Операционные усилители определение. Операционные усилители: принцип действия, параметры и применение — Производство и поставка электростанций, Бензиновые и дизельные генераторы от 1 до 100 кВт. Мини ТЭЦ на базе двигателя Стирлинга.

Что такое операционный усилитель. Как работает операционный усилитель. Основные параметры операционных усилителей. Где применяются операционные усилители. Преимущества и недостатки операционных усилителей.

Содержание

Что такое операционный усилитель и как он работает

Операционный усилитель (ОУ) — это электронное устройство, предназначенное для усиления и преобразования аналоговых сигналов. ОУ имеет дифференциальный вход и обычно один выход. Основная особенность ОУ — очень большой коэффициент усиления (порядка 100 000 и более).

Принцип работы операционного усилителя основан на усилении разности напряжений между его входами. ОУ стремится свести эту разность к нулю за счет изменения выходного напряжения. Это свойство позволяет использовать ОУ для построения различных электронных схем.

Основные элементы операционного усилителя:

Дифференциальный вход (инвертирующий и неинвертирующий входы)
Выход
Цепь отрицательной обратной связи
Источники питания

Как работает типичный операционный усилитель.

На дифференциальный вход подается входной сигнал.
ОУ усиливает разность напряжений между входами с очень большим коэффициентом.
Выходной сигнал через цепь обратной связи подается на инвертирующий вход.
ОУ стремится свести разность входных напряжений к нулю, изменяя выходное напряжение.
В результате на выходе формируется усиленный входной сигнал.

Основные параметры операционных усилителей

Для корректного применения операционных усилителей важно понимать их ключевые параметры:

Коэффициент усиления

Коэффициент усиления определяет во сколько раз выходной сигнал ОУ больше входного. Типичные значения составляют 100 000 — 1 000 000. Чем выше коэффициент усиления, тем точнее работа ОУ.

Входное сопротивление

Характеризует нагрузку, которую ОУ создает для источника входного сигнала. У современных ОУ может достигать сотен МОм. Высокое входное сопротивление позволяет работать со слабыми сигналами.

Выходное сопротивление

Определяет способность ОУ отдавать ток в нагрузку. Типичные значения от долей Ома до единиц Ом. Низкое выходное сопротивление обеспечивает хорошую нагрузочную способность.

Полоса пропускания

Характеризует быстродействие ОУ. Определяет диапазон частот входного сигнала, в котором ОУ способен работать без искажений. Может составлять от единиц Гц до сотен МГц.

Напряжение смещения нуля

Это напряжение на выходе ОУ при нулевом входном сигнале. Важный параметр для прецизионных схем. У современных ОУ составляет единицы-десятки мкВ.

Где применяются операционные усилители

Благодаря своим свойствам, операционные усилители нашли широкое применение в различных областях электроники:

Измерительная техника

ОУ используются для построения прецизионных усилителей, компараторов, интеграторов в измерительных приборах и датчиках. Позволяют усиливать слабые сигналы с минимальными искажениями.

Аудиотехника

В аудиосистемах ОУ применяются для усиления сигналов, регулировки тембра и громкости, построения активных фильтров. Обеспечивают высокое качество звучания при низких искажениях.

Источники питания

В импульсных и линейных источниках питания ОУ используются для стабилизации выходного напряжения, ограничения тока, защиты от перегрузок.

Системы автоматики

ОУ применяются для построения различных регуляторов, корректирующих устройств, преобразователей сигналов в системах автоматического управления.

Телекоммуникации

В телекоммуникационной аппаратуре ОУ используются для усиления и фильтрации сигналов, модуляции и демодуляции, в активных антеннах.

Преимущества и недостатки операционных усилителей

Операционные усилители обладают рядом достоинств, но также имеют некоторые ограничения.

Преимущества ОУ:

Высокий коэффициент усиления
Широкая полоса пропускания
Высокое входное и низкое выходное сопротивление
Универсальность применения
Простота использования
Низкая стоимость

Недостатки ОУ:

Необходимость двухполярного питания
Ограниченная выходная мощность
Возможность самовозбуждения
Чувствительность к электростатическим разрядам

Несмотря на некоторые недостатки, преимущества операционных усилителей делают их незаменимыми во многих областях современной электроники. Правильное применение ОУ позволяет создавать эффективные и надежные электронные устройства.

Типы операционных усилителей

Существует несколько основных типов операционных усилителей, различающихся по своим характеристикам и области применения:

Универсальные ОУ

Наиболее распространенный тип, подходящий для большинства типовых применений. Обладают средними характеристиками по всем параметрам. Пример — популярная микросхема LM324.

Прецизионные ОУ

Отличаются высокой точностью и малым напряжением смещения. Применяются в измерительной технике, медицинской электронике. Пример — OP07.

Быстродействующие ОУ

Имеют широкую полосу пропускания (до сотен МГц) и малое время установления. Используются в высокочастотных схемах, видеотехнике. Пример — LM6172.

Микромощные ОУ

Характеризуются сверхнизким энергопотреблением. Применяются в портативных устройствах с батарейным питанием. Пример — MAX4040.

Мощные ОУ

Способны отдавать в нагрузку большой ток (до нескольких ампер). Используются для управления исполнительными устройствами. Пример — OPA549.

Базовые схемы включения операционных усилителей

Существует несколько стандартных схем включения ОУ, на основе которых строится большинство практических устройств:

Инвертирующий усилитель

В этой схеме входной сигнал подается на инвертирующий вход ОУ через резистор. Коэффициент усиления определяется отношением сопротивлений резисторов обратной связи и входного. Выходной сигнал находится в противофазе со входным.

Неинвертирующий усилитель

Входной сигнал подается на неинвертирующий вход ОУ. Коэффициент усиления задается резисторами обратной связи. Выходной сигнал совпадает по фазе со входным. Отличается высоким входным сопротивлением.

Повторитель напряжения

Частный случай неинвертирующего усилителя с коэффициентом усиления равным 1. Обладает единичным усилением по напряжению, но может усиливать ток. Используется как буферный каскад.

Дифференциальный усилитель

Усиливает разность напряжений между двумя входами. Широко применяется для подавления синфазных помех. Коэффициент усиления задается резисторами.

Суммирующий усилитель

Позволяет складывать несколько входных сигналов с разными весовыми коэффициентами. Используется в схемах обработки аналоговых сигналов, микшерах.

Перспективы развития операционных усилителей

Хотя операционные усилители существуют уже много десятилетий, они продолжают развиваться и совершенствоваться:

Повышение быстродействия

Ведутся разработки ОУ с полосой пропускания в единицы ГГц. Это позволит применять их в сверхвысокочастотных схемах и оптоэлектронике.

Снижение энергопотребления

Создаются ОУ с током потребления менее 1 мкА. Такие усилители найдут применение в носимой электронике и автономных датчиках.

Расширение функциональности

Появляются ОУ со встроенными АЦП, ЦАП, микроконтроллерами. Это позволяет создавать компактные интеллектуальные системы сбора и обработки данных.

Улучшение точностных параметров

Совершенствуются технологии производства, что позволяет снизить напряжение смещения до единиц нВ и уменьшить температурный дрейф.

Интеграция в специализированные микросхемы

ОУ все чаще интегрируются в состав сложных микросхем для конкретных применений, например, драйверов двигателей или контроллеров источников питания.

Таким образом, несмотря на свой солидный возраст, операционные усилители остаются важнейшим элементом современной аналоговой электроники и продолжают активно развиваться.

Операционные усилители

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИИ

Пермский государственный университет

Кафедра экспериментальной физики

Методические указания

Пермь 2000

Составители: доц. Н.Н.Коротаев, доц. И.Л.Вольхин, ассист. А.А.Федоренко

УДК 621.38

Операционные усилители: Методические указания/ Перм. ун-т; Сост. Н.Н.Коротаев, И.Л.Вольхин, А.А.Федоренко. — Пермь, 2000. — 16 с.

В издании рассмотрены принципы работы и приведены характеристики операционных усилителей, даны рекомендации по выполнению лабораторной работы. Оно соответствует программам курсов “Основы радиоэлектроники”, “Радиофизика и электроника”, “Основы электроники” и “Радиоэлектроника”.

Предназначено для студентов физического факультета специальностей “Радиофизика и электроника”, “Физика твердого тела”и “Физика”, а также студентов географического и геологического факультетов.

Ил. 11. Таб. 3. Библиогр. 3 назв.

Печатается по постановлению методической комиссии физического факультета Пермского университета

Введение

На заре развития вычислительной техники рассматривалась возможность создания аналоговых вычислительных машин. Одним из основных базовых элементов для построения таких систем служили операционные усилители – устройства, способные выполнять различные математические операции. В ту пору операционные усилители (ОУ) изготавливались на радиолампах. В настоящее время они выполняются в виде функционально законченных интегральных схем и являются такими же распространёнными элементами, как транзисторы, цифровые интегральные схемы и микросхемы вторичных источников питания. Область применения ОУ несколько изменилась. Как правило, они применяются при разработках совершенно новых устройств, для которых не создано специализированных интегральных схем, в качестве же операционных блоков вычислительных устройств не применяются совсем.

1.Параметры операционных усилителей

Операционный усилитель – это высококачественный усилитель постоянного тока, имеющий дифференциальный вход, несимметричный выход и обладающий высоким коэффициентом усиления (коэффициент усиления по напряжению ОУ может составлять K_u=10³10⁶). ОУ имеют высокое входное и низкое выходное сопротивления.

Варианты условных графических изображений операционных усилителей показаны на рис.1. ГОСТом рекомендован вариант а. Такое обозначение используется при оформлении технической документации. Первый вход, обозначенный кружком, называется инвертирующим, второй – неинвертирующим. Иногда эти входы обозначают символами“+”и““. ОУ может иметь дополнительные выводы для согласования с логическими схемами. В литературе по радиоэлектронике часто встречается вариант обозначения б. Этот вариант наиболее нагляден и удобен для анализа схем на ОУ.

При разработке схем на ОУ следует учитывать некоторые правила:

1. Ввиду очень большого коэффициента усиления линейные устройства на ОУ (активные фильтры, усилители, сумматоры, интеграторы, дифференциаторы) могут работать только при наличии отрицательной обратной связи (ООС). ООС вводит операционный усилитель в линейный режим. Операционный усилитель с ООС работает таким образом, что между инвертирующим и неинвертирующим входами поддерживается почти нулевая разность потенциалов.

2. Несмотря на правило 1, ввиду очень высокого входного сопротивления, током через входы ОУ можно пренебречь. Выходное сопротивление идеального ОУ стремится к нулю.

Первое и второе правила существенно упрощают анализ и расчёт работы схем на ОУ.

Операционный усилитель имеет на входе дифференциальный каскад. Это приводит к тому, что ОУ усиливает только разностный сигнал U=U₊U_, где

U₊— разность потенциалов между неинвертирующим входом и общим проводом, аU_-разность потенциалов между инвертирующим входом и общим проводом.

Операционный усилитель передает и некоторую долю входного синфазного сигнала. Качество ОУ по этой характеристике принято оценивать коэффициентом ослабления синфазного сигнала. Он определяется как отношение напряжения синфазного сигнала, поданного на оба входа, к дифференциальному сигналу, который обеспечивает то же напряжение на выходе. К_ОС.СФ=U_ВХ.СФ/U_ВХ.ДИФприU_ВЫХ.СФ=U_{ВЫХ.ДИФ}.

Для питания схем обычно применяются два источника напряжения, подключённые к микросхеме ОУ так, как показано на рис.2.

Правила 1 и 2 применяются для анализа работы линейных схем на идеальных ОУ. Для анализа работы нелинейных схем, например компараторов, они применимы не всегда. Формулы, полученные для схем на идеальных ОУ, для схем на реальных операционных усилителях могут оказаться приближёнными.

Для качественного анализа работы ОУ будем считать операционный усилитель идеальным. Идеальный усилитель имеет характеристики, отображённые в табл.1. Кроме перечисленных в ней параметров для описания реального ОУ нужно знать предельно допустимые параметры.

Таблица 1

Характеристики идеального и реального операционных усилителей

Характеристика	Идеальный ОУ	Реальный ОУ
Входное сопротивление		100 Ком 10 ГОм
Выходное сопротивление	0	1100 Ом
Коэффициент усиления по напряжению		10³10⁶
Коэффициент ослабления синфазного сигнала		10³10⁵
Выходное напряжение при равенстве потенциалов на входах	0	050 мВ
Максимальная скорость нарастания выходного сигнала		0,00530 В/мкс
Максимальное выходное напряжение		U_пит

Операционный усилитель: создание и развитие

Содержание

1 Как создавался операционный усилитель
- 1. 1 Развитие электронных ламп
- 1.2 Дифференциальные усилители и обратная связь
- 1.3 Операционные усилители: первые пташки
2 Развитие операционных усилителей
3 Полупроводники в операционных усилителях

Операционный усилитель – это электронный прибор с обратной связью с задачей многократного увеличения разницы сигнала между двумя его входами. Первоначально конструкция использовалась компанией Bell Labs для привода зенитной установки в рамках системы Т9. Отсюда и название. С английского operational переводится двояко: операторный и одновременно успешный (рабочий, действенный). А эффективность системы Т9 и сегодня не вызывает сомнений.

Как создавался операционный усилитель

Развитие электронных ламп

История начинается с зарождения XX века (1904 год), когда Флеминг усовершенствовал электронную лампу Эдисона (см. лампа накаливания), получив первый вакуумный диод. Если говорить подробно, патент от 1883 года не стал первым упоминанием термоэлектронной эмиссии. Десятилетием ранее отмеченной даты Фредерик Гутри уже упоминал это явление (см. Magnetism and Electricity, 1873 год). В 1906 на свет, благодаря Ли Де Форесту, появился первый вакуумный триод – прибор, конструктивно входящий в состав первых операционных усилителей. Между существующими нитью накала (катодом) и имеющим положительный потенциал диском (анодом) добавили сетку, сигнал на которой активно влиял на прохождение электронов через пространство.

Электронная лампа

Дифференциальные усилители и обратная связь

Новым шагом стало развитие в начале 30-х компанией Bell Labs технологии усилителей с обратной связью, что ведет прямиком к патенту US 2401779 Карла Швартцеля младшего, заявленного 1 мая 1941 года.

В 1928 году обратная связь, столь распространенная сегодня, не была известна. И когда работник Bell Labs Харольд Блэк впервые разместил патент, проку оказалось мало. Понадобилось целых 9 лет (US Patent 2102671), чтобы довести изобретение до ума. Как часто случается с великими изобретениями, множество людей в разных уголках Земли трудились над одинаковым предметом. Среди учёных:

Пол Войт (UK Patent 231792, 1924 год).
А. Д. Блюмлейн (UK Patent 425553, 1933 год).
Известная компания N.V. Philips.

Когда Блэк развивал свою идею, пытался решить ситуацию с повторителями сигнала в линиях связи. Один вакуумный триод давал усиление максимум 1 дБ исключительно в благоприятных условиях. Требовались сотни, тысячи, и эта ватага нуждалась в энергии и требовала внимания обслуживающего персонала. Усилитель с обратной связью стал потрясающим изобретением – многократно вырос коэффициент усиления с одновременным повышением стабильности (критерии Найквиста). Компания Bell Labs буквально озолотилась на упомянутой идее.

Харольд Блэк

Развитием идеи Блэка считаются патенты US Patent 1915440 (Гарри Найквист) и US Patent 2123178 (Хендрик Боуд). Найквист подкинул идею работы вакуумных ламп с постоянным током, чем снова расширил границы применяемости обратной связи. Параллельно шла разработка дифференциальных усилителей – рабочим сигналом для них считается разница между двумя входами. Отмечают этапы становления:

Б. Х. К. Мэттьюз изобретает в 1934 году дифференциальный вход для усилителя. Недостаток: в схеме с общими катодами они непосредственно соединены с отрицательным полюсом источника питания, что прямо снижает коэффициент усиления.
Чуть дальше пошел Алан Блюмлейн в патенте UK Patent 482470 (1936 год). Отделил общие катоды от земли резистором.
В 1937 году Франклин Оффнер ввел в конструкцию обратную связь, что слегка снизило усиление, но повысило устойчивость системы. В упомянутом году Отто Шмитт придумал схему на пентодах, где указанный недостаток отсутствовал.
В 1938 году Дж. Ф. Тоннис вводит понятие длиннохвостой дифференциальной пары для вакуумных ламп. В этом случае между землей и общим высокоомным резистором добавляется источник питания (у Тонниса – минус 90 В), дополнительно уменьшающий потенциал катода.
Отто Шмитт в 1938 году также обсуждает длиннохвостую дифференциальную пару, но уже в качестве инвертора фазы (один вход заземлен).
Харольд Гольдберг в 1940 году изобретает схему малошумящего (порядка 2 мкВ) многокаскадного дифференциального усилителя. Позднее вводит в схему пентод для обеспечения нужного тока смещения.

Операционные усилители: первые пташки

Фокус разработки операционных усилителей в 30-е годы находился в области аналоговых вычислительных устройств. Схожие конструкции обсуждались в поздние 30-е годы и в 1940 Джорджем Филбриком и Пером Хольстом, не хватает последнего шага – большого коэффициента усиления. Использование биполярного питания позволило отрабатывать в обе стороны сигналы рассогласования для точного прицеливания. Система М9 служила операционным блоком вычислительной системы, рассчитывающей траекторию движения снарядов для поражения воздушных мишеней.

Подробности исследований описаны в работе Хиггинса «Defense Research at Bell Labs: Electrical Computers for Fire Control».

Итак, Карл Швартцель в патенте 1941 года обсуждает первые операционные усилители. В документации изобретение именуется суммирующим. Происхождение названия тривиальное. Сам изобретатель пишет, что устройство призвано складывать n-ное число напряжений и можно подобным образом модифицировать существующие вычислительные машины. Особенностью новинки стало введение обратной связи для снижения входного сопротивления системы (что упростит ее согласование с прочими частями электрической цепи и увеличит коэффициент усиления).

Прежде суммирование происходило постепенно, причем единственное напряжение имело два полюса, что сильно усложняло согласование. В данном патенте рассматривается устройство, где все упрощено. Каждое из суммируемых напряжений одним из полюсов обретает общий провод, а коэффициент передачи системы возможно подстраивать, регулируя глубину обратной связи. Единственным ограничением становится постоянный ток, не всегда способный преодолеть вакуум.

Разработки Bell Labs приводят к созданию прототипа вычислительной системы прицеливания, получившей кодовое название Т10. Система (US Patent 2493183) успешно прошла испытания в декабре 1941 года и в дальнейшем активно развивалась. Спектр использования в ней операционных усилителей оказался значительно расширен. Следует обратить внимание, что публикация патента Швартцеля, заявленного 1 мая 1941 года, произошла лишь после окончания Второй мировой войны (1946 год). Настолько союзники считали важным указанное нововведение. Причем спецификация на саму систему наведения лежала практически в открытом доступе (для вражеских агентов).

Усилитель Швартцеля

Возникает вопрос: зачем операционный усилитель Швартцеля инвертирует сигнал? Мы полагаем – хотя нигде прямо не говорится – что это сделано для удобства пилотов. В авиации принято использовать инверсию летательного аппарата по углу тангажа. Таким образом конструкторы хотели упростить электрическую схему и в будущем применять операционные усилители в составе бортовой электроники. Инверсия по углу тангажа принята для компенсации физиологических особенностей пилота как представителя Homo Sapiens. Если сделать наоборот, на низких высотах самолет станет падать на землю. Об этом говорилось на уроках физики в средних классах общеобразовательных школ.

Следующий вопрос: зачем операционный усилитель Швартцеля складывает на входе целых три сигнала? Полагаем, ответ кроется в области функциональных ограничений автоматики. Первоначальное наведение на мишень делает вручную оператор, потом оптическая система дает вычислительному устройству информацию, по которому выполняется доводка. Возможно, с упреждением на скорость и дальность цели. В результате сигнал с рукоятки управления должен суммироваться с командами вычислителя. Третий вход нужен для обратной связи, что придаст движению ствола нужную плавность и исключит различные эксцессы.

В результате операционный усилитель решал поставленные задачи и одновременно делал усиление на 95 дБ (65000 раз) и нёс неимоверную нагрузку в 6 кОм (вход современной акустической колонки составляет сотню Ом – для сравнения). А главные конструкторы системы наведения Т9 – Ловелл, Паркинсон и Кун – получили в апреле 1947 года медаль за заслуги перед отечеством, учрежденную президентом на период Второй мировой войны (с 8 сентября 1939 года) и до 1952 года включительно. Это высшая награда для гражданского населения, способствовавшего победе над врагом.

Вероятность поражения мишени Т9 составила 90%. Так что мысль о существовании подобного компьютера долго отбивала у врага желание атаковать США и союзников. Инструмент немедленно объявили важнейшим средством защиты свободы и демократии в мире.

Прибор по усилению

Развитие операционных усилителей

Дальнейшие работы в области развития операционных усилителей перенесены (1947 год) в Колумбийский университет Нью-Йорка. Деятельность контролировалась и направлялась профессором Джоном Рагаццини. В ходе разработок найдена схема из двух триодов (прежде их насчитывалось три), но по вполне понятным причинам о конструкции мало имеется сведений и поныне. Автором называют Джули Лоебе. Нагрузка схемы возросла в разы и составила 300 кОм.

Именно в схеме Джули Лоебе появляются два входа вместо одного инвертирующего: инвертирующий и не инвертирующий. На каждом по-прежнему возможно вести сложение напряжений. Это качество используется и сегодня – нового не придумано. Дифференциальный вход компенсирует дрейф шумов, но они остаются большими в случае необходимости усиления субмилливольтных сигналов. Вносят погрешность тепловой уход рабочей точки и долговременные флуктуации. Затруднение решается использованием чоппера (нарезка напряжения на высокочастотные импульсы). Схема предложена в 1949 году Эдвином Гольдбергом.

Дрейф снижается на величину коэффициента передачи чоппера. Побочным преимуществом становится возможность использования низких частот, в том числе и постоянного напряжения. Благодаря наличию обратной связи чоппер может давать коэффициент усиления до 100 дБ, а в сумме схема Гольдберга обеспечивает 163 (150.000.000 раз). У новинки было несколько ограничений:

Первые схемы с чопперами работали только в инвертирующем режиме. Реализация обычного требовала включения в схему слишком большого количества каскадов.
На момент 1949 года не существовало концепции силовых ключей. Нарезка выполнялась механическими устройствами. Ситуация решена уже в полупроводниковой технике, и сегодня каждый импульсный блок питания включает чоппер на тиристоре (симисторе).

Полупроводники в операционных усилителях

Во второй половине 40-х годов на сцену выходят биполярный и полевой транзисторы, а в 1958 году Джэк Килби из Техас Инструментс изобретает интегральные схемы. Планарный процесс монтажа на кристалл различных конфигураций совершил революцию в области операционных усилителей. В результате начало 60-х дает новые устройства с питанием порядка 10-15 В вместо 350, существовавших ранее. Первые интегральные схемы оказались неуклюжими и представляли собой небольшую плату с навесными элементами (и транзисторами), залитую компаундом. Страдал коэффициент усиления, сопротивление нагрузки едва достигало 500 Ом.

Но техника не стояла на месте. К примеру, варакторный мост позволил усиливать очень малые сигналы постоянного тока до большой величины. Что делало возможным управление различными механизмами напрямую. Сегодня большая часть операционных усилителей представляет собой кристаллы полупроводника с сформированными на них активными и пассивными элементами.

Операционные усилители (ОУ) Термин | CircuitBread

Простые определения

Наиболее важные термины в области электроники, демистифицированные в одном месте.

Свежий контент! Мы будем добавлять больше на регулярной основе.

Вопрос, комментарий или предложение?

Наш взгляд

Операционные усилители, или операционные усилители, прекрасная штука. Они обеспечивают относительно высокое усиление с относительно низким уровнем шума или искажений, чертовски дешевы, гибки в своих настройках и приложениях и просты в использовании. Эти характеристики делают операционные усилители чрезвычайно распространенными в дизайне и в реальной жизни.

Книжное определение

Тип усилителя с очень высоким коэффициентом усиления по напряжению, очень высоким входным сопротивлением, очень низким выходным сопротивлением и хорошим подавлением синфазных сигналов.

Электронные устройства: обычная текущая версия, 9-е издание Томаса Л. Флойда

Активный элемент схемы, предназначенный для выполнения математических операций сложения, вычитания, умножения, деления, дифференцирования и интегрирования.

Основы электрических цепей, 5-е издание Чарльза К. Александра и Мэтью Н. О. Садику

Википедия

Операционный усилитель (часто операционный усилитель или операционный усилитель) представляет собой электронный усилитель напряжения с высоким коэффициентом усиления и связью по постоянному току с дифференциальным входом и, как правило, несимметричным выходом. ^[1] В этой конфигурации операционный усилитель создает выходной потенциал (относительно земли схемы), который обычно в сотни тысяч раз превышает разность потенциалов между его входными клеммами. Операционные усилители возникли в аналоговых компьютерах, где они использовались для выполнения математических операций во многих линейных, нелинейных и частотно-зависимых схемах.

Популярность операционного усилителя в качестве составного элемента аналоговых схем обусловлена его универсальностью. При использовании отрицательной обратной связи характеристики схемы операционного усилителя, его коэффициент усиления, входное и выходное сопротивление, полоса пропускания и т. д. определяются внешними компонентами и мало зависят от температурных коэффициентов или технических допусков самого операционного усилителя.

Операционные усилители являются сегодня одними из наиболее широко используемых электронных устройств, используемых в широком спектре бытовых, промышленных и научных устройств. Многие стандартные операционные усилители на интегральных схемах стоят всего несколько центов при умеренном объеме производства; однако некоторые интегрированные или гибридные операционные усилители со специальными характеристиками могут стоить более 100 долларов США в небольших количествах. ^[2] Операционные усилители могут быть упакованы как компоненты или использоваться как элементы более сложных интегральных схем.

Операционный усилитель — это один из типов дифференциальных усилителей. Другие типы дифференциальных усилителей включают в себя полностью дифференциальный усилитель (аналогичный операционному усилителю, но с двумя выходами), инструментальный усилитель (обычно состоящий из трех операционных усилителей), разделительный усилитель (аналогичный инструментальному усилителю, но с допуском к синфазным напряжениям, которые разрушили бы обычный операционный усилитель), и усилитель с отрицательной обратной связью (обычно состоящий из одного или нескольких операционных усилителей и цепи резистивной обратной связи).

https://en.wikipedia.org/wiki/Operational_amplifier

Получите новейшие инструменты и учебные пособия, только что из тостера.

Что такое операционный усилитель? — Аналоговые — Технические статьи

Во многих учебниках и справочниках операционные усилители (ОУ) определяются как специальные интегральные схемы (ИС), выполняющие различные функции или операции, такие как усиление, сложение и вычитание. Хотя я согласен с этим определением, также важно отметить важность напряжений на входных контактах устройства.

Когда входные напряжения равны, операционный усилитель обычно работает линейно, и именно при линейной работе операционный усилитель точно выполняет вышеупомянутые функции. Однако операционный усилитель может изменить только одну вещь, чтобы сделать входные напряжения равными: выходное напряжение. Поэтому выход схемы операционного усилителя обычно каким-то образом подключается к входу, что обычно называют обратной связью по напряжению.

В этой статье я объясню основные принципы работы операционного усилителя общего назначения с обратной связью по напряжению и отсылаю вас к другим материалам, где вы можете узнать больше.

Проектирование с использованием операционных усилителей

Откройте для себя TI Precision Labs, наше обучение по требованию для инженеров-аналогов.

На рис. 1 изображен стандартный схематический символ операционного усилителя. Имеются две входные клеммы (IN+, IN-), одна выходная клемма (OUT) и две клеммы питания (V+, V-). Названия клемм могут варьироваться от производителя к производителю или даже в пределах одного производителя, но, тем не менее, это одни и те же пять клемм.

Например, вы можете увидеть V _cc или V _dd вместо V+. Точно так же вы можете увидеть V _ee или V _ss вместо V-. Другие обозначения клемм питания будут отличаться, поскольку они относятся к типам транзисторов внутри устройства. Например, при использовании биполярных переходных транзисторов (BJT) внутри операционных усилителей источники питания соответствуют выводам коллектора и эмиттера BJT: V _cc и V _ee. При использовании полевых транзисторов (ПТ) внутри операционных усилителей маркировка источника питания соответствует стоку и истоку ПТ: В _дд и V _сс. Сегодня многие операционные усилители содержат как BJT, так и FET, поэтому V+ и V- являются общими метками, независимо от транзисторов внутри устройства. Короче говоря, не зацикливайтесь на этикетках; просто понять, что они делают.

Рис. 1. Условное обозначение операционного усилителя общего назначения

Уравнение 1 выражает передаточную функцию операционного усилителя:

коэффициент усиления без обратной связи, и в современных операционных усилителях это обычно очень большое значение (120 дБ или 1 000 000 В/В). Например, если разница напряжений между IN+ и IN- составляет всего 1 мВ, операционный усилитель попытается выдать 1000 В! В этой конфигурации операционный усилитель не работает в линейной области, потому что выход не может сделать входы равными друг другу (помните, что в идеале IN+ равен IN-). Следовательно, операционным усилителям нужен способ управления усилением без обратной связи, что осуществляется с помощью отрицательной обратной связи.

На рис. 2 показан операционный усилитель как часть системы управления с обратной связью. Вы заметите, что выход OUT подается обратно на отрицательный вход IN- через блок, обозначенный ß. ß известен как коэффициент обратной связи и обычно использует резисторы для деления выходного напряжения.

Рис. 2: Операционный усилитель с отрицательной обратной связью

На рис. 3 сравнивается операционный усилитель, работающий в разомкнутом контуре, и операционный усилитель с отрицательной обратной связью. В этих программных симуляциях TINA-TI™ используется почти идеальный операционный усилитель с источниками питания для ограничения выходного напряжения. Обратите внимание, что для конфигурации без обратной связи слева выход почти равен положительному источнику питания (V+). Это связано с тем, что между входными контактами существует небольшая разница (100 мВ). Это небольшое напряжение усиливается коэффициентом усиления без обратной связи, что приводит к тому, что выходное напряжение соответствует одному из напряжений питания. В варианте с отрицательной обратной связью или в версии с обратной связью на правой стороне рисунка 3 делитель напряжения на выходе операционного усилителя требует выходного напряжения 200 мВ, чтобы сделать инвертирующий и неинвертирующий входы равными.

Рис. 3. Разомкнутый контур (слева) и отрицательная обратная связь (справа)

Усиление входного напряжения называется усилением. Это функция номиналов резисторов в цепи обратной связи. Уравнение 2 изображает уравнение усиления для схемы справа на рис. 3, которая известна как неинвертирующий усилитель. Вы увидите, что рассчитанное выходное напряжение соответствует симуляции. Если вам интересно узнать больше об этой схеме (и других распространенных схемах операционных усилителей, таких как буфер, инвертирующий усилитель и дифференциальный усилитель), вы можете загрузить электронную книгу «Поваренная книга аналоговых инженеров: усилители».

(2)

Выход операционного усилителя ограничен напряжением питания. На рис. 4 представлен график зависимости выходного напряжения от входного напряжения неинвертирующего усилителя на рис. 3. Обратите внимание на ограничение, при котором выходное напряжение насыщается по мере приближения к положительному и отрицательному источникам питания.

Рис. 4. Выходное напряжение в зависимости от входного напряжения для схемы неинвертирующего усилителя

Из-за этого ограничения на Рис.0076 diff , увеличивается по мере того, как выход приближается к источнику питания. Только когда входы почти равны, операционный усилитель работает в линейной области.

Рис. 5. Сравнение V _diff и IN+ для схемы неинвертирующего усилителя

Чтобы глубже понять операционные усилители, ознакомьтесь с нашей учебной программой по аналогам, TI Precision Labs. В этой учебной программе более подробно рассматривается операционный усилитель и обсуждаются фундаментальные неидеальности, такие как входное напряжение смещения (V _os ), входной ток смещения (I _B ) и ограничения ввода/вывода. Есть также лекции по сложным темам, таким как полоса пропускания операционного усилителя (BW), скорость нарастания (SR), шум, коэффициент подавления синфазного сигнала (CMRR), коэффициент подавления источника питания (PSRR) и стабильность. Помимо лекций, по некоторым темам проводятся практические лабораторные эксперименты. Для проведения этих экспериментов вам понадобится соответствующий модуль оценки операционных усилителей.

Если в душе вы любите заниматься ремонтом, вас может заинтересовать универсальный модуль оценки схемы усилителя «сделай сам» (для одноканальных устройств), двухканальный универсальный модуль «сделай сам» ( DIY) Оценка схемы усилителя (для двухканальных устройств) или Оценочный модуль DIP-адаптера (который можно использовать вместе со стандартной макетной платой или макетной платой). Самодельные EVM поддерживают различные пакеты и имеют ряд стандартных схем операционных усилителей, таких как неинвертирующий усилитель, описанный в этой статье, инвертирующий усилитель, буфер и фильтры (как Саллена-Ки, так и с множественной обратной связью).