Операционный усилитель

Что такое операционный усилитель

ОУ – интегральная микросхема (ИМС), основным предназначением которой является усиление значения постоянного тока. Она имеет только один выход, который называется дифференциальным. Этот выход обладает высоким коэффициентом, усиливающим сигнал (Kу). ОУ в основном применяются при построении схем с отрицательной обратной связью (ООС), которая при основной ТХ по усилению и определяет Kу исходной схемы. ОУ применяются не только в виде отдельных ИМС, но и в разных блоках сложных устройств.

У ОУ 2 входа и 1 выход, а также есть выводы для подключения источника питания (ИП). Принцип действия операционного усилителя прост. Существует 2 правила, взятых за основу. Правила описывают простые процессы работы ИМС, происходящие в ОУ, и как работает ИМС, понятно даже чайникам. На выходе разность напряжений (U) равна 0, а входы ОУ почти не потребляют ток (I). Один вход называется неинвертирующим (V+), а другой является инвертирующим (V-). Кроме того, входы ОУ обладают высоким сопротивлением (R) и практически не потребляют I.

Чип сравнивает значения U на входах и выдает сигнал, предварительно усиливая его. Kу ОУ имеет высокое значение, достигающее 1000000. Если произойдет подача низкого U на вход, то на выходе возможно получить величину, равную U источника питания (Uип). Если U на входе V+ больше, чем на V-, то на выходе получится максимальное положительное значение. При запитывании положительным U инвертирующего входа на выходе будет максимальная величина отрицательного напряжения.

Основным требованием для работы ОУ является применение двухполярного ИП. Возможно применение однополярного ИП, но при этом возможности ОУ сильно ограничиваются. Если использовать батарейку и принять за 0 ее плюсовую сторону, то при измерении значений получится 1,5 В. Если взять 2 батарейки и соединить их последовательно, то произойдет сложение U, т.е. прибор покажет 3 В.

Если принять за ноль минусовой вывод батарейки, то прибор покажет 3 В. В другом случае, если принять за 0 плюсовой вывод, то получается -3 В. При использовании в качестве нуля точки между двумя батарейками получится примитивный двухполярный ИП. Проверить исправность ОУ можно только при подключении его в схему.

Виды и обозначения на схеме

С развитием электросхемотехники операционные усилители постоянно совершенствуются и появляются новые модели.

Классификация по сферам применения:

1. Индустриальные – дешевый вариант.
2. Презиционные (точная измерительная аппаратура).
3. Электрометрические (малое значение Iвх).
4. Микромощные (потребление малого I питания).
5. Программируемые (токи задаются при помощи I внешнего).
6. Мощные или сильноточные (отдача большего значения I потребителю).
7. Низковольтные (работают при U<3 В).
8. Высоковольтные (рассчитаны на высокие значения U).
9. Быстродействующие (высокая скорость нарастания и частота усиления).
10. С низким уровнем шума.
11. Звуковой тип (низкий коэффициент гармоник).
12. Для двухполярного и однополярного типа электрического питания.
13. Разностные (способны измерять низкие U при высоких помехах). Применяются в шунтах.
14. Усилительные каскады готового типа.
15. Специализированные.

По входным сигналам ОУ делятся на 2 типа:

1. С 2 входами.
2. С 3 входами. 3 вход применяется для расширения функциональных возможностей. Обладает внутренней ООС.

Схема операционного усилителя достаточно сложная, и не имеет смысла его изготавливать, а радиолюбителю нужно только знать правильную схему включения операционного усилителя, но для этого следует понимать расшифровку его выводов.

Основные обозначения выводов ИМС:

1. V+ – неинвертирующий вход.
2. V- – инвертирующий вход.
3. Vout – выход.Vs+ (Vdd, Vcc, Vcc+) – плюсовая клемма ИП.
4. Vs- (Vss, Vee, Vcc-) – минус ИП.

Практически в любом ОУ присутствуют 5 выводов. Однако в некоторых разновидностях может отсутствовать V-. Существуют модели, которые обладают дополнительными выводами, которые расширяют возможности ОУ.

Выводы для питания необязательно обозначать, т.к. это увеличивает читабельность схемы. Вывод питания от положительной клеммы или полюса ИП располагают вверху схемы.

Основные характеристики

ОУ, как и другие радиодетали, имеют ТХ, которые можно разделить на типы:

1. Усилительные.
2. Входные.
3. Выходные.
4. Энергетические.
5. Дрейфовые.
6. Частотные.
7. Быстродействие.

Коэффициент усиления является основной характеристикой ОУ. Он характеризуется отношением выходного сигнала ко входному. Его еще называют амплитудной, или передаточной ТХ, которая представлена в виде графиков зависимости. К входным относятся все величины для входа ОУ: Rвх, токи смещения (Iсм) и сдвига (Iвх), дрейф и максимальное входное дифференциальное U (Uдифмакс).
Iсм служит для работы ОУ на входах. Iвх нужен для функционирования входного каскада ОУ. Iвх сдвига – разность Iсм для 2 входных полупроводников ОУ.

Во время построения схем нужно учитывать эти I при подключении резисторов. Если Iвх не учитывать, то это может привести к созданию дифференциального U, которое приведет к некорректной работе ОУ.
Uдифмакс – U, которое подается между входами ОУ. Его величина характеризует исключение повреждения полупроводников каскада дифференциального исполнения.

Для надежной защиты между входами ОУ подключаются встречно-параллельно 2 диода и стабилитрона. Дифференциальное входное R характеризуется R между двумя входами, а синфазное входное R – величина между 2 входами ОУ, которые объединены, и массой (земля). К выходным параметрам ОУ относятся выходное R (Rвых), максимальное выходное U и I. Параметр Rвых должен быть меньшим по значению для обеспечения лучших характеристик усиления.

Для достижения маленького Rвых нужно применять эмиттерный повторитель. Iвых изменяется при помощи коллекторного I. Энергетические ТХ оцениваются максимальной мощностью, которую потребляет ОУ. Причина некорректной работы ОУ – разброс ТХ полупроводников дифференциального усилительного каскада, зависящего от температурных показателей (температурный дрейф). Частотные параметры ОУ являются основными. Они способствуют усилению гармонических и импульсных сигналов (быстродействие).

В ИМС ОУ общего и специального вида включается конденсатор, предотвращающий генерацию высокочастотных сигналов. На частотах с низким значением схемы обладают большим коэффициентом Kу без обратной связи (ОС). При ОС используется неинвертирующее включение. Кроме того, в некоторых случаях, например при изготовлении инвертирующего усилителя, ОС не используется. Кроме того, у ОУ есть динамические характеристики:

1. Скорость нарастания Uвых (СН Uвых).
2. Время установления Uвых (реакция ОУ при скачке U).

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.

Основная инвертирующая схема включения ОУ

123

Операционные усилители.

В современной измерительной аппаратуре в качестве линейных усилителей используются операционные усилители. Легкость их применения, стабильность рабочих характеристик и способность выполнять различные преобразования сигнала делает ОУ идеальным выбором для аналоговых схем. Исторически ОУ получили свое развитие в области аналогового вычисления, где эти схемы разрабатывались для суммирования, вычитания, умножения, интегрирования, дифференцирования и т.д., с целью решения дифференциальных уравнений во многих технических задачах. Сегодня аналоговые вычислительные устройства в основном заменены цифровыми, однако высокие функциональные возможности ОУ по-прежнему находят себе применение и поэтому их используют во многих электронных схемах и приборах, в частности, аналого-цифровых и цифро-аналоговых преобразователях.

На рис.1.1 показаны условные обозначения ОУ.

а) б) в)

Рис.1.1. Условнее обозначения ОУ

Обозначения а) и б) часто встречаются в литературе, в) – условное графическое обозначение на принципиальных электрических схемах.

Условное обозначение ОУ (рис. 1.1) — треугольник, у которого на стороне основания слева показаны два входа, а справа в вершине— выход. Вход со знаком «+» является неинвертирующим, при подаче входного сигнала на этот вход полярность сигнала на выходе остается той же, что и на входе; вход со знаком «—» инвертирующий, при подаче сигнала на этот вход на выходе его полярность меняется на противоположную.

Разность напряжений на входах ОУ (е++е_) называют дифференциальным (разностным) входным сигналом ОУ, а полусумму этих напряжений (е++е_)/2 — синфазным входным сигналом. Синфазный входной сигнал определяет ту составляющую входных сигналов, которая является общей для обоих входов ОУ.

Операционный усилитель тем точнее будет реализовать заданную для него конкретной схемой включения функцию, чем ближе его параметры будут приближаться к параметрам идеального операционного усилителя.

Идеальный ОУ характеризуется следующими свойствами электрических параметров:

1. Коэффициент усиления напряжения со стороны неинвертирующего входа положителен.

2. Коэффициент усиления напряжения со стороны инвертирующего входа отрицателен.

3. Входное сопротивление неограниченно велико (RBX=∞).

4. Выходное сопротивление Rвых равно нулю.

5. Коэффициент усиления напряжения неограниченно велик (К=∞).

6. Ширина полосы пропускания бесконечно велика.

7. Uвых=К(е+-е_).

8. Uвых=0, если е+=е_.

9. Выходная характеристика линейна и симметрична относительно нулевого уровня.

Достижение этих показателей и есть основное требование к ОУ.

Реально идеальных ОУ не существует; например, создать усилитель с бесконечной полосой пропускания даже при конечном коэффициенте усиления невозможно.

В зависимости от конкретного применения ОУ в реальных устройствах к ним предъявляют и дополнительные требования, связанные со спецификой данного устройства.

Большое Rвx свидетельствует о том, что практически на входе ОУ не потребляется энергия от источника сигнала, что ко входу ОУ может быть подключен источник сигнала с любым внутренним сопротивлением. Очень малое сопротивление Rвых позволяет подключить к выходу ОУ низкоомную нагрузку, при этом потери мощности на выходном сопротивлении ОУ будут незначительны.

Наличие низкого уровня шума означает, что реальная чувствительность ОУ очень велика, что ОУ способен усиливать самые слабые сигналы.

Основная инвертирующая схема включения ОУ

На рис.1.2 приведена основная инвертирующая схема включения ОУ.

Рис.1.2. Основная инвертирующая схема включения ОУ

Выход ОУ соединен с инвертирующим входом сопротивлением обратной связи RОС. Сигнал подается на инвертирующий вход через сопротивление R1. Исходя из свойств ОУ (бесконечный коэффициент усиления), делаем вывод, что при конечном напряжении на выходе разность потенциалов в трчках А и В равна нулю. Т.к. потенциал точки В равен нулю (соединение с землей), то и потенциал точки А тоже равен нулю. Этот факт дает основание считать точку А кажущейся землей, поскольку прямого соединения с землей эта точка не имеет.

Отсюда следует, что ток во входной цепи определяется только сопротивлением R1: i=uВХ/R1. Из-за бесконечного входного сопротивления ОУ на вход усилителя ток не ответвляется и полностью протекает по сопротивлению ОС RОС. Отсюда: . Подставив сюда значение тока, получим: . Следовательно, коэффициент усиления:

(1.1)

Входное сопротивление каскада равно R1.

Суммирующий усилитель

Наличие точки кажущейся земли позволяет строить при помощи ОУ суммирующие усилители (рис.1.3).

Рис.1.3. Суммирующий усилитель

Вследствие того, что потенциал в точке А равен нулю, входные токи не влияют друг на друга и определяются только параметрами входных цепей:

Эти токи суммируются в цепи обратной связи: .

Подставим значения токов: , отсюда:

Идеальный операционный усилитель и его свойства

Так как наш мир не является идеальным, так и идеальных операционных усилителей не существует. Однако параметры современных ОУ находятся на достаточно высоком уровне, поэтому анализ схем с идеальными ОУ даёт результаты, очень близкие к реальным усилителям.

Для понимания работы схем с операционными усилителями вводится ряд допущений, которые приводят реальные операционные усилители к идеальным усилителям. Таких допущений всего пять:

1. Ток, протекающий через входы ОУ, принимается равным нулю.
2. Коэффициент усиления ОУ принимается бесконечно большим, то есть выходное напряжение усилителя может достичь любых значений, однако в реальность ограничено напряжением питания.
3. Разность напряжений между входами идеального ОУ равна нулю, то есть если один из выводов соединён с землёй, то и второй вывод имеет такой же потенциал. Отсюда также следует, что входное сопротивление идеального усилителя бесконечно.
4. Выходное сопротивление идеального ОУ равно нулю.
5. Амплитудно-частотная характеристика идеального ОУ является плоской, то есть коэффициент усиления не зависит от частоты входного сигнала.

Близость параметров реального операционного усилителя к идеальным определяет точность, с которой может работать данный ОУ, а также выяснить ценность конкретного операционного усилителя, быстро и правильно сделать выбор подходящего ОУ.

Исходя из вышеописанных допущений, появляется возможность проанализировать и вывести соотношения для основных схем включения операционного усилителя.

Неинвертирующий усилитель

Неинвертирующий усилитель характеризуется тем, что входной сигнал поступает на неинвертирующий вход операционного усилителя. Данная схема включения изображена ниже

Схема включения неинвертирующего усилителя.

Работа данной схемы объясняется следующим образом, с учётом характеристик идеального ОУ. Сигнала поступает на усилитель с бесконечным входным сопротивлением, а напряжение на неинвертирующем входе имеет такое же значение, как и на инвертирующем входе. Ток на выходе операционного усилителя создает на резисторе R2 напряжение, равное входному напряжению.

Таким образом, основные параметры данной схемы описываются следующим соотношением

 

Отсюда выводится соотношение для коэффициента усиления неинвертирующего усилителя

Таким образом, можно сделать вывод, что на коэффициент усиления влияют только номиналы пассивных компонентов.

Необходимо отметить особый случай, когда сопротивление резистора R2 намного больше R1 (R2 >> R1), тогда коэффициент усиления будет стремиться к единице. В этом случае схема неинвертирующего усилителя превращается в аналоговый буфер или операционный повторитель с единичным коэффициентом передачи, очень большим входным сопротивлением и практически нулевым выходным сопротивлением. Что обеспечивает эффективную развязку входа и выхода.

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.

Экспоненциальный преобразователь

Схема экспоненциального преобразователь получается из логарифмического преобразователя путём перемены места диода и резистора в схеме. А работа такой схемы так же как и логарифмического преобразователя основана на логарифмической зависимости между падение напряжения на диоде и током протекающим через диод. Схема экспоненциального преобразователя показана ниже

Экспоненциальный преобразователь.

Работа схемы описывается известными выражениями

 

Таким образом, выходное напряжение составит

Также как и логарифмический преобразователь, простейший экспоненциальный преобразователь с диодом на входе применяют редко, вследствие вышеописанных причин, поэтому вместо диодов на входе используют биполярные транзисторы в диодном включении или с общей базой.

Схемы включения операционных усилителей, описанные выше, не являются исчерпывающими, а лишь только призваны дать основные понятия. Более подробно схемы включения операционных усилителей я рассмотрю в следующих статьях. Всем удачи.

Теория это хорошо, но без практического применения это просто слова.Здесь можно всё сделать своими руками.