Операционный усилитель

Размещено на http://www.allbest.ru/

1. Введение

Операционный усилитель - универсальный функциональный элемент, широко используемый в современных схемах формирования и преобразования информационных сигналов различного назначения как в аналоговой, так и в цифровой технике.

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.

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.

2. Схемы включения ОУ

Рис.1. Инвертирующий усилитель.

операционный усилитель аналоговый передача

Для операционного усилителя, включенного по инвертирующей схеме, расчёт при принятых допущениях не представляет сложности. Для этого следует заметить, что напряжение в средней точке делителя, а именно на инвертирующем входе (?) усилителя равно 0 (т. н. виртуальная земля). Отсюда падения напряжения на резисторах равны, соответственно, входному и выходному напряжениям. Ток через резисторы тоже можно принять одинаковым, поскольку через инвертирующий вход (?) ток практически отсутствует, как было указано выше.

Отсюда:

Следует обратить внимание, что в инвертирующей схеме включения коэффициент усиления может быть как больше, так и меньше единицы и зависит от номиналов резисторов делителя. То есть усилитель может использоваться как активный аттенюатор (ослабитель) входного напряжения. Преимуществом этого решения над пассивным аттенюатором заключается в том, что с точки зрения источника сигнала аттенюатор выглядит как обычный резистор нагрузки, подключенный между сигналом и землёй (в данном случае т. н. «виртуальной»), то есть является обычной активной нагрузкой (разумеется, без учёта паразитных ёмкостей и индуктивностей). Это значительно упрощает расчёт влияния нагрузки на источник сигнала и их взаимное согласование.

Рис.2. Неинвертирующий усилитель.

Следует обратить внимание, что в неинвертирующей схеме включения коэффициент усиления напряжения всегда больше или равен 1, вне зависимости от номиналов используемых резисторов. Если сопротивление R2 равно нулю, то мы получаем неинвертирующий повторитель напряжения имеющий коэффициент усиления напряжения 1, и в этом случае сопротивление R1 не оказывает существенного влияния на работу схемы, поэтому его можно попросту убрать, приняв его равным бесконечности.

Можно рассуждать немного проще, сразу заметив, что

.

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.

Рис.3. Усилитель с изменяемым коэффициентом усиления.

Примем R1=R2=R3=R. И введем некую переменную А, которая может принимать значения от 1 до 0 в зависимости от поворота движка переменного резистора R3.

Тогда коэффициент усиления можно определить так:

K=2A-1

Входное сопротивление практически не зависит от положения движка переменного резистора.

Операционный усилитель 741.

Универсальный интегральный операционный усилитель второго поколения на биполярных транзисторах. Оригинальный мA741 был разработан в 1968 году Дэвидом Фуллагаром из Fairchild Semiconductor на основе разработанного Бобом Видларом LM101. В отличие от LM101, использовавшего внешний конденсатор частотной коррекции, в мA741 этот конденсатор был выполнен непосредственно на кристалле ИС. Простота применения мA741 и совершенные для своего времени характеристики способствовали широкому применению новой схемы и сделали её «типовым» универсальным ОУ. Несмотря на появление значительно лучших по характеристикам аналогичных микросхем ОУ 741 и его клоны по состоянию на 2015 год все еще выпускаются множеством производителей (например LM741, AD741, К140УД7).

Рис.4. Операционный усилитель 741.

3. Область применения

В настоящее время в электронике широкое распространение получила цифровая обработка сигналов. Цифровые методы, основывающиеся на использовании микропроцессоров, проникли во множество областей радиоэлектроники и привели к созданию совершенно новых способов обработки сигналов. Одновременно наблюдается развитие аналоговых сигналов.

Операционный усилитель является базовым элементом устройств аналоговой обработки сигналов. Поэтому разработчик систем сбора, передачи и обработки измерительной информации должен обладать знаниями параметров ОУ ( схем их включения и умением проектировать устройства на основе ОУ).

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:

1-Индустриальный стандарт;

2-прецизионные;

3-с малым входным током (электрометрические);

4- микромощные и программируемые;

5-мощные (сильноточные);

6- низковольтные;

7-высоковольтные;

8-быстродействующие;

9-малошумящие;

10-звуковые;

11-для однополярного питания;

12-специализированные.

Заключение

Необходимо помнить, что микрофонный усилитель усиливает звуки, приходящие со всех сторон, и если соотношение сигнал/шум будет недостаточным, то нужно применять пространственные направляющие системы. При прослушивании человеческой речи за стенами, панелями, перегородками достаточно поместить микрофон в основание параболического рефлектора. Дистанционное звуковое прослушивание необходимо вести с помощью дистанционных направленных микрофонов, имеющих узкую диаграмму направленности.

Размещено на Allbest.ru