоянство тока при изменении выходного напряжения. Примером может служить диодный фотоэлемент (фотодиод), или солнечная батарея. Небольшой светочувствительностью обладают даже обычные диоды в прозрачных корпусах, которые используются почти в любой схеме (известно немало историй о загадочном поведении схем которое в конце концов было объяснено этим эффектом). На рис. 4.16 представлена хорошая схема для преобразования тока в напряжение, в которой потенциал входа поддерживается строго равным потенциалу земли. Инвертирующий вход имеет квазинуль потенциала; это очень хорошо, так как фотодиод может создавать потенциал, равный всего нескольким десятым долям вольта. Представленная схема обеспечивает преобразование тока в напряжение в отношении 1 В на 1 мкА входного тока. (В ОУ с биполярными плоскостными транзисторами на входах иногда между неинвертирующим входом и землей включают резистор: его функции мы определим, когда будем обсуждать недостатки операционных усилителей).

Рис. 4.16.

Безусловно, этот преобразователь тока в напряжение можно с таким же успехом использовать с элементами, через которые протекает ток при наличии положительного напряжения возбуждения, например U_кк. В такую схему часто включают фотоумножители и фототранзисторы (оба элемента под воздействием света начинают потреблять ток от положительно источника питания (рис. 4.17).

Упражнение 4.4. Используя ОУ типа 411 и измерительный прибор на 1 мА (полный размах шкалы), разработайте схему «идеального» измерителя тока (т.е. с нулевым входным импедансом) с полным размахом шкалы, рассчитанным на 5 мА. Разработайте схему так, чтобы входной сигнал никогда не превышал ±150% полного размаха шкалы. Предположите, что диапазон выходного сигнала для ОУ типа 411 составляет ±13 В (источники питания ±15 В), а внутреннее сопротивление измерительного прибора равно 500 Ом.

Рис. 4.17.

Дифференциальный усилитель. На рис. 4.18 представлена схема дифференциального усилителя, коэффициент усиления которого равен R₂/R₁. В этой схеме, как и в схеме источника тока с согласованными резисторами, для получения высокого значения КОСС необходимо обеспечить точное согласование резисторов. Для этого лучше всего при первом удобном случае создать запас резисторов с сопротивлением 100 кОм и точностью 0,01%. Коэффициент усиления дифференциального усилителя будет равен единице, но этот недостаток легко устранить за счет последующих усилительных каскадов (с несимметричным входом). Более подробно дифференциальные усилители рассмотрены в гл. 7.

Рис. 4.18.

Суммирующий усилитель. Схема, показанная на рис. 4.19, представляет собой один из вариантов инвертирующего усилителя. Точка X имеет потенциальный нуль, поэтому входной ток равен U₁/R + U₂/R + U₃/R, отсюда U_вых = — (U_l + U₂ + U₃). Обратите внимание, что входные сигналы могут быть как положительными, так и отрицательными. Кроме того, входные резисторы не обязательно должны быть одинаковыми; если они неодинаковы, то получим взвешенную сумму. Например, схема может иметь 4 входа, на каждом из которых напряжение равно + 1 В или О В; входы представляют двоичные значения: 1, 2, 4 и 8. Если использовать резисторы с сопротивлением 10, 5, 2,5 и 1,25 кОм. то снимаемое с выхода напряжение (в вольтах) будет пропорционально двоичному числу, которое задано на входе. Эту схему нетрудно расширить до нескольких цифр. Описанный метод представления чисел лежит в основе цифро-аналогового преобразования, правда, на входе преобразователя обычно используют другую схему (резистивную сетку R — 2R).

Рис. 4.19.

Упражнение 4.5. Постройте схему цифро-аналогового преобразователя на две десятичные цифры, подобрав соответствующим образом входные резисторы для суммирующего усилителя. Цифровой вход должен представлять собой две цифры; каждый вход должен состоять из четырех шин, соответствующих значениям 1, 2, 4 и 8, из которых формируется десятичная цифра. Потенциал входной шины может быть равен потенциалу земли или +1 В, т. е. восемь входных шин соответствуют числам 1, 2, 4. 8. 10. 20, 40 и 80. В связи с тем, что диапазон выходного сигнала ограничен значениями ±13 В, нужно сделать так, чтобы выходное напряжение (в вольтах) составляло одну десятую часть числа на входе.

Предусилитель для электромагнитного звукоснимателя. Предусилитель для звукоснимателя по стандарту RIAA представляет собой пример усилителя с частотной характеристикой особого вида. При записи звука на пластинку амплитудная характеристика имеет почти плоский вид, с другой стороны, электромагнитный звукосниматель реагирует на скорость движения иглы в бороздке диска, следовательно, усилитель воспроизведения должен иметь подъем частотной характеристики на низких частотах. Такую характеристику обеспечивает схема, показанная на рис. 4.20. График представляет собой частотную характеристику усилителя воспроизведения (построенную относительно значения коэффициента усиления 0 дБ при частоте 1 кГц), точки перегиба графика отмечены в единицах времени. Заземленный конденсатор емкостью 47 мкФ уменьшает коэффициент усиления по постоянному току до единицы, в противном случае он был бы равен 1000; как упоминалось выше, это делается для того, чтобы устранить усиление входного сдвига по постоянному току Использованная в примере интегральная схема типа LM833 представляет собой сдвоенный ОУ, предназначенный для использования в звуковом диапазоне («золотой» для данного примера является схема типа LM1028, которая в 13 дБ раз тише ив 10 дБ раз дороже, чем схема типа 833!).

Рис. 4.20. Операционный усилитель в схеме предусилителя звуковых частот для электрофонов с электромагнитной головкой и коррекцией частотной характеристики по стандарту RIAA.

Усилитель мощности (бустер). Для получения больших выходных токов к выходу ОУ можно подключить мощный транзисторный повторитель (рис. 4.21). В примере использован неинвертирующий усилитель, но повторитель можно подключать к любом операционному усилителю. Обратите внимание, что сигнал обратной связи снимается с эмиттера; следовательно, обратная связь определяет нужное выходное напряжение независимо от падения напряжения U_бэ. При использовании этой схемы возникает обычная проблема, связанная с тем, что повторитель может только отдавать ток (для n-p-n — транзистора). Как и в случае транзисторного повторителя, проблема решается применением двухтактного варианта схемы (рис. 4.22). В дальнейшем мы покажем, что ограниченная скорость, с которой может изменяться напряжение на выходе (скорость нарастания), накладывает серьезные ограничения на быстродействие усилителя в переходной области и вызывает переходные искажения. Если усилитель будет использоваться в системе с малым быстродействием, то смешать двухтактную пару в состоянии покоя не нужно, так как переходные искажения будут в основном устранены за счет обратной связи. Промышленность выпускает несколько типов интегральных схем усилителей мощности для операционных усилителей, например LT1010, ОРА633 и 3553. Эти двухтактные усилители с единичным коэффициентом усиления работают на частотах до 100 МГц и выше, их выходной ток равен 200 мА. Их смело можно охватывать петлей обратной связи.

Рис. 4.21.

Рис. 4.22.

Источник питания. Операционный усилитель может работать как усилитель в стабилизаторе напряжения с обратной связью (рис. 4.23). Операционный усилитель сравнивает выходное напряжение с эталонным напряжением стабилитрона и соответственно управляет составным транзистором Дарлингтона, выполняющим функции «проходного транзистора». Эта схема обеспечивает стабилизированное напряжение 10 В при протекании через нагрузку тока до 1 А. Некоторые замечания по этой схеме:
1. Делитель, с которого снимается выходное напряжение, может быть выполнен в виде потенциометра, тогда выходное напряжение можно будет регулировать.
2. Для ослабления пульсаций на зенеровском диоде (стабилитроне) резистор с сопротивлением 10 кОм полезно заменить источником тока. Другой вариант состоит в том, чтобы смещение зенеровского диода задавать от выходного сигнала; в этом случае вы с пользой применяете стабилизатор, который построили. Замечание: если вы захотите воспользоваться этим трюком, то внимательно проанализируйте вашу схему и убедитесь в том, что она запускается, когда на нее подается питание.
3. Схема, подобная рассмотренной, может быть повреждена при возникновении короткого замыкания на выходе. Это связано с тем, что при этом ОУ стремится обеспечить протекание через составной транзистор очень большого тока. В стабилизированном источнике питания всегда следует предусматривать схему для ограничения «аварийного» тока (более подробно вы познакомитесь с этим вопросом в разд. 6.05).
4. Промышленность выпускает разнообразные стабилизаторы напряжения в интегральном исполнении, начиная от освященных временем интегральных схем типа 723 до недавно появившихся 3-выводных регулируемых стабилизаторов с внутренними средствами ограничения тока и ограничения по перегреву (см. табл. 6.8-6.10). Эти устройства, в которых имеются встроенные температурно-компенсированный источник эталонного напряжения и проходной транзистор, Так удобны в работе, что операционные усилители общего назначения теперь почти никогда не используются в стабилизатоpax напряжения. Исключением являются случаи, когда стабильное напряжение нужно сформировать внутри схемы. уже имеющей стабилизированный источник напряжения.

Рис. 4.23.

В гл. 6 мы подробно поговорим о стабилизаторах напряжения и источниках питания и рассмотрим специальные интегральные схемы, предназначенные для использования в качестве стабилизаторов напряжения.

Подразделы: 4.09 4.10

Подробный анализ работы операционных усилителей

Схема операционного усилителя: обзор простейших примеров

Содержание

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

---

Схема операционного усилителя — это такая «штука», которая позволяет всячески оперировать аналоговыми сигналами. Самые простейшие и основные — это усиление, ослабление, сложение, вычитание и много других (например, дифференцирование или логарифмирование). Абсолютное большинство операций на операционных усилителях (далее ОУ) выполняются с помощью положительных и отрицательных обратных связей.

В данной статье будем рассматривать некий «идеал» ОУ, т.к. переходить на конкретную модель не имеет смысла. Под идеалом подразумевается cхема операционного усилителя, где входное сопротивление будет стремиться к бесконечности (следовательно, входной ток будет стремиться к нулю), а выходное сопротивление — наоборот, будет стремиться к нулю (это означает, что нагрузка не должна влиять на выходное напряжение). Также, любая идеальная схема операционного усилителя должна усиливать сигналы любых частот. Ну, и самое важное, коэффициент усиления при отсутствующей обратной связи должен также стремиться к бесконечности.

Ближе к делу

Операционный усилитель на схемах очень часто обозначается равносторонним треугольничком. Слева расположены входы, которые обозначены «-» и «+», справа — выход. Напряжение можно подавать на любой из входов, один из которых меняет полярность напряжения (поэтому его назвали инвертирующим), другой — не меняет (логично предположить, что он называется неинвертирующий).

Питание схемы операционного усилителя, чаще всего, двуполярное. Обычно, положительное и отрицательное напряжение питания имеет одинаковое значение (но разный знак!). В простейшем случае можно подключить источники напряжения прямо ко входам ОУ. И тогда напряжение на выходе будет рассчитываться по формуле:

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

Посмотрим на идеальную схему операционного усилителя с точки зрения Proteus

Предлагаю «поиграть» с ним. На неинвертирующий вход подали напряжение в 1В. На инвертирующий 3В. Используем «идеальный» ОУ. Итак, получаем: (1V-3V)•10⁶=-2•10⁶V. Но тут у нас есть ограничитель, т.к. мы не сможем усилить сигнал выше нашего напряжения питания. Таким образом, на выходе все равно получим -15В. Итог:

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

Реальное применение схемы операционного усилителя на примере инвертирующего и неинвертирующего усилителей

Есть два таких основных правила:

I. Выход операционного усилителя стремится к тому, чтобы дифференциальное напряжение (разность между напряжением на инвертирующем и неинвертирующем входах) было равно нулю.

II. Входы ОУ не потребляют тока.

Первое правило реализуется за счет обратной связи. Т.е. напряжение передается с выхода на вход таким образом, что разность потенциалов становится равной нулю.

Это, так сказать, «священные каноны» в теме ОУ.

А теперь, конкретнее. Инвертирующий усилитель выглядит именно так (обращаем внимание на то, как расположены входы):

Исходя из первого «канона» получаем пропорцию:

, и немного «поколдовав» с формулой выводим значение для коэффициента усиления инвертирующего ОУ:

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

Следующий этап — неинвертирующий усилитель.

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

, но применяя первое правило, можно утверждать, что

U=U_in

И снова «грандиозные» познания в области высшей математики позволяют перейти к формуле:

Приведу исчерпывающий скрин, который можете перепроверить, если хотите:

Пара интересных схем

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

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

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

Также, обращаем внимание на то, что R1 = R2 = R3 = R4, а R5 = R6. Формула расчета в данном случае будет:

(знакомо, не так ли?)

Таким образом, видим, что значения напряжений, которые подаются на неинвертирующий вход «обретают» знак плюс. На инвертирующий — минус.

Заключение

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

Источник: habr.com

Операционные усилители Усилители напряжения

• Изучив этот раздел, вы сможете:
• Сравните идеальные и практичные операционные усилители.
• Понимание работы операционных усилителей
•   • Использование отрицательной обратной связи.
•   • Действующее правило для операционных усилителей.
•   • Правило напряжения для операционных усилителей.
•   • Инвертирующий усилитель напряжения.
•   • Неинвертирующий усилитель напряжения.

Рис. 6.7.1 Идеальный операционный усилитель

Идеальный операционный усилитель

Хотя в действительности идеального операционного усилителя не существует, реальный (практичный) операционный усилитель достаточно близок к идеалу. Идеальный усилитель должен, в дополнение к другим желательным параметрам, иметь как минимум бесконечно высокое входное сопротивление, выходное сопротивление равное нулю Ом, бесконечно высокий коэффициент усиления и бесконечно широкую полосу пропускания. В таблице 1 сравниваются некоторые важные параметры, такие как входное сопротивление (Z

IN ), входной ток смещения (I _IN ), большой коэффициент усиления по напряжению сигнала (A _V ) и выходное сопротивление (Z _OUT ) некоторых типичных реальных (практических) операционных усилителей с «идеальными» рабочими характеристиками. модель усилителя:

Таблица 1: Идеальный усилитель против практичного операционного усилителя
	З В	И В	А В	З ВЫХОД
Идеальный операционный усилитель	Бесконечность.	Ноль.	Бесконечность	0 Ом
741	2 МОм	80 нА	от 316 до 200 000 (от 50 дБ до 106 дБ)	Зависит от усиления и обратной связи, но обычно от менее 100 Ом до более 1 кОм
TLC271	1ТОм	60 пА	от 5 000 до 46 000 (от 74 дБ до 93 дБ) мин.
LMC660	>1 ТОм	0,002 пА	от 40 000 до 990 000 (от 92 дБ до 126 дБ)

Отрицательная обратная связь

Существует два основных метода подключения усилителей напряжения на операционных усилителях, которые превращают операционный усилитель в инвертирующий или неинвертирующий усилитель напряжения. В каждом случае усиление по напряжению усилителя задается просто соотношением двух резисторов. Использование усилителя с очень высоким коэффициентом усиления и применение отрицательной обратной связи позволяет получить очень стабильный усилитель с коэффициентом усиления, практически не зависящим от изменений температуры или изменений характеристик полупроводников. Как и в усилителях на дискретных компонентах, описанных в Модуле усилителей 3, отрицательная обратная связь также уменьшает искажения и шум в дополнение к увеличению полосы пропускания усилителя.

Правила для операционных усилителей

Идеальные операционные усилители при использовании с обратной связью работают так, как можно предсказать с помощью нескольких основных правил, часто называемых «золотыми правилами».

Правило 1. Правило напряжения.

Выходной сигнал операционного усилителя будет изменяться по мере необходимости, чтобы два входных напряжения оставались одинаковыми. Если какой-либо входной сигнал или напряжение пытается изменить входные потенциалы, выходной сигнал операционного усилителя изменит полярность, противоположную входной, и через петлю обратной связи удержит разницу между двумя входами на уровне 0 В.

Правило 2. Текущее правило.

Поскольку входное сопротивление бесконечно велико, ток не может течь ни на один из входов.

Эти правила, используемые в отношении идеального операционного усилителя, могут быть использованы для облегчения понимания работы двух основных схем усилителя напряжения. На небольшие различия между идеальными и практическими операционными усилителями можно временно не обращать внимания.

Рис.6.7.3 Инвертирующий усилитель

Инвертирующий усилитель

На рис. 6.7.3 показан инвертирующий усилитель, в этой конфигурации входной сигнал подается на инвертирующий (-) вход для получения противофазного выходного сигнала. амплитуда которого V _в x A _vcl , где A _vcl — коэффициент усиления операционного усилителя с обратной связью.

Отрицательная обратная связь используется для снижения очень высокого максимального коэффициента усиления операционного усилителя до требуемого уровня. Коэффициент усиления замкнутого контура (A _vcl ) устанавливается просто отношением R _f к R _в

. Как работает инвертирующий усилитель

. Применяя два правила к идеальному операционному усилителю, показанному на рис. 6.7. .3a можно предположить, что:

Контакт 3 находится под напряжением 0 В, так как он соединен с землей через R3, на котором не будет возникать напряжения, поскольку на контакт 3 не поступает ток (правило 2), поэтому контакт 2 также будет быть на уровне 0 В (Правило 1).

Следовательно, R _в и R _f эффективно соединены последовательно между V _в и V _{на выходе} , при этом контакт 2 между двумя резисторами удерживается на уровне 0 В.

Ток не может протекать через контакт 2 (Правило 2), поэтому ток, протекающий через V _в , не может протекать в операционный усилитель, поэтому он должен проходить через R _f к выходу.

Диаграмма на рис. 6.7.3b показывает, что фактически R _в и R _f представляют собой два резистора, соединенных последовательно между V _на и V _на с выводом 2 на 0 В.

Хотя контакт 2 на самом деле не соединен с землей, на нем должно быть то же напряжение, что и на контакте 3 (правило 1), т.е. 0 В (из-за правила 2). Этот важный эффект создания некоторого места в цепи, которое фактически не подключено к земле, но поддерживает потенциал 0 В, называется «виртуальной землей» (или виртуальной землей).

Таким образом, любой входной ток (I _в ) поступает непосредственно от входа через R _в и R _f к выходу, при этом R _в и R _f образуют делитель потенциала между напряжениями противоположной полярности V _в и V _{на выходе} с контактом 2 в 0 В.

Ток через цепь последовательного резистора одинаков для каждого резистора, поэтому входное напряжение V _в будет пропорционально сопротивлению R _в , а напряжение на R _f будет пропорционально сопротивлению R _f

Обратите внимание, что поскольку R _f эффективно подключен между выходной клеммой и виртуальной землей (0 В), напряжение на R _f также равно V _out . Это делает R _f / R _в равным V _из / V _в (коэффициент усиления усилителя), и, следовательно, коэффициент усиления замкнутого контура инвертирующего усилителя напряжения на операционном усилителе (A _vcl ) равен по уравнению:

Обратите внимание, что формула говорит только о соотношении резисторов, а не об их фактических значениях. К счастью, в аудиоусилителях значения не слишком критичны, обычно допустимо поддерживать значения резисторов в диапазоне от 10 до 100 кОм. Тем не менее, стоит попытаться сохранить R 9.0025 в как можно более высокое сопротивление, а также в практическом усилителе, вместо прямого заземления неинвертирующего входа он должен быть заземлен резистором с тем же значением, что и R _в , чтобы сохранить (крошечные) входные токи равный. Это дает больше шансов, что выходное напряжение равно нулю вольт (или близко к нему), когда вход равен нулю вольт.

Неинвертирующий усилитель

Рис.6.7.4 Неинвертирующий усилитель

В неинвертирующем усилителе, показанном на рис. 6.7.4a, вход подается на неинвертирующий вход (контакт 3), в то время как резистор отрицательной обратной связи (R _f ) вместе с R1 задают коэффициент усиления замкнутого контура усилителя.

Теперь входные и выходные сигналы совпадают по фазе, что меняет работу схемы. Как показано на рис. 6.7.4b, схема не имеет точки виртуальной земли, но нижний конец резистора R1 соединен с землей, что означает, что контакт 2 будет следовать за изменяющимся входным напряжением V _в на контакте 3 (правило 1).

R _f и R1 теперь образуют делитель потенциала между V _из и 0V. Как и в инвертирующем усилителе, ток не будет течь через контакт 2 (правило 2), поэтому напряжения на резисторах R1 и R _f будут пропорциональны их индивидуальным сопротивлениям. Отношение этих сопротивлений и, следовательно, отношение V _к к V _к , т. е. коэффициент усиления замкнутого контура определяется стандартной формулой делителя потенциала (R _f + R1) / R1.

К началу страницы

 

5.3: Операционный усилитель (операционный усилитель) и схемы операционных усилителей

1. Последнее обновление

2. Сохранить как PDF

Идентификатор страницы

7651

• William L.
  Hallauer Jr.
• Политехнический институт и университет штата Вирджиния через Virginia Tech Libr Инициатива открытого образования арий

Рисунок \(\PageIndex{1}\) — стандартный графический символ операционного усилителя (ОУ). Операционный усилитель имеет «положительный» входной порт, который принимает входное напряжение \(e_{i p}\), и «отрицательный» входной порт, который принимает входное напряжение \(e_{i n}\). Символы \(e_{i p}\) и \(e_{i n}\) являются просто метками; они не предназначены для ограничения полярности этих входных напряжений, каждое из которых может быть как положительным, так и отрицательным относительно потенциала земли. Операционный усилитель имеет одно выходное напряжение, обозначенное \(e_{o}\) на рисунке \(\PageIndex{1}\). Фундаментальное идеальное соотношение между выходом и входом операционного усилителя (Horowitz and Hill, 19).80, глава 3)

\[e_{o}=K\left(e_{i p}-e_{in}\right)\label{eqn:5.10} \]

В уравнении \(\ref{eqn:5. {5}\right)\). (Это уравнение представляет собой обычное математическое выражение, означающее «\(K\) порядка или больше 10 ⁵ .»). Еще одной важной характеристикой операционного усилителя является чрезвычайно высокое сопротивление входных портов, порядка от 10 ⁶ \(\Омега\) до 10 ¹² \(\Омега\). Практическим следствием такого высокого сопротивления является то, что через входные порты может протекать практически нулевой ток.

Рисунок \(\PageIndex{1}\): Операционный усилитель (операционный усилитель)

Операционный усилитель — это активное устройство, требующее внешнего питания для получения высокого коэффициента усиления, в отличие от простых пассивных элементов (резистор, конденсатор и катушка индуктивности) Раздел 5.2. Источник энергии (например, \(\pm\)15-вольтовый блок питания или пара 9-вольтовые батареи) обычно подключается к операционному усилителю, но это подключение обычно не указывается на графических изображениях, таких как рисунок \(\PageIndex{1}\).

Операционный усилитель сам по себе представляет собой сложную интегральную схему, состоящую из миниатюрных транзисторов и других электрических компонентов. Физическая форма операционного усилителя, чаще всего встречающаяся на печатных платах, приблизительно равна по размеру и внешне похожа на подвальную многоножку с черным телом (на самом деле, она больше похожа на 8- или 16-лапое насекомое, потому что на каждой стороне четыре или восемь металлических коннекторов, похожих на ножки).

Операционные усилители

не часто используются в конфигурации без обратной связи на рисунке \(\PageIndex{1}\). Большинство операционных усилителей могут работать линейно в соответствии с уравнением \(\ref{eqn:5.10}\) только в ограниченном диапазоне \(\pm E_{l i m}\) при выходном напряжении \(e_{o}\). Диапазон зависит от источника энергии, но обычно \(E_{l i m}\) порядка 10 В. Если входные напряжения \(e_{i p}\) и \(e_{i n}\) таковы, что Уравнение \(\ref{eqn:5.10}\) приводит численно к \(e_{o}\) больше, чем \(+E_{l i m}\) или меньше, чем \(-E_{l i m}\), тогда действительное операционный усилитель будет ограничивать и нелинейно зависать либо на \(+E_{l i m}\), либо на \(-E_{l i m}\) соответственно.

Когда это происходит, операционный усилитель считается равным 9.0291 перегружен или насыщен . Поскольку усиление \(K\) в уравнении \(\ref{eqn:5.10}\) очень велико, разность входных напряжений \(e_{i p}-e_{i n}\) явно должна быть очень малой, чтобы операционный усилитель для работы в линейном диапазоне, для которого он в первую очередь предназначен.

Для работы операционного усилителя в его линейном диапазоне почти всегда используется обратная связь . Когда есть электрическое соединение между выходным портом и отрицательным входным портом, говорят, что операционный усилитель подключен в по замкнутому контуру , с обратной связью от выхода к входу, конкретно в данном случае с отрицательной обратной связью . Эта отрицательная обратная связь делает разность входных напряжений \(e_{i p}-e_{i n}\) настолько малой, что для практических целей разницы нет, \(e_{i p} \приблизительно e_{i n}\).

Рисунок \(\PageIndex{2}\): Инвертирующий усилитель

. Мы можем проиллюстрировать практическое функционирование операционного усилителя, подробно проанализировав, вероятно, наиболее распространенную базовую схему, состоящую из операционного усилителя и резисторов, инвертирующий усилитель , изображенный на рисунке \(\PageIndex{2}\). Обратите внимание, что есть входной резистор \(R_{i}\) и отрицательная обратная связь через резистор обратной связи \(R_{f}\). Эти сопротивления выбраны порядка 10 ¹ -10 ⁴ \(\Омега\), что как минимум на два порядка меньше входных сопротивлений портов операционных усилителей. Обратите также внимание, что положительный входной порт заземлен, \(e_{i p}\) = 0 В. Следовательно, из уравнения \(\ref{eqn:5.10}\),

\[e_{o}=K\left(0-e_{i n}\right) \Rightarrow e_{i n}=-\frac{e_{o}}{K}\label{eqn:5.11} \]

Из-за чрезвычайно высокого сопротивления отрицательного входного порта относительно \(R_{i}\) и \(R_{f}\) ток через этот порт практически равен нулю, поэтому закон Кирхгофа для тока в этом случае требует ток обратной связи равен входному току, \(i_{i}=i_{f}\). Используя закон Ома, чтобы записать это условие непрерывности тока в единицах напряжения, мы получим

.

\[\frac{e_{i}-e_{i n}}{R_{i}}=\frac{e_{i n}-e_{o}}{R_{f}} \Rightarrow \frac{e_{i }-\left(-e_{o}/K\right)}{R_{i}}=\frac{\left(-e_{o}/K\right)-e_{o}}{R_{f} }\label{eqn:5.12} \]

С помощью небольшой алгебры (которую вы должны проверить самостоятельно), решение уравнения \(\ref{eqn:5.12}\) для выходного напряжения схемы через входное напряжение оказывается равным

.

\[e_{o}=-\frac{R_{f}}{R_{i}} e_{i} \frac{1}{1+\frac{1}{K}\left(1+\frac {R_{f}}{R_{i}}\right)}\label{eqn:5.13a} \]

Оценим знаменатель большой дроби в уравнении \(\ref{eqn:5.13a}\). В типичных применениях этой схемы отношение сопротивлений \(R_{f} / R_{i}\) составляет порядка 10 9{-3}\справа) \примерно 1\). (Это подтверждает более раннее утверждение о том, что имеет значение только большая величина \(K\), а точное значение не имеет значения.) Таким образом, вся большая дробь по существу равна единице, и уравнение \(\ref{eqn:5. 13a} \) значительно упрощается до

\[e_{o}=-\frac{R_{f}}{R_{i}} e_{i}\label{eqn:5.13b} \]

Выходное напряжение равно входному напряжению, усиленному коэффициентом \(R_{f} / R_{i}\), а знак инвертируется; отсюда и название инвертирующий усилитель .

Обратите также внимание на уравнение \(\ref{eqn:5.11}\), что напряжение на отрицательном входном порту пренебрежимо мало по сравнению с выходным (и входным) напряжением:

\[e_{i n}=-\frac{e_{o}}{K} \ приблизительно 0=e_{i p}(\text {напряжение заземленного порта})\label{eqn:5.14} \]

Другими словами, высокий коэффициент усиления операционного усилителя приводит к тому, что напряжение \(e_{i n}\) на отрицательном входном порту практически равно напряжению \(e_{i p}\) на положительном входном порту. Уравнение \(\ref{eqn:5.14}\) — это всего лишь частный случай упрощающего предположения, которое мы можем использовать в общем случае из уравнения \(\ref{eqn:5.10}\),

\[e_{i p}-e_{i n}=\frac{e_{o}}{K} \ приблизительно 0 \Rightarrow e_{i n}=e_{i p}\label{eqn:5. 15} \]

В анализе цепей уравнение \(\ref{eqn:5.15}\) считается полезным «правилом» или «аксиомой», а не просто предположением. В дальнейшем (если не указано иное, например, для домашнего задания или экзаменационной задачи) следует всегда применять правило Уравнение \(\ref{eqn:5.15}\) с самого начала вывода схемы ОУ с отрицательным обратная связь, потому что это значительно упрощает вывод. Например, если мы используем уравнение \(\ref{eqn:5.15}\) с самого начала для инвертирующего усилителя, то вывод становится двумя простыми шагами [используя \(e_{i n}=e_{i p}=0\) в уравнении \(\ref{eqn:5.12}\)]:

\[\frac{e_{i}-0}{R_{i}}=\frac{0-e_{o}}{R_{f}} \Rightarrow e_{o}=-\frac{R_{f }}{R_{i}} e_{i} \номер \]

На рисунке \(\PageIndex{3}\) показана чрезвычайно простая схема операционного усилителя с замкнутым контуром, полезная на практике. Сигнал входного напряжения направляется на положительный входной порт, и высокое сопротивление этого порта предотвращает протекание любого тока от источника входного сигнала. Уравнение \(\ref{eqn:5.15}\) в сочетании с соединением обратной связи утверждает, что выходное напряжение точно равно входному напряжению, \(e_{o}=e_{i}\). Эта схема операционного усилителя функционирует как изолятор тока и передатчик напряжения, и ее обычно называют Повторитель напряжения . Его основная ценность заключается в обеспечении буфера между двумя разными каскадами более сложной схемы: буфер позволяет выходному напряжению вышестоящего каскада быть входным напряжением нижестоящего каскада, не допуская протекания тока между двумя каскадами. Любой такой межкаскадный ток обычно вызывает неисправность обеих ступеней. Применение повторителя напряжения в качестве буфера между каскадами схемы показано в следующем разделе.

Рисунок \(\PageIndex{3}\): Повторитель напряжения

---

Эта страница под заголовком 5.3: Операционный усилитель (операционный усилитель) и схемы операционных усилителей распространяется под лицензией CC BY-NC 4.0, ее автором, ремиксом и/или куратором является Уильям Л. Халлауэр-младший (Wirginia Tech Libraries). Open Education Initiative) через исходный контент, отредактированный в соответствии со стилем и стандартами платформы LibreTexts; подробная история редактирования доступна по запросу.

1. Наверх

• Была ли эта статья полезной?

1. Тип изделия

   Раздел или страница

   Автор

   Уильям Л. Халлауэр мл.

   Лицензия

   CC BY-NC

   Версия лицензии

   4,0

   Показать оглавление

   нет

2. Теги

   1. инвертирующий усилитель
   2. операционный усилитель
   3. схемы операционных усилителей
   4. операционный усилитель
   5. источник@https://vtechworks.