Операционные усилители для чайников. Операционные усилители для начинающих: принцип работы и основные схемы включения

Что такое операционный усилитель и как он работает. Какие бывают основные схемы включения операционных усилителей. Как рассчитать параметры схем на операционных усилителях. Где применяются операционные усилители в электронике.

Что такое операционный усилитель и его основные характеристики

Операционный усилитель (ОУ) — это электронное устройство, предназначенное для усиления аналоговых сигналов. Основные характеристики ОУ:

• Высокий коэффициент усиления (более 100 000)
• Высокое входное сопротивление (более 1 МОм)
• Низкое выходное сопротивление (менее 100 Ом)
• Широкая полоса пропускания (до нескольких МГц)
• Два входа: инвертирующий (-) и неинвертирующий (+)
• Один выход

Как работает операционный усилитель? ОУ усиливает разность напряжений между инвертирующим и неинвертирующим входами. При этом выходное напряжение определяется формулой:

Uвых = K(U+ — U-)

где K — коэффициент усиления ОУ, U+ и U- — напряжения на неинвертирующем и инвертирующем входах соответственно.

Основные схемы включения операционных усилителей

Существует несколько базовых схем включения ОУ, на основе которых строятся более сложные устройства:

1. Инвертирующий усилитель

В этой схеме сигнал подается на инвертирующий вход через резистор R1, а неинвертирующий вход заземлен. Коэффициент усиления определяется отношением резисторов обратной связи:

Kу = -R2/R1

Знак минус означает, что выходной сигнал инвертирован (повернут на 180°) относительно входного.

2. Неинвертирующий усилитель

Здесь сигнал подается на неинвертирующий вход. Коэффициент усиления рассчитывается по формуле:

Kу = 1 + R2/R1

Выходной сигнал совпадает по фазе с входным.

3. Повторитель напряжения

Это частный случай неинвертирующего усилителя, когда R1 = ∞, а R2 = 0. Коэффициент усиления равен 1. Схема используется для согласования высокоомного источника сигнала с низкоомной нагрузкой.

Как рассчитать параметры схемы на операционном усилителе

При расчете схем на ОУ используются следующие правила:

1. Входной ток ОУ равен нулю
2. Напряжение между входами ОУ равно нулю
3. Выходное сопротивление ОУ равно нулю

Алгоритм расчета:

1. Определить требуемый коэффициент усиления схемы
2. Выбрать тип схемы (инвертирующая или неинвертирующая)
3. Задать значение одного из резисторов (например, R1 = 10 кОм)
4. Рассчитать второй резистор по формуле для коэффициента усиления
5. Проверить, не превышает ли расчетное усиление максимально допустимое для выбранного ОУ

Где применяются операционные усилители

Операционные усилители широко используются в различных областях электроники:

• Усилители звуковых и видеосигналов
• Активные фильтры
• Генераторы сигналов
• Измерительные приборы
• Источники питания
• Аналого-цифровые и цифро-аналоговые преобразователи
• Системы автоматического управления

Универсальность и простота применения делают операционные усилители незаменимыми компонентами во многих электронных устройствах.

Преимущества и недостатки операционных усилителей

Операционные усилители обладают рядом достоинств и ограничений:

Преимущества ОУ:

• Высокий коэффициент усиления
• Широкая полоса пропускания
• Высокое входное и низкое выходное сопротивление
• Простота применения
• Низкая стоимость
• Возможность реализации различных функций

Недостатки ОУ:

• Необходимость двухполярного питания
• Ограниченный диапазон рабочих напряжений
• Чувствительность к электромагнитным помехам
• Зависимость параметров от температуры
• Ограниченная мощность выходного сигнала

При проектировании схем на ОУ необходимо учитывать эти особенности для получения оптимальных результатов.

Типовые ошибки при работе с операционными усилителями

Начинающие разработчики часто допускают следующие ошибки при использовании ОУ:

1. Неправильный выбор типа ОУ для конкретной задачи
2. Превышение допустимого коэффициента усиления
3. Игнорирование частотных ограничений ОУ
4. Неправильное подключение питания
5. Отсутствие развязывающих конденсаторов в цепях питания
6. Неучет входных токов ОУ
7. Неправильный расчет цепей обратной связи

Чтобы избежать этих ошибок, необходимо внимательно изучать документацию на используемые ОУ и следовать рекомендациям производителя по их применению.

Заключение: почему стоит изучать операционные усилители

Операционные усилители являются одними из самых универсальных и широко используемых компонентов в аналоговой электронике. Понимание принципов работы ОУ и умение проектировать схемы на их основе открывает широкие возможности для создания различных электронных устройств.

Изучение операционных усилителей позволяет:

• Освоить основы аналоговой схемотехники
• Научиться анализировать и рассчитывать электронные схемы
• Развить навыки проектирования устройств обработки сигналов
• Получить базу для изучения более сложных разделов электроники

Поэтому каждому, кто хочет стать успешным разработчиком электронных устройств, стоит уделить время освоению теории и практики применения операционных усилителей.

Операционный усилитель принцип работы для чайников

Говоря операционный усилитель, я зачастую подразумеваю LM Так как если нету каких-то особых требований к быстродействию, очень широкому диапазону напряжений или большой рассеиваемой мощности, то LM хороший выбор. Так как LM имеет в своем составе два операционных усилителя, у каждого по два входа и один выход 6 — выводов и два контакта нужны для питания, то всего получается 8 контактов. Есть и металлокерамическое исполнение для особо тяжелых условий работы.

Поиск данных по Вашему запросу:

Схемы, справочники, даташиты:

Прайс-листы, цены:

Обсуждения, статьи, мануалы:

Дождитесь окончания поиска во всех базах.

По завершению появится ссылка для доступа к найденным материалам.

Содержание:

• Инвертирующий усилитель на ОУ. Принцип работы
• Аналоговый компаратор
• Неинвертирующий усилитель на ОУ. Принцип работы
• LM358 схема включения
• Дифференциальный вход и операционный усилитель – для новичков в радиоделе
• Операционный усилитель принцип работы для чайников
• Что такое операционный усилитель?

ПОСМОТРИТЕ ВИДЕО ПО ТЕМЕ: Электроника от простого к сложному. Урок 5. Операционные усилители. (PCBWay)

Инвертирующий усилитель на ОУ. Принцип работы

Приветствую вас дорогие друзья! А сегодня речь пойдет о таком электронном устройстве как операционный усилитель. Например на этой картинке изображены два операционных усилителя российского производства. 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:. Входы операционника обладают высоким входным сопротивлением или иначе говорят высоким импедансом. Усилитель просто оценивает величину напряжений на входах и в зависимости от этого выдает сигнал на выходе усиливая его. 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.

Действительно операционный усилитель может выдавать значения напряжений как положительной так и отрицательной полярности. У новичка может возникнуть вопрос о том как же такое возможно? Давайте рассмотрим питание операционника чуток подробнее.

Наверное не будет секретом, что для того, чтобы операционник работал, его нужно запитать, то есть 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 то есть за 0 ноль. Давайте с этим разберемся. Допустим у нас есть обычная пальчиковая батарейка батарейка типа АА.

У нее есть два полюса плюсовой и минусовой. Здесь все просто и логично. Теперь немножко усложним задачу и возьмем точно такую же вторую батарейку. Если за точку отсчета будет принят положительный полюс батарейки а измеряющий щуп был подключен к минусу то любой вольтметр нам покажет 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. Примеры на батарейках я привел для примера, чтобы было более понятно. И первая схема источника питания для ОУ перед вами. Она достаточно простая но я немножко поясню принцип ее работы. Затем трансформатор преобразует переменный ток В в такой же переменный но уже в 30В. 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 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. 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.

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. 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. 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. Если на дороге стало скользко? Ага мы среагировали, сделали коррекцию и дальше двигаемся более осторожно. 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. 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. 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. 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. Схема компаратора обладает высоким входным сопротивлением импедансом и низким выходным. Эта схема включения лишена обратной связи. В результате где было 3В так и остается 3В а где был 1В будет -1В. 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.

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. 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. 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. 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 В.

Далее начинает отрабатывать положительная обратная связь. Обратная связь образует делитель напряжения в результате чего на прямом входе операционника появится напряжение -1,36В. Внутри него сигнал в 5В инвертируется и становится -5В, далее два сигнала складываются и получается отрицательное значение.

Сигнал на выходе не изменится пока сигнал на входе не опустится менее -1,36В. Пусть сигнал на входе изменился и стал -2В. Теперь чтобы изменить значение на выходе на противоположное нужно подать сигнал более 1,36В. Такая зона нечувствительности носит название гистерезис. Наиболее простой обладатель отрицательной обратной связи это повторитель. Повторитель выдает на выходе то напряжение, которое было подано на его вход.

Но в этом есть смысл, ведь вспомним свойство операционника, он обладает высоким входным сопротивлением и низким выходным. 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. Так допустим на входе у нас 1В.

Аналоговый компаратор

Что то часто мне стали задавать вопросы по аналоговой электронике. Никак сессия студентов за яцы взяла? В частности по работе операционных усилителей. Что это, с чем это едят и как это обсчитывать.

Рассмотрим общий принцип применения ОУ на примере простейшего . к случайным высокочастотным помехам, а также и неустойчива в работе.

Неинвертирующий усилитель на ОУ. Принцип работы

В радиоэлектронике и микросхемотехнике широкое распространение получил операционный усилитель ОУ. Он обладает отличными техническими характеристиками ТХ по усилению сигналов. Чтобы понять сферы применения ОУ, нужно узнать его принцип действия, схему подключения и основные ТХ. ОУ — интегральная микросхема ИМС , основным предназначением которой является усиление значения постоянного тока. Она имеет только один выход, который называется дифференциальным. Этот выход обладает высоким коэффициентом, усиливающим сигнал Kу. ОУ в основном применяются при построении схем с отрицательной обратной связью ООС , которая при основной ТХ по усилению и определяет Kу исходной схемы. ОУ применяются не только в виде отдельных ИМС, но и в разных блоках сложных устройств. У ОУ 2 входа и 1 выход, а также есть выводы для подключения источника питания ИП.

LM358 схема включения

Приветствую вас дорогие друзья! А сегодня речь пойдет о таком электронном устройстве как операционный усилитель. Например на этой картинке изображены два операционных усилителя российского производства. 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:.

Он даже проще чем инвертирующий усилитель, поскольку для работы схемы не нужно двухполярное питание. Обратите внимание на единицу, содержащуюся в формуле.

Дифференциальный вход и операционный усилитель – для новичков в радиоделе

Операционный усилитель ОУ англ. Operational Amplifier OpAmp , в народе — операционник, является усилителем постоянного тока УПТ с очень большим коэффициентом усиления. Имеется ввиду, начиная с частоты в ноль Герц, а это и есть постоянный ток. Коэффициент усиления ОУ зависит от его типа, назначения, структуры и может превышать 1 млн! На схемах операционный усилитель обозначается вот так:.

Операционный усилитель принцип работы для чайников

Теория и практика. Кейсы, схемы, примеры и технические решения, обзоры интересных электротехнических новинок. Уроки, книги, видео. Профессиональное обучение и развитие. Сайт для электриков и домашних мастеров, а также для всех, кто интересуется электротехникой, электроникой и автоматикой. Электронные усилители.

Операционные усилители. Виды и работа. Питание и особенности. Операционный усилитель принцип работы для чайников. Операционные.

Что такое операционный усилитель?

Инвертирующий усилитель является одним из самых простых и наиболее часто используемых аналоговых схем. С помощью всего двух резисторов, мы можем выставить необходимый нам коэффициент усиления. Ничего не мешает нам сделать коэффициент менее 1, тем самым ослабив входной сигнал. Часто к схеме добавляют еще один резистор R3, сопротивление которого равно сумме R1 и R2.

Аналоговый компаратор. Аналоговый компаратор — это устройство, предназначенное для сравнения двух сигналов. Простейшая схема компаратора может быть построена на операционном усилителе без обратной связи. В инженерных расчетах коэффициент усиления идеального операционного усилителя G обычно принимается равным бесконечности. Мы возьмем реальный операционный усилитель — LM

Основы электроники.

Приветствую вас дорогие друзья! А сегодня речь пойдет о таком электронном устройстве как операционный усилитель. Например на этой картинке изображены два операционных усилителя российского производства. 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:. Входы операционника обладают высоким входным сопротивлением или иначе говорят высоким импедансом. Усилитель просто оценивает величину напряжений на входах и в зависимости от этого выдает сигнал на выходе усиливая его.

Операционный усилитель — электронная схема усилителя на полупроводниках, в интегральном исполнении имеющего два балансных входа — прямой и инверсный, обладающий высоким коэффициентом усиления. Интегральное исполнение подразумевает законченную конструкцию усилителя, размещённую в одном корпусе интегральной микросхемы ИМС. Применение операционных усилителей ОУ самое разнообразное — в усилителях различных сигналов, в генераторах сигналов, в частотных фильтрах звукового диапазона, в схемах контроля физических величин температуры, освещённости, влажности, ветра , и т.

«Как рассчитывать схемы с операционными усилителями? Какие книги посоветуете?» — Яндекс Кью

Популярное

Сообщества

ЭлектроникаСхемотехникаОперационные усилители

Viktor Zayonchkovsky

8 мая 2019  ·

172

ОтветитьУточнить

Сергей К.

82

Образование Высшее — закончил в 2000г ВГАСУ. Слушаю рок, панк, рок как русский так и…  · 8 мая 2019

Когда искал ответ на Ваш вопрос, то случайно набрел на авторский блог Владимира Васильева «Блог о электронике и технологиях от А до Я», а в нем на статью, полностью отвечающую Вашему вопросу – Операционный усилитель для чайников. В этой статье автор доходчиво объясняет что такое операционный усилитель, приводит схемы его включения и применяемые формулы для рассчета. Например вот кусочек статьи:

«***

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.

***».

Там же автор рекомендует почитать книжку П.Хоровица и У.Хилла.

Я не стал приводить здесь расчеты, так как они очень объемны, но могу привести еще несколько ссылок на Интернет-ресурсы:

1. Часть материала по расчету устройств на операционных усилителях с сайта «Вунивере.ру Учебные материалы для студентов»

2. Расчёт схем на операционных усилителях

3. Практическое применение операционных усилителей. Часть первая.

4. Расчёт схем с операционными усилителями

Также могу посоветовать воспользоваться ресурсом Онлайн расчет параметров схемы на операционном усилителе , но этот расчет для простейших схем включения операционного усилителя и позволяет рассчитать только коэффициент усиления.

По книгам.

Можете почитать следующие книги:

1. Достал И. Операционные усилители. 1982

2. 08 — Операционные усилители Том1 (СПРАВОЧНИК)(1993г)

3. Марше Ж. Операционные усилители и их применение (1974)

4. Операционные усилители Полонников Д.Е.

5. Аналоговая и цифровая схемотехника Бубнов А.В. Гвозденко К.Н. Гокова М.В.

6. Микроэлектронные устройства для обработки непрерывной информации Бабаян Р.Р. 2003

7. Операционные системы, среды и оболочки Макаренко С.И. 2008

Указанные выше и другие книги по тематике операционных усилителей и сопутствующим темам можете скачать отсюда — Операционные усилители

Viktor Zayonchkovsky

8 мая 2019

Спасибо большое!

Комментировать ответ…Комментировать…

Вы знаете ответ на этот вопрос?

Поделитесь своим опытом и знаниями

Войти и ответить на вопрос

Каковы золотые правила операционных усилителей?

В большинстве схем операционный усилитель является одним из часто используемых компонентов. Операционные усилители или операционные усилители — это линейные устройства, обладающие свойствами, необходимыми для усиления постоянного тока. Операционные усилители обычно широко используются для обработки сигналов, фильтрации и выполнения математических операций, таких как сложение, вычитание, интегрирование и дифференцирование. Обычными схемами, в которых используются операционные усилители, являются буферы, усилители, предусилители и схемы выравнивания.

При проектировании схемы на основе операционного усилителя полезно знать его характеристики. Зная характеристики операционных усилителей, их легче понять и добавить к ним правильные компоненты. В помощь схемотехникам и энтузиастам разработаны правила проектирования схем с использованием ОУ с учетом их характеристик. Такие правила широко известны как «Золотые правила».

Вот золотые правила операционных усилителей:

1) Бесконечное усиление без обратной связи

Коэффициент усиления без обратной связи — коэффициент усиления операционного усилителя без положительной или отрицательной обратной связи. В идеале коэффициент усиления операционного усилителя без обратной связи будет бесконечным, но типичные реальные значения находятся в диапазоне от 20 000 до 200 000.

В большинстве случаев характеристика усиления разомкнутого контура операционного усилителя не принимается во внимание при проектировании схем. Но при работе с высокоточными схемами этому следует уделять больше внимания. Усиление без обратной связи влияет на точность постоянного тока и погрешность усиления вашей схемы. Усиление разомкнутого контура также влияет на произведение усиления на полосу пропускания.

Типичное эмпирическое правило заключается в том, что чем выше коэффициент усиления разомкнутого контура, тем выше производительность вашей схемы.

2) Через оба входа ток не течет

Входное сопротивление операционного усилителя представляет собой отношение входного напряжения к входному току и считается бесконечным. Благодаря такому очень высокому входному сопротивлению любой ток, протекающий от источника питания, не может попасть во входную схему усилителя. Хотя в идеале предполагается, что входной импеданс операционного усилителя бесконечен и внутрь не поступает ток, реальные операционные усилители имеют входные токи утечки от нескольких пикоампер до нескольких миллиампер.

Как вы могли заметить на уроках по операционным усилителям, эта характеристика используется при выводе формул коэффициента усиления для различных конфигураций операционных усилителей.

3) Потенциальная разница между входными контактами равна НОЛЬ

Отрицательная обратная связь – это процесс обратной связи выхода таким образом, чтобы аннулировать некоторую часть входного сигнала. В свою очередь, наш усилитель улучшает такие характеристики, как линейность, неравномерность отклика и предсказуемость.

Когда к операционному усилителю добавляется отрицательная обратная связь, входные контакты становятся идентичными. Это означает, что любое напряжение, присутствующее на неинвертирующем входе, также присутствует на инвертирующем входе.

В приведенном ниже примере конфигурации инвертирующего операционного усилителя мы видим, что неинвертирующий вход подключен к земле. Неинвертирующий вход теперь установлен на 0 В, что означает, что инвертирующий вход также находится на 0 В.

Другим примером является конфигурация неинвертирующего операционного усилителя с напряжением смещения, подаваемым на его неинвертирующий вход. Неинвертирующий вход смещен сетью делителя напряжения, смещающей неинвертирующий вход на половине V _CC . Это означает, что напряжение на инвертирующем входе также равно половине V _СС .

Эту характеристику операционного усилителя можно использовать на практике при проверке операционного усилителя на предмет того, исправен он или нет. Вы можете построить буферную схему с одним источником питания, используя тестируемый операционный усилитель. Поскольку это конфигурация с одним источником питания, необходимо установить виртуальное заземление. Это просто делается с помощью делителя напряжения на неинвертирующем входе операционного усилителя, см. схему ниже. После построения схемы измерьте уровни напряжения на обоих входах ОУ, они должны быть одинаковыми или близкими. При этом уровни напряжения на входе должны быть близки к 4,5В. Если напряжения на входе не близки или не равны друг другу, у вас может быть плохой или поврежденный операционный усилитель, или, может быть, вы просто неправильно построили схему, поэтому вы можете сначала проверить ее дважды.

---

Вкратце, вот «золотые правила» операционных усилителей:

1. Операционный усилитель имеет бесконечный коэффициент усиления без обратной связи. В идеале это означает, что любой перепад напряжения на двух входных клеммах приведет к бесконечному напряжению на выходе. Но в реальных операционных усилителях выходное напряжение ограничено напряжением питания. Поскольку выходное напряжение не может быть бесконечным, коэффициент усиления также не может быть бесконечным.
2. Через один из входов операционного усилителя не протекает ток. Это также означает, что он не нагружает источник возбуждения и не влияет на входное напряжение.
3. В цепи с отрицательной обратной связью разность потенциалов между инвертирующим и неинвертирующим входами равна нулю. Добавление отрицательной обратной связи в схему операционного усилителя стабилизирует характеристики операционного усилителя. Также при отрицательной обратной связи контролируется и рассчитывается коэффициент усиления ОУ.

Теперь, когда вы их изучили, вы сможете лучше проектировать схемы, используя операционные усилители, а также лучше разбираться в цепях, связанных с операционными усилителями.

• Операционный усилитель (11)

Операционные усилители для линейных схем: возвращение к основам

Загрузите эту статью в формате PDF.

Операционные усилители являются основными строительными блоками для большинства линейных схем. Вы, вероятно, узнали о них в колледже и даже разработали некоторые продукты, содержащие операционный усилитель. Вам, как инженеру-электронщику, в какой-то момент вашей карьеры, возможно, понадобится спроектировать линейную схему.

Если вы не являетесь продвинутым проектировщиком линейных или аналоговых схем, возможно, лучший способ удовлетворить ваши потребности в линейном проектировании — это использовать операционный усилитель. Эти ИС широко доступны, недороги и могут быть сконфигурированы сотнями, если не тысячами способов, чтобы удовлетворить большинство линейных требований. Вот сводка и обновление об этих универсальных устройствах.

 Рекламные ресурсы: 

• Что такое операционный усилитель?
• 3 распространенных вопроса при проектировании быстродействующих операционных усилителей
• Электронная книга «Сигнал» — 32 урока по работе с операционным усилителем

Предыстория

Современный операционный усилитель на ИС создан на основе более старых ламповых конструкций, используемых в аналоговых компьютерах. Аналоговые компьютеры программировались путем настройки операционных усилителей различными способами для реализации различных математических функций (суммирование, интегратор и т. д.). Затем вы подключили их для имитации системы, которую проектируете.

Затем появились транзисторные операционные усилители. Операционные усилители на интегральных схемах появились в конце 1960-х — начале 1970-х годов. Популярность ОУ значительно выросла. Сегодня доступны сотни типов и вариаций практически для любой линейной конструкции.

В этой статье объясняются основные принципы работы операционных усилителей общего назначения с обратной связью по напряжению. Кроме того, он указывает на некоторые особенности, которые следует искать в быстродействующих операционных усилителях.

Операционные усилители 101

Операционный усилитель — это дифференциальный усилитель постоянного тока с очень высоким коэффициентом усиления, высоким входным сопротивлением и очень низким выходным сопротивлением. Добавляя выбранные компоненты обратной связи и входа, вы можете заставить операционный усилитель выполнять невероятное количество основных функций схемы.

На рис. 1 показан знакомый символ схемы операционного усилителя. Знаки + и – обозначают соответственно неинвертирующий и инвертирующий входы. Выход V _O является функцией входов и усиления без обратной связи (A _OL ). A _OL составляет не менее 100K, а значения более 1M являются обычными. Усиление обычно выражается в дБ, например 120 дБ, что соответствует 1 М.

Выходной сигнал можно определить с помощью выражения:

В _O = (В ₂ – V ₁ ) A _OL

Операционные усилители обычно питаются двумя способами: с традиционным двойным питанием ± напряжением или с одним источником питания (рис. 2) . Двойной источник питания позволяет выходному сигналу колебаться как в положительном, так и в отрицательном направлении. Одиночный источник питания смещает один вход, чтобы установить выход посередине между положительным источником питания и землей. Емкостная связь на входе и выходе устраняет любую нежелательную постоянную составляющую.

Напряжение питания, конечно же, определяет пределы размаха выходного напряжения. В биполярных конструкциях выходное напряжение обычно на вольт или около того меньше, чем напряжение питания. В конструкциях CMOS выходное напряжение может быть в пределах милливольт от напряжения питания.

Использование операционного усилителя в Рисунок 1 в разомкнутом контуре не является обычным явлением. Даже при малых входных напряжениях усилитель обычно насыщается при одном из двух пределов выходного напряжения. Например, биполярный операционный усилитель имеет два источника питания 12 В. Максимальный размах выходного напряжения составляет ±10,5 В. Теперь предположим, что V ₁ равно -1,5 В, а V ₂ равно -1,2 В. Предположим, что A _OL составляет _{200K. Выход:}

В _O = [(−1,2) – (−1,5)] 200 000 = (0,3)200 000 = 60 000 В

Это, конечно, невозможно, поэтому на выходе просто устанавливается максимально положительный уровень или +10,5 В.

Базовые схемы

На рис. Обратная связь по существу делает схему практически независимой от коэффициента усиления разомкнутого контура операционного усилителя и других факторов. Внешние компоненты по существу определяют работу схемы. Вы, вероятно, уже знакомы с этими схемами, поскольку использовали некоторые варианты в своей работе.

Имейте в виду, что при разработке может потребоваться учитывать другие характеристики операционных усилителей. К ним относятся входное напряжение смещения и ток, подавление синфазного сигнала, отсечка частоты единичного усиления, шум и скорость нарастания. Некоторые из этих спецификаций часто можно игнорировать, потому что они настолько низкие и минимально инвазивные.

Три распространенные проблемы при проектировании с использованием быстродействующих операционных усилителей

Операционные усилители имеют фиксированную характеристику полосы пропускания (GBW), которая определяет частотную характеристику устройства. На рис. 4 показан один пример. Обратите внимание, схема усиливает постоянный ток; спад переменного тока обычно составляет 20 дБ/декаду. Максимально возможная частотная характеристика достигается при единичном (0 дБ) усилении. Предположим, что GBW составляет 1000 МГц. Если вы установите усиление на 100, частота среза составит 10 МГц.

Быстродействующие операционные усилители обычно определяются как операционные усилители с полосой усиления 50 МГц или более. Каковы правила или протоколы работы с высокоскоростным усилителем?

1. Некоторые быстродействующие операционные усилители имеют характеристики минимального коэффициента усиления. Почему?

Такие операционные усилители, которые считаются декомпенсированными, имеют второй полюс на кривой отклика выше 0 дБ. В результате для обеспечения стабильности усилителя необходим минимальный коэффициент усиления.

2. Что такое усилители тока?

В этих усилителях используется обратная связь по току вместо обратной связи по напряжению, как в большинстве распространенных конфигураций операционных усилителей. Основное преимущество использования современного операционного усилителя заключается в том, что полоса пропускания не зависит от коэффициента усиления.

3. Почему быстродействующие операционные усилители генерируют колебания, когда я использую их в качестве макета?

Это вызвано слишком большой паразитной емкостью и индуктивностью, что приводит к нежелательной обратной связи. Эту проблему обычно можно устранить, выполнив один или несколько следующих шагов:

• Все выводы компонентов и соединительные провода должны быть как можно короче. Уменьшите длину всех соединительных проводов и выводов компонентов.
• На печатных платах сократить длину дорожек.
• Уменьшение паразитных составляющих за счет улучшенной маршрутизации пути прохождения сигнала; свести к минимуму использование переходных отверстий.
• Используйте заземляющие пластины, но удалите медь под входами и выходами.
• Используйте большое количество обходных конденсаторов и держите их рядом с микросхемами.