Операционный усилитель, ОУ, операционник. Свойства. Характеристики. Математическая модель. Классификация.

Понятие операционного усилителя. Схемы, применение, классификация. Тонкости. (10+)

Операционный усилитель - Свойства. Характеристики. Математическая модель. Классификация

Оглавление :: ПоискТехника безопасности :: Помощь

С появлением операционных усилителей (ОУ) в виде интегральных микросхем проектирование большинства устройств сильно упростилось. Операционные усилители используются в схемах автоматики, цепях задержки, интеграторах, дифференциаторах, генераторах, триггерах Шмитта, активных фильтрах, гираторах, умножителях емкости и многих других приложениях.

Математическая модель Операционного усилителя. Обозначение.

Операционные усилители должны иметь минимум пять выводов: Инвертирующий вход, Неинвертирующий вход, Выход, Плюс питания, Минус питания. Многие операционные усилители также имеют выходы нейтрали, цепей балансировки и цепей частотной коррекции.

Вашему вниманию подборка материалов:

Практика проектирования электронных схем Искусство разработки устройств. Элементная база. Типовые схемы. Примеры готовых устройств. Подробные описания. Онлайн расчет. Возможность задать вопрос авторам

Схемотехники нередко называют ОУ операционником.

Операционный усилитель. Обозначение

На схемах ОУ обозначается, как показано на рисунке.

Идеальные и реальные операционные усилители

Идеальный ОУ обладает следующими свойствами: Он усиливает разницу напряжений между инвертирующим и неинвертирующим входами. Он обладает бесконечным коэффициентом усиления. Он имеет бесконечное входное сопротивление и нулевое выходное. Идеальный операционный усилитель может работать при любых входных напряжениях и напряжении питания. Значение выходного напряжения не зависит от значений входных, а только от их разницы (он подавляет симфазный сигнал). Выходное напряжение равно нулю, если напряжения на обоих входах равны. Идеальный операционный усилитель имеет мгновенное быстродействие, то есть напряжение на выходе изменяется в тот же момент времени, как и разница напряжений на входах (бесконечное быстродействие). Идеальный ОУ может отдавать нагрузке неограниченный ток. Свойства идеального ОУ не зависят от формы и частоты входного сигнала. Он может усиливать любой сигнал от постоянного напряжения до сплошного белого шума в любом диапазоне частот. Идеальный операционник не шумит, не формирует сигналы на выходе при отсутствии сигнала на входе.

Понятно, что идеальных ОУ не существует. Операционным усилителем принято называть устройства, в некоторой степени, отвечающие перечисленным выше требованиям. Реальные ОУ обладают коэффициентом усиления от 10 000 до 1 000 000 и более. Хорошие операционные усилители имеют входное сопротивление то десятков МОм и выше. Максимальный выходной ток может быть до 10 мА. При рекомендованной для данного ОУ нагрузке можно приблизительно считать, что напряжение на ней не зависит от тока, то есть выходное сопротивление операционника близко к нулю. ОУ сильно ослабляют симфазный сигнал, в 100 и более раз, но, все же, не абсолютно. Напряжение питания может быть разным, но наиболее распространено двуполярное питание 15 вольт. Для обеспечения близкого к нулю выходного напряжения применяется ручная или автоматическая балансировка. Операционный усилитель хорошо работает с входными напряжениями от на пару вольт больших, чем минус питания, до на пару вольт меньших, чем плюс. Выходное напряжение обычно бывает в тех же пределах. Существуют операционники, рассчитанные на работу в самых разных диапазонах частот, но для высоких частот (выше 10 МГц) операционники не применяются.

Самой неприятной особенностью реальных ОУ является конечное быстродействие - некоторая задержка по времени между изменением входного и выходного напряжения. К чему она приводит, я расскажу позже.

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.

Типовое включение операционного усилителя, ОУ, операционника

[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.

Выходное напряжение усилителя с отрицательной обратной связью

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.

Классификация операционных усилителей

Операционные усилители классифицируются по: напряжению питания - его значение, однополярное или двухполярное, входному сопротивлению (операционники с входным сопротивлением меньше 10 МОм в настоящее время практически вышли из употребления), максимальной рабочей частоте / быстродействию, коэффициенту шума - бывают малошумящие и с ненормированным коэффициентом шума.

(читать дальше...) :: (в начало статьи)

Оглавление :: ПоискТехника безопасности :: Помощь

 

К сожалению в статьях периодически встречаются ошибки, они исправляются, статьи дополняются, развиваются, готовятся новые. Подпишитесь, на новости, чтобы быть в курсе.

Если что-то непонятно, обязательно спросите!
Задать вопрос. Обсуждение статьи.

Еще статьи

Проверка биполярного, полевого транзисторов, МОП, FET, MOSFET. Провери...
Как проверить исправность биполярного и полевого транзисторов. Методика испытани...

Операционные усилители К544УД1, К544УД1A, К544УД1Б, 544УД1, 544УД1A, 5...
Характеристики и применение операционных усилителей 544УД1. Распиновка...

Токовое управление. Транзисторная схемотехника, схема. Ток. Электроник...
Усилитель ВЧ. Пример схемы специально для биполярного транзистора. Схемотехничес...

Коэффициент заполнения импульсного сигнала. Скважность импульса прямоу...
Определение коэффициента заполнения, скважности, обобщенного коэффициента заполн...

Термодатчик, датчик температуры, LM135, LM235, LM335, LM335Z, LM335AZ,...
Термодатчики LM135 - LM335. Данные, применение, цоколевка....

Микросхема 1156ЕУ3, К1156ЕУ3, КР1156ЕУ3, UC1823, UC2823, UC3823. Анало...
Описание микросхемы 1156ЕУ3 (UC1823, UC2823, UC3823) ...

Цепь, схема задержки включения, выключения. Симметричная, асимметрична...
Схема цепи задержки включения / выключения на основе триггера Шмитта...

Транзисторный силовой ключ. Биполярный транзистор. Ключевой режим. Рас...
Биполярный транзистор в ключевом режиме. Схема. Расчет....