Операционный усилитель, строение и виды

Размещено на http://www.allbest.ru/

Операционный усилитель, строение и виды

Операционный усилитель -- усилитель постоянного тока, имеющий дифференциальный вход и, как правило, лишь один выход, обладающий высоким коэффициентом усиления. На схемах обычно обозначается следующим образом:

Любой операционный усилитель имеет 5 контактов, которые подписаны на этой условной схеме. Это инвертирующий и неинвертирующий входы, выход, а также положительное и отрицательное напряжение питания. Иногда последние два контакта на схемах не обозначаются, потому что их подключение очевидно (схема имеет единственный источник питания). Некоторые модели операционных усилителей могут иметь дополнительные контакты, служащие различным служебным целям -- например, частотной коррекции или настройки напряжения смещения.

Операционный усилитель является сложным электронным прибором, состоящим из множества элементарных компонентов (транзисторы, резисторы, конденсаторы и т. д.). Он может быть построен на самой различной элементной базе (электронный лампы, биполярные транзисторы, полевые транзисторы). Возможно построение операционного усилителя как на дискретных компонентах, так и в интегральном исполнении.

Первые операционные усилители были построены на базе ламп (два двойных триода) в 40-ых годах 20-ого века. Первый операционный усилитель в интегральном исполнении был построен в 1963 году Робертом Видларом, работавшим в Farchild Semiconductor, однако он был слишком дорог (300 долларов), что позволяло использовать его лишь в военном применении. Первый операционный усилитель по относительно доступной цене (10 долларов) был выпущен в 1965 году. Позднее, в 1968 году был выпущен операционный усилитель мA741, который до сих пор выпускается различными фирмами под различными наименованиями. Первые интегральные операционный усилители были выполнены с использованием биполярных транзисторов, но в конце 70-ых годов были разработаны схемы, использующие полевые транзисторы, а в начале 80-ых -- с изолированным затвором. Все эти новшества позволили ещё больше улучшить характеристики.

Изначально операционный усилители использовались в аналоговых компьютерах. Аналоговые компьютеры -- ранний вид вычислительной техники, который представлял параметры и результат в виде значения различных физических величин (в случае электрических аналоговых компьютеров это может быть ток, напряжение или заряд), а сама зависимость между аргументами и результатами была задана с помощью какого-то физического процесса. Операционный усилители позволяли легко реализовать многие модули, необходимые для вычислений, например, сумматоры. Однако в последствии оказалось, что операционные усилители являются удобным универсальным элементом схемы, который может применяться в самых различных ситуациях.

Важной особенностью операционных усилителей, которая сделала их такими удобными и универсальными, стал тот факт, что их характеристики очень близки к идеальным (хотя, разумеется, не являются абсолютно идеальными). Это позволяет относительно точно задавать параметры схемы, где используется данный тип компонентов.

Для операционных усилителей рекомендуется использовать двуполярное питание, при этом нулевой потенциал к самому операционному усилителю как правило не подключается, но используется для создания обратной связи, а также в качестве сигнальной земли. Впрочем, иногда использование двуполярного питания ведёт лишь к неоправданному усложнению схемы, поэтому не применяется. В таких случаях общая точка создаётся искуственно (например, с помощью резистивного делителя) или в качестве неё используется отрицательный полюс питания.

Можно рассмотреть включение операционного усилителя в простейшем случае -- без внешних компонентов. В таком случае выходной сигнал будет равен разности между входными сигналами, умноженными на собственный коэффициент усиления самого ОУ. Обычно, значение этого коэффициента слабо нормируется (может изменяться в тысячи раз в зависимости от конкретного операционного усилителя, температуры окружающей среды, а также частоты входного сигнала). К тому же его значение для большинства операционных усилителей составляет не менее десяти в шестой степени или даже больше и не поддаётся регулировке. Это делает применение операционного усилителя без дополнительных компонентов, задающих его характеристики, практически невозможным.

Поэтому применяются различные схемы с обратной связью -- положительной или отрицательной. При этом последняя является более часто используемой.

Типовыми схемами включения операционного усилителя являются: инвертирующее включение, неинвертирующее вклюение и дифференциальное включение.

Инвертирующее включение:

операционный усилитель инвертирующий сопротивление

Для упрощения можно принять истинным правило, что напряжение на выходе операционного усилителя стремиться быть таковым, чтобы разность напряжений между инвертирующим и неинвертирующим входом была равна нулю (применимо только при использовании ООС).

В рассмотренной выше схеме это станет возможно лишь, когда выходной сигнал станет равным - Rоос/Rвх. Например, если номиналы резисторов будут одинаковыми, то выходной сигнал будет равен входному по амплитуде и противоположен по полярности. Если Rоос будет в два раза больше Rвх, то выходной сигнал будет иметь противоположную полярность и удвоенную амплитуду. Разумеется, если рассчётное выходное напряжение превысит напряжение питания, то операционный усилитель не выдаст его. На его выходе установится значение, чуть меньшее, чем напряжение питания (есть особый класс усилителей -- rail-to-rail -- они могут выдавать значения практически равные напряжению питания, в то время, как у обычных усилителей максимальное значение выходного напряжения может быть меньше напряжения питания на сотни милливольт).

Входное сопротивление данного усилителя является суммой Rвх и Rоос (сопротивление входов самого усилителя примем бесконечном большим, а внутреннее сопротивление выхода бесконечно малым), что, как правило, будет являться относительно малым значением. Это является важным недостатком данной схемы включения.

Неинвертирующее включение:

В данном варианте сигнал подаётся на неинвертирующий вход операционного усилителя, а, как известно, сопротивление входа операционного усилителя очень велико. Это является достоинством данной схемы. Также данная схема выдаёт неинвертированный сигнал.

Rоос / Rвх + 1.

Для получения единичного коэффициента усиления потребуется отказаться от резистора обратной связи и соединить выход с инвертирующим входом напрямую. Такой усилитель будет называться буфером. Для усиления входного сигнала в 2 раза потребуется использовать резисторы равных номиналов.

По сути дела в данной схеме значение выходного напряжения усилителя делится с помощью резистивного делится и поступает на инвертирующий вход. По введённому нами правилу, операционный усилитель стремится компенсировать разность потенциалов на своих входах.

Дифференциальное включение операционного усилителя:

Последняя из наиболее популярных схем включения операционных усилителей -- дифференциальная. Данная схема включения позволяет заменять разность между двумя сигналами. При этом эта разность может быть весьма незначительна. Хотя операционный усилитель и так обладает дифферециальным входом, его сообственный коэффициент усиления чрезвычайно велик, что не позволяет его использовать для усиления дифференциальных сигналов просто так. Добавление внешних резисторов, ограничивающих коэффициент усиления, позволяет исправить эту ситуацию, сделав работу схемы полностью предсказуемой.

Эта схема включения очень полезна, когда необходимо замерять значение входного сигнала относительно некоторой другой величины.

Операционные усилители в различных схемах включения используются очень массово в потребительской и промышленной электронике. На них собирают звуковые предусилители, измерительные усилители, генераторы, активные фильтры и многие другие модули схем.

Отдельно хотелось бы уделить внимание активным фильтрам на базе операционных усилителей. Эти фильтры позволяют добиться гораздо лучших параметров, чем аналогичные фильтры только лишь на пассивных компонентах, потому что не только понижают уровень «лишнего» сигнала, но и усиливают ту часть сигнала, которая через фильтр прошла.

При необходимости максимальной крутизны фазово-частотной характеристики фильтра несколько простых активных фильтров могут быть объединены в один, который будет иметь более высокий порядок.

Размещено на Allbest.ru