Операционные усилители в линейных схемах. Операционный усилитель для чайников

Практическое применение операционных усилителей.Часть первая.

Часть первая.

Всем привет.
В этой статье мы обсудим некоторые аспекты практического применения операционных усилителей в повседневной жизни радиолюбителя.
Не растекаясь мыслею по древу и не вдаваясь в дремучие теоретические основы работы вышеозначенного усилителя, давайте все же обозначим некоторые основные термины и понятия, с которыми нам предстоит столкнуться в дальнейшем.
Итак - операционный усилитель. Далее будем называть его ОУ, а то очень лень писать каждый раз полностью.
На принципиальных схемах, чаще всего, он обозначается следующим образом:

На рисунке обозначены три самых главных вывода ОУ - два входа и выход. Разумеется, есть еще выводы питания и иногда выводы частотной коррекции, хотя последнее встречается все реже - у большинства современных ОУ она встроенная. Два входа ОУ - Инвертирующий и Неинвертирующий названы так по присущим им свойствам. Если подать сигнал на Инвертирующий вход, то на выходе мы получим инвертированный сигнал, то бишь сдвинутый по фазе на 180 градусов - зеркальный; если же подать сигнал на Неинвертирующий вход, то на выходе мы получим фазово не измененный сигнал.

Так же как и основных выводов, основных свойств ОУ тоже три - можно назвать их ТриО (или ООО - кому как нравится): Очень высокое сопротивление входа, Очень высокий коэффициент усиления (10000 и более), Очень низкое сопротивление выхода. Еще один очень важный параметр ОУ называется скорость нарастания напряжения на выходе (slew rate на буржуинском). Обозначает он фактически быстродействие данного ОУ - как быстро он сможет изменить напряжение на выходе при изменение оного на входе.
Измеряется этот параметр в вольтах в секунду (В/сек).
Этот параметр важен прежде всего для товарищей, конструирующих УЗЧ, поскольку, если ОУ недостаточно быстрый, то он не будет успевать за входным напряжением на высоких частотах и возникнут изрядные нелинейные искажения. У большинства современных ОУ общего назначения скорость нарастания сигнала от 10В/мксек и выше. У быстродействующих ОУ этот параметр может достигать значения 1000В/мксек.
Оценить - подходит ли тот или иной ОУ для ваших целей по скорости нарастания сигнала можно по формуле:

где, fmax - частота синусоидального сигнала, Vmax - скорость нарастания сигнала, Uвых - максимальное выходное напряжение.
Ну да не будем больше тянуть кота за хвост - приступим к главной задаче этого опуса - куда, собственно, эти клевые штуки можно воткнуть и что из этого можно получить.

Первая схема включения ОУ - инвертирующий усилитель .

Наиболее популярная и часто встречающаяся схема усилителя на ОУ. Входной сигнал подается на инвертирующий вход, а неинвертирующий вход подключается к общему проводу.
Коэффициент усиления определяется соотношением резисторов R1 и R2 и считается по формуле:

Почему "минус"? Потому что, как мы помним, в инвертирующем усилителе фаза выходного сигнала "зеркальна" фазе входного.
Входное сопротивление определяется резистором R1. Ежели его сопротивление, например 100кОм, то и входное сопротивление усилителя будет 100кОм.

Следующая схема - инвертирующий усилитель с повышенным входным сопротивлением .
Предыдущая схема всем хороша, за исключением одного нюанса - соотношение входного сопротивления и коэффициента усиления может не подойти для реализации какого-либо специфического проекта. Ведь что получается - допустим, нам нужен усилитель с К=100. Тогда, исходя из того, что значения резисторов должны быть в разумных пределах берем R2=1Мом, а R1=10кОм. То есть, входное сопротивление усилителя будет равным 10 кОм, что в некоторых случаях недостаточно.
В этих самых случая можно применить следующую схему:

В данном случае, коэффициент усиления считается по следующей формуле:

То есть, при том же коэффициенте усиление сопротивление R1 можно увеличить, а значит и повысить входное сопротивление усилителя.

Коэффициент усиления определяется так:

В данном случае, как видите, никаких минусов нет - фаза сигнала на входе и на выходе совпадает.
Основное отличие от инвертирующего усилителя заключается в повышенном входном сопротивлении, которое может достигать 10Мом и выше.
Если при реализации данной схемы в практических конструкциях, необходимо предусмотреть развязку с предыдущими каскадами по постоянному току - установить разделительный конденсатор, то нужно между входом ОУ и общим проводом включить резистор сопротивлением около 100кОм, как показано на рисунке.

Неинвертирующий усилитель является базовой схемой с ОУ. Выглядит он до боли просто:

В этой схеме сигнал подается на НЕинвертирующий вход ОУ.

Итак, для того, чтобы понять принцип работы этой схемы, запомните самое важное правило, которое используется для анализа схем с ОУ: выходное напряжение ОУ стремится к тому, чтобы разность напряжения между его входами была равна нулю .

Принцип работы

Итак, давайте инвертирующий вход обозначим, буквой A:

Следуя главному правилу ОУ, получаем, что напряжение на инвертирующем входе равняется входному напряжению: U A =U вх. U A снимается с , который образован резисторами R1 и R2. Следовательно:

U A = U вых R1/(R1+R2)

Так как U A =U вх , получаем что U вх = U вых R1/(R1+R2) .

Коэффициент усиления по напряжению высчитывается как K U = U вых /U вх .

Подставляем сюда ранее полученные значения и получаем, что K U = 1+R2/R1 .

Проверка работы в Proteus

Это также можно легко проверить с помощью программы Proteus. Схема будет выглядеть вот так:

Давайте рассчитаем коэффициент усиления K U. K U = 1+R2/R1=1+90к/10к=10. Значит, наш усилитель должен ровно в 10 раз увеличивать входной сигнал. Давайте проверим, так ли это. Подаем на неинвертирующий вход синусоиду с частотой в 1кГц и смотрим, что имеем на выходе. Для этого нам потребуется виртуальный осциллограф:

Входной сигнал — это желтая осциллограмма, а выходной сигнал — это розовая осциллограмма:

Как вы видите, входной сигнал усилился ровно в 10 раз. Фаза выходного сигнала осталась такой же. Поэтому такой усилитель называют НЕинвертирующим .

Но, как говорится, есть одно «НО». На самом же деле в реальном ОУ имеются конструктивные недостатки. Так как Proteus старается эмулировать компоненты, приближенные к реальным, давайте рассмотрим амплитудно-частотную характеристику (АЧХ), а также фазо-частотную характеристику (ФЧХ) нашего операционника LM358.

АЧХ и ФЧХ неинвертирующего усилителя на LM358

На практике, для того, чтобы снять АЧХ, нам надо на вход нашего усилителя подать частоту от 0 Герц и до какого-то конечного значения, а на выходе в это время следить за изменением амплитуды сигнала. В Proteus все это делается с помощью функции Frequency Responce:

По оси Y у нас коэффициент усиления, а по оси Х — частота. Как вы могли заметить, коэффициент усиления почти не изменялся до частоты 10 кГц, потом стал стремительно падать с ростом частоты. На частоте в 1МегаГерц коэффициент усиления был равен единице. Этот параметр в ОУ называется частотой единичного усиления и обозначается как f 1 . То есть по сути на этой частоте усилитель не усиливает сигнал. Что подали на вход, то и вышло на выходе.

В проектировании усилителей важен такой параметр, как граничная частота среза f гр . Для того, чтобы ее вычислить, нам надо знать коэффициент усиления на частоте K гр:

K гр = K Uo / √2 либо = K Uo х 0,707 , где K Uo — это коэффициент усиления на частоте в 0 Герц (постоянный ток).

Если смотреть на АЧХ, мы увидим, что на нулевой частоте (на постоянном токе) у нас коэффициент усиления равен 10. Вычисляем K гр .

K гр = 10 х 0,707 = 7,07

Теперь проводим горизонтальную линию на уровне 7,07 и смотрим пересечение с графиком. У меня получилось около 104 кГц. Строить усилитель с частотой среза, более, чем f гр не имеет смысла, так как в этом случае выходной сигнал усилителя будет сильно затухать.

Также очень просто определить граничную частоту, если построить график в . Граничная частота будет находиться на уровне K Uo -3dB . То есть в нашем случае на уровне в 17dB. Как вы видите, в этом случае мы также получили частоту среза в 104 кГц.

Ну ладно, с частотой среза вроде бы разобрались. Теперь нам важен такой параметр, как ФЧХ. В нашем случае мы вроде бы как получили НЕинвертирующий усилитель. То есть сдвиг фаз между входным и выходным сигналом должен быть равен нулю. Но как поведет себя усилитель на высоких частотах (ВЧ)?

Берем такой же диапазон частот от 0 и до 100 МГц и смотрим на ФЧХ:

Как вы видите, до частоты в 1 кГц неинвертирующий усилитель действительно работает как надо. То есть входной и выходной сигнал двигаются синфазно. Но после частоты в 1 кГц, мы видим, что фаза выходного сигнала начинает отставать. На частоте в 100 кГц она уже отстает примерно на 40 градусов.

Для наглядности АЧХ и ФЧХ можно разместить на одном графике:

Также в схемах с неинвертирующим усилителем часто вводят компенсирующий резистор R K .

Он определяется по формуле:

и служит для того, чтобы обеспечить равенство сопротивлений между каждым из входов и землей. Более подробно мы это разберем в следующей статье.

При участии Jeer

Усилители мощности. Линейные схемы на ОУ.

ОУ широко применяется в аналоговых устройствах электроники. Функции, реализуемые ОУ с ООС, удобно рассматривать, если представить ОУ в виде идеальной модели, у которой:

1. Входное сопротивление операционного усилителя равно бесконечности, токи входных электродов равны нулю (Rвх > ∞, i+ = i- = 0).
2. Выходное сопротивление операционного усилителя равно нулю, т.е. операционный усилитель со стороны входа является идеальным источником напряжения (Rвых = 0).
3. Коэффициент усиления по напряжению (коэффициент напряжения дифференциального сигнала) равен бесконечности, а дифференциальный сигнал в режиме усиления равен нулю (при этом не допускается закорачивания выводов операционного усилителя).
4. В режиме насыщения напряжение на выходе равно по модулю напряжению питания, а знак определяется полярностью входного напряжения. Полезно обратить внимание на тот факт, что в режиме насыщения дифференциальный сигнал нельзя всегда считать равным нулю.
5. Синфазный сигнал не действует на операционный усилитель.
6. Напряжение смещения нуля равно нулю.

Инвертирующий усилитель на ОУ

Схема инвертирующего усилителя, охваченного параллельной ООС по напряжению показана на рисунках:

ООС реализуется за счет соединения выхода усилителя со входом резистором R2.

На инвертирующем входе ОУ происходит суммирование токов. Поскольку входной ток ОУ i- = 0, то i1 = i2 . Так как i1 = Uвх /R1, а i2 = -Uвых /R2, то . Ku = = -R2/R1. Знак "-" говорит о том, что происходит инверсия знака входного напряжения.

На рисунке (б) в цепь неинвертирующего входа включен резистор R3 для уменьшения влияния входных токов ОУ, сопротивление которого определяется из выражения:

Входное сопротивление усилителя на низких частотах приблизительно равно Rвх.ос = ≈ R1

Выходное сопротивление Rвых.ос = существенно меньше Rвых собственно ОУ.

Неинвертирующий усилитель на ОУ

Схема неинвертирующего усилителя, охваченного последовательной ООС по напряжению, показана на рисунке:

ООС реализуется при помощи резисторов R1, R2.

Используя принятые ранее допущения для идеальной модели получим

Входное сопротивление: Rвх.ос → ∞

Выходное сопротивление: Rвых.ос = → 0

Недостатком усиления является наличие на входах синфазного сигнала, равного Uвх .

Повторитель напряжения на ОУ

Схема повторителя, полученная из схемы неивертирующего усилителя, при R1 → ∞, R2 → 0, показана на рисунке:

Коэффициент β = 1, Ku.ос = K/1+K ≈ 1, т.е. напряжение на входе и выходе ОУ равны: Uвх = Uвых .

Сумматор напряжений на ОУ (инвертирующий сумматор)

Схема инвертирующего усилителя с дополнительными входными цепями показана на рисунке:

Учитывая, что i+ = i- = 0, ioc = - Uвых /Rос = Uвх1 /R1 + Uвх2 /R2 + ... + Uвхn /Rn, получим: Uвых = -Rос (Uвх1 /R1 + Uвх2 /R2 + ... + Uвхn /Rn)

Если Rос = R1 = R2 = ... = Rn, то Uвых = - (Uвх1 + Uвх2 + ... + Uвхn ).

ОУ работает в линейном режиме.

Для уменьшения влияния входных токов ОУ в цепь неинвертирующего входа включают резистор Rэ (на рисунке показан пунктиром) с сопротивлением: Rэ = R1//R2//…//Rn//Roc .

Вычитающий усилитель на ОУ

Схема усилителя с дифференциальным входом показана на рисунке:

Усилитель является сочетанием инвертирующего и неинвертирующего усилителей. В рассматриваемом случае напряжение на выходе определяется из выражения:

Uвых = Uвх2 · R3/(R3+R4) · (1+R2/R1) - Uвх1 · R2/R1

При R1 = R2 = R3 = R4: Uвых = Uвх2 - Uвх1 – т.е. зависит от разности входных сигналов.

Интегрирующий усилитель на ОУ

Схема интегратора, в которой в цепи ООС установлен конденсатор, показана на рисунке:

Пусть на вход подается прямоугольный импульс Uвх . На интервале t1...t2 амплитуда Uвх равна U. Так как входной ток ОУ равен нулю, то |iвх | = |-ic |, iвх = Uвх /R1, ic = C · dUвых /dt.

Uвх /R1 = C · dUвых /dt или

где Uвых (0) – напряжение на выходе (конденсаторе С) к моменту начала интегрирования (к моменту t1).

τ = R1 · C – постоянная времени интегрирования, т.е. время, в течение которого Uвых изменится на величину ΔUвых = U.

Таким образом выходное напряжение на интервале t1...t2 изменяется по линейному закону и представляет интеграл от входного напряжения. Постоянная времени должна быть такой, чтобы до конца интегрирования Uвых < Eпит .

Дифференцирующий усилитель

Поменяв местами R1 и C1 в интеграле, получим схему дифференцирующего усилителя:

По аналогии с интегрирующим усилителем запишем:

Ic = C·dUвх /dt, IR2 = -Uвых /R

Т.к. |Ic | = |-IR2 |, то Uвых = - CR · dUвх /dt

τ = CR – постоянная дифференцирования.

Применение ОУ далеко не исчерпывается приведенными выше схемами.

Активные фильтры

В электронике широко применяются устройство для выделения полезного сигнала из ряда входных сигналов с одного одновремённым ослаблением мешающих сигналов за счёт использования фильтров.

Фильтры подразделяются не пассивные, выполненные на основе конденсаторов, индуктивностей и резисторов, и активные на базе транзисторов и операционных усилителей.

В информационной электронике обычно используются активные фильтры. Термин "активный" объясняется включением в схему RLC - фильтра активного элемента (с транзистора или ОУ) для компенсации потерь на пассивных элементах.

Фильтром называют устройство, которое пропускает сигналы в полосе пропускания и задерживает их в остальном диапазоне частот.

По виду АЧХ фильтры подразделяются на фильтры нижних частот (ФНЧ), и на фильтры верхних частот (ФВЧ), полосовые фильтры и режекторные фильтры.

Схема простейшего ФНЧ и его АЧХ приведены на рисунке:

В полосе пропускания 0 - fc полезный сигнал проходит через ФНЧ без искажений.

Fс – fз – переходная полоса,
fз - ∞ – полоса задерживания,
fс – частота среза,
fз – частота задерживания.

ФВЧ пропускает сигналы верхних частот и задерживает сигналы нижних частот.

Полосовой фильтр пропускает сигналы одной полосы частот, расположенной в некоторой внутренней части оси частот.

Схема фильтра получила название моста Вина. На частоте f0 =

Мост Вина имеет коэффициент передачи β = 1/3. При R1 = R2 = R и C1 = C2 = C

Режекторный фильтр не пропускает сигналы, лежащие в некоторой полосе частот, и пропускает сигналы с другими частотами.

Схема фильтра называется несимметричным двойным Т-образным мостом.

Где R1 = R2 = R3 = R, C1 = C2 = C3 = C.

В качестве примера рассмотрим двухполюсный (по числу конденсаторов) активный ФНЧ.

ОУ работает в линейном режиме. При расчёте задаются fс . Коэффициент усиления в полосе пропускания должен удовлетворять условию: К0 ≤ 3.

Если принять С1 = С2 = С, R1 = R2 = R, то C = 10/fc , где fс – в Гц, С – в мкФ,

Для получения более быстрого изменения коэффициента усиления на удаление от полосы пропускания последовательно включают подобные схемы.

Поменяв местами резисторы R1, R2 и конденсаторы С1, С2, получим ФВЧ.

Избирательные усилители

Избирательные усилители позволяют усиливать сигналы в ограниченном диапазоне частот, выделяя полезные сигналы и ослабляя все остальные. Это достигается применением специальных фильтров в цепи обратной связи усилителя. Схема избирательного усилителя с двойным Т-образным мостом в цепи отрицательной обратной связи показана на рисунке:

Коэффициент передачи фильтра (кривая 3) уменьшается от 0 до 1. АЧХ усилителя иллюстрируется кривой 1. На квазирезонансной частоте коэффициент передачи фильтра в цепи отрицательной обратной связи равен нулю, Uвых максимально. При частотах слева и справа от f0 коэффициент передачи фильтра стремится единице и Uвых = Uвх . Таким образом фильтр выделяет полосу пропускания Δf, а усилитель осуществляет операцию аналогового усиления.

Генераторы гармонических колебаний

В системах управления используются генераторы сигналов различного вида. Генератором гармонических колебаний называют устройство, создающее переменное синусоидальное напряжение.

Структурная схема такого генератора показана на рисунке:

Входной сигнал отсутствует. Uвых = К · Uос .

Для возникновения синусоидальных колебаний должно выполняться условие самовозбуждения только для одной частоты:
К · γ = 1 – баланс амплитуд,
φ + ψ = 2πn – баланс фаз,
где К – коэффициент усиления усилителя,
γ – коэффициент передачи звена положительной обратной связи,
φ – сдвиг по фазе для усилителя,
ψ – сдвиг по фазе для цепи обратной связи,
n = 0, 1, ...

Основной генераторов синусоидальных сигналов являются фильтры, например мост Вина. Генератор на основе ОУ, содержащий мост Вина, представлен на рисунке:

Генератор вырабатывает синусоидальный сигнал частотой .

На частоте f0 коэффициент передачи фильтра β = 1/3. Усилитель должен иметь коэффициент усиления К ≥ 3, который задаётся резисторами R1 и R2. Важной проблемой является стабилизация амплитуды Uвых , которая обеспечивается в ведением резистора R3 и стабилитронов VD1 и VD2. При малых Uвых напряжение на VD1 и VD2 меньше напряжения стабилизации и R3 не зашунтировано стабилитронами. При этом К > 3 и Uвых возрастает. При достижении напряжения на стабилитронах, равного напряжения стабилизации, тот или иной стабилитрон открывается и пара стабилитронов шунтирует сопротивление R3. Коэффициент усиления становится равным и напряжение Uвых начинает уменьшатся, коэффициент усиления снова становится больше 3 и Uвых снова будет уменьшатся, но уже и в противоположном направлении. Таким образом стабилитроны предотвращают насыщение.

При использовании данного генератора нагрузку желательно подключать через буферный каскад.

Было показано, что при использовании операционного усилителя в различных схемах включения, усиление каскада на одном операционном усилителе (ОУ), зависит только от глубины обратной связи. Поэтому в формулах для определения усиления конкретной схемы не используется коэффициент усиления самого, если так можно выразиться, «голого» ОУ. То есть как раз тот огромный коэффициент, который указывается в справочниках.

Тогда вполне уместно задать вопрос: «Если от этого огромного «справочного» коэффициента не зависит конечный результат (усиление), тогда в чем же разница между ОУ с усилением в несколько тысяч раз, и с таким же ОУ, но с усилением в несколько сотен тысяч и даже миллионов?».

Ответ достаточно простой. И в том и в другом случае результат будет одинаковый, усиление каскада будет определяться элементами ООС, но во втором случае (ОУ с большим усилением) схема работает более стабильно, более точно, быстродействие таких схем намного выше. Неспроста ОУ делятся на ОУ общего применения и высокоточные, прецизионные.

Как уже было сказано свое название «операционные» рассматриваемые усилители получили в то далекое время, когда в основном применялись для выполнения математических операций в аналоговых вычислительных машинах (АВМ). Это были операции сложения, вычитания, умножения, деления, возведения в квадрат и еще множества других функций.

Эти допотопные ОУ выполнялись на электронных лампах, позднее на дискретных транзисторах и прочих радиодеталях. Естественно, габариты даже транзисторных ОУ были достаточно велики, чтобы использовать их в любительских конструкциях.

И только после того, как благодаря достижениям интегральной электроники, ОУ стали размером с обычный маломощный транзистор, то использование этих деталей в бытовой аппаратуре и любительских схемах стало оправданным.

Кстати, современные ОУ, даже достаточно высокого качества, по цене ненамного выше двух - трех транзисторов. Это утверждение касается ОУ общего применения. Прецизионные усилители могут стоить несколько дороже.

По поводу схем на ОУ сразу стоит сделать замечание, что все они рассчитаны на питание от двухполярного источника питания. Такой режим является для ОУ наиболее «привычным», позволяющим усиливать не только сигналы переменного напряжения, например синусоиду, но также и сигналы постоянного тока или попросту напряжение.

И все-таки достаточно часто питание схем на ОУ производится от однополярного источника. Правда, в этом случае не удается усилить постоянное напряжение. Но часто случается, что в этом просто нет необходимости. О схемах с однополярным питанием будет рассказано далее, а пока продолжим о схемах включения ОУ с двухполярным питанием.

Напряжение питания большинства ОУ чаще всего находится в пределах ±15В. Но это вовсе не значит, что это напряжение нельзя сделать несколько ниже (выше не рекомендуется). Многие ОУ весьма стабильно работают начиная от ±3В, а некоторые модели даже ±1,5В. Такая возможность указывается в технической документации (DataSheet).

Повторитель напряжения

Является самым простым по схемотехнике устройством на ОУ, его схема показана на рисунке 1.

Рисунок 1. Схема повторителя напряжения на операционном усилителе

Нетрудно видеть, что для создания такой схемы не понадобилось ни одной детали, кроме собственно ОУ. Правда, на рисунке не показано подключение питания, но такое начертание схем встречается сплошь и рядом. Единственное, что хотелось бы заметить, - между выводами питания ОУ (например для ОУ КР140УД708 это выводы 7 и 4) и общим проводом следует подключить емкостью 0,01…0,5мкФ.

Их назначение в том, чтобы сделать работу ОУ более стабильной, избавиться от самовозбуждения схемы по цепям питания. Конденсаторы должны быть подключены по возможности ближе к выводам питания микросхемы. Иногда один конденсатор подключается из расчета на группу из нескольких микросхем. Такие же конденсаторы можно увидеть и на платах с цифровыми микросхемами, назначение их то же самое.

Коэффициент усиления повторителя равен единице, или, сказать по- другому, никакого усиления и нет. Тогда зачем нужна такая схема? Здесь вполне уместно вспомнить, что существует транзисторная схема - эмиттерный повторитель, основное назначение которого согласование каскадов с различными входными сопротивлениями. Подобные каскады (повторители) называют еще буферными.

Входное сопротивление повторителя на ОУ рассчитывается как произведение входного сопротивления ОУ на его же коэффициент усиления. Например, для упомянутого УД708 входное сопротивление составляет приблизительно 0,5МОм, коэффициент усиления как минимум 30 000, а может быть и более. Если эти числа перемножить, то входное сопротивление получается, 15ГОм, что сравнимо с сопротивлением не очень качественной изоляции, например бумаги. Такого высокого результата вряд ли удастся достигнуть с обычным эмиттерным повторителем.

Чтобы описания не вызывали сомнения, ниже будут приведены рисунки, показывающие работу всех описываемых схем в программе - симуляторе Multisim. Конечно все эти схемы можно собрать на макетных платах, но ничуть не худшие результаты можно получить и на экране монитора.

Собственно, тут даже несколько лучше: совсем не надо лезть куда-то на полку, чтобы поменять резистор или микросхему. Здесь все, даже измерительные приборы, находится в программе, и «достается» при помощи мышки или клавиатуры.

На рисунке 2 показана схема повторителя, выполненная в программе Multisim.

Рисунок 2.

Исследование схемы провести достаточно просто. На вход повторителя от функционального генератора подан синусоидальный сигнал частотой 1КГц и амплитудой 2В, как показано на рисунке 3.

Рисунок 3.

Сигнал на входе и выходе повторителя наблюдается осциллографом: входной сигнал отображается лучом синего цвета, выходной луч - красный.

Рисунок 4.

А почему, спросит внимательный читатель, выходной (красный) сигнал в два раза больше входного синего? Все очень просто: при одинаковой чувствительности каналов осциллографа обе синусоиды с одной амплитудой и фазой сливаются в одну, прячутся друг за друга.

Для того чтобы разглядеть из сразу обе, пришлось снизить чувствительность одного из каналов, в данном случае входного. В результате синяя синусоида стала на экране ровно вдвое меньше, и перестала прятаться за красную. Хотя для достижения подобного результата можно просто сместить лучи органами управления осциллографа, оставив чувствительность каналов одинаковой.

Обе синусоиды расположены симметрично относительно оси времени, что говорит о том, что постоянная составляющая сигнала равна нулю. А что будет, если к входному сигналу добавить небольшую постоянную составляющую? Виртуальный генератор позволяет сдвинуть синусоиду по оси Y. Попробуем сдвинуть ее вверх на 500мВ.

Рисунок 5.

Что из этого получилось показано на рисунке 6.

Рисунок 6.

Заметно, что входная и выходная синусоиды поднялись вверх на полвольта, при этом ничуть не изменившись. Это говорит о том, что повторитель в точности передал и постоянную составляющую сигнала. Но чаще всего от этой постоянной составляющей стараются избавиться, сделать ее равной нулю, что позволяет избежать применения таких элементов схемы, как межкаскадные разделительные конденсаторы.

Повторитель это, конечно, хорошо и даже красиво: не понадобилось ни одной дополнительной детали (хотя бывают схемы повторителей и с незначительными «добавками»), но ведь усиления никакого не получили. Какой же это тогда усилитель? Чтобы получился усилитель достаточно добавить всего несколько деталей, как это сделать будет рассказано дальше.

Инвертирующий усилитель

Для того, чтобы из ОУ получился инвертирующий усилитель достаточно добавить всего два резистора. Что из этого получилось, показано на рисунке 7.

Рисунок 7. Схема инвертирующего усилителя

Коэффициент усиления такого усилителя рассчитывается по формуле K=-(R2/R1). Знак «минус» говорит не о том, что усилитель получился плохой, а всего лишь, что выходной сигнал будет противоположен по фазе входному. Недаром усилитель и называется инвертирующим. Здесь было бы уместно вспомнить транзистор включенный по схеме с ОЭ. Там тоже выходной сигнал на коллекторе транзистора находится в противофазе с входным сигналом, поданным на базу.

Вот тут как раз и стоит вспомнить, сколько усилий придется приложить, чтобы на коллекторе транзистора получить чистую неискаженную синусоиду. Требуется соответствующим образом подобрать смещение на базе транзистора. Это, как правило, достаточно сложно, зависит от множества параметров.

При использовании ОУ достаточно просто подсчитать сопротивление резисторов согласно формулы и получить заданный коэффициент усиления. Получается, что настройка схемы на ОУ намного проще, чем настройка нескольких транзисторных каскадов. Поэтому не надо бояться, что схема не заработает, не получится.

Рисунок 8.

Здесь все так же, как и на предыдущих рисунках: синим цветом показан входной сигнал, красным он же после усилителя. Все соответствует формуле K=-(R2/R1). Выходной сигнал находится в противофазе с входным (что соответствует знаку «минус» в формуле), и амплитуда выходного сигнала ровно в два раза больше входного. Что также справедливо при соотношении (R2/R1)=(20/10)=2. Чтобы сделать коэффициент усиления, например, 10 достаточно увеличить сопротивление резистора R2 до 100КОм.

На самом деле схема инвертирующего усилителя может быть несколько сложнее, такой вариант показан на рисунке 9.

Рисунок 9.

Здесь появилась новая деталь - резистор R3 (скорее она просто пропала из предыдущей схемы). Его назначение в компенсации входных токов реального ОУ с тем, чтобы уменьшить температурную нестабильность постоянной составляющей на выходе. Величину этого резистора выбирают по формуле R3=R1*R2/(R1+R2).

Современные высокостабильные ОУ допускают подключение неинвертирующего входа на общий провод напрямую без резистора R3. Хотя присутствие этого элемента ничего плохого и не сделает, но при теперешних масштабах производства, когда на всем экономят, этот резистор предпочитают не ставить.

Формулы для расчета инвертирующего усилителя показаны на рисунке 10. Почему на рисунке? Да просто для наглядности, в строке текста они смотрелись бы не так привычно и понятно, были бы не столь заметны.

Рисунок 10.

Про коэффициент усиления было сказано ранее. Здесь заслуживают внимания разве что входные и выходные сопротивления неинвертирующего усилителя. С входным сопротивлением все, вроде, ясно: он получается равным сопротивлению резистора R1, а вот выходное сопротивление придется посчитать, по формуле, показанной на рисунке 11.

Буквой K” обозначен справочный коэффициент ОУ. Вот, пожалуйста, посчитайте чему будет равно выходное сопротивление. Получится достаточно маленькая цифра, даже для среднего ОУ типа УД7 при его K” равным не более 30 000. В данном случае это хорошо: ведь чем ниже выходное сопротивление каскада (это касается не только каскадов на ОУ), тем более мощную нагрузку, в разумных, конечно, пределах, к этому каскаду можно подключить.

Следует сделать отдельное замечание по поводу единицы в знаменателе формулы для расчета выходного сопротивления. Предположим, что соотношение R2/R1 будет, например, 100. Именно такое отношение получится в случае коэффициента усиления инвертирующего усилителя 100. Получается, что если эту единицу отбросить, то особо ничего не изменится. На самом деле это не совсем так.

Предположим, что сопротивление резистора R2 равно нулю, как в случае с повторителем. Тогда без единицы весь знаменатель превращается в нуль, и таким же нулевым будет выходное сопротивление. А если потом этот нуль окажется где-то в знаменателе формулы, как на него прикажете делить? Поэтому от этой вроде бы незначительной единицы избавиться просто невозможно.

В одной статье, даже достаточно большой, всего не написать. Поэтому придется все, что не уместилось рассказать в следующей статье. Там будет описание неинвертирующего усилителя, дифференциального усилителя, усилителя с однополярным питанием. Также будет приведено описание простых схем для проверки ОУ.

Что то часто мне стали задавать вопросы по аналоговой электронике. Никак сессия студентов за яцы взяла? ;) Ладно, давно пора двинуть небольшой ликбезик. В частности по работе операционных усилителей. Что это, с чем это едят и как это обсчитывать.

Что это
Операционный усилитель это усилок с двумя входами, невье… гхм… большим коэфициентом усиления сигнала и одним выходом. Т.е. у нас U вых = K*U вх а К в идеале равно бесконечности. На практике, конечно, там числа поскромней. Скажем 1000000. Но даже такие числа взрывают мозг при попытке их применить напрямую. Поэтому, как в детском саду, одна елочка, две, три, много елочек — у нас тут много усиления;) И баста.

А входа два. И один из них прямой, а другой инверсный.

Более того, входы высокоомные. Т.е. их входное сопротивление равно бесконечности в идеальном случае и ОЧЕНЬ много в реальном. Счет там идет на сотни МегаОм, а то и на гигаомы. Т.е. оно замеряет напряжение на входе, но на него влияет минимально. И можно считать, что ток в ОУ не течет.

Напряжение на выходе в таком случае обсчитывается как:

U out =(U 2 -U 1)*K

Очевидно, что если на прямом входе напряжение больше чем на инверсном, то на выходе плюс бесконечность. А в обратном случае будет минус бесконечность.

Разумеется в реальной схеме плюс и минус бесконечности не будет, а их замещать будет максимально высокое и максимально низкое напряжение питания усилителя. И у нас получится:

Компаратор
Устройство позволяющее сравнивать два аналоговых сигнала и выносить вердикт — какой из сигналов больше. Уже интересно. Применений ему можно придумать массу. Кстати, тот же компаратор встроен в большую часть микроконтроллеров и как им пользоваться я показывал на примере AVR в статьях и про создание . Также компаратор замечательно используется для создания .

Но одним компаратором дело не ограничивается, ведь если ввести обратную связь, то из ОУ можно сделать очень многое.

Обратная связь
Если мы сигнал возьмем со выхода и отправим прямиком на вход, то возникнет обратная связь.

Положительная обратная связь
Возьмем и загоним в прямой вход сигнал сразу с выхода.

• Напряжение U1 больше нуля — на выходе -15 вольт
• Напряжение U1 меньше нуля — на выходе +15 вольт

А что будет если напряжение будет равно нулю? По идее на выходе должен быть ноль. Но в реальности напряжение НИКОГДА не будет равно нулю. Ведь даже если на один электрон заряд правого перевесит заряд левого, то уже этого достаточно, чтобы на бесконечном усилении вкатить потенциал на выход. И на выходе начнется форменный ад — скачки сигнала то туда, то сюда со скоростью случайных возмущений, наводящихся на входы компаратора.

Для решения этой проблемы вводят гистерезис. Т.е. своего рода зазор между переключениями из одного состояния в другое. Для этого вводят положительную обратную связь, вот так:

Считаем, что на инверсном входе в этот момент +10 вольт. На выходе с ОУ минус 15 вольт. На прямом входе уже не ноль, а небольшая часть выходного напряжения с делителя. Примерно -1.4 вольта Теперь, пока напряжение на инверсном входе не снизится ниже -1.4 вольта выход ОУ не сменит своего напряжения. А как только напряжение станет ниже -1.4, то выход ОУ резко перебросится в +15 и на прямом входе будет уже смещение в +1.4 вольта.

И для того, чтобы сменить напряжение на выходе компаратора сигналу U1 надо будет увеличиться на целых 2.8 вольта, чтобы добраться до верхней планки в +1.4.

Возникает своеобразный зазор где нет чувствительности, между 1.4 и -1.4 вольтами. Ширина зазора регулируется соотношениями резисторов в R1 и R2. Пороговое напряжение высчитывается как Uout/(R1+R2) * R1 Скажем 1 к 100 даст уже +/-0.14 вольт.

Но все же ОУ чаще используют в режиме с отрицательной обратной связью.

Отрицательная обратная связь
Окей, воткнем по другому:

В случае отрицательной обратной связи у ОУ появляется интересное свойство. Он всегда будет пытаться так подогнать свое выходное напряжение, чтобы напряжения на входах были равны, в результате давая нулевую разность.
Пока я в великой книге от товарищей Хоровица и Хилла это не прочитал никак не мог вьехать в работу ОУ. А оказалось все просто.

Повторитель
И получился у нас повторитель. Т.е. на входе U 1 , на инверсном входе U out = U 1 . Ну и получается, что U out = U 1 .

Спрашивается нафига нам такое счастье? Можно же было напрямую кинуть провод и не нужен будет никакой ОУ!

Можно, но далеко не всегда. Представим себе такую ситуацию, есть датчик выполненный в виде резистивного делителя:

Нижнее сопротивление меняет свое значение, меняется расклад напряжений выхода с делителя. А нам надо снять с него показания вольтметром. Но у вольтметра есть свое внутреннее сопротивление, пусть большое, но оно будет менять показания с датчика. Более того, если мы не хотим вольтметр, а хотим чтобы лампочка меняла яркость? Лампочку то сюда никак не подключить уже! Поэтому выход буфферизируем операционным усилителем. Его то входное сопротивление огромно и влиять он будет минимально, а выход может обеспечить вполне ощутимый ток (десятки миллиампер, а то и сотни), чего вполне хватит для работы лампочки.
В общем, применений для повторителя найти можно. Особенно в прецезионных аналоговых схемах. Или там где схемотехника одного каскада может влиять на работу другого, чтобы разделить их.

Усилитель
А теперь сделаем финт ушами — возьмем нашу обратную связь и через делитель напряжения подсадим на землю:

Теперь на инверсный вход подается половина выходного напряжения. А усилителю то по прежнему надо уравнять напряжения на своих входах. Что ему придется сделать? Правильно — поднять напряжение на своем выходе вдвое выше прежнего, чтобы компенсировать возникший делитель.

Теперь будет U 1 на прямом. На инверсном U out /2 = U 1 или U out = 2*U 1 .

Поставим делитель с другим соотношением — ситуация изменится в том же ключе. Чтобы тебе не вертеть в уме формулу делителя напряжения я ее сразу и дам:

U out = U 1 *(1+R 1 /R 2)

Мнемонически запоминается что на что делится очень просто:

При этом получается, что входной сигнал идет по цепи резисторов R 2 , R 1 в U out . При этом прямой вход усилителя засажен на нуль. Вспоминаем повадки ОУ — он постарается любыми правдами и неправдами сделать так, чтобы на его инверсном входе образовалось напряжение равное прямому входу. Т.е. нуль. Единственный вариант это сделать — опустить выходное напряжение ниже нуля настолько, чтобы в точке 1 возник нуль.

Итак. Представим, что U out =0. Пока равно нулю. А напряжение на входе, например, 10 вольт относительно U out . Делитель из R 1 и R 2 поделит его пополам. Таким образом, в точке 1 пять вольт.

Пять вольт не равно нулю и ОУ опускает свой выход до тех пор, пока в точке 1 не будет нуля. Для этого на выходе должно стать (-10) вольт. При этом относительно входа разность будет 20 вольт, а делитель обеспечит нам ровно 0 в точке 1. Получили инвертор.

Но можно же и другие резисторы подобрать, чтобы наш делитель выдавал другие коэффициенты!
В общем, формула коэффициента усиления для такого усилка будет следующей:

U out = — U in * R 1 /R 2

Ну и мнемоническая картинка для быстрого запоминания ху из ху.

Допустим U 2 и U 1 будет по 10 вольт. Тогда на 2й точке будет 5 вольт. А выход должен будет стать таким, чтобы на 1й точке стало тоже 5 вольт. То есть нулем. Вот и получается, что 10 вольт минус 10 вольт равняется нуль. Все верно:)

Если U 1 станет 20 вольт, то выход должен будет опуститься до -10 вольт.
Сами посчитайте — разница между U 1 и U out станет 30 вольт. Ток через резистор R4 будет при этом (U 1 -U out)/(R 3 +R 4) = 30/20000 = 0.0015А, а падение напряжения на резисторе R 4 составит R 4 *I 4 = 10000*0.0015 = 15 вольт. Вычтем падение в 15 вольт из входных 20 и получим 5 вольт.

Таким образом, наш ОУ прорешал арифметическую задачку из 10 вычел 20, получив -10 вольт.

Более того, в задачке есть коэффициенты, определяемые резисторами. Просто у меня, для простоты, резисторы выбраны одинакового номинала и поэтому все коэффициенты равны единице. А на самом деле, если взять произвольные резисторы, то зависимость выхода от входа будет такой:

U out = U 2 *K 2 — U 1 *K 1

K 2 = ((R 3 +R 4) * R 6) / (R 6 +R 5)*R 4
K 1 = R 3 /R 4

Мнемотехника для запоминания формулы расчета коэффициентов такова:
Прям по схеме. Числитель у дроби вверху поэтому складываем верхние резисторы в цепи протекания тока и множим на нижний. Знаменатель внизу, поэтому складываем нижние резисторы и множим на верхний.

Тут все просто. Т.к. точка 1 у нас постоянно приводится к 0, то можно считать, что втекающие в нее токи всегда равны U/R, а входящие в узел номер 1 токи суммируются. Соотношение входного резистора и резистора в обратной связи определяет вес входящего тока.

Ветвей может быть сколько угодно, я же нарисовал всего две.

U out = -1(R 3 *U 1 /R 1 + R 3 *U 2 /R 2)

Резисторы на входе (R 1 , R 2) определяют величину тока, а значит общий вес входящего сигнала. Если сделать все резисторы равными, как у меня, то вес будет одинаковым, а коэффициент умножения каждого слагаемого будет равен 1. И U out = -1(U 1 +U 2)

Сумматор неинвертирующий
Тут все чуток посложней, но похоже.

Uout = U 1 *K 1 + U 2 *K 2

K 1 = R 5 /R 1
K 2 = R 5 /R 2

Причем резисторы в обратной связи должны быть такими, чтобы соблюдалось уравнение R 3 /R 4 = K 1 +K 2

В общем, на операционных усилителях можно творить любую математку, складывать, умножать, делить, считать производные и интегралы. Причем практически мгновенно. На ОУ делают аналоговые вычислительные машины. Одну такую я даже видел на пятом этаже ЮУрГУ — дура размером в пол комнаты. Несколько металлических шкафов. Программа набирается соединением разных блоков проводочками:)