Операционные усилители представляют собой микросхемы которые могут выглядеть по-разному.

Например на этой картинке изображены два операционных усилителя российского производства. Слева операционный усилитель К544УД2АР в  пластмассовом DIP корпусе а справа изображен операционник в металлическом  корпусе.

По началу, до знакомства с операционниками,     микросхемы в таких металлических корпусах я постоянно путал с транзисторами.  Думал что это такие хитромудрые  многоэмиттерные транзисторы 🙂

Условное графическое обозначение (УГО)

Условное обозначение операционного усилителя выглядит следующим образом.

Итак  операционный усилитель (ОУ) имеет два входа и один выход. Также имеются выводы для подключения питания но на условных графических обозначениях их обычно не указывают.

Для такого усилителя есть два правила которые помогут понять принцип работы:

1. Выход операционника стремится к тому, чтобы разность напряжений на его входах была равна нулю
2. Входы операционного усилителя ток не потребляют

Вход 1  обозначается знаком «+»  и называется неинвертирующим а вход 2 обозначается как «-» и является инвертирующим.

Входы операционника обладают высоким входным сопротивлением или иначе говорят высоким импедансом.

Это говорит о том, что  входы операционного усилителя ток почти не потребляют (буквально какие-то наноамперы). Усилитель просто оценивает величину напряжений на входах и в зависимости от этого выдает сигнал на выходе усиливая его.

Коэффициент усиления операционного усилителя имеет просто огромное значение,  может достигать миллиона, а это очень большое значение!  Значит это то, что если мы ко входу приложим небольшое напряжение, хотябы 1 мВ, то на выходе  получим сразу максимум,  напряжение почти равное напряжению источника питания ОУ. Из-за этого свойства операционники практически никогда не используют без обратной связи (ОС). Действительно какой смысл во входном сигнале если на выходе мы всегда получим максимальное напряжение, но об этом поговорим чуть позже.

Входы ОУ работают так, что если величина на неинвертирующем входе окажется больше чем на инвертирующем, то на выходе будет  максимальное положительное значение +15В. Если на инвертирующем входе величина напряжения  окажется более положительной то  на выходе будем наблюдать максимум отрицательной величины, где-то -15В.

Действительно операционный усилитель может выдавать значения напряжений как положительной так и отрицательной полярности. У новичка может возникнуть вопрос о том как же такое возможно? Но такое действительно возможно и это связано с применением источника питания с расщепленным  напряжением, так называемым двуполярным питанием. Давайте рассмотрим питание операционника чуток подробнее.

Правильное питание ОУ

Наверное не будет секретом, что для того, чтобы операционник работал, его нужно запитать, т.е. подключить его к источнику питания. Но есть интересный момент, как мы убедились чуток ранее операционный усилитель может выдавать на выход напряжения как положительной так и отрицательной полярности. Как такое может быть?

А такое быть может! Это связано с применением двуполярного источника питания, конечно возможно использование и однополярного источника но в этом случае возможности операционного усилителя будут ограничены.

Вообще в работе с источниками питания многое зависит от того что мы взяли за точку отсчета т.е. за 0 (ноль). Давайте с этим разберемся.

Пример на батарейках

 Обычно примеры проще всего приводить на пальцах но  в электронике думаю подойдут и пальчиковые батарейки 🙂

Допустим у нас есть обычная пальчиковая батарейка (батарейка типа АА). У нее есть два полюса плюсовой и минусовой. Когда минусовой полюс мы принимаем за ноль, считаем нулевой точкой отсчета то соответственно плюсовой полюс батарейки будет у нас показывать + 5В (значение с плюсом).

Это мы можем увидеть с помощью мультиметра (кстати статья про мультиметры в помощь), достаточно подключить   минусовой черный щуп к минусу батарейки а красный щуп к плюсу и вуаля. Здесь все просто и логично.

Теперь немножко усложним задачу и возьмем точно такую же вторую батарейку. Подключим батарейки последовательно и  рассмотрим как меняются показания измерительных приборов (мультиметров или вольтметров) в зависимости от различных точек приложения щупов.

Если мы за ноль приняли минусовой полюс крайней батарейки  а измеряющий щуп подключим к плюсу батарейки то  мультиметр нам покажет значение в +10 В.

Если за точку отсчета будет принят положительный полюс батарейки а измеряющий щуп был подключен к минусу то любой вольтметр нам покажет -10 В.

Но если за точку отсчета будет принята точка между двумя батарейками то в результате мы сможем плучить простой источник двуполярного питания. И вы можете в этом убедиться, мультиметр нам подтвердит что так оно и есть. У нас в наличии   будет напряжение как положительной полярности +5В так и  напряжение отрицательной полярности -5В.

Схемы источников двуполярного питания

Примеры на батарейках я привел для примера, чтобы было более понятно. Теперь давайте рассмотрим несколько примеров  простых схем источников расщепленного питания которые можно применять в своих радиолюбительских конструкциях.

Схема с трансформатором,  с отводом от «средней» точки

И первая схема источника питания для ОУ перед вами. Она достаточно простая но я немножко поясню принцип ее работы.

Схема питается от привычной нам домашней  сети  поэтому нет ничего удивительного что на первичную обмотку трансформатора приходит переменный ток в 220В. Затем трансформатор преобразует переменный ток 220В в такой же переменный но уже в 30В. Вот такую  вот нам захотелось произвести трансформацию.

Да на вторичной обмотке будет переменное напряжение в 30В но обратите внимание на отвод от средней точки вторичной обмотки. На вторичной обмотке сделано ответвление, причем количество витков до этого ответвления равно числу витков после ответвления.

Благодаря этому ответвлению мы можем получить на выходе вторичной обмотки переменное напряжение как в 30 В так и переменку в 15В. Это знание мы берем на вооружение.

Далее нам нужно переменку выпрямить и превратить в постоянку поэтому диодный мост нам в помощь. Диодный мост с этой задачей справился и на выходе мы получили не очень стабильную постоянку в 30В. Это напряжение будет нам показывать мультиметр если  мы подключим шупы к выходу диодного моста, но нам нужно помнить про ответвление на вторичной обмотке.

Это ответвление мы ведем далее и подключаем между электролитическими конденсаторами и затем между следующией парой высокочастотных кондерчиков. Чего мы этим добились?

Мы добились нулевой точки отсчета между полюсами потенциалов положительной и отрицательной полярности. В результате на выходе мы имеем достаточно стабильное  напряжение как +15В так и -15В. Эту схему конечно можно еще более улучшить если добавить стабилитроны или интегральные стабилизаторы но тем не менее приведенная схема уже вполне может справиться с задачей питания операционных усилителей.

Схема с двумя диодными мостами

Эта схема на мой взгляд проще, проще в том ключе, что нет необходимости искать трансформатор с ответвлением от середины или формировать вторичную обмотку самостоятельно. Но здесь придется раскошелиться на второй диодный мост.

Диодные мосты включены так, что положительный потенциал формируется с катодов диодиков первого моста, а отрицательный потенциал выходит с анодов диодов второго моста.  Здесь нулевая точка отсчета выводится между  двумя мостами. Упомяну также, что здесь используются разделительные конденсаторы, они оберегают один диодный мост от воздействий со стороны второго.

Эта схема также легко подвергается различным улучшениям, но самое главное она решает основную задачу — с помощью нее можно запитать операционный усилитель.

Обратная связь ОУ

Как я уже упоминал операционные усилители почти всегда используют с обратной связью (ОС). Но что представляет собой обратная связь и для чего она нужна? Попробуем с этим разобраться.

С обратной связью мы сталкиваемся постоянно: когда хотим налить в кружку чая или даже сходить в туалет по малой нужде 🙂 Когда человек управляет автомобилем или велосипедом то здесь также работает обратная связь. Ведь для того, чтобы ехать легко и непринужденно  мы вынуждены постоянно контролировать управление в зависимости от различных факторов: ситуации на дороге, технического состояния средства передвижения и так далее.

Если на дороге стало скользко ? Ага мы среагировали, сделали коррекцию и дальше двигаемся более осторожно.

В операционном усилителе все происходит подобным образом.

Без обратной связи при подаче на вход определенного сигнала на выходе мы всегда получим одно и тоже значение напряжения. Оно будет близко напряжению питания (так как коэффициент усиления очень большой). Мы не контролируем выходной сигнал. Но если часть сигнала с выхода мы отправим обратно на вход то что это даст?

Мы сможем контролировать выходное напряжение. Это управление будет на столько эффективным, что можно просто забыть про коэффициент усиления, операционник  станет послушным и предсказуемым потому что его поведение будет зависеть лишь от обратной связи. Далее я расскажу как можно эффективно управлять выходным сигналом  и как его контролировать, но для этого нам нужно знать некоторые детали.

Положительная обратная связь,  отрицательная обратная связь

Да, в  операционных усилителях применяют обратную связь и очень широко. Но обратная связь   может быть как положительной так и отрицательной. Надо бы разобраться в чем суть.

Положительная обратная связь это когда часть выходного сигнала поступает обратно на вход причем она (часть выходного) суммируется с входным.

Положительная обратная связь в операционниках применяется не так широко как отрицательная. Более того положительная обратная связь чаще бывает нежелательным побочным явлением некоторых схем и положительной связи стараются избегать.  Она является нежелательной потому, что эта связь может усиливать искажения в схеме и в итоге привести к нестабильности.

С другой стороны положительная обратная связь не уменьшает коэффициент усиления операционного усилителя что бывает полезно. А нестабильность также находит свое применение в компараторах, которые  используют в АЦП (Аналого-цифровых преобразователях).

Отрицательная обратная связь это такая связь когда часть выходного сигнала поступает обратно на вход но при этом она вычитается из входного

А вот отрицательная обратная связь просто создана для операционных усилителей. Несмотря на то, что она способствует некоторому ослаблению коэффициента усиления, она приносит в схему стабильность и управляемость.  В результате схема становится независимой от коэффициента усиления, ее свойства полностью управляются отрицательной обратной связью.

При использовании отрицательной обратной связи операционный усилитель приобретает одно очень полезное свойство. Операционник контролирует состояния своих входов и стремится к тому, потенциалы на его входах были равны. ОУ подстраивает свое выходное напряжение так, чтобы результирующий входной потенциал (разность Вх.1 и Вх.2) был нулевым.

Подавляющая часть схем на операционниках строится с применением отрицательной обратной связи! Так что для того чтобы разобраться как работает отрицательная связь нам нужно рассмотреть схемы включения ОУ.

Схемы включения операционных усилителей

Схемы включения операционных усилителей могут быть весьма разнообразны поэтому мне врятля удастся  рассказать о каждой но  я постараюсь рассмотреть основные.

Компаратор на ОУ

Формулы для  компараторной схемы будут следующие:

Т.е. в результате будет напряжение соответствующее логической единице.

Т.е. в результате будет напряжение соответствующее логическому нулю.

Схема компаратора обладает высоким входным сопротивлением (импедансом) и низким выходным.

Рассмотрим для начала вот такую схему включения  операционника  в режиме компаратора.  Эта схема включения лишена обратной связи.  Такие схемы применяются в цифровой схемотехнике когда нужно оценить сигналы на входе, выяснить какой больше  и выдать результат в цифровой форме. В итоге на выходе будет логическая 1 или логический ноль (к примеру 5В это 1 а 0В это ноль).

Допустим  напряжение стабилизации стабилитрона  5В,  на вход один мы приложили 3В а к входу 2 мы приложили 1В. Далее в компараторе происходит следующее, напряжение на прямом входе 1  используется как есть (просто потому что это неинвертирующий вход) а напряжение на инверсном входе 2 инвертируется. В результате где было 3В так и остается 3В а где был 1В будет -1В.

В результате 3В-1В =2В, но благодаря коэффициенту усиления операционника на выход пойдет напряжение равное напряжению источника питания, т.е. порядка 15В. Но стабилитрон отработает и на выход пойдет 5В что соответствует логической единице.

Теперь представили, что на вход 2 мы кинули 3В а на вход 1 приложили 1В. Операционник все это прожует, прямой вход оставит без изменений, а инверсный (инвертирующий)  изменит на противоположный  из 3В сделает -3В.

В результате 1В-3В=-2В, но согласно логике работы на выход пойдет минус источника питания т.е. -15В. Но у нас стоит стабилитрон и он это не пропустит и на выходе у нас будет величина близкая нулю. Это и будет логический ноль для цифровой схемы.

Триггер Шмитта на ОУ

Чуть ранее мы рассматривали такую схему включения ОУ как компаратор. В компараторе сравниваются два напряжения на входе и выдается результат на выходе. Но чтобы сравнивать входное напряжение с нулем нужно воспользоваться схемой представленной чуть выше.

Здесь сигнал подается на инвертирующий вход а прямой вход посажен на землю, на ноль.

Если на входе у нас напряжение больше нуля то на выходе будем иметь  -15В. Если напряжение меньше нуля то на выходе будет+15В.

Но что случится если мы захотим подать напряжение равное нулю? Такое напряжение никогда не получится сделать, ведь идеального нуля не бывает и сигнал на входе хоть на доли микровольт но обязательно будет меняться в ту или другую сторону.  В результате на выходе будут полный хаос, выходное напряжение будет многократно скакать  максимума до минимума что на практике совершенно не удобно.

Для избавления от подобного хаоса вводит гистерезист — это некий зазор в пределах которого сигнал на выходе не будет меняться.

Этот зазор позволяет реализовать данная схема посредством положительной обратной связи.

Представим, что на вход мы подали 5В , на выходе в первое мгновение получится сигнал напряжением в -15В. Далее начинает отрабатывать положительная обратная связь.  Обратная связь образует делитель напряжения в результате чего на прямом входе операционника появится напряжение -1,36В.

На инверсном входе у нас сигнал более положительный поэтому  операционный усилитель отработает следующим образом.  Внутри него сигнал в 5В инвертируется и становится -5В, далее два сигнала складываются и получается отрицательное значение. Отрицательное значение благодаря коэффициенту усиления станет -15В. Сигнал на выходе не изменится пока сигнал на входе не опустится менее -1,36В.

Пусть сигнал на входе изменился и стал -2В. В нутрях это -2В инвертируется и станет +2В, а -1,36В как был так и останется. Далее все это складывается и получается положительное значение которое на выходе превратится в +15В.  На прямом входе значение -1,36В благодаря обратной связи превратится в +1,36В. Теперь чтобы изменить значение на выходе на противоположное нужно подать сигнал более 1,36В.

Таким образом у нас появилась зона с нулевой чувствительностью с диапазоном от -1,36В до +1,36В. Такая зона нечувствительности носит название гистерезис.

Повторитель

Наиболее простой обладатель отрицательной обратной связи это повторитель.

Повторитель выдает на выходе то напряжение, которое было подано на его вход. Казалось бы для чего  это нужно ведь от этого ничего не меняется. Но в этом есть смысл, ведь вспомним свойство операционника, он обладает высоким входным сопротивлением и низким выходным. В схемах повторители выступают в роли буфера, который оберегает от перегрузок хилые выходы.

Чтобы понять как он работает отмотаете чуток назад, там где мы обсуждали отрицательную обратную связь. Там я упоминал, что в случае с отрицательной обратной связью операционник всеми возможными способами стремится к равному потенциалу по своим входам.  Для этого он подстраивает напряжение на своем выходе так, чтобы разность потенциалов на его входах равнялась нулю.

Так допустим на входе у нас 1В. Чтобы потенциалы на входах были раны на инвертирующем входе должен быть также 1В. На то  он и повторитель.

Неинвертирующий усилитель

Схема неинвертирующего усилителя очень похожа на схему повторителя, только здесь обратная связь представлена делителем напряжения и посажена на землю.

Посмотрим как все это работает. Допустим на вход подано 5В, резистор R1 = 10Ом, резистор R2 = 10Ом. Чтобы напряжение на входах были равны, операционник вынужден поднять напряжение на выходе так, чтобы потенциал на инверсном входе сравнялся с прямым. В данном случае делитель напряжения делит пополам, получается, что напряжение на выходе должно быть  в два раза больше напряжения на входе.

Вообще чтобы применять эту схему включения даже не нужно  ничего ворошить в голове, достаточно воспользоваться формулой, где достаточно узнать коэффициент К.

Инвертирующий усилитель

И сейчас мы рассмотрим работу такой схемы включения как инвертирующий усилитель.  Для инвертирующего усилителя  есть такие формулы:

Инвертирующий усилитель позволяет усиливать сигнал одновременно инвертируя (меняя знак ) его . Причем коэффициент усиления мы можем задать любой. Этот коэффициент усиления мы формируем посредством отрицательной обратной связи, которая представляет собой делитель напряжения.

Теперь попробуем его в работе, допустим на входе у нас сигнал в 1В, резистор R2 = 100Ом, резистор R1 = 10Ом. Сигнал со входа идет через R1, затем R2  и на выход.  Допустим сигнал на выходе невероятным образом стал 0В. Рассчитаем делитель напряжения.

1В/110=Х/100, отсюда Х = 0,91В

Получается что в точке А потенциал равен 0,91В,  но это противоречит правилу операционного усилителя. Ведь операционник стремится уравнять потенциалы на своих входах. Поэтому потенциал в точке А будет равен нулю и равен потенциалу в точке B.

Как сделать так чтобы на входе был 1В а в точке А  был 0В?

Для этого нужно уменьшать напряжение на выходе.  И в результате мы получаем

К сожалению инвертирующий усилитель обладает одним явным недостатком — низким входным сопротивлением, которое равняется резистору R1.

Сумматор инвертирующий

А эта схема включения позволяет складывать множество входных напряжений. Причем напряжения могут быть как положительными так и отрицательными. По истине на операционниках можно строить аналоговые компьютеры. Так чтож давайте разбираться.

Основой сумматора служит все тот же инвертирующий усилитель только с одним отличием, вместо одного входа он может иметь этих входов сколько угодно. Вспомним формулку и инвертирующего усилка.Потенциал точки Х будет равен нулю поэтому сумма токов входящих с каждого входа будет выглядеть вот так:Если нашей целью является чистое сложение входных напряжений то все резисторы в этой схеме выбираются одного номинала.  Это приводит также что коэффициент усиления для каждого входа будет равен 1. Тогда формула для инвертирующего усилителя принимает вид: 

Ну чтож, я думаю что с работой сумматора и других схем включения на операционниках разобраться не трудно. Достаточно немножко попрактиковаться и попробовать собрать эти схемы и посмотреть что происходит с входными и выходными сигналами.

А я на этом пожалуй остановлюсь ведь в работе с операционными усилителями применяются очень много различных схем включения, это различные преобразователи ток-напряжение,  сумматоры, интеграторы и логарифмирующие усилители и все их рассматривать можно очень долго.

Если вас заинтересовали другие схемы включения и хотите с ними разобраться то советую полистать книжку П.Хоровица и У.Хилла,  все обязательно встанет на свои места.

А на этом я буду завершать, тем более статья получилась достаточно объемной и  после написания ее нужно чутка подшлифовать и навести марафет.

Друзья, не забывайте подписываться на обновления блога, ведь чем больше читателей подписано на обновления тем больше я понимаю что  делаю что-то важное и полезное и это чертовски мотивирует на новые статьи и материалы.

Кстати друзья, у меня возникла одна классная идея и мне очень важно слышать ваше мнение. Я подумываю выпустить обучающий материал   по операционным усилителям, этот материал будет в виде обычной pdf книжки или видеокурса, еще не решил. Мне кажется что несмотря на большое обилие информации в интернете и в литературе все=таки не хватает наглядной практической информации, такой, которую сможет понять каждый.

Так вот, напишите пожалуйста в комментариях какую информацию вы хотели бы видеть в этом обучающем материале чтобы я мог выдавать не просто полезную информацию а информацию которая действительно востребована.

А на этом у меня все, поэтому я желаю вам удачи, успехов и прекрасного настроения, даже не смотря на то что за окном зима!

С н/п Владимир Васильев.

P.S. Друзья, обязательно подписывайтесь на обновления! Подписавшись вы будете получать новые материалы себе прямо на почту! И кстати каждый подписавшийся получит полезный подарок!

popayaem.ru

Операционный усилитель | Описание и принцип работы.

Что такое операционный усилитель

Операционный усилитель (ОУ) англ. Operational Amplifier (OpAmp), в народе – операционник, является усилителем постоянного тока (УПТ) с очень большим коэффициентом усиления. Словосочетание «усилитель постоянного тока» не означает, что операционный усилитель может усиливать только постоянный ток. Имеется ввиду, начиная с частоты в ноль Герц, а это и есть постоянный ток.

Термин «операционный» укрепился давно, так как первые образцы ОУ использовались для различных математических операций типа интегрирования, дифференцирования, суммирования и тд. Коэффициент усиления ОУ зависит от его типа, назначения, структуры и может превышать 1 млн!

Схема 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.

Питание операционных усилителей

Если выводы питания не указаны, то считается, что на ОУ идет двухполярное питание +E и -E Вольт. Его также помечают как  +U и -U, V_CC и V_EE, Vc и V_E. Чаще всего это +15 и -15 Вольт. Двухполярное питание также называют биполярным питанием. Как это понять – двухполярное питание?

Давайте представим себе батарейку

Думаю, все вы в курсе, что у батарейки есть “плюс” и есть “минус”.  В этом случае “минус” батарейки принимают за ноль,  и уже относительно нуля считают напряжение батарейки. В нашем случае напряжение батарейки равняется 1,5 Вольт.

А давайте возьмем еще одну такую батарейку и соединим их последовательно:

Итак, общее напряжение у нас будет 3 Вольта, если брать за ноль минус первой батарейки.

А что если взять на ноль минус второй батарейки и относительно него уже замерять все напряжения?

Вот здесь мы как раз и получили двухполярное питание.

Идеальная и реальная модель операционного усилителя

Для того, чтобы понять суть работы ОУ, рассмотрим его идеальную и реальную модели.

1) Входное сопротивление идеального ОУ бесконечно большое.

В реальных ОУ значение входного сопротивления зависит от назначения ОУ (универсальный, видео, прецизионный и т.п.) типа используемых транзисторов и схемотехники входного каскада и может составлять от сотен Ом и до десятков МОм. Типовое значение для ОУ общего применения – несколько МОм.

2) Второе правило вытекает из первого правила. Так как входное сопротивление идеального ОУ бесконечно большое, то  входной ток будет равняться нулю.

На самом же деле это допущение вполне справедливо для ОУ с полевыми транзисторами на входе, у которых входные токи могут быть меньше пикоампер. Но есть также ОУ с биполярными транзисторами на входе. Здесь уже входной ток может быть десятки микроампер.

3) Выходное сопротивление идеального ОУ равняется нулю.

Это значит, что напряжение на выходе ОУ не будет изменяться при изменении тока нагрузки. В реальных ОУ общего применения выходное сопротивление составляет десятки Ом (обычно 50 Ом).
Кроме того, выходное сопротивление зависит от частоты сигнала.

4) Коэффициент усиления в идеальном ОУ бесконечно большой. В реальности он ограничен внутренней схемотехникой ОУ, а выходное напряжение ограничено напряжением питания.

5) Так как коэффициент усиления  бесконечно большой, следовательно,  разность напряжений между входами идеального ОУ равняется нулю. Иначе если даже потенциал одного входа будет больше или меньше хотя бы на заряд одного электрона, то на выходе будет бесконечно большой потенциал.

6) Коэффициент усиления в идеальном ОУ не зависит от частоты сигнала и постоянен на всех частотах. В реальных ОУ это условие выполняется только для низких частот до какой-либо частоты среза, которая у каждого ОУ индивидуальна. Обычно за частоту среза принимают падение усиления на 3 дБ или до уровня 0,7 от усиления на нулевой частоте (постоянный ток).

Схема простейшего ОУ на транзисторах выглядит примерно вот так:

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.

Итак, мы рассмотрели случай, когда напряжение на входах может различаться. Но что будет, если они будут равны? Что нам покажет Proteus в этом случае? Хм, показал +Uпит.

А что покажет Falstad? Ноль Вольт.

Кому верить? Никому! В реале, такое сделать невозможно, чтобы на два входа загнать абсолютно равные напряжения. Поэтому такое состояние ОУ будет неустойчивым и значения на выходе могут принимать  значения или -E Вольт, или +E Вольт.

Давайте подадим синусоидальный сигнал амплитудой в 1 Вольт и частотой в 1 килоГерц на НЕинвертирующий вход, а инвертирующий посадим на землю, то есть на ноль.

Смотрим, что имеем на виртуальном осциллографе:

Что можно сказать в этом случае? Когда синусоидальный сигнал находится в отрицательной области, на выходе ОУ у нас -Uпит, а когда синусоидальный сигнал находится в положительной области, то и на выходе имеем +Uпит. Также обратите внимание на то, что напряжение на выходе ОУ не может резко менять свое значение. Поэтому, в ОУ есть такой параметр, как скорость нарастания выходного напряжения V_Uвых.

Этот параметр показывает насколько быстро может измениться выходное напряжение ОУ при работе в импульсных схемах. Измеряется в Вольт/сек. Ну и как вы поняли, чем больше значение этого параметра, тем лучше ведет себя ОУ в импульсных схемах. Для LM358 этот параметр равен 0,6 В/мкс.

При участии Jeer

www.ruselectronic.com

Практическое применение операционных усилителей.Часть первая.

Практическое применение операционных усилителей.Часть первая.

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

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

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

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

Первая схема включения ОУ — инвертирующий усилитель.

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

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

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

В данном случае, коэффициент усиления считается по следующей формуле:

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

Едем дальше — неинвертирующий усилитель.
Выглядит он следующим образом:

Коэффициент усиления определяется так:

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

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

Усилитель с изменяемым коэффициентом усиления.

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

Вопросы, как обычно, складываем тут.

www.radiokot.ru

Операционный усилитель с токовой обратной связью — Википедия

Операцио́нный усили́тель с то́ковой обра́тной свя́зью (ОУ с ТОС^[1], ОУ ТОС), реже трансимпедансный усилитель — электронный усилитель с двумя входами, инвертирующий вход которого, обычно используемый для отрицательной обратной связи, имеет низкое входное сопротивление и управляется током, а не напряжением, как это принято в классических операционных усилителях (ОУ) с дифференциальным входом.

Основное преимущество ОУ ТОС перед классическими ОУ с отрицательной обратной связью (ООС) по напряжению — высокое быстродействие, а именно: высокая скорость нарастания выходного напряжения (до 9 В/нс в серийных интегральных схемах^[2]), малое время установления и большая полоса пропускания. Частота среза серийного ОУ ТОС в схеме с ООС составляет от 100 МГц до 2 ГГц — она зависит только от величины сопротивления цепи ООС и встроенной корректирующей ёмкости и практически не зависит от заданного коэффициента усиления^[3]. ОУ ТОС обычно совпадает с его частотой среза для малого сигнала и превосходит аналогичный показатель классического ОУ. Нелинейные искажения ОУ ТОС на высоких частотах ниже, чем у классического ОУ^[3].

Высокие показатели быстродействия достигаются асимметрией и схемотехнической простотой входного каскада и, как следствие, низкой точностью^[4]. ОУ ТОС применяются преимущественно для усиления и фильтрации сигналов в широкополосных устройствах на частотах выше 100 МГц^[5][6]: в радиолокации, видеотехнике, в системах кабельной и оптоволоконной связи и цифровой обработки высокочастотных сигналов. Популярность ОУ ТОС ограничивают некоторая сложность применения и недостаточная точность^[7]. Основные схемы включения ОУ ТОС топологически совпадают со схемами включения классического ОУ, реализация других типовых схем затруднена или вовсе невозможна. Возможно, что дальнейшее развитие схемотехники классических ОУ ещё более сузит область применения ОУ ТОС^[8].

Блок-схема ОУ ТОС

Традиционное представление: повторители напряжения и токовое зеркало

В большинстве аналоговых электронных устройств носителем информации, или аналоговым сигналом, выступает электрическое напряжение, а основным структурным узлом обработки сигнала — электронный усилитель напряжения^[11]. Вплоть до середины 1990-х годов в аналоговой электронике доминировали операционные усилители, управляемые напряжением — универсальные усилители напряжения, способные реализовать практически все необходимые функции обработки аналогового сигнала^[12].

Быстродействие любого усилителя напряжения ограничено временем перезарядки ёмкостей аналогового тракта — прежде всего, миллеровских ёмкостей транзисторов, и во вторую очередь, паразитных ёмкостей иных компонентов и проводников схемы^[13][14]. Быстродействие классического ОУ дополнительно ограничивает корректирующая ёмкость, намеренно встроенная в схему для обеспечения устойчивости на высоких частотах^[15]. Паразитные индуктивности проводников ограничивают скорость нарастания токов и также снижают быстродействие, но в реальных интегральных схемах (ИС) влияние индуктивностей намного меньше влияния ёмкостей^[13]. По этой причине усилители тока всегда опережают в быстродействии усилители напряжения, построенные на сопоставимой элементной базе^[13][16]. В идеальном усилителе тока перезарядка ёмкостей не происходит вообще, так как напряжения на элементах схемы остаются неизменными^[17][18]. Если же входными и выходными сигналами усилителя тока должны служить напряжения, то на входе и выходе размещаются согласующие двухтактные эмиттерные повторители, способные быстро заряжать и разряжать паразитные ёмкости^[17].

Именно по такой схеме (входной повторитель напряжения → токовое зеркало → преобразователь тока в напряжение → выходной повторитель напряжения) строятся операционные усилители с токовой обратной связью. Будучи некоторым аналогом классических ОУ с обратной связью по напряжению, ОУ ТОС отличаются от них двумя особенностями архитектуры^[19]:

• Входным каскадом ОУ ТОС служит не дифференциальный усилитель, а повторитель напряжения, высокоомный вход которого является неинвертирующим входом ОУ ТОС, а низкоомный выход — инвертирующим входом ОУ ТОС. Таким образом, даже при разомкнутой цепи ООС напряжение на инвертирующем входе всегда повторяет напряжение на неинвертирующем входе. Сигналом ошибки служит не дифференциальное входное напряжение, а протекающий через инвертирующий вход ток Ierr{\displaystyle I_{err}}^[19].
• Усиление напряжения в ОУ ТОС реализовано не на каскаде с общим эмиттером, а на преобразователе тока инвертирующего входа в напряжение^[19], который здесь фактически представляет собой усилительный каскад с общей базой. Выходное напряжение Vo{\displaystyle V_{o}} идеального ОУ ТОС определяется не дифференциальным входным напряжением, а исключительно током инвертирующего входа:

В альтернативном представлении ОУ ТОС представляет собой неинвертирующий токовый конвейер второго поколения (CCII+), нагруженный на трансимпеданс Z{\displaystyle Z} и согласованный с внешней нагрузкой выходным повторителем напряжения^[9]. Трактовка ОУ ТОС в терминах теории токовых конвейеров бытует в академической среде, тогда как сами производители эти термины не используют^{[20][комм. 1]}. Трансимпеданс серийных ОУ ТОС велик настолько, что они, как и классические ОУ, применяются исключительно в схемах с глубокой ООС^[22].

Современные токовые аналоговые ИС восходят к двум фундаментальным идеям: изобретённому в 1968—1970 годы Смитом^[en] и Седрой^[en] токовому конвейеру и предложенному в 1975 году Барри Гилбертом принципу транслинейности^[23]. Базовая схема ОУ ТОС, дополняющая токовый конвейер второго поколения транслинейным выходным повторителем^[24], была разработана в начале 1980-х годов группой инженеров Hewlett-Packard во главе с Дэвидом Нельсоном^[25]. В 1983 году Нельсон подал патентную заявку на изобретение, занял у родственников 50 тысяч долларов и основал независимую компанию Comlinear^[26]. Первые выпущенные ею ОУ ТОС использовались в выходных каскадах измерительных генераторов Hewlett-Packard^[25].

Вскоре усилители Нельсона, выгодно отличавшиеся от предшественников простотой интеграции в существующие схемы и широчайшей для своего времени полосой пропускания (от постоянного тока до сотен МГц^{[комм. 2]}), прочно вошли в арсенал конструкторов телевещательной и радиолокационной техники^[25][26]. Это были громоздкие, по современным меркам, гибридные сборки в металлических корпусах промышленного типа^[25]. Реализовать схему Нельсона в монолитной полупроводниковой ИС в те годы было невозможно — технологии начала 1980-х годов не позволяли формировать на кристалле высокочастотные pnp-транзисторы, а медленные боковые pnp-транзисторы, доступные разработчикам 1970-х и начала 1980-х годов, были совершенно непригодны для построения ОУ ТОС^{[25][28][29][27]}. Лишь в 1987 году компания Elantec вывела на рынок первый монолитный ОУ ТОС EL2020. В 1988 году за ней последовали монолитные ИС Comlinear CLC400, Analog Devices AD846^[30] и AD811 — один из самых коммерчески успешных ОУ ТОС^[25]. Тогда же произошло разделение серийных ОУ ТОС на два неравных класса: со встроенной корректирующей ёмкостью (абсолютное большинство изделий) и с возможностью внешней коррекции (Z-выход) — AD844, OPA660 и их аналоги^[24][31].

В начале XXI века массовая область применения ОУ ТОС — усилители широкополосного сигнала DSL и систем связи по ЛЭП^[25], где выходным усилителем типичного DSL-модема служит сдвоенный ОУ ТОС^[25]. Все серийные ОУ ТОС начала XXI века изготовляются по дорогим, сложным в производстве^[29]биполярным техпроцессам кремний на изоляторе, которые позволяют формировать на кристалле быстрые pnp- и npn-транзисторы с хорошо согласованными параметрами^[32]. Неустранимый недостаток этих технологий — плохой отвод тепла от транзисторов — порождает заметные тепловые искажения сигнала на низких частотах, но в типичных применениях ОУ ТОС они не критичны^[33][34]. Существуют альтернативные токовые топологии на МОП-структурах, но ни одна из них не сумела потеснить в производстве биполярные ОУ ТОС^[32].

В литературе по электронике понятие «обратной связи по току» или «токовой обратной связи» (англ. current feedback) традиционно применялось и продолжает применяться к усилителям, сигнал ООС которых пропорционален току через нагрузку, а понятие «обратной связи по напряжению» — к усилителям, сигнал ООС которых пропорционален напряжению на нагрузке^[35][36]. Для обеих конфигураций цепи ООС сам усилитель, как правило, управляется напряжением. Первым исключением из этого правила стали прямые предшественники ОУ ТОС — ламповые «усилители с токовой обратной связью», в которых ток (а не напряжение) обратной связи подавался в низкоомную цепь катода входной лампы^[37]. Понятие усилителя с токовой обратной связью использовалось в этом, альтернативном, смысле уже в 1930-е годы, например в обзорной работе Фредерика Термана 1937 года^[38], — сам же принцип был известен со времён работ Ли де Фореста и Эдвина Армстронга 1920-х годов^[39]. В англоязычной литературе 1970—1990-х годов понятие «усилителя с токовой обратной связью» применялось к интегральным токоразностным усилителям Нортона^[40].

Усилители по схеме Нельсона поначалу именовались в англоязычной литературе «усилителями Comlinear» (англ. Comlinear amplifier^[41]), затем верх взял термин «усилители с токовой обратной связью» (англ. current feedback amplifier, сокращённо CF amplifier, CFA, CFB). Ещё в 1990 году его заключали в кавычки, чтоб отличать от традиционного понятия^[42] (в русскоязычных статьях кавычки применяются и в XXI веке^[43]). Затем новая трактовка закрепилась в литературе, несмотря на нежелательную двусмысленность — с традиционной точки зрения ОУ ТОС охвачены обратной связью по напряжению^[44]. Альтернативный термин — трансимпедансный усилитель — используется реже и не вполне корректен^[44]. Трансимпедансный усилитель (источник напряжения, управляемый током) может быть реализован на ОУ любого типа, тогда как понятие ОУ ТОС подразумевает, в том числе, особую схемотехнику входного каскада, принципиально отличную от схемотехники классических ОУ^[44][30].

На рынке существуют микросхемы, совмещающие свойства и «чистых» ОУ ТОС, и классических ОУ. Быстродействующие ИС, в которых между инвертирующим входом и ядром, выполненным по схеме ОУ ТОС, встроен дополнительный буферный каскад (LM7171 и аналоги) позиционируются производителями не как ОУ ТОС, а как ОУ с обратной связью по напряжению^[45]. Микромощные ИС с особо низким выходным сопротивлением, в которых входной повторитель ОУ ТОС охвачен глубокой обратной связью по напряжению (линейка «CFB plus» Burr-Brown и Texas Instruments), позиционируются как подкласс ОУ ТОС^[46]. Немногочисленный подкласс ОУ ТОС с возможностью внешней коррекции (Burr-Brown OPA660, Analog Devices AD846 и другие) особого названия не получил, в научной литературе они обычно рассматриваются не как ОУ, а как токовые конвейеры.

В документации Burr-Brown 1990-х годов входной токовый конвейер OPA660 получил название diamond transistor (в русском переводе «бриллиантовый транзистор»), а выходной повторитель — diamond buffer («бриллиантовый» буфер). Смысл первого из этих названий был в том, что токовый конвейер второго поколения рассматривался как идеальный трёхвыводной усилитель тока, своего рода «транзистор» (его «эмиттером» служил выход повторителя, а «коллектором» — выход токовых зеркал)^[47][48]. Предложенные термины не прижились, но словосочетание diamond transistor («бриллиантовый транзистор») иногда применяется для обозначения двухтактного эмиттерного повторителя^[49][50]. В отечественной практике конструкторов усилителей мощности звуковых частот похожая базовая схема получила в 1980-х годах название «параллельный» усилитель^[51].

Входной каскад ОУ ТОС выполняется по схеме двухтактного эмиттерного повторителя. Обычно используется четырёхтранзисторная транслинейная конфигурация (англ. diamond transistor, mixed translinear cell, MTC-II^[54]), реже — двухтактный повторитель с диодным смещением (англ. MTC-I^[54]). Коэффициент передачи повторителя, работающего в чистом режиме А, близок к единице настолько, что его отклонениями от идеала обычно пренебрегают^[5][41]. Вход повторителя является неинвертирующим (потенциальным) входом ОУ ТОС, выход повторителя — инвертирующим (токовым) входом ОУ ТОС. В отличие от симметричного дифференциального каскада на входе классического ОУ, входы ОУ ТОС принципиально асимметричны, поэтому он практически никогда не применяется в схемах, чувствительных к асимметрии входов, например, в дифференциальных усилителях-вычитателях^[55].

Выходное сопротивление повторителя R0{\displaystyle R_{0}} — важный показатель, ограничивающий точность устройств на ОУ ТОС^[56]. В серийных ОУ ТОС оно не превышает 50 Ом^[5]. В теории R0{\displaystyle R_{0}} пропорционально абсолютной температуре и обратно пропорционально току покоя повторителя^[57][58], в реальных ИС это нестабильный, плохо предсказуемый показатель^[59]. Из-за неизбежного рассогласования пар pnp- и npn-транзисторов его значения для втекающих и вытекающих токов могут заметно различаться^[60], на высоких частотах R0{\displaystyle R_{0}} плавно возрастает, что незначительно улучшает стабильность усилителя^[5]. На практике этими явлениями пренебрегают и проектируют цепи обратной связи так, чтобы обеспечить устойчивость при любых возможных значениях R0{\displaystyle R_{0}} во всём рабочем диапазоне частот^[59].

В верхнее и нижнее плечи питания входного повторителя включены два токовых зеркала, образующие совместно с повторителем неинвертирующий токовый конвейер второго поколения (CCII+). Генерируемый зеркалами разностный ток Im{\displaystyle {I_{m}}}, равный или прямо пропорциональный выходному току повторителя Ierr{\displaystyle {I_{err}}}, замыкается на условную «землю»^{[комм. 3]} через частотно-зависимую цепь утечки с полным сопротивлением Z{\displaystyle {Z}}. Его активная составляющая RZ{\displaystyle R_{Z}} (от сотен кОм до нескольких МОм) задаёт коэффициент усиления ОУ ТОС в области низких частот, а совместно с емкостной составляющей CZ{\displaystyle C_{Z}} (доли пФ или несколько пФ) — частоту среза ОУ ТОС при разомкнутой петле ООС: fco=1/(2πRzCz){\displaystyle f_{co}=1/(2\pi R_{z}C_{z})}, порядка нескольких сотен кГц^[22][61]. Токовые зеркала и цепь утечки образуют управляемый током источник тока c подключённым к нему трансимпедансом Z{\displaystyle {Z}}. Получаемое при этом напряжение VZ{\displaystyle V_{Z}} равно произведению ZIerr{\displaystyle ZI_{err}}.

Выходной эмиттерный повторитель передаёт это напряжение на выход ОУ ТОС. Конечное выходное сопротивление ОУ ТОС может влиять на его поведение при работе на низкоомную или емкостную нагрузку, но в расчётах им обычно пренебрегают^[22]. Выходные каскады ОУ ТОС проектируются для работы на нагрузки сопротивлением 100 Ом и менее (против типичной нагрузки 600 Ом у классического ОУ)^[62]. Частотные ограничения выходного каскада кремниевого ОУ ТОС, по данным 2006 года, начинают сказываться на частотах выше 1,3 ГГц, а у перспективных ИС на гетероструктурах SiGe — на частотах выше 20 ГГц^[43][63].

Простейшая модель ОУ ТОС

Та же модель в неинвертирующем включении

Коэффициент усиления[править | править код]

В неинвертирующем включении усиливаемое напряжение подаётся на неинвертирующий вход ОУ ТОС, а его инвертирующий вход подключается к средней точке делителя

ru.wikipedia.org

Применение операционных усилителей — Википедия

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

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

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

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

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

Дифференциальный усилитель (вычитатель)[править | править код]

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

• Входное сопротивление для синфазного сигнала будет в общем случае:

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

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

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

Инвертирующий усилитель[править | править код]

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

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

• Zin=Rin{\displaystyle Z_{in}=R_{in}} (Поскольку потенциал V−=0,{\displaystyle V_{-}=0,} поскольку за счет действия обратной связи является виртуальной землёй).

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

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

Выходное напряжение такого преобразователя ток-напряжение будет:

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

Предполагается, что втекающий ток — положителен.

Неинвертирующий усилитель[править | править код]

Усиливает напряжение (умножает напряжение на константу, большую единицы)

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

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

Повторитель напряжения[править | править код]

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

• Выход инвертирован
• Входной импеданс n-го входа равен Zn=R

ru.wikipedia.org