Блог

В этой статье мы поговорим о различных применениях операционных усилителей. Операционные усилители являются одними из основных аналоговых схем, которые имеют широкий спектр реализаций.

В этом посте мы познакомим вас с некоторыми важными, но наиболее часто используемыми приложениями операционных усилителей.

Компаратор операционных усилителей

Компаратор в электронике представляет собой схему, которая сравнивает два напряжения (или тока) и указывает, какое из них больше. Таким образом, входы компаратора должны быть разными по своей природе. Компараторы могут быть легко сконфигурированы с использованием операционных усилителей, так как операционные усилители имеют высокий коэффициент усиления и сбалансированные разностные входы.

Теоретически в качестве компаратора можно использовать операционный усилитель в разомкнутой конфигурации (без обратной связи). Когда входное напряжение на неинвертирующей клемме V₊  больше, чем напряжение на инвертирующей входной клемме V- _, выход операционного усилителя насыщается в своем положительном экстремуме. Когда неинвертирующее входное напряжение падает ниже инвертирующего входного напряжения, выход операционного усилителя переключается на отрицательный уровень насыщения. Схемы компараторов наиболее широко используются в аналого-цифровых преобразователях (АЦП) и генераторах.

Инвертирующий компаратор на операционном усилителе

В инвертирующем компараторе входное напряжение V_in подается на инвертирующий вход операционного усилителя, а неинвертирующий вход подключается к опорному напряжению через резисторы R₁ и R₂ . Пока входное напряжение V_in меньше опорного напряжения V_ref , выход операционного усилителя остается положительно насыщенным. Когда V_in становится выше опорного напряжения, выход операционного усилителя переключается на отрицательный уровень насыщения и остается отрицательно насыщенным до тех пор, пока V_in меньше V_ref . Схема компаратора на ОУ показана ниже:

Выбирая номиналы резисторов R₁ и R₂ , можно регулировать опорное напряжение V_ref  и использовать компаратор для сравнения входного напряжения с соответствующим опорным напряжением.

V_out = +V_sat; if V_in < V_ref

= -V_sat; if V_in > V_ref

Входные и выходные сигналы инвертирующего компаратора на операционном усилителе показаны ниже:

Неинвертирующий компаратор на операционном усилителе

В случае неинвертирующего компаратора на операционном усилителе входное напряжение V_in подается на неинвертирующий вход, а опорное напряжение V_ref  подключается к инвертирующему входу. Когда входное напряжение V_in больше, чем опорное напряжение V_ref , выход операционного усилителя насыщается положительно. На практике разница (V_in -V_ref ) будет положительной величиной. Поскольку обратная связь на вход операционного усилителя отсутствует, коэффициент усиления операционного усилителя без обратной связи будет равен бесконечности. Следовательно, выход будет колебаться до максимально возможного значения, +Vsat. Когда входное напряжение падает ниже опорного напряжения, выход переключается на отрицательное напряжение насыщения.

V_out = +V_sat ;  if V_in > V_ref

= -V_sat ;  if V_in < V_ref

Логарифмический усилитель на операционном усилителе

Операционный усилитель можно настроить для работы в качестве логарифмического усилителя. Логарифмический усилитель представляет собой нелинейную конфигурацию схемы, где выходной сигнал в K раз превышает логарифмическое значение приложенного входного напряжения. Логарифмические усилители находят применение в таких вычислениях, как умножение и деление сигналов, вычисление степеней и корней, а также в управлении технологическими процессами в промышленных масштабах. Логарифмический усилитель может быть построен с использованием биполярного переходного транзистора в обратной связи с операционным усилителем, поскольку ток коллектора биполярного транзистора логарифмически связан с его напряжением база-эмиттер.

Схема основного логарифмического усилителя на операционном усилителе показана выше. Необходимым условием работы логарифмического усилителя является то, что входное напряжение всегда должно быть положительным: V_out = – V_be .

Поскольку клемма коллектора транзистора удерживается на виртуальной земле, а клемма базы также заземлена, соотношение напряжение-ток становится отношением диода и определяется выражением:

I_E = I_S.[e^q(Vbe)/kT – 1]

Где,

I_S — ток насыщения,

k — постоянная Больцмана

T — абсолютная температура (в K)

Поскольку I_E = I_C для транзистора с заземленной базой, то получается:

I_C = I_S. [e^q(Vbe)/kT – 1]

(I_C/I_S) = [e^q(Vbe)/kT – 1]

(I_C/I_S) + 1 = [e^q(Vbe)/kT]

(I_C+I_S)/I_S = e^q(Vbe)/kT

e^q(Vbe)/kT = (I_C/I_S) т.к. I_C >> I_S

Взяв натуральный логарифм в обеих частях приведенного выше уравнения, мы получим:

V_be = (kT/q) ln[I_C/I_S]

Ток коллектора I_C = V_in/R₁ and V_out = -V_be

Следовательно,

V_out = -(kT/q) ln[V_in/R₁.I_S]

Таким образом, выход схемы пропорционален логарифму входного напряжения. Однако выходной сигнал зависит от тока насыщения, который варьируется от транзистора к транзистору, а также от температуры. Могут быть добавлены схемы компенсации, чтобы стабилизировать выходной сигнал против этих изменений.

Антилогарифмический усилитель или экспоненциальный усилитель

Антилогарифмический или экспоненциальный усилитель представляет собой конфигурацию схемы операционного усилителя, выходной сигнал которой пропорционален экспоненциальному значению или антилогарифмическому значению входа. Антилогарифмический усилитель делает полную противоположность логарифмическому усилителю. Антилогарифмические усилители вместе с логарифмическими усилителями используются для выполнения аналоговых вычислений над входными сигналами. Схема антилогарифмического усилителя на ОУ показана ниже:

Поменяв местами транзистор и резистор, можно заставить логарифмический усилитель работать как антилогарифмический усилитель. Напряжение база-коллектор транзистора поддерживается на уровне потенциала земли в соответствии с концепцией виртуальной земли. Ток I_E для транзистора определяется выражением:

I_E = I_S.[e^q(Vbe)/kT – 1]

Для транзистора с заземленной базой I_E = I_C , определяется:

I_C = I_S.[e^q(Vbe)/kT – 1]

Где I_S — ток насыщения транзистора,

V_out = I_C.R₁

V_out = I_S.[e^q(Vbe)/kT – 1].R₁

Кроме того, для приведенной выше схемы V_in = -V_be , определяется:

V_out = R₁.I_S.[e^q(-V_in)/kT – 1]

Усилители с антилогарифмическим эффектом также имеют нестабильный выходной сигнал из-за различий в I_S для разных транзисторов и зависимости от температуры. Можно добавить компенсационные цепи для стабилизации выходного сигнала от таких изменений.

Преобразователь тока в напряжение

Преобразователь тока в напряжение на операционном усилителе, также известный как трансимпедансный усилитель, представляет собой схему, которая преобразует изменение входного тока в соответствующее выходное напряжение. Схема преобразователя тока в напряжение чаще всего используется для усиления выходного тока фотодиодов, фотодетекторов, акселерометров и других сенсорных устройств до заметного и пригодного для использования уровня напряжения.

Простая схема преобразователя тока в напряжение будет иметь резистор обратной связи с большим значением сопротивления. Коэффициент усиления усилителя зависит от этого резистора. В зависимости от применения преобразователь тока в напряжение может быть выполнен по-разному. Все конфигурации преобразуют выходной ток низкого уровня сенсорного устройства в значительный уровень напряжения. Усиление и полоса пропускания схемы меняются с датчиками разных типов.

Схема базового преобразователя тока в напряжение показана выше. Сенсорное устройство, в данном случае фотодиод, подключено к инвертирующему входу, а неинвертирующий вход заземлен. Это обеспечивает нагрузку с низким импедансом для фотодиода, что поддерживает низкое напряжение на фотодиоде. Высокий коэффициент усиления операционного усилителя удерживает ток фотодиода Ip равным току обратной связи через резистор Rf . Входное напряжение смещения из-за фотодиода очень мало, так как фотодиод не имеет внешнего смещения. Это обеспечивает большой выходной коэффициент усиления без какого-либо выходного напряжения смещения.

Выходное напряжение вышеуказанной схемы может быть задано как:

V_out = – I_P.R_f

Приведенное выше уравнение подходит только для преобразователя тока в напряжение постоянного тока и низкочастотного усиления. Если коэффициент усиления велик, любое входное напряжение смещения на неинвертирующем входе операционного усилителя приведет к выходному напряжению смещения. Чтобы свести к минимуму эти эффекты, преобразователи тока в напряжение обычно проектируются с полевыми транзисторами на входе операционного усилителя, которые имеют очень низкие входные напряжения смещения.

Инвертор операционного усилителя

Инвертирующий усилитель на операционном усилителе или инвертор инвертирует входной сигнал, а также усиливает его. Положительный сигнал на входе инвертирующего усилителя приведет к отрицательному сигналу на выходе и наоборот. Синусоидальный сигнал переменного тока на входе вызовет синусоидальный сигнал с отклонением по фазе на 180° на выходе.

Выше показана схема типичного инвертирующего усилителя на операционном усилителе. В схеме используется отрицательная обратная связь через резистор Rf . Входной сигнал подается на инвертирующую входную клемму, а неинвертирующая входная клемма заземляется.

Поскольку входной ток ОУ в идеале равен нулю, ток I, обусловленный входным напряжением, протекает через резисторы R1 и Rf . Входное и выходное напряжения можно рассчитать как:

V_in = I.R₁

V_out = -I.R_f

Следовательно, коэффициент усиления схемы с обратной связью A_CL равен:

A_CL = V_out/V_in = – (I.R_f/I.R₁) = -R_f/R₁

Входное напряжение V_in таким образом усиливается на -R_f /R₁  раз на выходе. Можно отметить, что если сопротивления обоих резисторов, R₁ и R_f , равны, то выходное напряжение равно:

V_out = – V_in

Такая схема называется инвертирующим буфером или просто инвертором.

Неинвертирующий усилитель на операционном усилителе

Неинвертирующий усилитель представляет собой схему операционного усилителя, которая выдает усиленный выходной сигнал, синфазный с приложенным входным сигналом. В неинвертирующем усилителе используется соединение с отрицательной обратной связью, но вместо того, чтобы подавать весь выходной сигнал на вход, только часть напряжения выходного сигнала возвращается в качестве входа на инвертирующий вход операционного усилителя.

Выше показан типичный неинвертирующий усилитель. Входной сигнал подается на неинвертирующую входную клемму, а выходной сигнал подается на инвертирующую входную клемму через сеть резистивного делителя потенциала.

Когда положительный входной сигнал подается на неинвертирующую входную клемму, выходное напряжение смещается, чтобы поддерживать инвертирующую входную клемму равной приложенному входному напряжению. Следовательно, на резисторе R2 будет развиваться напряжение обратной связи:

V_R2 = V_IN = I₂R₂

Где I₂ — ток, протекающий на соединении резисторов R₁ и R₂

V_OUT = I₂ (R₁ + R₂)

Из приведенных выше уравнений V_IN и V_OUT коэффициент усиления по напряжению с обратной связью неинвертирующего усилителя можно рассчитать как:

A_CL = V_OUT/V_IN

= I₂ (R₁ + R₂) / I₂R₂

= (R₁ + R₂) / R₂

A_CL = 1 + (R₁/R₂)

Приведенное выше уравнение усиления является положительным, что указывает на то, что выходной сигнал будет синфазным с приложенным входным сигналом. Коэффициент усиления по напряжению замкнутого контура неинвертирующего усилителя определяется соотношением резисторов R₁ и R₂ , используемых в цепи.

Практические неинвертирующие усилители будут иметь резистор, включенный последовательно с источником входного напряжения, чтобы поддерживать входной ток равным на обоих входных клеммах.

Итог

В этой статье представлен обзор широкого спектра применений операционного усилителя. Операционный усилитель можно использовать для выполнения различных математических операций, таких как сложение, вычитание, умножение, а также вычислительных операций, таких как дифференцирование и интегрирование.

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

С Уважением, МониторБанк