Усилитель на операционном усилителе – Схемы включения операционных усилителей | Мастер Винтик. Всё своими руками!

Операционные усилители (на основе простейших примеров): часть 1 / Хабр

В курсе электроники есть много важных тем. Сегодня мы попытаемся разобраться с операционными усилителями.
Начнем сначала. Операционный усилитель — это такая «штука», которая позволяет всячески оперировать аналоговыми сигналами. Самые простейшие и основные — это усиление, ослабление, сложение, вычитание и много других (например, дифференцирование или логарифмирование). Абсолютное большинство операций на операционных усилителях (далее ОУ) выполняются с помощью положительных и отрицательных обратных связей.
В данной статье будем рассматривать некий «идеал» ОУ, т.к. переходить на конкретную модель не имеет смысла. Под идеалом подразумевается, что входное сопротивление будет стремиться к бесконечности (следовательно, входной ток будет стремиться к нулю), а выходное сопротивление — наоборот, будет стремиться к нулю (это означает, что нагрузка не должна влиять на выходное напряжение). Также, любой идеальный ОУ должен усиливать сигналы любых частот. Ну, и самое важное, коэффициент усиления при отсутствующей обратной связи должен также стремиться к бесконечности.

Ближе к делу

Операционный усилитель на схемах очень часто обозначается равносторонним треугольничком. Слева расположены входы, которые обозначены «-» и «+», справа — выход. Напряжение можно подавать на любой из входов, один из которых меняет полярность напряжения (поэтому его назвали инвертирующим), другой — не меняет (логично предположить, что он называется неинвертирующий). Питание ОУ, чаще всего, двуполярное. Обычно, положительное и отрицательное напряжение питания имеет одинаковое значение (но разный знак!).
В простейшем случае можно подключить источники напряжения прямо ко входам ОУ. И тогда напряжение на выходе будет расчитываться по формуле:
, где — напряжение на неинвертирующем входе, — напряжение на инвертирующем входе, — напряжение на выходе и — коэффициент усиления без обратной связи.
Посмотрим на идеальный ОУ с точки зрения Proteus.

Предлагаю «поиграть» с ним. На неинвертирующий вход подали напряжение в 1В. На инвертирующий 3В. Используем «идеальный» ОУ. Итак, получаем: . Но тут у нас есть ограничитель, т.к. мы не сможем усилить сигнал выше нашего напряжения питания. Таким образом, на выходе все равно получим -15В. Итог:

Изменим коэффициент усиления (чтобы Вы мне поверили). Пусть параметр Voltage Gain станет равным двум. Та же задача наглядно решается.

Реальное применение ОУ на примере инвертирующего и неинвертирующего усилителей

Есть два таких основных правила:
I. Выход операционного усилителя стремится к тому, чтобы дифференциальное напряжение (разность между напряжением на инвертирующем и неинвертирующем входах) было равно нулю.
II. Входы ОУ не потребляют тока.
Первое правило реализуется за счет обратной связи. Т.е. напряжение передается с выхода на вход таким образом, что разность потенциалов становится равной нулю.
Это, так сказать, «священные каноны» в теме ОУ.
А теперь, конкретнее. Инвертирующий усилитель выглядит именно так (обращаем внимание на то, как расположены входы):

Исходя из первого «канона» получаем пропорцию:
, и немного «поколдовав» с формулой выводим значение для коэффициента усиления инвертирующего ОУ:

Приведенный выше скрин в комментариях не нуждается. Просто сами все подставьте и проверьте.

Следующий этап — неинвертирующий усилитель.

Тут все также просто. Напряжение подается непосредственно на неинвертирующий вход. На инвертирующий вход подводится обратная связь. Напряжение на инвертирующем входе будет:
, но применяя первое правило, можно утверждать, что


И снова «грандиозные» познания в области высшей математики позволяют перейти к формуле:

Приведу исчерпывающий скрин, который можете перепроверить, если хотите:

Пара интересных схем

Напоследок, приведу парочку интересных схем, чтобы у Вас не сложилось впечатления, что операционные усилители могут только усиливать напряжение.

Повторитель напряжения (буферный усилитель). Принцип действия такой же, как и у транзисторного повторителя. Используется в цепях с большой нагрузкой. Также, с его помощью можно решить задачку с согласованием импедансов, если в схеме есть нежелательные делители напряжения. Схема проста до гениальности:

Суммирующий усилитель. Его можно использовать, если требуется сложить (отнять) несколько сигналов. Для наглядности — схема (снова обращаем внимание на расположение входов):


Также, обращаем внимание на то, что R1 = R2 = R3 = R4, а R5 = R6. Формула расчета в данном случае будет: (знакомо, не так ли?)

Таким образом, видим, что значения напряжений, которые подаются на неинвертирующий вход «обретают» знак плюс. На инвертирующий — минус.

Заключение

Схемы на операционных усилителях чрезвычайно разнообразны. В более сложных случаях Вы можете встретить схемы активных фильтров, АЦП и устройств выборки хранения, усилители мощности, преобразователи тока в напряжение и многие многие другие схемы.

Список источников

Краткий список источников, который поможет Вам быстрее освоится как в ОУ, так и в электронике в целом:
Википедия
П. Хоровиц, У. Хилл. «Искусство схемотехники»
Б. Бейкер. «Что нужно знать цифровому разработчику об аналоговой электронике»
Конспект лекций по электронике (желательно, собственный)
UPD.: Спасибо НЛО за приглашение

habr.com

Операционный усилитель | Meanders.ru — практическая электроника

В данной статье поговорим о операционном усилителе. Пример работы и использования.

Операционный усилитель – электронная схема усилителя на полупроводниках, в интегральном исполнении имеющего два балансных входа – прямой и инверсный, обладающий высоким коэффициентом усиления. Интегральное исполнение подразумевает законченную конструкцию усилителя, размещённую в одном корпусе интегральной микросхемы (ИМС). Применение операционных усилителей (ОУ) самое разнообразное – в усилителях различных сигналов, в генераторах сигналов, в частотных фильтрах звукового диапазона, в схемах контроля физических величин (температуры, освещённости, влажности, ветра), и т.д.

Работу операционного усилителя можно сравнить с аптекарскими, или технохимическими весами. Весы отклоняются в сторону той чаши, масса груза на которой больше.

Точно так же работает операционный усилитель, только «образно» правую чашу весов необходимо обозначить знаком «+», а левую обозначить знаком «-«, а измеряемую величину обозначить не граммами, а вольтами.

Как вы догадались, операционный усилитель сравнивает напряжения на его входах «+» — прямом и «-» — инверсном. Если напряжение прямого входа больше, чем инверсного, тогда на его выходе появляется положительное напряжение, в противном случае, когда напряжение инверсного входа больше, чем прямого, – на выходе операционного усилителя будет отрицательное напряжение.

 

Операционный усилитель на принципиальных схемах изображается так же, как на структурных схемах обозначается обыкновенный усилитель– большим треугольником. В последнее время всё чаще треугольник заменяют на обычный прямоугольник. Предполагаю, это связано с удобством рисования схем, ведь правильный равнобедренный треугольник рисовать сложнее, чем прямоугольник. Для обозначения типа элемента, в прямоугольнике рисуется знак усилителя – маленький треугольник.

Прямой вход операционного усилителя обозначается знаком «+», а инверсный вход отмечается знаком «-«. Следует знать, что в различной литературе встречается и другое обозначение: инверсный вход обозначается кружком. Это типовое обозначение знака инверсии, которое встречается и в цифровой электронике – логических элементах. Прямой вход не имеет в обозначении кружочка.

Аптекарские весы не способны показать насколько вес груза одной чаши отличается от веса груза другой чаши. Для приблизительного наблюдения за разницей грузов иногда в технохимических весах используют совмещённые со стрелкой специальные отвесы, которые при этом снижают «чувствительность» весов к малым грузам. Точно так же в операционный усилитель вводится отрицательная обратная связь, снижающая его чувствительность к входному сигналу – резистор обратной связи, соединяющий выход с инверсным входом операционного усилителя, как показано на рисунке выше.


 

 

Пример использования и работа операционного усилителя

Рассмотрим работу операционного усилителя на примере схемы, контролирующей температуру воздуха, или какого либо иного предмета, на который закрепляют терморезистор – чувствительный к температуре радиоэлемент, который уменьшает своё сопротивление при повышении температуры. Схема на операционном усилителе, измеряющая температуру и сигнализирующая о превышении заданного порога температуры изображена на рисунке.

Входы операционного усилителя подключены к двум резистивным делителям напряжения питания, только один из них выполнен на линейных элементах – резисторах, а второй

meanders.ru

Простой аудио усилитель на операционном усилителе LM833

   Это схема простого аудио усилителя на основе операционного усилителя LM833. Она относится к разряду тех схем, которые можно собрать за час «на коленке». Однако, несмотря на свою простоту, схема вполне работоспособна и при должном качестве сборки может найти применение в качестве усилителя для наушников или предусилителя электрогитары. Или, на худой конец, вашего первого собранного устройства.

Рис. 1. Схема простого аудио усилителя на LM833.

   Усилитель работает от девяти вольтовой батарейки типа «крона». Основу усилителя составляет сдвоенный операционный аудио усилитель общего назначения — LM833. Задействованная часть микросхемы включена по схеме неинвертирующего усилителя, незадействованная — по схеме повторителя, то есть по сути «заглушена». Полоса пропускания схемы приблизительно от 0.5 Гц до 16 кГц. Коэффициент усиления от 1 до 100 в зависимости от значения переменного резистора. Номиналы всех компонентов понятны из схемы. 

   Операционный усилитель имеет однополярное питание 9 В. Идеальный операционный усилитель может давать на выходе напряжение в диапазоне от 0 до напряжения питания. В реальности так могут вести себя только операционные усилители типа Rail-to-rail, а операционные усилители общего назначения работают в диапазоне от минимального до максимального напряжения насыщения, которое обычно меньше напряжения питания на ~1 — 2 В. Для того чтобы усилить входной сигнал по максимуму и без искажений, мы должны сместить его в середину диапазона выходного напряжения оу — приблизительно в точку 4 В. Тогда выходному сигналу будет где «развернуться». 

Рис. 1. Усиление входного сигнала (красный) без смещения. Выходной сигнал (синий) «обрезается снизу».

Рис. 2. Слишком большое смещение. Выходной сигнал «обрезается сверху». Можно уменьшить усиление, тогда сигнал не будет искажаться.

Рис. 3. Оптимальное смещение и усиление. Сигнал не искажается.

   Схему смещения составляют компоненты R1, R4 и С3. Резисторы R1 и R4 образуют делитель напряжения, благодаря которому на неинвертирующем выводе операционного усилителя присутствует постоянное напряжение чуть меньше половины питания, а конденсатор C3 отсекает постоянную составляющую входного сигнала. Если вы посмотрите осциллографом напряжение в точке A, то увидите, что входной сигнал колеблется на «подставке» в 4 В. Это как раз то, что нам нужно. 

   Помимо смещения компоненты R1, R4 и С3 выполняют роль пассивного RC фильтра низкой частоты. Частота среза этого фильтра будет определяться формулой

f = 1/(2*Pi*R*C), [Гц]

   С — это емкость входного разделительно конденсатора C3, а R — это суммарное сопротивлении параллельно соединенных резисторов R1 и R4. Почему параллельных? Потому что для переменного сигнала источник питания представляет собой «закоротку». То есть он его как бы не «видит».
   Операционный усилитель имеет высокое входное сопротивление. Резисторы R1 и R4 будут уменьшать это сопротивление (потому что для переменного входного сигнала они включены параллельно входному сопротивлению усилителя) и, по сути, определять его значение.
   Для того чтобы не «загробить» входной аудио сигнал (по амплитуде и частоте), номиналы резисторов и конденсатора нужно взять достаточно большими — сотни кОм и единицы мкФ. Для номиналов указанных в схеме, частота среза фильтра составит ~0.6 Гц.

   Самая простая схема усилителя напряжения на оу — это схема неинвертирующего усилителя (на рисунке ниже она выделена серой рамкой). Для усиления входного сигнала мы можем использовать ее. Коэффициент усиления такой схемы равен отношению двух резисторов в цепи обратной связи. 

   Uout/Uin = 1 + R5/R6

Рис. 4 Схема неинвертирующего усилителя на оу.

   Однако, если мы подадим наш смещенный сигнал на вход обычного неинвертирующего усилителя, операционный усилитель даже при небольшом усилении «уйдет» в насыщение (то есть на выходе будет максимальное напряжение).
   Чтобы этого избежать, нужно «заставить» его усиливать только переменный сигнал. Этого можно добиться, если добавить в схему конденсатор — C7. По постоянному сигналу эта схема будет представлять собой повторитель (потому что конденсатор для постоянного сигнала равносилен обрыву), а по переменному неинвертирующий усилитель.

   Как можно догадаться, данный конденсатор будет оказывать влияние на полосу пропускания нашей схемы. А если точнее, то конденсатор C7 и резистор R6 образуют низкочастотный фильтр с частотой среза:

   F = 1/(2*Pi*R6 * C7) , [Гц]

   Емкость конденсатора C7 нужно взять достаточно большой (десятки мкФ), чтобы частота среза этого НЧ фильтра была маленькой (доли Гц).

   Схема неинвертирующего усилителя будет усиливать все частоты, которые пропускает операционный усилитель, и в том числе высокочастотный шум. Для аудио усилителя это нам совершенно не нужно. Чтобы ограничить полосу пропускания усилителя со стороны высоких частот, параллельно резистору R5 добавлен конденсатор C5. На низких частотах он не оказывает влияния на коэффициент усиления схемы, а на высоких, когда его сопротивление становится сравнимым с R5, коэффициент усиления схемы уменьшается. Конденсатор C5 вместе с резистором R5 образуют ВЧ фильтр, частота среза которого определяется формулой:

   F = 1/(2*Pi*R5* C5) , [Гц]

   Большой номинал этого конденсатора придаст звуку более басовое звучание (за счет подавления высоких частот), но может значительно уменьшить коэффициент усиления схемы. Поиграв с номиналом этого конденсатора, можно подобрать приемлимое частотное звучание усилителя.

   На выходе операционного усилителя мы получим усиленный входной сигнал на «подставке» 4 В. В отсутствии входного сигнала на выходе усилителя будет просто напряжение 4 В (потому что для постоянного сигнала схема будет работать как повторитель, а на входе у нас 4 В). Если подключить наушники напрямую к выходу, то в отсутствии входного сигнала через них потечет ток. Это нам совершенно не нужно, поэтому на выходе усилителя стоит разделительный конденсатор C4, который «отсекает» постоянную составляющую.

   Также на выходе усилителя стоит ВЧ фильтр на элементах R2 и C6. Во-первых R2 ограничивает выходной ток операционного усилителя в случае замыкания выхода на землю, а во-вторых фильтр корректирует выходной сигнал, то есть дополнительно «обрезает» высокие частоты.

   И последнее — это конденсаторы в цепи питания операционного усилителя (C1, C2). Это особенно актуально при запитывании схемы от сетевого адаптера.

   Конечно, это схема не является эталоном аудио звучания, и, возможно, не оправдает ваши ожидания по качеству звука. Однако, она позволяет начинающему электронщику познакомиться с основами и получить при этом конкретный практический результат. Такой опыт запоминается куда лучше, чем простое чтение учебника и зубрежка формул.
   В одном материале всего не объяснишь (да и всего я не знаю), но я постарался коснуться основных моментов схемы. С ними можно поэкспериментировать и посмотреть, как будет вести себя усилитель.

chipenable.ru

Инвертирующий усилитель на операционном усилителе: схема, формула

Как уже отмечалось, операционные усилители в настоящее время используются в самых различных электронных устройствах. Их широко применяют как в аналоговых, так и в импульсных устройствах электроники. В то же время существуют и часто используются типовые линейные схемы на основе операционных усилителей. Такие типовые схемы должен знать каждый инженер, использующий электронные устройства. Именно такие схемы рассматриваются ниже.

Очень полезно овладеть достаточно простыми приемами ручного анализа электронных схем на основе операционных усилителей. Это значительно облегчит понимание принципа действия конкретных устройств электроники и будет способствовать получению достоверных результатов машинного анализа. Указанные приемы анализа основаны на ряде допущений, принимаемых в предположении, что используемые операционные усилители достаточно близки к идеальным. Практика расчетов показывает, что результаты, получаемые на основе допущений, имеют вполне приемлемую погрешность.

Примем следующие допущения:

● Входное сопротивление операционного усилителя равно бесконечности, токи входных электродов равны нулю (Rвх → ∞, i+ = i).

● Выходное сопротивление операционного усилителя равно нулю, т. е. операционный усилитель со стороны выхода является идеальным источником напряжения (Rвых = 0).

● Коэффициент усиления по напряжению (коэффициент усиления дифференциального сигнала) равен бесконечности, а дифференциальный сигнал в режиме усиления равен нулю (при этом не допускается закорачивания выводов операционного усилителя).

● В режиме насыщения напряжение на выходе равно по модулю напряжению питания, а знак определяется полярностью входного напряжения. Полезно обратить внимание на тот факт, что в режиме насыщения дифференциальный сигнал нельзя всегда считать равным нулю.

● Синфазный сигнал не действует на операционный усилитель.

● напряжение смещения нуля равно нулю.

Рассмотрим схему инвертирующего усилителя (рис. 2.25), из которой видно, что в ней действует параллельная обратная связь по напряжению.

Так как i= 0, то в соответствии с первым законом Кирхгофа i1 = i2.

Предположим, что операционный усилитель работает в режиме усиления, тогда uдиф = 0. В соответствии с этим на основании второго закона Кирхгофа получим i1 = uвх/ R1i2 = − uвых/ R2

Учитывая, что i1 = i2, получаем uвых= −uвх· R2 / R1

Таким образом, инвертирующий усилитель характеризуется коэффициентом усиления по напряжению, равным Кu= −R2/R1

Например, если R1= 1кОм,R2=10 кОм, тогда uвых= − 10 ·uвх

Для уменьшения влияния входных токов операционного усилителя на выходное напряжение в цепь неинвертирующего входа включают резистор с сопротивлением R3 (рис. 2.26), которое определяется из выражения R3=R1//R2=R1·R2/ (R1+R2)

Входное сопротивление инвертирующего усилителя на низких частотах значительно ниже собственного входного сопротивления операционного усилителя. Это полностью соответствует сделанному раннее выводу о том, что параллельная отрицательная обратная связь, имеющая место в схеме, уменьшает входное сопротивление. Учитывая, что uдиф~ 0, легко заметить, что иходное сопротивление усилителя на низких частотах приблизительно равно R1.

Выходное сопротивление инвертирующего усилителя на низких частотах Rвых.ос существенно меньше выходного сопротивления на низких частотах Rвых собственно операционного усилителя. Это является следствием действия отрицательной обратной связи по напряжению.

Можно показать, что Rвых.ос = Rвых / ( 1 + К ·R1/R2) где К — коэффициент усиления по напряжению операционного усилителя.

pue8.ru

Операционный усилитель. | MicroTechnics

Продолжаем изучать основы электроники на нашем сайте, и героем сегодняшней статьи будет еще одно замечательное устройство – а именно операционный усилитель. Сегодня разберемся, что это вообще такое, как он работает, ну и парочку основных схем по традиции разберем 😉

Операционный усилитель.

Итак, по определению ОУ – это дифференциальный усилитель постоянного тока с очень большим коэффициентом усиления и несимметричным выходом. Теперь разберемся, что это значит 😉

ОУ имеет два входа и один выход. Один из этих входов называют неинвертирующим и обозначают на схемах плюсом, второй, соответственно, является инвертирующим. Так вот, напряжение на выходе ОУ определяется следующим образом:

K – это коэффициент усиления операционника, обычно он имеет значения порядка 100000 – 1000000. Из формулы видим, что в случае, когда сигналы на обоих входах ОУ равны, на выходе ноль. Если, например, потенциал инвертирующего входа (-) стал более положительным, чем потенциал неинвертирующего входа (+), то выходной сигнал изменится в отрицательном направлении. В этом и заключается работа операционного усилителя.

Помимо уже упомянутых входов и выхода ОУ имеет также выводы для подачи питания, и вот как выглядит его обозначение на принципиальных схемах:

Чаще всего в схемах на операционниках используется обратная связь, поскольку коэффициент усиления ОУ без обратной связи слишком уж велик ) В замечательной книге Хоровица и Хилла приведены несколько, а точнее два правила, которые определяют как работает операционник в схемах с обратной связью.

Итак, первое правило заключается в том, что входы ОУ не потребляют ток. Конечно, в реальности потребление все-таки есть, поскольку идеального ничего не бывает, но это потребление составляет единицы нА, а то и меньше ) С этим все вроде понятно.

Второе правило заключается в том, что выход ОУ стремится к тому, чтобы разность напряжений между его входами была равна нулю. Вот эта формулировка мне, честно говоря, не слишком нравится. А суть тут заключается в том, что часть выходного напряжения через цепь обратной связи передается на вход и в результате этого потенциал обоих входов ОУ выравнивается.

Для того, чтобы разобраться в работе операционного усилителя, давайте рассмотрим пару-тройку схем. И начнем со схемы неинвертирующего усилителя (кстати на схемах порой опускают обозначение выводов для подачи питания на ОУ, мы, пожалуй, тоже так поступим =) ):

Для начала определим, какое же значение напряжения мы получим на выходе, подав на вход . Как следует из второго правила – операционник с обратной связью “добьется” того, чтобы потенциалы входов выровнялись, а это значит, что:

Но в то же время и образуют делитель напряжения и тогда:

Приравниваем эти два значения и получаем, что:

Получили такой вот коэффициент усиления неинвертирующего усилителя на операционном усилителе с обратной связью.

Давайте рассмотрим конкретный пример, чтобы еще лучше понять работу данной схемы. Пусть будут такие номиналы: = 10 КОм, = 1 КОм. На вход подадим 1 В. В этом случае напряжение на выходе ОУ начнет расти, поскольку (). И расти оно будет до тех пор, пока потенциал на инвертирующем (-) выходе не станет равен 1 В (так как на неинвертирующем входе (+) у нас как раз-таки 1 В). Остается определить, при каком выходном значении напряжения, напряжение будет равно 1 В. Входы ОУ ток не потребляют, значит ток протекает по цепи выход – – – земля:

Из этого равенства без проблем определим , при значении равном 1 В:

Подставив наши значения, получим = 11 В. Это подтверждает верность выведенной нами ранее формулы 😉

С неинвертирующим усилителем разобрались, давайте рассмотрим еще одну схему – инвертирующий усилитель.

В принципе работает эта схема практически так же, как предыдущая. На неинвертирующем (+) входе потенциал земли, значит на инвертирующем тоже будет такой же потенциал. То есть:

Не забываем, что ток входы ОУ не потребляют, а значит ток протекает по цепи выход – – – вход и равен он:

Отсюда нам остается только выразить и определить коэффициент усиления цепи:

Сразу же становится понятно, почему усилитель называется инвертирующим ) Сигналы на входе и на выходе разных знаков.

В завершение рассмотрим, пожалуй, еще одну небольшую схемку, а именно схему повторителя на операционном усилителе с обратной связью:

Если внимательно посмотреть на эту схему, то становится понятно, что это всего лишь неинвертирующий усилитель, у которого равно бесконечности, а равно нулю. Подставив эти значения в формулу для получим:

Таким образом, напряжение на выходе повторяет сигнал на входе ) Огромный плюс такого повторителя заключается в том, что его входной импеданс огромен, а выходной, напротив, мал 😉

Наверно, на этом сегодня закончим, а в следующей статье рассмотрим и проанализируем какие-нибудь схемки посложнее ) До скорых встреч!

microtechnics.ru

Операционные усилители для самых начинающих / Песочница / Хабр

В курсе электроники есть много важных тем. Сегодня мы попытаемся разобраться с операционными усилителями.
Начнем сначала. Операционный усилитель — это такая «штука», которая позволяет всячески оперировать аналоговыми сигналами. Самые простейшие и основные — это усиление, ослабление, сложение, вычитание и много других (например, дифференцирование или логарифмирование). Абсолютное большинство операций на операционных усилителях (далее ОУ) выполняются с помощью положительных и отрицательных обратных связей.
В данной статье будем рассматривать некий «идеал» ОУ, т.к. переходить на конкретную модель не имеет смысла. Под идеалом подразумевается, что входное сопротивление будет стремиться к бесконечности (следовательно, входной ток будет стремиться к нулю), а выходное сопротивление — наоборот, будет стремиться к нулю (это означает, что нагрузка не должна влиять на выходное напряжение). Также, любой идеальный ОУ должен усиливать сигналы любых частот. Ну, и самое важное, коэффициент усиления при отсутствующей обратной связи должен также стремиться к бесконечности.

Ближе к делу

Операционный усилитель на схемах очень часто обозначается равносторонним треугольничком. Слева расположены входы, которые обозначены «-» и «+», справа — выход. Напряжение можно подавать на любой из входов, один из которых меняет полярность напряжения (поэтому его назвали инвертирующим), другой — не меняет (логично предположить, что он называется неинвертирующий). Питание ОУ, чаще всего, двуполярное. Обычно, положительное и отрицательное напряжение питания имеет одинаковое значение (но разный знак!).
В простейшем случае можно подключить источники напряжения прямо ко входам ОУ. И тогда напряжение на выходе будет расчитываться по формуле:
, где — напряжение на неинвертирующем входе, — напряжение на инвертирующем входе, — напряжение на выходе и — коэффициент усиления без обратной связи.
Посмотрим на идеальный ОУ с точки зрения Proteus.

Предлагаю «поиграть» с ним. На неинвертирующий вход подали напряжение в 1В. На инвертирующий 3В. Используем «идеальный» ОУ. Итак, получаем: . Но тут у нас есть ограничитель, т.к. мы не сможем усилить сигнал выше нашего напряжения питания. Таким образом, на выходе все равно получим -15В. Итог:

Изменим коэффициент усиления (чтобы Вы мне поверили). Пусть параметр Voltage Gain станет равным двум. Та же задача наглядно решается.

Реальное применение ОУ на примере инвертирующего и неинвертирующего усилителей

Есть два таких основных правила:
I. Выход операционного усилителя стремится к тому, чтобы дифференциальное напряжение (разность между напряжением на инвертирующем и неинвертирующем входах) было равно нулю.
II. Входы ОУ не потребляют тока.
Первое правило реализуется за счет обратной связи. Т.е. напряжение передается с выхода на вход таким образом, что разность потенциалов становится равной нулю.
Это, так сказать, «священные каноны» в теме ОУ.
А теперь, конкретнее. Инвертирующий усилитель выглядит именно так (обращаем внимание на то, как расположены входы):

Исходя из первого «канона» получаем пропорцию:
, и немного «поколдовав» с формулой выводим значение для коэффициента усиления инвертирующего ОУ:

Приведенный выше скрин в комментариях не нуждается. Просто сами все подставьте и проверьте.

Следующий этап — неинвертирующий усилитель.

Тут все также просто. Напряжение подается непосредственно на неинвертирующий вход. На инвертирующий вход подводится обратная связь. Напряжение на инвертирующем входе будет:
, но применяя первое правило, можно утверждать, что


И снова «грандиозные» познания в области высшей математики позволяют перейти к формуле:

Приведу исчерпывающий скрин, который можете перепроверить, если хотите:

Пара интересных схем

Напоследок, приведу парочку интересных схем, чтобы у Вас не сложилось впечатления, что операционные усилители могут только усиливать напряжение.

Повторитель напряжения (буферный усилитель). Принцип действия такой же, как и у транзисторного повторителя. Используется в цепях с большой нагрузкой. Также, с его помощью можно решить задачку с согласованием импедансов, если в схеме есть нежелательные делители напряжения. Схема проста до гениальности:

Суммирующий усилитель. Его можно использовать, если требуется сложить (отнять) несколько сигналов. Для наглядности — схема (снова обращаем внимание на расположение входов):


Также, обращаем внимание на то, что R1 = R2 = R3 = R4, а R5 = R6. Формула расчета в данном случае будет: (знакомо, не так ли?)

Таким образом, видим, что значения напряжений, которые подаются на неинвертирующий вход «обретают» знак плюс. На инвертирующий — минус.

Заключение

Схемы на операционных усилителях чрезвычайно разнообразны. В более сложных случаях Вы можете встретить схемы активных фильтров, АЦП и устройств выборки хранения, усилители мощности, преобразователи тока в напряжение и многие многие другие схемы.

Список источников

Краткий список источников, который поможет Вам быстрее освоится как в ОУ, так и в электронике в целом:
Википедия
П. Хоровиц, У. Хилл. «Искусство схемотехники»
Б. Бейкер. «Что нужно знать цифровому разработчику об аналоговой электронике»
Конспект лекций по электронике (желательно, собственный)

habr.com

Операционный усилитель как работает | Сабвуфер своими руками

Во многих аналоговых схемах применяются операционные усилители.

В данной статье на сайте radiochipi.ru речь пойдёт именно об этом. Изучая цифровую электронику мы привыкли воспринимать логические элементы, как некие «черные ящички», «кулики» из которых складываются схемы. Мы знаем их свойства, но не задумываемся над их внутренним содержанием.

Так и есть, давно принято, что цифровая схема состоит из логических элементов, а не из транзисторов и диодов. Такое отношение сформировалось и к операционным усилителями, таким элементам аналоговой техники.

Конструируя схему на ОУ или собирая готовую конструкцию, мы воспринимаем операционный усилитель (ОУ) как «ящик» с известными свойствами, и редко задумываемся над ого содержимым. Именно по этому, на схемах с ОУ уже давно никто не рисует схемы самих ОУ, а только их графическое обозначение (рис.1).

Если операционный усилитель подробно описывать, нажав на теорию, то получится хороший материал, если не для диссертации, то для дипломной работы ВУЗа (впрочем, как и в случае с простым транзисторным ключом). Мы же преследуем другую задачу, понять как он работает и что мы с этого можем иметь. Если, же кому-то не хватит теории, то можно обратиться к ВУЗовским учебникам.

И так, операционный усилитель

— это элемент аналоговой электроники, так и будем его изучать. А в качестве «подопытного кролика» возьмем наиболее распространенную на нынешний день «модель» — КРН0УД608 (рис.1). Корпус КР140УД608 похож на разломанный пополам 16-вы водный корпус какой-то цифровой микросхемы (рисунок 1).

Он как раз в два раза короче чем, например, К561ИЕ10. С каждой из сторон по четыре вывода Ключ (точка, углубление, паз) расположен у торца от первого вывода. У любого операционного усилителя есть два входа и один выход. Входы разнополярные, у нашего «кролика» на вывод 3 выведен ПРЯМОЙ вход, а на вывод 2 — ИНВЕРСНЫЙ (выход — вывод 6).

Операционный усилитель усиливает сигнал приложенный к одному из его входов относительно другого, вернее, получается, что входной сигнал и есть разность потенциалов между его входами (или ток между его входами). Чтобы понять как этот выглядит на практике, можно собрать схему, показанную на рисунке 2.

В качестве элементов питания используем две «плоские» батарейки по 4.5 В каждая; включив их последовательно, и сделав вывод от середины (питание двуполярное). Контролировать напряжение будем все тем же мультиметром, а еще лучше двумя мультиметрами (типа М-838 или другими).

И так, в схеме на рисунке 2 инверсный вход (вывод 2) соединен с общим проводом (с средним выводом источника питания), а на прямой вход (вывод 3) подаем напряжение от переменного резистора R1. Вращая R1 и измеряя напряжение на выходе ОУ и на движке R1 можно понять, что установить R1 в такое положение, чтобы как выходе был 0V очень сложно (почти невозможно).

Если напряжение на движке R1 чуть больше 0V (чуть больше напряжения на инверсном входе), то на выходе будет около +4V, а если это напряжение чуть меньше 0V (отрицательное относительно общей точки источника питания), то на выходе будет (-4V). Теперь сменим точку подключения минусового провода мультиметра (рис. 3).

Теперь получается, что если напряжение на движке резистора R1 чуть больше 4,5 V. то на выходе будет примерно 8.5V, а если напряжение на движке R1 чуть меньше 4,5V, то на выходе будет примерно 0,5V. Таким образом, мы вернулись обратно к цифровой технике если на прямом входе напряжение больше чем на инверсном, то на выходе получается логическая единица, а если напряжение на прямом входе ниже чем на инверсном, то на выходе логический ноль (вот так от аналоговой до цифровой один шаг).

Теперь ради чистоты эксперимента, можно поменять местами подключения входов ОУ, и опять все проверить. Зависимость, изложенная выше подтвердится. Таким образом, если напряжение на прямом входе больше, то и на выходе оно тоже больше, а если напряжение на инверсном входе больше, то на выходе оно меньше. В этом и состоит разница между прямым и инверсным входами.

Так работает аналоговый компаратор, он служит для сравнения разных напряжений, поданных на его входы. В таком включении (рис.2, рис.3) коэффициент усиления ОУ стремится к бесконечности (около 30000). Но для работы в аналоговых схемах обычно требуется не компаратор, а усилитель, причем нужно чтобы коэффициент усиления этого усилитель можно было устанавливать «по вкусу».

Чтобы операционный усилитель перестал быть компаратором необходимо ввести отрицательную обратную связь между его выходом и инверсным входом. Так и поступим, отключим инверсный вход от общего провода источника питания и подсоединим его к выходу (рисунок 4).

Теперь от огромного коэффициента усиления не осталось и следа. Коэффициент усиления в схеме на рис. 4 равен 1. То есть напряжение на выходе меняется точно так же как и напряжение на прямом входе. ОУ только повторяет входной сигнал и по напряжению его не усиливает. Все дело в том, что ООС стопроцентная.

Чтобы можно было установить любой желаемый коэффициент усиления нужно включить ОУ по схеме, показанной на рисунке 5 (или на рисунке 6). А коэффициент усиления будет определяться соотношением левой и правой (по схеме) частей переменного резистора R3 (рис. 5, рис 6) относительно точки расположения его движка. То есть, коэффициент усиления ОУ будет равен, для рисунка 5:

Ку =1*(R3np / R3n)
для рисунка 6:
Ку = —(R3np/R3n)
Где R3np — сопротивление правой части R3, а R3n — сопротивление левой части R3.

Входное сопротивление усилителя по рис. 6 будет равно R3n.
Входное сопротивление усилителя по рис. 5 определяется, в основном, входным сопротивлением прямого входа ОУ. И так, две типовые схемы включения любого операционного усилителя рисунок 7.

Эти схемы рассчитаны на работу с постоянным входным напряжением приложенным относительно общего провода питания, хотя конечно, они будут работать и с переменным входным напряжением, если оно не имеет постоянной составляющей.

Если переменное входное напряжение имеет постоянную составляющую (например, снимается с коллектора транзистора предварительного усилительного каскада), её необходимо удалить включив на входе разделительный конденсатор (рис. 8).

Существенный недостаток схем, показанных на рисунках 7 и 8 это необходимость в двухполярном источнике питания. Чтобы питать ОУ от однополярного источника, нужно его немного «обмануть», сделать такую схему, в которой будет некоторое постоянное напряжение, равное половине напряжения питания, и подключать к этому напряжению его входы, как-бы к общему проводу питания. Если нужно усиливать только переменное напряжение, то такой «обман» вполне проходит.

На рисунке 9 показана схема инвертируеющего усилителя на ОУ, работающем с однопопярным питанием. Резисторы R3 и R4 имеют одинаковые сопротивления, и напряжение в точке их соединения будет равно половине напряжения питания. Эту точку соединяем в прямым входом ОУ, а конденсатор С2 подавляет различные помехи, которые могут иметь место в этой цепи.

Если нам нужен неинвертирующий усилитель, схема будет такая как на рисунке 10. В этом случае входное сопротивление будет практически равно сопротивлению каждого из резисторов R3 и R4.
Конденсатор С2 выполняет роль разделительного. Он пропускает переменный ток, и ООС зависит от сопротивлений R1 и R2. по переменному току, устанавливая требуемый коэффициент усиления по переменному току.

По постоянному току R1 как бы отсутствует, и инверсный вход соединен с выходом через R2, поэтому глубина ООС по постоянному току почти равна 100%, а, следовательно, коэффициент усиления по постоянному току такой схемы равен 1. Следует учесть, что в схемах на рис. 9 и 10 коэффициент усиления зависит не только от соотношения R1 и R2, но и от емкости разделительного конденсатора (С1 для рис. 9, С2 для рис. 10), поскольку С2 (рис. 10)

имеет реактивное сопротивление, складывающееся с сопротивлением R1, так что, коэффициент усиления будет зависеть от частоты входного сигнала, увеличиваться при её увеличении и уменьшаться при её уменьшении. Компаратор тоже может быть с однополярным питанием (рис.11).

Для экспериментов кроме операционного усилителя КР140УД608 можно использовать и другие ОУ, на рисунке 12 приводятся цоколевки других популярных ОУ. В качестве источника питания можно использовать две «батарейки» по 4,5 В каждая, например, 312S. 3R12. Переменные резисторы могут быть от 100 килоом до 1 мегаома.

www.radiochipi.ru