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

Идеальный операционный усилитель является дифференциальным усилителем постоянного тока (УПТ) с двумя входами (инвертирующим и неинвертирующим) и одним выходом. Кроме них любой ОУ должен иметь питающие выводы. Поэтому минимум пять выводов имеются в почти любом операционном усилителе.

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.


Операционный усилитель вводные понятия в электронике

Понимание принципа работы ОУ важный шаг в становлении профессионального инженера электронщика Вот эти принципы работы ОУ мы и расскажем вам в рамках данной статьи . В водной части материала рассмотрим работу операционного усилителя буквально почти что на пальцах, практически не используя формул, разве, что кроме закона Ома, который обязан знать и понимать даже начинающий электронщик. «Ток протекающий через некоторый участок цепи (I) прямо пропорционален напряжению на этом участке схемы (U) и обратно пропорционален его сопротивлению (R)»:

I=U/R

Допустим, что параметры рассматриваемого нами операционного усилителя близки к идеальным, тогда проанализируем его сигнал на его выходе, в зависимости от различных сигналов подаваемых на его входы.

Все современные операционные усилители имеет огромный коэффициент усиления, от 50000 и больше (Но правда кроме самих первых разработок, но их уже сложно найти). В первом приближении, можно считать, что он равен бесконечной величине.

На выходной потенциал операционного усилителя влияет только разность потенциалов между его входами, независимо от их полярности и абсолютного значения. Поэтому все ОУ являются «дифференциальными» («different» переводится с забугорного как «разница», «различие», «разность»).

Операционный усилитель и почти вся схемотехника построенная на его базе, способны усиливать входные сигналы начиная от 0 Гц. (отсюда в терминологии дифференциальный усилитель постоянного тока). Верхний диапазон частот, усиливаемых сигналов зависит от многих факторов, таких, как частотные свойства транзисторов, из которых он состоит, коэффициента усиления и т.д.

Входы операционного усилителя имеют огромное входное сопротивление, от десятков и сотен Мега Ом, и до Гига Ом. Столь огромное значение сопротивления входов означает, что на входной сигнал схемы они практически не оказывают никакого влияния.

Поэтому с значительной степенью приближения к идеалу можно уверенно считать, что ток во входы ОУ не идет. Это — важнейшее правило при анализе работы любого ОУ, но оно распространяется только на сам дифференциальный УПТ, а не на схемы, в которых он применяется.

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 операционного усилителя на схемах

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

Изображают операционные усилители на принципиальных схемах по-разному. За рубежом они раньше изображалис в виде равнобедренного треугольника. Причем инвертирующий вход со знаком «минус», а неинвертирующий — символом «плюс» внутри треугольника. Эти символы совершенно не означают, что на этих входах потенциал должен быть более положительным или отрицательным, чем на противоположном. Они просто указывают, как реагирует потенциал выхода операционного усилителя на потенциалы на входы. В итоге некоторые новички путают их с выводами питания.

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.

В системе отечественных условных графических изображений на схемах по старому ГОСТ 2.759-82 он также чертился в виде треугольника, только инвертирующий вх. помечался символом инверсии — кружочком в месте пересечения вывода с треугольником (смотри рисунок выше в центре), а по новому ГОСТУ — в виде прямоугольника (Рисунок справа).

При обозначении на схемах инвертирующий и неинвертирующий входы можно менять местами друг с другом, если так удобнее, однако, традиционно рекомендуется инвертирующий вход показывать вверху, а неинвертирующий — снизу. Питающие выводы, обычно, всегда показаны так - положительный сверху, а отрицательный — снизу. Хотя чаще всего выводы питания на схеме не показывают совсем, чтобы не хламит её несущественными радио компонентами.

Схемы операционных усилителей с обратной связью (ОС)

Обратной связью в ОУ называется способ подачи части выходного сигнала в схеме включения УПТ на его вход, где оно алгебраическим способом (с учетом знака) суммируется с напряжением на входе. В зависимости от того, на какой вход, неинвертирующий или инвертирующий, поступает ОС, бывает отрицательная обратная связь (ООС), когда часть выходного сигнала подается на инвертирующий вход смотри рисунок А или положительную обратную связь (ПОС), когда часть выходного сигнала следует на неинвертирующий вх. (Рисунок Б).

В первом примере, выходной сигнал будет инверсным по отношению ко входному, поэтому он будет вычитаться из входного. В результате общее усиление снижается. Во втором случае с ПОС выходной сигнал суммируется со входным, общее усиление каскада увеличивается.

Зачем же вообще использовать ООС в схемах с ОУ, скажите вы. Но зато жертвуя коэффициентом усиления, мы значительно улучшаем другие важные свойства и характеристики, такие как, линейность, частотный диапазон и прочие. Чем глубже велечина ООС, тем меньше характеристики всей схемы зависят от характеристик конкретного типа микросхемы УПТ.

Операционный усилитель глубина ООС показывает, во сколько раз меняется коэффициент усиления под ее влиянием по сравнению с полным ее отсутствием. Глубина ООС выражается обычно в логарифмическом масштабе, т.е в децибелах.

А вот ПОС оказывает совершенно противоположное влияние на характеристики схемы и самое неприятное — вызывает самовозбуждение схемы построенной на операционном усилителе. Такие схемы с ПОС применяются в генераторах, компараторах с гистерезисом и т.д.

Операционный усилитель основные схемы включения

Так как практически любой ОУ имеет два входа, то возможны следующие основные виды его использования в радиолюбительских схемах с ООС.

Слева на право относительно рисунка выше:

Инвертирующая схема включения — сигнал поступает на инвертирующий вход, а неинвертирующий подсоединяется к опорному потенциалу ( проще сказать не используется);
Неинвертирующее включение— сигнал следует на неинвертирующий вход, а инвертирующий не используется;
Дифференциальная схема — сигналы идут на оба входа операционного усилителя.

Для анализа работы выше приведенных схем следует учесть второе важнейшее правило (только для схем с ООС), которому подчиняется вся работа операционного усилителя: Выход ОУ всегда стремится к тому, чтобы разность потенциалов между его входами была равна нулю.

Если внимательно посмотреть на выше приведенные рисунки, можно заметить, что ООС (через Rоос) во всех случаях заводится с выхода только на инвертирующий вход, что позволяет переформулировать это правило: Напряжение на выходе операционного усилителя, охваченного ООС, стремится к тому, чтобы потенциал на инвертирующем уравнялся с потенциалом на неинвертирующем входе.

Исходя из этого можно сказать, что «ведущим» при любом включении с ООС является неинвертирующий, а «ведомым» — инвертирующий вход.

При описании работы ОУ потенциал идущий на его инвертирующий вход называют «виртуальным нулем» (В некоторых источниках «виртуальной средней точкой»), т.е., для входных сигналов (за счет действия ООС) инвертирующий вх. можно считать подсоединенным к такому же потенциалу, к какому подключен и неинвертирующий, но, «виртуальный ноль» только частный случай, имеющий место при двуполярном питании ОУ. При применении однополярного питания ни на одном, ни на другом входах операционного усилителя ноля точно не будет.

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 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.

Инвертирующий операционный усилитель в роли сумматора

Рассмотри схему инвертирующего ОУ, охваченого обратной связью через резистор R2. Как видем на рисунке выше, неинвертирующий вход подсоединен к земляному проводу. Таким образом потенциал в точке «В» будет равен нулю. Поэтому, как известно из теории, потенциал в точке «А» так же будет нулевым (равен потенциалу земли). Отсюда напрашивается интересный вывод:

Iвх = Uвх-Uдиф/R1; и Iвых = Uвых-Uдиф/R2

Если принять во внимание тот факт, что входное сопротивление между обоими входами стремиться к бесконечно большой величине, то выходные и входные токи будут стремиться к бесконечно малому значению, т.е к нулю. А при равности токов (или, при некоторм приближении можно сказать, его отсутствии) формулы выше можно условно прировнять между собой:

Uвх/R1 = Uвых/R2 или Uвых/Uвх = — R2/R1, или Кус = — R2/R1

Т.к неинвертирующий вход подключен к земле дифференциальное напряжение Uдиф будет бесконечно малой величиной, тогда потенциал инвертирующего входа так же будет стремиться к нулевому значению. Отсюда выражение примет такой простой вид:

Iвх = Uвх/R1

То есть, полное входное сопротивление будет равно величине резистора R1.

Наличие в точке «А» земляного потенциала, дает возможность подсоединить к схеме различное количество сопротивлений, работающих параллельно с резистором R1, что превращает типовой инвертирующий усилитель в отличный сумматор.

Т.к точка «А»,имеет земляной потенциал(и токи стремятся к нулю), то можно записать:

Uвх1/R1+Uвх2/R3 = 0

Отсюда:

Uвых = — (Uвх1 + Uвх2)

Резисторы R1 и R3 могут быть быть и разными, тогда то выходе получим взвешенную сумму. Это явление используют в радиолюбительском деле, в таких электронных устройствах, как микшеры, когда нужно суммировать несколько сигналов от разных источников с отличающимися друг от друга уровнями. Количество смешиваемых источников, может быть различно.

Реальный операционный усилитель и его входной ток никогда не равен нулю. Падения напряжения, создаваемое на R1, R3 становятся причиной незначительной погрешности. Для устранения этого существенного минуса, неинвертирующий вход, обычно, соединяют с землёй не напрямую, а через сопротивление, номиналом близким к сопротивлению параллельно соединенных R1,R2 (при R2 намного больше R1, можно принять равным R1).