Операционный усилитель для чайников

Основные схемы включения операционных усилителей

Характеристики операционного усилителя определяются схемой подключения внешних элементов. Здесь основную роль играет от­рицательная обратная связь, поскольку она позволяет точно задать коэффициент уси­ления за счет выбора значений внешних со­противлений. Работа различных схем будет пояснена на следующих примерах.

Инвертирующий операционный усилитель

Основная схема инвертирующего операцион­ного усилителя показана на рис. «Инвертирующий усилитель«.

A1D DDN

IR1=U1/R1, IR2=-U2/R2

где IR1=IR2 , отсюда следует:

UA=(-R2/R1)·U1

Таким образом, выходное напряжение UА прямо зависит от входного напряжения U1 и выбора сопротивлений R2 и R1.

Неинвертирующий операционный усилитель

Неинвертирующий усилитель можно рас­смотреть аналогично инвертирующему уси­лителю (см. рис. «Неинвертирующий усилитель» ).

DR1R212

UA= (R1/(R1+ R2))·UA

Отсюда следует, что :

U1= ((R1+ R2)/R)·U=(1+R2/R)·U1

Здесь выходное напряжение UA также прямо зависит от входного напряжения U1, и значе­ний сопротивлений R2 и R1 однако здесь ко­эффициент усиления UA/U1 имеет значение не менее единицы; UА и U1 синфазны.

1 2Преобразователь импеданса или развязывающий усилительА1

Преимущество этой схемы заключается в том, что источник входного напряжения U1 не нагружен внутренним сопротивлением RЕ, по­скольку входной ток IР приблизительно равен нулю. Это приводит к пренебрежимо малому падению напряжения на RЕ, а поскольку UD = 0, входное напряжение U1 передается на выход операционного усилителя как UА. Это является важным свойством этой схемы, в особенности для усиления сигналов датчиков, поскольку во многих случаях допустимый ток нагрузки датчика очень мал, т.е. любое увели­чение нагрузки датчика вызывает значительное снижение величины его полезного сигнала.

Вычитающий усилительА12

UА=R1/R2(U2-U1)

Измерительный усилитель

В измерительных системах с датчиками и из­мерительными мостами часто требуется уси­ление дифференциального напряжения без неприемлемо высокой нагрузки датчика или моста.

21А

Измерительный усилитель можно разделить на две части: предваритель­ный усилитель и вычитающий усилитель (см. рис. «Вычитающий усилитель» ) с дальнейшим усилением. На рис. «Схема подсистемы предварительного усиления измерительного усилителя» представлена схема контура предварительного усиления измерительного усилителя.

В соответствии с правилом отрицательной обратной связи разность напряжений на ин­вертирующем и неинвертирующем входах равна нулю. В каждом случае ток I может протекать через резисторы R и R’, поскольку входные токи IN1 и IN2 могут быть проигнори­рованы. Имеет место следующее:

I=(U1-U2)/R’ =(UA1-UA2)/(2R+R’),

таким образом

UA1-UA2 = (U1-U2)·(2R/R’+1)

Таким образом, усиленная разность двух напряжений U1 и U2 получается, как раз­ность напряжений UD на двух выходах двух операционных усилителей. Для вывода этого напряжения UD, как выходного напряжения относительно массы UА может быть последо­вательно подключен вычитающий усилитель (см. рис. «Вычитающий усилитель» ), где UA1 подается вместо U1 и UА2 подается вместо U2.

Основные характеристики

ОУ, как и другие радиодетали, имеют ТХ, которые можно разделить на типы:

  1. Усилительные.
  2. Входные.
  3. Выходные.
  4. Энергетические.
  5. Дрейфовые.
  6. Частотные.
  7. Быстродействие.

Коэффициент усиления является основной характеристикой ОУ. Он характеризуется отношением выходного сигнала ко входному. Его еще называют амплитудной, или передаточной ТХ, которая представлена в виде графиков зависимости. К входным относятся все величины для входа ОУ: Rвх, токи смещения (Iсм) и сдвига (Iвх), дрейф и максимальное входное дифференциальное U (Uдифмакс). Iсм служит для работы ОУ на входах. Iвх нужен для функционирования входного каскада ОУ. Iвх сдвига — разность Iсм для 2 входных полупроводников ОУ.

Во время построения схем нужно учитывать эти I при подключении резисторов. Если Iвх не учитывать, то это может привести к созданию дифференциального U, которое приведет к некорректной работе ОУ. Uдифмакс — U, которое подается между входами ОУ. Его величина характеризует исключение повреждения полупроводников каскада дифференциального исполнения.

Для надежной защиты между входами ОУ подключаются встречно-параллельно 2 диода и стабилитрона. Дифференциальное входное R характеризуется R между двумя входами, а синфазное входное R — величина между 2 входами ОУ, которые объединены, и массой (земля). К выходным параметрам ОУ относятся выходное R (Rвых), максимальное выходное U и I. Параметр Rвых должен быть меньшим по значению для обеспечения лучших характеристик усиления.

Для достижения маленького Rвых нужно применять эмиттерный повторитель. Iвых изменяется при помощи коллекторного I. Энергетические ТХ оцениваются максимальной мощностью, которую потребляет ОУ. Причина некорректной работы ОУ — разброс ТХ полупроводников дифференциального усилительного каскада, зависящего от температурных показателей (температурный дрейф). Частотные параметры ОУ являются основными. Они способствуют усилению гармонических и импульсных сигналов (быстродействие).

В ИМС ОУ общего и специального вида включается конденсатор, предотвращающий генерацию высокочастотных сигналов. На частотах с низким значением схемы обладают большим коэффициентом Kу без обратной связи (ОС). При ОС используется неинвертирующее включение. Кроме того, в некоторых случаях, например при изготовлении инвертирующего усилителя, ОС не используется. Кроме того, у ОУ есть динамические характеристики:

  1. Скорость нарастания Uвых (СН Uвых).
  2. Время установления Uвых (реакция ОУ при скачке U).

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 f =

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: К ≤ 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.

Экспоненциальный преобразователь

Схема экспоненциального преобразователь получается из логарифмического преобразователя путём перемены места диода и резистора в схеме. А работа такой схемы так же как и логарифмического преобразователя основана на логарифмической зависимости между падение напряжения на диоде и током протекающим через диод. Схема экспоненциального преобразователя показана ниже

Экспоненциальный преобразователь.

Работа схемы описывается известными выражениями

Таким образом, выходное напряжение составит

Также как и логарифмический преобразователь, простейший экспоненциальный преобразователь с диодом на входе применяют редко, вследствие вышеописанных причин, поэтому вместо диодов на входе используют биполярные транзисторы в диодном включении или с общей базой.

Схемы включения операционных усилителей, описанные выше, не являются исчерпывающими, а лишь только призваны дать основные понятия. Более подробно схемы включения операционных усилителей я рассмотрю в следующих статьях. Всем удачи.

Теория это хорошо, но без практического применения это просто слова.Здесь можно всё сделать своими руками.

Типовое включение операционника

Понятно, что усилитель с бесконечным усилением, или даже с усилением в 10 000 раз нам не нужен. Чтобы получить нужный нам коэффициент усиления, применяется отрицательная обратная связь. Часть напряжения с выхода усилителя подается на его инвертирующий вход. Таким образом, ограничивается коэффициент усиления, и снижаются искажения. ОУ действительно позволяет без проблем построить усилитель с заданным коэффициентом усиления.

[Коэффициент усиления] = ([Сопротивление резистора R1] + [Сопротивление резистора R2]) / [Сопротивление резистора R1] Приведенное соотношение точно выполняется при бесконечном коэффициенте усиления операционника и приблизительно — при высоких, но конечных его значениях.

Вспомним о том, что реальный операционный усилитель имеет конечное быстродействие. То есть он задерживает выходной сигнал по отношению к входному. В этом случае отрицательная обратная связь совсем не так хороша, как в идеальном. На рисунке приведен выходной сигнал приведенной схемы в случае идеального и реального ОУ, когда разность напряжений на входах отвесно возрастает с нуля до 1 вольта.

Более того, на определенной частоте сдвиг выходного сигнала относительно входного может достигнуть такой величины, что отрицательная обратная связь превратится в положительную, и начнется генерация на этой частоте. Применение цепей коррекции, снижающих усиление на высоких частотах, позволяет избежать генерации, но ухудшает усилитель. Используя такой подход, можно построить приличный усилитель, рассчитанный на усиление сигнала определенной формы и частоты, но не широкополосный усилитель.

Передаточная характеристика ОУ

Операционный усилитель хорошо характеризует его передаточная характеристика – зависимость вида Uвых = f(Uдиф), где f – некоторая функция.

Характеристика обычно не проходит через начало координат. У различных экземпляров операционных усилителей одного и того же типа эта характеристика может проходить как слева, так и справа от начала координат. Заранее предсказать точное положение этой характеристики невозможно. Значение напряжения Uдиф, при котором выполняется условие Uвых= 0, называют напряжением смещения (напряжением смещения нуля) и обозначают через Uсм. Например, у ОУ типа К140УД1 Uсм = ±10 мВ

Для того, чтобы при нулевом усиливаемом сигнале напряжение на выходе было равно нулю, т.е. для того передаточная характеристика через начало координат, предусматривают меры по компенсации напряжения смещения (балансировка, коррекция нуля, настройка нуля). Для этого могут быть предусмотрены выводы «NC», на которые нужно подавать напряжение, компенсирующие Uсм, что показано на рисунке:

Напряжение Uсм зависит от различных факторов и может изменяться следующим образом:

  • На единицы-десятки микровольт при изменении температуры на 1°С;
  • На единицы-десятки микровольт при изменении напряжения питания на 1В;
  • На доли-единицы микровольт при увеличении срока службы схемы на 1 месяц.

Диапазон выходного напряжения, соответствующий почти вертикальному участку передаточной характеристики, называется областью усиления. Соответствующий этому диапазону режим работы называют режим усиления (линейным, активным режимом).

В линейном режиме Uвых = k·Uдиф, где k – коэффициент усиления по напряжению (коэффициент усиления напряжения, коэффициент усиления дифференциального сигнала), k = 104…105.

В режиме насыщения Uвых.max = +Uпит– 3В, Uвых.min = -Uпит+ 3В.

В приближенных расчетах принимают: Uвых.max = +Uпит, Uвых.min = -Uпит.

Диапазон значений напряжений Uдиф настолько мал, что в режиме линейного усиления при практических расчетах принимают Uдиф = 0.

операционные усилители

Операционный усилитель (далее ОУ, усилитель) представляет собой аналоговый электронный микроприбор с дифференциальным входом, предназначенный для усиления и генерации электрических сигналов, реализации математических операций в аналоговой форме, создания электрических фильтров и пороговых устройств, т.е. для выполнения различных операций с электрическими сигналами.
Внутренне устройство операционного усилителя
Внутренне устройство операционного усилителя изображено на Рис 5. Входной блок представляет собой дифференциальный усилитель (ДУ), который может состоять из 3-4-х каскадов. Для создания большого внутреннего коэффициента усиления применяется блок усилителя напряжения (УН). В качестве выходного блока обычно используется усилитель мощности (УМ), выполненный по бестрансформаторной схеме.
Рис 5. Блок-схема операционного усилителя
ОУ имеет два входа и один выход. Один из входов ОУ называется инвертирующим, т.к. при подаче на него напряжения знак его на выходе становится противоположным. Другой вход называется неинвертирующим: при подаче на него напряжения знак его на выходе не меняется. Такое состояние ОУ возможно вследствие питания от двух источников напряжения с различными знаками. Вследствие этого выходной блок ОУ при определенных условиях имеет виртуальный нулевой потенциал, относительно которого знак потенциала (напряжения на выходе) может меняться в ту или другую сторону относительно общего вывода. Как и в любом усилительном устройстве ОУ может быть охвачен обратной связью (ОС)

Всего один биполярный транзистор

Самая простая схема для буферизации выходного тока операционного усилителя выглядит так:

Рисунок 1 – Схема для буферизации выходного тока операционного усилителя на биполярном транзисторе

А вот соответствующая схема LTspice:

Рисунок 2 – Схема для буферизации выходного тока операционного усилителя на биполярном транзисторе в LTspice

Давайте получим четкое понимание идеи этой схемы, прежде чем двигаться дальше. Входной сигнал подается на неинвертирующий вход операционного усилителя, а выход ОУ подключается непосредственно к базе биполярного транзистора. Операционный усилитель и биполярный транзистор могут использовать один и тот же положительный источник питания, но в этом случае мы предполагаем, что доступны два напряжения – источник питания 5 В для маломощных, малошумящих схем и 12 В для мощной части проекта. Значение резистора нагрузки очень низкое, поэтому выходные напряжения более 200 мВ, приложенные непосредственно к нагрузке, потребуют большего выходного тока, чем может обеспечить LT6203. Транзистор, выбранный в схеме LTspice, может работать с токами около 1000 мА, что означает, что он подходит для напряжений на нагрузке до 5 В.

Ключевым моментом этой схемы является соединение обратной связи. Помните «виртуальное короткое замыкание»: при анализе операционного усилителя в схеме с отрицательной обратной связью мы можем предположить, что напряжение на неинвертирующем входе равно напряжению на инвертирующем входе. Уже одно это говорит нам о том, что выходное напряжение (то есть напряжение на нагрузке) будет равно входному напряжению. Но давайте пойдем немного глубже, чтобы убедиться, что мы действительно понимаем, что происходит; виртуальное короткое замыкание – это своего рода суеверие, которое может отвлечь нас от реальной работы операционного усилителя. Операционный усилитель умножает дифференциальное входное напряжение на очень большой коэффициент усиления. Таким образом, с отрицательной обратной связью операционный усилитель быстро достигает равновесия, потому что большие изменения выходного напряжения уменьшают дифференциальное напряжение, которое вызывает эти самые выходные изменения. В этом состоянии равновесия выход стабилизируется при любом напряжении, что устраняет разницу между напряжениями на инвертирующем и неинвертирующем входах – иными словами, операционный усилитель автоматически регулирует свой выходной сигнал любым способом, необходимым для того, чтобы Vвх– было равно Vвх+.

В контексте этой схемы буферизации выходного сигнала операционный усилитель автоматически генерирует любое выходное напряжение, необходимое для того, чтобы сделать напряжение эмиттера биполярного транзистора равным входному напряжению. Подумайте, насколько сложно это было бы в ситуации разомкнутой петли – каким-то образом необходимо было бы рассчитать соотношение между входным и выходным сигналами усилителя, чтобы компенсировать падение напряжения база-эмиттер биполярного транзистора, которое не является ни линейным, ни предсказуемым. Но с операционным усилителем и некоторой отрицательной связью проблема становится тривиальной.

Давайте подкрепим это понимание идеи парой симуляций. Первая не очень захватывающая; она просто подтверждает, что выходное напряжение следует за входным напряжением (график входного напряжения Vin скрыт под графиком выходного напряжения Vout):

Рисунок 3 – График входного и выходного напряжений схемы

На следующем графике показано, что должно быть на выходном выводе операционного усилителя, чтобы обеспечить нужное напряжение на нагрузке.

Рисунок 4 – График входного напряжения схемы, выходного напряжения операционного усилителя и выходного напряжения схемы

Измерения параметров ОУ

При разработке микросхем, в симуляторе довольно легко проверить все параметры, которые вас интересуют. В современных САПР есть много различных типов анализа схем, которые позволяют сделать это быстро. При работе с реальной схемой сталкиваешься сразу же с кучей проблем. Последний год, работал над проектом – изолированный усилитель ошибки. Проект запущен в изготовление на фабрике, а пока необходимо разобраться – как же все это дело проверить в жизни. Для работы данной схемы в составе изолированного DC-DC преобразователя очень важны параметры входного ОУ:

Блок-схема изолированного усилителя

В РФ существует отдельный ГОСТ 23089, в котором описаны схемы измерений, но нигде не выведено как именно они работают и с какие проблемы могут встретиться в данном процессе. Рассмотрим подробно все схемы измерений, надеюсь кому-то это будет полезно при работе с аналоговым железом).

Как это работает? — Однополярное питание ОУ и отрицательное напряжение

Обратились недавно ко мне с вопросом. Есть схема с операционным усилителем. ОУ питается однополярным положительным напряжением. Но в схеме присутствует отрицательное напряжение, которое через резисторы подается на на вход ОУ. Вопрос: как и почему оно работает? Разве для работы с отрицательными напряжениями не надо ли питать операционник от двуполярного источника напряжения?

Давайте разбираться вместе.

Вот те самые схемы:

Рис. 1. Схема №1

Рис. 2. Схема №2

Судя по всему, схемы с РадиоКота, но сами статьи не нашел.

Первая — источник высокого отрицательного напряжения для питания ФЭУ, вторая — предварительный усилитель того самого ФЭУ.

Рассмотрим первую. Интересующий нас участок выглядит так:

Рис. 3. Упрощенная обвязка ОУ из рис. 1

Здесь ОУ работает как инвертирующий усилитель с коэффициентом усиления меньше единицы. На вход -HV подается высокое отрицательное напряжение. На выходе OUT получаем положительный потенциал, по величине пропорциональный входному напряжению.

Работает схема следующим образом. На вход -HV подается высокое отрицательное напряжение. Через резистор R2 оно поступает на отрицательный вход ОУ. Так как положительный вход операционника подключен к земле, ОУ через резистор обратной связи R1 будет компенсировать отрицательное напряжение положительным, тем самым сохранять на отрицательном входе нулевой потенциал. То есть, как только на отрицательном входе напряжение провалится ниже нуля, ОУ его снова вернет в ноль через резистор R1. Таким образом, на обоих входах операционного усилителя напряжение всегда будет находиться в окрестности нуля вольт.

Вопрос только вызывает то, что для срабатывания обратной связи операционник должен зафиксировать небольшой провал в отрицательную область, а как он это сделает, если он питается только положительным напряжением?

На это можно ответить коротко: Да ни как! Схема в данном виде является нерабочей, уж не знаю как оно заработало у автора, но у человека, который ее собирал, ни чего не получилось. Выйти из положения можно внеся небольшое изменение в конструкцию:

Рис. 4. Модернизированная схема №1

Положительный вход ОУ с помощью делителя R3-R4 мы немного «приподнимаем» над потенциалом земли. В этом случае операционник следит за провалом напряжения на отрицательным входе уже не ниже уровня земли, а ниже небольшого смещения, которое всегда больше нуля. В таком виде схема уже является жизнеспособной.

Данный прием как раз и реализован во второй схеме (рис. 2). Вот ее часть:

Рис. 5. Зарядочувствительный усилитель ФЭУ

Это так называемый зарядочувствительный усилитель, или инверсный интегратор тока. Вход Anode подключается к аноду ФЭУ, который является источником отрицательного тока (не напряжения!!!). При регистрации кванта света, на выходе OUT получаем импульс напряжения положительной полярности.

Вот и все. Как видите, даже если схема работает с отрицательными напряжениями, в некоторых случаях совсем не обязательно операционные усилители в ней питать двуполярным напряжением.

Инвертирующий усилитель на ОУ. Принцип работы

Инвертирующий усилитель является одним из самых простых и наиболее часто используемых аналоговых схем. С помощью всего двух резисторов, мы можем выставить необходимый нам коэффициент усиления. Ничего не мешает нам сделать коэффициент менее 1, тем самым ослабив входной сигнал.

Часто к схеме добавляют еще один резистор R3, сопротивление которого равно сумме R1 и R2.

Чтобы понять, как работает инвертирующий усилитель, смоделируем простую схему. У нас на входе напряжение 4В, сопротивление резисторов составляет R1=1к и R2=2к. Можно было бы, конечно, подставить все это в формулу и сразу вычислить результат, но давайте посмотрим, как именно работает эта схема.

Начнем с напоминания основных принципов работы операционного усилителя:

Обратите внимание, что неинвертирующий вход (+) соединен с массой, то есть на нем напряжение равное 0В. В соответствии с правилом №1 на инвертирующем входе (-) так же должно быть 0В

Итак, мы знаем напряжение, находящееся на выводах резистора R1 и его сопротивление 1к. Таким образом, с помощью закона Ома мы можем выполнить расчет, и рассчитать, какой ток течет через резистор R1:

Чтобы знать, куда дальше течет этот ток, мы должны знать еще принцип действия усилителя:

Таким образом, ток, протекающий через R1, течет далее через R2!

Снова воспользуемся законом Ома и вычислим, какое падение напряжения происходит на резисторе R2. Мы знаем его сопротивление и знаем какой ток через него, следовательно:

Получается, что на выходе мы имеем 8В? Не совсем так. Напомню, что это инвертирующий усилитель, т. е. если на вход мы подаем положительное напряжение, а на выходе снимаем отрицательное. Как же это происходит?

Это происходит вследствие того, что обратная связь установлена на инвертирующем входе (-), и для уравнивания напряжений на входе усилитель снижает потенциал на выходе. Соединения резисторов можно рассмотреть как простой делитель напряжения, поэтому чтобы потенциал в точке их соединения был равен нулю, на выходе должно быть минус 8 вольт: Uвых. = -(R2/R1)*Uвх.

Есть еще один подвох, связанный с 3 правилом:

То есть нужно проверить, что рассчитанные нами напряжения можно реально получить через усилитель. Часто начинающие думают, что усилитель работает как источник свободной энергии и вырабатывает напряжение из ничего. Но надо помнить, что для работы усилителя также нужно питание. Классические усилители работают от напряжения -15В и +15В. В такой ситуации наши -8В, которые мы рассчитали, являются реальным напряжением, так как находится в этом диапазоне.

Однако современные усилители часто работают с напряжением 5В и ниже. В такой ситуации нет никаких шансов, чтобы усилитель выдал нам минус 8В на выходе. Поэтому, при проектировании схем всегда помните, что теоретические расчеты всегда нужно подкреплять реальностью и физическими возможностями.

Необходимо отметить, что инвертирующий усилитель имеет один недостаток. Мы уже знаем, что повторитель напряжения не нагружает источник сигнала, поскольку входы усилителя имеют очень большое сопротивление, и потребляют ток так мало, что в большинстве случаев его можно игнорировать (правило №2).

Инвертирующий же усилитель имеет входное сопротивление равное сопротивлению резистора R1, на практике оно составляет от 1к…1М. Для сравнения, усилитель с входами на полевых транзисторах имеет сопротивление порядка сотен мегаом и даже гигаом! Поэтому иногда может быть целесообразно перед усилителем установить повторитель напряжения.

Читайте далее:

Принцип действия операционного усилителя

Генератор тока на операционном усилителе

Принцип работы усилителя звука

Биполярный транзистор принцип работы для чайников

Полевой транзистор принцип работы для чайников

Реверс фазы

Проблема в вышеописанных условиях при постоянном токе возникает, когда оба напряжения, VCO и VEO, находятся дальше от земли, чем VCM. Если VCM превышает напряжение питания, может возникнуть ещё одна проблема. Чтобы избежать проблем в этом случае обычно достаточно добавить резистор для ограничения тока в цепи насыщенного входа. Однако некоторые операционные усилители подвержены проблеме реверса фазы, когда напряжение на их входе приближается к напряжению на одной из шин питания. Когда это происходит, выходное напряжение операционного усилителя перескакивает к напряжению на противоположной шине питания и остаётся там до тех пор, пока входной каскад не восстановится после насыщения. В схеме со следящим питанием шины питания операционного усилителя гуляют вместе с его выходом, оставляя вход далеко за пределами напряжений шин питания. В результате эта ситуация может привести к выходу операционного усилителя из строя.

Если выбран операционный усилитель, который подвержен реверсу фазы, следует обязательно ограничить амплитуду входного сигнала, чтобы входное напряжение VCM никогда не превышало диапазон допустимого синфазного входного напряжения операционного усилителя. Эта ситуация выглядит идентично вышеупомянутой проблеме в условиях постоянного тока, но проблема с усилением по постоянному току возникает, когда VCM ближе к земле, чем любая шина питания. Реверс фазы является проблемой, когда VCM находится дальше от земли, чем любая шина питания.

Классы работы транзистора в усилителе

Примем, что на вход усилителя подается синусоидальный сигнал.

Различают классы А, АВ, В, С и D в зависимости от положения начальной рабочей точки (статического режима) и величины входного напряжения. Основными характеристиками этих режимов являются нелинейные искажения и КПД. Работа усилителя в соответствующем режиме поясняется с помощью придаточной характеристики на рисунке:

Uвых.А – действует в течение всего периода Uвх.А. Uвых.В – действует в течение половины периода Uвх.В. Uвых.С – действует в течение интервала, меньшего половины периода Uвх.С.

Класс А подразумевает работу на линейной части характеристики с малым сигналом Uвх и сравнительно большой постоянной составляющей Uвх.п. Нелинейные искажения минимальны. Однако КПД резко превышает 0,35. Применяются в высококачественных линейных усилителях.

Класс В характеризуется работой с большим сигналом Uвх. Захватывается нелинейный участок передаточной характеристики. Форма выходного напряжения искажается (полусинусоида). Однако КПД достигает 80%. Применяется в 2-х тактных усилителях мощности.

Класс С характеризуется тем, что входное напряжение больше, чем в классе В. Выходное напряжение действует в течение времени меньшего, чем половина периода. Режим сопровождается большими искажениями усиливаемого напряжения, но КПД приближается к единице. Применяется в избирательных усилителях и автогенераторах.

Класс АВ является промежуточным между А и В.

Класс D — ключевой (транзистор находится или в насыщении, или в отсечке).

Измерительный усилитель

Измерительный или инструментальный усилитель находит широкое применение в измерительных схемах и устройствах благодаря тому, что имеют коэффициент усиления, не зависящий от внешних факторов (частоты сигнала, амплитуды, сопротивления нагрузки и т.д.). Кроме того, измерительный усилитель обладает высоким входным сопротивлением (десятки и сотни МОм) и низким выходным сопротивлением (единицы и десятки Ом). Схема измерительного усилителя представлена ниже



Измерительный (инструментальный) усилитель на трёх ОУ.

Измерительный усилитель состоит из трёх операционных усилителей DA1, DA2, DA3 и резисторов обвязки R1, R2, R3, R4, R5, R6 и R7. Данный тип усилителя функционально состоит из двух узлов: буферного каскада на двух повторителях напряжения DA1, DA2 и дифференциального усилителя DA3. В данной схеме резисторы R4, R5, R6 и R7 выбирают одинакового сопротивления для того, чтобы коэффициент усиления выходного дифференциального усилителя был равен единице. Таким образом, при условии равенства сопротивлений резисторов R1 и R3 регулировка коэффициента усиления измерительного усилителя будет осуществляться с помощью резистора R2. В общем же случае коэффициент усиления данной схемы будет определяться следующим выражением


Довольно часто резистор R6 состоит из двух: постоянного и переменного резистора, что очень удобно для более точного согласования резисторов обвязки дифференциального усилителя DA3.

Использование ОУ

Использование ОУ как схемотехнического элемента гораздо проще и понятнее, чем оперирование отдельными элементами, его составляющими (транзисторами, резисторами и т. п.). При проектировании устройств на первом (приближенном) этапе операционные усилители можно считать идеальными. Далее для каждого ОУ определяются требования, которые накладывает на него схема, и подбирается ОУ, удовлетворяющий этим требованиям. Если получается, что требования к ОУ слишком жесткие, то можно частично перепроектировать схему для обхода данной проблемы.

Операционные усилители применяются в следующих устройствах:

  • предусилители и буферные усилители звукового и видеочастотного диапазона;
  • компараторы напряжения;
  • ;
  • дифференциаторы и интеграторы;
  • фильтры;
  • выпрямители повышенной точности;
  • стабилизаторы напряжения и тока;
  • аналоговые вычислители;
  • ;
  • ;
  • генераторы сигналов;
  • преобразователи ток-напряжение и напряжение-ток.