Инвертирующий усилитель принцип работы

Рис. 1.12

Основными схемами на ОУ являются инвертирующий и неинвертирующий усилители, режим работы которых осуществляется в пределах линейного участка передаточной характеристики. Также весьма важны схемы компенсации напряжения сдвига .

Неинвертирующий усилитель на ОУ

Неинвертирующий усилитель изображен на (рис. 1.11).

Рис. 1.11

Данная схема позволяет использовать в качестве неинвертирующего усилителя ОУ, схема обладает высоким полным входным сопротивлением, причем коэффициент усиления всей схемы по напряжению может быть жестко задан с помощью сопротивлений R 1 и R ос .

В данной схеме входной сигнал подается на неинвертирующий вход ОУ.

Усилитель содержит последовательную отрицательную обратную связь по напряжению, создаваемую на резисторе R ос и поданную на инвертирующий вход.

Полное входное сопротивление всей схемы оказывается высоким, так как единственным путем для тока между входом и землей является высокое полное входное сопротивление ОУ.

Сопротивления R 1 и R ос образуют делитель напряжения с очень малой нагрузкой, так как ток, необходимый для управления усилителем, очень мал ( I см >> 0 ).

Поэтому через R 1 и R ос течет одинаковый ток и напряжение, приложенное к инвертирующему входу, равно:

U вх.инв = U вых R 1 /R 1 +R ос

Так как IR 1 = IR ос , R вх , имеем

IR 1 = UR 1 /R 1 , IR ос = UR ос /R ос , U вх.инв = U вх + U q , поэтому IR 1 = (U вх + U q )/R 1 , IR x = (U вых — (U вх + U q )) / R ос

(U вх + U q ) / R 1 = (U вых — (U вх + U q )) / R ос

Так как U вых = KU q и U q = U вых / K, то если K , U q >>0, можно написать U вх / R 1 = (U вых — U вх ) / R ос

Найдем отсюда коэффициент усиления схемы U вых / U вх , который называют коэффициентом усиления с замкнутой ОС (Kос), или коэффициентом усиления замкнутого усилителя, т.е.

U вх R ос = R 1 U вых — R 1 U вх U вх (R ос + R 1 ) = R 1 U вых (R ос + R 1 ) / R 1 = U вых / U вх = К ос К ос = R ос / R 1 +1 , когда К>>К ос .

Сопротивления R 1 + R ос следует выбирать так, чтобы общий ток нагрузки с учетом этого сопротивления не превышал максимального выходного тока усиления.

Инвертирующий усилитель

Инвертирующий усилитель изображен на (рис. 1.12)

Рис. 1.12

Входной и выходной сигналы инвертирующего усилителя сдвинуты по фазе на 180°. Изменение знака выходного сигнала относительно входного создается введением по инвертирующему входу ОУ с помощью резистора R ос параллельной обратной связи по напряжению. Неинвертирующий вход связан с общей точкой входа и выхода схемы (заземляется). Входной сигнал подается через резистор R 1 на инвертирующий вход ОУ.

Благодаря высокому коэффициенту усиления усилителя без ОС для изменения выходного напряжения усилителя во всем рабочем диапазоне достаточно весьма малого значения Uз (обычно U вых.max и.п. ).

Если на схему подать положительное входное напряжение U вх , то U q станет положительным и выходной потенциал начнет снижаться. Выходное напряжение будет меняться в отрицательном направлении до тех пор, пока напряжение на инвертирующем входе в точке А не станет почти нулевым: U q = U вых / Kоу >> 0.

Таким образом, R 1 и R ос действует как делитель напряжения между U вых и U вх и U вых / U вх = R ос / R 1 .

Точка А называется потенциально заземленной, поскольку потенциал почти равен потенциалу Земли,так как U q >> 0.

Если принять R вх.оу и входной ток ОУ I оу = 0, то

IR 1 = (U вх — U q ) / R 1 и IR 1 = — (U вых — U q ) / R ос , следовательно (U вх — U q ) / R 1 = — (U вых — U q ) / R ос .

Полагая,что U q >> 0 и К , запишем

Uвх/R 1 = U вых /R ос , К ос = U вых /U вх = — R ос /R 1

Таким образом, коэффициент усиления инвертирующего каскада ОУ зависит только от параметров внешней цепи и не зависит от коэффициента усиления самого ОУ. Обычно R 1 выбирается так, чтобы не нагружать источник напряжения U вх , а R ос должно быть достаточно большим, чтобы чрезмерно не нагружать операционный усилитель.

Если выбрать R ос = R 1 , когда К uос = — 1, то схема (рис. 1.12) получит свойства инвертирующего повторителя напряжения(инвертор сигнала).

Поскольку U q 0, входное сопротивление схемы R вх = R 1 , выходное сопротивление усилителя:

R вых = ((R вых оу (1+R ос /R 1 )) / К u,оу

При К u,оу , R вых 0.

Внешняя компенсация сдвига.

Некоторые усилители имеют встроенные регулировочные элементы для устранения сдвига. В усилителях, которые не имеют внутренних средств для устранения нуля U сдв , приходится добавлять внешнюю резисторную цепь для компенсации напряжения сдвига.

В схеме на (рис. 1.13), хотя I см и невелик, но он все же существует и, если даже U сдв равно нулю, I см , протекая через параллельное соединение сопротивлений R 1 и R ос , вызовет появление на выходе напряжения U сдв.вых (I см ), равного I см (R 1 || R ос ).

Поскольку ток смещения неинвертирующего входа I см2 (рис. 1.14) приблизительно равен току смещения, протекающему через инвертирующий вход (I см1 ), то, подключив в цепь неинвертирующего входа сопротивление R к , равное R 1 || R ос , получим напряжение, возникающее на R к , приблизительно равное напряжению смещения по инвертирующему входу от I см1 (R 1 || R ос ).

Рис. 1.13

Рис. 1.14

Для компенсации U сдв , вызванного небалансом U бэ , следует установить делитель, с помощью которого можно было бы компенсировать даже U сдв . max , не изменяя коэффициент передачи цепи обратной связи.

Схема установки нуля напряжения сдвига (потенциометр R п ) показана на (рис. 1.15).

Рис. 1.15

Компенсация U сдв в неинвертирующем усилителе осуществляется аналогично, однако делитель напряжения устанавливается в цепи ОС, так что очень важно, чтобы R 4 было много больше R 3 (рис. 1.16).

Рис. 1.16

Заметим, что R 1 = R 3 + R 5 , и эта сумма используется в выражении для определения коэффициента усиления усилителя с ОС. Сопротивления R п и R 4 выбираются точно так же, как и для инвертирующего усилителя.

Схема инвертирующего повторителя напряжения

Инвертирующий усилитель — модифицированный инвертирующий повторитель напряжения, который может получить почти любой коэффициент усиления, пока коэффициент усиления находится в пределах конструктивных характеристик операционного усилителя.

Операционные усилители не играли бы важной роли в контрольно-измерительных устройствах, если бы они применялись только в качестве буферов. У операционных усилителей имеется много других областей применения. Простые инвертированные повторители напряжения могут быть видоизменены таким образом, чтобы коэффициент усиления в них составлял более единицы.

Коэффициент усиления инвертирующего повторителя напряжения изменяется с помощью величины резистора цепи обратной связи. Инвертирующий повторитель напряжения, имеет входной резистор (Rin) и резистор цепи обратной связи (Rfb).

Схема инвертирующего повторителя напряжения

Схема усилителя с переключаемым сопротивлением цепи обратной связи

Пример усилителя с переключаемым сопротивлением цепи обратной связи

Поскольку коэффициент усиления и выходное напряжение будут изменяться в зависимости от положения переключателя, коэффициент усиления и выходное напряжение должны вычисляться отдельно для каждого положения переключателя.

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 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:

Правило №1 — операционный усилитель оказывает воздействие своим выходом на вход через ООС (отрицательная обратная связь), в результате чего напряжения на обоих входах, как на инвертирующем (-), так и на неинвертирующем (+) выравнивается.

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:

Правило №2 — входы усилителя не потребляют ток

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:

Правило №3 — напряжения на входах и выходе должны быть в диапазоне между положительным и отрицательным напряжением питания ОУ.

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.

Как уже отмечалось, операционные усилители в настоящее время используются в самых различных электронных устройствах. Их широко применяют как в аналоговых, так и в импульсных устройствах электроники. В то же время существуют и часто используются типовые линейные схемы на основе операционных усилителей. Такие типовые схемы должен знать каждый инженер, использующий электронные устройства. Именно такие схемы рассматриваются ниже.

Как уже отмечалось, операционные усилители в настоящее время используются в самых различных электронных устройствах. Их широко применяют как в аналоговых, так и в импульсных устройствах электроники. В то же время существуют и часто используются типовые линейные схемы на основе операционных усилителей. Такие типовые схемы должен знать каждый инженер, использующий электронные устройства. Именно такие схемы рассматриваются ниже.

Примем следующие допущения:

● Входное сопротивление операционного усилителя равно бесконечности, токи входных электродов равны нулю (R_вх → ∞, i₊ = i₋).

● Выходное сопротивление операционного усилителя равно нулю, т. е. операционный усилитель со стороны выхода является идеальным источником напряжения (R_вых = 0).

● Коэффициент усиления по напряжению (коэффициент усиления дифференциального сигнала) равен бесконечности, а дифференциальный сигнал в режиме усиления равен нулю (при этом не допускается закорачивания выводов операционного усилителя).

● 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.

● Синфазный сигнал не действует на операционный усилитель.

● напряжение смещения нуля равно нулю.

Рассмотрим схему инвертирующего усилителя (рис. 2.25), из которой видно, что в ней действует параллельная обратная связь по напряжению.

Так как i₋ = 0, то в соответствии с первым законом Кирхгофа i₁ = i₂.

Предположим, что операционный усилитель работает в режиме усиления, тогда uдиф = 0. В соответствии с этим на основании второго закона Кирхгофа получим i₁ = uвх/ R₁i₂ = − uвых/ R₂

Таким образом, инвертирующий усилитель характеризуется коэффициентом усиления по напряжению, равным Кu= −R2/R1

Например, если R1= 1кОм,R2=10 кОм, тогда uвых= − 10 ·uвх

Для уменьшения влияния входных токов операционного усилителя на выходное напряжение в цепь неинвертирующего входа включают резистор с сопротивлением R₃ (рис. 2.26), которое определяется из выражения R3=R1//R2=R1·R2/ (R1+R2)

Входное сопротивление инвертирующего усилителя на низких частотах значительно ниже собственного входного сопротивления операционного усилителя. Это полностью соответствует сделанному раннее выводу о том, что параллельная отрицательная обратная связь, имеющая место в схеме, уменьшает входное сопротивление. Учитывая, что uдиф

0, легко заметить, что иходное сопротивление усилителя на низких частотах приблизительно равно R₁.

Выходное сопротивление инвертирующего усилителя на низких частотах R_вых.ос существенно меньше выходного сопротивления на низких частотах R_вых собственно операционного усилителя. Это является следствием действия отрицательной обратной связи по напряжению.

Можно показать, что R_вых.ос = R_вых / ( 1 + К ·R1/R2) где К — коэффициент усиления по напряжению операционного усилителя.

Схема операционного усилителя создаёт выход, который является выключенной фазой благодаря входу на 180º, называется инвертирующим усилителем. Это означает, что если заряд на входе положительный, то заряд на выходе будет отрицательным и наоборот. Рисунок 1 показывает инвертирующий усилитель, Где имеется операционный усилитель и 2 резистора.

Схема операционного усилителя создаёт выход, который является выключенной фазой благодаря входу на 180º, называется инвертирующим усилителем. Это означает, что если заряд на входе положительный, то заряд на выходе будет отрицательным и наоборот. Рисунок 1 показывает инвертирующий усилитель, Где имеется операционный усилитель и 2 резистора.

Тут сигнал, поступающий на входе, применяется к инвертирующему выводу операционного усилителя по средствам резистора Ri, в то время как его не инвертирующий вывод заземлён. Обратная связь необходима для того чтобы стабилизировать схему и контролировать вход. Это обеспечивается через обратную связь резистора Rf.

Рисунок 1 Инвертирующий усилитель, использующий операционный усилитель

Математически коэффициент усиления напряжения, создаваемый схемой, выглядит следующим образом:

Как бы там ни было, стоит отметить, что идеальные операционные усилители имеют бесконечное полное сопротивление на входе, благодаря чему электрический ток, проходящий через выводы входа равен нулю i.e.

I1 = I2 = 0. Таким образом, Ii = -If. Так как не инвертирующий вывод заземлён (V2 = 0), то V1 = 0 в силу того обстоятельства, что напряжения на инвертирующем и не инвертирующем выводах идеального операционного усилителя равны. Отсюда,

Подстановка V1 и If в уравнение с V0 даёт:

Это показывает, что коэффициент усиления напряжения инвертирующего усилителя определяется за счёт соотношения между резистором обратной связи и резистором на входе. Знак минус указывает на переворот фазы на 180º. Стоит отметить, что полное сопротивление инвертирующего усилителя на входе ни что иное как Ri.

Инвертирующие усилители демонстрируют отличные линейные характеристики, что делает их идеальными в качестве усилителей постоянного тока. Более того, они часто используются для преобразования тока, поступающего на входе, в напряжение на выходе в форме усилителей с выходным напряжением, пропорциональном входному току, или в форме усилителей напряжения, которые управляются током. Они также могут использоваться в аудио микшерах, когда используются в виде суммирующих усилителей.

Пишите комментарии, дополнения к статье, может я что-то пропустил. Загляните на карту сайта, буду рад если вы найдете на моем сайте еще что-нибудь полезное.

В принципе работает эта схема практически так же, как предыдущая. На неинвертирующем (+) входе потенциал земли, значит на инвертирующем тоже будет такой же потенциал. То есть:

Продолжаем изучать основы электроники на нашем сайте, и героем сегодняшней статьи будет еще одно замечательное устройство – а именно операционный усилитель. Сегодня разберемся, что это вообще такое, как он работает, ну и парочку основных схем по традиции разберем 🙂

Итак, по определению ОУ – это дифференциальный усилитель постоянного тока с очень большим коэффициентом усиления и несимметричным выходом. Теперь разберемся, что это значит…

ОУ имеет два входа и один выход. Один из этих входов называют неинвертирующим и обозначают на схемах плюсом, второй, соответственно, является инвертирующим. Так вот, напряжение на выходе ОУ определяется следующим образом:

K – это коэффициент усиления операционника, обычно он имеет значения порядка 100000 – 1000000. Из формулы видим, что в случае, когда сигналы на обоих входах ОУ равны, на выходе ноль. Если, например, потенциал инвертирующего входа (-) стал более положительным, чем потенциал неинвертирующего входа (+), то выходной сигнал изменится в отрицательном направлении. В этом и заключается работа операционного усилителя.

Помимо уже упомянутых входов и выхода ОУ имеет также выводы для подачи питания, и вот как выглядит его обозначение на принципиальных схемах:

Чаще всего в схемах на операционниках используется обратная связь, поскольку коэффициент усиления ОУ без обратной связи слишком уж велик 🙂 В замечательной книге Хоровица и Хилла приведены несколько, а точнее два правила, которые определяют как работает операционник в схемах с обратной связью.

Для того, чтобы разобраться в работе операционного усилителя, давайте рассмотрим пару-тройку схем. И начнем со схемы неинвертирующего усилителя (кстати на схемах порой опускают обозначение выводов для подачи питания на ОУ, мы, пожалуй, тоже так поступим 🙂 ):

Для начала определим, какое же значение напряжения мы получим на выходе, подав на вход U_ <вх>. Как следует из второго правила – операционник с обратной связью “добьется” того, чтобы потенциалы входов выровнялись, а это значит, что:

Но в то же время R_1 и R_2 образуют делитель напряжения и тогда:

Приравниваем эти два значения и получаем, что:

Получили такой вот коэффициент усиления для неинвертирующего усилителя на операционном усилителе с обратной связью.

Давайте рассмотрим конкретный пример, чтобы еще лучше понять работу данной схемы. Пусть будут такие номиналы: R_2 = 10medspace КОм , R_1 = 1medspace КОм . На вход подадим 1 В. В этом случае напряжение на выходе ОУ начнет расти, поскольку ( U_+medspace-medspace U_- > 0 ).

И расти оно будет до тех пор, пока потенциал на инвертирующем (-) выходе не станет равен 1 В (так как на неинвертирующем входе (+) у нас как раз-таки 1 В). Остается определить, при каком выходном значении напряжения, U_- будет равно 1 В. Входы ОУ ток не потребляют, значит ток протекает по цепи выход – R_2 – R_1 – земля:

Из этого равенства без проблем определим U_ <вых>, при значении U_- равном 1 В:

Подставив наши значения, получим U_ <вых>= 11medspace В . Это подтверждает верность выведенной нами ранее формулы U_ <вых>= U_<вх>medspace(1 + frac) 🙂

С неинвертирующим усилителем разобрались, давайте рассмотрим еще одну схему – инвертирующий усилитель.

В принципе работает эта схема практически так же, как предыдущая. На неинвертирующем (+) входе потенциал земли, значит на инвертирующем тоже будет такой же потенциал. То есть:

Не забываем, что ток входы ОУ не потребляют, а значит ток протекает по цепи выход – R_2 – R_1 – вход и равен он:

Отсюда нам остается только выразить U_ и определить коэффициент усиления цепи:

Сразу же становится понятно, почему усилитель называется инвертирующим 🙂 Сигналы на входе и на выходе разных знаков.

В завершение рассмотрим, пожалуй, еще одну небольшую схемку, а именно схему повторителя на операционном усилителе с обратной связью:

Если внимательно посмотреть на эту схему, то становится понятно, что это всего лишь неинвертирующий усилитель, у которого R_1 равно бесконечности, а R_2 равно нулю. Подставив эти значения в формулу для U_ получим:

Таким образом, напряжение на выходе повторяет сигнал на входе! Огромный плюс такого повторителя заключается в том, что его входной импеданс огромен, а выходной, напротив, мал.

Наверно, на этом сегодня закончим, а в следующей статье рассмотрим и проанализируем какие-нибудь схемки посложнее 🙂 До скорых встреч!

• Рассчитаем V_ref по формуле 1, например, используя максимальное входное и минимальное выходное напряжение:

Исходные данные для расчета представлены в таблице 71.

Таблица 71. Исходные данные для расчета инвертирующего усилителя

Вход		Выход		Питание
ViMin	ViMax	VoMin	VoMax	Vcc	Vee	Vref
-1 В	2 В	0,05 В	4,95 В	5 В	0 В	1,259 В

Описание схемы

Данная схема инвертирующего усилителя со входным смещением используется для преобразования входного сигнала -1…2 В в положительный сигнал 0,05…4,95 В (рисунок 81). Схема может применяться для масштабирования и смещения сигнала датчика с целью дальнейшей оцифровки при помощи АЦП.

Рис. 81. Схема инвертирующего усилителя со смещением неинвертирующего входа

Рекомендуем взять на заметку:

Порядок расчета

• Выходное напряжение определяется по формуле 1:

• Рассчитаем коэффициент усиления схемы по формуле 2:

• Выберем сопротивление резистора R2 = 6,81 кОм.
• Рассчитаем R1 по формуле 3:

$R_<1>=G_;:R_<2>=1.633frac<В><В>times 6.81:кОм=11.12:кОмapprox 11.1:(номинал).$

• Рассчитаем V_ref по формуле 1, например, используя максимальное входное и минимальное выходное напряжение:

Моделирование схемы

Передаточная характеристика схемы показана на рисунке 82.

Рис. 82. Передаточная характеристика схемы

Моделирование в режиме переменных токов (малосигнальный AC-анализ) показано на рисунке 83.

Рис. 83. Частотная характеристика схемы

Рекомендации

Параметры ОУ, используемого в расчете, приведены в таблице 72.

Таблица 72. Параметры ОУ, используемого в расчете

TLV9001
Vss	1,8…5,5 В
VinCM	Rail-to-rail
Vout	Rail-to-rail
Vos	0,4 мВ
Iq	60 мкА
Ib	5 пА
UGBW	1 МГц
SR	2 В/мкс
Число каналов	1, 2, 4

В качестве альтернативы может использоваться ОУ, параметры которого представлены в таблице 73.

Таблица 73. Параметры альтернативного ОУ

OPA376
Vss	2,2…5,5 В
VinCM	Rail-to-rail
Vout	Rail-to-rail
Vos	5 мкВ
Iq	760 мкА
Ib	0,2 пА
UGBW	5,5 МГц
SR	2 В/мкс
Число каналов	1, 2, 4

• инвертирующий
• не инвертирующий
• вычитание
• сложение
• дифференцирование
• интегрирование
• повторитель напряжения
• аналоговый компаратор

Операционный усилитель это один из главных составных частей нынешней электроники. Обладая прекрасными характеристиками и легкости расчетных функций, ОУ довольно просты в использовании. У операционных усилителей есть еще другое, параллельное название — дифференциальный усилитель, из-за того, что у него имеется возможность усиления разности входных напряжений.

В основном операционные усилители производятся в виде интегральных микросхем. В зависимости от назначения, могут размещаться по одному чипу в корпусе, а в некоторых случаях по два и более. Также производители выпускают ОУ различных модификаций, которые имеют существенные различия в технических характеристиках относительно друг друга.

По теоретическим расчетам ОУ обладает совершенными параметрами, в практическом же применении его характеристики только на пути к безупречным. Тем не менее в определенных моментах они достигаются. Применение понятия «совершенного» операционного усилителя способствует сделать расчеты более простыми.

Ламповый операционный усилитель K2-W

Такими безупречными характеристиками являются:

• бесконечно большое усиление при открытой петли обратной связи;
• бесконечно широкая полоса передаваемых частот;
• бесконечно большое входное сопротивление;
• импеданс равный нулю;
• выходное напряжение равно нулю при равенстве входных напряжений.

Из этого можно понять, что такие параметрические данные не могут быть гарантированы в полном объеме, хотя производители ежегодно улучшают характеристики операционников, тем самым делая их почти идеальными.

Существует некоторое количество ключевых схем, по которым работает ОУ:

• инвертирующий
• не инвертирующий
• вычитание
• сложение
• дифференцирование
• интегрирование
• повторитель напряжения
• аналоговый компаратор

Принцип действия инвертирующего усилителя

Данная аналоговая схема считается наиболее простой и часто используемая в электронике. Рабочие действия ОУ заключаются в усилении либо снижении сигнала на входе устройства, при этом он способен выполнять фазовую модуляцию. Функция усиливающая сигнал определяется буквенным обозначением k. Представленное графическое изображение демонстрирует определенное воздействие операционного усилителя в данной схеме:

Амплитуда отображенная синим цветом является сигналом во входном тракте устройства, а амплитуда красного цвета — выходная цепь. Как можно заметить на графике, идет двойное усиление сигнала, при этом амплитуда имеет перевернутый вид.

Принципиальная схема данного усилителя показана на снимке ниже:

Принцип действие данной схемы, как бы обосновывает популярность этого электронного прибора. Для того, чтобы определить коэффициент усиления сигнала на выходе нужно воспользоваться формулой приведенной ниже:

Включенный в схему постоянное сопротивление R3 выполняет функцию защиты микросхемы.

Принцип действия не инвертирующего усилителя

Схема не инвертирующего усилителя выполнена по аналогии инвертирующего усилителя, но с одним лишь отличием, в этом варианте не выполняется изменение полярности сигнала, то-есть фаза остается без изменений. Показанное ниже графическое изображение показывает прохождение выходного сигнала:

В данной схеме, при подаче во входную цепь синусоидального сигнала, усиленный выходной импульс, так же как и в предыдущей схеме составляет k=2, то есть двойной коэффициент усиления. График показывает, что при этом изменился только размах амплитуды.

На изображении ниже, показана схема ОУ работающего как не инвертирующий усилитель:

Показанная здесь схема, с включенными в нее парой резисторов, так же отличается своей простотой в исполнении. Сигнальный импульс по входу поступает на плюсовой вход микросхемы. Для расчета коэффициента усиления сигнала служит следующая формула:

Формула определяет: у усиливающего сигнала не должно быть условное значение, которое меньше «1», тем самым микросхема не даст возможности уменьшить сигнал.

Принцип работы операционного усилителя в схеме вычисления — дифференциальный усилитель

Следующим вариантом применения ОУ будет дифференциальный усилитель, и возможностью получения по входу разность двух сигнальных импульсов с последующим усилением. Представленный ниже график показывает работу микросхемы.

Очередная схема, способна выполнить следующую работу ОУ:

Данный вариант принципиальной схемы не такой простой как представленные выше, а немного посложнее. Для вычисления выходного напряжения, нужно воспользоваться формулой:

Одна часть формулы определяет усиление либо уменьшение, другая часть высчитывает разницу 2-х напряжений.

Операционный усилитель работающий по схеме сложения

Этот характер работы микросхемы кардинально отличается от варианта вычитания. В данном случае имеется значительное преимущество прибора, а именно: его способность обрабатывать одновременно несколько сигнальных импульсов. Такой принцип функционирования используют все звуковые микшеры.

Представленная схема показывает ее возможность сложения большого количества сигналов, она не очень сложная и разобраться с ней не составит никакого труда. Для вычисления данных применяется формула:

Начинающим. Операционные усилители

Примечание: Как и в большинстве правил, из этих правил для операционных усилителей есть некоторые исключения. На протяжении всей этой статьи мы будем игнорировать эти исключения – они будут мешать анализу нашего повторителя напряжения.

Изменение коэффициента усиления – инвертирующий усилитель

Рисунок 2 – Инвертирующий усилитель

Поначалу это выглядит так, что для решения могут потребоваться некоторые усилия, так как это уравнение содержит три неизвестных. Но так ли это? Если вы вспомните правила для операционных усилителей, изложенные ранее, вы увидите, что это уравнение простое: входы операционного усилителя не потребляют ток! Поэтому мы знаем, что i_V- равен нулю. Затем мы можем привести это уравнение к следующему виду:

Поскольку V- привязан к земле виртуальным коротким замыканием, закон Ома позволяет нам заменить эти токи на напряжения и сопротивления:

Что при небольшой помощи алгебры возвращает нас туда, где мы начали:

Понятно, почему эта схема полезна – она позволяет применять линейный коэффициент усиления к входу и выходу, выбирая (Roc/Rвх), чтобы сформировать любое соотношение, которое вы захотите. У схемы также есть дополнительный бонус, позволяющий вам в значительной мере контролировать ее входной импеданс – так как вы можете выбрать значение резистора Rвх, вы можете сделать его таким большим или маленьким, чтобы соответствовать любому выходному импедансу, с которым вам нужно достичь согласованности!

Т.к. ОУ — идеальный (Rвх — очень большое): i1 = — i2, отсюда

Принципиальная схема, показанная на рисунке является наиболее распространенной схемой включения ОУ. (справа — схема в американском стандарте обозначений)

полупроводник инвертирующий усилитель

Резистор R2 в цепи обратной связи служит для передачи части выходного сигнала обратно на вход. При подаче входного напряжения (U1) через резистор R1 протекает входной ток i1. Напомним, что входное напряжение ОУ (DU) имеет дифференциальный характер, т.е. фактически это разность напряжений на неинвертирующем и инвертирующем входах усилителя. Неинвертирующий вход чаще всего заземляют. Чтобы получить передаточную характеристику, учтем тот факт, что потенциал U1практически равен нулевому потенциалу.

Входная цепь: i1 =U1/R1, выходная цепь: i2 = — U2 / R2

Т.к. ОУ — идеальный (Rвх — очень большое): i1 = — i2, отсюда

Коэффициент усиления k ус = — U2/U1= — R2/R1

Тогда выходное напряжение будет равно U2 = — (R2 / R1) U1

Отношение номинальных значений резисторов R2/ R1 называется коэффициентом передачи усилителя, охваченного обратной связью, а знак минус означает, что выходной сигнал инвертирован. Следует обратить внимание, что коэффициент усилителя, охваченного обратной связью, можно установить посредством выбора сопротивлений двух резисторов, R1 и R2.

Схема усилителя представлена на рис. 3.2.3.

Схема усилителя представлена на рис. 3.2.3.

Рис. 3.2.3. Схема инвертирующего усилителя с ОУ

В схеме ?/_вх создается источником постоянного напряжения. ОУ принят идеальным.

В линейном режиме t/_{BX 1ШВ} = = О, /_вх + /*₂ = 0. При этом /_вх =

= UJR_V I_R = U_rJR_<, U_Ri = и_аы. Поэтому U_m„ = -R,UJR_V Отсюда следует выражение для коэффициента усиления по постоянному напряжению

На рис. 3.2.4 приведена экспериментальная передаточная характеристика инвертирующего усилителя при R_x = 1 кОм, R., = 10 кОм и напряжении питания ОУ U„ = 18 В. Она подобна передаточной характеристике ОУ, так как имеет линейный участок между Н_вхмнн = -1,65 В и П_{вх макс} = 1,65 В, на котором и_вых макс = 16,5 В и U_ttm мнн

-16,5 В. На этом участке коэффициент усиления усилителя K_v = AU_BmmJAU_mmm = (П_{вых шкс} — П_вых>МШ1)/(П_{вх 3 В и в передаточной характеристике практически незаметно.}

Рис. 3.2.4. Передаточная характеристика по постоянному току инвертирующего усилителя

При подключении к усилителю (рис. 3.2.5) источника переменного напряжения и_пх(1) = U_m ,„sin((of) на выходе создается напряжение u_Bm(t) = = K U U ,_K.nM П + «)•

Рис. 3.2.5. Схема инвертирующего усилителя напряжения с ОУ (напряжение U_n = 18 В) и осциллограммы напряжений (скриншоты с модели в EWB)

Амплитуда напряжения на выходе генератора сигналов синусоидальной формы U_{Bx m} = 150 мВ, частотой / = 100 Гц. Сопротивления цепи ООС — R_<= 1 кОм, R₂= 10 кОм, нагрузки — R_H =100 кОм. Выходное напряжение имеет амплитуду U_{ttm m} = 1,5 В. В опыте получилось K_Vm = U_{Bblx m}/U_{Bx m} = 10. Напряжения u_BJt) и м_вых(0 имеют разность начальных фаз 180°, что соответствует знаку «минус» в уравнении (3.2.1).

Упражнение 3.2.1

Найти наибольшую допустимую амплитуду U_{Bx m} в линейном режиме усилителя по схеме на рис. 3.2.5 при напряжении U_n= 18 В.

На рис. 3.2.6 приведены осциллограммы входного и выходного напряжений при U = КЗ В с шагом 0,5 В. Из осциллограмм следует, что при уровнях выходного напряжения t/_{BbIX макс} = 16,5 В и t/_{BbIX мин} = -16,5 В происходят заметные нелинейные искажения в виде ограничений выходного напряжения. Эти искажения начинаются при U _т = (/_{вх макс}/10 = 1,65 В.

Амплитудная характеристика (АХ) рассмотренного усилителя представлена на рис. 3.2.7.

Участок амплитудной характеристики О А, ограниченный значением Uих in макс* — рабочий участок, где имеем ОУ в линейном режиме и постоян-

Рис. 3.2.6. Осциллограммы напряжений в линейном и в нелинейном режимах ОУ

Рис. 3.2.7. Амплитудная характеристика усилителя напряжения с ОУ ное значение коэффициента усиления. Величину /У_{вх макс} называют динамическим диапазоном усилителя по входному напряжению. Значение t/_Bblxm макс не превышает напряжения источника питания ОУ. Обычно считают ?/_{вых макс}

?_пит оу. Заметим, что в учебной литературе часто обе зависимости (на рис. 3.2.4 и 3.2.7) некорректно называют амплитудными характеристиками. Амплитуда — всегда положительная величина но определению, и смысл зависимостей разный. Правильно различать эти зависимости как передаточную (см. рис. 3.2.4) и амплитудную (см. рис. 3.2.7).

Амплитудно-частотная характеристика инвертирующего усилителя с ОУ изображена на рис. 3.2.8.

Рис. 3.2.8. Пример АЧХ инвертирующего усилителя в диапазоне 1 Гц — 1 МГц (EWB)

Из ЛЧХ следует: К_и>т = 20 дБ (в децибеллах: К_и = 201og(tf_Bblx JU_BX J). Точки: Л — по уровню К_ц =К_и макс — 3 = 17 дБ верхней граничной частоты /_ф = 96 кГц; В — по уровню K_v = 0 дБ верхней граничной частоты/_{ф ()} = 858 кГц. Введение ООС в схему усилителя привело к расширению полосы пропускания до /_{ф 0} = 858 кГц против /_{ф 0У} = 548 кГц для использованного в примере ОУ.