≡× МЕНЮ

• Водоснабжение
• Насосы
• Очистка воды
• Колодцы
• Фильтры

Как выбрать операционный усилитель. Что такое операционный усилитель и как он устроен? Положительная обратная связь, отрицательная обратная связь

Основным активным элементом современной аналоговой схемотехники является операционный усилитель – сложная схема, выполненная в интегральном исполнении (т. е. интегральная микросхема). Термин «операционный усилитель» (сокращенно ОУ) исторически восходит к ламповым аналоговым вычислительным машинам (АВМ) – приборам, позволяющим представить некоторые неэлектрические процессы изменениями во времени электрических величин (токов, напряжений); иными словами, над токами и напряжениями в АВМ производятся «операции». Главными же составными частями АВМ являются усилители, коэффициенты передачи которых можно оперативно менять в процессе работы (с помощью перемычек и потенциометров). Именно эти усилители и получили вначале название «операционных».

Область применения ОУ в настоящее время существенно расширилась,

изменилась и технология их изготовления. Однако сохранилось главное преимущество – возможность быстро и без больших расходов изменять не только коэффициент передачи усилителя, но и вообще менять назначение и функцию электронной схемы. Как правило, общий усилитель используется в сочетании с двумя-тремя дополнительными элементами: сопротивлениями, емкостями, диодами и т. д. Характер подключения этих дополнительных элементов, как будет показано в данном разделе, определяет фундаментальные свойства образующейся электронной схемы. Изменение всего лишь одного элемента кардинально меняет функцию и назначение схемы.

Если ОУ выполнен в виде интегральной микросхемы, то он имеет особые обозначение и маркировку. Так, в принципиальных электрических схемах ОУ изображают в виде фигуры, приведенной на рис. 5.1. На рисунке слева изображены входы ОУ, справа – выход. Как видно, ОУ имеет два входа, различающиеся тем, как изменяется фаза сигнала при прохождении его через усилитель. Вход, при подаче сигнала на который сдвиг фазы со-ставляет 0°, называют неинвертирующим (на рис. 5.1 он имеет знак «+»). Второй вход ОУ называют инвертирующим, так как сигнал, поданный на него, приобретает в ОУ сдвиг фазы 180° (на рис. 5.1 вход отмечен «–»). Разумеется, говорить о сдвиге фаз можно лишь при передаче через ОУ гармонических сигналов; однако выбор входа влияет и на прохождение через операционный усилитель постоянных напряжений – такой сигнал сохраняет знак, если поступает на неинвертирующий вход, и меняет знак, если подается на инвертирующий вход.

На схемах рядом с фигурой, обозначающей ОУ, обычно ставят буквы DA , что соответствует аналоговой микросхеме (в отличие от цифровой, т. е. «дискретной» микросхемы, имеющей буквенное обозначение DD ). Операционные усилители (микросхемы), выпускаемые промышленностью Российской Федерации, составляют серии (серия 140, серия 544 и т. д.); признаком того, что какая-то микросхема является ОУ, являются буквы УД (реже – УТ), например 140УД8А. Упрощенная структурная схема такого ОУ приведена на рис. 5.2. Как видно из рисунка, в схеме – четыре основных блока: дифференциальный усилитель ДУ (1), линейный усилитель ЛУ (2), усилитель-ограничитель УО (3) и эмиттерный повторитель ЭП (4). ДУ обеспечивает усиление разности двух сигналов, поступающих на неинвертирующий и инвертирующий входы ОУ (соответственно,
и
). ЛУ состоит из нескольких усилительных каскадов и имеет огромный общий коэффициент усиления. Наличие УО позволяет использовать ОУ как преобразователь формы сигналов, расширяет сферу их применения. Оконечный блок ОУ – эмиттерный повторитель – выполняет функцию трансформатора сопротивлений и определяет значение выходного сопротивления ОУ R вы x . Обычно R вы x имеет порядок единиц килоом, у отдельных типов ОУ – сотни ом. Без ЭП значение R вы x было бы больше: таким образом, благодаря наличию ЭП осуществляется защита ОУ от шунтирования низкоомной нагрузкой.

Структурная схема (рис. 5.2) является упрощенной и содержит лишь основные блоки ОУ. Наряду с ДУ, ЛУ, УО и ЭП типовая схема ОУ содержит блок согласования уровней постоянных напряжений (для обеспечения усиления постоянных сигналов), блок зашиты от коротких замыканий, а также цепи питания. Питание ОУ, как правило, двухполярное симметричное, т. е. используются два источника с напряжениями Е 1 и Е 2 , причем Е 1 = – E 2 .

Основные параметры и характеристики ОУ. Как у всякого усилителя, у ОУ важными параметрами являются амплитудная (передаточная) характеристика, коэффициент усиления, амплитудно-частотная характеристика (АЧХ), фазочастотная характеристика (ФЧХ), а также входное и выходное сопротивления. Очевидно, что поскольку у ОУ два входа, то каждый из перечисленных параметров, кроме R вых, должен отдельно рассматриваться для случая, когда усиливаемый сигнал поступает на инвертирующий вход (при инвертирующем включении), и для случая, когда используется неинвертирующий вход (при неинвертирующем включении). Приведенный набор параметров характеризует усилитель в линейном режиме, т. е. при «малом» сигнале. Если при прохождении сигнала через ОУ его форма меняется из-за нелинейных искажений, то приходится пользоваться другими параметрами, описывающими выходной сигнал как импульс. Это – скорость нарастания выходного сигнала, амплитуда импульсов, форма фронта импульса, его длительность. Параметры ОУ при «малом» и «большом» сигналах тесно связаны, так как относятся к одному и тому же усилителю. Рассмотрим основные параметры и характеристики ОУ.

1. Передаточная характеристика ОУ – зависимость амплитуды выходного сигнала U вых от амплитуды входного сигнала.

В электронике указанную зависимость гораздо чаше называют амплитудной характеристикой, однако применительно к ОУ используют специфическую терминологию. Возможно, разницей в терминологии стремятся под-

черкнуть различие в методиках измерения: в транзисторных и ламповых усилителях постоянный сигнал, как правило, не усиливается и амплитудную характеристику снимают при частоте сигнала f  0. Напротив, в ОУ передаточную характеристику стремятся измерить при f = 0. В силу последнего соображения передаточную характеристику измеряют при обеих полярностях U вх.

Передаточные характеристики ОУ при нормальном режиме работы приведены на рис. 5.3. Здесь 1 – передаточная характеристика при подаче входного сигнала на неинвертирующий вход (U в x =
); 2– она же при подаче на инвертирующий вход (U в x =
). Участок – U в x . max < U в x < < U в x max соответствует линейному усилению, при |U в x | > U в x max возникают нелинейные искажения, сигнал ограничивается «сверху». Можно приближённо считать, что уровни ограничения равны +E и –Е , а U в x . max = E / К , где К – коэффициент усиления ОУ.

2. Коэффициент усиления ОУ К может быть определен по наклону линейного участка передаточной характеристики: он количественно равен тангенсу угла α (рис. 5.3). Отметим, что передаточные характеристики (рис. 5.3) являются качественными: с учетом реальных значений коэффициентов усиления передаточные характеристики промышленных образцов ОУ имеют почти вертикальные линейные участки.

3. Амплитудно-частотная характеристика. В операционных усилителях в подавляющем большинстве образцов обеспечивается идентичность свойств при инвертирующем и неинвертирующем включениях (например, коэффициенты усиления при обоих включениях равны по модулю). Идентичность свойств ОУ при разных включениях позволяет рассматривать не две, а одну единую АЧХ (а также ФЧХ). АЧХ типового ОУ приведена на рис. 5.4.

4. Фазочастотная характеристика. Хотя при инвертирующем включении ОУ сдвиг фаз между входным и выходным сигналами должен быть равен 180°, а при неинвертирующем 0°, на самом деле, в реальных образцах 5. Входные и выходные сопротивления. В силу идентичности свойств ОУ при инвертирующем и неинвертирующем включениях значения входных сопротивлений по обоим входам усилителя (соответственно, и ) практически одинаковы и составляют от сотен килоом до единиц-десятков мегаом (ОУ типа 140УД8А имеет даже R в x = 10 9 Ом). Порядок значений R вы x оговорен ранее: выходные сопротивления ОУ лежат в пределах от единиц килоом до сотен ом. 6. Скорость нарастания большого сигнала – параметр комплексный, охватывающий сразу и амплитуду импульсного сигнала на выходе ОУ, и длительность фронта. Так как речь идет о большом сигнале, который в процессе усиления приобретает амплитуду, близкую к Е (рис. 5.4), то, обозначив длительность фронта через τ фр, для скорости и нарастания сигнала запишем   2Е /τ фр. Значение  тесно связано с частотными свойствами ОУ: это очевидно, так как τ фр ~ 1/f в. гр, где f в. гр – верхняя граничная частота. Недостатки операционных усилителей. Главными недостатками ОУ являются: –снижение коэффициента усиления при подключении низкоомной нагрузки; –смещение передаточной характеристики из начала координат (разбаланс); Рассмотрим эти явления и меры борьбы с ними. 1. Снижение коэффициента усиления при подключении нагрузки. Несмотря на то, что в состав ОУ входит эмиттерный повторитель и R вых в результате этого снижено, все же оно остается достаточно большим: при подключении нагрузки с сопротивлением порядка единиц–десятков ом имеют место отрицательные явления: снижение коэффициента усиления и, одновременно, уровня максимального выходного сигнала. Графически эти эффекты отражены на рис. 5.5: передаточная характеристика 1 соответствует режиму холостого хода (сопротивлению нагрузки R н  ), характеристики 2 и 3 соответствуют нагрузкам с R н 2 > R н 3 . Для того чтобы уменьшить отрицательные последствия рассматриваемого явления, применяют включение дополнительных повторителей, у которых R вых  R н. Вместе с тем, отметим, что если вся сложная электронная схема строится из каскадов на основе ОУ, то в этом случае для каждого ОУ (кроме ОУ оконечного каскада) автоматически обеспечивается по нагрузке режим холостого хода: ведь нагрузкой ОУ является также операционный усилитель с R вх, во много раз (на два-три порядка) превышающим R вых. Таким образом, разработчики ОУ позаботились об объединении схем на их основе. 2. Смещение передаточной характеристики из начала координат (разбаланс). Наличие двух источников питания, причем с не всегда одинаковыми напряжениями, часто становится причиной смещения передаточной характеристики ОУ из начала координат. Это явление часто называют разбалансом. Возможны и другие причины возникновения разбаланса. Явление разбаланса иллюстрирует график рис. 5.6. Здесь напряжение разбаланса обозначено как ΔU . Смещение передаточной характеристики от начала координат приводит к следующим негативным последствиям: –к изменению уровня выходного сигнала при усилении постоянного сигнала; –к появлению нежелательного «пьедестала» при усилении малого переменного сигнала; – к возникновению нелинейных искажений при усилении переменного сигнал с амплитудой, близкой к Е /К . Возможны и другие отрицательные последствия разбаланса: особенно опасен он в сумматорах постоянных сигналов, так как при этом возникает ошибка сложения. Борьба с разбалансом сводится к компенсации напряжения ΔU . Если ОУ включен таким образом, что для подачи полезного сигнала используется лишь один вход, то для компенсации разбаланса можно второй вход отсоединить от земли и подать на него напряжение, равное по значению и обратное по знаку напряжению ΔU . Рассмотрим этот метод подробнее. Как указано ранее, первым узлом ОУ является дифференциальный усилитель, работа которого описывается формулой U вы x = К ДУ ( – ). Допустим, что используется неинвертирующее включение ОУ. В этом случае инвертирующий вход соединен с землей, = 0: U вы x = К ДУ . При возникновении разбаланса эта формула неверна и должна быть заменена другой: U вы x = К ДУ ( – ΔU ). Отсюда видно, что «вернуться» к прямо пропорциональной зависимости U вы x от можно при = – ΔU , т. е. U вы x = К ДУ ( – ΔU – ) = = К ДУ ( – ΔU + ΔU ) = К ДУ . Подачу компенсационного напряжения осуществляют обычно от источника питания через потенциометр; другой способ – использование входного тока I вх самого ОУ. В последнем случае между неиспользуемым для подачи полезного сигнала входом ОУ и землей включают потенциометр (так называемое балансировочное сопротивление), падение напряжения на котором при протекании входного тока ОУ равно ΔU . Схемы, реализующие два рассмотренных метода борьбы с разбалансом, приведены на рис. 5.7 (так как на практике чаще используется инвертирующее включение ОУ, то эти схемы также соответствуют инвертирующему включению). Следует заметить, что явление разбаланса – непостоянное, значение ΔU меняется под влиянием многих факторов, и поэтому режим ОУ надо регулярно контролировать и оперативно менять компенсационное напряжение. При рассмотрении параметров ОУ было отмечено, что на высоких частотах происходит, с одной стороны, снижение К , а с другой – рост значения Δφ К . Если допустить, что значения γ и Δφ  γ от частоты не зависят, причем Δφ  γ = 0 (это справедливо для многих схем на основе ОУ), то на низких и средних частотах (где Δφ К = 180°, при инвертирующем включении ОУ) условие баланса фаз не выполняется и генерация не возникает. C увеличением частоты Δφ К возрастает и может достигнуть 360° и больших значений. Однако генерация возникает только в случае, когда на этих частотах выполняется условие баланса амплитуд, т. е. при К > 1/ γ . Схемная реализация коррекции ОУ обычно такова: ею охватывают не весь усилитель, а один или несколько каскадов – к специальным выводам микросхемы подключают один или несколько внешних элементов (конденсаторов, резисторов). Наиболее распространены однополюсная, двухполюсная коррекция, коррекции с фазовым опережением и с фазовым запаздыванием. Однополюсная коррекция заключается во включении параллельно части усилительных каскадов ОУ емкости С K (рис. 5.9). Эта емкость на высоких частотах шунтирует усилитель и снижает усиление ОУ. Схема двухполюсной коррекции приведена на рис. 5.10, а : она состоит из двух конденсаторов С 1 и С 2 и резистора R 3 , причем С 2  10С 1 . Действие схемы различно на разных частотах: при достаточно малых значениях частоты f сопротивление С 2 велико и сигнал через цепь не проходит, никакого корректирующего воздействия схема не оказывает. С увеличением частоты сопротивление С 1 уменьшается и цепь двухполюсной коррекции превращается в цепь однополюсной коррекции, причем функцию С K выполняет эквивалентная емкость С э = С 1 С 2 /(С 1 + С 2). Следовательно, можно считать, что схема двухполюсной коррекции состоит из частотно-управляемого ключа и включаемой им схемы однополюсной коррекции. На рис. 5.10, б изображены амплитудно-частотные характеристики ОУ без коррекции (1), при использовании однополюсной (2) и двухполюсной (3) коррекций. Схема коррекции с фазовым опережением (рис. 5.11, а ) подключается последовательно с используемым входом ОУ и содержит резистор R 1 и конденсатор С . Суть действия этой схемы заключается во введении в усилитель дополнительной дифференцирующей цепи C – R в x ОУ, где R в x ОУ – входное сопротивление ОУ. При этом имеет место компенсация сдвига фаз в усилителе Δφ К сдвигом фаз в цепи коррекции, так как Δφ К и Δφ кор имеют разные знаки (рис. 5.11, б , где кривая 1 – график Δφ К , 2 – график Δφ кор, 3 – их суммы). Схема коррекции с фазовым опережением, как дифференцирующая цепь, является фильтром высоких частот; в результате этого коэффициент усиления усилителя на низких частотах снижается, что является недостатком (для того чтобы коэффициент усиления не был бы на частоте f = 0 равен нулю, С 5 шунтируют резистором R 1). Схема коррекции с фазовым запаздыванием (рис. 5.12) подключается между двумя входами операционного усилителя и содержит резистор и конденсатор. Сопротивление корректирующей цепи на высоких частотах уменьшается и шунтирует вход усилителя, что эквивалентно уменьшению К для высокочастотных гармоник спектра сигнала. Примечание. Термины «фазовое опережение» и «фазовое запаздывание» в названиях схем коррекции можно объяснить, сравнивая Δφ К в ОУ без коррекции и с подключением той или иной корректирующей цепи. Например, при подключении дифференцирующей цепи (рис. 5.10, а ) сдвиг фаз приобретает положительную добавку. Цепь R 1 – C имеет комплексное сопротивление с отрицательной мнимой частью, поэтому подключение этой цепочки ко входу ОУ, кроме шунтирования входного сопротивления на высоких частотах, вызывает на тех же частотах отрицательную добавку сдвига фаз. Если теперь представить, допустим, гармонический сигнал, проходящий через ОУ, в виде вращающегося вектора на комплексной плоскости, то наличие положительной добавки в фазе означает, что вектор вращается с опережением по отношению к вектору сигнала с меньшей фазой. Вектор сигнала, имеющего отрицательную «добавку» в фазе, вращается c запаздыванием.

Операционный усилитель (ОУ) - это усилитель постоянного тока с дифференциальным входом, характеристики которогоблизки к характеристикам так называемого “идеального усилителя". ОУ имеет большой коэффициент усиления по напряжению К>>1 (К = 10 4 - 10 6), большое входное (R вх = 0.1-100 МОм) и малое выходное (R вх = 10-100 Ом) сопротивления.

В линейных усилителях применяют ОУ только с цепями отрицательной обратной связи (ООС), которая уменьшает коэффициент усиления К по напряжению до 1-10 3 , но одновременно с этим уменьшает зависимость К от температуры, напряжения питания, увеличивает R вх.ус и уменьшается R вых.ус. Применение ОУ в усилителях без цепей ООС недопустимо, так какувеличивается опасность нарушения устойчивости ОУ и усложняются цепи коррекции частотной характеристики в широкой полосе частот.

ОУ (рис 15.1.) содержит в качестве первого каскада дифференциальный усилитель. Дифференциальный усилитель имеет высокий коэффициент усиления для разности входных сигналов U 2 - U 1 и низкий коэффициент усиления для синфазных сигналов, т.е. одинаковых сигналов, поданных одновременно на оба входа. Это позволяет уменьшить чувствительность к синфазным сигналам (внешним помехам) и напряжение сдвига, определяемое неидентичностью плеч ОУ.

Рис.15.1. Внутренняя структура операционного усилителя.

За входным каскадом следуют один или несколько промежуточных; они обеспечивают необходимое усиление по напряжению и по току.

Комплементарный выходной каскад должен обеспечивать низкое полное выходное сопротивление операционного усилителя и ток, достаточный для питания ожидаемых нагрузок. В качестве выходного каскада обычно используется простой или комплементарный эмиттерный повторитель.

Для снижения чувствительности схемы к синфазным сигналам и увеличения входного сопротивления ток эмиттера первого дифференциального каскада задается с помощью источника стабильного тока.

Основные параметры операционных усилителей

1. К - собственный коэффициент усиления ОУ (без обратной связи).

2. U сдв - Выходное напряжение сдвига. Небольшое напряжение, возникающее из-за несимметрии плеч ОУ при нулевом напряжении на обоих входах. Обычно U сдв имеет значение 10 - 100 мВ.

3. I см - Входной ток смещения. Ток на входах усилителя, необходимый для работы входного каскада операционного усилителя.

4. I сдв - Входной ток сдвига (). Разность токов смещения появляется вследствие неточного согласования входных транзисторов. .

5. R вх - Входное сопротивление. Как правило, R вх имеет значение до 1-10 мегаом.

6. R вых - Выходное сопротивление. Обычно R вых не превосходит сотен Ом.

7. Косс - Коэффициент ослабления синфазного сигнала. Характеризует способность ослаблять сигналы, приложенные к обоим входам одновременно.

8. Ток потребления. Ток покоя, потребляемый операционным усилителем.

9. Потребляемая мощность. Мощность, рассеиваемая операционным усилителем.

10. Максимальная скорость нарастания выходного напряжения (В/мкс) .

11. U пит. - Напряжение питания.

12. Переходная характеристика. Сигнал на выходе усилителя при подаче на его вход скачка напряжения.

ОУ имеет несколько вариантов схем включения, которые значительно отличаются по своим характеристикам.

Для анализа работы и расчета характеристик различных схем включения ОУ далее необходимо помнить, что, исходя из свойств ДУ:

1. Разность напряжений между входами ОУ очень мала и может быть принята равной нулю.

2. Операционный усилитель имеет высокое входное сопротивление, поэтому потребляет очень небольшой входной ток (до 10 nA).

Основные схемы включения ОУ

В инвертирующем усилителе (рис.15.2.), входной и выходной сигналы сдвинуты по фазе на 180º. Если U вх, положительное то напряжение в точке А, а значит и U д, также станет положительным, а U вых уменьшится, что приведет к уменьшению на инвертирующем входе до величины U д = U вых / К ≈ 0.

Точку А часто называют виртуальной землей , потому, что ее потенциал почти равен потенциалу земли, так как U д, как правило, весьма мало

Рис. 15.2. Инвертирующий усилитель на ОУ

Чтобы получить выражение для коэффициента усиления с обратной связью, учтем, что , т.к.R вх усилителя весьма велико. Так как и , то .

Полагая U д = 0 (так как К → ∞), получим . Коэффициент усиления с обратной связью рассматриваемой схемы равен

Выходное напряжение инвертировано, о чем говорит и отрицательное значение К ос.

Так как, благодаря обратной связи, в точке А сохраняется приблизительно нулевой потенциал, входное сопротивление схемы инвертирующего усилителя равно R 1 .. Сопротивление R 1 должно быть выбрано так, чтобы не нагружать источник входного сигнала, и, естественно, R ос должно быть достаточно большим, чтобы чрезмерно не нагружать операционный усилитель.

Неинвертирующий усилитель может быть также реализован на ОУ (рис.15.3) с высоким входным сопротивлением, коэффициент усиления которого по напряжению также может быть задан с помощью сопротивлений R 1 и R ос.

Как и ранее, считаем, что , поскольку R вх → ∞.

Напряжение на инвертирующем входе усилителя равно, поэтому

15.3. Неинвертирующий усилитель на ОУ

Следовательно, .

Так как U вых = U д · К и U д =U вых / К, при К → ∞ и U д ≈ 0, можно написать, что . Решая уравнение , получим выражение для коэффициента усиления с замкнутой обратной связью K ос , (15.3)

которое справедливо при условии К » K ос.

В схеме повторителя напряжения на ОУ (рис.15.4) U вых обратная связь поступает с выхода усилителя на инвертирующий вход. Так как усиливается разность напряжения на входах ОУ - U д, то можно увидеть, что напряжение на выходе усилителя U вых = U д · К.

Рис.15.4. Повторитель напряжения на ОУ

Выходное напряжение ОУ U вых = U вх + U д. Так как U вых = U д · К, получим, что U д = U вых /К. Следовательно, . Так как К велико (К → ∞), то U вых /К стремится к нулю, и в результате получаем равенство U вх = U вых.

Входное напряжение связано с землей только через входное сопротивление усилителя, которое очень велико, поэтому повторитель может служить хорошим согласующим каскадом.

Усилитель с дифференциальным входом имеет два входа, причем инвертирующий и неинвертирующий входы находятся под одинаковым напряжением, в данном случае равным U ос, так как разность напряжений между инвертирующим и неинвертирующим входами очень мала (обычно меньше 1мВ),.

Рис. 15.5. Усилитель с дифференциальным входом

Если задать U 1 равным нулю и подать входной сигнал по входу U 2 , то усилитель будет действовать как неинвертирующий усилитель, у которого входное напряжение снимается с делителя, образованного резисторами R 2 и R? ос. Если оба напряжения U 1 и U 2 подаются на соответствующие входы одновременно, то сигнал на инвертирующем входе вызовет такое изменение выходного напряжения, что напряжение в точке соединения резисторов R 1 и R ос станет равным U ос, где .

Вследствие того, что усилитель имеет очень высокое входное сопротивление,

Решая полученное уравнение относительно U вых, имеем:

Подставляя выражение для U ос, получим:

Если положить R 1 = R 2 и R oc = R´ oc (ситуация, которая наиболее часто встречается), получим . Полярность выходного напряжения определяется большим из напряжений U 1 и U 2 .

Очевидно, что если U 2 на рис.15.5 равно нулю, то усилитель будет действовать по отношению к U 1 как инвертирующий усилитель.

Входное сопротивление схемы ОУ можно определитьследующим образом. К дифференциальному входному сопротивлению ОУ r д приложено напряжение. U д. Благодаря наличию обратной связи это напряжение имеет малую величину.

U д = U вых /K U = U 1 /(1 + K U b), (15.6)

где b = R 1 /(R 1 + R 2) - коэффициент передачи делителя в цепи обратной связи. Таким образом, через это сопротивление протекает только ток, равный U 1 /r д (1 + K U b). Поэтому дифференциальное входное сопротивление, благодаря действию обратной связи, умножается на коэффициент 1 + K U b.

Согласно рис. 12, для результирующего входного сопротивления схемы имеем:

R вх = r д (1 + K U b)||r вх

Эта величина даже для операционных усилителей с биполярными транзисторами на входах превышает 10 9 Ом. Следует однако помнить, что речь идет исключительно о дифференциальной величине ; это значит, что изменения входного тока малы, тогда как среднее значение входного тока может принимать несравненно бoльшие значения.

Рис. 15.6. Схема неинвертирующего усилителя с учетом собственных сопротивлений ОУ.

Выходное сопротивление ОУ операционного усилителя, не охваченного обратной связью, определяется выражением:

При подключении нагрузки происходит некоторое снижение выходного напряжения схемы, вызванное падением напряжения на rвых, которое передается на вход усилителя через делитель напряжения R 1 , R 2 . Возникающее при этом увеличение дифференциального напряжения компенсирует изменение выходного напряжения.

В общем случае выходное сопротивление может иметь достаточно высокое значение (в некоторых случаях от 100 до 1000 Ом. Подключение цепи ОС поволяет уменьшить выходное сопротивление.

Для усилителя, охваченного обратной связью, эта формула принимает вид:

При этом величина U д не остается постоянной, а изменяется на величину

dU д = - dU n = -bdU вых

Для усилителя с линейной передаточной характеристикой изменение выходного напряжения составляет

dU вых = K U dU д - r вых dI вых

Величиной тока, ответвляющегося в делитель напряжения обратной связи в данном случае можно пренебречь. Подставив в последнее выражение величину dU д, получим искомый результат:

Если, например, b = 0,1, что соответствует усилению входного сигнала в 10 раз, а K U = 10 5 , то выходное сопротивление усилителя снизится с 1 кОм до 0,1 Ом. Вышеизложенное, вообще говоря, справедливо в пределах полосы пропускания усилителя f п, Гц. На более высоких частотах выходное сопротивление ОУ с обратной связью будет увеличиваться, т.к. величина |K U | с ростом частоты будет уменьшаться со скоростью 20дБ на декаду (см. рис. 3). При этом оно приобретает индуктивный характер и на частотах более f т становится равным величине выходного сопротивления усилителя без обратной связи.

Динамические параметры ОУ, характеризующие быстродействие ОУ, можно разделить на параметры для малого и большого сигналов. К первой группе динамических параметров относятся полоса пропускания f п, частота единичного усиления f т и время установления t у. Эти параметры называются малосигнальными, т.к. они измеряются в линейном режиме работы каскадов ОУ (DU вых < 1В).

Ко второй группе относятся скорость нарастания выходного напряжения r и мощностная полоса пропускания f р. Эти параметры измеряются при большом дифференциальном входном сигнале ОУ (более 50 мВ). Некоторые из этих парамеров рассмотрены выше. Время установления отсчитывается от момента подачи на вход ОУ ступеньки входного напряжения до момента, когда в последний раз станет справедливым равенство |U вых.уст - U вых(t) | = d, где U вых.уст - установившееся значение выходного напряжения, d - допустимая ошибка.

Рабочая полоса частот или полоса пропускания ОУ определяется по виду амплитудно-частотной характеристики, снятой при максимально возможной амплитуде неискаженного выходного сигнала. Вначале на низких частотах устанавливают такую амплитуду сигнала от генератора гармонических колебаний, чтобы амплитуда выходного сигнала U вых.макс немного не доходила до границ насыщения усилителя. Затем увеличивают частоту входного сигнала. Мощностная полоса пропускания f р соответствует значению U вых.макс равному 0,707 от первоначального значения. Величина мощностной полосы пропускания снижается при увеличении емкости корректирующего конденсатора.

Эксплуатационные параметры ОУ определяют допустимые режимы работы его входных и выходных цепей и требования к источникам питания, а также температурный диапазон работы усилителя. Ограничения эксплуатационных параметров обусловлены конечными значениями пробивных напряжений и допустимыми токами через транзисторы ОУ. К основным эксплуатационным параметрам относятся: номинальное значение питающего напряжения U п; допустимый диапазон питающих напряжений; ток, потребляемый от источника I пот; максимальный выходной ток I вых.макс; максимальные значения выходного напряжения при номинальном питании; максимально-допустимые значения синфазных и дифференциальных входных напряжений

Амплитудно-частотная характеристика операционного усилителя является важным фактором, от которого зависит устойчивость работы реальных схем с таким усилителем. В большинстве операционных усилителей отдельные каскады соединены между собой по постоянному току гальваническими связями, поэтому эти усилители не имеют спада усиления в области низких частот и у них необходимо анализировать спад коэффициента усиления с возрастанием частоты.

Рис.15.7. АЧХ операционного усилителя

На рис.15.7. показана типичная частотная характеристика операционного усилителя.

Рис. 15.8. Упрощенная эквивалентная схема ОУ

При возрастании частоты емкостное сопротивление падает, что приводит к уменьшению постоянной времени τ = R н* С. Очевидно, должна существовать частота, при превышении которой напряжение на выходе U вых окажется меньше, чем КU д.

Выражение для коэффициента усиления К на любойчастоте:

имеет вид , где К - коэффициент усиления без обратной связи на низких частотах; f - рабочая частота; f 1 - граничная частота или частота при 3 дБ, т.е. частота, на которой К(f) на 3 дБ ниже К, или равен 0,707·А.

Если, как это обычно бывает, R н » R вых, то .

Обычно амплитудно-частотная характеристика дается в общем виде. как:

где f - интересующая нас частота, в то время как f 1 - фиксированная частота, которая называется граничной частотой и является характеристикой конкретного усилителя. С ростом частоты коэффициент усиления по напряжению падает. Кроме того, из выражения для θ видно, что при изменении частоты, фаза выходного сигнала сдвигается относительно фазы входного; - выходной сигнал отстает по фазе от входного.

Добавление отрицательной обратной связи так, например, как это сделано в инвертирующем или неинвертирующем усилителях, увеличивает эффективную полосу пропускания операционного усилителя.

Чтобы убедиться в этом, рассмотрим выражение для коэффициента усиления без обратной связи усилителя со спадом 6дБ / октава (при двукратном увеличении частоты):

Где К(f) - коэффициент усиления без обратной связи на частоте f; А - коэффициент усиления без обратной связи на низких частотах; f 1 - сопрягающая частота. Подставляя это соотношение в выражение для коэффициента усиления при наличии обратной связи , получим

Это выражение можно переписать в виде , где f 1 oc = f 1 (1 + Аβ); K 1 - коэффициент усиления с замкнутой обратной связью на низких частотах; f 1oc - граничная частота при наличии обратной связи.

Граничная частота при наличии обратной связи равна граничной частоте без обратной связи, умноженной на (1 + Кβ) > 1, так что эффективная ширина полосы пропускания действительно увеличивается при использовании обратной связи. Это явление показано на рис.8, где f 1oc > f 1 для усилителя с коэффициентом усиления равным 40 дБ.

Если скорость спада усилителя составляет 6дБ/октава, произведение коэффициента усиления на полосу пропускания постоянно: Kf 1 = const. Чтобы убедиться в этом, умножим идеальный коэффициент усиления на низких частотах на верхнюю частоту среза того же усилителя при наличии обратной связи.

Тогда получим произведение усиления на полосу пропускания:

Где К - коэффициент усиления без обратной связи на низких частотах.

Если раньше было показано, что для увеличения полосы пропускания с помощью обратной связи следует уменьшить коэффициент усиления, то теперь выведенное соотношение дает возможность узнать, какой частью коэффициента усиления необходимо пожертвовать для получения желаемой полосы пропускания.

Схема замещения операционного усилителя позволяет учитывать влияние неидеальности усилителя на характеристики схемы. Для этого удобно представить усилитель полной схемой замещения, содержащей существенные элементы неидеальности. Полная схема замещения ОУ для малых медленных изменений сигналов представлена на рис. 15.9.

Рис. 15.9.. Схема замещения операционного усилителя для малых сигналов

У операционных усилителей с биполярными транзисторами на входе входное сопротивление для дифференциального сигнала r д составляет несколько мегаом, а входное сопротивление для синфазного сигнала r вх несколько гигаом. Входные токи, определяемые этими сопротивлениями, имеют величину порядка нескольких наноампер. Существенно бoльшие значения имеют постоянные токи, протекающие через входы операционного усилителя и определяемые смещением транзисторов дифференциального каскада. Для универсальных ОУ входные токи находятся в пределах от 10 нА до 2 мкА, а для усилителей со входными каскадами, выполненными на полевых транзисторах, они составляют доли наноампер.

Параметры операционных усилителей

Так как ОУ является универсальным устройством, то для описания его свойств используется большое число параметров.

1. Коэффициент усиления К равен отношению выходного напряжения к вызвавшему это приращение дифференциальному входному сигналу при отсутствии обратной связи (составляет 10 3- 10 7) и определяется при холостом ходе на выходе. К = U вых /U вх.д.

2. Напряжение смещения нуля U cm показывает, какое напряжение необходимо подать на вход ОУ для того, чтобы на выходе получить U вых = 0 (составляет 0,5-0,15 мВ). Это является следствием неточного согласования напряжений эмиттер-база входных транзисторов.

3. Входной ток I вх определяется нормальным режимом работы входного дифференциального каскада на биполярных транзисторах. Это ток базы входного транзистора ДУ. Если в дифференциальном каскаде используются полевые транзисторы, то это токи утечек.

При подключению к входам ОУ источников сигнала с разными внутренними сопротивлениями, создаются различные падения напряжений на этих сопротивлениях токами смещения. Появившийся дифференциальный сигнал, изменяет входное напряжение. Для его уменьшения, сопротивления источников сигнала должны быть одинаковы.

4. Разность входных токов DI вх равна разности значений токов, протекающих через входы ОУ, при заданном значении выходного напряжения, составляет 0,1-200 нА.

5. Входное сопротивление R bx (сопротивление между входными выводами) равно отношению приращения входного напряжения к приращению входного тока на заданной частоте сигнала. R bx определяется для области низких частот. В зависимости от характера подаваемого сигнала входное сопротивление бывает дифференциальное (для дифференциального сигнала) и синфазное (для синфазного сигнала).

Дифференциальное входное сопротивление - это полное входное сопротивление со стороны любого входа, когда другой вход соединен с общим выводом, составляет десятки кОм - сотни МОм. Такое большое R bx получается за счет входного ДУ и стабильного источника постоянного напряжения. Синфазное входное сопротивление - это сопротивление между замкнутыми выводами входов и землей. Оно характеризуется изменением среднего входного тока при приложении ко входам синфазного сигнала и на несколько порядков выше R вх диф.

6. Коэффициент ослабления синфазного сигнала К осл сф определяется как отношение напряжения синфазного сигнала, подаваемого на оба входа, к дифференциальному входному напряжению, вызывающему тоже значение выходного напряжения. Коэффициент ослабления показывает во сколько раз коэффициент усиления дифференциального сигнала больше коэффициента усиления синфазного входного сигнала и составляет 60-120 дБ:

С ростом коэффициента ослабления синфазного сигнала точнее можно выделить дифференциальный входной сигнал на фоне синфазной помехи, тем лучше качество ОУ. Измерения проводят в диапазоне низких частот.

7. Выходное сопротивление R вых определяется отношением приращения выходного напряжения к приращению активной составляющей выходного тока при заданном значении частоты сигнала и составляет единицы-сотни Ом.

8. Температурный дрейф напряжения смещения равен отношению максимального изменения напряжения смещения к вызвавшему его изменению температуры и оценивается в мкВ/град .

Температурные дрейфы напряжения смещения и входных токов являются причиной температурных погрешностей устройств с ОУ.

9. Коэффициент влияния нестабильности источника питания на выходное напряжение показывает изменение выходного напряжения при изменении напряжений питаний на 1 В и оценивается в мкВ/В.

10. Максимальное выходное напряжение U вых макс определяется предельным значением выходного напряжения ОУ при заданном сопротивлении нагрузки и напряжении входного сигнала, обеспечивающим стабильную работу ОУ и искажения не превышающие заданного значения. U вых макс на 1-5 В ниже напряжения питания.

11. Максимальный выходной ток I вых макс ограничивается допустимым коллекторным током выходного каскада ОУ.

12. Потребляемая мощность - мощность, рассеиваемая ОУ при отключенной нагрузке.

13. Частота единичного усиления f 1 - это частота входного сигнала, при которой коэффициент усиления ОУ равен 1: |K(f 1)| = l. У интегральных ОУ частота единичного усиления имеет предельное значение 1000 МГц. Выходное напряжение на этой частоте ниже, чем для постоянного тока примерно в 30 раз.

14. Частота среза f c ОУ - частота, на которой коэффициент усиления снижается в раз. Она оценивает полосу пропускания ОУ и составляет десятки МГц.

15. Максимальная скорость нарастания выходного напряжения V макс определяется наибольшей скоростью изменения выходного напряжения ОУ при действии на входе импульса прямоугольной формы с амплитудой равной максимальному значению входного напряжения и лежит в пределах 0,1-100 В/мкс. При воздействии максимального входного напряжения выходной каскад ОУ попадает в область насыщения по обеим полярностям. Этот параметр указывается для широкополосных и импульсных устройств на основе ОУ и приводит к наличию фронтов выходного сигнала с конечными значениями длительности. V макс характеризует быстродействие ОУ в режиме большого сигнала.

16. Время установления выходного напряжения t yc т (время затухания переходного процесса) - это время необходимое для возвращения усилителя из состояния насыщения по выходу в линейный режим.

Время установления - это время в течение которого после скачка входного напряжения, выходное напряжение отличается от установившегося значения на величину допустимой относительной погрешности dU вых. За время установления выходное напряжение ОУ при воздействии входного напряжения прямоугольной формы изменяется от уровня 0,1 до уровня 0,9 установившегося значения.

17. Напряжение шумов, приведенное ко входу, определяется действующим значением напряжения на выходе усилителя при нулевом входном сигнале и нулевом сопротивлении источника сигнала деленным на коэффициент усиления ОУ. Спектральная плотность шумов оценивается как корень квадратный из квадрата приведенного напряжения шума деленного на полосу частот, в которой выполнено измерение напряжения шума. Размерность данного параметра . В ТУ на ОУ иногда задают коэффициент шума (дБ), определяемый как отношение приведенной мощности шума усилителя, работающего от источника с внутренним сопротивлением R г, к мощности шума активного сопротивления

где U ш - приведенное напряжение шумов при R г =0;

4kTR г - спектральная плотность теплового шума резистора.

Требования, предъявляемые к параметрам ОУ, зависят от выполняемых им функций. Желательно во всех практических случаях уменьшить погрешность выполняемых операций, повысить надежность, быстродействие. Одновременное улучшение всех параметров выдвигает противоречивые требования к схеме и ее изготовлению. Все это объясняется большим разнообразием ОУ, у которых оптимизированы лишь конкретные параметры за счет ухудшения других.

Так в измерительной аппаратуре используются прецизионные ОУ, обладающие большим коэффициентом усиления, большим входным сопротивлением, малым напряжением смещения нуля и малыми шумами. А быстродействующие ОУ должны обладать большой скоростью нарастания выходного напряжения, большой полосой пропускания и малым временем установления выходного напряжения. Такие ОУ нашли применение в импульсных и широкополосных усилительных устройствах и в устройствах аналого-цифровых преобразователей.

Для создания компараторов, которые служат для сравнения мгновенных значений двух напряжений, используются скоростные ОУ, работающие в режиме переключения.

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

Из корпуса усилителя обычно выходят 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 .

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 = 2π f 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, 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.

Операционный усилитель (ОУ) англ. Operational Amplifier (OpAmp), в народе – операционник, является усилителем постоянного тока (УПТ) с очень большим коэффициентом усиления. Словосочетание «усилитель постоянного тока» не означает, что операционный усилитель может усиливать только постоянный ток. Имеется ввиду, начиная с частоты в ноль Герц, а это и есть постоянный ток.

Термин «операционный» укрепился давно, так как первые образцы ОУ использовались для различных математических операций типа интегрирования, дифференцирования, суммирования и тд. Коэффициент усиления ОУ зависит от его типа, назначения, структуры и может превышать 1 млн!

Схема операционного усилителя

На схемах операционный усилитель обозначается вот так:

или так

Чаще всего ОУ на схемах обозначаются без выводов питания

Вход со знаком «плюс» называют НЕинвертирующий, а вход со знаком «минус» инвертирующий. Не путайте эти два знака с полярностью питания! Они НЕ говорят о том, что надо в обязательном порядке подавать на инвертирующий вход сигнал с отрицательной полярностью, а на НЕинвертирующий сигнал с положительной полярностью, и далее вы поймете почему.

Питание операционных усилителей

Если выводы питания не указаны, то считается, что на ОУ идет двухполярное питание +E и -E Вольт. Его также помечают как +U и -U, V CC и V EE , Vc и V E . Чаще всего это +15 и -15 Вольт. Двухполярное питание также называют биполярным питанием. Как это понять – двухполярное питание?

Давайте представим себе батарейку

Думаю, все вы в курсе, что у батарейки есть “плюс” и есть “минус”. В этом случае “минус” батарейки принимают за ноль, и уже относительно нуля считают батарейки. В нашем случае напряжение батарейки равняется 1,5 Вольт.

А давайте возьмем еще одну такую батарейку и соединим их последовательно:

Итак, общее напряжение у нас будет 3 Вольта, если брать за ноль минус первой батарейки.

А что если взять на ноль минус второй батарейки и относительно него уже замерять все напряжения?

Вот здесь мы как раз и получили двухполярное питание.

Идеальная и реальная модель операционного усилителя

Для того, чтобы понять суть работы ОУ, рассмотрим его идеальную и реальную модели.

1) идеального ОУ бесконечно большое.

В реальных ОУ значение входного сопротивления зависит от назначения ОУ (универсальный, видео, прецизионный и т.п.) типа используемых транзисторов и схемотехники входного каскада и может составлять от сотен Ом и до десятков МОм. Типовое значение для ОУ общего применения – несколько МОм.

2) Второе правило вытекает из первого правила. Так как входное сопротивление идеального ОУ бесконечно большое, то входной будет равняться нулю.

На самом же деле это допущение вполне справедливо для ОУ с на входе, у которых входные токи могут быть меньше пикоампер. Но есть также ОУ с на входе. Здесь уже входной ток может быть десятки микроампер.

3) Выходное сопротивление идеального ОУ равняется нулю.

Это значит, что напряжение на выходе ОУ не будет изменяться при изменении тока нагрузки. В реальных ОУ общего применения составляет десятки Ом (обычно 50 Ом).
Кроме того, выходное сопротивление зависит от частоты сигнала.

4) Коэффициент усиления в идеальном ОУ бесконечно большой. В реальности он ограничен внутренней схемотехникой ОУ, а выходное напряжение ограничено напряжением питания.

5) Так как коэффициент усиления бесконечно большой, следовательно, разность напряжений между входами идеального ОУ равняется нулю. Иначе если даже потенциал одного входа будет больше или меньше хотя бы на заряд одного электрона, то на выходе будет бесконечно большой потенциал.

6) Коэффициент усиления в идеальном ОУ не зависит от частоты сигнала и постоянен на всех частотах. В реальных ОУ это условие выполняется только для низких частот до какой-либо частоты среза, которая у каждого ОУ индивидуальна. Обычно за частоту среза принимают падение усиления на 3 дБ или до уровня 0,7 от усиления на нулевой частоте (постоянный ток).

Схема простейшего ОУ на транзисторах выглядит примерно вот так:

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.

Итак, мы рассмотрели случай, когда напряжение на входах может различаться. Но что будет, если они будут равны? Что нам покажет Proteus в этом случае? Хм, показал +Uпит.

А что покажет Falstad? Ноль Вольт.

Кому верить? Никому! В реале, такое сделать невозможно, чтобы на два входа загнать абсолютно равные напряжения. Поэтому такое состояние ОУ будет неустойчивым и значения на выходе могут принимать значения или -E Вольт, или +E Вольт.

Давайте подадим синусоидальный сигнал амплитудой в 1 Вольт и частотой в 1 килоГерц на НЕинвертирующий вход, а инвертирующий посадим на землю, то есть на ноль.

Смотрим, что имеем на виртуальном осциллографе:

Что можно сказать в этом случае? Когда синусоидальный сигнал находится в отрицательной области, на выходе ОУ у нас -Uпит, а когда синусоидальный сигнал находится в положительной области, то и на выходе имеем +Uпит. Также обратите внимание на то, что напряжение на выходе ОУ не может резко менять свое значение. Поэтому, в ОУ есть такой параметр, как скорость нарастания выходного напряжения V Uвых .

Этот параметр показывает насколько быстро может измениться выходное напряжение ОУ при работе в импульсных схемах. Измеряется в Вольт/сек. Ну и как вы поняли, чем больше значение этого параметра, тем лучше ведет себя ОУ в импульсных схемах. Для LM358 этот параметр равен 0,6 В/мкс.

При участии Jeer

Было показано, что при использовании операционного усилителя в различных схемах включения, усиление каскада на одном операционном усилителе (ОУ), зависит только от глубины обратной связи. Поэтому в формулах для определения усиления конкретной схемы не используется коэффициент усиления самого, если так можно выразиться, «голого» ОУ. То есть как раз тот огромный коэффициент, который указывается в справочниках.

Тогда вполне уместно задать вопрос: «Если от этого огромного «справочного» коэффициента не зависит конечный результат (усиление), тогда в чем же разница между ОУ с усилением в несколько тысяч раз, и с таким же ОУ, но с усилением в несколько сотен тысяч и даже миллионов?».

Ответ достаточно простой. И в том и в другом случае результат будет одинаковый, усиление каскада будет определяться элементами ООС, но во втором случае (ОУ с большим усилением) схема работает более стабильно, более точно, быстродействие таких схем намного выше. Неспроста ОУ делятся на ОУ общего применения и высокоточные, прецизионные.

Как уже было сказано свое название «операционные» рассматриваемые усилители получили в то далекое время, когда в основном применялись для выполнения математических операций в аналоговых вычислительных машинах (АВМ). Это были операции сложения, вычитания, умножения, деления, возведения в квадрат и еще множества других функций.

Эти допотопные ОУ выполнялись на электронных лампах, позднее на дискретных транзисторах и прочих радиодеталях. Естественно, габариты даже транзисторных ОУ были достаточно велики, чтобы использовать их в любительских конструкциях.

И только после того, как благодаря достижениям интегральной электроники, ОУ стали размером с обычный маломощный транзистор, то использование этих деталей в бытовой аппаратуре и любительских схемах стало оправданным.

Кстати, современные ОУ, даже достаточно высокого качества, по цене ненамного выше двух - трех транзисторов. Это утверждение касается ОУ общего применения. Прецизионные усилители могут стоить несколько дороже.

По поводу схем на ОУ сразу стоит сделать замечание, что все они рассчитаны на питание от двухполярного источника питания. Такой режим является для ОУ наиболее «привычным», позволяющим усиливать не только сигналы переменного напряжения, например синусоиду, но также и сигналы постоянного тока или попросту напряжение.

И все-таки достаточно часто питание схем на ОУ производится от однополярного источника. Правда, в этом случае не удается усилить постоянное напряжение. Но часто случается, что в этом просто нет необходимости. О схемах с однополярным питанием будет рассказано далее, а пока продолжим о схемах включения ОУ с двухполярным питанием.

Напряжение питания большинства ОУ чаще всего находится в пределах ±15В. Но это вовсе не значит, что это напряжение нельзя сделать несколько ниже (выше не рекомендуется). Многие ОУ весьма стабильно работают начиная от ±3В, а некоторые модели даже ±1,5В. Такая возможность указывается в технической документации (DataSheet).

Повторитель напряжения

Является самым простым по схемотехнике устройством на ОУ, его схема показана на рисунке 1.

Рисунок 1. Схема повторителя напряжения на операционном усилителе

Нетрудно видеть, что для создания такой схемы не понадобилось ни одной детали, кроме собственно ОУ. Правда, на рисунке не показано подключение питания, но такое начертание схем встречается сплошь и рядом. Единственное, что хотелось бы заметить, - между выводами питания ОУ (например для ОУ КР140УД708 это выводы 7 и 4) и общим проводом следует подключить емкостью 0,01…0,5мкФ.

Их назначение в том, чтобы сделать работу ОУ более стабильной, избавиться от самовозбуждения схемы по цепям питания. Конденсаторы должны быть подключены по возможности ближе к выводам питания микросхемы. Иногда один конденсатор подключается из расчета на группу из нескольких микросхем. Такие же конденсаторы можно увидеть и на платах с цифровыми микросхемами, назначение их то же самое.

Коэффициент усиления повторителя равен единице, или, сказать по- другому, никакого усиления и нет. Тогда зачем нужна такая схема? Здесь вполне уместно вспомнить, что существует транзисторная схема - эмиттерный повторитель, основное назначение которого согласование каскадов с различными входными сопротивлениями. Подобные каскады (повторители) называют еще буферными.

Входное сопротивление повторителя на ОУ рассчитывается как произведение входного сопротивления ОУ на его же коэффициент усиления. Например, для упомянутого УД708 входное сопротивление составляет приблизительно 0,5МОм, коэффициент усиления как минимум 30 000, а может быть и более. Если эти числа перемножить, то входное сопротивление получается, 15ГОм, что сравнимо с сопротивлением не очень качественной изоляции, например бумаги. Такого высокого результата вряд ли удастся достигнуть с обычным эмиттерным повторителем.

Чтобы описания не вызывали сомнения, ниже будут приведены рисунки, показывающие работу всех описываемых схем в программе - симуляторе Multisim. Конечно все эти схемы можно собрать на макетных платах, но ничуть не худшие результаты можно получить и на экране монитора.

Собственно, тут даже несколько лучше: совсем не надо лезть куда-то на полку, чтобы поменять резистор или микросхему. Здесь все, даже измерительные приборы, находится в программе, и «достается» при помощи мышки или клавиатуры.

На рисунке 2 показана схема повторителя, выполненная в программе Multisim.

Рисунок 2.

Исследование схемы провести достаточно просто. На вход повторителя от функционального генератора подан синусоидальный сигнал частотой 1КГц и амплитудой 2В, как показано на рисунке 3.

Рисунок 3.

Сигнал на входе и выходе повторителя наблюдается осциллографом: входной сигнал отображается лучом синего цвета, выходной луч - красный.

Рисунок 4.

А почему, спросит внимательный читатель, выходной (красный) сигнал в два раза больше входного синего? Все очень просто: при одинаковой чувствительности каналов осциллографа обе синусоиды с одной амплитудой и фазой сливаются в одну, прячутся друг за друга.

Для того чтобы разглядеть из сразу обе, пришлось снизить чувствительность одного из каналов, в данном случае входного. В результате синяя синусоида стала на экране ровно вдвое меньше, и перестала прятаться за красную. Хотя для достижения подобного результата можно просто сместить лучи органами управления осциллографа, оставив чувствительность каналов одинаковой.

Обе синусоиды расположены симметрично относительно оси времени, что говорит о том, что постоянная составляющая сигнала равна нулю. А что будет, если к входному сигналу добавить небольшую постоянную составляющую? Виртуальный генератор позволяет сдвинуть синусоиду по оси Y. Попробуем сдвинуть ее вверх на 500мВ.

Рисунок 5.

Что из этого получилось показано на рисунке 6.

Рисунок 6.

Заметно, что входная и выходная синусоиды поднялись вверх на полвольта, при этом ничуть не изменившись. Это говорит о том, что повторитель в точности передал и постоянную составляющую сигнала. Но чаще всего от этой постоянной составляющей стараются избавиться, сделать ее равной нулю, что позволяет избежать применения таких элементов схемы, как межкаскадные разделительные конденсаторы.

Повторитель это, конечно, хорошо и даже красиво: не понадобилось ни одной дополнительной детали (хотя бывают схемы повторителей и с незначительными «добавками»), но ведь усиления никакого не получили. Какой же это тогда усилитель? Чтобы получился усилитель достаточно добавить всего несколько деталей, как это сделать будет рассказано дальше.

Инвертирующий усилитель

Для того, чтобы из ОУ получился инвертирующий усилитель достаточно добавить всего два резистора. Что из этого получилось, показано на рисунке 7.

Рисунок 7. Схема инвертирующего усилителя

Коэффициент усиления такого усилителя рассчитывается по формуле K=-(R2/R1). Знак «минус» говорит не о том, что усилитель получился плохой, а всего лишь, что выходной сигнал будет противоположен по фазе входному. Недаром усилитель и называется инвертирующим. Здесь было бы уместно вспомнить транзистор включенный по схеме с ОЭ. Там тоже выходной сигнал на коллекторе транзистора находится в противофазе с входным сигналом, поданным на базу.

Вот тут как раз и стоит вспомнить, сколько усилий придется приложить, чтобы на коллекторе транзистора получить чистую неискаженную синусоиду. Требуется соответствующим образом подобрать смещение на базе транзистора. Это, как правило, достаточно сложно, зависит от множества параметров.

При использовании ОУ достаточно просто подсчитать сопротивление резисторов согласно формулы и получить заданный коэффициент усиления. Получается, что настройка схемы на ОУ намного проще, чем настройка нескольких транзисторных каскадов. Поэтому не надо бояться, что схема не заработает, не получится.

Рисунок 8.

Здесь все так же, как и на предыдущих рисунках: синим цветом показан входной сигнал, красным он же после усилителя. Все соответствует формуле K=-(R2/R1). Выходной сигнал находится в противофазе с входным (что соответствует знаку «минус» в формуле), и амплитуда выходного сигнала ровно в два раза больше входного. Что также справедливо при соотношении (R2/R1)=(20/10)=2. Чтобы сделать коэффициент усиления, например, 10 достаточно увеличить сопротивление резистора R2 до 100КОм.

На самом деле схема инвертирующего усилителя может быть несколько сложнее, такой вариант показан на рисунке 9.

Рисунок 9.

Здесь появилась новая деталь - резистор R3 (скорее она просто пропала из предыдущей схемы). Его назначение в компенсации входных токов реального ОУ с тем, чтобы уменьшить температурную нестабильность постоянной составляющей на выходе. Величину этого резистора выбирают по формуле R3=R1*R2/(R1+R2).

Современные высокостабильные ОУ допускают подключение неинвертирующего входа на общий провод напрямую без резистора R3. Хотя присутствие этого элемента ничего плохого и не сделает, но при теперешних масштабах производства, когда на всем экономят, этот резистор предпочитают не ставить.

Формулы для расчета инвертирующего усилителя показаны на рисунке 10. Почему на рисунке? Да просто для наглядности, в строке текста они смотрелись бы не так привычно и понятно, были бы не столь заметны.

Рисунок 10.

Про коэффициент усиления было сказано ранее. Здесь заслуживают внимания разве что входные и выходные сопротивления неинвертирующего усилителя. С входным сопротивлением все, вроде, ясно: он получается равным сопротивлению резистора R1, а вот выходное сопротивление придется посчитать, по формуле, показанной на рисунке 11.

Буквой K” обозначен справочный коэффициент ОУ. Вот, пожалуйста, посчитайте чему будет равно выходное сопротивление. Получится достаточно маленькая цифра, даже для среднего ОУ типа УД7 при его K” равным не более 30 000. В данном случае это хорошо: ведь чем ниже выходное сопротивление каскада (это касается не только каскадов на ОУ), тем более мощную нагрузку, в разумных, конечно, пределах, к этому каскаду можно подключить.

Следует сделать отдельное замечание по поводу единицы в знаменателе формулы для расчета выходного сопротивления. Предположим, что соотношение R2/R1 будет, например, 100. Именно такое отношение получится в случае коэффициента усиления инвертирующего усилителя 100. Получается, что если эту единицу отбросить, то особо ничего не изменится. На самом деле это не совсем так.

Предположим, что сопротивление резистора R2 равно нулю, как в случае с повторителем. Тогда без единицы весь знаменатель превращается в нуль, и таким же нулевым будет выходное сопротивление. А если потом этот нуль окажется где-то в знаменателе формулы, как на него прикажете делить? Поэтому от этой вроде бы незначительной единицы избавиться просто невозможно.

В одной статье, даже достаточно большой, всего не написать. Поэтому придется все, что не уместилось рассказать в следующей статье. Там будет описание неинвертирующего усилителя, дифференциального усилителя, усилителя с однополярным питанием. Также будет приведено описание простых схем для проверки ОУ.