Типы операционных усилителей. Операционные усилители в автомобильной электронике: типы, принципы работы и применение

Какие типы операционных усилителей используются в автомобильной электронике. Каковы основные принципы работы операционных усилителей. Как применяются операционные усилители в автомобильных системах. Каковы важные характеристики операционных усилителей для автомобильного применения.

Типы операционных усилителей в автомобильной электронике

В современных автомобилях широко применяются различные типы операционных усилителей (ОУ) для обработки аналоговых сигналов. Основные типы ОУ, используемые в автомобильной электронике:

• Стандартные ОУ с входами и выходом по напряжению (тип VV)
• ОУ с токовым выходом (тип VC)
• ОУ с токовым входом (тип CV)
• ОУ с токовыми входом и выходом (тип CC)

Наиболее распространены стандартные ОУ типа VV, имеющие высокоомные входы по напряжению и низкоомный выход по напряжению. Они универсальны и применяются для усиления, фильтрации, сравнения сигналов от различных датчиков автомобиля.

Принцип работы операционного усилителя

Основной принцип работы операционного усилителя заключается в усилении разности напряжений между инвертирующим и неинвертирующим входами. Выходное напряжение ОУ определяется формулой:

Uвых = K * (U+ — U-)

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

Идеальный ОУ имеет следующие свойства:

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

Реальные ОУ лишь приближаются к этим идеальным параметрам. Например, типичный коэффициент усиления современных автомобильных ОУ составляет 105-106.

Схемы включения операционных усилителей

В автомобильной электронике применяются различные схемы включения ОУ:

Инвертирующий усилитель

Инвертирующий усилитель инвертирует входной сигнал и усиливает его в Kу = -Rос/Rвх раз. Такая схема часто используется для усиления сигналов датчиков с отрицательной полярностью.

Неинвертирующий усилитель

Неинвертирующий усилитель усиливает входной сигнал в Kу = 1 + Rос/Rвх раз без инверсии. Применяется для согласования уровней сигналов без изменения полярности.

Дифференциальный усилитель

Дифференциальный усилитель усиливает разность двух входных сигналов. Широко используется для подавления синфазных помех в сигналах от датчиков.

Интегратор

Интегратор выполняет математическую операцию интегрирования входного сигнала. Применяется в системах регулирования скорости, АБС и других.

Применение операционных усилителей в автомобильных системах

Основные области применения ОУ в автомобильной электронике:

• Усиление и обработка сигналов от датчиков (температуры, давления, ускорения и др.)
• Фильтрация помех в измерительных цепях
• Преобразование сигналов датчиков для АЦП
• Компараторы в системах зажигания, АБС
• Интеграторы в системах курсовой устойчивости
• Усилители мощности в аудиосистемах
• Стабилизаторы напряжения в блоках питания

Благодаря своей универсальности ОУ находят применение практически во всех электронных системах современного автомобиля.

Важные характеристики автомобильных операционных усилителей

При выборе ОУ для автомобильного применения учитывают следующие ключевые параметры:

• Широкий диапазон рабочих температур (обычно -40…+125°C)
• Устойчивость к электромагнитным помехам
• Низкое напряжение смещения нуля
• Малый температурный дрейф параметров
• Высокое входное сопротивление (>10 МОм)
• Широкая полоса пропускания (>1 МГц)
• Низкое энергопотребление
• Высокая надежность и большой срок службы

Важно также соответствие автомобильным стандартам по ЭМС, вибростойкости и другим параметрам. Современные автомобильные ОУ выпускаются в компактных корпусах для поверхностного монтажа.

Преимущества применения операционных усилителей в автомобиле

Использование ОУ в автомобильной электронике дает ряд важных преимуществ:

• Высокая точность и линейность обработки сигналов
• Широкие функциональные возможности
• Простота реализации сложных алгоритмов
• Хорошее подавление помех
• Малые габариты и энергопотребление
• Высокая надежность и долговечность
• Низкая стоимость при массовом производстве

Это делает ОУ незаменимыми компонентами практически всех электронных систем современного автомобиля — от простейших датчиков до сложных систем управления двигателем и безопасности.

Особенности выбора операционных усилителей для автомобильного применения

При выборе ОУ для использования в автомобильной электронике необходимо учитывать ряд специфических требований:

• Расширенный температурный диапазон (обычно -40…+125°C)
• Устойчивость к вибрациям и ударам
• Защита от перенапряжений и обратной полярности
• Низкий ток потребления, особенно в дежурном режиме
• Высокая устойчивость к электромагнитным помехам
• Соответствие автомобильным стандартам (ISO 26262, AEC-Q100)

Важно также учитывать специфику конкретного применения — требуемую точность, быстродействие, уровень шумов и т.д. Ведущие производители предлагают специальные серии автомобильных ОУ, оптимизированные под различные задачи.

Тенденции развития операционных усилителей для автомобильной электроники

Основные направления совершенствования ОУ для автомобильного применения:

• Повышение рабочих температур (до 150-175°C)
• Снижение энергопотребления
• Уменьшение размеров корпусов
• Интеграция дополнительных функций (АЦП, ЦАП, компараторы)
• Улучшение параметров по ЭМС
• Повышение надежности и срока службы
• Снижение стоимости при массовом производстве

Развитие технологий позволяет создавать все более совершенные ОУ, полностью отвечающие жестким требованиям современной автомобильной электроники. Это способствует дальнейшему расширению областей применения ОУ в автомобиле.

Операционные усилители. Виды и работа. Питание и особенности

Операционные усилители являются одними из основных компонентов в современных аналоговых электронных устройствах. Благодаря простоте расчетов и отличным параметрам, операционные усилители легки в применении. Их также называют дифференциальными усилителями, так как они способны усилить разность входных напряжений.

Особенно популярно использование операционных усилителей в звуковой технике, для усиления звучания музыкальных колонок.

Обозначение на схемах

Операционные усилители на корпусе имеют обычно пять выводов, из которых два вывода – входы, один – выход, остальные два – питание.

Принцип действия

Существуют два правила, помогающие понять принцип действия операционного усилителя:

1. Выход операционного усилителя стремится к нулевой разности напряжений на входах.
2. Входы усилителя не расходуют ток.

Первый вход обозначен «+», он называется неинвертирующим. Второй вход обозначен знаком «–», считается инвертирующим.

Входы усилителя имеют высокое сопротивление, называемое импедансом. Это позволяет расходовать ток на входах в несколько наноампер. На входе происходит оценка величины напряжений. В зависимости от этой оценки усилитель выдает на выход усиленный сигнал.

Большое значение имеет коэффициент усиления, который иногда достигает миллиона. Это означает, что если на вход подать хотя бы 1 милливольт, то на выходе напряжение будет равно величине напряжения источника питания усилителя. Поэтому операционники не применяют без обратной связи.

Входы усилителя действуют по следующему принципу: если напряжение на неинвертирующем входе будет выше напряжения инвертирующего входа, то на выходе окажется наибольшее положительное напряжение. При обратной ситуации на выходе будет наибольшее отрицательное значение.

Отрицательное и положительное напряжение на выходе операционного усилителя возможно из-за использования источника питания, обладающего расщепленным двуполярным напряжением.

Питание операционного усилителя

Если взять пальчиковую батарейку, то у нее два полюса: положительный и отрицательный. Если отрицательный полюс считать за нулевую точку отсчета, то положительный полюс покажет +1,5 В. Это видно по подключенному мультиметру.

Взять два элемента и подключить их последовательно, то получается следующая картина.

Если за нулевую точку принять отрицательный полюс нижней батарейки, а напряжение измерять на положительном полюсе верхней батарейки, то прибор покажет +10 вольта.

Если за ноль принять среднюю точку между батарейками, то получается источник двуполярного напряжения, так как имеется напряжение положительной и отрицательной полярности, равной соответственно +5 вольта и -5 вольта.

Существуют простые схемы блоков с расщепленным питанием, использующиеся в конструкциях радиолюбителей.

Питание на схему подается от бытовой сети. Трансформатор понижает ток до 30 вольт. Вторичная обмотка в середине имеет ответвление, с помощью которого на выходе получается +15 В и -15 В выпрямленного напряжения.

Разновидности

Существует несколько разных схем операционных усилителей, которые стоит рассмотреть подробно.

Инвертирующий усилитель

Такая схема является основной. Особенностью этой схемы является то, что операционники характеризуются кроме усиления, еще и изменением фазы. Буква «k» обозначает параметр усиления. На графике изображено влияние усилителя в данной схеме.

Синий цвет отображает входной сигнал, а красный цвет – выходной сигнал. Коэффициент усиления в этом случае равен: k = 2. Амплитуда сигнала на выходе в 2 раза больше, сигнала на входе. Выходной сигнал усилителя перевернут, отсюда и его название. Инвертирующие операционные усилители имеют простую схему:

Такие операционные усилители стали популярными из-за своей простой конструкции. Для вычисления усиления применяют формулу:

Отсюда видно, что усиление операционника не зависит от сопротивления R3, поэтому можно обойтись без него. Здесь он применяется для защиты.

Неинвертирующие операционные усилители

Эта схема подобна предыдущей, отличием является отсутствие инверсии (перевернутости) сигнала. Это означает сохранение фазы сигнала. На графике изображен усиленный сигнал.

Коэффициент усиления неинвертирующего усилителя также равен: k = 2. На вход подается сигнал в форме синусоиды, на выходе изменилась только ее амплитуда.

Эта схема не менее простая, чем предыдущая, в ней имеется два сопротивления. На входе сигнал подается на плюсовой вывод. Для расчета коэффициента усиления требуется использовать формулу:

Из нее видно, что коэффициент усиления не бывает меньше единицы, так как сигнал не подавляется.

Схема вычитания

Эта схема дает возможность создания разности двух сигналов на входе, которые могут быть усилены. На графике показан принцип действия дифференциальной схемы.

Такую схему усилителя еще называют схемой вычитания.

Она имеет более сложную конструкцию, в отличие от рассмотренных ранее схем. Для расчета выходного напряжения пользуются формулой:

Левая часть выражения (R3/R1) определяет коэффициент усиления, а правая часть (Ua – Ub) является разностью напряжений.

Схема сложения

Такую схему называют интегрированным усилителем. Она противоположна схеме вычитания. Особенностью ее является возможность обработки больше двух сигналов. На таком принципе действуют все звуковые микшеры.

Эта схема показывает возможность суммирования нескольких сигналов. Для расчета напряжения применяется формула:

Схема интегратора

Если в схему добавить конденсатор в обратную связь, то получится интегратор. Это еще одно устройство, в котором используются операционные усилители.

Схема интегратора подобна инвертирующему усилителю, с добавлением емкости в обратную связь. Это приводит к зависимости работы системы от частоты сигнала на входе.

Интегратор характеризуется интересной особенностью перехода между сигналами: сначала прямоугольный сигнал преобразуется в треугольный, далее он переходит в синусоидальный. Расчет коэффициента усиление проводится по формуле:

В этой формуле переменная ω = 2πf повышается с возрастанием частоты, следовательно, чем больше частота, тем коэффициент усиления меньше. Поэтому интегратор может действовать в качестве активного фильтра низких частот.

Схема дифференциатора

В этой схеме получается обратная ситуация. На входе подключена емкость, а в обратной связи подключено сопротивление.

Судя по названию схемы, ее принцип работы заключается в разнице. Чем больше скорость изменения сигнала, тем больше величина коэффициента усиления. Этот параметр дает возможность создавать активные фильтры для высокой частоты. Коэффициент усиления для дифференциатора рассчитывается по формуле:

Это выражение обратно выражению интегратора. Коэффициент усиления повышается в отрицательную сторону с возрастанием частоты.

Аналоговый компаратор

Устройство компаратора сравнивает два значения напряжения и переводит сигнал в низкое или высокое значение на выходе, в зависимости от состояния напряжения. Эта система включает в себя цифровую и аналоговую электронику.

Особенностью этой системы является отсутствие в основной версии обратной связи. Это означает, что сопротивление петли очень велико.

На плюсовой вход подается сигнал, а на минусовой вход подается основное напряжение, которое задается потенциометром. Ввиду отсутствия обратной связи коэффициент усиления стремится к бесконечности.

При превышении напряжения на входе величины основного опорного напряжения, на выходе получается наибольшее напряжение, которое равно положительному питающему напряжению. Если на входе напряжение будет меньше опорного, то выходным значением будет отрицательное напряжение, равное напряжению источника питания.

В схеме аналогового компаратора имеется значительный недостаток. При приближении значений напряжения на двух входах друг к другу, возможно частое изменение выходного напряжения, что обычно приводит к пропускам и сбоям в работе реле. Это может привести к нарушению работы оборудования. Для решения этой задачи применяют схему с гистерезисом.

Аналоговый компаратор с гистерезисом

На рисунке показана схема действия схемы с гистерезисом, которая аналогична предыдущей схеме. Отличием является то, что выключение и включение не происходит при одном напряжении.

Направление стрелок на графике указывает направление перемещения гистерезиса. При рассмотрении графика слева направо видно, что переход к более низкому уровню осуществляется при напряжении Uph, а двигаясь справа налево, напряжение на выходе достигнет высшего уровня при напряжении Upl.

Такой принцип действия приводит к тому, что при равных значениях входных напряжений, состояние на выходе не изменяется, так как для изменения требуется разница напряжений на существенную величину.

Такая работа схемы приводит к некоторой инертности системы, однако это более безопасно, в отличие от схемы без гистерезиса. Обычно такой принцип действия применяется в нагревательных приборах с наличием термостата: плиты, утюги и т.д. На рисунке изображена схема усилителя с гистерезисом.

Напряжения рассчитываются по следующим зависимостям:

Повторители напряжения

Операционные усилители часто применяются в схемах повторителей напряжения. Основной особенностью этих устройств является то, что в них не происходит усиления или ослабления сигнала, то есть, коэффициент усиления в этом случае равен единице. Такая особенность связана с тем, что петля обратной связи имеет сопротивление, равное нулю.

Такие системы повторителей напряжения чаще всего используются в качестве буфера для увеличения нагрузочного тока и работоспособности устройства. Так как входной ток приближен к нулю, а ток на выходе зависит от вида усилителя, то есть возможность разгрузки слабых источников сигнала, например, некоторых датчиков.

Похожие темы:

Назначение портала | iLab

Регламент сайта | Авторские права

На этом портале Вы можете не только найти необходимую и интересную информацию в области биомедицинской инженерии, но и поделиться ей с остальными.
В настоящее время открыт новый информационный ресурс LabData.ru, в формате блога, на котором размещается интересная научная и прикладная информация биотехнической тематики. Не пропустите последние публикации и подписывайтесь на группу ВК сообщества LabData!

Портал состоит из нескольких разделов:

1) Новости

Здесь приводятся различные интересные факты, новости, события общественного значения и т.п. Вы также сможете после регистрации добавить сюда свою новость.

2) Журнал

Здесь находится электронный журнал портала. Все статьи в нём собраны из специальных публикаций посетителей. Каждый посетитель, зарегистрированный на нашем портале имеет право написать и бесплатно опубликовать здесь свои статьи, связанные с биотехнической тематикой.
Журнал содержит несколько рубрик:

3) Группы

Это специализированный раздел портала, где находится информация по определённой тематике. В каждой группе может находиться несколько участников, которые вместе могут публиковать результаты своей совместной работы или просто информацию по общей тематике. В рамках группы существует возможность пообщаться в форуме.
У каждой группы есть свой администратор, которым может являться только пользователь с повышенными привилегиями (продвинутый пользователь). Он может сам создавать собственные группы. 

 

Соглашение об авторских правах

Авторские права на материал, опубликованный на данном Сайте принадлежат автору материала, указавшего правдивые и полные данные о своём имени и фамилии, а также администрации портала.
Ответственность за использование чужих работ и текстов возлагается на авторов.
Использование чужих работ допускается, но должно идти со ссылкой на материал-источник (как из Интернета, так и из печатных изданий)
Администрация портала не несёт ответственности за правдивость и точность материалов, опубликованных авторами.
Использование Сайта iLab означает согласие с Регламентом Сайта.

Операционные усилители в автомобиле | Автомобильный справочник

 

Название «операционный усилитель» (ОРА), происходящее из области аналоговой вычис­лительной техники, обозначает (почти) иде­альный усилитель. Благодаря своим свой­ствам операционные усилители в основном применялись в аналоговых компьютерах для решения нелинейных дифференциальных уравнений в качестве сумматоров, интегра­торов и дифференциаторов. В дальнейшем быстрое развитие цифровой электроники привело к тому, что аналоговые компьютеры были полностью вытеснены с рынка. Вот о том, какими бывают операционные усилители в автомобиле, мы и поговорим в этой статье.

 

Содержание

 

Интеграция различных электронных компо­нентов в едином корпусе позволяет произво­дителям предложить на рынке такие операци­онные усилители по очень привлекательной цене. Для достижения требуемых характери­стик операционные усилители в интегральной форме, в зависимости от требований, содер­жат от 10 до 259 транзисторов, количество которых, однако, играет второстепенную роль в отношении степени интеграции.

В этом разделе приведено описание пове­дения и использования идеального операци­онного усилителя, начиная с «нормального» операционного усилителя с входами напря­жения и выходом напряжения (операцион­ный усилитель VV-типа). Затем будут более детально исследованы свойства реального операционного усилителя.

 

Принципы работы операционного усилителя

 

Идеальный стандартный операционный уси­литель представляет собой усилитель, двумя входами и (обычно) одним выходом (рис. «Базовая схема операционного усилителя» ). Усилитель имеет инвертирующий и неинвер­тирующий входы. Усилитель осуществляет усиление дифференциального напряжения U_D. Выходное напряжение U_А определяется по следующей формуле:

U_A= A_D·U_D

где A_D — коэффициент усиления при разомкну­той цепи обратной связи. Операционный усили­тель подключается к источникам положитель­ного и отрицательного напряжений питания относительно общего вывода. В случае одно­полярного питания общий вывод соединяется с отрицательным выводом источника питания. Напряжения питания обычно на схемах не по­казываются, однако, разумеется, они необхо­димы для нормальной работы усилителя.

 

 

Существуют следующие варианты опера­ционных усилителей (см. рис. «Виды операционных усилителей» ):

• «Нормальный» операционный усилитель (операционный усилитель VV-типа) с вхо­дами напряжения и выходом напряжения;
• Усилитель тока, управляемый напряже­нием (операционный усилитель VC-типа) с входом напряжения и токовым выходом;
• Усилитель напряжения, управляемый то­ком (операционный усилитель CV-типа) с токовым входом и выходом напряжения;
• Усилитель тока (операционный усилитель СС-типа) с токовым входом и токовым вы­ходом.

 

Как правило, используются операционные усилители VV-типа; детальные пояснения приведены ниже. Поскольку функции опе­рационного усилителя определяются схемой его включения, прежде всего, детально рас­смотрим возможные схемы. Здесь важным является различие между положительной и отрицательной обратной связью. При выводе соотношений предполагается, что мы имеем дело с идеальным операционным усилителем.

 

Компоновка схемы: отрицательная и поло­жительная обратная связь

 

Отрицательная обратная связь вызывает противодействие изменению выходной пере­менной. В операционном усилителе с этой це­лью выход усилителя соединяется с инверти­рующим входом (см. рис. «Отрицательная и положительная обратная связь» ).

Это соединение может быть реализовано при помощи канала обратной связи. Причина изменения выход­ного напряжения U_А всегда заключается в изменении дифференциального входного напряжения U_D следовательно, отрицатель­ная обратная связь всегда действует таким образом, что напряжение U_D уменьшается и в идеальном случае становится равным нулю.

В отличие от отрицательной обратной связи положительная обратная связь спо­собствует изменению выходного напряже­ния. Таким образом, выходное напряжение U_A усиливается положительной обратной связью, т.е. напряжение U_D при изменении напряжения U_A возрастает и, следовательно, отлично от нуля. Таким образом, выходное напряжение U_A может принимать только два стационарных значения, т.е. максимальное или минимальное значение.

С точки зрения техники автоматического регулирования система регулирования с от­рицательной обратной связью состоит из операционного усилителя и контура обратной связи, как показано на рис. «Отрицательная обратная связь» . С учетом боль­шого значения коэффициента усиления А_D:

U_A = A_D·U_D = A_D(U_E-k·U_A)

и общий коэффициент усиления

A=U_A /U_E = A_D /(1+k·A_D )≈1/k

Таким образом, становится ясно, что, несмо­тря на очень высокий коэффициент усиления при разомкнутой цепи обратной связи А_D, при помощи отрицательной обратной связи мо­жет быть получен конечный коэффициент усиления А. Это более детально поясняется на приведенных ниже примерах.

 

Идеальный и реальный операционные усилители

 

Сначала суммируем характеристики идеаль­ного операционного усилителя, показанного на рис. «Идеальный операционный усилитель«:

• Синфазное входное сопротивление между входом и землей, где: r_GL__P = U_P/I_P; r_{GL_N} = U_N/I_N. В общем случае значение r_GL можно проигнорировать.
• Дифференциальное входное сопротив­ление между двумя входами; здесь: r_D = (U_P -U_N)/I_P. r_D увеличивается за счет от­рицательной обратной связи.
• Дифференциальное выходное сопротив­ление r_A = dU_A/dI_A. r_A — за счет отрицатель­ной обратной связи снижается.
• Напряжение смещения U_os — количествен­ная характеристика того факта, что даже в случае короткого замыкания между двумя входами (т.е. U_D = 0) выходное напряжение U_A не равно нулю.
• Коэффициент ослабления синфазного сигнала (CMRR): количественная характе­ристика, описывающая изменение выход­ного напряжения U_A при одновременном синхронном изменении входных напряже­ний U_P и U_N (в случае синфазных перио­дических входных сигналов), т.е., когда U_D остается постоянным.
• Коэффициент подавления пульсаций питания (PSRR): количественная характеристика, опи­сывающая изменение выходного напряжения U_A при изменении напряжений питания.

 

Поэтому основные идеализации заключа­ются в следующем:

• Коэффициент усиления при разомкнутой цепи обратной связи А_D приближается к бес­конечности; в случае отрицательной обрат­ной связи имеет место следующее: U_D = 0.
• Входные токи I_N и I_Р приближаются к нулю.
• Если I_N и I_Р близки к нулю, это означает, что синфазное и дифференциальное вход­ные сопротивления приближаются к бес­конечности.
• Напряжение смещения U_os приближается к нулю.
• Выходное сопротивление R_A приближа­ется к нулю.
• Коэффициент ослабления синфазного сигнала (CMRR) приближается к бесконеч­ности, т.е. в случае равного и синфазного изменения напряжений U_P и U_N, U_А оста­ется неизменным.
• Коэффициент ослабления пульсаций пи­тания (PSRR) приближается к бесконечно­сти, т.е. в случае изменения напряжения питания, U_А остается неизменным.
• Поведение усилителя не зависит от ча­стоты.

 

На практике, разумеется, значения вышеука­занных параметров отличны от идеальных:

• Коэффициент усиления при разомкнутой цепи обратной связи А_D лежит в диапазоне от 10⁴ до 10⁷.
• Входные токи I_N и I_Р лежат в диапазоне от 10 пА до 2 мкА.
• Синфазное входное сопротивление лежит в диапазоне от 10⁶ до 10¹² Ом, а дифферен­циальное входное сопротивление дости­гает 10¹² Ом.
• Выходное сопротивление R_A лежит в диа­пазоне от 2 до 50 Ом.
• Коэффициент ослабления синфазного сигнала (CMRR) лежит в диапазоне от 60 до 140 дБ.
• Коэффициент ослабления пульсаций пи­тания (PSRR) лежит в диапазоне от 60 до 100 дБ.
• Поведение усилителя зависит от частоты (пропускание низких частот).

 

Основные схемы включения операционных усилителей

 

Характеристики операционного усилителя определяются схемой подключения внешних элементов. Здесь основную роль играет от­рицательная обратная связь, поскольку она позволяет точно задать коэффициент уси­ления за счет выбора значений внешних со­противлений. Работа различных схем будет пояснена на следующих примерах.

 

Инвертирующий операционный усилитель

 

Основная схема инвертирующего операцион­ного усилителя показана на рис. «Инвертирующий усилитель«.

Название может быть приписано отрицательному ко­эффициенту усиления, т.е. в случае перио­дического входного напряжения выходное напряжение U_A всегда находится в противо­фазе к входному напряжению U₁ При этом важно то, что за счет отрицательной обратной связи и высокого коэффициента усиления при разомкнутой цепи обратной связи А_D дифференциальное напряжение U_D на входе постоянно равно нулю, поскольку инвертиру­ющий и неинвертирующий входы находятся под одним и тем же потенциалом. Поскольку за счет отрицательной обратной связи диф­ференциальное напряжение U_D регулируется до нуля, это имеет название «виртуального короткого замыкания». Также используется термин «виртуальная масса», поскольку ин­вертирующий вход активно находится под нулевым потенциалом (т.е. потенциалом кор­пуса). Кроме того, значения входных токов игнорируются, в частности, устанавливается I_N = 0. Имеют место следующие соотношения:

I_R1=U₁/R₁, I_R2=-U₂/R₂

где I_R1=I_R2 , отсюда следует:

U_A=(-R₂/R₁)·U₁

Таким образом, выходное напряжение U_А прямо зависит от входного напряжения U₁ и выбора сопротивлений R₂ и R₁.

 

Неинвертирующий операционный усилитель

 

Неинвертирующий усилитель можно рас­смотреть аналогично инвертирующему уси­лителю (см. рис. «Неинвертирующий усилитель» ).

За счет отрицательной обратной связи, U_D = 0. Поскольку I_R1 = I_R2, в соответствии с делителем напряжения, состоящим из сопротивлений R₁ и R₂ имеет место следующее соотношение:

U_A= (R₁/(R₁+ R₂))·U_A

Отсюда следует, что :

U₁= ((R₁+ R₂)/R₁ )·U₁ =(1+R₂/R₁ )·U₁

Здесь выходное напряжение U_A также прямо зависит от входного напряжения U₁, и значе­ний сопротивлений R₂ и R₁ однако здесь ко­эффициент усиления U_A/U₁ имеет значение не менее единицы; U_А и U₁ синфазны.

Особым случаем неинвертирующего уси­лителя является развязывающий усилитель или преобразователь импеданса. Если R₁ принимает значение, равное бесконечности (разомкнутый контур), R₂ равно нулю (корот­кое замыкание) (см. рис. «Преобразователь импеданса или развязывающий усилитель» ), коэффициент усиления равен единице (т.е., U_А = U₁ ).

Преимущество этой схемы заключается в том, что источник входного напряжения U₁ не нагружен внутренним сопротивлением R_Е, по­скольку входной ток I_Р приблизительно равен нулю. Это приводит к пренебрежимо малому падению напряжения на R_Е, а поскольку U_D = 0, входное напряжение U₁ передается на выход операционного усилителя как U_А. Это является важным свойством этой схемы, в особенности для усиления сигналов датчиков, поскольку во многих случаях допустимый ток нагрузки датчика очень мал, т.е. любое увели­чение нагрузки датчика вызывает значительное снижение величины его полезного сигнала.

 

Вычитающий операционный усилитель

 

Вычитающий операционный усилитель (см. рис. «Вычитающий усилитель» ) можно рассматривать как вариант двух описанных выше схем. Соотношение между выходным напряжением U_А и вход­ными напряжениями U₁ и U₂ можно вывести в соответствии с принципом суперпозиции.

U_А=R₁/R₂(U₂-U₁)

 

Измерительный усилитель

 

В измерительных системах с датчиками и из­мерительными мостами часто требуется уси­ление дифференциального напряжения без неприемлемо высокой нагрузки датчика или моста.

Это может быть реализовано при по­мощи высокоимпедансного переключателя напряжения. Для этой цели может быть ис­пользован измерительный усилитель, на вы­ходе которого имеет место усиленная разность двух потенциалов U₂ и U₁ в виде выходного напряжения U_А.

Измерительный усилитель можно разделить на две части: предваритель­ный усилитель и вычитающий усилитель (см. рис. «Вычитающий усилитель» ) с дальнейшим усилением. На рис. «Схема подсистемы предварительного усиления измерительного усилителя» представлена схема контура предварительного усиления измерительного усилителя.

В соответствии с правилом отрицательной обратной связи разность напряжений на ин­вертирующем и неинвертирующем входах равна нулю. В каждом случае ток I может протекать через резисторы R и R’, поскольку входные токи I_N1 и I_N2 могут быть проигнори­рованы. Имеет место следующее:

I=(U₁-U₂)/R’ =(U_A1-U_A2)/(2R+R’),

таким образом

U_A1-U_A2 = (U₁-U₂)·(2R/R’+1)

Таким образом, усиленная разность двух напряжений U₁ и U₂ получается, как раз­ность напряжений U_D на двух выходах двух операционных усилителей. Для вывода этого напряжения U_D, как выходного напряжения относительно массы U_А может быть последо­вательно подключен вычитающий усилитель (см. рис. «Вычитающий усилитель» ), где U_A1 подается вместо U₁ и U_А2 подается вместо U₂.

 

Важные характеристики операционных усилителей

 

В ряде случаев к операционному усилителю предъявляются отчасти противоречащие друг другу требования. Имеется ряд операционных усилителей, специально оптимизированных для того или иного применения. Как правило, для них указываются данные конкретных рабочих режи­мов или рабочие диапазоны.

 

Диапазон температур

 

В области бытовой электроники диапазон ра­бочих температур, как правило, составляет от 0 до 70 °С. Для промышленного применения обычно указывается диапазон от -20 до +70 °С, прежде всего для устройств, эксплуатируемых на открытом воздухе. Для военных применений указывается диапазон рабочих температур от -55 до +125 °С. Однако, даже столь широкий диапазон может оказаться недостаточным для применения этих электронных устройств на ав­томобилях, например, в моторном отсеке или в тормозной системе могут иметь место еще более высокие температуры.

 

Напряжение смещения

 

Напряжение смещения — количественная ха­рактеристика того факта, что даже в случае короткого замыкания между двумя входами (т.е. для U₀ = 0) выходное напряжение U_A не равно нулю.

Напряжение U_os называется напряжением смещения. Это напряжение действует подобно напряжению внешнего ис­точника U_D и складывается с ним. Напряже­ние смещения U_0s может быть определено как напряжение на входе, необходимое для того, чтобы выходное напряжение U_A было равно нулю (см. рис. «Напряжение смещения» ). Необходимость напряже­ния смещения U_os вытекает, среди прочего, из асимметрии внутренних входных цепей опе­рационного усилителя. Величина напряжения смещения составляет от нескольких мкВ до нескольких мВ.

Однако, так же как напряжение смещения U_0s, большое значение имеют температур­ный эффект и долгосрочная стабильность. Некоторые операционные усилители предла­гают возможность компенсации напряжения смещения при помощи внешних цепей (при условии, что эта компенсация не реализована внутренними мерами). В этой связи важно от­метить, что вследствие температурного эф­фекта может иметь место дрейф входного напряжения; так, паяные соединения могут действовать как термопары с выходным на­пряжением от 10 до 100 мВ/К.

 

Входные сопротивления и токи

 

За счет, как правило, очень малых входных токов I_Н и I_Р могут быть получены очень боль­шие входные сопротивления, которые могут достигать нескольких МОм. Здесь следует различать синфазное входное сопротивле­ние (сопротивление между каждым входом и массой) и дифференциальное входное со­противление между двумя входами.

Входы обычного операционного уси­лителя представляют собой транзисторы. Это могут быть биполярные транзисторы, в которых активируется база, или полевые MOS-транзисторы, в которых напряжение подается на затвор. Этим объясняются ма­лые значения входных токов. Если исполь­зуются биполярные транзисторы, это токи базы, лежащие в диапазоне нескольких мкА. Если в качестве входных устройств использу­ются полевые MOS-транзисторы — это соот­ветствующие токи затворов, требуемые для перезарядки емкостей затворов. Эти токи пропорциональны рабочей частоте и обычно составляют несколько пА.

Входной ток смещения может вызвать погрешность входного напряжения в це­пях высокого сопротивления. Эту погреш­ность можно скомпенсировать, подключив к двум входам два идентичных импеданса, поскольку в каждом случае имеет место одинаковое падение напряжения, и диффе­ренциальное напряжение U_D остается неиз­менным. Так же как в отношении напряжения смещения, могут иметь место температурный дрейф и дрейф во времени входного тока.

 

Выходное сопротивление

 

Выход операционного усилителя можно представить, как последовательно соединен­ные идеальный источник напряжения и со­противление. При этом сопротивление пред­ставляет собой выходное сопротивление Яд- Это сопротивление ограничивает величину выходного тока. В общем случае выходной ток операционного усилителя может до­стигать 20 мА. Существует несколько типов операционных усилителей с выходным током до 10 А.

 

Скорость нарастания выходного напряжения

 

Скорость нарастания выходного напряжения (SR) означает максимальное возможное из­менение выходного напряжения U_A за опре­деленный период времени, т.е. максимальное значение dU_A/dt. Значения скорости нарас­тания выходного напряжения для обычных операционных усилителей лежат в диапазоне от 1 В/мкс до свыше 1 В/нс.

 

Уровень шума операционного усилителя

 

Уровень шума операционного усилителя можно охарактеризовать плотностью на­пряжения шума или плотностью тока шума. Обычно плотность напряжения шума U_R’ ука­зывается в нВ/Гц.

Действующее значение напряжения шума U_R (это также относится к току шума) полу­чается путем умножения соответствующего значения плотности напряжения шума на ква­дратный корень из полосы частот В:

U_R =U_R’√В 

Для цепи усилителя общее действующее зна­чение плотности напряжения шума опреде­ляется как квадратный корень из суммы квадратов отдельных действующих значений.

U’_R,tot = √(U_R1)²+(U_Rm)²

Здесь m — количество элементов — источни­ков шума.

Уровень шума обычно определяется на входе операционного усилителя. Использование полевых транзисторов с управляющим р-n-переходом или полевых MOS-транзисторов дает низкое значение входных токов, но в то же время относительно высокий уровень шума. Что касается операционного усили­теля на биполярных транзисторах, то здесь ситуация изменяется на противоположную.

 

РЕКОМЕНДУЮ ЕЩЁ ПОЧИТАТЬ:

Описание операционного усилителя: определение, схемы, принцип работы

 Определение операционного усилителя

Операционный усилитель (ОУ) — это высококачественный усилитель, предназначенный для усиления как постоянных, так и переменных сигналов. Ранее такие усилители использовали главным образом в аналоговых вычислительных устройствах для выполнения математических операций (сложения, вычитания и т. д.). Это объясняет происхождение термина «операционный». В настоящее время очень широко используются операционные усилители в виде полупроводниковых интегральных схем. Эти схемы содержат большое число (десятки) элементов (транзисторов, диодов и т. д.), но по размерам и стоимости приближаются к отдельным транзисторам. Оказалось, что операционные усилители очень удобно использовать для решения самых различных задач преобразования и генерирования маломощных сигналов, поэтому эти усилители очень широко используются на практике.

Васильев Дмитрий Петрович

Профессор электротехники СПбГПУ

Задать вопрос

При инженерной разработке электронных устройств на основе операционных усилителей полезно иметь представление о внутренней структуре операционных усилителей, особенно об устройстве входных и выходных каскадов, что помогает правильно решать вопросы согласования операционных усилителей с источниками входных сигналов и приемниками преобразованных сигналов.

Однако во многих случаях нет необходимости учитывать особенности электронной схемы, реализованной в том или ином операционном усилителе. При этом операционный усилитель рассматривается как «черный ящик», который описывается характеристиками и параметрами, соответствующими токам и напряжениям только внешних выводов. Особенности электрических процессов во внутренних цепях операционного усилителя при таком подходе не учитываются. Именно поэтому начальные сведения по операционным усилителям даются в начальном разделе курса электроники, в котором изучают электронные приборы (диоды, транзисторы и т. д.).

Вообще следует отметить, что при обращении к тому или иному объекту как электроники, так и других областей науки и техники всегда можно выделить следующие две тенденции.

Первая тенденция состоит в стремлении как можно подробнее изучить и учесть внутреннюю структуру и внутренние процессы объекта, а вторая — в стремлении охарактеризовать объект так, чтобы эта структура и эти процессы учитывались как можно меньше. В отношении операционного усилителя можно сказать, что представление его в форме «черного ящика» значительно упрощает анализ электронных схем и обычно дает вполне приемлемые практические результаты.

Абрамян Евгений Павлович

Доцент кафедры электротехники СПбГПУ

Задать вопрос

Рассмотрим наиболее широко используемые разновидности операционных усилителей, для питания которых применяются два источника напряжения (обычно +15 В и −15 В). По-другому это называют питанием от источника с нулевым выводом или от расщепленного источника ±15 В.

Схемы операционного усилителя

Приведем один из вариантов условного графического обозначения операционного усилителя (рис. 1.133).

Обозначение общего вывода «0V» расшифровывается как «ноль вольт». Для уяснения назначения выводов изобразим типичную схему на операционном усилителе — схему инвертирующего усилителя (рис. 1.134).

Ниже будет показано, что если входное напряжение uвх достаточно мало по модулю, то выходное напряжение uвых определяется выражениемu вых= −uвх·Rос/R1

Часто на схемах выводы +U, − U и 0V не указывают (но, естественно, подразумевают) и используют упрощенное условное графическое обозначение (рис. 1.135). При этом приведенная выше типичная схема приобретает упрощенный вид (рис. 1.136).

В литературе, особенно зарубежной, часто используют условные графические обозначения, не соответствующие стандарту, принятому у нас (рис. 1.137).

Обозначим напряжения на выводах операционного усилителя (рис. 1.138).

Напряжение uдиф между инвертирующим и неинвертирующим входами называют дифференциальным напряжением (дифференциальным сигналом). Ясно, что uдиф =u+−u−Операционные усилители конструируют таким образом, чтобы они как можно больше изменяли напряжение uвых при изменении дифференциального сигнала (т. е. разности u+−u−) и как можно меньше изменяли напряжение uвых при одинаковом изменении напряжений u+ и u−.

Пусть uдиф= 0. Сделаем обозначение:uсф=u+=u− Напряжение u сф называют синфазным напряжением (синфазным сигналом).

Используя этот термин, можно сказать, что операционные усилители конструируют таким образом, чтобы влияние синфазного сигнала на выходное напряжение было как можно меньше.

Классификация Операционных Усилителей | Основы электроакустики

Операционные усилители,  можно разделить на несколько групп по совокупности их параметров.

1. Универсальные или общего применения (К = 103…105, ƒПР = 1…10МГц, UСМ > 0,5мВ) используются для построения узлов аппаратуры, имеющих суммарную приведенную погрешность на уровне 1%. Характеризуются относительно малой стоимостью и средним уровнем параметров.

2. Прецизионные или инструментальные (К > 0,5·106, UСМ < 0,5мВ) применяются для усиления малых электрических сигналов, сопровождаемых высоким уровнем помех, и характеризуются малым значением напряжения смещения и его температурным дрейфом, большими коэффициентами усиления и подавления синфазного сигнала, большим входным сопротивлением и низким уровнем шумов. Как правило, имеют невысокое быстродействие.

3. Быстродействующие   или  широкополосные (VUВЫХ мах > 20 В/мкс,  ƒПР >16МГц) используются для преобразования быстроизменяющихся сигналов. Они характеризуются высокой скоростью нарастания выходного сигнала, малым временем установления, высокой предельной частотой, а по остальным параметрам уступают ОУ общего назначения.

4. Микромощные ОУ(IПОТР < 1 мА) необходимы в случаях, когда потребляемая мощность жестко лимитирована, например в приборах с автономным питанием.

5. ОУ с малым входным током (IВХ < 100пА) используют входной каскад на полевых транзисторах.

6. Многоканальные ОУ имеют параметры, аналогичные усилителям других типов. Отличие в том, что в одном корпусе размещают два или четыре ОУ. Многоканальные ОУ служат для улучшения массогабаритных параметров и снижения энергопотребления аппаратуры.

7. Мощные и высоковольтные ОУ (IВЫХ ≥ 100мА, UВЫХ ≥ 15В) – усилители с выходными каскадами, построенными на мощных высоковольтных элементах.

8. ОУ с гальванической развязкой

В табл.9.1 приведены сравнительные данные для некоторых типов ОУ из различных групп. Характеристики операционных усилителей

Группа	Тип ОУ	КU0•103	UCМ, мВ	ΔUСМ/ ΔТ мкВ/°С	IВХ, нА	f1, мГц	VUвыхмакс, В/мкс
Универсальные	К140УД7	45	4,5	50	220	0,8	0,3
	К140УД22	50	10	20	0,2	5	7,5
Прецизионные	К140УД17	200	75•10-3	3	2,5	4	0,4
	К140УД26	1000	30•10-3	0,6	40	20	11
Быстродействующие	К154УД2	10	2	10	–	15	150
	К1420УД1		5		–	110	200
Микро-мощные	К124УД1	10	5	5	–	1,4	1,6
С малыми входными   токами	К1409УД1	20	15	100	50 •10-3	4,5	4,5
Многоканальные	К1401УД2 четырех-канальный	50	5	30	150	1,5	0,35
Мощные	К1040УД2	1	50			0,3
		UВЫХ макс=22,5В; IВЫХ макс=0,5А

 

Операционный усилитель — это… Что такое Операционный усилитель?

Разные операционные усилители в различных корпусах, в том числе несколько в одном корпусе

Операционный усилитель (ОУ, OpAmp) — усилитель постоянного тока с дифференциальным входом и, как правило, единственным выходом, имеющий высокий коэффициент усиления. ОУ почти всегда используются в схемах с глубокой отрицательной обратной связью, которая, благодаря высокому коэффициенту усиления ОУ, полностью определяет коэффициент передачи полученной схемы.

В настоящее время ОУ получили широкое применение как в виде отдельных чипов, так и в виде функциональных блоков в составе более сложных интегральных схем. Такая популярность обусловлена тем, что ОУ является универсальным блоком с характеристиками, близкими к идеальным, на основе которого можно построить множество различных электронных узлов.

История

Операционный усилитель изначально был спроектирован для выполнения математических операций (отсюда его название), путём использования напряжения как аналоговой величины. Такой подход лежит в основе аналоговых компьютеров, в которых ОУ использовались для моделирования базовых математических операций (сложение, вычитание, интегрирование, дифференцирование и т. д.). Однако идеальный ОУ является многофункциональным схемотехническим решением, он имеет множество применений помимо математических операций. Реальные ОУ, основанные на транзисторах, электронных лампах или других активных компонентах, выполненные в виде дискретных или интегральных схем, являются приближением к идеальным.

Ламповый операционный усилитель K2-W.

Первые промышленные ламповые ОУ (1940-е гг.) выполнялись на паре двойных триодов, в том числе в виде отдельных конструктивных сборок в корпусах с октальным цоколем. В 1963 Роберт Видлар, инженер Fairchild Semiconductor, спроектировал первый интегральный ОУ — μA702. При цене в 300 долларов прибор, содержавший 9 транзисторов использовался только в военных применениях. Первый доступный интегральный ОУ, μA709, также спроектированный Видларом, был выпущен в 1965; вскоре после выпуска его цена упала ниже 10 долларов, что было всё ещё слишком дорого для бытового применения, но вполне доступно для массовой промышленной автоматики и т. п. гражданских задач.

В 1967 National Semiconductor, куда перешёл работать Видлар, выпустила LM101, а в 1968 Fairchild выпустило практически идентичный μA741 — первый ОУ со встроенной частотной коррекцией. ОУ LM101/μA741 был более стабилен и прост в использовании, чем предшественники. Многие производители до сих пор выпускают версии этого классического чипа (их можно узнать по числу «741» в наименовании). Позднее были разработаны ОУ и на другой элементной базе: на полевых транзисторах с p-n переходом (конец 1970х) и с изолированным затвором (начало 1980х), что позволило существенно улучшить ряд характеристик. Многие из более современных ОУ могут быть установлены в схемы, спроектированные для 741 без каких-либо доработок, при этом характеристики схемы только улучшатся.

Применение ОУ в электронике чрезвычайно широко — операционный усилитель, вероятно, наиболее часто встречающийся элемент в аналоговой схемотехнике. Добавление лишь нескольких внешних компонентов делает из ОУ конкретную схему аналоговой обработки сигналов. Многие стандартные ОУ сто́ят всего несколько центов в крупных партиях (1000шт), но усилители с нестандартными характеристиками (в интегральном или дискретном исполнении) могут стоить $100 и выше.

Обозначения

Обозначение операционного усилителя на схемах

На рисунке показано схематичное изображение операционного усилителя. Выводы имеют следующее значение:

Указанные пять выводов присутствуют в любом ОУ, они необходимы для его функционирования. Однако, существуют операционные усилители, не имеющие неинвертиующего входа^[1]. В частности, такие ОУ находят применение в аналоговых вычислительных машинах (АВМ). ОУ, применяемые в АВМ, принято делить на 5 классов, из которых ОУ первого и второго класса имеют только один вход. Операционные усилители первого класса — усилители высокой точности (УВТ) с одним входом. Они предназначены для работы в составе интеграторов, сумматоров, устройств слежения-хранения, электронных коэффициентов. Высокий коэффициент усиления, предельно малые значения смещения нуля, входного тока и дрейфа нуля, высокое быстродействие обеспечивают снижение погрешности, вносимой усилителем, ниже 0,01 %. Операционные усилители второго класса — усилители средней точности (УСТ) также с одним входом, обладающие меньшим коэффициентом усиления и большими значениями смещения и дрейфа нуля. Эти ОУ предназначены для применения в составе электронных устройств установки коэффициентов, инверторов, электронных переключателей, в функциональных преобразователях, множительных устройствах. Помимо этого, некоторые ОУ могут иметь дополнительные выводы (предназначенные, например, для установки тока покоя, частотной коррекции, балансировки или других функций).

Выводы питания (V_S+ и V_S−) могут быть обозначены по-разному (см. выводы питания интегральных схем). Часто выводы питания не рисуют на схеме, чтобы не загромождать её несущественными деталями, при этом способ подключения этих выводов явно не указывается или считается очевидным (особенно часто это происходит при изображении одного усилителя из микросхемы с четырьмя усилителями с общими выводами питания). При обозначении ОУ на схемах можно менять местами инвертирующий и неинвертирующий входы, если это удобно; выводы питания, как правило, всегда располагают единственным способом (положительный вверху).

Основы функционирования

ОУ 741 в корпусе TO-5

Питание

В общем случае ОУ использует двуполярное питание, то есть источник питания имеет три вывода с потенциалами:

• U₊ (к нему подключается V_S+)
• 0
• U_— (к нему подключается V_S-)

Вывод источника питания с нулевым потенциалом непосредственно к ОУ обычно не подключается, но, как правило, является сигнальной землёй и используется для создания обратной связи. Часто вместо двуполярного используется более простое однополярное, а общая точка создаётся искусственно или совмещается с отрицательной шиной питания.

ОУ способны работать в широком диапазоне напряжений источников питания, типичное значение для ОУ общего применения от ±1,5 В до ±15 В при двуполярном питании (то есть U₊ = 1,5…15 В, U_— = -15…-1,5 В, допускается значительный перекос).

Простейшее включение ОУ

Рассмотрим работу ОУ как отдельного дифференциального усилителя, то есть без включения в рассмотрение каких-либо внешних компонентов. В этом случае ОУ ведёт себя как обычный усилитель с дифференциальным входом, то есть поведение ОУ описывается следующим образом:

((1))

здесь

• V_out: напряжение на выходе
• V₊: напряжение на неинвертирующем входе
• V₋: напряжение на инвертирующем входе
• G_openloop: коэффициент усиления с разомкнутой петлёй обратной связи

Все напряжения считаются относительно общей точки схемы. Рассматриваемый способ включения ОУ (без обратной связи) практически не используется^[2] вследствие присущих ему серьёзных недостатков:

• Коэффициент усиления с разомкнутой петлёй обратной связи G_openloop нормируется в очень широких пределах и может изменяться в тысячи раз (зависит сильнее всего от частоты сигнала и температуры).
• Коэффициент усиления очень велик (типичное значение 10⁶ на постоянном токе) и не поддаётся регулировке.
• Точка отсчёта входного и выходного напряжений не поддаются регулировке.

Идеальный операционный усилитель

Для того, чтобы рассматривать функционирование ОУ в режиме с обратной связью, необходимо вначале ввести понятие идеального операционного усилителя. Идеальный ОУ является физической абстракцией, то есть не может реально существовать, однако позволяет существенно упростить рассмотрение работы схем на ОУ благодаря использованию простых математических моделей.

Идеальный ОУ описывается формулой (1) и обладает следующими характеристиками:

1. Бесконечно большой коэффициент усиления с разомкнутой петлей обратной связи G_openloop.^[3]
2. Бесконечно большое входное сопротивление входов V_— и V₊. Другими словами, ток, протекающий через эти входы, равен нулю.
3. Нулевое выходное сопротивление выхода ОУ.
4. Способность выставить на выходе любое значение напряжения.
5. Бесконечно большая скорость нарастания напряжения на выходе ОУ.
6. Полоса пропускания: от постоянного тока до бесконечности.

Пункты 5 и 6 в действительности следуют из формулы (1), поскольку в неё не входят временны́е задержки и фазовые сдвиги. Из перечисленных условий следует важнейшее свойство идеального ОУ, упрощающее рассмотрение схем с его использованием:

Идеальный ОУ, охваченный отрицательной обратной связью, поддерживает одинаковое напряжение на своих входах ^[4][5]

Другими словами, при указанных условиях всегда выполняется равенство:

(2)

Не следует думать, что ОУ выравнивает напряжения на своих входах, подавая напряжение на входы «изнутри». На самом деле ОУ выставляет на выходе такое напряжение, которое через обратную связь подействует на входы таким образом, что разность входных напряжений уменьшится до нуля.

Легко убедиться в справедливости равенства (2). Допустим, (2) нарушено — имеет место небольшая разность напряжений. Тогда входное дифференциальное напряжение, усиленное в ОУ, вызвало бы (вследствие бесконечного коэффициента усиления) бесконечно большое выходное напряжение, которое, в соответствии с определением ООС, ещё уменьшило бы разность входных напряжений. И так до тех пор, пока равенство (2) не будет выполнено. Заметим, что выходное напряжение может быть любым — оно определяется видом обратной связи и входным напряжением.

Простейший неинвертирующий усилитель на ОУ

Из рассмотрения принципа работы идеального ОУ следует очень простая методика проектирования схем:

Пусть необходимо построить цепь на ОУ с требуемыми свойствами. Требуемые свойства заключаются прежде всего в заданном состоянии выхода (выходное напряжение, выходной ток и т. д.), которое, возможно, зависит от какого-либо входного воздействия. Для создания схемы нужно подключить к ОУ такую обратную связь, чтобы при требуемом выходном состоянии достигалось равенство напряжений на входах ОУ (инвертирующем и неинвертирующем), а обратная связь была бы отрицательной.

Таким образом, требуемое состояние системы будет устойчивым состоянием равновесия, и система будет в нем находиться неограниченно долго^[6]. Пользуясь этим упрощённым подходом, несложно получить простейшую схему усилителя.

Обозначение операционного усилителя на схемах, неинвертирующая схема включения

От усилителя требуется наличие на выходе напряжения, превышающего входное в K раз. В соответствии с приведённой выше методикой подадим на неинвертирующий вход ОУ сам входной сигнал, а на инвертирующий — выходной сигнал, поделённый в K раз резистивным делителем напряжения.

Пусть, K — коэффициент деления напряжения резистивным делителем R₁R₂:

K = R₁ / (R₁ + R₂)

тогда для неидеального ОУ (с конечным коэффициентом усиления G_openloop) имеем:

V₊ = V_in

V₋ = K V_out

V_out = G_openloop(V_in − K V_out)

Решая данную систему относительно V_out / V_in, получаем:

V_out/V_in = G_openloop/(1 + G_openloop K)

то есть получен усилитель, коэффициент усиления которого зависит от усиления ОУ и номиналов резисторов. Если же ОУ имеет очень большой коэффициент усиления G_openloop (много больший, чем 1/K), то коэффициент G_openloop в выражении сокращается и получаем более простое выражение:

V_out/V_in = 1/K = 1 + (R₂/R₁)

Таким образом, коэффициент передачи усилителя, построенного на ОУ с достаточно большим усилением, практически зависит только от параметров обратной связи. Это полезное свойство позволяет проектировать системы с очень стабильным коэффициентом передачи, необходимые, например, при измерениях и обработке сигналов.

Отличия реальных ОУ от идеального

Параметры ОУ, характеризующие его неидеальность, можно разбить на группы:

Параметры по постоянному току

• Ограниченное усиление: коэффициент G_openloop не бесконечен (типичное значение 10⁵ ÷ 10⁶ на постоянном токе). Этот эффект заметно проявляется только в случаях, когда коэффициент передачи каскада с ОУ отличается от параметра G_openloop в небольшое число раз (усиление каскада отличается от G_openloop на 1÷2 порядка или еще меньше).
• Ненулевой входной ток (или, что почти то же самое, ограниченное входное сопротивление): типичные значения входного тока составляют 10⁻⁹ ÷ 10⁻¹² А. Это накладывает ограничения на максимальное значение сопротивлений в цепи обратной связи, а также на возможности согласования по напряжению с источником сигнала. Некоторые ОУ имеют на входе дополнительные цепи для защиты входа от чрезмерного напряжения — эти цепи могут значительно ухудшить входное сопротивление. Поэтому некоторые ОУ выпускаются в защищенной и незащищенной версии.
• Ненулевое выходное сопротивление. Данное ограничение не имеет большого значения, так как наличие обратной связи эффективно уменьшает выходное сопротивление каскада на ОУ (практически до сколь угодно малых значений).
• Ненулевое напряжение смещения: требование о равенстве входных напряжений в активном состоянии для реальных ОУ выполняется не совсем точно — ОУ стремится поддерживать между своими входами не точно ноль вольт, а некоторое небольшое напряжение (напряжение смещения). Другими словами, реальный ОУ ведет себя как идеальный ОУ, у которого внутри последовательно с одним из входов включен генератор напряжения с ЭДС U_см. Напряжение смещения — очень важный параметр, он ограничивает точность ОУ, например, при сравнении двух напряжений. Типичные значения U_см составляют 10⁻³ ÷ 10⁻⁶ В.
• Ненулевое усиление синфазного сигнала. Идеальный ОУ усиливает только разницу входных напряжений, сами же напряжения значения не имеют. В реальных ОУ значение входного синфазного напряжения оказывает некоторое влияние на выходное напряжение. Данный эффект определяется параметром коэффициент ослабления синфазного сигнала (КОСС, англ. common-mode rejection ratio, CMRR), который показывает, во сколько раз приращение напряжения на выходе меньше, чем вызвавшее его приращение синфазного напряжения на входе ОУ. Типичные значения: 10⁴ ÷ 10⁶.

Параметры по переменному току

• Ограниченная полоса пропускания. Любой усилитель имеет конечную полосу пропускания, но фактор полосы не особенно значим для ОУ, поскольку они имеют внутреннюю частотную коррекцию для увеличения запаса по фазе.
• Ненулевая входная ёмкость. Образует паразитный фильтр нижних частот.
• Ненулевая задержка сигнала. Данный параметр, косвенно связанный с ограничением полосы пропускания, может ухудшить действие ООС при повышении рабочих частот.
• Ненулевое время восстановления после насыщения .

Нелинейные эффекты

• Насыщение — ограничение диапазона возможных значений выходного напряжения. Обычно выходное напряжение не может выйти за пределы напряжения питания. Насыщение имеет место в случае, когда выходное напряжение «должно быть» больше максимального или меньше минимального выходного напряжения. ОУ не может выйти за пределы, и выступающие части выходного сигнала «срезаются» (то есть ограничиваются).

В моменты насыщения усилитель не действует в соответствии с формулой (1), что вызывает отказ в работе ООС и появлению разности напряжений на его входах, что обычно является признаком неисправности схемы (и это легко обнаруживаемый наладчиком признак проблем). Исключение — работа ОУ в режиме компаратора.

• Искажение входного П-образного сигнала при ограниченной скорости нарастания выходного сигнала ОУ. Ограниченная скорость нарастания. Выходное напряжение ОУ не может измениться мгновенно. Скорость изменения выходного напряжения измеряется в вольтах за микросекунду, типичные значения 1÷100 В/мкс. Параметр обусловлен временем, необходимым для перезаряда внутренних ёмкостей.

Ограничения тока и напряжения

• Ограниченное выходное напряжение. У любого ОУ потенциал на выходе не может быть выше, чем потенциал положительной шины питания и не может быть ниже, чем потенциал отрицательной шины питания (в случае, если нагрузка отсутствует, или является резистивной и не содержит источник тока). Другими словами, выходное напряжение не может выйти за пределы питающего напряжения. Например, для ОУ opa277[1] выходное напряжение находится в пределах от V_S−+0,5 В до V_S+-2 В при сопротивлении нагрузки 10 кОм. Ширина этих «мертвых зон» выходного напряжения, которых выход ОУ не может достичь, зависит от ряда условий (сопротивление нагрузки, направление выходного тока и др.). Существуют ОУ, у которых мертвые зоны минимальны, например, по 50 мВ до шин питания при нагрузке 10 кОм для opa340[2], эта особенность ОУ называется «rail-to-rail» (от шины до шины).
• Ограниченный выходной ток. Большинство ОУ широкого применения имеют встроенную защиту от превышения выходного тока — типичное значение максимального тока 25 мА. Защита предотвращает перегрев и выход ОУ из строя.

Мощные ОУ, такие как К157УД1, могут иметь крепление для радиатора.

• Ограниченная выходная мощность. Большинство ОУ предназначено для применений, не требовательных к мощности: сопротивление нагрузки не должно быть менее 2 кОм.

Классификация ОУ

По типу элементной базы

^[7]

По области применения

Выпускаемые промышленностью операционные усилители постоянно совершенствуются, параметры ОУ приближаются к идеальным. Однако улучшить все параметры одновременно технически невозможно или нецелесообразно из-за дороговизны полученного чипа. Для того, чтобы расширить область применения ОУ, выпускаются различные их типы, в каждом из которых один или несколько параметров являются выдающимися, а остальные на обычном уровне (или даже чуть хуже). Это оправдано, так как в зависимости от сферы применения от ОУ требуется высокое значение того или иного параметра, но не всех сразу. Отсюда вытекает классификация ОУ по областям применения.

• Индустриальный стандарт. Так называют широко применяемые, очень дешевые ОУ общего применения со средними характеристиками. Пример «классических» ОУ: с биполярным входом — LM324, с полевым входом — TL084.
• Прецизионные ОУ имеют очень малые напряжения смещения, применяются в точных измерительных схемах. Обычно ОУ на биполярных транзисторах по этому показателю несколько лучше, чем на полевых. Также от прецизионных ОУ требуется долговременная стабильность параметров. Исключительно малыми смещениями обладают стабилизированные прерыванием ОУ. Примеры: AD707, AD708, с напряжением смещения 30 мкВ, а также новейшие AD8551 с типичным напряжением смещения 1 мкВ.
• С малым входным током (электрометрические) ОУ. Все ОУ, имеющие полевые транзисторы на входе, обладают малым входным током. Но среди них существуют специальные ОУ с исключительно малым входным током. Чтобы полностью реализовать их преимущества, при проектировании устройств с их использованием необходимо даже учитывать утечку тока по печатной плате. Пример: AD549 с входным током 6·10⁻¹⁴ А.
• Микромощные и программируемые ОУ потребляют малый ток на собственное питание. Такие ОУ не могут быть быстродействующими, так как малый потребляемый ток и высокое быстродействие — взаимоисключающие требования. Программируемыми называются ОУ, для которых все внутренние токи покоя можно задать с помощью внешнего тока, подаваемого на специальный вывод ОУ.
• Мощные (сильноточные) ОУ могут отдавать большой ток в нагрузку, то есть допустимое сопротивление нагрузки меньше стандартных 2 кОм, и может составлять до 50 Ом.
• Низковольтные ОУ работоспособны при напряжении питания 3 В и даже ниже. Как правило, они имеют rail-to-rail выход.
• Высоковольтные ОУ. Все напряжения для них (питания, синфазное входное, максимальное выходное) значительно больше, чем для ОУ широкого применения.
• Быстродействующие ОУ имеют высокую скорость нарастания и частоту единичного усиления. Такие ОУ не могут быть микромощными, и как правило выполнены на биполярных транзисторах.
• Малошумящие ОУ.
• Звуковые ОУ. Имеют минимально возможный коэффициент гармоник (THD).
• Для однополярного питания. CMOS ОУ обеспечивают выходное напряжение, практически равное напряжению питания (rail-to-rail, R2R), биполярные ОУ — примерно на 1.2 В меньше, что существенно при небольших значениях Ucc.
• Специализированные ОУ. Обычно разработаны для конкретных задач (подключение фотодатчика, магнитной головки, и др.). Могут содержать в себе готовые цепи ООС или отдельные необходимые для этого прецизионные резисторы.

Возможны также комбинации данных категорий, например, прецизионный быстродействующий ОУ.

Другие классификации

По входным сигналам:

• Обычный двухвходовый ОУ;
• ОУ с тремя входами ^[8]: третий вход, имеющий коэффициент передачи +1 (для чего используется внутренняя ООС), используется для расширения возможностей ОУ, например, смещение по напряжению выходных сигналов относительно входных, или возможность построения каскада с высоким выходным сопротивлением синфазному сигналу, что напоминает трансформатор с двумя обмотками, однако каскад на AD8132 передаёт и постоянный ток, что трансформатор не может.

По выходным сигналам:

• Обычный ОУ с одним выходом;
• ОУ с дифференциальным выходом ^[9]

Использование ОУ в схемотехнике

Использование ОУ как схемотехнического элемента гораздо проще и понятнее, чем оперирование отдельными элементами, его составляющими (транзисторов, резисторов и т. д.). При проектировании устройств на первом (приближённом) этапе операционные усилители можно считать идеальными. Далее для каждого ОУ определяются требования, которые накладывает на него схема, и подбирается ОУ, удовлетворяющий этим требованиям. Если получается, что требования к ОУ слишком жёсткие, то можно частично перепроектировать схему для обхода данной проблемы.

Принципиальная схема операционного усилителя

Схемы на операционных усилителях

Операционные усилители являются основным элементом для дифференциаторов.

Области применения

См. также

Примечания

1. ↑ http://cxem.net/beginner/beginner96.php
2. ↑ Единственным исключением является простейший аналоговый компаратор
3. ↑ Казалось бы, это бессмысленное допущение, поскольку при этом на выходе было бы бесконечное напряжение всегда, за исключением редкого случая, когда напряжения на входах V_— и V₊ равны. В действительности выходное напряжение даже в теоретической модели всегда ограничено из-за использования отрицательной обратной связи.
4. ↑ Путём изменения выходного напряжения
5. ↑ Если система (ОУ с ОС) устойчива
6. ↑ Это очень упрощённый подход, в действительности необходимо учитывать другие возможные состояния равновесия, а также ряд других факторов.
7. ↑ По типу элементной базы, используемой для построения входных цепей (моста)
8. ↑ AD8132 — ОУ, имеющий третий вход с усилением +1
9. ↑ AD8132 — ОУ с дифференциальным выходом

Ссылки

Основные типы регуляторов | Системы электроприводов исполнительных механизмов буровых установок

Страница 3 из 10

Основные типы регуляторов, применяемых в системах управления электроприводами исполнительных механизмов буровых установок

Аналоговые регуляторы в системах подчиненного управления электроприводами строятся на основе операционных усилителей (ОУ) — усилителей постоянного тока с высоким входным и очень низким выходным сопротивлениями. Технология интегральных микросхем позволяет в настоящее время изготавливать высококачественные и недорогие ОУ. В некоторой части своего рабочего диапазона ОУ ведет себя как линейный усилитель напряжения с очень большим коэффициентом усиления (10⁵— 10⁶). Если в схеме ОУ не предусмотрена отрицательная обратная связь с выхода на вход, то из-за высокого коэффициента усиления, он обязательно попадает в режим насыщения. Поэтому схемы регулятора на базе ОУ содержат отрицательную обратную связь.
Операционный усилитель получил свое название благодаря тому, что с его помощью могут выполняться различные математические операции, такие как умножение, суммирование, интегрирование и дифференцирование. Типовые регуляторы строятся на базе инвертирующего усилителя, причем входные и выходные цепи, кроме сопротивлений, могут содержать емкости.
Поскольку коэффициент усиления ОУ велик (Ку = = 10⁵+10⁶), а выходное напряжение Увых ограничено напряжением питания Цп, то потенциал точки А (рис. 1, а) срА = = ивых/Ку близок к нулю, т.е. точка А выполняет функцию кажущейся земли (заземлять точку А нельзя, иначе схема станет неработоспособной).

Рис. 1. Структура аналогового регулятора, выполненного на операционном усилителе (а). Схема пропорционального регулятора с управляемым ограничением выходного сигнала (б). Характеристика вход-выход регулятора с управляемым ограничением выходного сигнала (в)

Схемы, передаточные функции и переходные функции регуляторов различных типов приведены в табл.

 

Схемы и динамические характеристики различных типов регуляторов

Тип регулятора

Схемы регулятора

Передаточная функция регулятора

Переходная функция регулятора

 

Для получения пропорционального регулятора (П-регулятора) на вход и в цепь обратной связи ОУ включают резисторы; интегрального регулятора (И-регулятора) во входную цепь включает резистор, а в цепь обратной связи — конденсатор; ПИ-регулятора во входную цепь-резистор, а в цепь обратной связи — последовательно соединенные резистор и конденсатор. ПИД-регулятор может быть выполнен на одном усилителе с помощью активно-емкостных цепей на входе и в цепи обратной связи.
Промышленностью выпускаются различные типы операционных усилителей на интегральных микросхемах (ИМС) — как круглой, так и прямоугольной формы. Наибольшее распространение для построения регуляторов получили ОУ типов К140УД7, К553УД2, К157УД2 и др.
Уменьшить размеры и повысить надежность устройств аналоговых систем управления электроприводами можно при внедрении гибридной технологии для их изготовления. При изготовлении гибридных интегральных схем (ГИС) активные элементы (ОУ) устанавливаются на печатной плате в твердотельном (бескорпусном) исполнении, а конденсаторы и резисторы — методом пленочной технологии (напылением пленок из проводящих, полупроводящих и непроводящих материалов). Полученный модуль может быть залит компаундом или помещен в корпус.
Ограничение координат электропривода (тока, скорости и др.) осуществляется включением в структуру регулятора внешнего контура регулирования узлов ограничения. Последние могут быть управляемыми и неуправляемыми. На рис., 6 приведена схема ограничения выходного напряжения пропорционального регулятора с отсекающими диодами VD1, VD2 и управляемым опорным напряжением Уоп. Схема позволяет получить несимметричную относительно начала координат характеристику вход-выход с различным уровнем ограничиваемого выходного напряжения (рис.) Возможны и другие варианты схем управляемого ограничения выходного напряжения ОУ с использованием транзисторов.
До последнего времени в автоматизированном электроприводе исполнительных механизмов отечественных буровых установок основное применение получили средства аналоговой вычислительной техники. За последние годы рядом проектных и научно-исследовательских организаций ведутся работы по созданию микропроцессорных систем управления. По сравнению с аналоговыми системами микропроцессорные системы обладают рядом преимуществ. Отметим некоторые из них.
Гибкость. Возможность путем перепрограммирования изменения не только параметров системы управления, но и алгоритмов и даже структуры. При этом аппаратная часть системы остается неизменной. В аналоговых системах потребовалась бы перекомпоновка аппаратной части. Программное обеспечение микроЭВМ можно легко корректировать как в предпусковой период, так и в процессе их эксплуатации. Благодаря этому снижаются затраты и сроки проведения наладочных работ и изменяется их характер, поскольку необходимые эксперименты по определению характеристик и параметров, а также настройка регуляторов могут быть произведены автоматически самой микроЭВМ по заранее подготовленной программе.
Снятие всех ограничений на структуру управляющего устройства и законы управления. При этом показатели качества цифровых систем могут значительно превышать показатели качества управления непрерывных систем управления. Путем введения соответствующих программ могут быть реализованы сложные законы управления (оптимизация, адаптация, прогнозирование и др.), в том числе и такие, которые весьма сложно осуществить с помощью аналоговых средств. Появляется возможность решения интеллектуальных задач, обеспечивающих правильность и эффективность ведения технологических процессов. На основе микроЭВМ могут быть построены системы любых типов, включая системы с подчиненным управлением, многомерные системы с перекрестными связями и др.
Самодиагностика и самотестирование цифровых управляющих устройств. Возможность проверки исправности механических узлов привода, силовых преобразователей, датчиков и другого оборудования во время технологических пауз, т.е. автоматическая диагностика состояния оборудования и раннее предупреждение аварий. Эти возможности дополняются развитыми средствами борьбы с помехами. Главное здесь — замена аналоговых линий передачи информации цифровыми, содержащими гальванические развязки, волоконно-оптические каналы, помехоустойчивые интегральные микросхемы в качестве усилителей и коммутаторов.
Более высокая точность вследствие отсутствия дрейфа нуля, характерного для аналоговых устройств. Так, цифровые системы   регулирования   скорости    электропривода   могут обеспечить повышение точности регулирования на два порядка по сравнению с аналоговыми.
Простота визуализации параметров процесса управления путем применения цифровых индикаторов, индикаторных панелей и дисплеев, организации диалогового режима обмена информацией с оператором.
Большая надежность, меньшие габариты, масса и стоимость. Высокая надежность микроЭВМ по сравнению с аналоговой техникой обеспечивается применением больших интегральных микросхем (БИС), наличием специальных систем защиты памяти, помехозащищенности и другими средствами. Благодаря высокому уровню технологии производства БИС снижаются затраты на изготовление систем управления электроприводами. Эти преимущества особо проявляются при использовании одноплатных и однокристальных ЭВМ.

Обзор операционных усилителей

, основы операционных усилителей

Мы можем завершить наш раздел и взглянуть на операционные усилители со следующим кратким описанием различных типов схем операционных усилителей и их различных конфигураций, обсуждаемых в этом учебном разделе по операционным усилителям.

Общие условия эксплуатации усилителя

• • Операционный усилитель или Op-amp , как его чаще всего называют, может быть идеальным усилителем с бесконечным усилением и полосой пропускания при использовании в режиме разомкнутого контура с типичным коэффициентом усиления по постоянному току более 100000 или 100 дБ. .
• • Базовая конструкция операционного усилителя представляет собой устройство с 3 контактами, с 2 входами и 1 выходом (за исключением силовых подключений).
• • Операционный усилитель работает либо от двойного положительного (+ V), и от соответствующего отрицательного (-V) источника питания, либо они могут работать от одного источника постоянного напряжения.
• • Два основных закона, связанных с операционным усилителем, заключаются в том, что он имеет бесконечный входной импеданс (Z = ∞), в результате чего « Нет тока, протекающего ни на один из его двух входов », и нулевое входное напряжение смещения V1 = V2.
• • Операционный усилитель также имеет нулевое выходное сопротивление (Z = 0).
• • Операционные усилители определяют разницу между сигналами напряжения, приложенными к их двум входным клеммам, и затем умножают ее на некоторое заранее определенное усиление (A).
• • Это усиление (A) часто называют усилением без обратной связи усилителя.
• • Замыкание разомкнутого контура путем подключения резистивного или реактивного компонента между выходом и одной входной клеммой операционного усилителя значительно снижает и регулирует это усиление разомкнутого контура.
• • Операционные усилители могут быть подключены в двух основных конфигурациях: , инвертирующий, и , неинвертирующий, .

Две основные схемы операционных усилителей

• Для отрицательной обратной связи , когда напряжение обратной связи находится в «противофазе» по отношению к входу, общее усиление усилителя уменьшается.
• Для положительной обратной связи , когда напряжение обратной связи находится в «фазе» на входе, общее усиление усилителя увеличивается.
• При подключении выхода напрямую к отрицательной входной клемме достигается 100% -ная обратная связь, что приводит к цепи повторителя напряжения (буфер) с постоянным усилением 1 (единица).
• Заменив постоянный резистор обратной связи (Rƒ) на потенциометр, схема будет иметь регулируемое усиление.

Коэффициент усиления операционного усилителя

• Коэффициент усиления в разомкнутом контуре, называемый продуктом Gain Bandwidth Product или (GBP), может быть очень высоким и является мерой того, насколько хорош усилитель.
• Очень высокое значение GBP делает схему операционного усилителя нестабильной, так как входной микровольтный сигнал заставляет выходное напряжение переходить в состояние насыщения.
• С помощью подходящего резистора обратной связи (Rƒ) можно точно регулировать общий коэффициент усиления усилителя.

Дифференциальные и суммирующие усилители

• Добавив дополнительные входные резисторы к инвертирующим или неинвертирующим входам, можно получить Сумматоры напряжения или Summers .
• Операционные усилители с повторителем напряжения могут быть добавлены ко входам дифференциальных усилителей для создания инструментальных усилителей с высоким импедансом.
• Дифференциальный усилитель выдает выходной сигнал, пропорциональный разнице между двумя входными напряжениями.

Цепи рабочего усилителя дифференциатора и интегратора

• Интегрирующий усилитель выдает выходной сигнал, который является математической операцией интегрирования.
• Дифференцирующий усилитель выдает выходной сигнал, который является математической операцией дифференцирования.
• И интегратор, и дифференциальный усилитель имеют резистор и конденсатор, подключенные к операционному усилителю, и на них влияет постоянная времени RC.
• В своей базовой форме усилители-дифференциаторы страдают от нестабильности и шума, но могут быть добавлены дополнительные компоненты для уменьшения общего коэффициента усиления с обратной связью.

Операционные усилители: основы, характеристики, типы и применение

Что такое операционные усилители?

Операционные усилители являются основными строительными блоками аналоговых электронных схем.Это линейные устройства со всеми свойствами усилителя постоянного тока. Мы можем использовать внешние резисторы или конденсаторы к операционному усилителю. Есть много разных способов сделать их различными формами усилителей, таких как инвертирующий усилитель, неинвертирующий усилитель, повторитель напряжения, компаратор, дифференциальный усилитель, суммирующий усилитель, интегратор и т. Д. OPAMP могут быть одиночными, двойные, четырехъядерные и т. д. OPAMP, такие как CA3130, CA3140, TL0 71, LM311 и т. д., имеют отличную производительность при очень низком входном токе и напряжении. Идеальный операционный усилитель имеет три важных терминала в дополнение к другим терминалам.Входные клеммы — это инвертирующий вход и неинвертирующий вход. Третий вывод — это выход, который может потреблять и отдавать ток и напряжение. Выходной сигнал — это коэффициент усиления усилителя, умноженный на значение входного сигнала.

5 Идеальные символы операционного усилителя:

1. Коэффициент усиления разомкнутого контура

Усиление разомкнутого контура — это усиление операционного усилителя без положительной или отрицательной обратной связи. Идеальный операционный усилитель должен иметь бесконечное усиление без обратной связи, но обычно оно находится в диапазоне от 20 000 до 2 00 000.

2. Входное сопротивление

Это отношение входного напряжения к входному току. Он должен быть бесконечным без утечки тока от источника питания на входы. Но в большинстве операционных усилителей будет несколько утечек тока пикоампера.

3. Выходное сопротивление

Идеальный операционный усилитель должен иметь нулевое выходное сопротивление без какого-либо внутреннего сопротивления. Чтобы он мог подавать полный ток на нагрузку, подключенную к выходу.

4.Ширина полосы

Идеальный операционный усилитель должен иметь бесконечную частотную характеристику, чтобы он мог усиливать любую частоту от сигналов постоянного тока до самых высоких частот переменного тока. Но у большинства операционных усилителей пропускная способность ограничена.

5. Смещение

Выход операционного усилителя должен быть равен нулю, когда разность напряжений между входами равна нулю. Но в большинстве операционных усилителей выходной сигнал не будет нулевым, когда он выключен, а будет минутное напряжение на нем.

Конфигурация контактов OPAMP:

В типичном операционном усилителе будет 8 контактов.Это

Pin1 — смещение нуля

Pin2 — инвертирующий вход INV

Pin3 — неинвертирующий вход Non-INV

Pin4 — земля — ​​отрицательное питание

Pin5 — смещение нуля

Pin6 — выход

Pin7 — положительное питание

Pin8 — Строб

4 типа усиления в OPAMP:

Коэффициент усиления по напряжению — Входное и выходное напряжение

Коэффициент усиления по току — Входной и выходной ток

Крутизна — Напряжение на входе и выходе

Трансмиссионное сопротивление — Ток на входе и напряжение на выходе

Работа операционного усилителя:

Здесь мы использовали операционный усилитель LM358.Обычно неинвертирующий вход должен использоваться для смещения, а инвертирующий вход — это реальный усилитель; подключил это к обратной связи резистора 60 кОм от выхода к входу. И резистор 10 кОм соединен последовательно с конденсатором, и на схему подается синусоидальная волна 1 В, теперь мы увидим, как усиление будет регулироваться коэффициентом усиления R2 / R1 = 60 кОм / 10 кОм = 6, тогда на выходе будет 6 В. . Если мы изменим коэффициент усиления на 40, то на выходе будет синусоида 4 В.

Видео о работе операционного усилителя

Обычно это усилитель с двумя источниками питания, его легко настроить на один источник питания с помощью сети резисторов.В этом случае резисторы R3 и R4 подают напряжение, равное половине напряжения питания, на неинвертирующий вход, что приводит к тому, что выходное напряжение также составляет половину напряжения питания, образуя своего рода резисторы напряжения смещения. R3 и R4 могут иметь любое значение от От 1k до 100k, но во всех случаях они должны быть равны. К неинвертирующему входу добавлен дополнительный конденсатор емкостью 1 Ф для уменьшения шума, вызванного конфигурацией. Для этой конфигурации требуется использование разделительных конденсаторов на входе и выходе.

3 приложения OPAMP:

1. Усиление

Усиленный выходной сигнал операционного усилителя представляет собой разницу между двумя входными сигналами.

Схема, показанная выше, представляет собой простое подключение операционного усилителя. Если на оба входа подается одинаковое напряжение, операционный усилитель примет разницу между двумя напряжениями, и она будет равна 0. Операционный усилитель умножит это значение на свой коэффициент усиления 1 000 000, так что выходное напряжение будет равно 0. Когда 2 вольта на выходе. подается на один вход и 1 вольт на другой, тогда операционный усилитель принимает свою разницу и умножается на коэффициент усиления.Это 1 вольт x 1000000. Но это усиление очень велико, поэтому для его уменьшения обратная связь с выхода на вход обычно осуществляется через резистор.

Инвертирующий усилитель:

Схема, показанная выше, представляет собой инвертирующий усилитель с неинвертирующим входом, подключенным к земле. Два резистора R1 и R2 включены в схему таким образом, что R1 подает входной сигнал, а R2 возвращает выход на инвертирующий вход. Здесь, когда входной сигнал положительный, выходной будет отрицательным, и наоборот.Изменение напряжения на выходе относительно входа зависит от соотношения резисторов R1 и R2. R1 выбран как 1K, а R2 как 10K. Если на вход поступает 1 вольт, то через R1 будет ток 1 мА, а выход должен стать — 10 вольт, чтобы подавать ток 1 мА через R2 и поддерживать нулевое напряжение на инвертирующем входе. Следовательно, коэффициент усиления по напряжению равен R2 / R1. То есть 10K / 1K = 10

Неинвертирующий усилитель:

Схема, показанная выше, представляет собой неинвертирующий усилитель.Здесь неинвертирующий вход принимает сигнал, в то время как инвертирующий вход подключен между R2 и R1. Когда входной сигнал движется в положительную или отрицательную сторону, выход будет синфазным, и напряжение на инвертирующем входе будет таким же, как и на неинвертирующем входе. Коэффициент усиления по напряжению в этом случае всегда будет больше единицы (1 + R2 / R1).

2. Повторитель напряжения

Цепь выше представляет собой повторитель напряжения. Здесь он обеспечивает высокий входной импеданс и низкий выходной импеданс.При изменении входного напряжения выходной и инвертирующий вход изменяются одинаково.

3. Компаратор

Операционный усилитель сравнивает напряжение, приложенное на одном входе, с напряжением, приложенным на другом входе. Любая разница между напряжениями, даже если она небольшая, приводит к насыщению операционного усилителя. Когда напряжения, подаваемые на оба входа, имеют одинаковую величину и одинаковую полярность, тогда на выходе операционного усилителя будет 0 Вольт.

Компаратор выдает ограниченное выходное напряжение, которое может легко взаимодействовать с цифровой логикой, даже если совместимость требует проверки.

Видео об операционном усилителе в качестве компаратора Принципиальная схема

Здесь у нас есть операционный усилитель, используемый в качестве компаратора с инвертирующим и неинвертирующим выводами, и к ним подключены некоторый делитель напряжения и измеритель, а также вольтметр на выходе и Светодиод на выход. Основная формула для компаратора состоит в том, что когда ‘+’ больше, чем ‘–’, выход высокий (единица), в противном случае выход равен нулю. Когда напряжение на отрицательном входе ниже опорного напряжения, выход высокий, а когда отрицательный вход превышает напряжение на положительном, выход становится низким.

3 Требования к OPAMP:

1. Обнуление смещения

Большая часть OPAMP имеет напряжение смещения на выходе, даже если входные напряжения одинаковы. Чтобы установить на выходе нулевое напряжение, используется метод обнуления смещения. В большинстве операционных усилителей имеется небольшое смещение из-за присущих им свойств и возникает из-за несоответствия входного смещения. Таким образом, на выходе некоторых операционных усилителей доступно небольшое выходное напряжение, даже если входной сигнал равен нулю.Этот недостаток можно исправить, подав на входы небольшое напряжение смещения. Это известно как входное напряжение смещения. Чтобы удалить или обнулить смещение, у большинства операционных усилителей есть два контакта, позволяющих обнулить смещение. Для этого между контактами 1 и 5 должен быть подключен потенциометр или пресет с типичным значением 100 кОм так, чтобы его стеклоочиститель был заземлен. Регулируя предустановку, выход может быть установлен на нулевое напряжение.

2. Стробирование или фазовая компенсация

Операционные усилители могут иногда становиться нестабильными, и чтобы сделать их стабильными для всех частотных диапазонов, конденсатор обычно подключается между его выводом 8 строба и выводом 1.Обычно дисковый конденсатор 47 пФ добавляется для фазовой компенсации, чтобы операционный усилитель оставался стабильным. Это наиболее важно, если операционный усилитель используется в качестве чувствительного усилителя.

3. Обратная связь

Как вы знаете, операционный усилитель имеет очень высокий уровень усиления, обычно около 1 000 000 раз. Предположим, что операционный усилитель имеет коэффициент усиления 10 000, тогда операционный усилитель будет усиливать разницу напряжений на своем неинвертирующем входе (V +) и инвертирующем входе (V-). Таким образом, выходное напряжение V out равно
10 000 x (V + — V-)

На схеме сигнал подается на неинвертирующий вход, а на инвертирующем входе — на выход.Итак, V + = V in и V- = Vout. Следовательно, Vout = 10,000 x (Vin — Vout). Следовательно, выходное напряжение почти равно входному.

Теперь давайте посмотрим, как работает обратная связь. Простое добавление резистора между инвертирующим входом и выходом значительно снизит усиление. Подав часть выходного напряжения на инвертирующий вход, можно значительно снизить усиление.

Согласно предыдущему уравнению, V out = 10,000 x (V + — V-). Но здесь добавлен резистор обратной связи.Итак, здесь V + — это Vin, а V- — это R1.R1 + R2 x V out. Следовательно, V out равен 10 000 x (Vin — R1.R1 + R2xVout). Итак, V out = R1 + R2.R1x Vin

Отрицательная обратная связь:

Здесь выход операционного усилителя подключен к его инвертирующему (-) входу, таким образом, выходной сигнал возвращается на вход, чтобы достичь равновесия. . Таким образом, входной сигнал на неинвертирующем (+) входе будет отражаться на выходе. Операционный усилитель с отрицательной обратной связью будет доводить свой выход до необходимого уровня, и, следовательно, разница напряжений между его инвертирующим и неинвертирующим входами будет почти равна нулю.

Положительная обратная связь:

Здесь выходное напряжение возвращается на неинвертирующий (+) вход. Входной сигнал поступает на инвертирующий вход. В схеме с положительной обратной связью, если инвертирующий вход подключен к земле, выходное напряжение операционного усилителя будет зависеть от величины и полярности напряжения на неинвертирующем входе. Когда входное напряжение положительное, тогда выход операционного усилителя будет положительным, и это положительное напряжение будет подаваться на неинвертирующий вход, что приведет к полностью положительному выходу.Если входное напряжение отрицательное, условие будет обратным.

Применение операционных усилителей — предусилитель звука

Фильтры и предварительные усилители:

Усилители мощности появятся после предварительных усилителей и перед динамиками. Современные проигрыватели компакт-дисков и DVD не нуждаются в предварительных усилителях. Им нужен регулятор громкости и селектор источников. Используя элементы управления переключением и пассивную громкость, мы можем избежать предварительных усилителей.

Давайте кратко рассмотрим звуковые усилители мощности

Усилитель мощности — это компонент, который может управлять громкоговорителями, преобразовывая сигнал низкого уровня в сигнал большой мощности.Усилители мощности создают относительно высокое напряжение и большой ток. Обычно диапазон усиления по напряжению находится в пределах от 20 до 30. Усилители мощности имеют очень низкое выходное сопротивление.

Технические характеристики усилителя мощности звука

Выходное напряжение не зависит от нагрузки, как для малых, так и для больших сигналов. Заданное напряжение, приложенное к нагрузке, вызывает удвоение тока. Следовательно, будет передано вдвое больше мощности. Номинальная мощность представляет собой непрерывную среднюю мощность синусоидальной волны, так что мощность может быть измерена с помощью синусоидальной волны, среднеквадратичное напряжение которой измеряется на долгосрочной основе.

Частотная характеристика должна расширять весь звуковой диапазон с 20 Гц до 20 кГц. Допуск по частотной характеристике составляет ± 3 дБ. Обычный способ задания полосы пропускания — это то, что усилитель на 3 дБ ниже номинального значения 0 дБ.

Усилители мощности должны производить низкий уровень шума, когда усилители мощности используют высокие частоты. Параметр шума может быть взвешенным или невзвешенным. Невзвешенный шум будет указан для полосы пропускания 20 кГц. Учитываются характеристики взвешенного шума, основанные на чувствительности уха.Измерение взвешенного шума имеет тенденцию ослаблять шум на более высоких частотах, поэтому взвешенное измерение шума намного лучше, чем измерение невзвешенного шума.

Общие гармонические искажения — это общие искажения, обычно указываемые на разных частотах. Это будет указано на уровне мощности, который задается импедансом нагрузки усилителя мощности.

Типы операционных усилителей | Что такое операционный усилитель? | Основы электроники | РОХМ Ко., Лтд.

Операционные усилители с двойным / одинарным питанием / Rail-to-Rail

Операционные усилители

можно разделить на 3 основных типа в зависимости от диапазона входного / выходного напряжения: Dual Supply, Single Supply и Rail-to-Rail.Диапазон входного / выходного напряжения для каждого типа операционного усилителя показан ниже.

Операционные усилители с двойным питанием

Поскольку операционные усилители обычно усиливают слабые сигналы, близкие к 0 В, когда требуется вход 0 В, в случае операционного усилителя с двойным питанием VEE должен быть установлен на -1,5 В или меньше. По этой причине часто используется отрицательный источник питания, а поскольку требуются как положительный, так и отрицательный источники питания, он называется операционным усилителем с двойным питанием.

> Операционные усилители для источников питания с низким уровнем шума (Поиск продукта)

> Операционные усилители с двойным питанием и малым смещением (Поиск продуктов)

Операционные усилители с однополярным питанием (заземление)

При вводе сигналов, близких к 0 В, необходимо отрицательное напряжение, если используется операционный усилитель с двумя источниками питания (общего назначения), но операционный усилитель, обеспечивающий ввод без этого отрицательного напряжения, называется операционным усилителем с одним источником питания.Его также называют операционным усилителем с датчиком заземления, поскольку он может работать вплоть до входного сигнала уровня земли.

> Универсальные операционные усилители с датчиком заземления (Поиск продукта)

> Высокоскоростные операционные усилители с датчиком заземления (Поиск продукции)

> Слаботочные операционные усилители с датчиком заземления (Поиск продукта)

> Малошумящие операционные усилители с датчиком заземления (Поиск продукта)

> Высокопроизводительные операционные усилители с датчиком заземления (Поиск продуктов)

Операционные усилители Rail-to-Rail (полный ход на входе / выходе)

В связи с недавней тенденцией к энергосбережению все большее количество комплектов приводится в действие при низком напряжении.Операционные усилители также должны работать при низких напряжениях, но если VCC упадет почти до 5 В, операционный усилитель с однополярным питанием сможет вводить только на 1,5 В меньше, чем VCC, что может быть неудобно. Напротив, операционный усилитель Rail-to-Rail может нормально работать даже при изменении входного напряжения с VEE на VCC.
Поскольку он может вводить / выводить в полном диапазоне напряжения питания (от VEE до VCC), его часто называют операционным усилителем полной амплитуды ввода / вывода.

> Высокоскоростные операционные усилители полного цикла ввода / вывода (Поиск продукта)

> Операционные усилители полного цикла с малым потреблением тока, вход / выход (Поиск продукта)

> Полноразмерные операционные усилители с малошумящим выходом (Поиск продукта)

> Полноразмерные операционные усилители с малым смещением входа / выхода (Поиск продукции)

Примеры схем применения различных типов операционных усилителей см. В примечаниях по применению по ссылке ниже.

> Примеры схем применения операционных усилителей (указания по применению)

На следующей странице описаны шумовые характеристики, которые являются серьезной проблемой для операционных усилителей.

Типы операционных усилителей и их сравнение

Ⅰ Введение

В этом видео объясняются правила работы, которые подходят для разных типов операционных усилителей.

Каталог

---

1.1 Условное обозначение рабочего усилителя

Впик: неинвертирующий вход

Vn: инвертирующий вход

Vn: Выход

Неинвертирующая фаза			Инверсия фазы
Вп	Вн	Vo	Вп	Вн	Vo
↑	заземление или стабильный уровень	↑	↑	заземление или стабильный уровень	↓
↓	заземление или стабильный уровень	↓	↓	заземление или стабильный уровень	↑

---

1.2 Терминология

1. Значение синфазного входа и инвертирующего входа.

1) Когда обратное напряжение постоянно, форма выходного сигнала такая же, как и при неинвертирующем.

2) Когда неинвертирующее напряжение постоянно, форма выходного сигнала противоположна инвертирующему концу.

2. Увеличение ОУ составляет бесконечное (∞).

3. Напряжение на инвертирующем входе операционного усилителя всегда равно напряжению на неинвертирующем входе.

∵ Vin = Vp — Vn, Vout = A × Vin (A: коэффициент увеличения)

и A = ∞ ， Vin = Vout / A

∴ Vin => 0, Vp = Vn

4. Входное сопротивление операционного усилителя бесконечно, что означает, что его входной ток равен нулю.

Рисунок 1. Схема усиления (Vin = 1 В, Vout = -10 В)

Когда операционный усилитель заземлен в фазе, напряжение на конце инвертирующей фазы будет 0 В, а напряжение на левой стороне резистора 100 кОм будет 1 В и 0 В на правой стороне, имея разность потенциалов, через резистор 100 кОм будет протекать ток.Однако, поскольку входное сопротивление операционного усилителя бесконечно, ток почти не течет. Таким образом, ток будет протекать через резистор 1000 кОм, тогда напряжение на резисторе 1000 кОм составляет 10 В, потому что потенциальный выход ниже, чем GND, поэтому выход составляет -10 В.

Рисунок 2. Схема усиления (Vin = 5V, Vout = -7V)

Когда в фазе операционного усилителя подключен к напряжению 3 В, инвертирующее напряжение также равно 3 В. Резистор 2K составляет 3 В с левой стороны и 5 В с правой стороны.Из-за разности потенциалов через резистор 2 кОм протекает ток. Однако, поскольку входное сопротивление операционного усилителя бесконечно, по нему почти не протекает ток. Затем ток будет протекать через резистор 10 кОм, а напряжение на резисторе 10 кОм равно 10 В, а напряжение на выходе Vout относительно земли составляет В выход ⇒ A ⇒ B ⇒ GND , что дает Vout = (-10 В) + 3 В = — 7В .

Ⅱ Примеры анализа

2.1 Пример 1

Рисунок 3.Схема усилителя

Поскольку напряжение инвертирующей фазы всегда равно синфазному напряжению, Vout также составляет 0,1 В, поскольку входной импеданс операционного усилителя бесконечен, а выходное сопротивление почти равно нулю.

2,2 Пример 2

Рисунок 4. Схема усилителя (Vp = 0,1 В, Vo = 10 В)

Согласно основному принципу, согласно которому напряжение инвертирующей клеммы всегда равно инвертирующей клемме. Когда напряжение инвертирующей фазы равно 0.1 В, а частичное напряжение на резисторе 1 кОм составляет 0,1 В, деление напряжения на резисторе 100 кОм будет 10 В, поэтому выходное напряжение Vo представляет собой сумму парциальных напряжений резисторов 100 кОм и 1 кОм, то есть 10,1 В. .

2.3 Пример 3

Рисунок 5. Схема усилителя (источник питания постоянного тока: вход = 24 В, выход = 0 ~ 15 В)

Источник питания постоянного тока, входное напряжение 24 В. После фильтрации C1 и регулирования R1 и D2 (регуляторы напряжения) его напряжение стабилизируется на 2.5В. В то же время регулируемый варистор 10 кОм подключается параллельно к обоим концам регулятора напряжения, а диапазон регулировки составляет 0 В ~ 2,5 В. Как показано на рисунке, синфазный вывод операционного усилителя подключен к отводу скользящего варистора. Следовательно, диапазон изменения напряжения неинвертирующего терминала также составляет 0 В ~ 2,5 В, а конец инвертирующей фазы операционного усилителя подключен к R2 и R3, а диапазон изменения напряжения R3 составляет 0 В ~ 2,5 В, то диапазон изменения напряжения на R2 составляет 0 В ~ 12.5 В, выходное напряжение представляет собой сумму напряжений на R2 и R3, то есть 0 В ~ 15 В.

Ⅲ Основные типы операционного усилителя

1. Универсальный операционный усилитель

Он предназначен для общего использования. Основными особенностями этого типа устройств являются невысокая цена, широкий ассортимент продукции и т. Д. Для общего пользования. Примеры μA741 (одиночный операционный усилитель), LM358 (двойной операционный усилитель), LM324 (четыре операционных усилителя) и LF356 с полевым транзистором в качестве входного каскада попадают в эту категорию. Это наиболее широко используемый интегрированный операционный усилитель с.

2. Операционный усилитель с высоким сопротивлением

Характеристики этого интегрированного типа заключаются в том, что входной импеданс дифференциального режима очень высок, а входной ток смещения очень мал, обычно от нескольких пикоампер до нескольких десятков пикоампер. Основная мера для достижения этих показателей — использовать высокий входной импеданс полевого транзистора и использовать полевой транзистор для формирования дифференциального входа операционного усилителя. При использовании полевого транзистора в качестве входа входной импеданс высокий, а входной ток смещения низкий, также имеет преимущества высокой скорости, широкой полосы пропускания и низкого уровня шума, но входное напряжение смещения велико.Некоторыми распространенными интегрированными устройствами являются LF355, LF347 и CA3130, CA3140 с более высоким входным сопротивлением.

3. Операционный усилитель с низкотемпературным дрейфом

В приборах автоматического управления, таких как прецизионные приборы и средства обнаружения слабого сигнала, необходимо, чтобы напряжение смещения операционного усилителя было небольшим и не изменялось с температурой, поэтому операционные усилители с низкотемпературным дрейфом предназначены для этой цели. В настоящее время широко используемые операционные усилители с низкотемпературным дрейфом и высокой точностью включают OP07, OP27, AD508 и устройство ICL7650 со стабилизированным прерыванием и малым дрейфом, состоящее из полевого МОП-транзистора.

4. Операционный усилитель быстродействующий

В быстрых аналого-цифровых и цифро-аналоговых преобразователях и видеоусилителях скорость преобразования (также называемая скоростью нарастания SR) интегрированного операционного усилителя должна быть высокой, а ширина полосы BWG с единичным усилением должна быть достаточно большой. Его главные особенности — высокий SR и широкий частотный диапазон. Общие приложения включают LM318, μA715 и т. Д. С SR = 50 ~ 70 В / мкс, BWG> 20 МГц.

5. Операционный усилитель с низким энергопотреблением

Поскольку наибольшее преимущество электронной интеграции делает сложные схемы небольшими и легкими, а также расширяет сферу применения портативных приборов, необходимо использовать операционный усилитель с низким напряжением питания и низким энергопотреблением.Обычно этого типа используются TL-022C, TL-060C и т. Д., Их рабочее напряжение составляет ± 2 В ~ ± 18 В, а потребление тока составляет 50 ~ 250 мкА. В настоящее время некоторые продукты достигли уровня энергопотребления в мкВт. Например, питание ICL7600 составляет 1,5 В, а потребляемая мощность — 10 мВт, кроме того, он может питаться от одной батареи.

6. Операционный усилитель высокого напряжения и тока

Выходное напряжение операционного усилителя в основном ограничивается источником питания. В обычном операционном усилителе максимальное значение выходного напряжения обычно составляет всего несколько десятков вольт, а выходной ток составляет всего несколько десятков миллиампер.Чтобы увеличить выходное напряжение или выходной ток, необходимо добавить вспомогательную цепь снаружи операционного усилителя. Высоковольтные и сильноточные интегральные операционные усилители могут обойтись без дополнительных схем. Например, D41 имеет напряжение питания ± 150 В, а μA791 имеет выходной ток 1 А.

7. Операционный усилитель с программируемым управлением

В процессе использования приборов возникает проблема дальности. Чтобы получить фиксированное выходное напряжение, необходимо изменить коэффициент усиления операционного усилителя.Например, если операционный усилитель имеет увеличение в 10 раз и входной сигнал составляет 1 мВ, выходное напряжение составляет 10 мВ, когда входное напряжение составляет 0,1 мВ, выходное напряжение составляет всего 1 мВ. Чтобы получить 10 мВ, необходимо изменить коэффициент увеличения на 100. ОУ с программируемым управлением создан для решения этой проблемы. Например, PGA103A, управляя уровнем штифтов для изменения увеличения.

Ⅳ Путаница между операционными усилителями и компараторами

1) Основная концепция одинакова для компаратора и операционного усилителя .

Внутренняя разница : Операционный усилитель является дополнительным выходом, который может выводить неискаженный аналоговый сигнал. Как правило, его можно использовать в замкнутом контуре, разомкнутом контуре или с небольшой положительной обратной связью. Его также можно использовать в качестве компаратора, обычно это выход OC (открытый коллектор), что удобно для нескольких параллельных подключений. Выходной сигнал переключателя требует подтягивающего резистора, и большинство из них используются для разомкнутых контуров. В некоторых случаях требуется гистерезис, вводя определенную положительную обратную связь.

Усилитель выход имеет петлю на вход, то есть есть обратная связь, это замкнутая петля, может быть резистор или конденсатор. В зависимости от ввода оценивается, положительная или отрицательная обратная связь. Подключение синфазного конца — это положительная обратная связь, а обратная клемма — отрицательная. Кроме того, при введении положительной обратной связи система может колебаться, и при правильном добавлении будет сгенерирован гистерезис (разница возврата). Поэтому усилители обычно вводят отрицательную обратную связь для получения фиксированного увеличения.

Концепция контура : Сравнение стандарта обнаружения сигнала — контролирует параметр входного сигнала в соответствии со стандартом. Это замкнутая система и система с отрицательной обратной связью (входные параметры стабильны).

2) Усилитель используется для усиления слабых сигналов , причем упор делается на пропорциональное усиление. Напротив, компаратор используется для сравнения разности входных напряжений между положительным и отрицательным входами, если разница соответствует определенным требованиям, состояние выхода изменяется немедленно.Его важные параметры также в основном связаны с характеристиками поворота, или мы можем понять, что компаратор представляет собой переходную форму схемы, характеризующуюся аналоговой схемой и имеющей ввод и вывод цифрового сигнала.

3) Компаратор — это разновидность операционного усилителя без обратной связи (положительная или отрицательная обратная связь). Когда положительный вход больше отрицательного входа, выход бесконечен; когда положительный вход меньше отрицательного входа, выход бесконечно мал, то есть выход операционного усилителя рассчитывается в соответствии с обратной связью.Таким образом, между ними нет принципиальной разницы.

4) Компараторы обычно делаются на ОУ. Когда операционный усилитель включает цепь отрицательной обратной связи , всю схему можно рассматривать как схему усиления с определенным коэффициентом усиления. На рисунке ниже показан классический операционный усилитель: усиление = Rf / Rin

.

Рисунок 6. Контур отрицательной обратной связи (G = Rf / Rin)

Операционный усилитель также может использоваться в качестве компаратора , просто заменяя отрицательную обратную связь положительной.Когда схема добавляет положительную обратную связь, выходное напряжение будет насыщать, но оно не будет и не может превышать напряжение питания. На следующем рисунке показана классическая схема сравнения:

Рисунок 7. Схема компаратора

Резистор на рисунке обеспечивает опорное напряжение для положительного полюса, а выходное напряжение инвертируется, когда отрицательное напряжение превышает положительное, как показано на следующем рисунке.

Рисунок 8.Схема простого усилителя

Короче говоря, независимо от того, является ли схема, подключенная к операционному усилителю, с отрицательной обратной связью или положительной обратной связью, она может использоваться как усилитель или компаратор, в зависимости от различных случаев, соответственно.

Ⅴ Часто задаваемые вопросы о типах операционных усилителей

1. Какие бывают типы операционных усилителей?

Существует четыре способа классификации операционных усилителей:
Усилители напряжения принимают напряжение и создают напряжение на выходе.
Усилители тока получают токовый вход и вырабатывают токовый выход.
Усилители крутизны преобразуют входное напряжение в выходной ток.

2. Что такое идеальный операционный усилитель?

Идеальный операционный усилитель — это усилитель с бесконечным входным сопротивлением, бесконечным усилением без обратной связи, нулевым выходным сопротивлением, бесконечной полосой пропускания и нулевым шумом. Он имеет положительные и отрицательные входы, которые позволяют схемам, использующим обратную связь, выполнять широкий спектр функций.

3. Какой усилитель лучше?

Какой класс лучше, зависит от ваших потребностей:
Дизайн класса A наименее эффективен, но обеспечивает высочайшее качество звука.
Класс B немного более эффективен, но полон искажений.
Класс AB обеспечивает энергоэффективность и хороший звук. Конструкция
класса D имеет наивысший КПД, но не столь высокую точность воспроизведения.

4. Что такое усилитель и его классификация?

Классификация усилителя основана на выводе устройства, который является общим как для входной, так и для выходной цепи…. Входной сигнал между коллектором и эмиттером инвертирован относительно входа. Схема с общим коллектором называется эмиттерным повторителем, истоковым повторителем и катодным повторителем.

5. Для чего в реальной жизни используются операционные усилители?

Эти схемы операционного усилителя могут использоваться в приложениях, где необходимо удалить одну частоту или небольшую полосу частот. Одним из приложений может быть удаление линейного / сетевого гула из аудиосигнала.Эти фильтры могут быть реализованы с использованием одного операционного усилителя.

Вам также может понравиться

Определение усилителя мощности и его классификация

Принцип работы усилителя

и схема

Учебное пособие по усилителю

: базовая схема усилителя и схема усилителя

Учебное пособие по основам усилителя мощности и классификациям

Заказ и качество

Фото	ПроизводительЧасть #	Компания	Описание	Пакет	PDF	Кол-во	Стоимость (Долл. США)
	АД8220БРМЗ-Р7	Компания: Analog Devices Inc.		Упаковка: 8-TSSOP, 8-MSOP (0,118 дюйма, ширина 3,00 мм)	Лист данных	На складе: Под заказ Запрос	Цена:	Запрос
	AD8627ARZ-REEL7	Компания: Analog Devices Inc.		Корпус: 8-SOIC (0,154 дюйма, ширина 3,90 мм)	Лист данных	На складе: Под заказ Запрос	Цена: 1+: $ 4.50000 10+: $ 4.0 4600 25+: $ 3.82480 100+: $ 3.14500 250+: $ 2.82200 500+: $ 2.72000 1000+: $ 2.26100	Запрос
	AD8221AR-REEL7	Компания: Analog Devices Inc.		Корпус: 8-SOIC (0,154 дюйма, ширина 3,90 мм)	Лист данных	На складе: Под заказ Запрос	Цена:	Запрос
	OPA364AIDBVT	Компания: Texas Instruments		Пакет: SC-74A, SOT-753	Лист данных	На складе: Под заказ Запрос	Цена: 1+: $ 2.02000 10+: $ 1.8 1300 25+: $ 1.71000 100+: $ 1,36800 250+: $ 1.19700 500+: $ 1.16280 1000+: 0 руб.92340 2000+: $ 0,88920 6250+: 0 руб.85500 10000+: $ 0,84132	Запрос
	MCP6V61UT-E-OT	Компания: Microchip Technology		Пакет: SC-74A, SOT-753	Лист данных	На складе: Под заказ Запрос	Цена:	Запрос
	TLV316IDCKR	Компания: Texas Instruments		Пакет: 5-ЦСОП, СК-70-5, СОТ-353	Лист данных	На складе: 3000 Запрос	Цена: 3000+: 0 руб.28890 6000+: $ 0,27820 15000+: 0 руб.26750 30000+: $ 0,26 322 75000+: 0 руб.25680	Запрос
	OPA1602AIDGK	Компания: Texas Instruments		Пакет: 8-TSSOP, 8-MSOP (0.118 дюймов, ширина 3,00 мм)	Лист данных	На складе: Под заказ Запрос	Цена:	Запрос
	TLE2062MLB	Компания: Texas Instruments		Упаковка: Металлическая банка TO-99-8	N / A	На складе: Под заказ Запрос	Цена:	Запрос

Операционный усилитель

: работа и его типы

Операционный усилитель (операционный усилитель) — это устройство, обладающее линейными характеристиками.Он хорош для преобразования сигналов, а также используется для усиления сигналов напряжения. Это базовый дифференциальный усилитель, состоящий из трех клемм. Среди этих трех клемм два используются для входа, а один — для выхода. Первый вывод на входе известен как инвертирующий, он обозначен знаком минус. Второй вывод на входе представляет неинвертирующий и представлен знаком плюса.

Сокращенно обозначают операционные усилители.Он способен выполнять основные математические операции, такие как сложение, вычитание, умножение и деление. Одиночный выходной терминал может принимать и принимать как сигналы тока, так и сигналы напряжения. Этот тип усилителя также может использоваться как хороший вариант для фильтрации сигналов.

Что такое операционный усилитель (операционный усилитель)?

Базовое устройство, состоящее из трех клемм, две клеммы из которых представляют вход, а одна — выход, определяется как базовый операционный усилитель.Сигнал, генерируемый на выходе, является результатом умножения двух факторов: один — это входной сигнал, который применяется, а другой — коэффициент усиления усилителя. Эти усилители соединены с такими компонентами, как резисторы и конденсаторы, так что эффективность усиления может быть повышена. Эти операционные усилители также имеют разные функции и работают с различными характеристиками.

Обозначение операционного усилителя

B Схема блокировки и работа операционного усилителя

Базовый операционный усилитель можно разделить на четыре основных блока.Это

1. Входной каскад
2. Каскад усиления
3. Сдвиг фазового уровня
4. Выходной каскад

Начальный входной каскад состоит из базового дифференциального усилителя, который может работать в дифференциальном режиме. Так же на входной стороне присутствуют инвертирующие и неинвертирующие клеммы. Когда сигнал переменного тока подается на неинвертирующий вывод, сигнал, генерируемый на выходе этого каскада, будет иметь такую ​​же полярность. Но сигнал, подаваемый на инвертирующий вывод, дает выходной сигнал с фазовым сдвигом около 180 градусов.

Блок-схема операционного усилителя

Таким образом, операционный усилитель имеет двойной вход и усилитель с одним выходом. Затем результат первого этапа передается на промежуточный этап. На этом каскаде усилителя вводится необходимый коэффициент усиления напряжения.

Как и на этом этапе присутствует прямая связь. Это означает, что выход промежуточного каскада имеет значение напряжения, которое должно быть выше потенциала земли. Следовательно, это открывает путь к понижению постоянного напряжения до нуля.По этой причине введена третья ступень с переключателем уровня.

На этом этапе присутствует цепь транзистора эмиттерного повторителя вместе с источником тока, который поддерживается на постоянном уровне. Кроме того, выходной сигнал каскада сдвига уровня подается на конечный каскад, в котором имеется усилитель двухтактного типа, который увеличивает размах напряжения, генерируемого на выходе.

Таким образом, четыре каскада описывают базовую структуру операционного усилителя.

Характеристики операционного усилителя (ОУ)

Некоторые характеристики операционного усилителя следующие:

1. Значение входного импеданса высокое.
2. Значение полного сопротивления на выходе низкое.
3. Частотный диапазон усиливающих сигналов от нуля Гц до 1 мегагерц.
4. Значения напряжений смещения и токов низкие.
5. Повышение напряжения высокое.

Идеальный операционный усилитель

Идеальный операционный усилитель практически невозможен.Характеристики идеального операционного усилителя:

1. В идеальном операционном усилителе отсутствует базовое напряжение смещения.
2. Коэффициент усиления разомкнутого контура в этом идеальном случае бесконечен.
3. Полное сопротивление на входе бесконечно. Поэтому в идеальном состоянии он действует как вольтметр.
4. Полное сопротивление на выходе равно нулю. Этот тип идеального операционного усилителя обладает характеристиками источника напряжения на идеальной стадии.
5. В идеальном операционном усилителе нулевой уровень шума.
6. Значение полосы пропускания бесконечно.

Вот чем характеристики идеального операционного усилителя отличаются от практического операционного усилителя.

Типы операционных усилителей

Операционные усилители классифицируются на основе коэффициентов усиления. Это

1). Усилители с низким коэффициентом усиления

Усилители с низким коэффициентом усиления известны как усилители с низким коэффициентом усиления. Они используются в качестве буферов и для согласования импеданса.

2).Усилители со средним усилением

Если интенсивность усиления усилителей имеет среднее значение, то эти усилители определяются как усилители со средним усилением. Он имеет огромное применение в области медицины. Они используются для записи форм волны ЭКГ и для определения значений мышечных потенциалов.

3). Усилители с высоким коэффициентом усиления

Поскольку усиление усилителей велико, они используются для записи конфиденциальных данных, например, при записи информации сигналов от мозга, которые используются этими усилителями.

Использование операционных усилителей

Существуют различные применения операционных усилителей.

1. Может использоваться для усиления сигналов напряжения.
2. Может использоваться как инвертирующий усилитель, подключив клемму неинвертирующего входа на землю.
3. Его также можно использовать как неинвертирующий усилитель, внеся необходимые изменения в схему.
4. Изменения входного напряжения могут повлиять на выходное напряжение. Это заставляет операционный усилитель использовать его в качестве повторителя напряжения.
5. Наиболее важным и часто используемым операционным усилителем является компаратор. Он имеет возможность сравнивать сигналы.
6. Эти компараторы используются для выполнения различных цифровых логических операций. Потому что в этом случае напряжение на выходе ограничено.

Перейдите по этой ссылке, чтобы узнать больше об MCQ операционных усилителей

Выше приведены некоторые варианты использования операционных усилителей. Сигнал, подаваемый на вход, проходит различные стадии между ними, прежде чем достигнет выхода.Каждый этап имеет свой уровень детализации. Наконец, полученный выходной сигнал представляет собой четко определенный усиленный сигнал. Теперь вы можете описать, подходят ли эти операционные усилители для усиления сигналов мощности?

Какие типы операционных усилителей доступны? | Toshiba Electronic Devices & Storage Corporation

1. Классификация на основе используемого производственного процесса
Операционные усилители можно разделить на два типа в зависимости от используемого производственного процесса: КМОП и биполярные. Поскольку КМОП-операционные усилители представляют собой устройства, управляемые напряжением, они работают с низким входным постоянным током смещения (I _I ) и, следовательно, их потребляемая мощность низка.Однако из-за низкого выдерживаемого напряжения типичных процессов CMOS, операционные усилители CMOS обычно используются для приложений с напряжением 5 В или более низким. Напротив, биполярные процессы выдерживают более высокое напряжение, чем процессы КМОП. Биполярные операционные усилители Toshiba с одинарным и двойным питанием могут использоваться с напряжением питания 12 В и ± 18 В соответственно.
Кроме того, биполярные операционные усилители выгодно отличаются от КМОП-операционных усилителей с точки зрения шума 1 / f. Основная причина этого шума — кристаллический беспорядок кремния, который в изобилии присутствует на поверхности пластины.Следовательно, биполярные транзисторы с переходным интерфейсом глубоко внутри устройства производят меньше шума 1 / f, чем МОП-транзисторы с переходным интерфейсом близко к поверхности устройства. Однако в последние годы появились КМОП-операционные усилители с низким уровнем шума из-за постоянного совершенствования процессов КМОП. Поэтому в настоящее время операционные усилители CMOS используются в большинстве приложений.

2. Классификация по типу источника питания
Есть два типа операционных усилителей: с одним источником питания и с двумя источниками питания.В случае операционного усилителя с однополярным питанием V _CC является положительным по отношению к GND. В случае операционного усилителя с двойным питанием V _CC является положительным, а V _EE отрицательным по отношению к GND. Даже операционные усилители с однополярным питанием могут использоваться с двумя источниками питания, если разница между минимальным и максимальным напряжениями питания не превышает диапазон дифференциального входного напряжения, указанный в таблице абсолютных максимальных номинальных значений. (В этом случае следует проявлять осторожность в отношении шума источника питания, поскольку каждый источник питания в операционном усилителе не привязан к GND.)
Однако диапазон напряжения питания типичных операционных усилителей обычно смещен в сторону GND (отрицательной) стороны, уменьшая диапазон допустимого положительного напряжения питания. В качестве примера ниже показаны некоторые электрические характеристики TC75S51FU. Его синфазное входное напряжение (CMV _IN ) задано от 0 до 2,5 В. CMV _IN — это диапазон входного напряжения, который допустим, когда TC75S51FU работает с одним источником питания. Например, предположим, что этот операционный усилитель питается от двух источников питания ± 1.5 В. Затем синфазное входное напряжение может быть переустановлено как от -1,5 В до +1,0 В. В этом случае, когда входное напряжение составляет от _CC до 0,5 В, TC75S51FU может не обеспечивать нормальный выход, например, из-за пониженного усиления.

Что такое операционный усилитель?

Операционный усилитель или операционный усилитель — это просто линейная интегральная схема (ИС), имеющая несколько выводов. Операционный усилитель можно рассматривать как устройство усиления напряжения, которое предназначено для использования с внешними компонентами обратной связи, такими как резисторы и конденсаторы, между его выходными и входными клеммами.Это электронный усилитель напряжения с высоким коэффициентом усиления с дифференциальным входом и обычно несимметричным выходом. Операционные усилители являются одними из наиболее широко используемых электронных устройств сегодня, поскольку они используются в большом количестве потребительских, промышленных и научных устройств.

Краткая история

• В 1947 году Джон Р. Рагаццини из Колумбийского университета разработал первый операционный усилитель на основе вакуумных трубок.
• С появлением кремниевых транзисторов концепция ИС стала реальностью.В начале 1960-х годов Роберт Дж. Уайлдар из Fairchild Semiconductor изготовил операционный усилитель μA702.
• В 1968 году был выпущен μA741, что привело к его широкому производству.

Современные операционные усилители доступны в:

1. Металлическая банка в упаковке (ТО) с 8 выводами
2. Пакет с двойным входом (DIP) с 8/14 контактами
3. Плоская упаковка из плоской упаковки с 10/14 контактами

Строительство

Внутренняя схема типичного операционного усилителя выглядит так:

Операционный усилитель (схема операционного усилителя)

Клемма со знаком (-) называется инвертирующей входной клеммой, а клемма со знаком (+) называется неинвертирующей входной клеммой.

Клеммы источника питания V + и V- подключены к положительной и отрицательной клеммам источника постоянного напряжения соответственно. Общий вывод V + и V- подключен к опорной точке или земле, иначе удвоенное напряжение питания может повредить операционный усилитель.

Типы операционных усилителей

Операционный усилитель имеет бесчисленное множество применений и является основным строительным блоком линейных и нелинейных аналоговых систем. Некоторые из типов операционных усилителей включают:

• Дифференциальный усилитель, представляющий собой схему, усиливающую разницу между двумя сигналами.
• Инструментальный усилитель, который обычно состоит из трех операционных усилителей и помогает усилить выходной сигнал преобразователя (состоящий из измеренных физических величин).
• Изолирующий усилитель, который похож на инструментальный усилитель, но имеет допуск к синфазным напряжениям (которые разрушают обычный операционный усилитель).
• Усилитель с отрицательной обратной связью, который обычно состоит из одного или нескольких операционных усилителей и резистивной цепи обратной связи.
• Усилители мощности для усиления слабых сигналов, принимаемых от источника входного сигнала, такого как микрофон или антенна.

Операционный усилитель

В идеале операционный усилитель усиливает только разницу в напряжении между ними, также называемую дифференциальным входным напряжением. Выходное напряжение операционного усилителя V _{на выходе} определяется уравнением:

В _выход = A _OL (V ₊ — V _— )

, где A _OL — коэффициент усиления усилителя без обратной связи.

В линейном операционном усилителе выходной сигнал представляет собой коэффициент усиления, известный как коэффициент усиления усилителя (A), умноженный на значение входного сигнала.

Параметры операционного усилителя Коэффициент усиления без обратной связи — это коэффициент усиления без положительной или отрицательной обратной связи. В идеале коэффициент усиления должен быть бесконечным, но типичные реальные значения находятся в диапазоне примерно от 20 000 до 200 000 Ом. Входное сопротивление — это отношение входного напряжения к входному току. Предполагается, что она бесконечна, чтобы предотвратить протекание тока от источника к усилителям. Предполагается, что выходной импеданс идеального операционного усилителя равен нулю.Этот импеданс включен последовательно с нагрузкой, тем самым увеличивая выходную мощность, доступную для нагрузки. Полоса пропускания идеального операционного усилителя бесконечна и может усилить сигнал любой частоты от постоянного до самых высоких частот переменного тока. Однако типичная полоса пропускания ограничена произведением коэффициента усиления на полосу пропускания, которое равно частоте, на которой коэффициент усиления усилителя становится равным единице. Идеальный выход усилителя равен нулю, когда разность напряжений между инвертирующим и неинвертирующим входами равна нулю.Реальные усилители действительно демонстрируют небольшое выходное напряжение смещения.

Некоторые другие важные электрические параметры, которые следует учитывать:

• Входное напряжение смещения: Это напряжение, которое должно быть приложено между входными клеммами операционного усилителя для обнуления выходного сигнала.
• Входной ток смещения: Это алгебраическая разница между токами на входе (-) и входа (+).
• Входной ток смещения: Это среднее значение токов, поступающих на (-) входные и (+) входные клеммы операционного усилителя.
• Входное сопротивление: Это дифференциальное входное сопротивление, видимое на любой из входных клемм, когда другая клемма подключена к земле.
• Входная емкость: Это эквивалентная емкость, которую можно измерить на одном из входных выводов, когда другой вывод подключен к земле.
• Скорость нарастания: Определяется как максимальная скорость изменения выходного напряжения, вызванная ступенчатым входным напряжением. Скорость нарастания увеличивается с увеличением коэффициента усиления с обратной связью и напряжения питания постоянного тока.Это также функция температуры и обычно уменьшается с повышением температуры.

Примечание: — Хотя идеальный операционный усилитель не потребляет ток от источника и его характеристика не зависит от температуры, настоящий операционный усилитель не работает таким образом.

Операционный усилитель реагирует только на разницу между двумя напряжениями независимо от индивидуальных значений на входах. Внешние резисторы или конденсаторы часто подключаются к операционному усилителю различными способами для формирования основных схем, включая усилители инвертирующего, неинвертирующего, повторителя напряжения, суммирующего, дифференциального, интеграционного и дифференциального типа.Операционный усилитель легко доступен в корпусе IC, наиболее распространенным из которых является μA-741.

Широко распространенный операционный усилитель IC

Приложения для операционных усилителей

Операционный усилитель имеет бесчисленное множество применений и является основным строительным блоком линейных и нелинейных аналоговых систем.

В линейных схемах выходной сигнал изменяется линейно вместе с входным сигналом. Вот некоторые из линейных приложений:

1. Сумматор
2. Вычитатель
3. Преобразователь напряжения в ток (усилитель крутизны)
4. Преобразователь тока в напряжение (усилитель сопротивления)
5. Инструментальный усилитель
6. Усилитель мощности

Еще один класс схем с сильно нелинейными характеристиками входа-выхода:

1. Выпрямитель
2. Детектор пиков
3. Машинка для стрижки
4. Фиксатор
5. Цепь выборки и хранения
6. Усилитель логарифмический и антилогарифмический
7. Умножитель и делитель
8. Компаратор

Благодаря операционным усилителям и связанным с ними схемам они стали неотъемлемой частью звуковых усилителей, генераторов сигналов, регуляторов напряжения, активных фильтров, таймеров 555, аналого-цифровых и цифро-аналоговых преобразователей.