Операційні підсилювачі, параметри, схеми включення, розрахунок

Операційний підсилювач, він же ОУ, він же Operational amplifier, він же OpAmp – це підсилювач постійного струму, що має високий коефіцієнт посилення, з двома диференціальними входами і, як правило, одним виходом.
Причому визначення "підсилювач постійного струму" зовсім не означає те, що ОУ не "вміє" посилювати сигнали змінного струму, а означає, що його підсилювальна характеристика починається з нуля герц і тягнеться аж до частоти, яка називається частотою одиничного посилення даного конкретного операційника.

На Рис.2 наведено спрощену, але цілком собі працездатну схему трикаскадного ОУ. Перший каскад (Т1, Т2) – це диференціальний підсилювач, другий (Т3) – підсилювальний каскад, третій (Т4) – емітерний повторювач, що забезпечує низький вихідний опір.

Досить часто цю опорну напругу, що дорівнює Еп/2, формують за допомогою простого резистивного дільника.

При аналізі більшості радіоаматорських схем на ОУ правомірно припустити, що операційник щодо своїх параметрів є ідеальним, тобто:
– його вхідний опір Rвх → ∞ (реально одиниці ÷ сотні МОм);
– його вихідний опір Rвих → 0 (реально десятки ÷ сотні Ом);
– власний коефіцієнт посилення за напругою А → ∞ (реально тисячі ÷ сотні тисяч);
- ОУ є ідеально симетричним по входах;
- ОУ працює на лінійній ділянці амплітудної характеристики;
- Напруга зміщення нуля Uсм = 0 (реально 10 -3 ÷ 10 -6 В);
– ширина смуги пропускання → ∞ (реально сотні кілогерц÷ сотні мегагерц).

Розглянемо основні схеми включення операційних підсилювачів:

Рис.3 Схема підсилювача, що не інвертує, при живленні від двополярного
ІП (ліворуч) та однополярного (праворуч)

«Неінвертуючий підсилювач» означає, що фаза (полярність) вихідного сигналу завжди збігається з фазою вхідного.
Оскільки у схемі присутня негативний зворотний зв'язок (ООС) по напрузі, а власний коефіцієнт посилення ОУ по напрузі ми прийняли А → ∞, то коефіцієнт підсилення Кu представленого підсилювача залежатиме тільки від співвідношення резисторів R1 і R2. В даному випадку: K_u = 1 + R2/R1 , тобто K_u підсилювача, що не інвертує, завжди буде більше (або дорівнює при R2=0) одиниці.
Вхідний опір неінвертованого підсилювача велике і становить:
R_вх ≈ R_{вх_ОУ} * А/K_u при двополярному харчуванні, або
R_вх ≈ R3 ll (R_{вх_ОУ} * А/K_u) при однополярному.
Вихідний опір неінвертованого підсилювача, Навпаки, мало і становить:
R_вих ≈ R_{вих_ОУ} * K_u /А . В обох формулах А - Це власний коефіцієнт посилення ОУ за напругою.

Окремим випадком неінвертованого підсилювача є повторювач напруги на ОУ (Рис.4).

Рис.4 Схема повторювача напруги під час живлення від двополярного ІП
(ліворуч) та однополярного (праворуч)

А оскільки, повторимося, повторювач – це окремий випадок підсилювача, що не інвертує, то і всі основні характеристики залишаються колишніми, а формули дещо спрощуються:
K_u ≈ 1;
R_вх ≈ R_{вх_оу} * А при двополяному харчуванні, або R_вх ≈ R3 ll (R_{вх_оу} * А) - При однополярному;
R_вих ≈ R_{вих_оу} / А .

Для операційного підсилювача, включеного за схемою, що інвертує, розрахунок основних параметрів також не представляє складності:

Рис.5 Схема підсилювача, що інвертує, при живленні від двополярного ІП
(ліворуч) та однополярного (праворуч)

Як випливає з назви - фаза (полярність) вихідного сигналу такого підсилювача завжди зрушена на 180 ° по відношенню до вхідної фази.
Оскільки операційний підсилювач, охоплений петлею негативної ОС, прагне вирівняти напруги на своїх входах, а вхід, що не інвертує, посаджений на нуль, то і на інвертуючому у нас буде нуль, причому як по постійному, так і по змінному струму. Такий вхід називають уявною або віртуальною землею.

Параметри підсилювача, що інвертує, на ОУ такі:
K_u ≈ - R2/R1 ;
R_вх ≈ R1 ;
R_вих ≈ R_{вих_ОУ} * K_u /А .

Основним недоліком підсилювача, що інвертує, є досить низький вхідний опір, особливо в тих випадках, коли необхідно отримати високий Ku підсилювача. Пов'язано це з наявністю у реальних ОУ струмів витоку, а тому – неможливістю нескінченного збільшення номіналу резистора зворотного зв'язку R2. Як правило, величина цього резистора вибирається не вище 1МОм.
З метою підвищення вхідного опору інвертуючих підсилювачів застосовується Т-подібний ланцюжок ООС, який за помірних номіналів резисторів дозволяє виконати функцію еквівалента високоомного резистора зворотного зв'язку (Рис.6 праворуч).

Рис.6 Схема підсилювача, що інвертує, з підвищеним вхідним
опором

Тут величини вхідного та вихідного опорів описуються такими ж формулами, як і стандартному підсилювачі. А ось коефіцієнт посилення має складніший вигляд:
K_u ≈ - R2*(R3+R4)/(R1+R4) .
Насправді зазвичай вибирають R2 = R3 >> R4.
У прикладі, наведеному малюнку, видно, що обидві схеми мають однаковий коефіцієнт посилення Ku=100, тоді як вхідний опір звичайного інвертуючого підсилювача дорівнює 3.3 кОм, і з Т-образной ООС – 33 кОм.

Наявність віртуальної землі на мінусовому вході ОУ при інвертуючому включенні дозволяє легким рухом руки зі схеми простого підсилювача отримати схему суматора, що інвертує (Рис.7).

Рис.7 Схема інвертуючого суматора під час живлення від двополярного ІП
(ліворуч) та однополярного (праворуч)

Кількість входів практично нічим не обмежена. Коефіцієнт передачі по кожному з входів не залежить ні від кількості, ні від ступеня задіяності інших входів і становить:
K_{u_n} ≈ - R2/R1_n .
Вхідний опір кожного з входів визначається лише номіналом відповідного вагового резистора: R_{вх_n} ≈ R1_n .

У деяких джерелах наводяться побудови неінвертуючих суматорів на основі схеми підсилювача, що не інвертує.. Я не зупинятимуся на цих схемах у зв'язку зі значним впливом кожного з входів, а також фактором його задіяності на Ku інших входів. Куди більш вірним рішенням буде реалізація неінвертованого суматора шляхом послідовного з'єднання інвертує суматора, описаного вище, та інвертора напруги.

Якщо необхідно зробити не підсумовування, а віднімання сигналів, то можна скористатися схемою диференціального підсилювача однією ОУ (Рис.8).

Рис.8 Схема диференціального підсилювача під час живлення від двополярного
ІП (ліворуч) та однополярного (праворуч)

Головним завданням диференціального підсилювача є посилення різниці вхідних сигналів, тобто: U_вих = (U_вх2 - U_вх1)*K_u ;
Оскільки по мінусовому входу коефіцієнт передачі дорівнює: K_u = R2/R1 , то легко прорахувати, що для отримання такого ж K_u для неінвертуючого входу відношення величин R4/R3 має дорівнювати R2/R1.
У той же час, якщо ми хочемо отримати пристрій з повною симетрією, то нам треба потурбуватися про рівність опорів вхідних кожного з диференціальних входів.
Така умова виконується за наступних співвідношень:
R4 = R1*K_u / (K_u +1 ) ;
R3 = R1 - R4 .

На цьому мабуть і все. А різноманіття пристроїв, побудованих на ОУ, будемо вивчати на наступних сторінках.

Операційні підсилювачі. Види та робота. Харчування та особливості

Операційні підсилювачі є одним із основних компонентів у сучасних аналогових електронних пристроях. Завдяки простоті розрахунків та відмінним параметрам, операційні підсилювачі легкі у застосуванні. Їх також називають диференціальними підсилювачами, оскільки вони здатні посилити різницю вхідних напруг.

Особливо популярне використання операційних підсилювачів у звуковій техніці для посилення звучання музичних колонок.

Позначення на схемах

Операційні підсилювачі на корпусі мають зазвичай п'ять висновків, у тому числі два висновку – входи, один – вихід, інші два – живлення.

Принцип дії

Існують два правила, які допомагають зрозуміти принцип дії операційного підсилювача:

1. Вихід операційного підсилювача прагне нульової різниці напруги на входах.
2. Входи підсилювача не витрачають струм.

Перший вхід позначений "+", він називається неінвертуючим. Другий вхід позначений знаком "-", вважається інвертуючим.

Входи підсилювача мають високий опір, що називається імпедансом. Це дозволяє витрачати струм на входах у кілька наноамперів. На вході відбувається оцінка величини напруги. Залежно від цієї оцінки підсилювач видає вихід посилений сигнал.

Велике значення має коефіцієнт посилення, що іноді досягає мільйона.Це означає, що якщо на вхід подати хоча б 1 мілівольт, то на виході напруга дорівнює величині напруги джерела живлення підсилювача. Тому операційники не застосовують без зворотного зв'язку.

Входи підсилювача діють за наступним принципом: якщо напруга на вході, що не інвертує, буде вище напруги інвертируючого входу, то на виході виявиться найбільша позитивна напруга. За зворотної ситуації на виході буде найбільше негативне значення.

Негативна і позитивна напруга на виході операційного підсилювача можлива через використання джерела живлення, що має розщеплену двополярну напругу.

Живлення операційного підсилювача

Якщо взяти пальчикову батарейку, то вона має два полюси: позитивний і негативний. Якщо негативний полюс рахувати за нульову точку відліку, то позитивний полюс покаже +1,5 В. Це видно за підключеним мультиметром.

Взяти два елементи і підключити їх послідовно, виходить наступна картина.

Якщо за нульову точку прийняти негативний полюс нижньої батареї, а напруга вимірювати на позитивному полюсі верхньої батареї, то пристрій покаже +10 вольта.

Якщо за нуль прийняти середню точку між батарейками, то виходить джерело двополярної напруги, так як є напруга позитивної та негативної полярності, що дорівнює +5 вольта і -5 вольта.

Існують прості схеми блоків із розщепленим живленням, що використовуються в конструкціях радіоаматорів.

Живлення на схему подається від побутової мережі. Трансформатор знижує струм до 30 вольт. Вторинна обмотка в середині має відгалуження, за допомогою якого на виході виходить +15 і -15 випрямленого напруги.

Різновиди

Існує кілька різних схем операційних підсилювачів, які варто докладно розглянути.

Підсилювач, що інвертує

Така схема є основною. Особливістю цієї схеми і те, що операційники характеризуються крім посилення, ще й зміною фази. Літера "k" позначає параметр посилення. На графіці зображено вплив підсилювача у цій схемі.

Синій колір відображає вхідний сигнал, а червоний – вихідний сигнал. Коефіцієнт посилення в цьому випадку дорівнює: k = 2. Амплітуда сигналу на виході в 2 рази більше сигналу на вході. Вихідний сигнал підсилювача перевернутий, звідси його назва. Операційні підсилювачі, що інвертують, мають просту схему:

Такі операційні підсилювачі стали популярними через свою просту конструкцію. Для обчислення посилення застосовують формулу:

Звідси видно, що посилення операційника залежить від опору R3, тому можна уникнути нього. Тут він застосовується для захисту.

Операційні підсилювачі, що не інвертують

Ця схема подібна до попередньої, відмінністю є відсутність інверсії (перевернутості) сигналу. Це означає збереження фази сигналу. На графіці зображено посилений сигнал.

Коефіцієнт посилення неинвертирующего підсилювача також дорівнює: k = 2. На вхід подається сигнал у формі синусоїди, на виході змінилася лише її амплітуда.

Ця схема не менш проста, ніж попередня, у ній є два опори. На вході сигнал подається на плюсовий висновок. Для розрахунку коефіцієнта посилення потрібно використовувати формулу:

З неї видно, що коефіцієнт посилення не буває менше одиниці, оскільки сигнал не пригнічується.

Схема віднімання

Ця схема дає можливість створення різниці двох сигналів на вході, які можуть бути посилені.На графіці показано принцип дії диференціальної схеми.

Таку схему підсилювача ще називають схемою віднімання.

Вона має складнішу конструкцію, на відміну розглянутих раніше схем. Для розрахунку вихідної напруги користуються формулою:

Ліва частина виразу (R3/R1) визначає коефіцієнт посилення, а права частина (Ua – Ub) є різницею напруги.

Схема додавання

Таку схему називають інтегрованим підсилювачем. Вона протилежна схемі віднімання. Особливістю її є можливість обробки більше двох сигналів. На такому принципі діють усі звукові мікшери.

Ця схема показує можливість підсумовування кількох сигналів. Для розрахунку напруги застосовується формула:

Схема інтегратора

Якщо до схеми додати конденсатор у зворотний зв'язок, то вийде інтегратор. Це ще один пристрій, у якому використовуються операційні підсилювачі.

Схема інтегратора подібна до інвертуючого підсилювача, з додаванням ємності в зворотний зв'язок. Це призводить до залежності роботи системи від частоти сигналу на вході.

Інтегратор характеризується цікавою особливістю переходу між сигналами: спочатку прямокутний сигнал перетворюється на трикутний, далі він перетворюється на синусоїдальний. Розрахунок коефіцієнта посилення проводиться за такою формулою:

У цій формулі змінна ω = 2πf підвищується зі зростанням частоти, отже, що більше частота, тим коефіцієнт посилення менше. Тому інтегратор може діяти як активний фільтр низьких частот.

Схема диференціатора

У цій схемі виходить зворотна ситуація. На вході підключено ємність, а у зворотному зв'язку підключено опір.

Судячи з назви схеми, її принцип роботи полягає у різниці.Чим більша швидкість зміни сигналу, тим більша величина коефіцієнта посилення. Цей параметр дозволяє створювати активні фільтри для високої частоти. Коефіцієнт посилення для диференціатора розраховується за такою формулою:

Це вираз назад виразу інтегратора. Коефіцієнт посилення підвищується в негативну сторону із зростанням частоти.

Аналоговий компаратор

Пристрій компаратора порівнює два значення напруги та переводить сигнал у низьке або високе значення на виході, залежно від стану напруги. Ця система включає в себе цифрову та аналогову електроніку.

Особливістю цієї системи є відсутність в основній версії зворотного зв'язку. Це означає, що опір петлі дуже великий.

На плюсовий вхід подається сигнал, а на мінусовий вхід подається основна напруга, яка задається потенціометром. Зважаючи на відсутність зворотного зв'язку коефіцієнт посилення прагне до нескінченності.

При перевищенні напруги на вході величини основної опорної напруги, на виході виходить найбільша напруга, яка дорівнює позитивному напругі живлення. Якщо на вході напруга буде меншою за опорну, то вихідним значенням буде негативна напруга, що дорівнює напругі джерела живлення.

У схемі аналогового компаратора є значний недолік. При наближенні значень напруги на двох входах один до одного, можлива часта зміна вихідної напруги, що зазвичай призводить до перепусток і збоїв у роботі реле. Це може спричинити порушення роботи обладнання. Для вирішення цього завдання застосовують схему з гістерезисом.

Аналоговий компаратор із гістерезисом

На малюнку показано схему дії схеми з гістерезисом, яка аналогічна попередній схемі.Відмінністю є те, що вимкнення та включення не відбувається при одній напрузі.

Напрямок стрілок на графіку вказує напрямок переміщення гістерези. При розгляді графіка ліворуч праворуч видно, що перехід до нижчого рівня здійснюється при напрузі Uph, а рухаючись праворуч наліво, напруга на виході досягне вищого рівня при напрузі Upl.

Такий принцип дії призводить до того, що при рівних значеннях вхідних напруг стан на виході не змінюється, так як для зміни потрібна різниця напруг на суттєву величину.

Така робота схеми призводить до деякої інертності системи, проте це безпечніше, на відміну від схеми без гістерези. Зазвичай такий принцип дії застосовується у нагрівальних приладах із наявністю термостату: плити, праски тощо. На малюнку зображено схему підсилювача з гістерезисом.

Напруження розраховуються за такими залежностями:

Повторювачі напруги

Операційні підсилювачі часто застосовують у схемах повторювачів напруги. Основною особливістю цих пристроїв є те, що в них не відбувається посилення або ослаблення сигналу, тобто коефіцієнт посилення в цьому випадку дорівнює одиниці. Така особливість пов'язана з тим, що петля зворотного зв'язку має опір, що дорівнює нулю.

Такі системи повторювачів напруги найчастіше використовуються як буфер для збільшення навантажувального струму та працездатності пристрою. Так як вхідний струм наближений до нуля, а струм на виході залежить від виду підсилювача, тобто можливість розвантаження слабких джерел сигналу, наприклад деяких датчиків.

Схожі теми:

ОПЕРАЦІЙНІ ПІДСИЛЮВАЧІ

Термін "операційний підсилювач" раніше застосовувався для підсилювачів постійного струму з великим коефіцієнтом підсилення та малим дрейфом, виконаних на електронних лампах та пізніше на дискретних транзисторах. Такі підсилювачі служили основою аналогових ЕОМ, дуже ефективних на вирішення операторних рівнянь високих порядків. В даний час операційним підсилювачем (ОУ) називають інтегральну мікросхему, що має диференціальний вхід і виконує функцію , де - власний коефіцієнт посилення. Схемотехнічно вони зазвичай виконуються за схемою прямого посилення з диференціальними входами, двотактним виходом і розраховані на двополярне симетричне харчування (хоча використовується і однополярне).
Крім двох входів, виходу і виводів живлення, ОУ може мати висновки для балансування, корекції, програмування (завдання певних параметрів величиною керуючого струму).
В ідеальному випадку ОУ повинен мати нескінченний коефіцієнт посилення по напрузі, нескінченно великий вхідний і нескінченно малий вихідний опору, нескінченно велику амплітуду вихідного сигналу, нескінченно великий діапазон частот, що підсилюються. Параметри ОУ не повинні залежати від зовнішніх факторів, напруги живлення та температури. При дотриманні цих умов передавальна характеристика ОУ, охопленого негативним зворотним зв'язком (ООС) точно відповідає передавальній характеристиці ланцюга ООС і залежить від параметрів самого підсилювача. Саме на цьому постулаті ґрунтується вся нескінченна різноманітність схемних рішень щодо застосування ОУ.
Реальні ОУ, природно, мають характеристики, відмінні від ідеальних.Оскільки схемотехнічно та технологічно спроектувати ОУ з гарним наближенням до ідеальних всіх параметрів одночасно неможливо, проектувальники змушені йти на компроміс, віддаючи перевагу в кожному конкретному випадку лише одному – двом ключовим параметрам. Звідси виникає досить чітка класифікація ОУ, що випускаються. Залежно від поставленого завдання оптимізовані можуть бути наступні параметри:

*ОУ, що відносяться до цього класу, здебільшого мають на вході польові транзистори, які мають значну залежність зворотних струмів від температури. Звідси вхідний струм таких ОУ може збільшуватися на порядок і більше за зміни температури від 25°C до Tmax.

*Слід зазначити, що критерії досягнення мінімального енергоспоживання суперечать критеріям досягнення максимальної швидкодії, тому мікропотужні ОУ, як правило, мають більш ніж скромні швидкісні параметри і навпаки. Необхідність мінімізації енергоспоживання пояснюється вимогами до пристроїв із батарейним живленням.У зв'язку з цим, переважна більшість мікропотужних ОУ мають ще й знижену напругу живлення. Плюс до цього – можливість роботи від однополярного джерела живлення.
При невеликій напрузі живлення навіть одного вольта, як різниці між напругою живлення і досяжною напругою на виході, видається занадто марнотратною. Тому більшість сучасних ОУ цього класу мають можливість досягнення вихідним сигналом повного розмаху вихідної напруги в межах напруги живлення. Така здатність називається R/R (Rail-to-Rail) виходом. Аналогічно існують і R/R входи.

Шумові параметри ОУ значною мірою визначають мінімальний допустимий рівень вхідних сигналів і, у випадку, шуми властиві всім ОУ переважають у всіх класах. В даному випадку ми розглядаємо підсилювачі для аудіо застосувань і додатково наводимо інші параметри, що впливають якість передачі звукового сигналу.

* Відображення об'єктивних характеристик ОУ не дає, на жаль, повного враження про його . За інших рівних умов, одні підсилювачі звучатимуть суб'єктивно краще, інші гірші.Очевидно, це за межею вимірюваних і описуваних параметрів, хоча закономірності тут, звісно, ​​очевидні. За досвідом багатьох любителів High-End, неперевершеним з погляду музичності є OP275 фірми Analog Devices.

Такі підсилювачі розробляються для безпосереднього управління навантаженням, і левова частка призначена для роботи в якості УНЧ.

У ряді випадків до параметрів ОУ не висувається особливих вимог. Тоді перше місце виходять економічні міркування. Як відомо, ціни на мікросхеми значною мірою залежать від масовості їхнього випуску. Застосовуючи стандартні мікросхеми, можна бути впевненим у їх дешевизні та доступності.
Ми рекомендуємо наступні типи ОУ загального призначення: одиночні – uA741, здвоєні – LM358 та звірячі – LM324.Ці підсилювачі мають збалансовані параметри і надзвичайну поширеність. У кожному з вищерозглянутих класів ОУ також є певні з економічної точки зору. Так, у класі прецизійних ОУ найдоступнішим є OP07; серед ОУ з високим вхідним опором – серія TL071/2/4 – TL081/2/4; з мікропотужних можна рекомендувати TL061/2/4; з аудіо - NE5532/34; недорогими швидкодіючими (до певної міри) можна вважати OP27/37 або LF357.

На закінчення варто відзначити, що такий короткий огляд не охоплює безліч цікавих різновидів ОУ, наприклад програмовані ОУ, ОУ зі стабілізацією перериванням та інших. Також не є вичерпним і перелік розглянутих параметрів. Тим не менш, слід також звернути особливу увагу на гранично допустимі параметри, Деякі з яких вже розглядалися вище. Перерахуємо ті, що залишилися:

Робочий температурний діапазон не є в повному розумінні параметром ОУ, але, як і для будь-яких інших мікросхем, обмежує сферу застосування конкретно взятого типу.