Принцип работы операционного усилителя. Операционные усилители: принцип работы, характеристики и применение

Что такое операционный усилитель и как он работает. Каковы основные характеристики операционных усилителей. Как используются операционные усилители в различных схемах. Какие режимы работы есть у операционных усилителей. Где применяются операционные усилители в электронике.

Что такое операционный усилитель и его основные характеристики

Операционный усилитель (ОУ) — это интегральная микросхема, предназначенная для усиления и преобразования аналоговых сигналов. Это один из наиболее универсальных и широко используемых элементов аналоговой электроники.

Основные характеристики операционных усилителей:

• Высокое входное сопротивление (десятки МОм)
• Низкое выходное сопротивление (десятки Ом)
• Высокий коэффициент усиления (от 10^4 до 10^6)
• Широкая полоса пропускания (до десятков МГц)
• Низкий уровень шумов
• Высокая линейность

Благодаря этим характеристикам ОУ способны эффективно усиливать слабые сигналы и работать в широком диапазоне частот, что делает их незаменимыми во многих областях электроники.

Принцип работы операционного усилителя

Операционный усилитель имеет два входа — инвертирующий (-) и неинвертирующий (+), а также один выход. Принцип его работы основан на усилении разности напряжений между входами:

Vout = K(V+ — V-)

где K — коэффициент усиления ОУ.

При этом ОУ стремится сравнять напряжения на обоих входах за счет отрицательной обратной связи. Это позволяет создавать на его основе различные функциональные схемы.

Основные режимы работы операционных усилителей

Операционные усилители могут работать в двух основных режимах:

1. Линейный режим

В линейном режиме выходной сигнал ОУ пропорционален входному. Это достигается за счет отрицательной обратной связи. Основные схемы в линейном режиме:

• Инвертирующий усилитель
• Неинвертирующий усилитель
• Повторитель напряжения
• Сумматор
• Интегратор
• Дифференциатор

2. Нелинейный режим

В нелинейном режиме ОУ работает без обратной связи, на выходе формируются импульсные сигналы. Примеры схем:

• Компаратор
• Триггер Шмитта
• Мультивибратор
• Генератор

Применение операционных усилителей в различных схемах

Благодаря своей универсальности, операционные усилители применяются во множестве электронных схем. Рассмотрим некоторые из основных применений:

Инвертирующий усилитель

Инвертирующий усилитель инвертирует и усиливает входной сигнал. Коэффициент усиления определяется соотношением резисторов обратной связи:

K = -Rос / Rвх

Эта схема широко используется для усиления сигналов с изменением фазы на 180°.

Неинвертирующий усилитель

Неинвертирующий усилитель усиливает сигнал без инверсии. Коэффициент усиления задается формулой:

K = 1 + Rос / R1

Данная схема применяется, когда необходимо усилить сигнал без изменения фазы.

Повторитель напряжения

Повторитель напряжения (или буферный усилитель) имеет единичный коэффициент усиления. Его основное назначение — согласование высокоомных источников сигнала с низкоомной нагрузкой.

Сумматор

Сумматор на ОУ позволяет складывать несколько входных сигналов. Это находит применение в микшерах, устройствах обработки сигналов и др.

Интегратор и дифференциатор на операционном усилителе

Интегратор и дифференциатор — важные схемы на основе ОУ, выполняющие математические операции над сигналами:

Интегратор

Интегратор выполняет интегрирование входного сигнала по времени. Его передаточная функция:

H(s) = -1 / (RC * s)

Интеграторы применяются в фильтрах, ПИД-регуляторах, генераторах сигналов.

Дифференциатор

Дифференциатор производит дифференцирование входного сигнала. Его передаточная функция:

H(s) = -RC * s

Дифференциаторы используются в системах управления, обработке сигналов, измерительной технике.

Применение операционных усилителей в электронике

Операционные усилители нашли широкое применение во многих областях электроники:

• Аудиотехника (усилители, микшеры, эквалайзеры)
• Измерительная техника (осциллографы, вольтметры)
• Системы автоматического управления
• Аналоговые вычислительные устройства
• Фильтры и преобразователи сигналов
• Источники питания и стабилизаторы напряжения
• Генераторы сигналов

Такая универсальность делает ОУ незаменимыми компонентами во многих электронных устройствах.

Заключение: преимущества и ограничения операционных усилителей

Операционные усилители обладают рядом важных преимуществ:

• Высокая универсальность и функциональность
• Простота применения в типовых схемах
• Низкая стоимость и доступность
• Хорошие технические характеристики

Однако у них есть и некоторые ограничения:

• Ограниченная полоса пропускания на высоких частотах
• Необходимость двухполярного питания в некоторых схемах
• Чувствительность к электростатическим разрядам

Несмотря на эти ограничения, операционные усилители остаются одним из наиболее популярных и универсальных компонентов аналоговой электроники, находя применение во множестве устройств и систем.

принцип работы, схемы и т.д.

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

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

Операционный усилитель

Обратите внимание на основы электричества и на приборы электроники.

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

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

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

Кристалл с интегральной схемой операционного усилителя

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

Схемы операционного усилителя

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

Схема операционного усилителя

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

Схема соединения операционного усилителя с источником питания

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

Схема обозначения общей точки сигналов

Корпусы операционных усилителей

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

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

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

Дифференциальный усилитель операционный усилитель, являющийся сочетанием инвертирующего и неинвертирующего усилителей

Измерительный усилитель измененный дифференциальный регулятор, на входах которого установлены повторители напряжения

Инвертирующий операционный усилитель повторитель напряжения, который может получить почти любой коэффициент усиления

Неинвертирующий операционный усилитель может быть модифицирован таким образом, чтобы получить почти любой коэффициент усиления

Суммирующий усилитель выходное напряжение равно сумме его входных напряжений

Операционный усилитель это интегральная микросхема

Содержание

1. Операционный усилитель это элемент электроники
2. Такими безупречными характеристиками являются:
3. Существует некоторое количество ключевых схем, по которым работает ОУ:
4. Принцип действия инвертирующего усилителя
5. Принцип действия не инвертирующего усилителя
6. Принцип работы операционного усилителя в схеме вычисления — дифференциальный усилитель
7. Операционный усилитель работающий по схеме сложения

Операционный усилитель это один из главных составных частей нынешней электроники. Обладая прекрасными характеристиками и легкости расчетных функций, ОУ довольно просты в использовании. У операционных усилителей есть еще другое, параллельное название — дифференциальный усилитель, из-за того, что у него имеется возможность усиления разности входных напряжений.

В основном операционные усилители производятся в виде интегральных микросхем. В зависимости от назначения, могут размещаться по одному чипу в корпусе, а в некоторых случаях по два и более. Также производители выпускают ОУ различных модификаций, которые имеют существенные различия в технических характеристиках относительно друг друга.

По теоретическим расчетам ОУ обладает совершенными параметрами, в практическом же применении его характеристики только на пути к безупречным. Тем не менее в определенных моментах они достигаются. Применение понятия «совершенного» операционного усилителя способствует сделать расчеты более простыми.

Ламповый операционный усилитель K2-W

Такими безупречными характеристиками являются:

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

Из этого можно понять, что такие параметрические данные не могут быть гарантированы в полном объеме, хотя производители ежегодно улучшают характеристики операционников, тем самым делая их почти идеальными.

Существует некоторое количество ключевых схем, по которым работает ОУ:

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

Принцип действия инвертирующего усилителя

Данная аналоговая схема считается наиболее простой и часто используемая в электронике. Рабочие действия ОУ заключаются в усилении либо снижении сигнала на входе устройства, при этом он способен выполнять фазовую модуляцию. Функция усиливающая сигнал определяется буквенным обозначением k. Представленное графическое изображение демонстрирует определенное воздействие операционного усилителя в данной схеме:

Амплитуда отображенная синим цветом является сигналом во входном тракте устройства, а амплитуда красного цвета — выходная цепь. Как можно заметить на графике, идет двойное усиление сигнала, при этом амплитуда имеет перевернутый вид.

Принципиальная схема данного усилителя показана на снимке ниже:

Принцип действие данной схемы, как бы обосновывает популярность этого электронного прибора. Для того, чтобы определить коэффициент усиления сигнала на выходе нужно воспользоваться формулой приведенной ниже:

Включенный в схему постоянное сопротивление R3 выполняет функцию защиты микросхемы.

Принцип действия не инвертирующего усилителя

Схема не инвертирующего усилителя выполнена по аналогии инвертирующего усилителя, но с одним лишь отличием, в этом варианте не выполняется изменение полярности сигнала, то-есть фаза остается без изменений. Показанное ниже графическое изображение показывает прохождение выходного сигнала:

В данной схеме, при подаче во входную цепь синусоидального сигнала, усиленный выходной импульс, так же как и в предыдущей схеме составляет k=2, то есть двойной коэффициент усиления. График показывает, что при этом изменился только размах амплитуды.

На изображении ниже, показана схема ОУ работающего как не инвертирующий усилитель:

Показанная здесь схема, с включенными в нее парой резисторов, так же отличается своей простотой в исполнении. Сигнальный импульс по входу поступает на плюсовой вход микросхемы. Для расчета коэффициента усиления сигнала служит следующая формула:

Формула определяет: у усиливающего сигнала не должно быть условное значение, которое меньше «1», тем самым микросхема не даст возможности уменьшить сигнал.

Принцип работы операционного усилителя в схеме вычисления — дифференциальный усилитель

Следующим вариантом применения ОУ будет дифференциальный усилитель, и возможностью получения по входу разность двух сигнальных импульсов с последующим усилением. Представленный ниже график показывает работу микросхемы.

Очередная схема, способна выполнить следующую работу ОУ:

Данный вариант принципиальной схемы не такой простой как представленные выше, а немного посложнее. Для вычисления выходного напряжения, нужно воспользоваться формулой:

Одна часть формулы определяет усиление либо уменьшение, другая часть высчитывает разницу 2-х напряжений.

Операционный усилитель работающий по схеме сложения

Этот характер работы микросхемы кардинально отличается от варианта вычитания. В данном случае имеется значительное преимущество прибора, а именно: его способность обрабатывать одновременно несколько сигнальных импульсов. Такой принцип функционирования используют все звуковые микшеры.

Представленная схема показывает ее возможность сложения большого количества сигналов, она не очень сложная и разобраться с ней не составит никакого труда. Для вычисления данных применяется формула:

Начинающим. Операционные усилители

Основы работы с операционным усилителем: работа и применение

Gadgetronicx > Электроника > Учебники по электронике > Основы работы с операционным усилителем: работа и применение

Операционный усилитель, также известный как операционный усилитель, является одним из наиболее полезных элементов аналоговой схемы. Он имеет множество применений, таких как усилитель, буфер, инвертор, интегратор, дифференциатор, осциллятор, компаратор и многое другое. Поскольку он настолько универсален, он используется во всех видах приложений. Поэтому понимание операционного усилителя и его работы очень важно для инженера-электронщика.

В этой статье объясняется

1. Что такое операционный усилитель
2. Характеристики операционного усилителя
3. Работа операционного усилителя
4. Режимы работы операционного усилителя
5. Применение операционного усилителя

Что такое операционный усилитель

Операционный усилитель — это интегральная схема (ИС), которая используется для усиления слабых сигналов в аналоговых схемах. Один операционный усилитель имеет два входа и один выход. Один из входов называется Неинвертирующий или положительный вход , в то время как другой вход упоминается как Инвертирующий или отрицательный вход . В двух словах, операционный усилитель можно описать как компонент, который выводит усиленную версию разности напряжений между сигналами, подаваемыми на его положительный и отрицательный вход.

Важные характеристики операционного усилителя

Это наиболее важные характеристики операционного усилителя.

1. Высокое входное сопротивление — Это позволяет операционному усилителю потреблять слабый ток на своих входных контактах и ​​делает его пригодным для работы в качестве усилителя.
2. Низкий выходной импеданс — Это позволяет операционному усилителю обеспечивать максимальный ток через выходной контакт для управления нагрузкой высокой мощности. Это опять-таки необходимое качество для усилителя.
3. Высокий коэффициент усиления — Операционные усилители имеют высокий коэффициент усиления, что означает, что они способны эффективно усиливать слабые низковольтные входные сигналы до высоковольтных выходных сигналов.
4. Высокочастотная характеристика — Операционные усилители универсальны для работы в широком диапазоне частот входного сигнала.

Работа операционного усилителя

Есть несколько вещей, которые являются основными для понимания операционных усилителей и их работы. Схема на рисунке 0 показывает символ операционного усилителя U1 и упрощенную схему внутренних компонентов операционного усилителя. Операционный усилитель имеет положительное и отрицательное подключение питания. Это обеспечивает питание от источника питания для работы этого устройства.

Библиотека схем — более 220 практических схем

В зависимости от применения можно использовать одиночные или раздельные источники питания. Операционный усилитель имеет три сигнальных контакта: вход положительного сигнала, вход отрицательного сигнала и выход сигнала операционного усилителя. Операционный усилитель состоит из дифференциального входного каскада, состоящего из транзисторов (Q1, Q2), каскада сдвига уровня Q3 и выходного каскада (Q4, Q5), как показано на рис. + Вход, который является базой Q1 и – Вход, привязанный к земле, Q3 будет активирован (читайте о работе транзисторов, чтобы лучше понять это). Это позволяет току течь от эмиттера к коллектору Q3. В результате на резисторах R3 и R4 появится положительное напряжение.

Это напряжение активирует Q4, и на выходе будет уровень напряжения +V.

С другой стороны, при подаче положительного напряжения на вход «–» и «+» на землю. Q3 не будет активирован, поэтому Q4 будет в выключенном состоянии, однако Q5 включится, так как это PNP-транзистор, и низкая логика в его базе активирует их. Теперь выходной контакт будет находиться в низком состоянии, а Q5 обеспечивает путь стока тока через эмиттер к клемме коллектора.

Режимы работы операционного усилителя

Операционный усилитель работает в двух режимах. Это работа с разомкнутым контуром и с замкнутым контуром.

Работа без обратной связи: Это режим работы, при котором выходной сигнал с выходных клемм операционного усилителя не будет возвращаться на его входные клеммы. При отсутствии обратной связи операционный усилитель действует как компаратор (поясняется позже).

Работа с обратной связью: Это режим работы, при котором выходной сигнал с выходной клеммы операционного усилителя возвращается на входные клеммы операционного усилителя.

Существует два способа настройки работы операционного усилителя с замкнутым контуром. Это положительные и отрицательные отзывы.

Положительная обратная связь

Когда есть обратная связь на положительный вход, это называется положительной обратной связью и используется в схемах генератора или используется для гистерезиса в схемах компаратора. Из-за высокого внутреннего коэффициента усиления операционного усилителя, когда положительный вход более положительный, чем отрицательный вход, выход будет полностью положительным. Когда положительный вход менее положительный, чем отрицательный, выход будет полностью отрицательным.

Отрицательный отзыв

Когда есть обратная связь от выхода к отрицательному входу, это называется отрицательной обратной связью и обычно используется в усилителях. Самое важное, что нужно помнить, это то, что при использовании отрицательной обратной связи операционный усилитель заставит входные напряжения на положительной и отрицательной клеммах быть равными.

Читайте также:

1. Резисторы: работа и применение в схемах
2. Конденсаторы: работа и применение в схемах
3. Катушка индуктивности: работа и применение в цепях

Как использовать операционный усилитель в цепях

Область применения операционного усилителя варьируется от фильтров, выпрямителей, усилителей, генераторов сигналов, модуляторов до схем и многого другого. Перечисленные ниже приложения помогут вам понять, как использовать операционные усилители в схемах так, как вы задумали.

1. Буфер

Первый — это буфер, это самое простое из всех применений. Буфер используется для соединения последовательностей цепей усилителя, не беспокоясь об импедансе. Он существенно усиливает ток или мощность входного сигнала. Поскольку входной импеданс операционного усилителя высок, в качестве входа можно использовать сигнал с очень низким током. Кроме того, выходное сопротивление операционного усилителя низкое, поэтому выходной сигнал будет иметь большой ток. Это делает операционный усилитель идеальным буфером.

Буферизируемый сигнал подается на положительный вход. Здесь отрицательная обратная связь представляет собой прямое соединение выхода с инвертирующим входом, поэтому выход будет следовать за входным сигналом, подаваемым на положительный вывод операционного усилителя. Это делается для того, чтобы поддерживать напряжение на положительном и отрицательном входе равным. Эта схема обеспечивает единичное усиление (1X) и преобразует слабый входной сигнал в сильный буферизованный выходной сигнал.

2. Инвертирующий усилитель

Вторая базовая схема представляет собой инвертирующий усилитель. Обратитесь к рисунку 2 для дальнейшего обсуждения. Входной сигнал подключен через входной резистор R1 к отрицательному входу ОУ. R2 подключен от отрицательного входа к выходу операционного усилителя. Положительный вход может быть подключен к земле или опорному напряжению.

Операционный усилитель инвертирует входной сигнал и усиливает его по формуле ).

В примере на рис. 2 коэффициент усиления усилителя равен -10.

Если VREF1 = 2 В и IN2 = 2,1 В, тогда Vo = 2 В + (2 В – 2,1 В) * 100K.10K = 1 вольт.

Когда мы используем разделенные источники питания и VREF1 подключен к земле, тогда будет применяться упрощенная формула на рисунке 2. Если коэффициент усиления инвертирующего усилителя равен единице, мы называем его инвертором.

Инвертирующие усилители широко используются там, где операционный усилитель обеспечивает управляемое усиление входного сигнала. Теоретически операционные усилители имеют бесконечный коэффициент усиления, поэтому без использования отрицательной обратной связи входной сигнал будет иметь непредсказуемое усиление, и поэтому выходной сигнал будет колебаться до максимального напряжения, эквивалентного напряжению питания или V2 (10 В на рисунке выше) самой микросхемы операционного усилителя. Конфигурация отрицательной обратной связи, используемая в инвертирующем усилителе, предотвращает это и обеспечивает контролируемое усиление входного сигнала.

3. Неинвертирующий усилитель

Третья базовая схема представляет собой неинвертирующий усилитель или просто усилитель. Обратитесь к рисунку 3 для дальнейшего обсуждения. Входной сигнал на IN3 подключен к положительному входу операционного усилителя. Резисторы R4 и R3 образуют резистивный делитель для обеспечения обратной связи на его отрицательном входе.

Как мы читали ранее, операционный усилитель будет пытаться заставить входы быть равными по амплитуде. Поэтому, когда на положительный вход подается 100 мВ, операционный усилитель попытается сделать отрицательный вход равным 100 мВ через цепь обратной связи.

Выходное напряжение операционного усилителя определяется по формуле

Vout = Vin * (1 + R4/R3)

В этом примере Vout = 100 мВ * (1 + 100K/10k) = 1,1 вольт.

Здесь коэффициент усиления этого усилителя задается R4/R3 до 10.

4. Интегратор/фильтр нижних частот

Четвертая базовая схема операционного усилителя представляет собой интегратор/фильтр нижних частот. Когда на его вход подается сигнал прямоугольной формы, на выходе будет пилообразная волна. Следующее обсуждение относится к схеме на рис. 4. Когда входной сигнал подается на IN4, ток течет через R5. VERF2 может быть подключен к земле или любому другому опорному напряжению.

Это настройка отрицательной обратной связи операционного усилителя. Когда вход мгновенного шага на IN4 имеет высокий уровень, а VERF2 подключен к земле, конденсатор C1 будет в незаряженном состоянии, и, следовательно, через него протекает максимальный ток, и конденсатор начинает заряжаться. Теперь мы знаем, что при настройке отрицательной обратной связи операционный усилитель примет меры для выравнивания напряжений как на отрицательном, так и на положительном входе. Поэтому на отрицательный вход операционного усилителя течет нулевой ток, и напряжение в этой точке будет равно нулю.

Выходной сигнал операционного усилителя в этот момент будет низким или нулевым. Как только напряжение на конденсаторе начинает расти, зарядный ток уменьшается, и напряжение на конденсаторе становится равным ступенчатому входному напряжению. Теперь напряжение начинает развиваться на отрицательном входе операционного усилителя, и в попытке уравнять его с его положительным входом, выход начинает линейно повышаться и заряжать конденсатор.

Когда конденсатор достигает напряжения, эквивалентного OUT4, напряжение на выходе операционного усилителя начинает снижаться. Цикл повторяется для генерации пилообразного сигнала на выходе.

Линейная зарядка и разрядка конденсатора C1 приводит к образованию пилообразной формы. Это определяется формулой

dVo/dt = (VREF2 – IN2)/(R5 * C1).

Скорость линейного изменения dVo/dt представляет собой изменение выходного напряжения в зависимости от изменения во времени. Когда R5 или C1 уменьшается, это увеличивает скорость линейного изменения выходного сигнала OUT4.

Если на вход IN4 подается синусоидальный сигнал, схема действует как фильтр нижних частот. Частоты ниже угловой частоты Fo будут проходить практически без затухания. Частоты выше угловой частоты Fo ослабляются на 6 децибел на октаву. Угловая частота определяется уравнением

Fo = 1/(2*PI*R5*C1).

При уменьшении R5 или C1 угловая частота увеличивается.

5. Дифференциатор/фильтр верхних частот

Пятая базовая схема операционного усилителя представляет собой дифференциатор/фильтр верхних частот. На рис. 5 показана схема для следующего обсуждения. Допустим, VERF3 подключен к земле, а прямоугольная волна используется в качестве входного сигнала для IN5.

Когда на IN5 подается высокий логический уровень или сигнал уровня 1, через конденсатор C2 протекает большой ток, который заряжает конденсатор. Теперь потенциал напряжения будет развиваться через R6. Поскольку это конфигурация с отрицательной обратной связью, выход операционного усилителя будет пытаться выровнять напряжение как на инвертирующих, так и на неинвертирующих клеммах. Поэтому на выходе OUT5 будет возникать отрицательный всплеск напряжения, позволяя току течь через него до тех пор, пока конденсатор не будет полностью заряжен.

Когда сигнал переключается на низкий логический уровень, конденсатор C2 будет разряжаться через IN5. Теперь на OUT5 появится положительный всплеск напряжения, чтобы заставить ток проходить через IN5 и уравнять напряжения на инвертирующем и неинвертирующем выводах.

Таким образом, входное ступенчатое напряжение (прямоугольный сигнал) создает пик напряжения на выходе OUT5. Если на вход IN5 подается синусоидальный сигнал, схема действует как фильтр верхних частот. Частоты выше угловой частоты Fo проходят практически без затухания.

Частоты ниже угловой частоты Fo ослабляются на 6 децибел на октаву. Угловая частота определяется уравнением

Fo = 1/(2*PI*R6*C2).

При уменьшении R6 или C2 угловая частота увеличивается.

6. Генератор

Шестой базовой схемой операционного усилителя является генератор. Обратитесь к рисунку 6 для дальнейшего обсуждения. Генератор на рисунке 6 имеет два выхода: прямоугольный сигнал на выходе OUT6 и треугольный сигнал на выходе OUT7.

Первоначально вход на неинвертирующую клемму находится на Vs/2, что составляет 5В. Предположим, что конденсатор находится в незаряженном состоянии, поэтому напряжение на инвертирующем входе равно нулю. Это переводит выход операционного усилителя в состояние высокого уровня или Vs. Когда выход операционного усилителя равен Vs, резистор обратной связи R9 будет параллелен R7, поскольку оба напряжения, приложенные к обоим резисторам, будут равны Vs.

Vo = Vs. ( R8 / ( R8 + R7 || R9)

= Vs. ( 100k / 100k + 50k )

= 2Vs/3

Это переводит положительный вход операционного усилителя в 2Vs/3, высокое состояние выхода операционного усилителя заставляет C3 заряжаться через R10 до тех пор, пока напряжение на инвертирующем входе входа операционного усилителя не превысит 2Vs/3 . Теперь операционный усилитель переключает свой выход на землю, теперь резисторы R8 и R9 будут параллельны, так как оба соединены с землей. Применяя это в формуле делителя напряжения

Vo = Vs. ( R8 || R9 / ( R8 || R9 + R7 )

= Vs. ( 50k / 100k + 50k )

= Vs/3

вызывает переключение положительного входа операционного усилителя на Vs/3. Резистор R10 , разряжает C3 до тех пор, пока отрицательный вход операционного усилителя не опустится ниже Vs / 3. Таким образом, напряжение на положительном входе операционного усилителя переключается между 2Vs / 3 и Vs / 3. Величина гистерезиса представляет собой разницу этих двух значений, или Vhys = 2Vs/3 – Vs/3 = Vs/3.

Выход операционного усилителя переключается между Vs и 0 с коротким интервалом времени между ними, создавая прямоугольный импульс на выходе. Тем временем R10 и C3 увеличиваются и уменьшаются, что приводит к созданию треугольной волны на конденсаторе C3.

Частоту выходного сигнала можно определить по формуле Fo = 0,69 x 1 / R10 x C3. Это дает сигнал выходной частоты 1 кГц для этой схемы.

7. Компаратор

Седьмой базовой схемой операционного усилителя является компаратор. Используйте рисунок 7 для следующего обсуждения. Без обратной связи с выхода OUT8 на отрицательный вход IN6 операционный усилитель работает как компаратор. Это означает, что напряжение, подаваемое на неинвертирующую и инвертирующую клеммы, будет сравниваться, и соответственно изменится выходной сигнал.

Когда IN6 меньше, чем VREF4, операционный усилитель будет равен V7, что составляет +10 В, минус предел выходного каскада. Это связано с тем, что выходы операционных усилителей не достигают полного размаха до напряжения питания при демонстрации высокой логики, операционные усилители от сети к шине демонстрируют выход, который близок к напряжению питания, но все же меньше в нескольких милливольтах от напряжения питания.

Когда IN6 больше, чем VREF4, выход операционного усилителя будет равен земле (плюс ограничение выходного каскада). В этом случае выход операционного усилителя будет не нулевым, а близким к нулю.

8. Дифференциальный усилитель

Восьмой базовой схемой операционного усилителя является дифференциальный усилитель. Дифференциальные усилители часто используются для усиления мостовых датчиков, таких как датчики давления, тензометрические датчики измерения веса. Они используются для усиления биоэлектрических сигналов, таких как ЭЭГ (электроэнцефалограф) и ЭКГ/ЭКГ (электрокардиограф).

Дифференциальные усилители используются для термопар и других изолированных источников дифференциальных сигналов, таких как балансный линейный динамический микрофон с низким импедансом. В основном дифференциальный усилитель усиливает разницу в амплитуде сигнала, подаваемого между двумя терминалами.

См. рис. 8 для дальнейшего обсуждения.

Чтобы объяснить работу дифференциального усилителя, показанного на рис. 8, давайте подадим источник 0,1 В между IN7 и IN8 с плюсом, подключенным к IN7.

Если IN8 относится к земле, то напряжение на положительном выводе операционного усилителя можно определить по формуле делителя напряжения.

Поскольку IN8 заземлен, отрицательная клемма операционного усилителя должна быть равна 0,09091 вольт тоже. Помните, что отрицательная обратная связь заставит напряжение на отрицательной и положительной клеммах операционного усилителя уравняться.

Теперь ток через R12 и R11 должен быть одинаковым, так как оба соединены последовательно.

I = 0,09091/10K = 9,091 мкА.

Мы можем определить напряжение на R11, используя закон Ома

В = 9,091 мкА * 100K = 0,9091 вольт.

Суммирование этих напряжений – напряжения на операционном усилителе – 0,09091 В и напряжения на R11 – 0,9091 В даст выходное напряжение на OUT9

.9091V + .09091V = 1 вольт, что дает коэффициент усиления 10.

Таким образом, вы можете видеть, что эта схема усиливает разницу между входным напряжением, подаваемым на IN7 и IN8, которая составляет от 0,1 В до 1 В на выходе.

Надеюсь, эта статья познакомит вас с основами проектирования схем операционных усилителей, которые вы сможете использовать в своих проектах. Есть много других полезных схем, которые являются более сложными и используют два или более операционных усилителя.

Основы и принципы работы операционных усилителей | Блог о расширенном проектировании печатных плат

Ключевые выводы

• Изучите основные функции операционных усилителей

• Узнайте о внутреннем устройстве операционных усилителей и о том, как они работают

• Применение и использование операционных усилителей

Принципиальная схема операционного усилителя с входами, входами питания и выходом

Операционный усилитель, сокращение от операционного усилителя, представляет собой схему усилителя с высоким коэффициентом усиления и дифференциальным входом. Операционные усилители являются одними из самых фундаментальных элементов схем, используемых для линейных, нелинейных и частотно-зависимых математических операций в схемах.

Используя обратную связь, операционный усилитель становится еще более универсальным, его можно применять во всем, от научных, бытовых и промышленных устройств. Существует множество ресурсов, описывающих операционные усилители и их функции. Мы рассмотрим основы работы операционных усилителей, а затем углубимся в области их применения.

Основные операции с операционным усилителем

Конфигурация инвертирующего операционного усилителя с отрицательной обратной связью их терминалы. Операционные усилители без обратной связи в разомкнутой конфигурации кажутся довольно простыми. Однако обратная связь в конфигурации с обратной связью допускает множество приложений, которые мы будем обсуждать.

Работа без обратной связи

Без каких-либо дополнительных схем операционный усилитель просто выводит разницу между положительным и отрицательным входами. Другими словами:

 V _OUT = A _OL (V ₊ — V _— )

A _OL — коэффициент усиления без обратной связи. Коэффициент усиления без обратной связи в идеальных операционных усилителях равен бесконечности, тогда как реальные операционные усилители имеют коэффициент усиления без обратной связи, по крайней мере, на три или более порядка больше, чем дифференциальное напряжение. Коэффициент усиления разомкнутого контура не всегда хорошо контролируется при изготовлении операционных усилителей, поэтому использование операционного усилителя в конфигурации с замкнутым контуром является более полезным.

Работа с замкнутым контуром

Операционные усилители по-настоящему блестят, когда они реализованы с цепью обратной связи, обеспечивающей желаемую предсказуемую работу. При отрицательной обратной связи усиление и частотная характеристика в большей степени определяются сетью обратной связи, чем самой архитектурой операционного усилителя.

В конечном счете, с отрицательной обратной связью операционные усилители минимизируют дифференциальное входное напряжение между их клеммами. Другими словами, когда они реализованы в схеме, они чаще всего работают таким образом, что их отрицательный и положительный дифференциальные входы будут одинаковыми.

На изображении выше у нас есть простой инвертирующий операционный усилитель с отрицательной обратной связью. На обоих выводах операционного усилителя будет одинаковое напряжение — в этом случае 0 В (положительный вывод) подключен к земле. Используя текущие законы Кирхгофа, мы можем сказать, что:

 V _IN / R ₁ = -V _OUT / R _f или V _OUT / V IN

06 IN 07 = — R _f / R ₁

Неидеальность ОУ

Идеальные операционные усилители существуют только в теории. Хотя конструкции операционных усилителей постоянно совершенствуются, настоящие операционные усилители страдают рядом недостатков, которые следует учитывать при проектировании:

• Реальные операционные усилители имеют конечное усиление контура, которое спадает с частотой. Другими словами, с увеличением частоты коэффициент усиления разомкнутого контура уменьшается. Произведение единичного усиления на полосу пропускания — это частота, на которой коэффициент усиления конечного контура становится равным единице. Это заставляет операционные усилители вести себя аналогично фильтрам нижних частот первого порядка вблизи их GBWP. Для высокочастотных приложений можно использовать операционный усилитель с обратной связью по току.

• Операционные усилители

  обычно имеют низкий (но ненулевой) выходной импеданс. Наличие низкого выходного импеданса полезно, когда используется нагрузка с низким импедансом. Использование нагрузки с низким импедансом снижает коэффициент усиления без обратной связи, а также может привести к большему току покоя в выходном каскаде, что приводит к рассеиванию большей мощности.

• Реальные операционные усилители также имеют конечный входной импеданс — как дифференциальный входной импеданс между двумя входами, так и синфазный входной импеданс, который является входным импедансом относительно земли.

• Для реальных операционных усилителей требуется входной ток смещения, который в сочетании с нагрузкой с высоким выходным импедансом может привести к падению напряжения.

• Входное напряжение смещения — это напряжение, необходимое для установки нулевого выходного напряжения. Другими словами, V _OUT = 0 =A _OL (V ₊ — V _— + V _{Вход — Смещение} ) . Теоретически это должно быть равно нулю, так что, когда оба входа имеют одинаковое значение, выход обнуляется. На самом деле это небольшое ненулевое значение, которое возникает на дифференциальном входном каскаде.

• Операционные усилители

  могут иметь синфазное усиление, при этом синфазные напряжения могут немного усиливаться из-за дифференциального каскада операционного усилителя. Коэффициент подавления синфазного сигнала (CMRR) дает количественную оценку этого явления.

• Независимо от источника питания идеальные операционные усилители не зависят от колебаний. На самом деле коэффициент ослабления источника питания измеряет, насколько операционные усилители подавляют изменения напряжения питания.

• Другие неидеальности могут возникать из-за температурных эффектов, дрейфа, искажений, шума и проблем со стабильностью.

Другие недостатки, встречающиеся в реальных операционных усилителях, связаны с нелинейностью и мощностью:

• Насыщение возникает, когда выходное напряжение может достигать лишь нескольких вольт (или милливольт в операционных усилителях с шиной от шины до шины).

• Slewing, когда операционный усилитель может выводить только сигналы, которые изменяются с определенной скоростью, обычно определяемой в вольтах в микросекунду (В/мкс).

• Конечный выходной ток, обычно около 25 мА для обычных операционных усилителей 741.

• Конечный выходной потребляемый ток, когда операционный усилитель может потреблять только определенное количество тока от другого источника.

• Между входом и выходом может возникать паразитная емкость, особенно на высоких частотах.

• Индуктивность трассировки на неинвертирующем входе быстродействующих операционных усилителей может вызывать колебания.

Архитектура операционного усилителя

Внутренняя схема операционного усилителя серии 741 с выделенными подсхемами. Из Википедии.

Существует множество готовых операционных усилителей, отвечающих большинству ваших потребностей, включая рельсовые усилители, высокоточные и малошумящие. При этом общее понимание того, как устроены базовые операционные усилители, может быть полезным при отладке и дальнейшем понимании схем.

На самом базовом уровне операционные усилители состоят из дифференциального усилителя, каскада усиления и выходного каскада. Здесь мы кратко рассмотрим внутренние схемы операционного усилителя типа 741, одной из наиболее распространенных и доступных конструкций операционных усилителей.

Отдельные этапы включают:

• Текущее зеркало красного цвета
• Дифференциальные усилители синего цвета
• Усилительный каскад класса А пурпурного цвета
• Регулятор уровня напряжения зеленого цвета
• Выходной каскад голубого цвета

Дифференциальный усилитель усиливает дифференциальный сигнал, подавляя синфазный сигнал. Он имеет низкий уровень шума и высокое входное сопротивление, использует каскадную архитектуру и подключается к активной нагрузке. Эта активная нагрузка имеет высокий импеданс слабого сигнала без большого падения напряжения постоянного тока. Q1 и Q2 представляют собой пару эмиттерных повторителей с высоким входным сопротивлением. Q3 и Q4 представляют собой пару с общей базой, которая управляет активной нагрузкой Q7, которая преобразует дифференциальный сигнал в односторонний сигнал, поступающий на базу Q15.

Пурпурный усилитель напряжения класса А, образованный Q15 и Q19 в конфигурации Дарлингтона, имеет высокий коэффициент усиления по напряжению, поскольку он использует Q13 в качестве нагрузки коллектора, создавая еще более высокий коэффициент усиления. Q20 основан на базе Q15/Q19. Q16 является преобразователем уровня, который управляет базой выходного транзистора Q14. В случае избыточного тока Q22 потребляет ток и не позволяет ему достичь Q22.

Выходной усилитель голубого цвета, состоящий из транзисторов Q14 и Q20, представляет собой усилитель комплементарной симметрии класса AB. Q16 (зеленый) обеспечивает ток покоя и может быть ограничен по току с помощью Q17.

Применение операционных усилителей

Операционные усилители являются одними из самых универсальных компонентов схем. В любое время, когда вы хотите выполнить математическую функцию с вашим аналоговым сигналом, операционный усилитель, вероятно, может служить этой цели, что приводит к широкому спектру приложений для схем:

• Усиление с переменным коэффициентом усиления может быть достигнуто путем изменения цепи обратной связи резистора. Это можно сделать с помощью переключателей CMOS, которые переключают различные комбинации.

• Операционные усилители

  можно использовать для формирования смесителей и модуляторов путем добавления или вычитания сигналов с различными частотами.

• Схемы выборки и хранения могут быть построены на основе операционных усилителей для сбора данных. Схема переключается между выборкой значения сигнала и удержанием его в течение определенного периода времени, что полезно для создания аудио-цифровых преобразователей.

• Операционные усилители

  можно использовать в конструкции приемника 4–20 мА для устранения напряжения смещения, соответствующего нулевому току или току 4 мА.

• Операционные усилители

  могут быть полезны при создании активных фильтров, таких как пи-фильтры.

Операционные усилители также используются в различных устройствах и датчиках. Например:

• Для создания схемы дифференциальной импульсной вольтамперометрии, используемой для химических аналитических методов, требуется потенциостат на операционных усилителях.

• Операционные усилители

  можно использовать для сбора тока от гальванических элементов в установке для измерения тока.

• Управляемые напряжением генераторы и схемы мультивибраторов могут быть созданы из операционных усилителей. В качестве альтернативы, с генераторами с настроенным коллектором, генераторами с настроенной базой, генераторами Колпитца и генераторами Хартли, операционные усилители могут использоваться для усиления и буферизации сигнала.

• Операционные усилители

  с положительной обратной связью и гистерезисом можно использовать для создания триггеров Шмитта, хотя они могут быть ограничены по частоте (в зависимости от приложения лучше использовать компаратор).

• В фильтрах сглаживания

  обычно используются активные фильтры высокого порядка с возможностями усиления с низким уровнем шума, изготовленные из операционных усилителей.

• Различные датчики температуры и другие датчики на основе ИС имеют встроенные операционные усилители для АЦП и усиления.

В какой бы схеме вы ни планировали использовать операционные усилители, важно хорошо понимать их функции. Чтобы создать схему и компоновку вашего электронного проекта, вам понадобится мощное программное обеспечение для проектирования и анализа печатных плат, которое поможет вам. Рассмотрите набор инструментов Cadence для вашего следующего проекта.

Ведущие поставщики электроники полагаются на продукты Cadence для оптимизации потребностей в мощности, пространстве и энергии для широкого спектра рыночных приложений. Если вы хотите узнать больше о наших инновационных решениях, поговорите с нашей командой экспертов или подпишитесь на наш канал YouTube.

Решения Cadence PCB — это комплексный инструмент для проектирования от начала до конца, позволяющий быстро и эффективно создавать продукты. Cadence позволяет пользователям точно сократить циклы проектирования и передать их в производство с помощью современного отраслевого стандарта IPC-2581.