Что такое операционные усилители каково их назначение
Назначение операционных усилителей
— возможно больший коэффициент усиления по напряжению при разомкнутой цепи обратной связи;
— высокую стабильность характеристик, в особенности постоянство коэффициента усиления;
— большое входное сопротивление и малое выходное.
Интегральные операционные усилители (ИОУ) представляют собой высококачественные прецизионные усилители, удовлетворяющие вышеизложенным требованиям. По своему назначению, по характеру применения и использования ИОУ следует отнести к классу аналоговых интегральных микросхем универсального назначения. Принципиальные электрические схемы ОУ весьма разнообразны. Хотя число соответствующих им структурных схем невелико и определяется областью применения, числом входов, способом компенсации дрейфа нуля.
ИОУ обычно состоят из входного каскада, каскадов усиления, схемы сдвига потенциального уровня и выходного каскада, образующих усилитель с непосредственными связями между каскадами. Почти во всех выпускаемых ИОУ на входе включается дифференциальный каскад, применение которого приводит к повышению стабильности параметров благодаря низкому уровню дрейфа и расширению функциональных возможностей из-за наличия двух входов (инвертирующего и неинвертирующего).
Для обеспечения большого значения коэффициента усиления предусматривается, кроме входного дифференциального каскада, еще дополнительно один или несколько дифференциальных каскадов с однофазным выходом. К выходу последнего каскада подключается схема сдвига потенциального уровня, обеспечивающая установление на выходе усилителя потенциала, равного входному при отсутствии усиливаемого сигнала. Выходной каскад представляет собой усилитель мощности и предназначен для согласования усилителя с нагрузкой.
Для питания ОУ обычно используют два разнополярных и равных по величине напряжения с общей шиной, что позволяет получить потенциал выхода, равный нулю, т.е. потенциалу общей шины разнополярного источника питания.
Одним из первых отечественных ИОУ, получивших широкое применение, является усилитель 140УД1 (1УТ401), схема которого показана на рисунке 3.21. Это монолитная полупроводниковая интегральная микросхема на кремниевой пластине размером 1,1 ´ 1,1 мм.
Входной дифференциальный каскад построен на транзисторах VT1 и VT2 с диффузионными резисторами в коллекторных цепях R1, R2 и R8. Токи эмиттеров IЭ1 и IЭ2 транзисторов VT1 и VT2 задаются источником стабилизированного тока, построенного на транзисторной структуре VT3 с резистором в эмиттере R3. Ток этого транзистора задается делителем R5, R4, подключенным к напряжению источника − ЕИ.П. Влияние температуры на ток транзистора VT3 исключается введением в цепь делителя транзистора VT4 в диодном включении. Эта же цепь используется для задания и стабилизации режима транзисторной структуры VT8, которая также применяется в качестве источника тока и высокоомного резистора в цепи эмиттера повторителя напряжения на VT7. Выходное напряжение входного дифференциального каскада усиливается инвертором на VT6, который совместно с эмиттерным повторителем на VT5 реализует преобразование двухфазного сигнала в однофазный.
Сдвиг уровня осуществляется при помощи эмиттерного повторителя на VT3 путем подключения входа усилителя мощности (VT9) на выход делителя напряжения, образованного R9, VT8 и R11. Усилитель мощности выполнен на эмиттерном повторителе VT9, охваченном ПОС через VT8 для повышения коэффициента усиления в 2,5 раза. Зарядная емкость диода VD выполняет функции ускоряющего конденсатора, способствующего уменьшению искажений крутых перепадов.
Что такое операционный усилитель?
В радиоэлектронике и микросхемотехнике широкое распространение получил операционный усилитель (ОУ). Он обладает отличными техническими характеристиками (ТХ) по усилению сигналов. Чтобы понять сферы применения ОУ, нужно узнать его принцип действия, схему подключения и основные ТХ.
Что такое операционный усилитель
ОУ — интегральная микросхема (ИМС), основным предназначением которой является усиление значения постоянного тока. Она имеет только один выход, который называется дифференциальным. Этот выход обладает высоким коэффициентом, усиливающим сигнал (Kу). ОУ в основном применяются при построении схем с отрицательной обратной связью (ООС), которая при основной ТХ по усилению и определяет Kу исходной схемы. ОУ применяются не только в виде отдельных ИМС, но и в разных блоках сложных устройств.
У ОУ 2 входа и 1 выход, а также есть выводы для подключения источника питания (ИП). Принцип действия операционного усилителя прост. Существует 2 правила, взятых за основу. Правила описывают простые процессы работы ИМС, происходящие в ОУ, и как работает ИМС, понятно даже чайникам. На выходе разность напряжений (U) равна 0, а входы ОУ почти не потребляют ток (I). Один вход называется неинвертирующим (V+), а другой является инвертирующим (V-). Кроме того, входы ОУ обладают высоким сопротивлением (R) и практически не потребляют I.
Чип сравнивает значения U на входах и выдает сигнал, предварительно усиливая его. Kу ОУ имеет высокое значение, достигающее 1000000. Если произойдет подача низкого U на вход, то на выходе возможно получить величину, равную U источника питания (Uип). Если U на входе V+ больше, чем на V-, то на выходе получится максимальное положительное значение. При запитывании положительным U инвертирующего входа на выходе будет максимальная величина отрицательного напряжения.
Основным требованием для работы ОУ является применение двухполярного ИП. Возможно применение однополярного ИП, но при этом возможности ОУ сильно ограничиваются. Если использовать батарейку и принять за 0 ее плюсовую сторону, то при измерении значений получится 1,5 В. Если взять 2 батарейки и соединить их последовательно, то произойдет сложение U, т.е. прибор покажет 3 В.
Виды и обозначения на схеме
С развитием электросхемотехники операционные усилители постоянно совершенствуются и появляются новые модели.
Классификация по сферам применения:
Основные характеристики
ОУ, как и другие радиодетали, имеют ТХ, которые можно разделить на типы:
Коэффициент усиления является основной характеристикой ОУ. Он характеризуется отношением выходного сигнала ко входному. Его еще называют амплитудной, или передаточной ТХ, которая представлена в виде графиков зависимости. К входным относятся все величины для входа ОУ: Rвх, токи смещения (Iсм) и сдвига (Iвх), дрейф и максимальное входное дифференциальное U (Uдифмакс).
Iсм служит для работы ОУ на входах. Iвх нужен для функционирования входного каскада ОУ. Iвх сдвига — разность Iсм для 2 входных полупроводников ОУ.
Во время построения схем нужно учитывать эти I при подключении резисторов. Если Iвх не учитывать, то это может привести к созданию дифференциального U, которое приведет к некорректной работе ОУ.
Uдифмакс — U, которое подается между входами ОУ. Его величина характеризует исключение повреждения полупроводников каскада дифференциального исполнения.
Для надежной защиты между входами ОУ подключаются встречно-параллельно 2 диода и стабилитрона. Дифференциальное входное R характеризуется R между двумя входами, а синфазное входное R — величина между 2 входами ОУ, которые объединены, и массой (земля). К выходным параметрам ОУ относятся выходное R (Rвых), максимальное выходное U и I. Параметр Rвых должен быть меньшим по значению для обеспечения лучших характеристик усиления.
Для достижения маленького Rвых нужно применять эмиттерный повторитель. Iвых изменяется при помощи коллекторного I. Энергетические ТХ оцениваются максимальной мощностью, которую потребляет ОУ. Причина некорректной работы ОУ — разброс ТХ полупроводников дифференциального усилительного каскада, зависящего от температурных показателей (температурный дрейф). Частотные параметры ОУ являются основными. Они способствуют усилению гармонических и импульсных сигналов (быстродействие).
В ИМС ОУ общего и специального вида включается конденсатор, предотвращающий генерацию высокочастотных сигналов. На частотах с низким значением схемы обладают большим коэффициентом Kу без обратной связи (ОС). При ОС используется неинвертирующее включение. Кроме того, в некоторых случаях, например при изготовлении инвертирующего усилителя, ОС не используется. Кроме того, у ОУ есть динамические характеристики:
Где применяются
Существует 2 вида схем ОУ, которые различаются способом подключения. Главный недостаток ОУ — непостоянство Kу, зависящего от режима функционирования. Основные сферы применения — усилители: инвертирующий (ИУ) и неинвертирующий (НИУ). В схеме НИУ Kу по U задается резисторами (сигнал нужно подавать на вход). ОУ содержит ООС последовательного типа. Эта связь выполнена на одном из резисторов. Она подается только на V-.
В ИУ происходит сдвиг сигналов по фазе. Для изменения знака выходного отрицательного напряжения необходима параллельная ОС по U. Вход, который является неинвертирующим, нужно заземлить. Входной сигнал через резистор подается на инвертирующий вход. Если неинвертирующий вход уходит на землю, то разность U между входами ОУ равна 0.
Можно выделить устройства, в которых применяются ОУ:
Операционные усилители и их применение получили широкое распространение в различной аппаратуре.
Что такое биполярный транзистор и какие схемы включения существуют
Что такое триггер, для чего он нужен, их классификация и принцип работы
Что такое аттенюатор, принцип его работы и где применяется
Что такое компаратор напряжения и для чего он нужен
Как работает микросхема TL431, схемы включения, описание характеристик и проверка на работоспособность
Что такое делитель напряжения и как его рассчитать?
Операционный усилитель
Содержание
Операционный усилитель (ОУ, OpAmp) — усилитель постоянного тока с дифференциальным входом и, как правило, единственным выходом, имеющий высокий коэффициент усиления. ОУ почти всегда используются в схемах с глубокой отрицательной обратной связью, которая, благодаря высокому коэффициенту усиления ОУ, полностью определяет коэффициент передачи полученной схемы.
В настоящее время ОУ получили широкое применение как в виде отдельных чипов, так и в виде функциональных блоков в составе более сложных интегральных схем. Такая популярность обусловлена тем, что ОУ является универсальным блоком с характеристиками, близкими к идеальным, на основе которого можно построить множество различных электронных узлов.
История
Операционный усилитель изначально был спроектирован для выполнения математических операций (отсюда его название), путём использования напряжения как аналоговой величины. Такой подход лежит в основе аналоговых компьютеров, в которых ОУ использовались для моделирования базовых математических операций (сложение, вычитание, интегрирование, дифференцирование и т. д.). Однако идеальный ОУ является многофункциональным схемотехническим решением, он имеет множество применений помимо математических операций. Реальные ОУ, основанные на транзисторах, электронных лампах или других активных компонентах, выполненные в виде дискретных или интегральных схем, являются приближением к идеальным.
Первые промышленные ламповые ОУ (1940-е гг.) выполнялись на паре двойных триодов, в том числе в виде отдельных конструктивных сборок в корпусах с октальным цоколем. В 1963 Роберт Видлар, инженер Fairchild Semiconductor, спроектировал первый интегральный ОУ — μA702. При цене в 300 долларов прибор, содержавший 9 транзисторов использовался только в военных применениях. Первый доступный интегральный ОУ, μA709, также спроектированный Видларом, был выпущен в 1965; вскоре после выпуска его цена упала ниже 10 долларов, что было всё ещё слишком дорого для бытового применения, но вполне доступно для массовой промышленной автоматики и т. п. гражданских задач.
В 1967 National Semiconductor, куда перешёл работать Видлар, выпустила LM101, а в 1968 Fairchild выпустило практически идентичный μA741 — первый ОУ со встроенной частотной коррекцией. ОУ LM101/μA741 был более стабилен и прост в использовании, чем предшественники. Многие производители до сих пор выпускают версии этого классического чипа (их можно узнать по числу «741» в наименовании). Позднее были разработаны ОУ и на другой элементной базе: на полевых транзисторах с p-n переходом (конец 1970х) и с изолированным затвором (начало 1980х), что позволило существенно улучшить ряд характеристик. Многие из более современных ОУ могут быть установлены в схемы, спроектированные для 741 без каких-либо доработок, при этом характеристики схемы только улучшатся.
Обозначения
На рисунке показано схематичное изображение операционного усилителя. Выводы имеют следующее значение:
Выводы питания (VS+ и VS−) могут быть обозначены по-разному (см. выводы питания интегральных схем). Часто выводы питания не рисуют на схеме, чтобы не загромождать её несущественными деталями, при этом способ подключения этих выводов явно не указывается или считается очевидным (особенно часто это происходит при изображении одного усилителя из микросхемы с четырьмя усилителями с общими выводами питания). При обозначении ОУ на схемах можно менять местами инвертирующий и неинвертирующий входы, если это удобно; выводы питания, как правило, всегда располагают единственным способом (положительный вверху).
Основы функционирования
Питание
В общем случае ОУ использует двуполярное питание, то есть источник питания имеет три вывода с потенциалами:
Вывод источника питания с нулевым потенциалом непосредственно к ОУ обычно не подключается, но, как правило, является сигнальной землёй и используется для создания обратной связи. Часто вместо двуполярного используется более простое однополярное, а общая точка создаётся искусственно или совмещается с отрицательной шиной питания.
Простейшее включение ОУ
Рассмотрим работу ОУ как отдельного дифференциального усилителя, то есть без включения в рассмотрение каких-либо внешних компонентов. В этом случае ОУ ведёт себя как обычный усилитель с дифференциальным входом, то есть поведение ОУ описывается следующим образом:
 | ((1)) |
Все напряжения считаются относительно общей точки схемы. Рассматриваемый способ включения ОУ (без обратной связи) практически не используется [2] вследствие присущих ему серьёзных недостатков:
Идеальный операционный усилитель
Для того, чтобы рассматривать функционирование ОУ в режиме с обратной связью, необходимо вначале ввести понятие идеального операционного усилителя. Идеальный ОУ является физической абстракцией, то есть не может реально существовать, однако позволяет существенно упростить рассмотрение работы схем на ОУ благодаря использованию простых математических моделей.
Идеальный ОУ описывается формулой (1) и обладает следующими характеристиками:
Пункты 5 и 6 в действительности следуют из формулы (1), поскольку в неё не входят временны́е задержки и фазовые сдвиги. Из перечисленных условий следует важнейшее свойство идеального ОУ, упрощающее рассмотрение схем с его использованием:
Идеальный ОУ, охваченный отрицательной обратной связью, поддерживает одинаковое напряжение на своих входах [4] [5]
Другими словами, при указанных условиях всегда выполняется равенство: 
Не следует думать, что ОУ выравнивает напряжения на своих входах, подавая напряжение на входы «изнутри». На самом деле ОУ выставляет на выходе такое напряжение, которое через обратную связь подействует на входы таким образом, что разность входных напряжений уменьшится до нуля.
Легко убедиться в справедливости равенства (2). Допустим, (2) нарушено — имеет место небольшая разность напряжений. Тогда входное дифференциальное напряжение, усиленное в ОУ, вызвало бы (вследствие бесконечного коэффициента усиления) бесконечно большое выходное напряжение, которое, в соответствии с определением ООС, ещё уменьшило бы разность входных напряжений. И так до тех пор, пока равенство (2) не будет выполнено. Заметим, что выходное напряжение может быть любым — оно определяется видом обратной связи и входным напряжением.
Простейший неинвертирующий усилитель на ОУ
Из рассмотрения принципа работы идеального ОУ следует очень простая методика проектирования схем:
Пусть необходимо построить цепь на ОУ с требуемыми свойствами. Требуемые свойства заключаются прежде всего в заданном состоянии выхода (выходное напряжение, выходной ток и т. д.), которое, возможно, зависит от какого-либо входного воздействия. Для создания схемы нужно подключить к ОУ такую обратную связь, чтобы при требуемом выходном состоянии достигалось равенство напряжений на входах ОУ (инвертирующем и неинвертирующем), а обратная связь была бы отрицательной.
От усилителя требуется наличие на выходе напряжения, превышающего входное в K раз. В соответствии с приведённой выше методикой подадим на неинвертирующий вход ОУ сам входной сигнал, а на инвертирующий — выходной сигнал, поделённый в K раз резистивным делителем напряжения.
Пусть, K — коэффициент деления напряжения резистивным делителем R1R2:
тогда для неидеального ОУ (с конечным коэффициентом усиления Gopenloop) имеем:
Решая данную систему относительно Vout / Vin, получаем:
то есть получен усилитель, коэффициент усиления которого зависит от усиления ОУ и номиналов резисторов. Если же ОУ имеет очень большой коэффициент усиления Gopenloop (много больший, чем 1/K), то коэффициент Gopenloop в выражении сокращается и получаем более простое выражение:
Таким образом, коэффициент передачи усилителя, построенного на ОУ с достаточно большим усилением, практически зависит только от параметров обратной связи. Это полезное свойство позволяет проектировать системы с очень стабильным коэффициентом передачи, необходимые, например, при измерениях и обработке сигналов.
Отличия реальных ОУ от идеального
Параметры ОУ, характеризующие его неидеальность, можно разбить на группы:
Параметры по постоянному току
Параметры по переменному току
Нелинейные эффекты
Ограничения тока и напряжения
Классификация ОУ
По типу элементной базы [7]
По области применения
Выпускаемые промышленностью операционные усилители постоянно совершенствуются, параметры ОУ приближаются к идеальным. Однако улучшить все параметры одновременно технически невозможно или нецелесообразно из-за дороговизны полученного чипа. Для того, чтобы расширить область применения ОУ, выпускаются различные их типы, в каждом из которых один или несколько параметров являются выдающимися, а остальные на обычном уровне (или даже чуть хуже). Это оправдано, так как в зависимости от сферы применения от ОУ требуется высокое значение того или иного параметра, но не всех сразу. Отсюда вытекает классификация ОУ по областям применения.
Возможны также комбинации данных категорий, например, прецизионный быстродействующий ОУ.
Другие классификации
По входным сигналам:
По выходным сигналам:
Использование ОУ в схемотехнике
Использование ОУ как схемотехнического элемента гораздо проще и понятнее, чем оперирование отдельными элементами, его составляющими (транзисторов, резисторов и т. д.). При проектировании устройств на первом (приближённом) этапе операционные усилители можно считать идеальными. Далее для каждого ОУ определяются требования, которые накладывает на него схема, и подбирается ОУ, удовлетворяющий этим требованиям. Если получается, что требования к ОУ слишком жёсткие, то можно частично перепроектировать схему для обхода данной проблемы.
Принципиальная схема операционного усилителя
Схемы на операционных усилителях
Операционные усилители являются основным элементом для дифференциаторов.
Области применения
См. также
Примечания
Ссылки
Полезное
Смотреть что такое «Операционный усилитель» в других словарях:
операционный усилитель — операционный усилитель; отрасл. решающий усилитель; усилитель постоянного тока Усилитель электрических сигналов, предназначенный для выполнения операций над аналоговыми величинами при работе в схеме с отрицательной обратной связью. решающий… … Политехнический терминологический толковый словарь
операционный усилитель — Ндп. усилитель постоянного тока: решающий усилитель Усилитель электрических сигналов, предназначенный для выполнения различных операций над аналоговыми переменными при работе в схеме с обратной связью. [ГОСТ 18421 93] Недопустимые,… … Справочник технического переводчика
ОПЕРАЦИОННЫЙ УСИЛИТЕЛЬ — (в вычислительной технике), см. Решающий усилитель (см. РЕШАЮЩИЙ УСИЛИТЕЛЬ) … Энциклопедический словарь
ОПЕРАЦИОННЫЙ УСИЛИТЕЛЬ — (в вычислительной технике) см. Решающий усилитель … Большой Энциклопедический словарь
ОПЕРАЦИОННЫЙ УСИЛИТЕЛЬ — усилительэлектрических колебаний (УЭК) с внеш. цепями, предназначенный для выполнениянек рых линейных операций (суммирование, интегрирование, дифференцированиеи др.). Часто название О. у. относят к самим УЭК, к рые обычно выполняютсяв виде… … Физическая энциклопедия
операционный усилитель — 15 операционный усилитель (Ндп. усилитель постоянного тока: решающий усилитель): Усилитель электрических сигналов, предназначенный для выполнения различных операций над аналоговыми переменными при работе в схеме с обратной связью Источник: ГОСТ… … Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации
операционный усилитель — operacinis stiprintuvas statusas T sritis automatika atitikmenys: angl. operational amplifier vok. Operationsverstärker, m rus. операционный усилитель, m pranc. amplificateur opérationnel, m … Automatikos terminų žodynas
Операционный усилитель — в аналоговой вычислительной технике, Решающий усилитель без цепей обратной связи … Большая советская энциклопедия
ОПЕРАЦИОННЫЙ УСИЛИТЕЛЬ — в вычислительной технике см. Решающий усилитель … Большой энциклопедический политехнический словарь
Операционный усилитель 741 — в корпусе TO 5 Операционный усилитель 741 (другие обозначения: uA741, μA741) универсальный интегральных операционный усилитель второго поколения на биполярных транзисторах. Оригинальный μA741 был разработан в 1968 году Дэвидом… … Википедия