Общие сведения об операционных усилителях

Операционный усилитель
Полупроводниковая интегральная микросхема, имеющая два дифференциальных входа и один выход. Используется в схемах аналоговой обработки сигналов. Промышленность выпускает сотни ОУ. Все они выполняют одну функцию – усиливают напряжение постоянного тока. Но объединены в группы по точностным, динамическим, эксплуатационным характеристикам, с общей схемотехникой или технологией изготовления. Потребитель может выбрать: усилители общего назначения, быстродействующие, прецизионные, микромощные, с однополярным питанием, мощные и высоковольтные.

Как работает операционный усилитель ?

Все ОУ выполняют одну функцию – усиливают напряжение постоянного тока. И имеют очень большой (громадный) коэффициент усиления, от 5000 до 1000000. Из широко используемых технических устройств ни одно не имеет столь большого коэффициента усиления.

Разница потенциалов на входах и выходное напряжение ОУ

Запустите интерактивную модель с ОУ, представленную на чертеже 1. Математическое ядро будет повторять вычислительный процесс. Изучите, как меняется сигнал на выходе, при изменении сигналов на входах. Для изменения входного сигнала перемещайте мышью ползунок или щелкайте по шкале соответствующего регулятора. Обратите внимание на тот факт, что выходной сигнал достигает установившегося значения (определенного коэффициентом усиления) лишь через некоторое время (стрелка вольтметра тоже не сразу показывает измеряемое напряжение). Причина тому – инерционные свойства ОУ, который, в первом приближении, описывается апериодическим звеном первого порядка. Сигнал генератора шума выведен на осциллограф, чтобы вы не забыли остановить вычислительный процесс.

Почему источник сигнала нельзя подключить к входам ОУ ?

Источники сигналов нельзя подключать непосредственно к входам ОУ (так как показано на чертежах 1 и 2). В любом узле любой схемы уровень шума имеет амплитуду не ниже 1..2 мВ. Будучи усиленным в десятки и сотни тысяч раз шум станет причиной переключений оконечного каскада ОУ от отрицательного до положительного питающих напряжений.

Без обратных связей ОУ не работает!

Запустите модель с ОУ, представленную на чертеже 2. Убедитесь в том, что схема неработоспособна. Остановите вычислительный процесс. Обратите внимание. В представленной на чертеже 1 модели нет источников шума. Вычислительный эксперимент был поставлен в идеализированных условиях. И только по этой причине был успешен.

Зачем операционным усилителям нужны обратные связи ?

Существует около 50 схем с отрицательными обратными связями (ООС) на операционных усилителях. Это линейные вычислительные схемы, фильтры, прецизионные выпрямители, нелинейные звенья. Но какая бы задача обработки сигнала не решалась схемой, ООС, прежде всего, делает схему на ОУ работоспособной, понижая её коэффициент усиления, вычитая из входного сигнала часть выходного.

Общий принцип организации ООС представлен на чертеже 3. Здесь сигнал подается на неинвертирующий вход ОУ. И усиливается им – чем больше сигнал на неинвертирующем входе, тем больше сигнал на выходе. Часть выходного сигнала, с весовым коэффициентом $β=0.2$, поступает на инвертирующий вход, который не увеличивает напряжение на выходе, а уменьшает (с тем же коэффициентом усиления). В результате коэффициент усиления схемы (т.е. не усилителя, а схемы) понижается до величины

$K=U_{вых}/U_{вх} =K_{оу}/(1+βK_{оу})≈1/β$.

Ознакомьтесь с моделью ОУ на этом чертеже. Здесь она предельно упрощена. Вы увидите сумматор, который вычитает из входного сигнала часть выходного. Разница – очень мала. И усиливается в 500000 раз. Здесь необходимо задаться вопросом. А насколько мала эта разница, если сигнал на выходе ОУ, будучи усиленным в 500000 раз, не превышает 10 В по модулю? Правильный ответ звучит следующим образом. В любой схеме на ОУ с ООС разница потенциалов между входами операционника много меньше уровня шума. Инженер может принимать её равной нулю каждый раз, когда предпринимает попытку понять как работает та или иная схема на ОУ.

Принцип организации ООС в схемах на ОУ

Запустите вычислительный процесс для модели, представленной на чертеже 3. Перемещайте ползунок регулятора. Сравните его показания с показаниями шкального прибора. Убедитесь в том, что в пределах разрешающей способности приборов они совпадают. Так же как и потенциалы на неинвертирующем и инвертирующем входах, при входном сигнале любой величины (при всех положениях ползунка). Проконтролируйте величину коэффициента усиления схемы. Он должен быть равен пяти (1/0.2). Остановите вычислительный процесс.

Внутри модели ОУ имеется неподключенный генератор шума. Подключите его. Убедитесь в том, что схема сохраняет работоспособность.

Включения операционного усилителя

Как было сказано, существует около 50 схем на операционных усилителях с ООС. Но глаза велики лишь у страха. Любая из этих 50 схем в своей основе может быть инвертирующей, неинвертирующей или дифференциальной. Других способов включения ОУ – не существует. Ниже по тексту, на рисунках 1, 2 и 3 представлены ассоциативные модели включений ОУ. На рисунках показаны величины, подобные напряжениям на входе и выходе схем, а так же параметрам их электрических элементов.

Инвертирующее включение операционного усилителя.
Модель "Качели"

...

$K=U_{вых}/U_{вх}=U_2/U_1=-R_2/R_1$

'Качели' – ассоциативная модель инвертирующего включения операционного усилителя

Рис. 1. Модель "Качели"

Инвертирующее включение ОУ

Неинвертирующее включение операционного усилителя.
Модель "Удочка"

...

$K=U_{вых}/U_{вх}=U_2/U_1=1+R_2/R_1$

'Удочка' – ассоциативная модель неинвертирующего включения операционного усилителя

Рис. 2. Модель "Удочка"

Неинвертирующее включение ОУ

Дифференциальное включение операционного усилителя.
Модель "Ножницы"

...

'Ножницы' – ассоциативная модель дифференциального включения операционного усилителя

Рис. 3. Модель "Ножницы"

Дифференциальное включение ОУ

А что за проблемы связанные с токами входов ОУ ?

...

Входные токи и смещение нуля ОУ

21.03.2015