Понятие операционного усилителя (ОУ) в электронике является очень важным. На теоретической основе этого электронного узла выпускается множество практических микросхем, применение которых требует понимания базовых принципов работы ОУ.
- Теория
- Что такое операционный усилитель
- Где применяется
- В усилительных схемах
- В фильтрах
- В генераторах
- В схемах автоматического управления
- Устройство операционного усилителя
- Основные элементы
- Схема внутреннего устройства
- Особенности работы
- Какие бывают виды ОУ
- Основные параметры для выбора
- Усиление
- Входное, выходное сопротивление
- Шумы
- Скорость
- Маркировка и обозначение на схеме
- Схемы включения
- Повторитель напряжения
- Компаратор с ПОС
- Однополярная схема питания
Теория
Чтобы уметь анализировать схемы с применением операционных усилителей, необходимо изучить основные теоретические аспекты.
Что такое операционный усилитель
Для изучения принципа работы операционного усилителя в первую очередь надо знать, что это усилитель с двумя входами:
- Инвертирующим (инверсным) — при росте напряжения на нем выходное напряжение уменьшается.
- Неинвертирующим (прямым) — при росте напряжения выходное напряжение увеличивается.
Усилитель является дифференциальным, это значит, что он усиливает разницу сигналов между двумя этими входами. Иными словами, если на вход подать два напряжения, на выходе будет разность этих напряжений, умноженная на коэффициент усиления.
На практике уровень на выходе будет ограничен напряжением питания – ОУ не может выдать напряжение выше, чем получает.
Другие фундаментальные свойства идеального операционного усилителя:
- он имеет бесконечно большой коэффициент усиления (его можно уменьшить введением отрицательной обратной связи), причем Ку не зависит от частоты;
- бесконечно большое входное сопротивление (на обоих входах);
- бесконечно малое выходное сопротивление.
На практике бесконечных параметров не бывает, но они достаточно велики, чтобы в большинстве случаев считать их бесконечными.
ОУ выпускаются в виде микросхем в корпусе с количеством выводов не менее 5.
Где применяется
Область применения операционных усилителей широка. На основе дифференциального усилителя можно построить большое количество разнообразных электронных узлов.
В усилительных схемах
Самое логичное применение ОУ – в качестве усилителей. Коэффициент усиления (Ку) по напряжению самого обычного операционного усилителя составляет не менее 10000, что в большинстве случаев явное излишество – мало что требуется усиливать в 10000 или более раз. Для уменьшения Ку можно ввести отрицательную обратную связь (ООС), для этого надо подключить резистор между выходом ОУ и инвертирующим входом. Можно организовать ООС в виде делителя напряжения из двух резисторов.
На приведенной схеме к выходу подключен делитель напряжения, верхнее плечо которого имеет сопротивление 9 кОм, а второго – 1 кОм. Средняя точка подключена к инвертирующему входу, а усиливаемый сигнал подается на неинвертирующий вход. Пусть на выходе ноль вольт, такое же напряжение и на инвертирующем входе. Если подать на вход постоянное напряжение уровнем, например, +1 вольт, то ОУ (в соответствии с коэффициентом усиления) постарается выставить на выходе усиленную в 10000 раз разницу между входами — 10000*(1-0)=10000 вольт (на самом деле, уровень будет ограничен напряжением питания).
Напряжение на выходе будет расти, при этом будет расти напряжение на инвертирующем входе, а разница напряжений между входами уменьшаться. Когда на выходе окажется 10 вольт, делитель подаст на инвертирующий вход 1 вольт, разность напряжений при этом уравняется, и уровень на выходе установится в этом состоянии.
Если на инвертирующий вход подать 1,5 вольт, то на выходе будет 15 вольт и т.д. Таким образом, путем введения отрицательной обратной связи установлен Ку=1+R2/R1. Варьируя отношение сопротивлений резисторов можно установить нужный коэффициент усиления в пределах возможного. Полярность выходного сигнала повторяет полярность входного, поэтому такой усилитель называется неинвертирующим.
Можно применить это правило для понимания работы другой схемы – инвертирующего усилителя. Здесь неинвертирующий вход соединен с общим проводом (иногда это делают через резистор), а делитель включен несколько по-другому. Сигнал подается на инвертирующий вход, и пусть это будет положительное напряжение в 1 вольт.
Так как на прямом входе уровень 0 вольт, ОУ «обязан» выставить то же напряжение и на инверсном входе. Но это достижимо лишь тогда, когда на выходе будет отрицательное напряжение. Разность между входным и выходным напряжением полностью упадет на последовательно соединенных резисторах (входы ОУ имеют бесконечное сопротивление, и ток не потребляют). Значит, Uвых-Uвх должно разделиться так, чтобы в средней точке было 0 вольт. Следовательно, все входное напряжение должно полностью упасть на R2, а на R1 должно упасть все выходное, и оно в этом случае должно быть в R2/R1=9 раз больше по абсолютному значению, чем входное и быть противоположным ему по знаку. Отсюда коэффициент усиления такой схемы равен R1/R2.
Большинство операционных усилителей имеют слаботочные выходы, поэтому оконечные каскады усилителей мощности на ОУ обычно не выполняют.
В фильтрах
Можно включить в цепь обратной связи элементы, сопротивление которых зависит от частоты (обычно конденсаторы, но теоретически можно и индуктивности). Тогда обратная связь будет зависеть от частоты – на одних частотах усиление будет больше, на других – меньше. Получится фильтр, пропускающий соответствующую полосу и подавляющий внеполосный сигнал.
Известно, что чем выше сопротивление резистора обратной связи в инвертирующем усилителе, тем больше его усиление. Если вместо резистора поставить конденсатор, то с ростом частоты усиление схемы будет падать. Фильтр будет хорошо усиливать низкие частоты, и плохо – высокие (говорят, что фильтр их подавляет). Это фильтр низких частот (ФНЧ).
Если резистор и конденсатор поменять местами, то с ростом частоты будет уменьшаться сопротивление другого плеча делителя, и Ку будет расти вслед за ростом частоты. Получится фильтр высоких частот (ФВЧ).
Более сложная обратная связь позволит иметь большой коэффициент усиления в определенном промежутке частот, а за пределами этого промежутка усиление будет падать. Так реализуется полосовой фильтр. Не менее сложная схема ООС получается для фильтра, подавляющего сигнал в заданном промежутке частот. Этот фильтр называется режекторным (фильтр-пробка).
В генераторах
Построить генератор на ОУ можно, памятуя о том, что генератор – это усилитель, охваченный положительной обратной связью (и отрицательная не помешает), в котором выполняются фазовые и амплитудные условия.
В качестве примера приведена схема подобного генератора. Положительная обратная связь в нем выполнена в виде моста Вина, включенного между выходом и прямым входом ОУ. Этот мост создает обратную связь – он подводит выходной сигнал обратно на вход в нужной фазе на частоте, которая определяется номиналами элементов моста. Резисторы R1 и 2R1 создают цепь ООС, устанавливая Ку равным 3. Это нужно для создания незатухающих колебаний правильной формы.
В схемах автоматического управления
В схемах автоматического управления часто требуется контролировать выход различных величин за установленные пороги. Если эти величины (давление, освещенность, температуру и т.п.) преобразовать в напряжение, проверять их относительные уровни можно с помощью ОУ, включенных по схеме компаратора. В этом случае операционный усилитель работает без ООС, и его усиление используется полностью.
Сравниваемые напряжения подаются на входы операционного усилителя, один сигнал считается опорным (Uоп), с ним сравнивается сигнал, присутствующий на другом входе (Uвх). Если Uвх> Uоп, то на выходе будет максимальное положительное напряжение питания. Если Uвх< Uоп, то ОУ выдаст минимально возможное (максимальное по модулю) отрицательное напряжение.
На этом же принципе можно построить триггер Шмитта на ОУ.
Устройство операционного усилителя
Для изучения принципа работы и практических применений операционного усилителя не обязательно знать его внутреннее строение, но и ознакомиться с ним не помешает.
Основные элементы
В общем случае операционный усилитель строится по схеме:
- собственно дифференциальный усилитель (усиливает разность сигналов между входами);
- усилитель напряжения (усиливает и масштабирует выделенную разницу);
- усилитель мощности (оконечный каскад, усиливает сигнал для подачи на нагрузку).
Обычно ОУ требуют двуполярного относительно общего провода питания.
Схема внутреннего устройства
Одна из самых простых схем ОУ приведена на рисунке. В этом случае усилитель построен на биполярных транзисторах, его входное сопротивление относительно невелико. Для увеличения этого параметра на входе применяют полевые транзисторы.
В этой схеме усилитель мощности функционально объединен с усилителем напряжения.
Особенности работы
При отсутствии сигнала на входе на выходе также должен быть нулевой уровень. Из-за разброса параметров элементов так бывает не всегда, многие операционные усилители требуют дополнительной установки баланса. Для этого предусматриваются отдельные выводы. Если их нет, балансировку производят подачей смещения на один из входов.
Какие бывают виды ОУ
В целом класс операционных усилителей достаточно однороден, но и в нем можно выделить определенные категории, определяющиеся электрическими параметрами ОУ:
- быстродействующие, с частотой единичного усиления выше 1 МГц:
- прецизионные – с выходным напряжением, практически равным нулю в отсутствие сигнала и не требующие дополнительных схем смещения;
- с однополярным питанием – требуют одного напряжения относительно нуля;
- мощные – с пониженным входным сопротивлением;
- с малым входным током – имеющие входное сопротивление от 1 до 1000 МОм и выше.
Можно разделить ОУ по количеству усилителей в 1 корпусе – их может быть от 1 до 4.
Основные параметры для выбора
Выбор операционного усилителя для конкретной схемы выполняется по определенным параметрам.
Усиление
Отмечалось, что на практике усиление даже ОУ широкого потребления с большим запасом перекрывает большую часть случаев применения, поэтому этот параметр не является критичным или даже важным. Лишь в очень редких случаях он определяет выбор. Но посмотреть на него все же стоит – хотя бы из любопытства.
Надо иметь в виду, что с ростом частоты усиление ОУ падает, и в итоге становится равным единице – выходной сигнал будет равным входному. Этот параметр связан с быстродействием и называется частотой единичного усиления. Для обычных ОУ этот параметр не превышает 1 МГц. Для специализированных высокочастотных может достигать 100 МГц.
Входное, выходное сопротивление
В идеале входное сопротивление операционника бесконечно. На практике этого достичь невозможно, но Rвх все равно имеет высокие значения. У простых микросхем оно может составлять от 400 кОм (К140УД7, μA741), а у других, вход которых выполнен на полевых транзисторах, Rвх достигает 1000 МОм (К574УД2, TL0837).
Выходное сопротивление на практике также не является нулевым, и обычно принимает значение от нескольких десятков, до нескольких тысяч ом. Чем ниже выходное сопротивление, тем более мощную нагрузку можно подключать к выходу микросхемы.
Шумы
В отсутствие входного сигнала на выходе операционного усилителя присутствует шумовой сигнал, который при построении чувствительных схем может маскировать полезный сигнал. На уровень шума могут влиять внешние компоненты и внутренние элементы ОУ.
Чаще всего шумовую характеристику операционного усилителя приводят в виде спектрального уровня шумов в единицах В/√Гц (точнее, нВ/√Гц). Не вникая в физический смысл этой единицы, можно отметить, что чем ниже справочное значение, тем меньше шумит ОУ.
Скорость
Важным параметром является скорость нарастания напряжения. Она показывает, как быстро операционный усилитель может изменять напряжение на выходе и измеряется эта величина в вольтах на секунду (точнее, в В/мкс). Скорость нарастания напряжения характеризует частотные свойства микросхемы – чем выше скорость, тем на больших частотах ОУ может формировать на выходе импульсы, не искажая их форму.
У разных микросхем скорость нарастания может принимать значения от нескольких вольт за микросекунду до нескольких сотен вольт за микросекунду (у быстродействующих высокочастотных элементов).
Маркировка и обозначение на схеме
Особой маркировки операционные усилители не имеют, и обозначаются просто как микросхемы. В отечественной технической литературе ОУ имеют индекс функционального назначения УД (К140УД6, К544УД2 и т.п.). В зарубежных традициях операционникам вообще никаких буквенно-цифровых блоков не выделено, и они могут иметь совершенно различную маркировку (mA702, MC1456C, LM118, OP-07E и т.п.).
На схемах можно встретить два варианта УГО операционного усилителя. Первая – общее обозначение усилителя в виде треугольника, вершина которого символизирует выход. Второй, реже употребляемый вариант – общее обозначение микросхемы, на которую нанесен символ усилителя (иногда еще знак бесконечности). Инверсный вход обозначается кружком, прямой дополнительных символов не имеет. Также прямой вход может быть обозначен знаком «+», а инверсный – знаком «-«. УГО может содержать и другие выводы микросхемы – питание, балансировка, цепи коррекции АЧХ и т.п.
На схемах, содержащих один или несколько ОУ, рядом с УГО наносится буквенное обозначение с порядковым номером. В отечественных схемах применяется индекс DA (DA1, DA2 и т.п.). На зарубежных схемах чаще всего применяется просто индекс интегральной микросхемы (IC1, IC2 и т.п.).
Схемы включения
Основные схемы включения приведены выше. К ним можно добавить несколько практических добавлений.
Повторитель напряжения
Если в схеме неинвертирующего усилителя резистор между выходом и инверсным входом заменить перемычкой (R1=0), то Ку будет равен 1. Усилитель превратится в повторитель – напряжение на выходе будет повторять входное напряжение. Такие каскады используют для развязки в качестве буферных узлов.
Компаратор с ПОС
Компаратор, в том числе, построенные на ОУ, имеют неприятную особенность – «дребезг» около предела переключения. Иными словами, если измеряемый сигнал практически равен опорному, происходит хаотическое переключение компаратора в обе стороны. Чтобы купировать это вредное явление, вводится небольшая ПОС в виде резистора, сопротивлением в несколько сотен килом или больше. Это ведет к тому, что порог включения становится ниже порога отключения, и «дребезг» прекращается.
Однополярная схема питания
Иногда требуется применить «двуполярный» Оу в схеме с однополярным питанием. В этом случае на прямой вход подается напряжение от делителя, состоящего из двух одинаковых резисторов. На выходе такого ОУ в отсутствие входного сигнала будет половина напряжения питания.
Приведенными примерами схемы узлов на ОУ не ограничиваются. На базе операционного усилителя можно построить и другие узлы (интеграторы, дифференциаторы, триггеры Шмитта, стабилизаторы напряжения и многое другое). Для их анализа и практического применения достаточно разобраться с базовыми основами работы ОУ.
