Что такое операционный усилитель?

Измерения параметров ОУ

При разработке микросхем, в симуляторе довольно легко проверить все параметры, которые вас интересуют. В современных САПР есть много различных типов анализа схем, которые позволяют сделать это быстро. При работе с реальной схемой сталкиваешься сразу же с кучей проблем. Последний год, работал над проектом – изолированный усилитель ошибки. Проект запущен в изготовление на фабрике, а пока необходимо разобраться – как же все это дело проверить в жизни. Для работы данной схемы в составе изолированного DC-DC преобразователя очень важны параметры входного ОУ:

Блок-схема изолированного усилителя

В РФ существует отдельный ГОСТ 23089, в котором описаны схемы измерений, но нигде не выведено как именно они работают и с какие проблемы могут встретиться в данном процессе. Рассмотрим подробно все схемы измерений, надеюсь кому-то это будет полезно при работе с аналоговым железом).

Элементы для проектирования аналоговых схем

Аналоговые схемы, как и цифровые, тоже состоят из полупроводников, но в них используются совершенно другие компоненты. Помимо преобразования сигналов, одним из применений аналоговых схем является обработка электричества и распределения через материнская плата или печатная плата карты расширения.

Значительная часть элементов, которые мы собираемся определить дальше, будет казаться вам знакомой по базовой электронике, которую некоторые из вас использовали в средних школах. Таким образом, мы говорим не о каких-либо научно-фантастических технологиях, а об общих компонентах, которые можно найти повсюду.

Резисторы

Резисторы являются одним из основных компонентов для построения аналоговых схем, поскольку среди их основных функций является то, что они могут адекватно распределять ток и напряжение между различными частями электронной схемы.

Резисторы используются для уменьшения силы тока за счет уменьшения его напряжения. Вот почему, если вы посмотрите на электронную схему с процессором посередине, вы увидите, как это цепь последовательного резистора. Которые используются для последовательного деления напряжения.

Любопытно, что в старых аналоговых видеосистемах использовалась система резисторов, поскольку вывод того или иного цвета через видеосигнал зависел от напряжения, с которым сигнал передавался.

Конденсаторы

Конденсаторы, также называемые конденсаторами по их английскому названию, являются очень распространенными элементами в схемотехнике. Его функция – временно сохранять электрический заряд, а затем высвобождать его. Это достигается за счет использования двух токопроводящих пластин, разделенных изоляционным материалом.

Чтобы понять функциональность конденсатора, вы должны представить поток электрического тока в виде реки с большой силой, которая внезапно встречает плотину, которая замедляет эту силу и выводит воду более плавным образом. Разница в том, что конденсатор делает это с достигающим его электрическим током.

трансформеры

Да, в блоке питания вашего ПК есть аналоговая схема. Какая у вас функция? Ну, что о повышении и понижении напряжения в электрической цепи переменного тока. В этом процессе теряется электрическая мощность, поэтому входная мощность не совпадает с выходной. Когда мы говорим об эффективности трансформатора, мы говорим о проценте мощности, которая теряется в процессе.

Диоды

Диоды – это электронные компоненты с двумя выводами, которые допускают электрическую циркуляцию только в одном из двух направлений. Мы называем один из выводов анодом, и это заставляет ток всегда течь в направлении другого конца, который является катодом.

В мире вычислений и до появления ПЗУ данные, предназначенные только для чтения, хранились путем создания взаимосвязанных диодных схем. Сегодня диоды больше не используются в этом смысле, но распространенным типом диодов является светодиодный диод, который используется для освещения определенных областей для передачи информации о различных состояниях.

Биполярные транзисторы

Транзисторы являются основой цифровой электроники, поскольку память и процессоры, которые мы используем ежедневно, состоят из сотен и даже миллиардов транзисторов очень небольшого размера, но транзисторы зародились в аналоговых схемах, являющихся одним из самых известных приложений. «транзисторное» радио, которое заменило использование электронных ламп и отправило в небытие старые мебельные радиоприемники.

Чаще всего в аналоговых схемах используются так называемые биполярные транзисторы, которые мы можем найти не только в аппаратном обеспечении ПК, но и в бытовой электронике. Его название – это размер английского термина «передаточный резистор», который переводится как передаточное сопротивление. Его функциональность? Они выполняют функции усилителя, переключателя, генератора или выпрямителя электрического сигнала, поэтому они очень универсальны и позволяют создавать более сложные электронные схемы, чем те, которые мы видели.

Ваша прибыль? Разнообразные, они используются для усиления сигнала, что очень важно на радио, телевидении и даже при использовании музыкальных инструментов. Они также используются для генерации новых сигналов, например радиочастотных сигналов, таких как Wi-Fi

Его коммутационная способность не только позволяет вам управлять источниками питания и действовать как переключатели, но с их помощью вы можете построить схему широтно-импульсной модуляции или ШИМ-схему для управления вентилятором видеокарты.

Компаратор операционного усилителя

Компаратор операционного усилителя, или компаратор напряжения, или компаратор – это электронное устройство, которое сравнивает два входных напряжения и обеспечивает ориентировочный выходной сигнал. Выход показывает, какое из двух входных напряжений имеет более необычные значения.

Операционный усилитель спроектирован с разомкнутой схемой для использования операционного усилителя в качестве компаратора.

• Если напряжение на неинвертирующем выводе выше, чем напряжение на инвертирующем выводе, выход переключается на положительное напряжение насыщения операционного усилителя.
• Если напряжение инвертирующей клеммы больше, чем напряжение на неинвертирующей клемме, реле переключается на отрицательное напряжение насыщения операционного усилителя.

Изменение коэффициента усиления – инвертирующий усилитель

Как следует из названия, операционные усилители являются усилителями. Они могут усиливать сигналы с определенным отношением входного сигнала к выходному. Это отношение обычно называется коэффициентом усиления операционного усилителя. В идеальном мире коэффициент усиления операционного усилителя был бы бесконечно высоким – настолько высоким, что он мог бы усилить любой уровень сигнала до любого другого уровня сигнала. В реальном мире это не так, но мы будем считать это фактом, пока анализируем следующую схему: инвертирующий усилитель.

Рисунок 2 – Инвертирующий усилитель

Давайте шаг за шагом проведем эту работу. Во-первых, давайте применим наши два правила для операционных усилителей, чтобы определить некоторые узловые напряжения в этой схеме. Простейшим из них является виртуальное короткое замыкание, где V+ и V- всегда находятся на одинаковом напряжении. Мы видим, что V+ привязан к земле; следовательно, V- также должен быть на земле. Как насчет тока, поступающего в узел и выходящего из узла V-? По закону токов Кирхгофа мы знаем, что сумма всех токов в этом узле должна быть следующей:

\

Поначалу это выглядит так, что для решения могут потребоваться некоторые усилия, так как это уравнение содержит три неизвестных. Но так ли это? Если вы вспомните правила для операционных усилителей, изложенные ранее, вы увидите, что это уравнение простое: входы операционного усилителя не потребляют ток! Поэтому мы знаем, что i_V- равен нулю. Затем мы можем привести это уравнение к следующему виду:

\

Поскольку V- привязан к земле виртуальным коротким замыканием, закон Ома позволяет нам заменить эти токи на напряжения и сопротивления:

\

Что при небольшой помощи алгебры возвращает нас туда, где мы начали:

\

Понятно, почему эта схема полезна – она позволяет применять линейный коэффициент усиления к входу и выходу, выбирая (Roc/Rвх), чтобы сформировать любое соотношение, которое вы захотите. У схемы также есть дополнительный бонус, позволяющий вам в значительной мере контролировать ее входной импеданс – так как вы можете выбрать значение резистора Rвх, вы можете сделать его таким большим или маленьким, чтобы соответствовать любому выходному импедансу, с которым вам нужно достичь согласованности!

Зачем нужна резисторная цепь для достижения такого поведения? Чтобы понять это, нам нужно понять немного больше о том, как работает операционный усилитель. Операционный усилитель – это тип усилителя по напряжению. В идеальном случае операционный усилитель обеспечивает бесконечный коэффициент усиления – он может усиливать любое напряжение до любого другого уровня напряжения. Мы можем масштабировать бесконечный коэффициент усиления операционного усилителя, используя резисторную цепь, которая соединяет входной узел, V-, и выходной узел. Подключив выход операционного усилителя к входу, мы используем процесс под названием обратная связь для регулировки выходного напряжения до желаемого уровня. Обратная связь – действительно важная концепция электронной техники и достаточно сложная, чтобы потребовать целую статью, посвященную этой теме. На данный момент достаточно понять базовый принцип, который применим к операционным усилителям: путем подключения выхода к входу вы можете изменить поведение схемы действительно полезными способами.

Синфазный сигнал

ОУ конструируют так, чтобы они как можно больше изменяли Uвых при изменении Uдиф и как можно меньше изменяли Uвых при одинаковом (синфазном) изменении Uвх1 и Uвх2.

На рисунках: а) действует только синфазный сигнал Uсф = Uвх1 = Uвх2, при этом Uдиф = 0; б) график зависимости Uвых от Uсф.

Если модуль |Uсф| сравнительно мал, то синфазный сигнал слабо влияет на напряжение Uвых. Иначе его влияние, как следует из графика, может быть очень существенным. Если синфазный сигнал оказывается чрезмерно большим по модулю, то операционный усилитель может выйти из строя. Влияние синфазного сигнала при его малых по модулю значениях характеризуют коэффициентом усиления синфазного сигнала Kсф и коэффициентом ослабления синфазного сигнала Kос.сф

Коэффициент К всегда положителен. Коэффициенты Kсф и Kос.сф могут быть как положительными, так и отрицательными. Но в справочных данных обычно указывают модули этих коэффициентов. Модуль коэффициента Kсф обычно близок к единице, поэтому модуль коэффициента Kос.сф обычно такого же порядка, что и коэффициент K, т.е. 104…105.

Принцип работы операционного усилителя

Давайте рассмотрим, как работает ОУ

Принцип работы ОУ очень прост. Он сравнивает два напряжения и на выходе уже выдает отрицательный, либо положительный потенциал питания. Все зависит от того, на каком входе потенциал больше. Если потенциал на НЕинвертирующем входе U1 больше, чем на инвертирующем U2, то на выходе будет +Uпит, если же на инвертирующем входе U2 потенциал будет больше, чем на НЕинвертирующем U1, то на выходе будет -Uпит. Вот и весь принцип ;-).

Давайте рассмотрим этот принцип в симуляторе Proteus. Для этого выберем самый простой и распространенный операционный усилитель LM358 (аналоги 1040УД1, 1053УД2, 1401УД5) и соберем примитивную схему, показывающую принцип работы

Подадим на НЕинвертирующий вход 2 Вольта, а на инвертирующий вход 1 Вольт. Так как на НЕинвертирующем входе потенциал больше, то следовательно, на выходе мы должны получить +Uпит. Мы получили 13,5 Вольт, что близко к этому значению

Но почему не 15 Вольт? Виновата во всем сама внутренняя схемотехника ОУ. Максимальное значение ОУ не всегда может равняться положительному либо отрицательному напряжению питания. Оно может отклоняться от 0,5 и до 1,5 Вольт в зависимости от типа ОУ.

Но, как говорится, в семье не без уродов, и поэтому на рынке уже давно появились ОУ, которые могут выдавать на выходе допустимое напряжение питания, то есть в  нашем случае это значения, близкие к +15 и -15 Вольтам. Такая фишка называется Rail-to-Rail, что в дословном переводе с англ. “от рельса до рельса”, а на языке электроники “от одной шины питания и до другой”.

Давайте теперь на инвертирующий вход подадим потенциал больше, чем на НЕинвертирущий. На инвертирующий подаем 2 Вольта, а на НЕинвертирующий подаем 1 Вольт:

Как вы видите, в данный момент выход “лег” на -Uпит, так как на инвертирующем входе потенциал был больше, чем на НЕинвертирующем.

Чтобы не качать лишний раз программный комплекс Proteus, можно в онлайне с помощью программы Falstad сэмулировать работу идеального ОУ. Для этого выбираем вкладку Circuits—Op-Amps—>OpAmp. В результате на вашем экране появится вот такая схемка:

На правой панели управления увидите бегунки для добавления напряжения на входы ОУ и уже можете визуально увидеть, что получится на выходе ОУ при изменении напряжения на входах.

Насыщение выхода инвертирующего усилителя

Давайте представим себе такую ситуацию. У нас входное переменное напряжение амплитудой 1 В. Коэффициент усиления 50. По нашим расчетам на выходе мы должны получить сигнал амплитудой 50 В. Но как мы получим 50 В, если питание нашего усилителя, допустим, +-15 В? Усиленный сигнал, амплитудой больше чем 15 В, мы получить не сможем. Хотя типичное падение напряжения во внутренних цепях реальных ОУ составляет около 0,5-1,5 В. То есть максимальный размах сигнала, который мы можем получить в данном случае на выходе будет 27-29 Вольт.

Хотя в настоящее время есть ОУ, которые все-так позволяют получать на выходе +-Uпит. Такое свойство некоторых ОУ называется Rail-to-Rail. В дословном переводе «от рельса до рельса» или «от шины до шины». Есть такие параметры, как Rail-to-Rail по входу (Rail-to-Rail input). Здесь на вход мы можем подавать сигналы вплоть до Uпит ОУ. Иногда в даташите оговаривается, с отрицательной или положительной шины питания можно подходить к этому параметру. Есть также есть Rail-to-Rail output. Здесь на выходе мы можем получить напряжение +-Uпит.  Если усиленный сигнал на выходе не вписывается в такой диапазон, то он будет срезаться. Такое свойство ОУ называется насыщением выхода. То есть надо всегда помнить, что  если амплитуда сигнала будет превышать +-Uпит усилителя, то такой сигнал на выходе будет срезан по этому уровню.

Продемонстрируем это в симуляторе Proteus. Итак, давайте на вход подадим синусоидальный сигнал амплитудой в 1 В, а коэффициент усиления сделаем 20, подобрав нужные резисторы. То есть по нашим расчетам мы должны получить синус с амплитудой в 20 Вольт. Смотрим осциллограмму

Подавали на вход синусоиду, а получили на выходе синусоиду с обрезанными верхушками и амплитудой в 14 В. Одна клеточка в данном случае — это 2 В. Как вы видите,сигнал, амплитудой более чем +-Uпит мы получить не сможем. Всегда помните об этом, особенно при конструировании радиоэлектронных устройств.

Где применяются

Существует 2 вида схем ОУ, которые различаются способом подключения. Главный недостаток ОУ — непостоянство Kу, зависящего от режима функционирования. Основные сферы применения — усилители: инвертирующий (ИУ) и неинвертирующий (НИУ). В схеме НИУ Kу по U задается резисторами (сигнал нужно подавать на вход). ОУ содержит ООС последовательного типа. Эта связь выполнена на одном из резисторов. Она подается только на V-.

В ИУ происходит сдвиг сигналов по фазе. Для изменения знака выходного отрицательного напряжения необходима параллельная ОС по U. Вход, который является неинвертирующим, нужно заземлить. Входной сигнал через резистор подается на инвертирующий вход. Если неинвертирующий вход уходит на землю, то разность U между входами ОУ равна 0.

Можно выделить устройства, в которых применяются ОУ:

1. Предусилители.
2. Усилители звуковых и видеочастотных сигналов.
3. Компараторы U.
4. Дифусилители.
5. Диференциаторы.
6. Интеграторы.
7. Фильтрующие элементы.
8. Выпрямители (повышенная точность выходных параметров).
9. Стабилизаторы U и I.
10. Вычислители аналогового типа.
11. АЦП (аналого-цифровые преобразователи).
12. ЦАП (цифро-аналоговые преобразователи).
13. Устройства для генерации различных сигналов.
14. Компьютерная техника.

Операционные усилители и их применение получили широкое распространение в различной аппаратуре.

Что такое биполярный транзистор и какие схемы включения существуют

Что такое триггер, для чего он нужен, их классификация и принцип работы

Что такое аттенюатор, принцип его работы и где применяется

Что такое компаратор напряжения и для чего он нужен

Как работает микросхема TL431, схемы включения, описание характеристик и проверка на работоспособность

Что такое делитель напряжения и как его рассчитать?

Операционные усилители — начало истории

08.11.2013 | Рубрика: Операционный усилитель

Без обратной связи

Первые усилители, тогда еще не операционные, строились либо без обратной связи (ОС), либо разработчики не придавали ей значение. Это приводило к серьезному дрейфу характеристик усилителей от внешних факторов, в основном от температуры. Этот дрейф обуславливался, в первую очередь, дрейфом активных компонентов, пассивные же компоненты играли незначительную роль в дестабилизации характеристик устройств с усилителями. В 1930 году Гарри Блэк (Harry Black) придумал такое решение, при котром характеристики усилителя зависели преимущественно от пассивных компонентов. Вскоре началась эра операционных усилителей, и подробно о ней — под катом…

Решение

Решение состояло в том, что, во-первых, надо было построить усилитель с коэффициентом усиления намного больше требуемого значения. Затем часть выходного сигнала следовало вернуть на вход в противофазе с входным сигналом через цепь отрицательной обратной связи (ОС), выполненной на пассивных компонентах. При достаточно глубокой ОС коэффициент усиления такой схемы зависит скорее от параметров цепи ОС, а не от усиления усилителя.

Этот приём, называемый отрицательной обратной связью, является основополагающим принципом работы всех современных операционных усилителей. Гарри во время своей поездки на пароме придумал намеренно вводить обратную связь в усилительные схемы. И хотя не все были согласны с идеями об обратной связи, время подтвердило правоту Гарри, хотя и существовала одна небольшая проблемка, которую Гарри не стал обсуждать в деталях. А именно проблема самовозбуждения.

Оказалось, что схемы, имеющие большой коэффициент усиления при разомкнутой цепи ОС, иногда возбуждаются при замыкании цепи ОС. Множество людей исследовали эту нестабильность, и довольно хорошее понимание этого явления сформировалось в 1940 году, но обеспечение стабильности требовало длительных, утомительных и запутанных вычислений.

В 1945 году Хендрик В. Боде (H. W. Bode) представил систему для анализа стабильности устройств с обратной связью, основанную на использовании графических методов. До этого времени анализ систем с ОС выполнялся с помощью операций умножения и деления, так что расчёты передаточных функций были длительной и трудной задачей. Вспомним, что до 1970-х годов инженеры не имели в своём распоряжении электронных калькуляторов или компьютеров. Боде предложил технику логарифмирования, которая преобразовала сложный процесс расчёта стабильности систем с обратной связью в графический анализ, который был простым и перспективным. Конструирование систем с ОС ещё оставалось сложным, но оно больше не было сродни искусству, доступному лишь нескольким инженерам-электронщикам. Любой инженер мог использовать метод Боде для поиска условий стабильности систем с ОС, так что применение ОС в различных устройствах начало расти. Пожалуй, в области разработки электронных систем с ОС не было более крупного шага вперед до наступления эры компьютеров и трансдьюсеров.

В дальнейшем ОУ развивались по принципу — быстрее, выше, сильнее! До 60х годов ОУ делались на лампах, после — на транзисторах, микросхемах. Первые ОУ требовали грамотного выбора компонентов для обвязки, ОС, цепей коррекции. Современные ОУ редко встречаются с цепями коррекции, а также смогут гарантированно работать при выполнении пары-тройки простейших рекомендаций из документации (datasheet) на микросхему.

Список статей про операционный усилители

1. Идеальный операционный усилитель — это то, с чего обычно начинают изучение ОУ.
2. Идеальный ОУ — Неинвертирующий усилитель — одно из основных включений ОУ.
3. Идеальный ОУ — Инвертирующий усилитель — этот режим не очень популярен во времена однополярного питания.
4. Идеальный ОУ — Сумматор. Все пишут о сумматорах на ОУ, и я напишу.
5. Идеальный ОУ — Дифференциальный усилитель — усиливает разность сигналов на входах.
6. Идеальный ОУ — Примитивный метод анализа фильтров на ОУ.
7. Идеальный ОУ — Вместо заключения, или почему идеальные ОУ разрушили бы Вселенную.
8. Однополярное питание ОУ — почему именно используется однополярное питание, достоинства и недостатки применение ОУ с однополярным питанием.
9. Разбор основных схем использования ОУ с однополярным питанием, в статье рассмотрены конкретные типы ОУ.
10. Учимся считать ОУ — приведена методика расчета резисторов ОС и цепей смещения для ОУ при однополярном питании.

… продолжение следует

Логарифмирующий преобразователь

Одной из схем на операционном усилителе, которые нашли применение, является логарифмирующий преобразователь. В данном схеме используется свойство диода или биполярного транзистора. Схема простейшего логарифмического преобразователя представлена ниже

Логарифмирующий преобразователь.

Данная схема находит применение, прежде всего в качестве компрессора сигналов для увеличения динамического диапазона, а так же для выполнения математических функций.

Рассмотрим принцип работы логарифмического преобразователя. Как известно ток, протекающий через диод, описывается следующим выражением

где IO – обратный ток диода, е – число е, основание натурального логарифма, e ≈ 2,72, q – заряд электрона, U – напряжение на диоде, k – постоянная Больцмана, T – температура в градусах Кельвина.

При расчётах можно принимать IO ≈ 10-9 А, kT/q = 25 мВ. Таким образом, входной ток данной схемы составит

тогда выходное напряжение

Простейший логарифмический преобразователь практически не используется, так как имеет ряд серьёзных недостатков:

1. Высокая чувствительность к температуре.
2. Диод не обеспечивает достаточной точности преобразования, так как зависимость между падением напряжения и током диода не совсем логарифмическая.

Вследствие этого вместо диодов применяют транзисторы в диодном включении или с заземлённой базой.

Корпусы операционных усилителей

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

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

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

Базовые сведения об операционном усилителе ОУ

Фундаментально, операционный усилитель представляет собой преобразователь напряжения с высоким коэффициентом умножения, разработанный для применения в системах с обратной связью. Существует много различных архитектур, как построить усилитель на базе транзисторов, однако в большинстве случаев схемотехники рассматривают его как некий черный ящик или треугольник, в котором есть 3 основных вывода: Inp – неинвертирующий вход, Inn инвертирущий вход, Out- выход для полностью дифференциальных усилителей доступны два выхода: инвертирующий и неинвертирующий. Идеальный усилитель можно представить следующим образом:

Основные параметры ОУ:

1. Ku – коэффициент усиления.

2. Vos – напряжение смещения нуля.

3. Диапазон входных и выходных напряжений.

4. GBW – частота единичного усиления.

5. CMRR – коэффициент ослабления синфазного напряжения.

6. Noise – собственный уровень шума усилителя

7. Iin – входной ток.

8. +PSRR – устойчивость к помехе по питанию.

9. -PSRR – устойчивость к помехе по земле.

10. V-, V+ – напряжения земли и питания соответственно.

11. P – потребляемая мощность.

Итак, основные параметры усилителя описали, приступим к анализу схем для их измерения.

Операционный усилитель

Развитие микроэлектроники изменяет подход к проектированию полупроводниковых усилительных устройств. Раньше при создании усилителей на дискретных компонентах разработчики старались найти наиболее простое решение устройств, в первую очередь стремились уменьшить число активных компонентов схемы (диодов, транзисторов) такой подход обеспечивал снижение стоимости аппаратуры и ее высокую надежность. Ныне при разработке аппаратуры на ИМС разработчик старается использовать готовые ИМС массового выпуска, именно такие ИМС обладают наименьшей стоимостью, их схемные решения тщательно проработаны и обеспечивают высокие показатели работы аппаратуры. Поэтому предприятия, выпускающие ИМС, стремятся к выпуску наиболее универсальных узлов, которые применялись бы в самых разнообразных устройствах, это обеспечивает увеличение выпуска данного типа ИМС и снижение их стоимости. Именно поэтому ИМС создаются не на основе наиболее простого решения, а наиболее совершенного, обладающего универсальными достоинствами. Применение таких ИМС оправдано и в тех случаях, если ряд их параметров в конкретном устройстве будет недоиспользован.

Наиболее распространенной усилительной ИМС является операционный усилитель (ОУ), в котором сосредоточены основные достоинства усилительных схем . Идеальный операционный усилитель имеет:

– чрезвычайно высокий коэффициент усиления по напряжению:

К_и=и_вых1и_вх^^-, (2.35)

• – большое входное сопротивление R_BX ->0О ;
• – малое выходное сопротивление R_tta —> 0.

ОУ является усилителем постоянного тока, то есть усиливает широкий спектр частот вплоть до постоянной составляющей. При этом дрейф нуля ОУ очень мал. ОУ (рис. 2.34) имеет дифференциальный вход:

“_вых = KAu_exl -и_вх2), (2.36)

при подаче сигнала на прямой вход выходное напряжение:

и = К.-и., (2.37)

вых U вх9 х /

при подаче сигнала на инвертирующий вход:

и_вых =~ки -««Л2- (2-38)

Рис. 2.34. Структурная схема ОУ

Первый каскад выполняется по схеме симметричного дифференциального каскада (ДК), в которой максимально компенсируется дрейф нуля.

В качестве второго каскада часто используется ДК с несимметричным выходом.

Третий выходной каскад выполняется по схеме эмиттерного повторителя (каскад с ОК), что обеспечивает малое выходное сопротивление ОУ.

Свойства реальных ОУ в большей или меньшей степени приближаются к свойствам идеального ОУ .

Пример маркировки ОУ: К553УД2 (рис. 2.35) .

Вход В — неинвертирующий вход.

Входы С — для подключения двуполярного ИП.

Входы D — выводы для подключения цепей коррекции.

ОУ подразделяются по следующим признакам:

• – ОУ общего применения;
• – мощные ОУ;
• – ОУ с управляемыми параметрами;
• – быстродействующие ОУ.

К основным параметрам ОУ относятся следующие:

• – напряжение ИП;
• – коэффициент усиления;
• – входное сопротивление;
• – потребляемый от ИП ток или потребляемая мощность;
• – коэффициент ослабления синфазного сигнала .

Скорость нарастания выходного напряжения. Она показывает быстродействие ОУ (В/мкс) (рис. 2.36).

Рис. 2.35. Операционный усилитель К553УД2

(2.39)

Рис. 2.36. Быстродействие ОУ

В технической литературе встречается устаревшее У ГО ОУ, изображенное на рис. 2.37.

Так как ОУ имеет очень большой коэффициент усиления и достаточно сложную схему, то при работе на определенных частотах возможно появление нежелательных фазовых сдвигов, приводящих к образованию положительных ОС и, как следствие, к самовозбуждению усилителя.

Для устранения этих возможностей применяются цепи коррекции, представляющие различные RC-цепочки. Цепи коррекции могут быть как внешними, то есть при помощи навесных элементов, так и внутренними, то есть внутри корпуса микросхемы. Причем цепи коррекции разрабатываются на этапе проектирования ОУ и являются индивидуальными для каждого конкретного типа ОУ .

Инвертирующий усилитель с повышенным входным сопротивлением

В предыдущей схеме соотношение входного сопротивления и коэффициента усиления может не подойти для реализации какого-либо проекта. Например, нам нужен усилитель с К=100. Тогда, исходя из того, что значения резисторов должны быть в разумных пределах берем R2=1 МОм, а R1=10 кОм. То есть, входное сопротивление усилителя будет равным 10 кОм, что в некоторых случаях недостаточно. В этих случаях можно применить следующую схему изображенную на рис. 2.

Рис. 2 – Схема инвертирующего усилителя на ОУ с повышенным входным сопротивлением

В данном случае, коэффициент усиления считается по следующей формуле:

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

Примеры применения (схемы включения) усилителя LM358

Компаратор с гистерезисом

Микросхемы UA741, LM324, LM393, LM339, NE555, LM358

Допустим, что потенциал, поступающий на инвертирующий вход, плавно возрастает. При достижении его уровня чуть выше опорного (Vh -Vref), на выходе компаратора возникнет высокий логический уровень. Если после этого входной потенциал начнет медленно снижаться, то выход компаратора переключится на низкий логический уровень при значении немного ниже опорного (Vref – Vl). В данном примере разница между (Vh -Vref) и (Vref – Vl) будет значение гистерезиса.

Дифференциальный усилитель на LM358

Назначение данной схемы — усиление разности двух входящих сигналов, при этом каждый из них умножается на определенную постоянную величину.