Виды операционных усилителей: Операционные усилители в автомобиле | Автомобильный справочник

Содержание

Операционные усилители в автомобиле | Автомобильный справочник

 

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

 

Содержание

 

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

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

 

Принципы работы операционного усилителя

 

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

UA= AD·UD

где AD — коэффициент усиления при разомкну­той цепи обратной связи. Операционный усили­тель подключается к источникам положитель­ного и отрицательного напряжений питания относительно общего вывода.

В случае одно­полярного питания общий вывод соединяется с отрицательным выводом источника питания. Напряжения питания обычно на схемах не по­казываются, однако, разумеется, они необхо­димы для нормальной работы усилителя.

 

 

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

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

 

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

 

Компоновка схемы: отрицательная и поло­жительная обратная связь

 

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

Отрицательная и положительная обратная связь» ).

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

В отличие от отрицательной обратной связи положительная обратная связь спо­собствует изменению выходного напряже­ния. Таким образом, выходное напряжение UA усиливается положительной обратной связью, т.е. напряжение UD

при изменении напряжения UA возрастает и, следовательно, отлично от нуля. Таким образом, выходное напряжение UA может принимать только два стационарных значения, т.е. максимальное или минимальное значение.

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

UA = AD·UD = AD(UE-k·UA)

и общий коэффициент усиления

A=UA /UE = AD /(1+k·AD )≈1/k

Таким образом, становится ясно, что, несмо­тря на очень высокий коэффициент усиления при разомкнутой цепи обратной связи

АD, при помощи отрицательной обратной связи мо­жет быть получен конечный коэффициент усиления А. Это более детально поясняется на приведенных ниже примерах.

 

Идеальный и реальный операционные усилители

 

Сначала суммируем характеристики идеаль­ного операционного усилителя, показанного на рис. «Идеальный операционный усилитель«:
  • Синфазное входное сопротивление между входом и землей, где: rGL_P = UP/IP; rGL_N = UN/IN. В общем случае значение rGL можно проигнорировать.
  • Дифференциальное входное сопротив­ление между двумя входами; здесь: rD = (UP
    -UN)/IP. rD увеличивается за счет от­рицательной обратной связи.
  • Дифференциальное выходное сопротив­ление rA = dUA/dIA. rA — за счет отрицатель­ной обратной связи снижается.
  • Напряжение смещения Uos — количествен­ная характеристика того факта, что даже в случае короткого замыкания между двумя входами (т. е. UD = 0) выходное напряжение UA не равно нулю.
  • Коэффициент ослабления синфазного сигнала (CMRR): количественная характе­ристика, описывающая изменение выход­ного напряжения UA при одновременном синхронном изменении входных напряже­ний UP и UN (в случае синфазных перио­дических входных сигналов), т.е., когда UD остается постоянным.
  • Коэффициент подавления пульсаций питания (PSRR): количественная характеристика, опи­сывающая изменение выходного напряжения U
    A
    при изменении напряжений питания.

 

Поэтому основные идеализации заключа­ются в следующем:

  • Коэффициент усиления при разомкнутой цепи обратной связи АD приближается к бес­конечности; в случае отрицательной обрат­ной связи имеет место следующее: UD = 0.
  • Входные токи IN и IР приближаются к нулю.
  • Если IN и IР близки к нулю, это означает, что синфазное и дифференциальное вход­ные сопротивления приближаются к бес­конечности.
  • Напряжение смещения Uos приближается к нулю.
  • Выходное сопротивление RA приближа­ется к нулю.
  • Коэффициент ослабления синфазного сигнала (CMRR) приближается к бесконеч­ности, т.е. в случае равного и синфазного изменения напряжений UP и UN, UА оста­ется неизменным.
  • Коэффициент ослабления пульсаций пи­тания (PSRR) приближается к бесконечно­сти, т.е. в случае изменения напряжения питания, UА остается неизменным.
  • Поведение усилителя не зависит от ча­стоты.

 

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

  • Коэффициент усиления при разомкнутой цепи обратной связи АD лежит в диапазоне от 104 до 107.
  • Входные токи IN и IР лежат в диапазоне от 10 пА до 2 мкА.
  • Синфазное входное сопротивление лежит в диапазоне от 106 до 1012 Ом, а дифферен­циальное входное сопротивление дости­гает 10
    12
    Ом.
  • Выходное сопротивление RA лежит в диа­пазоне от 2 до 50 Ом.
  • Коэффициент ослабления синфазного сигнала (CMRR) лежит в диапазоне от 60 до 140 дБ.
  • Коэффициент ослабления пульсаций пи­тания (PSRR) лежит в диапазоне от 60 до 100 дБ.
  • Поведение усилителя зависит от частоты (пропускание низких частот).

 

Основные схемы включения операционных усилителей

 

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

 

Инвертирующий операционный усилитель

 

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

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

IR1=U1/R1, IR2=-U2/R2

где IR1=IR2 , отсюда следует:

UA=(-R2/R1)·U1

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

 

Неинвертирующий операционный усилитель

 

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

Неинвертирующий усилитель» ).

За счет отрицательной обратной связи, UD = 0. Поскольку IR1 = IR2, в соответствии с делителем напряжения, состоящим из сопротивлений R1 и R2 имеет место следующее соотношение:

UA= (R1/(R1+ R2))·UA

Отсюда следует, что :

U1= ((R1+ R2)/R)·U=(1+R2/R)·U1

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

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

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

 

Вычитающий операционный усилитель

 

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

UА=R1/R2(U2-U1)

 

Измерительный усилитель

 

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

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

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

В соответствии с правилом отрицательной обратной связи разность напряжений на ин­вертирующем и неинвертирующем входах равна нулю. В каждом случае ток I может протекать через резисторы R и R’, поскольку входные токи IN1 и IN2 могут быть проигнори­рованы. Имеет место следующее:

I=(U1-U2)/R’ =(UA1-UA2)/(2R+R’),

таким образом

UA1-UA2 = (U1-U2)·(2R/R’+1)

Таким образом, усиленная разность двух напряжений U1 и U2 получается, как раз­ность напряжений UD на двух выходах двух операционных усилителей. Для вывода этого напряжения UD, как выходного напряжения относительно массы UА может быть последо­вательно подключен вычитающий усилитель (см. рис. «Вычитающий усилитель» ), где UA1 подается вместо U1 и UА2 подается вместо U2.

 

Важные характеристики операционных усилителей

 

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

 

Диапазон температур

 

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

 

Напряжение смещения

 

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

Напряжение Uos называется напряжением смещения. Это напряжение действует подобно напряжению внешнего ис­точника UD и складывается с ним. Напряже­ние смещения U0s может быть определено как напряжение на входе, необходимое для того, чтобы выходное напряжение UA было равно нулю (см. рис. «Напряжение смещения» ). Необходимость напряже­ния смещения Uos вытекает, среди прочего, из асимметрии внутренних входных цепей опе­рационного усилителя. Величина напряжения смещения составляет от нескольких мкВ до нескольких мВ.

Однако, так же как напряжение смещения U0s, большое значение имеют температур­ный эффект и долгосрочная стабильность. Некоторые операционные усилители предла­гают возможность компенсации напряжения смещения при помощи внешних цепей (при условии, что эта компенсация не реализована внутренними мерами). В этой связи важно от­метить, что вследствие температурного эф­фекта может иметь место дрейф входного напряжения; так, паяные соединения могут действовать как термопары с выходным на­пряжением от 10 до 100 мВ/К.

 

Входные сопротивления и токи

 

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

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

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

 

Выходное сопротивление

 

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

 

Скорость нарастания выходного напряжения

 

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

 

Уровень шума операционного усилителя

 

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

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

UR =UR’√В 

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

U’R,tot = √(UR1)2+(URm)2

Здесь m — количество элементов — источни­ков шума.

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

 

РЕКОМЕНДУЮ ЕЩЁ ПОЧИТАТЬ:

Назначение портала | iLab

Регламент сайта | Авторские права

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

Портал состоит из нескольких разделов:

1) Новости

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

2) Журнал

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

3) Группы

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

 

Соглашение об авторских правах

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

что это такое, принцип работы, схемы включения

В радиоэлектронике и микросхемотехнике широкое распространение получил операционный усилитель (ОУ). Он обладает отличными техническими характеристиками (ТХ) по усилению сигналов. Чтобы понять сферы применения ОУ, нужно узнать его принцип действия, схему подключения и основные ТХ.

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.

Описание операционного усилителя: определение, схемы, принцип работы

 Определение операционного усилителя

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

Васильев Дмитрий Петрович

Профессор электротехники СПбГПУ

Задать вопрос

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

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

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

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

Абрамян Евгений Павлович

Доцент кафедры электротехники СПбГПУ

Задать вопрос

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

Схемы операционного усилителя

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Лекция 9 Основные виды схем на основе операционных усилителей

Операционные усилители (ОУ) в настоящее время используются в самых различных электронных устройствах. Их широко применяют как в аналоговых, так и в импульсных устройствах электроники. В то же время существуют и часто используются типовые линейные схемы на основе операционных усилителей.

При создании схем с операционными усилителями используется ряд допущений, принимаемых в предположении, что используемые операционные усилители достаточно близки к идеальным.

Примем следующие допущения:

  1. Входное сопротивление ОУ равно бесконечности, токи входных электродов равны нулю .

  2. Выходное сопротивление ОУ равно нулю, т. е. ОУ со стороны выхода является идеальным источником напряжения (Rвых=0).

  3. Коэффициент усиления по напряжению (коэффициент усиления дифференциального сигнала) равен бесконечности, а дифференциальный сигнал в режиме усиления равен нулю (при этом не допускается закорачивания выводов ОУ).

  4. В режиме насыщения напряжение на выходе равно по модулю напряжения питания, а знак определяется полярностью входного напряжения.

  5. Синфазный сигнал не действует на ОУ.

  6. Напряжение смещения нуля равно нулю.

Инвертирующий усилитель на основе оу

Рассмотрим схему инвертирующего усилителя (рис. 9.1), из которого видно, что в ней действует параллельная обратная связь по напряжению.

Рис. 9.1. Инвертирующий усилитель с параллельной обратной связью

по напряжению

Так как i = 0, то в соответствии с первым законом Кирхгофаi1 =i2.

Если ОУ работает в режиме усиления, то uдиф= 0. В соответствии с этим на основании второго закона Кирхгофа получим

,.

Учитывая, что i1 =i2, получаем

.

Например, если R1=1кОм,R2=10кОм, тогдаuвых = –10 ·uвх.

Для уменьшения влияния входных токов ОУ на выходное напряжение в цепь неинвертирующего входа включают резистор R3 (рис. 9.2), которое определяется из выражения

.

Входное сопротивление инвертирующего усилителя на низких частотах значительно ниже собственного входного сопротивления ОУ. Это подтверждает вывод о том, что параллельная отрицательная обратная связь уменьшает входное сопротивление.

Рис. 9.2. Операционный усилитель с обратной связью

Учитывая, что , входное сопротивление усилителя на низких частотах приблизительно равноR1.

Выходное сопротивление инвертирующего усилителя на низких частотах Rвых.оссущественно меньше выходного сопротивления на низких частотахRвыхсобственно операционного усилителя. Это является следствием действия отрицательной обратной связи по напряжению.

Можно показать, что

,

где К– коэффициент усиления по напряжению ОУ.

Неинвертирующий усилитель на основе оу

Рассмотрим схему неинвертирующего усилителя (рис. 9.3), где имеет место последовательная связь по напряжению.

В соответствии с ранее принятыми допущениями входные токи ОУ равны нулю, т. е. i=i+ = 0 и, следовательно,i1 =i2. Если ОУ работает в режиме усиления, тогдаuдиф= 0.

Рис. 9.3. Неинвертирующий усилитель на основе ОУ с обратной связью

На основании второго закона Кирхгофа получаем

,.

Неинвертирующий усилитель характеризуется коэффициентом усиления по напряжению

.

Коэффициент усиления усилителя, охваченный обратной связью, определяется выражением

.

При

.

Коэффициент βопределяется выражением

.

Таким образом, при

.

Пусть, например, R1=2кОм,R2=4кОмиuвх=2В.

Тогда

.

Входное сопротивление неинвертирующего усилителя на ОУ с обратной связью

,

причем при КRвх.ос→.

На входах операционного усилителя, использующегося в неинвертирующем усилителе, имеется синфазный сигнал, равный напряжению uвх. Это недостаток такого усилителя. В инвертирующем усилителе синфазный сигнал отсутствует.

1.1.   Устройство и внутренняя структура операционных усилителей

Операционный усилитель это электронный усилитель, предназначенный для различных операций над аналоговыми величинами в схемах с отрицательной обратной связью (ООС). Чаще под ОУ понимают усилитель постоянного тока (УПТ) с дифференциальным входом, большим коэффициентом усиления (K0), малыми входными токами (IВХ), большим входным сопротивлением (RВХ), малым выходным сопротивлением (RВЫХ), достаточно большой граничной частотой усиления (fГР), малым смещением нуля (UСМ). Под большими и малыми понимаются такие величины, которые в простых расчетах можно считать соответственно бесконечными или нулевыми (идеальный ОУ).

Входной каскад операционного усилителя (рис. 1.1) выполняется в виде дифференциального усилителя, так что операционный усилитель имеет два входа. Выходное напряжение (UВЫХ) находится в одной фазе с разностью входных напряжений:

UВЫХ = U1 – U2.

Чтобы обеспечить возможность работы как с положительными, так и с отрицательными входными сигналами, операционные усилители обычно питают от симметричных источников, обеспечивающих одинаковые по величине положительное и отрицательное напряжения (+UП, –UП) относительно нулевого провода («земли»). Для большинства современных ОУ напряжение питания можно менять в достаточно широких пределах от ± 3 до ± 18 В. В дальнейшем, рассматривая схемы на ОУ, мы, как правило, не будем указывать выводы питания.

Очень важным обстоятельством является то, что операционный усилитель почти всегда охвачен глубокой отрицательной обратной связью, свойства которой и определяют свойства схемы с ОУ.

Принцип введения отрицательной обратной связи иллюстрируется рис. 1.2.

Часть выходного напряжения возвращается через цепь обратной связи к входу усилителя. Если напряжение обратной связи (рис. 1.2) вычитается из входного напряжения, обратная связь называется отрицательной.

Для физического анализа схемы (см. рис. 1.2) допустим, что входное напряжение изменилось от нуля до некоторого положительного значения (UВХ). В первый момент выходное напряжение (UВЫХ), а следовательно, и напряжение обратной связи (ΔUВЫХ) также равны нулю. При этом напряжение, приложенное к входу операционного усилителя, составит:

UД = UВХ.

Так как это напряжение усиливается усилителем с большим коэффициентом усиления (KU), то выходное напряжение (UВЫХ) быстро возрастет до некоторого положительного значения и вместе с ним возрастет также напряжение обратной связи (ΔUВЫХ). Это приведет к уменьшению напряжения (UД), приложенного к входу усилителя. Тот факт, что выходное напряжение воздействует на входное напряжение, причем так, что это влияние направлено в сторону, противоположную изменениям входной величины, и есть проявление отрицательной обратной связи. После достижения устойчивого состояния выходное напряжение ОУ равно:

UВЫХ = KUUД = KU(UВХ – βUВЫХ).

Решив это уравнение относительно UВЫХ, получим:

KОС = UВЫХ/UВХ = KU/(1 + βKU)

При KU >>1 коэффициент усиления ОУ, охваченного обратной связью, составит:

KОС = 1/β

Из этого соотношения следует, что коэффициент усиления ОУ с обратной связью определяется почти исключительно только обратной связью и мало зависит от параметров самого усилителя.

В простейшем случае цепь обратной связи представляет собой резистивный делитель напряжения. При этом схема с ОУ работает как линейный усилитель, коэффициент усиления которого определяется только коэффициентом ослабления цепи обратной связи. Если в качестве цепи обратной связи применяется RC-цепь, то образуется активный фильтр. Наконец, включение в цепь обратной связи ОУ диодов и транзисторов позволяет реализовать нелинейные преобразования сигналов с высокой точностью.

Таким образом, основное назначение операционного усилителя построение схем с точно синтезированной передаточной функцией, которая зависит практически только от свойств цепи обратной связи (ОС). Н

Операционные усилители. Часть 1 | joyta.ru

Операционный усилитель (ОУ) — это основной элемент современной аналоговой электроники. Благодаря отличным характеристикам и простоте расчетов, ОУ очень легки в использовании. Операционные усилители еще называют дифференциальными усилителями, поскольку они могут усилить разность напряжений на входах.

Операционные усилители выпускаются как готовые микросхемы, иногда по одному, а иногда и по несколько штук в одном корпусе. Существует множество видов операционных усилителей, которые отличаются между собой техническими параметрами, что в конечном итоге влияет на целесообразность применения в конкретных схемах.

В теории операционный усилитель имеет идеальные параметры. На практике же их параметры стремятся к идеальным, но все же не достигают их. Использование понятия «идеального» операционного усилителя помогает упростить расчеты.

Этими идеальными параметрами являются:

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

Как вы можете видеть, такие параметры не могут быть обеспечены в полной мере, но из года в год ОУ реально все более и более приближаются к идеалу.

Есть несколько основных схем работы операционного усилителя:

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

Схема инвертирующего усилителя

Это основная схема, в которой работает ОУ. Работа операционного усилителя характеризуется не только усилением (или ослаблением) входного сигнала, но и изменением его фазы. Усиление обозначается буквой k. Приведенный ниже график показывает влияние операционного усилителя в такой схеме:

Синим цветом представлен график входного сигнала, а красным — график выходного сигнала, причем усиление системы составляет 2 (k=2). Как видно, амплитуда выходного сигнала в два раза выше, чем амплитуда входного сигнала, и также видно, что сигнал перевернут.

Схема такого усилителя достаточно проста, и представлена на следующем рисунке:

Hantek 2000 — осциллограф 3 в 1

Портативный USB осциллограф, 2 канала, 40 МГц….

Эта схема доказывает, почему операционные усилители являются настолько популярными. Для того, чтобы вычислить значения элементов нам достаточно использовать следующую формулу:

Как видно, резистор R3 не влияет на усиление схемы, и можно было бы обойтись без него, соединив положительный вход усилителя с минусом питания. В данном случае резистор R3 используется в качестве защиты.

Схема неинвертирующего усилителя

В схеме неинвертирующего усилителя ситуация очень схожа с инвертирующим усилителем, с той лишь разницей, что здесь не происходит инверсия сигнала, то есть фаза сохраняется. Приведенный ниже график показывает, что происходит с усиленным сигналом:

Так же, как и в предыдущей схеме, коэффициент усиления равен k=2, а на вход подан синусоидальный сигнал. Как видно, изменению подверглась только амплитуда сигнала.

Ниже приведена принципиальная схема использования операционного усилителя в качестве неинвертирующего усилителя:

Данная схема усилителя также является очень простой, здесь есть два резистора. Входной сигнал подается на положительный вход ОУ. Чтобы рассчитать усиление необходимо применить формулу:

Из формулы видно, что усиление не может быть меньше единицы, т. е. такая схема не позволяет подавить сигнал.

Операционный усилитель в схеме вычитания (дифференциальный усилитель)

Другим типом схемы использования ОУ является дифференциальный усилитель, который позволяет получить разность двух входных сигналов, которая впоследствии может быть усилена.  На графике, приведенном ниже, представлен принцип работы системы.

Следующая схема позволяет реализовать такую работу операционного усилителя:

Схема является более сложной по сравнению с предыдущими. Чтобы рассчитать напряжение на выходе, следует применить формулу:

 

Первая часть уравнения отвечает за усиление (или ослабление), а вторая часть — это разница двух напряжений.

Операционный усилитель в схеме сложения

Этот тип функции полностью противоположен функции вычитания. Его интересной особенностью является то, что здесь может быть обработано более двух сигналов. На этом принципе основаны все аудио микшеры.

Как видно на схеме можно суммировать множество сигналов, схема проста и интуитивно понятна. Для расчета используем формулу:

Операционный усилитель

: основы, типы и применение | Статья

.

СТАТЬЯ


Получайте ценные ресурсы прямо на ваш почтовый ящик — рассылается один раз в месяц

Мы ценим вашу конфиденциальность

Что такое операционный усилитель?

Операционный усилитель (ОУ) — это блок аналоговой схемы, который принимает входное дифференциальное напряжение и выдает несимметричный выходной сигнал напряжения.

Операционные усилители

обычно имеют три терминала: два входа с высоким сопротивлением и выходной порт с низким сопротивлением.Инвертирующий вход обозначается знаком минус (-), а неинвертирующий вход использует положительный знак (+). Операционные усилители работают для усиления разности напряжений между входами, что полезно для множества аналоговых функций, включая цепочку сигналов, питание и приложения управления.

Классификация операционных усилителей

Существует четыре способа классификации операционных усилителей:

  • Усилители напряжения принимают напряжение и создают напряжение на выходе.
  • Усилители тока получают токовый вход и выдают токовый выход.
  • Усилители Transconductance преобразуют входное напряжение в выходной ток.
  • Трансрезистивные усилители преобразуют входной ток и выдают выходное напряжение.

Поскольку большинство операционных усилителей используются для усиления напряжения, в этой статье основное внимание будет уделено усилителям напряжения.

Операционные усилители: основные характеристики и параметры

Операционные усилители (см. Рисунок 1) имеют много различных важных характеристик и параметров.Эти характеристики более подробно описаны ниже.

Рисунок 1: Схема операционного усилителя

Коэффициент усиления без обратной связи

Коэффициент усиления разомкнутого контура: Коэффициент усиления разомкнутого контура («A» на рис. 1 ) операционного усилителя является мерой усиления, достигаемого при отсутствии обратной связи в схеме. Это означает, что цепь обратной связи разомкнута. Коэффициент усиления без обратной связи часто должен быть чрезвычайно большим (10 000+), чтобы быть полезным сам по себе, за исключением компараторов напряжения.

Компараторы

напряжения сравнивают напряжения на входных клеммах. Даже при небольших перепадах напряжения компараторы напряжения могут направлять выходной сигнал либо на положительную, либо на отрицательную шины. Высокие коэффициенты усиления без обратной связи полезны в конфигурациях с обратной связью, поскольку они обеспечивают стабильное поведение схемы при изменении температуры, процесса и сигнала.

Входное сопротивление

Другой важной характеристикой операционных усилителей является то, что они обычно имеют высокий входной импеданс («Z IN » на рис. 1 ).Входное сопротивление измеряется между отрицательной и положительной входными клеммами, и его идеальное значение равно бесконечности, что минимизирует нагрузку на источник. (На самом деле происходит небольшая утечка тока.) Размещение схемы вокруг операционного усилителя может значительно изменить эффективное входное сопротивление источника, поэтому внешние компоненты и контуры обратной связи должны быть тщательно настроены. Важно отметить, что входное сопротивление определяется не только входным сопротивлением постоянному току. Входная емкость также может влиять на поведение схемы, поэтому это также необходимо учитывать.

Выходное сопротивление

Операционный усилитель в идеале должен иметь нулевой выходной импеданс («Z OUT » на рис. 1 ). Однако выходное сопротивление обычно имеет небольшое значение, которое определяет величину тока, который он может выдавать, и насколько хорошо он может работать в качестве буфера напряжения.

Частотная характеристика и полоса пропускания (BW)

Идеальный операционный усилитель должен иметь бесконечную полосу пропускания (BW) и поддерживать высокий коэффициент усиления независимо от частоты сигнала.Однако все операционные усилители имеют конечную полосу пропускания, обычно называемую «точкой -3 дБ», где коэффициент усиления начинает падать с увеличением частоты. Затем коэффициент усиления усилителя уменьшается со скоростью -20 дБ / декаду, а частота увеличивается. Операционные усилители с более высокой полосой пропускания обладают улучшенными характеристиками, поскольку они поддерживают более высокий коэффициент усиления на более высоких частотах; однако этот более высокий выигрыш приводит к большему энергопотреблению или увеличению стоимости.

Рисунок 2: Кривая частотной характеристики разомкнутого контура операционного усилителя

Продукт прироста полосы пропускания (GBP)

Как следует из названия, GBP — это произведение коэффициента усиления и полосы пропускания усилителя.GBP является постоянной величиной на кривой, и ее можно рассчитать с помощью Уравнение (1):

$$ GBP = Прирост x Полоса пропускания = A x BW $$

GBP измеряется в точке частоты, в которой коэффициент усиления операционного усилителя достигает единицы. Это полезно, поскольку позволяет пользователю рассчитать коэффициент усиления разомкнутого контура устройства на разных частотах. GBP операционного усилителя обычно является мерой его полезности и производительности, поскольку операционные усилители с более высоким коэффициентом полезного действия могут использоваться для достижения лучших характеристик на более высоких частотах.

Это основные параметры, которые следует учитывать при выборе операционного усилителя в вашей конструкции, но есть много других факторов, которые могут повлиять на вашу конструкцию, в зависимости от приложения и требований к производительности. Другие общие параметры включают входное напряжение смещения, шум, ток покоя и напряжения питания.

Отрицательная обратная связь и усиление с обратной связью

В операционном усилителе отрицательная обратная связь реализуется путем подачи части выходного сигнала через внешний резистор обратной связи и обратно на инвертирующий вход (см. Рисунок 3) .

Рисунок 3: Отрицательная обратная связь с инвертирующим операционным усилителем

Отрицательная обратная связь используется для стабилизации усиления. Используя отрицательную обратную связь, коэффициент усиления с обратной связью можно определить с помощью внешних компонентов обратной связи, которые могут иметь более высокую точность по сравнению с внутренними компонентами операционного усилителя. Это связано с тем, что внутренние компоненты операционного усилителя могут существенно отличаться из-за технологических сдвигов, изменений температуры, изменения напряжения и других факторов. Коэффициент усиления с обратной связью можно рассчитать с помощью Уравнение (2) :

$$ \ frac {V_ {OUT}} {V_ {IN}} = \ frac 1 f $$

Операционные усилители: преимущества и ограничения

Использование операционного усилителя дает множество преимуществ.Операционные усилители часто имеют форму ИС и широко доступны с бесчисленным количеством выбираемых уровней производительности для удовлетворения потребностей любого приложения. Операционные усилители имеют широкий диапазон применений и, как таковые, являются ключевым строительным блоком во многих аналоговых приложениях, включая конструкции фильтров, буферы напряжения, схемы компараторов и многие другие. Кроме того, большинство компаний предоставляют поддержку моделирования, такую ​​как модели PSPICE, чтобы дизайнеры проверяли свои проекты операционных усилителей перед созданием реальных проектов.

Ограничения на использование операционных усилителей включают тот факт, что они являются аналоговыми схемами, и требуют, чтобы разработчик понимал основы аналоговой обработки, такие как нагрузка, частотная характеристика и стабильность. Нет ничего необычного в том, чтобы спроектировать, казалось бы, простую схему операционного усилителя, только чтобы включить ее и обнаружить, что она колеблется. Из-за некоторых ключевых параметров, обсужденных ранее, разработчик должен понимать, как эти параметры влияют на его дизайн, что обычно означает, что разработчик должен иметь опыт аналогового проектирования от среднего до высокого.

Топологии конфигурации операционных усилителей

Существует несколько различных схем операционного усилителя, каждая из которых отличается по функциям. Ниже описаны наиболее распространенные топологии.

Повторитель напряжения

Самой простой схемой операционного усилителя является повторитель напряжения (см. Рисунок 4) . Эта схема обычно не требует внешних компонентов и обеспечивает высокий входной импеданс и низкий выходной импеданс, что делает ее полезным буфером.Поскольку входное и выходное напряжение равны, изменения на входе вызывают эквивалентные изменения выходного напряжения.

$$ V_ {OUT} = V_ {IN} $$

Рисунок 4: Повторитель напряжения

Наиболее распространенными операционными усилителями, используемыми в электронных устройствах, являются усилители напряжения, которые увеличивают величину выходного напряжения. Инвертирующая и неинвертирующая конфигурации — две наиболее распространенные конфигурации усилителей. Обе эти топологии являются замкнутыми (это означает, что существует обратная связь от выхода к входным клеммам), и, таким образом, коэффициент усиления по напряжению устанавливается соотношением двух резисторов.

Инвертирующий операционный усилитель

В инвертирующих операционных усилителях операционный усилитель заставляет отрицательную клемму равняться положительной клемме, которая обычно является землей. Следовательно, входной ток определяется соотношением V IN / R1 (см. Рисунок 5) .

Рисунок 5: Инвертирующий операционный усилитель

В этой конфигурации такой же ток протекает через R2 к выходу. В идеале ток не течет на отрицательную клемму операционного усилителя из-за высокого значения Z IN .Ток, протекающий от отрицательной клеммы через R2, создает инвертированную полярность напряжения по отношению к V IN . Вот почему эти операционные усилители имеют инвертирующую конфигурацию. Обратите внимание, что выход операционного усилителя может качаться только между положительным и отрицательным питанием, поэтому для создания отрицательного выходного напряжения требуется операционный усилитель с отрицательной шиной питания. V OUT можно рассчитать по формуле (3) :

$$ V_ {OUT} = — \ left ({R_2} \ over {R_1} \ right) x V_ {IN} $$

Неинвертирующий операционный усилитель

В схеме неинвертирующего усилителя входной сигнал от источника подключается к неинвертирующей (+) клемме (см. Рисунок 6) .

Рисунок 6: Неинвертирующий операционный усилитель

Операционный усилитель вынуждает инвертирующее (-) напряжение на клеммах равняться входному напряжению, что создает ток, протекающий через резисторы обратной связи. Выходное напряжение всегда находится в фазе с входным напряжением, поэтому эта топология известна как неинвертирующая. Обратите внимание, что с неинвертирующим усилителем коэффициент усиления по напряжению всегда больше 1, что не всегда имеет место в инвертирующих конфигурациях. VOUT можно рассчитать с помощью уравнения (4) :

$$ V_ {OUT} = \ left (1 + \ frac {{R_2}} {R_1} \ right) x V_ {IN} $$

Компаратор напряжения

Компаратор напряжения операционного усилителя сравнивает входное напряжение и подает выход на шину питания того входа, который выше.Эта конфигурация считается операцией без обратной связи, потому что нет обратной связи. Компараторы напряжения работают намного быстрее, чем топологии замкнутого контура, описанные выше (см. Рисунок 7) .

Рисунок 7: Компаратор напряжения

Как выбрать операционный усилитель для вашего приложения

В разделе ниже обсуждаются некоторые соображения при выборе подходящего операционного усилителя для вашего приложения.

Во-первых, выберите операционный усилитель, который может поддерживать ожидаемый диапазон рабочих напряжений.Эту информацию можно получить, посмотрев на напряжение источника питания усилителя. Напряжение питания, вероятно, будет либо V DD (+), либо заземлением (одинарное питание), либо усилитель может поддерживать как положительное, так и отрицательное напряжение. Отрицательное питание полезно, если выход должен поддерживать отрицательное напряжение.

Во-вторых, рассмотрим GBP усилителя. Если ваше приложение должно поддерживать более высокие частоты или требует более высокой производительности и уменьшения искажений, подумайте об операционных усилителях с более высоким коэффициентом полезного действия.

Следует также учитывать энергопотребление, поскольку для некоторых приложений может потребоваться работа с низким энергопотреблением. Рекомендуемые требования к питанию обычно можно найти в техническом описании детали и обычно указаны как ток питания и потребляемая мощность. Потребляемая мощность также может быть оценена как произведение тока и напряжения питания. Как правило, операционные усилители с более низкими токами питания имеют меньшее значение GBP и соответствуют более низким характеристикам схемы.

Для приложений, требующих более высокой точности, разработчик должен уделять особое внимание входному напряжению смещения усилителя, поскольку это напряжение приводит к смещению выходного напряжения усилителя.

Сводка

Операционные усилители широко используются во многих аналоговых и силовых приложениях. Преимущества использования операционного усилителя заключаются в том, что они, как правило, широко понятны, хорошо документированы и поддерживаются, а также довольно просты в использовании и внедрении. Операционные усилители полезны для многих приложений, таких как буферы напряжения, создание аналоговых фильтров и пороговых детекторов. Обладая более глубоким пониманием ключевых параметров и распространенных топологий, связанных с операционными усилителями, вы можете приступить к их внедрению в свои схемы.

_________________________

Вам это показалось интересным? Получайте ценные ресурсы прямо на свой почтовый ящик — рассылайте их раз в месяц!

Получить техническую поддержку

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

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

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

Что такое операционный усилитель?

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

Краткая история

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

Современные операционные усилители доступны в:

  1. Металлическая банка в упаковке (ТО) с 8 штырями
  2. Двухканальный линейный пакет (DIP) с 8/14 контактами
  3. Плоская упаковка из плоской упаковки с 10/14 контактами

Строительство

Внутренняя схема типичного операционного усилителя выглядит так:

Операционный усилитель (схема операционного усилителя)

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

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

Типы операционных усилителей

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

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

Операционный усилитель в работе

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

В выход = A OL (V + — V )

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

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

Параметры операционного усилителя

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

Некоторые другие важные электрические параметры, которые следует учитывать:

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

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

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

Широко распространенный операционный усилитель IC

Приложения для операционных усилителей

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

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

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

Еще один класс схем с сильно нелинейными характеристиками ввода-вывода:

  1. Выпрямитель
  2. Детектор пиков
  3. Машинка для стрижки
  4. Зажим
  5. Схема выборки и хранения
  6. Усилитель логарифмический и антиблокировочный
  7. Умножитель и делитель
  8. Компаратор

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

Что такое операционный усилитель?


Представление операционных усилителей ABLIC

1. Что такое операционный усилитель (ОУ)?

Операционный усилитель — это интегральная схема, которая может усиливать слабые электрические сигналы.
Операционный усилитель имеет два входных контакта и один выходной контакт. Его основная роль заключается в усилении и выводе разности напряжений между двумя входными контактами.

2.На что способен операционный усилитель

Операционный усилитель не используется в одиночку, он предназначен для подключения к другим схемам для выполнения самых разнообразных операций. В этой статье приведены несколько типичных примеров использования схем с операционными усилителями.

● Обеспечивает значительное усиление входного сигнала

Когда операционный усилитель объединен со схемой усиления, он может преобразовывать слабые сигналы в сильные. Он ведет себя как мегафон, где входным сигналом является голос человека, а мегафон — это схема операционного усилителя.Например, такую ​​схему можно использовать для усиления сигналов минутных датчиков.
Обработка сигналов датчиков может быть дополнительно улучшена путем ввода усиленного сигнала в блок микроконтроллера * (MCU).
* Микроконтроллер… Компактный компьютер для управления электронными устройствами. Как мозг электронных устройств, микроконтроллеры работают в соответствии с входными сигналами.

● Позволяет устранить шум из входного сигнала

Действуя как фильтр входных сигналов, схема операционного усилителя может выделять сигнал с целевой частотой.Например, когда схема операционного усилителя используется для распознавания голоса или в диктофоне, она может извлекать частоты, близкие к целевому звуку, исключая при этом все другие частоты как шум. Схема операционного усилителя может быть настроена для выполнения широкого диапазона частот. такие функции, как арифметические операции или синтез сигналов.

3. Применение операционных усилителей

Как отмечалось выше, операционный усилитель практически никогда не используется отдельно.Подключив резисторы или конденсаторы, вы можете сконфигурировать схему, способную усиливать сигнал, фильтровать или выполнять арифметические операции схемы, описанные в «2. На что способен операционный усилитель ».

(1) Операции внутреннего операционного усилителя

Ниже описаны операции, выполняемые операционным усилителем в схеме. Давайте посмотрим, как операционный усилитель ведет себя в схеме усилителя, на примере схемы неинвертирующего усилителя.В дополнение к этому простому расчету при настройке схемы необходимо учитывать характеристики операционного усилителя. Этот момент описан далее в этом разделе в разделе «4. Выбор рабочего усилителя и объяснение терминов ».

(2) Примеры схем

Здесь мы описываем некоторые типичные применения операционных усилителей.

[Схема неинвертирующего усилителя]

Как объяснено в (1), это также схема для усиления и вывода входных сигналов.

[Схема инвертирующего усилителя]

Инвертирующая схема усилителя обозначена знаком минус. Если напряжение V IN увеличивается, напряжение V OUT уменьшается.

[Цепь повторителя напряжения]

Это схема неинвертирующего усилителя, в которой R2 замкнут накоротко (R2 = 0 Ом), а R1 разомкнут (R1 = бесконечность). Поскольку V OUT = (1 + R2 / R1) × V IN = (1 + 0Ω / ∞) × V IN = V IN , выходное напряжение равно входному сигналу.Повторитель напряжения используется в качестве буферной схемы для преобразования импеданса или для разделения цепей.

[Схема дифференциального усилителя]

Это схема для усиления и вывода разницы между двумя входными сигналами.

4. Выбор рабочего усилителя и пояснения к терминам

Здесь мы будем использовать операционный усилитель ABLIC S-89630A в качестве примера того, какие элементы следует проверить при выборе операционного усилителя и объяснения характеристик операционного усилителя.

(1) Проверьте рабочее напряжение.

[Диапазон рабочего напряжения источника питания]
Это диапазон рабочего напряжения источника питания на выводе VDD. Убедитесь, что напряжение источника питания находится в пределах диапазона рабочего напряжения операционного усилителя.

[Диапазон синфазного входного напряжения]
Диапазон напряжения сигнала, который может подаваться на входные контакты. Операционный усилитель будет работать, пока входной сигнал находится в этом диапазоне.Операционный усилитель, диапазон синфазного входного напряжения которого покрывает V SS — V DD , называется «операционным усилителем с входом Rail-to-Rail»; то есть операционный усилитель с отличным диапазоном входного напряжения сигнала.

(2) Проверьте частоту входного сигнала.

[Произведение на ширину полосы частот]
Определяет максимальную частоту, до которой операционный усилитель может усилить сигнал. Максимальная частота зависит от коэффициента (усиления), который вы используете для усиления сигнала.При коэффициенте усиления, равном единице (= 0 дБ), сигнал может быть усилен до максимальной частоты, так называемого произведения коэффициента усиления на ширину полосы частот.

График справа показывает, что при коэффициенте усиления, равном единице (= 0 дБ), максимальная частота, на которой усиление позволяет использовать S-89630A, составляет 1,2 МГц, а при усилении 10 (= 20 дБ) максимальная частота составляет 120 кГц. Убедитесь, что максимальная частота, до которой вы хотите усилить, находится в пределах диапазона коэффициента, с которым вы хотите усилить.

(3) Проверьте потребление тока.

[Потребление тока]
Указывает текущее значение, полученное с вывода VDD. Чем ниже это значение, тем больше вы можете снизить мощность системы. Обычно операционный усилитель с низким потреблением тока имеет также низкую частоту полосы пропускания усиления.

(4) Проверить точность усиления сигнала.

[Входное напряжение смещения]
Входное напряжение смещения представляет собой преобразование напряжения ошибки, генерируемого на выходе, во входное значение, когда входное напряжение равно 0 В.Это важный атрибут, влияющий на точность усиления операционных усилителей. Обычно, когда амплитуда напряжения входного сигнала порядка мВ, требуется входное напряжение смещения порядка мкВ. Это заставляет выбирать «операционный усилитель с нулевым дрейфом » для работы с такими крошечными напряжениями смещения.

5. Что такое усилитель с нулевым дрейфом?

Усилитель нулевого дрейфа — это операционный усилитель, который минимизирует входное напряжение смещения и дрейф входного напряжения смещения (0).Выбор операционного усилителя с нулевым дрейфом — очень эффективное решение для приложений, требующих высокоточного усиления сигнала.

Усилитель с нулевым дрейфом ABLIC

ABLIC имеет операционные усилители с нулевым дрейфом серий S-89630A и S-89713 для общего использования, а также усилители с нулевым дрейфом S-19630A и S-19611A для автомобильного использования.

S-89630A (для общего использования) и S-19630A (для автомобильного использования) операционный усилитель обеспечивает работу с нулевым дрейфом, широкий диапазон напряжения (4.0 — 36 В) и атрибуты низкого напряжения смещения.

Серия

S-89713 (для общего использования) и S-19611A (для автомобильного использования) обеспечивает работу с автоматическим дрейфом нуля при работе при низком напряжении от 2,65 В и с низкими характеристиками напряжения смещения. Мы также предлагаем серию S-89713 (для общего использования) в сверхкомпактном корпусе (SNT-8A: размер 1,97 x 2,46 мм).

Если вам нужен операционный усилитель с нулевым дрейфом, настоятельно рекомендуются операционные усилители ABLIC.

Таблица выбора операционных усилителей

Представление операционного усилителя ABLIC

Что такое операционный усилитель: основы, типы, применение, преимущества и ограничения

Что такое операционный усилитель?

Операционный усилитель также известен как операционный усилитель короткой формы, а операционный усилитель — это усилитель с электронным напряжением с высоким коэффициентом усиления, связанным по постоянному току.Он имеет дифференциальный вход и известен тем, что дает несимметричный выход.

Операционный усилитель известен тем, что в этой конфигурации вырабатывает выходной потенциал относительно земли схемы. Было обнаружено, что этот выходной потенциал в 100000 раз больше, чем известная разность потенциалов между входными клеммами.

Операционный усилитель произошел от аналоговых компьютеров, которые использовались для выполнения различных математических операций в частотно-зависимых, линейных и нелинейных схемах.Что делает этот усилитель популярным в виде строительного блока аналоговых схем, так это его универсальность.

Характеристики схемы операционного усилителя , полоса пропускания, вход, выход и т. Д. Определяются внешними компонентами путем использования полученной отрицательной обратной связи. Они мало зависят от температурных коэффициентов или технических допусков.

Они в основном используются в электронных устройствах, которые включают в себя различные промышленные, научные и потребительские устройства.Большинство стандартных операционных усилителей IC стоят несколько центов, в то время как интегрированные операционные усилители, в спецификациях которых упоминаются особые характеристики, стоят дороже.

Они могут быть упакованы в виде компонентов или использоваться как элементы различных сложных гибридных схем. Операционный усилитель — это разновидность дифференциального усилителя. Обычно он состоит из трех клемм, включая выход с низким сопротивлением и два входных порта с высоким сопротивлением.

Здесь инвертирующий вход обозначен знаком минус, тогда как неинвертирующий вход использует положительный знак.В то время как инвертирующий вход обозначается знаком минус, положительный знак обозначает неинвертирующий вход.

Эти усилители, как известно, работают для усиления разности напряжений между входами. Это в основном полезно для множества аналоговых функций, которые включают питание, приложения управления и сигнальную цепь.

Операционные усилители выступают в качестве основных строительных блоков аналоговой электронной схемы. Их можно рассматривать как линейные устройства, обладающие всеми свойствами усилителя постоянного тока.Конденсаторы или внешние резисторы могут использоваться для них различными способами, чтобы использовать их в качестве различных усилителей, таких как неинвертирующий усилитель, компаратор, суммирующий усилитель, дифференциальный усилитель, интегратор и т. Д.

Типы операционных усилителей

Существуют различные операционные усилители типа , читаем дальше. Классификация операционного усилителя по коэффициентам усиления выглядит следующим образом. Это усилители с низким коэффициентом усиления, усилители со средним коэффициентом усиления и усилители с высоким коэффициентом усиления.

1. Усилители с низким коэффициентом усиления

Усилители с низким коэффициентом усиления — это усилители с низким коэффициентом усиления, которые используются для согласования импеданса и в качестве буферов.

2. Усилители со средним усилением

Усилители со средней интенсивностью определяются как усилители со средним усилением. Это наиболее часто используемые усилители в медицине. Кроме того, они используются для записи кривых ЭКГ и требуют значения мышечных потенциалов.

3. Усилители с высоким коэффициентом усиления

Усилители с высоким коэффициентом усиления называются усилителями с высоким коэффициентом усиления. Эти усилители используются для записи конфиденциальных данных, таких как запись информации сигналов мозга.

Операционные усилители: основные характеристики и параметры

Операционный усилитель имеет следующие многочисленные характеристики и параметры.

Усиление разомкнутого контура: Усиление разомкнутого контура в операционном усилителе можно определить как меру усиления, которое достигается, когда в схеме не реализована обратная связь.Это относится к тому факту, что контур или обратная связь разомкнуты.

Требование к полезному усилению разомкнутого контура состоит в том, что он должен быть чрезвычайно большим, за исключением компараторов напряжения. Эти компараторы известны тем, что сравнивают напряжения на входных клеммах.

Компараторы напряжения могут передавать выходной сигнал на отрицательную или положительную шины с небольшими перепадами напряжения. В конфигурациях с обратной связью высокие коэффициенты усиления без обратной связи очень полезны, поскольку они способны стабилизировать поведение схемы при изменении процесса, температуры и сигнала.

Входное сопротивление: Одной из важных характеристик операционного усилителя является то, что он обычно имеет высокое входное сопротивление. Входное сопротивление измеряется между положительной и отрицательной входными клеммами, при этом идеальное значение равно бесконечности, что, как известно, минимизирует нагрузку на источник.

Схема расположена вокруг операционного усилителя так, что это может привести к значительному изменению влияния входного импеданса источника.Вот почему контур обратной связи и внешние компоненты требуют тщательной настройки.

Очень важно знать, что входное сопротивление не определяется только входным сопротивлением постоянному току. Входная емкость, как известно, влияет на поведение схемы, поэтому ее необходимо учитывать.

Вы также можете прочитать: Что такое усилитель и как он работает?

Выходное сопротивление: Операционный усилитель или операционный усилитель известен своим нулевым выходным сопротивлением.Обычно он имеет небольшое значение, которое определяет величину тока, который он может управлять, а также то, насколько плавно он может управлять буфером напряжения.

Частотная характеристика и полоса пропускания: Идеальный операционный усилитель известен тем, что имеет бесконечную полосу пропускания или BW и способен поддерживать высокий коэффициент усиления независимо от частоты сигнала. Все операционные усилители обладают конечной полосой пропускания, которая обычно известна как точка 3 дБ.

Здесь усиление начинает катиться по мере увеличения частоты, а усиление усилителя уменьшается со скоростью 20 дБ / декаду.Операционный усилитель с более широкой полосой пропускания обеспечивает лучшую производительность, поскольку он известен тем, что поддерживает высокий коэффициент усиления на высоких частотах. Такое высокое усиление требует огромного энергопотребления и повышенной стоимости.

Произведение коэффициента усиления на полосу пропускания (GBP): GBP или произведение коэффициента усиления на полосу пропускания является произведением коэффициента усиления и ширины полосы. Его можно определить как постоянное значение на кривой, которое измеряется в той частотной точке, где коэффициент усиления операционного усилителя достигает единицы.

Считается полезным, поскольку помогает пользователю рассчитать коэффициент усиления разомкнутого контура устройства на различных частотах. Это мера производительности и полезности; Операционный усилитель с высоким коэффициентом полезного действия полезен для достижения качественных характеристик на высоких частотах.

Это основные параметры, которые необходимо учитывать при выборе операционного усилителя в проекте. Однако известно множество факторов, влияющих на дизайн в соответствии с требованиями к производительности и приложениям.

Некоторые другие важные параметры включают входное напряжение смещения, напряжения питания, шум и ток покоя.

Отрицательная обратная связь и усиление с обратной связью: Когда дело доходит до операционного усилителя , применяется отрицательная обратная связь. Это осуществляется путем подачи части выходного сигнала через внешний резистор обратной связи и приема ее обратно на инвертирующий вход.

Для стабилизации усиления используется отрицательная обратная связь. Коэффициент усиления с обратной связью определяется с использованием его через внешние компоненты обратной связи, которые имеют высокую точность по сравнению с внутренними компонентами операционного усилителя.

Это связано с тем, что внутренние компоненты операционного усилителя, как известно, имеют значительные отклонения в результате изменений температуры, технологических сдвигов, изменений напряжения и различных других факторов.

Преимущества операционного усилителя

Различные преимущества операционного усилителя заключаются в следующем. Обычно они представлены в виде ИС и легко доступны с различными уровнями производительности, которые можно выбрать. Их можно использовать для решения различных задач приложения.

Он имеет множество применений и выступает в качестве важного строительного блока в аналоговых приложениях, которые включают буферы напряжения, схемы компаратора, конструкции фильтров и другие. Кроме того, есть много компаний, которые известны своими услугами по моделированию.

Ограничения операционных усилителей

Операционные усилители также имеют многочисленные ограничения. Это аналоговые схемы, которым нужен разработчик, хорошо разбирающийся в основах аналоговых схем.Эти основы включают частотную характеристику, стабильность и нагрузку. Очень часто проектируют простую схему операционного усилителя, которая колеблется при включении.

Как обсуждалось ранее, в соответствии с ключевыми параметрами проектировщик должен понимать, как эти параметры влияют на дизайн. Это означает, что разработчик должен иметь опыт работы с аналоговым дизайном от умеренного до высокого уровня. Это были ограничения операционных усилителей.

Топологии конфигурации операционных усилителей

На рынке доступны различные операционные усилители, которые различаются функциями, которые они выполняют.Давайте ознакомимся с общими доступными топологиями конфигурации операционных усилителей .

Повторитель напряжения: Повторитель напряжения — это наиболее часто используемая базовая схема операционного усилителя. Эта схема в основном не требует внешних компонентов и обеспечивает как высокое входное сопротивление, так и низкое выходное сопротивление. Это то, что делает его наиболее полезным буфером, поскольку входное и выходное напряжение равны, а изменения входного сигнала равны выходному напряжению.

Наиболее часто используемый операционный усилитель в электронных устройствах — это усилитель напряжения, который увеличивает величину выходного напряжения.Как инвертирующие, так и неинвертирующие конфигурации являются наиболее часто используемыми конфигурациями усилителей.

Эти топологии являются замкнутыми, что означает получение обратной связи от выхода обратно к входным клеммам. Следовательно, коэффициент усиления по напряжению устанавливается соотношением двух резисторов.

Инвертирующий операционный усилитель: Было замечено, что операционный усилитель заставляет отрицательную клемму равняться положительной клемме, которая является общей массой, когда дело доходит до инвертирующего операционного усилителя .Маркировка операционных усилителей производится в инвертирующей конфигурации.

Неинвертирующий операционный усилитель: Входной сигнал в цепи неинвертирующего усилителя из схемы соединяется с неинвертирующим положительным выводом. Было замечено, что операционный усилитель вынуждает отрицательное напряжение инвертирующей клеммы равняться входному напряжению. Это, в свою очередь, создает ток через резисторы обратной связи.

Здесь выходное напряжение всегда синфазно с входным, поэтому топология называется неинвертирующей.Следует отметить, что коэффициент усиления по напряжению всегда больше единицы, когда речь идет о неинвертирующем усилителе.

Компаратор напряжения: Операционный усилитель Компаратор напряжения известен тем, что сравнивает входные напряжения и подает выход на шину питания той, у которой вход более высокий. В этом случае конфигурация представляет собой операцию разомкнутого контура, поскольку отсутствует какая-либо обратная связь. Здесь компараторы напряжения обладают преимуществом работы с гораздо большей скоростью по сравнению с топологиями замкнутого контура.

Приложения для операционных усилителей

В частности, операционные усилители представляют собой универсальные схемные блоки. Эти блоки находят применение во множестве различных схем с высокими атрибутами усиления, низким выходным импедансом, высоким входным импедансом и различными входами. Это позволяет им обеспечивать высокий уровень производительности за счет использования минимального количества компонентов.

Операционные усилители могут использоваться в различных схемах и приложениях, используя как положительную, так и отрицательную обратную связь вокруг своей микросхемы.Они известны тем, что выполняют различные типы функций, такие как фильтры, интеграторы, генераторы, усилители и т. Д.

Существует множество схем операционных усилителей, которые способны выполнять почти все требуемые аналоговые функции. Операционный усилитель в результате этого превратился в рабочий дом разработчика аналоговой электроники.

Вы также можете прочитать: Что такое микроконтроллер и как он работает?

Применения операционных усилителей многочисленны, поскольку они могут использоваться в различных приложениях и схемах.Он считается почти идеальным усилителем из-за необходимости во многих приложениях; его высокое усиление, дифференциальный вход и высокое входное сопротивление делают его идеальным.

Как выбрать лучший операционный усилитель?

При выборе лучшего операционного усилителя вам необходимо выполнить следующие важные шаги. Это следующие. Во-первых, выберите операционный усилитель , который поддерживает ожидаемый диапазон вашего рабочего напряжения. Эту информацию легко получить, посмотрев на напряжения питания усилителя.

Усилитель может поддерживать как отрицательное, так и положительное напряжение. Отрицательное питание полезно в случае, если выход необходим для поддержки отрицательного напряжения. Теперь второй шаг — рассмотреть GBP усилителя.

В случае, если используемое вами приложение требует высокой производительности, снижения искажений или поддержки высоких частот, можно рассмотреть операционный усилитель с более высокими значениями GBP.

При выборе операционного усилителя необходимо также проверить его потребляемую мощность.Существуют определенные приложения, которые могут работать с низким энергопотреблением. Требования к питанию можно легко получить из таблицы данных детали.

В этих требованиях обычно указываются потребляемая мощность и ток питания. Другой способ оценки потребляемой мощности — это определение напряжения питания и тока питания. Обычно операционные усилители , которые имеют более низкие токи питания, обладают низким коэффициентом полезного действия и, как известно, соответствуют более низким характеристикам схемы.

Разработчик должен обратить особое внимание на входное напряжение смещения усилителя, если приложения, которые вы используете, требуют высокой точности. Это необходимо, поскольку это напряжение отвечает за смещение выходного напряжения усилителя.

Операционные усилители — обзор

12.2 Операционный усилитель

Операционный усилитель или операционный усилитель является основным строительным блоком для большого количества аналоговых схем.Одним из первых его применений было выполнение математических операций, таких как сложение и интегрирование, в аналоговых компьютерах, отсюда и название «операционный» усилитель. Хотя функции, обеспечиваемые аналоговыми компьютерами, теперь выполняются цифровыми компьютерами, операционный усилитель остается ценным, возможно, самым ценным инструментом в проектировании аналоговых схем.

В своей идеализированной форме операционный усилитель имеет те же свойства, что и идеальный усилитель, описанный выше, за исключением одного любопытного отличия: он имеет коэффициент усиления и бесконечность .Таким образом, идеальный операционный усилитель имеет бесконечное входное сопротивление (идеальная нагрузка), нулевое выходное сопротивление (идеальный источник) и бесконечное усиление A v . (Символы A v или A VOL обычно используются для обозначения коэффициента усиления операционного усилителя.) Очевидно, что усилитель с бесконечным коэффициентом усиления имеет ограниченную ценность, поэтому операционный усилитель редко используется отдельно, но обычно используется вместе с другими элементами, которые снижают его коэффициент усиления до конечного уровня.

Отрицательная обратная связь может использоваться для ограничения усиления. Рассмотрим систему обратной связи на рисунке 12.5. Предположим, что верхний путь (то есть путь прямой связи) представляет операционный усилитель с его коэффициентом усиления A v , а нижний путь представляет собой усиление обратной связи, β .

Рисунок 12.5. Базовая система управления с обратной связью, используемая для иллюстрации использования обратной связи для установки конечного коэффициента усиления в системе с бесконечным усилением с прямой связью, A V .

Коэффициент усиления всей системы можно найти из основного уравнения обратной связи, введенного и выведенного в Примере 5.1. Когда мы вставляем A V и β в уравнение обратной связи, уравнение 5.10, общее усиление системы, G , становится:

(12,4) G = AV1 + AVβ

Теперь, если мы позволяем коэффициенту прямого усиления, A V , коэффициенту усиления операционного усилителя, стремиться к бесконечности:

(12,5) G = limAV → ∞ | AV1 + AVβ = limAV → ∞ | AVAVβ = 1β

Общий коэффициент усиления, выраженный в дБ, принимает следующий вид:

(12,6) GdB = 20logG = 20log (1β) = — 20logβ

Если β <1, то коэффициент усиления G будет> 1, а если β = 1, G = 1. β > 1 приводит к усилению < 1 и уменьшению амплитуды сигнала. Если требуется снижение коэффициента усиления, проще использовать пассивный делитель напряжения — пару последовательно соединенных резисторов с одним резистором, соединенным с землей. Таким образом, в реальных схемах операционного усилителя коэффициент обратной связи β составляет ≤1, чтобы получить коэффициент усиления ≥1. Это удачно, так как все, что нам нужно для получения коэффициента обратной связи <1, - это сеть делителя напряжения: один конец пары последовательно соединенных резисторов подключен к выходу, другой конец - к земле, а уменьшенный сигнал обратной связи берется с пересечение двух резисторов (рисунок 12.6). Усиление обратной связи β = 1 еще проще; просто верните весь вывод обратно на ввод.

Рисунок 12.6. Схема делителя напряжения, которая может использоваться для обратной передачи части выходного сигнала на инвертирующий или отрицательный вход операционного усилителя.

Подход, начинающийся с усилителя с бесконечным коэффициентом усиления, а затем его уменьшение до конечного уровня с добавлением обратной связи, кажется излишне запутанным. Почему бы для начала не спроектировать усилитель с фиксированным коэффициентом усиления? Ответ резюмируется двумя словами: гибкость и стабильность .Если обратная связь используется для установки коэффициента усиления схемы операционного усилителя, то необходимо создать только один базовый усилитель: один с бесконечным (или просто очень высоким) коэффициентом усиления. Любого желаемого усиления можно достичь, настроив простую сеть обратной связи. Что еще более важно, сеть обратной связи почти всегда реализуется с использованием пассивных компонентов, резисторов, а иногда и конденсаторов. Пассивные компоненты всегда более стабильны, чем устройства на базе транзисторов; то есть они более устойчивы к колебаниям из-за изменений температуры, влажности, возраста и других факторов окружающей среды.Пассивные элементы также легче изготавливать с более жесткими допусками, чем активные элементы. Например, легко купить резисторы, которые имеют погрешность в 1% в своих значениях, в то время как у большинства обычных транзисторов изменение коэффициента усиления составляет 100% или более. Наконец, возвращаясь к категории гибкости, можно использовать большое количество различных конфигураций обратной связи, что позволяет одной микросхеме операционного усилителя выполнять множество различных операций обработки сигналов. Некоторые из этих различных функций рассматриваются в Разделе 12.7 в конце этой главы.

Операционный усилитель или операционный усилитель | Это работает

Изображение на обложке: Martincco, Aurora Borealis — полярное сияние 3, CC BY-SA 4.0

Содержание

Что такое операционный усилитель?

Операционный усилитель — это аббревиатура от операционного усилителя, усилителя с прямым подключением и высоким коэффициентом усиления. В термине «операционный усилитель» термин «операционный» означает, что усилитель может выполнять определенные операции, такие как суммирование, вычитание, сравнение и т. Д.Слово «усиление» предполагает, что он может усиливать входной сигнал.

Идеальный операционный усилитель

Идеального операционного усилителя практически не существует, но он имеет лучшие характеристики. Все практичные операционные усилители созданы для достижения близких характеристик к идеальному операционному усилителю. Обсудим некоторые особенности идеального операционного усилителя.

Идеальные характеристики операционного усилителя
  1. Идеальный операционный усилитель обеспечивает бесконечное усиление по напряжению.
  2. Имеет бесконечное входное сопротивление.
  3. Имеет нулевое выходное сопротивление.
  4. Имеет бесконечную пропускную способность.
  5. Коэффициент подавления синфазного сигнала бесконечен.
  6. Коэффициент отклонения источника питания бесконечен.
  7. Скорость нарастания составляет 0.

Инвертирующий операционный усилитель

Операционный усилитель имеет различные режимы работы. Инвертирующий операционный усилитель представляет собой тип процесса, при котором входной сигнал подается через инвертирующий вывод операционного усилителя. В процессе усиления фаза на выходе усилителя инвертируется.Инвертирующий операционный усилитель имеет более высокое усиление, чем неинвертирующий операционный усилитель.

Изображение предоставлено: Inductiveload, Op-Amp Inverting Amplifier, помечено как общественное достояние, более подробная информация на Wikimedia Commons

Неинвертирующий операционный усилитель

Неинвертирующий операционный усилитель — это еще один режим работы с использованием операционного усилителя. Здесь входной сигнал подается через неинвертирующий терминал операционного усилителя. Таким образом, выходная фаза остается прежней и не инвертируется во время работы. Вот почему эта операция с использованием операционного усилителя известна как «неинвертирующий операционный усилитель».’Этот операционный усилитель обеспечивает более высокую стабильность системы из-за системы отрицательной обратной связи, но он имеет меньшее усиление, чем инвертирующий операционный усилитель. Между неинвертирующим операционным усилителем и инвертирующим операционным усилителем больше предпочтений отдается инвертирующему усилителю.

Схемы операционных усилителей | Базовые схемы операционных усилителей

Схемы операционных усилителей зависят от их работы. Операционный усилитель может выполнять несколько математических операций. Схемы изготавливаются по необходимости.На изображении ниже представлен типичный схемный образ операционного усилителя.

Мы можем заметить, что операционный усилитель имеет два входа (помечены как 1 и 2). Вход, помеченный знаком «-», является инвертирующим контактом. Вход, помеченный знаком «+», является неинвертирующим контактом. Пара подключения напряжения, обозначенная как + Vsat и -Vsat, представляет собой положительное напряжение насыщения и отрицательное напряжение насыщения, представляющее наивысший и наименьший предел рабочего усилителя; их можно наблюдать на выходе.

Напряжения насыщения прикладываются к операционному усилителю, чтобы сбалансировать операционный усилитель относительно земли.Выходной сигнал собирается с клеммы «O».

741 ОУ

Операционные усилители теперь доступны на рынках через ИС. Одной из таких микросхем является операционный усилитель 741. Это монолитная ИС (все соединения выполнены на едином куске кристаллического кремния). ИС состоит из одного операционного усилителя. Впервые его разработала компания Fairchild Semiconductor в начале шестидесятых годов. Число 741 указывает на то, что ИС имеет семь функциональных контактов, четыре входных контакта и один выходной контакт.

741 Распиновка операционного усилителя

На следующей схеме показана распиновка ИС.Терминология ИС, состоящая из операционного усилителя, также описывает контакты. Число 7 из 741 представляет семь функциональных контактов, четыре входных контакта и один выходной контакт.

741 Схема операционного усилителя

На следующем рисунке представлена ​​принципиальная схема операционного усилителя 741.

Интегратор операционного усилителя

Мы упоминали ранее, что операционный усилитель может выполнять несколько математических операций. Давайте узнаем, как операционный усилитель может выполнять операцию «интегрирования» по входному сигналу.Чтобы реализовать интегратор с использованием операционного усилителя, нам понадобится конденсатор, пара резисторов и операционный усилитель! На приведенной ниже принципиальной схеме изображена схема интегратора операционного усилителя.

Работа интегратора

Концепция виртуальной земли — работает из-за предположения о бесконечном усилении OP AMP. Вот почему узел «А» на изображении является виртуальной землей. Пусть ток «i» протекает через сопротивление R. Итак, ток можно измерить как i = V1 / R.

Здесь V1 — входное напряжение, подаваемое на инвертирующий вывод, а неинвертирующий вывод заземлен с помощью резистора, и из-за высокого входного импеданса тот же ток будет протекать через путь обратной связи, в котором есть конденсатор.Итак, выходное напряжение можно записать как:

Vo = — 1 / C 0 t [i dt]

Или, Vo = — 1 / RC 0 t [V1 dt]

Таким образом, можно сказать, что выход напряжение пропорционально интегралу входного напряжения по времени, поэтому схему называют интегратором или интегратором Миллера.

Компаратор операционного усилителя

Компаратор операционного усилителя, или компаратор напряжения, или компаратор, представляет собой 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 в конфигурации с разомкнутой цепью 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 на инвертирующей клемме больше, чем напряжение на неинвертирующей клемме, выключатель переключается на отрицательное напряжение насыщения операционного усилителя.

Схема компаратора операционного усилителя

На рисунке ниже представлена ​​схема компаратора операционного усилителя.

Коэффициент усиления операционного усилителя

Коэффициент усиления операционного усилителя относится к отношению выходного напряжения к входному напряжению, а операционный усилитель имеет два следующих типа усиления.

  • Коэффициент усиления с обратной связью: Если с системой операционного усилителя связана система обратной связи, то коэффициент усиления системы известен как коэффициент усиления с обратной связью.
  • Усиление без обратной связи: Если схема операционного усилителя не имеет связанной с ней системы обратной связи, то усиление — это усиление без обратной связи.

Для идеального операционного усилителя коэффициент усиления бесконечен для любых частот. Для реальных усилителей коэффициент усиления является абсолютной константой. Коэффициент усиления — это параметр производительности усилителя.

Коэффициент усиления неинвертирующего ОУ

Общее выражение выходного напряжения неинвертирующего усилителя: Vout = k * Vin

Выходное уравнение неинвертирующего усилителя: V0 = [1 + (Rf / R1)] * Vin

Итак, сравнивая оба уравнения, значение k будет

k = [1 + (Rf / R1)]

Это выражение резистора известно как коэффициент усиления неинвертирующего усилителя.Мы можем заметить, что если Rf = R1, Vo = 2 * Vin. Таким образом, входное напряжение усиливается в 2 раза. Отношение (Rf / R1) обычно регулирует усиление. Увеличение Rf увеличивает значение усиления.

Буфер операционного усилителя

Буфер операционного усилителя, или буфер с единичным усилением, или схема повторителя напряжения — это специально разработанная модель неинвертирующего усилителя. Соблюдайте приведенную выше схему неинвертирующего усилителя. Если бы мы сделали нулевое сопротивление обратной связи и бесконечное сопротивление инвертирующего вывода, коэффициент усиления усилителя был бы равен единице.Вот почему эта схема известна как буфер единичного усиления. Этот буфер используется для согласования импеданса.

Дифференциальный операционный усилитель

Дифференциальный операционный усилитель или дифференциальный усилитель — это операционный усилитель, который усиливает разницу между двумя входными напряжениями и выдает их на выходе и выполняет операцию вычитания, в отличие от суммирующего усилителя, который складывает входные напряжения. .

Схема ниже изображает схему дифференциального усилителя.

Операции

Используя концепцию виртуальной земли, мы можем заключить, что напряжение на узле A такое же, как напряжение на узле B. Используя KCL, мы можем записать, что —

(V1 — Vx) / R1 = (Vx — VO) / R2

и (V2 — Vx) / R1 = Vx / R2

Здесь V1 — входное напряжение. Vx — это напряжение в узле A (а также в узле B). Vo — выходное напряжение. Теперь предположим, что операционный усилитель имеет высокое входное сопротивление.Сравнивая и используя оба уравнения, мы можем написать —

Vo = (V2 — V1) * R2 / R1

Это выходное уравнение оправдывает операцию.

Коэффициент усиления инвертирующего ОУ

Общее выражение выходного напряжения инвертирующего усилителя: Vout = -k * Vin

Выходное уравнение инвертирующего усилителя: V0 = — (Rf / R1) * Vin

Теперь, сравнивая оба уравнения, мы можем сказать —

k = (Rf / R1)

Это коэффициент усиления инвертирующего усилителя с обратной связью.

Суммирующий операционный усилитель

Суммирующий операционный усилитель или суммирующий операционный усилитель — это усилитель, который усиливает суммирование входных напряжений и обеспечивает их выход. Он выполняет операции суммирования или сложения, в отличие от дифференциального усилителя, который выполняет операции вычитания.

На рисунке ниже изображен суммирующий операционный усилитель.

Эксплуатация

Используя концепцию виртуального заземления, потенциал в узле A совпадает с потенциалом в узле B.Применяя KCL, мы можем написать —

I1 + I2 + I3 +… + IN = IO

Или, V1 / R1 + V2 / R2 +… + Vn / Rn = — Vo / Rf

Или , Vo = — [(V1 * Rf / R1) + (Rf * V2 / R2) +… + (Rf * Vn / Rn)

. Теперь, если R1 = R2 =… = Rn = Rf, то мы можем написать —

Vo = — [V1 + V2 +… + Vn]

Операционный усилитель с повторителем напряжения | Повторитель операционного усилителя

Операционный усилитель повторителя напряжения или буфер с единичным усилением, или схема повторителя напряжения — это специально разработанная модель неинвертирующего усилителя, и если мы сделаем нулевое сопротивление обратной связи и бесконечное сопротивление инвертирующего вывода, коэффициент усиления усилителя будет быть единством.Поскольку выходное напряжение просто следует за входным напряжением без усиления, усилитель известен как повторитель напряжения op ap. Вот почему эта схема также известна как буфер с единичным усилением. Этот буфер используется для согласования импеданса.

Дискретный операционный усилитель

Дискретный операционный усилитель предназначен для обеспечения минимальной разницы между положительным и отрицательным входами, что дополнительно способствует высокому усилению. Дискретные операционные усилители обычно используются для аудио приложений, а не обычные операционные усилители.Он имеет несколько преимуществ по сравнению с обычными операционными усилителями, поскольку возможна индивидуальная конструкция, требуется меньше компонентов, обеспечивается лучшая температурная стабильность и т.д. Он имеет восемь контактов. ИС не требует внешней частотной компенсации. Он обеспечивает более высокий CMRR и потребляет меньше энергии. Распиновка lm741 приведена ниже.

Номер контакта Описание
1, 5 Смещение NULL для удаления смещения и балансировки с землей.
2 Инвертирующая входная клемма
3 Неинвертирующая клемма
4 Отрицательное напряжение насыщения
6 Выход операционного усилителя 716 903 Положительное напряжение насыщения
8 Нет соединения (NC)

Дифференциатор операционного усилителя

Дифференциатор операционного усилителя или дифференциальный операционный усилитель выполняет операцию дифференцирования по входному сигналу напряжения.Чтобы реализовать дифференциатор с помощью операционного усилителя, нам понадобятся конденсатор, пара резисторов и операционный усилитель! На приведенной ниже принципиальной схеме изображена схема дифференциатора операционного усилителя.

Уравнения операционного усилителя

Уравнения операционного усилителя обычно называют выходными уравнениями операционного усилителя. Выходные уравнения представляют собой соотношение между входным и выходным напряжениями. Коэффициент усиления также можно определить из выходных уравнений.Некоторые из выходных уравнений некоторых основных усилителей приведены ниже.

Уравнения неинвертирующего операционного усилителя: V0 = [1 + (Rf / R1)] * Vin

Уравнения инвертирующего операционного усилителя: V0 = — (Rf / R1) * Vin

Типы операционных усилителей Операционный усилитель

имеет несколько типов, а не несколько режимов работы. Различные типы операционных усилителей выполняют различные математические операции. Некоторые из них —

  1. Инвертирующий операционный усилитель
  2. Неинвертирующий операционный усилитель
  3. Дифференциальный операционный усилитель
  4. Суммирующий усилитель
  5. Интегратор
  6. Дифференциальный усилитель
  7. Логарифмический усилитель
  8. Компаратор
  9. Преобразователь тока в напряжение
  10. Напряжение до преобразователь тока

Инвертирующий и неинвертирующий ОУ

Давайте проведем сравнительный анализ инвертирующего и неинвертирующего ОУ.

Предмет сравнения. Инвертирующий операционный усилитель Неинвертирующий операционный усилитель
Входной терминал Вход осуществляется через инвертирующий терминал. Вход осуществляется через неинвертирующий терминал.
Полярность выхода На выходе изменяется полярность входного напряжения. Полярность входа остается той же на выходе.
Усиление Усиление задается как: Av = — (Rf / R1) Усиление задается как: Av = (1 + Rf / R1)
Входное сопротивление Вход импеданс меньше, чем у неинвертирующего операционного усилителя. Входное сопротивление выше, чем у инвертирующего операционного усилителя.
Выходная фаза Вход и выход синфазны. Вход и выход не в фазе.

Операционный усилитель с отрицательной обратной связью

Для системы с обратной связью операционного усилителя, если система обратной связи подключена к инвертирующему выводу операционного усилителя, система обратной связи известна как отрицательная Обратная связь.Операционный усилитель, работающий со встроенной отрицательной обратной связью, известен как отрицательная обратная связь. Операционные усилители с отрицательной обратной связью имеют лучшую стабильность системы, но коэффициент усиления ниже, чем у операционного усилителя с положительной обратной связью.

Для получения дополнительных статей по электронике щелкните здесь

О Sudipta Roy

Я энтузиаст электроники и в настоящее время занимаюсь электроникой и коммуникациями.
Я очень заинтересован в изучении современных технологий, таких как искусственный интеллект и машинное обучение.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *