Схема операционного усилителя

Операционные усилители, сокращенно ОУ, являющиеся практически идеальными усилителями напряжения, получили наиболее широкое распространение в аналоговой схемотехнике. Они применяются с схемах генераторов различных сигналов, усилителях, фильтрах, в системах измерения различных параметров (температура, влажность и т.п) Типичный ОУ имеет два входа и один общий выход.
Обозначение на схеме операционного усилителя

В настоящее время ОУ изготавливаются, обычно, в виде монолитных интегральных микросборок и по своим габаритом и стоимости практически не отличаются от отдельно взятого биполярного транзистора. Благодаря практически идеальным свойствам ОУ реализация различных схем на их базе оказывается значительно легче, чем на отдельных транзисторах.

Паяльник с керамическим жалом с регулятором температуры и мощности

Операционный усилитель, построенный на типовой интегральной микросхеме, имеет в своем внутреннем устройстве: ДВК - дифференциальный входной каскад, ПКУ - промежуточные каскады усиления и ОК - оконечный каскад.

схема ОУ

ДВК обеспечивает: большой коэффициент усиления (Ku) по отношению к разности сигналов на входах (дифференциальному сигналу), низкий Ku относительно синфазных помех, низкий дрейф нуля и огромное входное сопротивление. ПКУ позволяют: получить большое усиление напряжения сигнала, изменить на 180 градусов или сохранить нулевым фазовый сдвиг усиливаемого сигнала. В роли промежуточных каскадов применяются дифференциальные или однополюсные каскады. ОК обеспечивает: низкое выходное сопротивление и достаточную мощность сигнала при низкоомной нагрузке, высокое входное сопротивление. Последнее требуется для сохранения большого Ku промежуточных каскадов. В роли типового оконечного каскада обычно применяют эмиттерный повторитель.

Обозначение ОУ на схемах в электронике

Абсолютно любой ОУ имеет не меньше пяти выводов: два входных (инвертирующий и неинвертирующий), два вывода для подсоединения напряжения питания и один выход.

Обозначение ОУ на электрических схемах

На схеме выше вход - "2" со знаком "+" является "неинвертирующим" или "прямым", соответственно с противоположным знаком - "инвертирующим" или "инверсным". Вывод три - выход, а 4 и 5 - используются для подключения источника питания. Многие современные ОУ могут иметь несколько дополнительных выводов, не несущих функциональной нагрузки (их называю вспомогательные), к ним обычно подсоединяются цепи коррекции АЧХ (метки FC), цепи для подключения компонентов балансировки по постоянному току (NC), а также имеется вывод металлического корпуса для подключения с общим проводом устройства, в котором расположен ОУ.

Подключение операционных усилителей к блоку питания

В основном для работы ОУ необходим двухполярный блок питания (БП); стандартные значения напряжений БП обычно 6 В; 12 В; 15 В (более редко 18 В). Схема подсоединения ОУ к двухполярному блоку питания и нагрузке показана на рисунке ниже

.
Стандартная схема включения ОУ

В некоторых моментах для питания ОУ применяется несимметричное напряжение, допустим +12 и -6 В, или однополярное питание, например, +12 В и земля (корпус). Так как в представленной выше схеме земля не подсоединена к ОУ, токи возвращаются от усилителя к БП через внешние радиокомпоненты схемы (в нашем примере это резистор нагрузки RH).

Выходное напряжение ОУ зависит от разности напряжений на его входах Eд=Uвх(+) - Uвх(-) , где Uвх(+) и Uвх(-) - напряжения на прямом и инверсном входах ОУ. Поэтому:

Uвыхu×Eд (1)

где Кu - коэффициент усиления без обратной связи (ОС). Предположим, что Eд>0 - напряжение на прямом входе положительно по отношению к напряжению на входе инверсном, тогда выходное напряжение будет положительно, смотри график ниже.

Выходная характеристика операционного усилителя

Если Eд<0, напряжение на выходе линейно зависит от Eд лишь в определенном диапазоне изменения последнего (от - Eд-max до +Eд-max) и не может быть больше величины напряжения блока питания.

В соответствии с формулой 1, имеем:

Полярность выходного напряжения в зависимости от дифференциального сигнала

Величина Ku очень большая; она может доходить до 200000 единиц и даже более. Приняв Ku=200000, для ОУ, запитанного от блока питания 12 В, на основании формулы 2 получим: -Eд-max=-60мкВ; +Eд-max=+60мкВ. Это напряжение очень мало. В обычном измерительном приборе напряжения наведенных шумов, сетевых наводок и напряжения от токов утечки могут быть более 1 мВ (1000 мкВ). Поэтому выражение -Eд-max=+Eд-max приблизительно равно нулю. Это позволяет одно из двух главных правил ОУ:

Если ОУ находится в линейном режиме, разность напряжений между его обоими входами стремится к нулю Для того, чтобы операционный усилитель работал в линейном режиме, в схему требуется добавить отрицательную обратную связь (ООС). Попроще можно выразиться так, что будучи охваченый ООС ОУ сделает все от него возможное, чтобы ликвидировать разность напряжений между его входами.

Операционник является отличным усилителем напряжения с большим входным сопротивлением. Для идеального усилителя сопротивления по обоим входам можно считать равными бесконечно большим. Отсюда, можно выразить второе главное правило. Входы операционника тока не потребляют.

Параметры ОУ

Все характеристики операционного усилителя можно условно поделить на входные, выходные и характеристики передачи. К входным свойствам ОУ относятся: напряжение сдвига; токи смещения; ток сдвига; входные сопротивления; коэффициент ослабления синфазного сигнала; диапазон синфазных входных напряжений; температурные дрейфы токов смещения и тока сдвига; температурный дрейф напряжения смещения нуля; напряжение шумов, приведенное ко входу; коэффициент влияния нестабильности блока питания на сдвиговое напряжение.

Напряжение сдвига UСДВ - это потенциал на выходе ОУ при нулевом уровне входного сигнала, который делится на Ku.

Токи смещения IСМ - обеспечивают нормальный режим работы дифференциального каскада построенного на биполярных транзисторах. В случае применения в ДК полевых транзисторов это токи различных утечек. Проще говоря, IСМ - это токи, потребляемые входами операционника.

IСДВ - ток сдвига - разность токов, потребляемых входами.

Входные сопротивления в зависимости от характера идущего на вход ОУ сигнала делятся на дифференциальное и синфазное.

RВХ ДИФ - Входное сопротивление дифференциального сигнала это полное входное сопротивление с любого входа, при условии, что другой вход подключен к корпусу (заземлен).

RВХ. СИНФ Входное сопротивление для синфазного сигнала изменение среднего тока на входе при приложении к входам синфазного напряжения. Оно на пару порядков больше сопротивления для дифференциального сигнала.

Подробней о этих других параметрах ОУ смотри по ссылке.