1 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Что такое операционный усилитель

Операционный усилитель

Что такое операционный усилитель

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

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

Схема операционного усилителя

На схемах операционный усилитель обозначается вот так:

Чаще всего ОУ на схемах обозначаются без выводов питания

Итак, далее по классике, слева два входа, а справа – выход.

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

Питание операционных усилителей

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

Давайте представим себе батарейку

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

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

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

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

Вот здесь мы как раз и получили двухполярное питание.

Идеальная и реальная модель операционного усилителя

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

1) Входное сопротивление идеального ОУ бесконечно большое.

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

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

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

3) Выходное сопротивление идеального ОУ равняется нулю.

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

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

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

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

Схема простейшего ОУ на транзисторах выглядит примерно вот так:

Принцип работы операционного усилителя

Давайте рассмотрим, как работает ОУ

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

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

Читать еще:  Почему наказ считался необычным для России документом

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

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

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

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

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

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

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

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

А что покажет Falstad? Ноль Вольт.

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

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

Смотрим, что имеем на виртуальном осциллографе:

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

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

Пример

Полагая R 1 = 1 кОм и R oc = 2,2 кОм, рассчитать коэффициент усиления и выходное напряжение инвертирующего усилителя, если на его вход подано на­пряжение 50 мВ.

Выходное напряжение = -2, 2 · 50 мВ = -110 мВ.

Суммирующий усилитель

Суммирующий усилитель (рис. 31.3) вырабатывает выходное напряже­ние, величина которого пропорциональна сумме входных напряжений V1 и V2. Для входного напряжения V1 коэффициент усиления GV= Roc / R1, а для входного напряжения V2 GV= Roc / R1 .

Например, если Roc = R1 = R2, то коэффициент усиления для обоих входов равен -5 кОм / 5 к0м = -1. Пусть V1 = 1 В и V2 = 2 В, тогда вклад в выходное напряжение, связанный с V1 , составляет 1 · (-1) = -1 В, а вклад, связанный с V2, составляет 2 · (-1) = -2 В. Следовательно, полное выходное напряжение равно Vвых = -1 — 2 = -3 В.

Пример 1

На входы суммирующего ОУ, показанного на рис. 31.4, подаются напряжения V 1 = 20 мВ и V 2 = -10 мВ. Рассчитайте выходное напряжение V вых .

Рис. 31.3. Суммирующий усилитель.

Рис. 31.4.

Выходное напряжение для V1 = -5/1 · 20 = -100 мВ.

Выходное напряжение для V 2 = -5/5 · (-10) = +10мВ.

Следовательно, полное выходное напряжение Vвых = -100 + 10 = -90 мВ.

Повторитель напряжения

В этом случае операционный усилитель охвачен 100%-ной отрицательной обратной связью (рис. 31.5) и имеет результирующий коэффициент уси­ления, равный 1. Заметим, что выходной и входной сигналы повторителя напряжения совпадают по фазе.

Напряжение смещения

При нулевом входном сигнале выходной сигнал идеального ОУ равен ну­лю. На практике это не так: отличный от нуля сигнал (ток или напря­жение) присутствует на выходе ОУ даже при нулевом входном сигнале. Чтобы добиться нулевого выходного сигнала при нулевом входном, на вход ОУ подается входной ток смещения или напряжение смещения та­кой величины и полярности, чтобы выходной сигнал, соответствующий входному сигналу смещения, компенсировал исходный мешающий выход­ной сигнал.

Читать еще:  Можно ли обшивать стены гипсокартоном

Входной ток смещения обычно устанавливается с помощью дополни­тельного резистора R2, подключаемого к неинвертирующему входу ОУ, как показано на рис. 31.6.

Рис. 31.5. Повторитель напряже­ния. Рис. 31.6

Оптимальное сопротивление этого резистора определяется по формуле

Обычно, если коэффициент усиления больше четырех, номиналы рези­сторов R2и R1 выбирают одинаковыми. Введение резистора R2 не изме­няет коэффициент усиления инвертирующего усилителя, он по-прежнему остается равным Roc/R1. Как мы увидим позже, в некоторых ИС преду­сматриваются выводы для установки нулевого напряжения на выходе ОУ.

В этом случае входной сигнал подается на неинвертирующий вход ОУ, как показано на рис. 31.7.

Рис. 31.7. Неинвертирующий усилитель.

На рис. 31.8 показано использование ОУ в качестве интегратора. В этом случае функцию элемента обратной связи выполняет конденсатор C1. При подаче перепада напряжения (ступеньки) на вход интегратора вы­ходной сигнал начинает нарастать от нулевого значения с постоянной скоростью и имеет полярность, противоположную полярности входного сигнала (рис. 31.9).

Рис. 31.8. Интегратор.

Скорость изменения выходного напряжения опреде­ляется постоянной времени C 1 R 1 и величиной входного сигнала.

Скорость изменения выходного напряжения =

где V 1 входное напряжение. Отрицательный знак указывает на инвер­тирование сигнала.

Пример 2

Пусть C 1 = 1 мкФ, R 1 = 1 кОм и V 1 = 3 В. Рассчитайте скорость изменения выходного напряжения.

Прежде чем рассчитывать скорость изменения выходного напряжения, полезно найти постоянную времени для данной схемы.

Постоянная времени = C1R1 = 1 · 10 -6 · 1 · 10 3 = 10 -3 с = 1 мс.

Скорость изменения выходного напряжения = = -3 В/1 мс = -3 В/мс. Это означает, что выходное напряжение будет изменяться на -3 В за каждую миллисекунду. Предположим, что конденсатор C 1 полностью разря­жен перед подачей входного сигнала. Тогда через 0,5 мс выходное напряжение будет равно -1,5В, через 1 мс — -3 В, через 1,5 мс — -4,5 В и т. д. Следует отметить, что постоянная времени интегрирующего усилителя C 1 R 1 численно равна длительности временного интервала, в течение которого выходное напря­жение интегратора, «стартующее» с нулевого уровня, нарастает до величины входного напряжения.

Для того чтобы построить график временной зависимости выходного напря­жения, нужны две точки. Удобнее всего использовать точки, указанные на

Рис. 31.9. Повторитель напряже­ния. Рис. 31.10.

Рис. 31.11.

рис. 31.10: точку А для момента времени t = 0, когда выходное напряжение V вых = 0, и точку В для момента времени t = C 1 R 1 (постоянная времени интегра­тора), когда выходное напряжение V вых = V 1 (входное напряжение с обратным знаком). Проводя через точки А и В прямую линию, получаем график измене­ния выходного напряжения. В рассматриваемом примере координаты точки А определяются как (0 В, 0 мс), а точки В как (-3 В, 1 мс).

Форма выходного сигнала при подаче на вход интегратора последова­тельности прямоугольных импульсов показана на рис. 31.11.

Коэффициент усиления переменного сигнала

Если на вход интегрирующего усилителя подать синусоидальный сигнал, на его выходе воспроизводится также синусоидальный сигнал. В этом случае интегратор работает как усилитель с коэффициентом усиления по переменному току, определяемым постоянной времени C 1 R 1 и частотой входного сигнала.

Реактивное сопротивление конденсатора XC1

где реактивное сопротивление конденсатора . Отсюда

Дифференциальный усилитель

Дифференциальный усилитель (рис. 31.12) вырабатывает выходной сиг­нал, пропорциональный разности входных сигналов V1 V2. При R1 = R2 имеем

Рис. 31.12.

Назначение выводов ОУ 741

На рис. 31.13 показана схема расположения выводов ОУ 741, выпускаемо­го в 8-штырьковом DIP-корпусе (плоском корпусе с двухрядным распо­ложением выводов). Подстройка нуля на выходе ОУ (балансировка ОУ) обеспечивается подстроечным резистором, включаемым между вывода­ми 1 и 5 (как показано на рис. 31.14). Выводы 2 и 3 — инвертирующий и неинвертирующий входы ОУ соответственно. Выходной сигнал снимает­ся с вывода 6. Положительное напряжение источника питания (+15 В) подается на вывод 7, а равное по величине отрицательное напряжение (-15 В) — на вывод 4. Вывод 8 не используется.

Рис. 31.13. Назначение выводов ОУ 741.

Рис. 31.14.

Частотная коррекция

Идеальный ОУ имеет бесконечную полосу пропускания. Однако на прак­тике коэффициент усиления спадает при увеличении частоты. Для ком­пенсации этого падения и, следовательно, для расширения полосы про­пускания в некоторых ИС операционных усилителей предусмотрены вы­воды для частотной коррекции. В ОУ 748 для этой цели предназначены выводы 1 и 8 (рис. 31.15). Частотная коррекция осуществляется путем включения конденсатора C1 между этими выводами, как показано на рис. 31.15(б).

Рис.31.15. ОУ 748: (а) назначение выводов; (б) частотная коррекция и балансировка.

В этом видео рассказывается о принципе работы операционного усилителя:

Что такое операционный усилитель

Практическое применение операционных усилителей.Часть первая.

Автор:
Опубликовано 01.01.1970

Всем привет.
В этой статье мы обсудим некоторые аспекты практического применения операционных усилителей в повседневной жизни радиолюбителя.
Не растекаясь мыслею по древу и не вдаваясь в дремучие теоретические основы работы вышеозначенного усилителя, давайте все же обозначим некоторые основные термины и понятия, с которыми нам предстоит столкнуться в дальнейшем.
Итак — операционный усилитель. Далее будем называть его ОУ, а то очень лень писать каждый раз полностью.
На принципиальных схемах, чаще всего, он обозначается следующим образом:

Читать еще:  Как проверить свои пенсионные накопления

На рисунке обозначены три самых главных вывода ОУ — два входа и выход. Разумеется, есть еще выводы питания и иногда выводы частотной коррекции, хотя последнее встречается все реже — у большинства современных ОУ она встроенная. Два входа ОУ — Инвертирующий и Неинвертирующий названы так по присущим им свойствам. Если подать сигнал на Инвертирующий вход, то на выходе мы получим инвертированный сигнал, то бишь сдвинутый по фазе на 180 градусов — зеркальный; если же подать сигнал на Неинвертирующий вход, то на выходе мы получим фазово не измененный сигнал.

Так же как и основных выводов, основных свойств ОУ тоже три — можно назвать их ТриО (или ООО — кому как нравится): Очень высокое сопротивление входа, Очень высокий коэффициент усиления (10000 и более), Очень низкое сопротивление выхода. Еще один очень важный параметр ОУ называется скорость нарастания напряжения на выходе (slew rate на буржуинском). Обозначает он фактически быстродействие данного ОУ — как быстро он сможет изменить напряжение на выходе при изменение оного на входе.
Измеряется этот параметр в вольтах в секунду (В/сек).
Этот параметр важен прежде всего для товарищей, конструирующих УЗЧ, поскольку, если ОУ недостаточно быстрый, то он не будет успевать за входным напряжением на высоких частотах и возникнут изрядные нелинейные искажения. У большинства современных ОУ общего назначения скорость нарастания сигнала от 10В/мксек и выше. У быстродействующих ОУ этот параметр может достигать значения 1000В/мксек.
Оценить — подходит ли тот или иной ОУ для ваших целей по скорости нарастания сигнала можно по формуле:

где, fmax — частота синусоидального сигнала, Vmax — скорость нарастания сигнала, Uвых — максимальное выходное напряжение.
Ну да не будем больше тянуть кота за хвост — приступим к главной задаче этого опуса — куда, собственно, эти клевые штуки можно воткнуть и что из этого можно получить.

Первая схема включения ОУ — инвертирующий усилитель.

Наиболее популярная и часто встречающаяся схема усилителя на ОУ. Входной сигнал подается на инвертирующий вход, а неинвертирующий вход подключается к общему проводу.
Коэффициент усиления определяется соотношением резисторов R1 и R2 и считается по формуле:

Почему «минус»? Потому что, как мы помним, в инвертирующем усилителе фаза выходного сигнала «зеркальна» фазе входного.
Входное сопротивление определяется резистором R1. Ежели его сопротивление, например 100кОм, то и входное сопротивление усилителя будет 100кОм.

Следующая схема — инвертирующий усилитель с повышенным входным сопротивлением.
Предыдущая схема всем хороша, за исключением одного нюанса — соотношение входного сопротивления и коэффициента усиления может не подойти для реализации какого-либо специфического проекта. Ведь что получается — допустим, нам нужен усилитель с К=100. Тогда, исходя из того, что значения резисторов должны быть в разумных пределах берем R2=1Мом, а R1=10кОм. То есть, входное сопротивление усилителя будет равным 10 кОм, что в некоторых случаях недостаточно.
В этих самых случая можно применить следующую схему:

В данном случае, коэффициент усиления считается по следующей формуле:

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

Едем дальше — неинвертирующий усилитель.
Выглядит он следующим образом:

Коэффициент усиления определяется так:

В данном случае, как видите, никаких минусов нет — фаза сигнала на входе и на выходе совпадает.
Основное отличие от инвертирующего усилителя заключается в повышенном входном сопротивлении, которое может достигать 10Мом и выше.
Если при реализации данной схемы в практических конструкциях, необходимо предусмотреть развязку с предыдущими каскадами по постоянному току — установить разделительный конденсатор, то нужно между входом ОУ и общим проводом включить резистор сопротивлением около 100кОм, как показано на рисунке.

Если этого не сделать, то ОУ перевозбудится и ничего дельного вы от него не получите. Ну кроме половины питания на выходе.

Усилитель с изменяемым коэффициентом усиления.

Примем R1=R2=R3=R. И введем некую переменную А, которая может принимать значения от 1 до 0 в зависимости от поворота движка переменного резистора R3.
Тогда коэффициент усиления можно определить так:
K=2A-1
Входное сопротивление практически не зависит от положения движка переменного резистора.
Так, с усилителями разобрались — дальше у нас по плану — фильтры.

Источники:

http://www.ruselectronic.com/operacionnyj-usilitel-vvedenie/
http://radiolubitel.net/index.php/elektronika/306-operatsionnyj-usilitel
http://www.radiokot.ru/articles/05/

Ссылка на основную публикацию
Статьи c упоминанием слов:

Adblock
detector