Блог

В этой статье мы вам расскажем об операционных усилителях в целом, их характеристиках, нескольких применениях, и о некоторых важных основах операционных усилителей.

Операционный усилитель является одним из наиболее часто и широко используемых электронных компонентов. Они являются основными строительными блоками в аналоговых схемах и используются в широком спектре бытовой электроники, промышленного оборудования и научных устройств.

Операционный усилитель представляет собой дифференциальный усилитель напряжения с двумя входами и одним выходом, который характеризуется высоким коэффициентом усиления, высоким входным сопротивлением и низким выходным сопротивлением.

Операционный усилитель называется так потому, что он возник в аналоговых компьютерах и в основном использовался для выполнения математических операций.

В зависимости от схемы обратной связи и смещения, операционный усилитель может выполнять сложение, вычитание, умножение, деление, и, что интересно, даже выполнение вычислительных операций, таких как дифференцирование и интегрирование.

Сегодня операционные усилители являются очень популярными строительными блоками в электронных схемах. Операционные усилители используются для различных применений, таких как усиление сигналов переменного и постоянного тока, фильтры, генераторы, регуляторы напряжения, компараторы и в большинстве бытовых и промышленных устройств.

Операционные усилители практически не зависят от изменений температуры или производственных отклонений, что делает их идеальными строительными блоками в электронных схемах:

Основная схема операционного усилителя показана на схеме выше. Операционный усилитель имеет входной каскад дифференциального усилителя и выходной каскад эмиттерного повторителя. Практические схемы операционных усилителей намного сложнее, чем показанная выше базовая схема операционных усилителей.

Транзисторы Q1 и Q2 образуют дифференциальный усилитель, в котором разностное входное напряжение подается на базовые клеммы Q1 и Q2. Транзистор Q3 работает как эмиттерный повторитель и обеспечивает низкое выходное сопротивление.

Выход базовой схемы операционного усилителя V_OUT задается как:

V_OUT = V_CC –V_RC – V_BE3

VOUT = VCC – IC2RC – VBE

Где V_RC  — напряжение на резисторе R_C ,  а V_BE3  — напряжение база-эмиттер транзистора Q3.

Предположим, что транзисторы Q1 и Q2 являются согласованными транзисторами, т. е. они имеют одинаковые уровни V_BE  и равные коэффициенты усиления по току. Если выводы базы обоих транзисторов соединены с землей, эмиттерные токи I_E1 и I_E2  равны, и оба I_E1 и I_E2 протекают через общий резистор RE. Ток эмиттера определяется соотношением:

I_E1 + I_E2 = V_RE / R_E

Если обе базы Q1 и Q2 подключены к земле,

0 – V_BE –V_RE +V_EE = 0

т.е. V_RE = V_EE – V_BE

Следовательно,

I_E1 + I_E2 = (V_EE – V_BE) / R_E

Когда на неинвертирующую входную клемму подается положительное напряжение, база транзистора Q1 подтягивается входным напряжением, а его эмиттерная клемма следует за входным сигналом. Поскольку эмиттеры Q1 и Q2 соединены вместе, эмиттер Q2 также подтягивается положительным входом на неинвертирующем выводе.

База транзистора Q2 заземлена, поэтому положительное напряжение на его эмиттере вызывает уменьшение напряжения база-эмиттер V_BE2 . Уменьшение V_BE2  приводит к уменьшению эмиттерного тока I_E2  и, следовательно, к уменьшению I_C2 .

Можно отметить, что положительный вход на контакте № 3 дает положительный выход, отсюда и название неинвертирующего входного терминала.

Символ операционного усилителя

Если входной сигнал подается на одну из входных клемм на другую входную клемму, соединенную с землей, операция называется «несимметричной». В несимметричном режиме один вход управляет обоими транзисторами из-за соединения с общим эмиттером. Таким образом, полученный выход управляется обоими коллекторами.

Если два входных сигнала подаются на две входные клеммы, операция называется «двусторонней». В двустороннем режиме разность входных сигналов, подаваемых на две входные клеммы, приводит в действие транзисторы, а полученный выходной сигнал управляется обоими коллекторами.

Если один и тот же вход применяется к обоим входам, операция называется «общим режимом». В синфазном режиме общий входной сигнал на обеих входных клеммах приводит к возникновению противоположных сигналов на каждом коллекторе. Эти сигналы отменяются, что приводит к нулевому выходному сигналу. На практике противоположные сигналы не полностью компенсируют друг друга, и на выходе получается слабый сигнал.

Дифференциальный усилитель на транзисторах

Все операционные усилители состоят из дифференциального усилителя на входном каскаде. Если на две входные клеммы операционного усилителя подаются два разных сигнала напряжения, результирующий выходной сигнал пропорционален «разнице» между двумя сигналами.

Таким образом, дифференциальные усилители усиливают разницу между двумя напряжениями, измеренными относительно общего эталона. Дифференциальный усилительный каскад операционного усилителя показан ниже:

Два транзистора Q1 и Q2 имеют идентичные характеристики. Два входных сигнала Vi1 и Vi2 подаются на базовые клеммы Q1 и Q2 соответственно. Обратите внимание, что дифференциальный усилитель имеет две выходные клеммы V_O1  и V_O2 .

В идеале выходное напряжение равно нулю, когда оба входа равны. Когда Vi1 больше, чем Vi2, выходной контакт V_O1  будет положительным, а V_O2   отрицательным. Когда V_i2  больше, чем V_i1 , выходной контакт V_O2 будет положительным по отношению к V_O1 .

Выход V_O определяется выражением:

V_O = A_D (V_i1 – V_i2)

Где AD — дифференциальное усиление.

Дифференциальный усилитель можно настроить четырьмя различными способами:

• Дифференциальный усилитель со сбалансированным выходом и двойным входом.
• Дифференциальный усилитель с двойным входом и несимметричным выходом.
• Дифференциальный усилитель с балансным выходом и одним входом.
• Дифференциальный усилитель с несимметричным выходом и одним входом.

Усиление синфазного сигнала

Когда на обе входные клеммы подается один и тот же сигнал входного напряжения, работа называется «синфазной». Синфазный сигнал обычно представляет собой помехи или статический сигнал.

Коэффициент усиления синфазного сигнала представляет собой изменение выходного напряжения из-за входного синфазного сигнала, деленное на входное напряжение синфазного сигнала.

Хотя дифференциальный усилитель обеспечивает большое усиление разностного напряжения, подаваемого на оба входа, он различает синфазные входные сигналы, т.е. отказывается усиливать синфазные сигналы.

Способность дифференциального усилителя подавлять синфазный сигнал выражается его коэффициентом подавления синфазного сигнала (CMRR).

Более высокое значение CMRR представляет его лучшую способность подавлять синфазные сигналы. Таким образом, любой нежелательный сигнал, такой как шум или помехи, будет казаться общим для обеих входных клемм, и влияние этого сигнала на выход будет нулевым.

CMRR представляет собой отношение дифференциального усиления к синфазному усилению дифференциального усилителя, т.е.:

CMRR = A_D /A_C

Где, A_D = V_O / (V_i1 – V_i2)

и A_C = V_O(CM) / V_i(CM)

Эквивалентная схема идеального операционного усилителя

Эквивалентная схема идеального операционного усилителя показана выше. Входное напряжение V_DIFF  представляет собой разность напряжений (V ₁ -V ₂ ). Z _in  — входное сопротивление, а Z _out  — выходное сопротивление.

Параметр усиления A называется коэффициентом усиления без обратной связи. Если операционный усилитель не имеет обратной связи от выхода к любому из входов, говорят, что он работает в конфигурации без обратной связи.

Идеальный операционный усилитель демонстрирует бесконечный коэффициент усиления без обратной связи, бесконечный входной импеданс, нулевой выходной импеданс, бесконечный размах напряжения, бесконечную полосу пропускания, бесконечную скорость нарастания и нулевое входное напряжение смещения.

Характеристики операционных усилителей

Входное сопротивление (Z in)

Идеальный операционный усилитель имеет бесконечное входное сопротивление, чтобы предотвратить протекание тока от источника питания в схему операционного усилителя. Но когда операционный усилитель используется в линейных приложениях, извне обеспечивается некоторая форма отрицательной обратной связи. Из-за этой отрицательной обратной связи входное сопротивление становится равным:

Z_in = (1 + A_OL β) Z_i

Где Z_in — входное сопротивление без обратной связи.

OL — это коэффициент усиления без обратной связи .

β — коэффициент обратной связи (1 для повторителя напряжения)

Полное сопротивление источников сигнала, подключенных к входу операционного усилителя, должно быть намного меньше, чем входное сопротивление усилителя, чтобы избежать потери сигнала.

Выходное сопротивление (Zout)

Идеальный операционный усилитель имеет нулевое выходное сопротивление. Это означает, что выходное напряжение не зависит от выходного тока. Таким образом, идеальный операционный усилитель может действовать как идеальный внутренний источник напряжения с нулевым внутренним сопротивлением, так что максимальный ток может подаваться на нагрузку.

Практически на выходной импеданс операционного усилителя влияет отрицательная обратная связь и определяется выражением:

Zout = Zo / (1 + AOL β)

Где, Zo — выходное сопротивление операционного усилителя без обратной связи,

AOL — усиление без обратной связи,

β — коэффициент обратной связи.

Полное сопротивление нагрузки, подключенное к выходу операционного усилителя, должно быть намного больше, чем выходное сопротивление схемы, чтобы избежать значительных потерь на выходе из-за падения напряжения на Zout.

Коэффициент усиления без обратной связи (AVO)

Коэффициент усиления операционного усилителя без обратной связи определяется как коэффициент усиления операционного усилителя при отсутствии обратной связи с выхода на любой из его входов. Для идеального операционного усилителя теоретически усиление будет бесконечным, но практическое значение находится в диапазоне от 20 000 до 200 000.

Полоса пропускания

Идеальный операционный усилитель может усиливать сигнал любой частоты от постоянного до самых высоких частот переменного тока, поэтому он имеет бесконечную частотную характеристику. Следовательно, полоса пропускания идеального операционного усилителя должна быть бесконечной.

В практических схемах полоса пропускания операционного усилителя ограничена произведением коэффициента усиления на полосу пропускания.

CMRR (коэффициент подавления синфазного сигнала)

CMRR определяется как способность операционного усилителя подавлять синфазный входной сигнал. CMRR является важным показателем операционного усилителя. Идеальный операционный усилитель будет иметь бесконечный CMRR. В практических схемах CMRR определяется как:

CMRR = 20 log10 (AD/|AC|) дБ

Где AD — дифференциальное усиление, а AC — синфазное усиление операционного усилителя.

Напряжение смещения (В_iO)

Входное напряжение смещения определяет дифференциальное напряжение постоянного тока, необходимое между входными клеммами, чтобы сделать выход нулевым напряжением по отношению к земле. Идеальный операционный усилитель будет иметь нулевое напряжение смещения, тогда как практические операционные усилители показывают небольшое смещение.

Скорость нарастания

Скорость нарастания определяется как максимальное изменение выходного напряжения в единицу времени и выражается в вольтах в секунду.

Идеальный операционный усилитель будет иметь бесконечную скорость нарастания. В практических операционных усилителях скорость нарастания по своей природе ограничена небольшими внутренними управляющими токами операционного усилителя, а также внутренней емкостью, предназначенной для компенсации высокочастотных колебаний.

Частотная характеристика операционного усилителя

Коэффициент усиления без обратной связи AOL не является постоянным для всех частот. Реальные операционные усилители имеют коэффициент усиления без обратной связи, зависящей от частоты. Кривая частотной характеристики практического операционного усилителя показана ниже:

Из приведенной выше кривой видно, что произведение коэффициента усиления и частоты постоянно в любой точке кривой. Эта константа известна как произведение усиления на пропускную способность. Кроме того, коэффициент усиления усилителя в любой точке кривой определяется частотой единичного усиления (0 дБ).

Полоса пропускания операционного усилителя​

Полоса пропускания операционного усилителя определяется как диапазон частот, в котором коэффициент усиления усилителя по напряжению превышает -3 дБ (максимум 0 дБ) от его максимального выходного значения.

На приведенном выше рисунке -3дБ AV(max) показано как 37дБ. Линия 37 дБ пересекается с кривой на частотах чуть более 10 кГц. Эта частота может быть вычислена более точно, если известно произведение усилителя.

Можно отметить, что усиление без обратной связи уменьшается по мере увеличения частоты входного сигнала. Частота отображается в логарифмическом масштабе, а усиление уменьшается линейно по мере логарифмического увеличения частоты.

Известно, что скорость падения коэффициента усиления операционного усилителя составляет 20 дБ за декаду.

Применения операционных усилителей

Операционные усилители являются популярными строительными блоками в электронных схемах и находят применение в большинстве бытовых и промышленных электронных систем. Операционные усилители могут быть настроены для работы в качестве различных типов усилителей сигналов, таких как инвертирующие, неинвертирующие, дифференциальные, суммирующие и т.д., а также используются для выполнения математических операций, таких как сложение, вычитание, умножение, деление, а также дифференцирование и интегрирование.

Операционные усилители могут быть использованы в построении активных фильтров, обеспечивающих функции высоких частот, низких частот, полосовых и т.д. Высокий входной импеданс и коэффициент усиления операционного усилителя позволяют напрямую рассчитывать номиналы элементов, точно реализовывать любую требуемую топологию фильтра, практически не заботясь о влиянии нагрузки каскадов в фильтре или последующих каскадов.

Операционный усилитель можно, при необходимости, заставить работать как компаратор. Малейшая разница между входными напряжениями будет значительно усилена. Операционные усилители используются в конструкции генераторов, таких как генератор моста Вейна. Также используются в нелинейных схемах, таких как логарифмические и антилогарифмические усилители.

Операционные усилители находят применение в качестве источников напряжения, источников тока и потребителей тока, а также в качестве вольтметров постоянного и переменного тока. Операционные усилители также используются в схемах обработки сигналов, таких как прецизионные выпрямители, схемы фиксации и схемы выборки и хранения.

Итог

Операционный усилитель представляет собой дифференциальный усилитель постоянного тока с очень высоким коэффициентом усиления. Большинству операционных усилителей для работы требуется как положительный, так и отрицательный источник питания. Операционные усилители можно настроить с помощью одной или нескольких внешних обратных связей и смещений напряжения для получения желаемых откликов и характеристик.

Базовая конструкция операционного усилителя представляет собой устройство с тремя выводами, за исключением силовых соединений. Операционные усилители воспринимают разницу между сигналами напряжения, подаваемыми на их входные клеммы, и затем усиливают ее с некоторым заранее заданным коэффициентом усиления. Это усиление часто называют усилением «без обратной связи».

Замыкание разомкнутого контура путем подключения резистивного или реактивного компонента между выходом и одной входной клеммой операционного усилителя значительно уменьшает и контролирует этот коэффициент усиления разомкнутого контура.

Идеальный операционный усилитель имеет бесконечный коэффициент усиления без обратной связи, бесконечный входной импеданс, нулевой выходной импеданс, бесконечную полосу пропускания, бесконечную скорость нарастания и нулевое смещение. Практический операционный усилитель демонстрирует высокий коэффициент усиления без обратной связи, высокий входной импеданс и низкий выходной импеданс.

Из-за их универсального применения операционные усилители используются в сочетании с резисторами и конденсаторами для создания функциональных схем, таких как инвертирующие, неинвертирующие усилители, суммирующие, вычитающие, интегрирующие и дифференцирующие усилители.

С Уважением, МониторБанк