Операційний підсилювач: схеми включення, принцип роботи. Схема підсилювача на операційному підсилювачі неінвертувального. Схема підсилювача напруги постійного струму на операційному підсилювачі

У статті буде розглянуто стандартна схема підсилювача на операційному підсилювачі, а також наведені приклади різних режимів роботи цього приладу. На сьогоднішній день ні один пристрій управління не обходиться без використання операційних підсилювачів. Це воістину універсальні прилади, які дозволяють виконувати різні функції з сигналом. Про те, як працює і що конкретно дозволяє зробити цей прилад, ви дізнаєтеся далі.

Інвертують підсилювачі

Схема інвертуючого підсилювача на ОП досить проста, ви її можете побачити на зображенні. В її основі знаходиться операційний підсилювач (схеми включення його розглянуті в цій статті). Крім цього, тут:

На резисторі R1 падіння напруги присутній, за своїм значенням воно таке ж, як вхідна.

На резисторі R2 також є падіння напруги - воно таке ж, як вихідну.

При цьому відношення вихідної напруги до опору R2 дорівнює за значенням відношенню до вхідного R1 але назад йому по знаку. Знаючи значення опору і напруги, можна обчислити коефіцієнт підсилення. Для цього необхідно розділити вихідна напруга на вхідний. При цьому операційний підсилювач (схеми включення у нього можуть бути будь-якими) може мати однаковий коефіцієнт підсилення незалежно від типу.

Робота зворотного зв'язку

Тепер потрібно більш детально розібрати один ключовий момент – роботу зворотного зв'язку. Припустимо, на вході є деяка напруга. Для простоти розрахунків приймемо його значення рівним 1 Ст. Припустимо також, що R1=10 кОм, R2=100 кОм.
А тепер припустимо, що виникла якась непередбачена ситуація, за якої на виході каскаду напруга встановилося на значенні 0 В. Далі спостерігається цікава картина – два опору починають працювати в парі, спільно вони створюють з себе дільник напруги. На виході інвертуючого каскаду воно підтримується на рівні 091 В. При цьому ОУ дозволяє фіксувати розузгодження по входах, а на виході відбувається зменшення напруги. Тому дуже просто спроектувати схему на операційних підсилювачах, що реалізує функцію підсилювача сигналу від датчика, наприклад. І тривати це зміна до тієї самої пори, доки не встановиться на виході значення стабільне в 10 Ст. Саме в цю мить на входах операційного підсилювача потенціали виявляться рівними. І вони будуть такими ж, як потенціал землі. З іншого боку, якщо на виході пристрою продовжить зменшуватися напруга, і воно буде менше, ніж -10 на вході потенціал стане нижче, ніж у землі. Наслідок цього – на виході починає зростати напруга. У такої схеми є великий недолік – вхідний імпеданс дуже маленький, в особливості у підсилювачів з великим значенням коефіцієнта посилення по напрузі, у тому випадку, якщо ланцюг зворотного зв'язку замкнута. А конструкція, розглянута далі, позбавлена всіх цих недоліків.

Неінвертуючий підсилювач

На малюнку наведена схема неінвертувального підсилювача на операційному підсилювачі. Проаналізувавши її, можна зробити кілька висновків:

Значення напруги UA одно вхідного.

З дільника знімається напруга UA, яке дорівнює відношенню твору вихідної напруги і R1 до суми опорів R1 і R2.

У разі, коли UA за значенням дорівнює вхідній напрузі, коефіцієнт посилення дорівнює відношенню вихідної напруги до вхідної (або до відносно опорів R2 і R1 додати одиницю).

Називається дана конструкція неинвертирующим підсилювачем, у нього практично нескінченний вхідний імпеданс. Наприклад, для операційних підсилювачів 411 серії його значення - 1012 Ом, мінімум. А для операційних підсилювачів на біполярних напівпровідникових транзисторах, як правило, понад 108 Ом. А ось вихідний опір каскаду, так само як і в раніше розглянутій схемі, дуже малий – частки ома. І це потрібно враховувати, коли проводиться розрахунок схем на операційних підсилювачах.

Схема підсилювача змінного струму

Обидві схеми, розглянуті в статті раніше, працюють на постійному струмі. Але от якщо в якості зв'язку джерела вхідного сигналу підсилювача виступає змінний струм, то доведеться передбачати заземлення для струму на вході пристрою. Причому слід звернути увагу на те, що значення струму вкрай мало за величиною. У тому випадку, коли відбувається посилення сигналів змінного струму, необхідно зменшувати коефіцієнт підсилення сигналу постійного до одиниці. Особливо це актуально для випадків, коли коефіцієнт підсилення по напрузі дуже великий. Завдяки цьому є можливість значно знизити вплив напруги зсуву, яке приводиться до входу пристрою.

Другий приклад схеми для роботи з змінним напругою

В даній схемі на рівні -3 дБ можна бачити відповідність частоті 17 Гц. На ній у конденсатора імпеданс виявляється на рівні двох килоом. Тому конденсатор повинен бути досить великим. Щоб побудувати підсилювач змінного струму, необхідно використовувати неінвертуючий тип схеми на операційних підсилювачах. І в нього повинен бути достатньо великий коефіцієнт посилення по напрузі. Але ось конденсатор може бути надто великим, тому краще всього відмовитися від його використання. Правда, доведеться правильно підібрати напруга зсуву, прирівнявши її за значенням до нуля. А можна застосувати Т-подібний дільник і збільшити значення опорів обох резисторів в схемі.

Яку схему краще використовувати

Більшість розробників віддають перевагу неинвертирующим підсилювачів, так як у них дуже високий імпеданс на вході. І нехтують схемами інвертуючого типу. Зате в останнього є величезна перевага – він не вимогливий до самого операційного підсилювача, який є його «серцем». Крім того, характеристики, насправді, у нього значно краще. І з допомогою уявного заземлення можна без особливої праці всі сигнали комбінувати, причому вони не будуть надавати один на одного якийсь вплив. Може використовуватися в конструкціях і схема підсилювача постійного струму на операційному підсилювачі. Все залежить від потреб. І саме останнє – випадок, якщо вся схема, розглянута тут, підключається до стабільного виходу іншого операційного підсилювача. В цьому випадку значення імпедансу на вході не відіграє суттєвої ролі – хоч 1 кОм, хоч 10 хоч нескінченність. У цьому випадку перший каскад завжди виконує свою функцію по відношенню до наступного.

Схема повторювача

Працює повторювач на операційному підсилювачі аналогічно емиттерному, побудованому на біполярному транзисторі. І виконує аналогічні функції. По суті, це неінвертуючий підсилювач, в якому перший опір резистора нескінченно велике, а у другого дорівнює нулю. При цьому коефіцієнт підсилення дорівнює одиниці. Є спеціальні типи операційних підсилювачів, що використовуються в техніці лише для схем повторювачів. У них значно кращі характеристики – як правило, це висока швидкодія. В якості прикладу можна навести такі операційні підсилювачі як OPA633 LM310 TL068. Останній має корпус, як у транзистора, а також три висновки. Дуже часто такі підсилювачі називають просто буферами. Справа в тому, що вони володіють властивостями ізолятора (дуже великий вхідний імпеданс і вкрай низький вихідний). Приблизно за таким принципом будується і схема підсилювача струму на операційному підсилювачі.

Активний режим роботи

По суті, це такий режим роботи, при якому виходи і входи операційного підсилювача не перевантажуються. Якщо на вхід схеми подати дуже великий сигнал, то на виході його просто почне різати по рівню напруги колектора або емітера. А от коли на виході напруга фіксується на рівні зрізу - на входах ОП напруга не змінюється. При цьому розмах не може виявитися більшим, ніж напруга живлення підсилювального каскаду. Велика частина схем на операційних підсилювачах розраховується таким чином, що цей розмах менше живлячої напруги на 2 Ст. Але все залежить від того, яка використовується конкретно схема підсилювача на операційному підсилювачі. Таке ж є обмеження на стійкість джерела струму на базі операційного підсилювача. Припустимо, є в джерелі з плаваючою навантаженням якесь падіння по напрузі. У разі якщо струм має нормальне напрямок руху, можна зустріти дивну на перший погляд навантаження. Наприклад, кілька переполюсованних батарей живлення. Така конструкція може застосовуватися для того, щоб отримати прямий струм заряду.

Деякі заходи

Простий підсилювач напруги на операційному підсилювачі (схема може бути обрана будь-яка) можна виготовити буквально "на коліні". Але потрібно враховувати деякі особливості. Обов'язково потрібно впевнитися, що зворотний зв'язок у схемі негативна. Це також говорить про те, що неприпустимо плутати неінвертуючий і інвертуючий вхід підсилювача. Крім того, повинна бути ланцюжок зворотного зв'язку для постійного струму. Інакше операційний підсилювач почне швидко переходити в режим насичення. У більшості операційних підсилювачів вхідна диференціальна напруга дуже маленьке значення. При цьому максимальна різниця неінвертувального та інвертуючого входів може обмежуватися значенням 5 В при кожному підключенні джерела живлення. Якщо знехтувати цією умовою, з'являться на вході досить великі значення струмів, які призведуть до того, що всі характеристики схеми погіршаться. Найстрашніше в цьому – фізичне руйнування самого операційного підсилювача. В результаті перестає працювати схема підсилювача на операційному підсилювачі повністю.

Слід враховувати

І, звичайно ж, потрібно розповісти про правила, яких варто дотримуватися, щоб забезпечити стабільну і довговічну роботу операційного підсилювача. Найголовніше – ОУ володіє дуже високим коефіцієнтом посилення по напрузі. І якщо між входами напруги зміняться на частку мілівольт, на виході його значення може істотно змінитися. Тому важливо знати: у операційного підсилювача вихід намагається прагнути до того, щоб між входами різниця напруг виявилася близька (в ідеалі дорівнює) до нуля. Друге правило – споживання струму операційним підсилювачем вкрай мала, буквально наноампер. Якщо ж на входах встановлені польові транзистори, воно обчислюється пикоамперами. Звідси можна зробити висновок, що входи не споживають струм, незалежно від того, який використовується операційний підсилювач, схема, принцип роботи залишається тим же. Але не варто думати, що ОУ дійсно постійно змінює на входах напруга. Фізично це зробити майже нереально, так як не було би відповідності з другим правилом. Завдяки операційного підсилювача відбувається оцінка стану всіх входів. За допомогою схеми зворотного зовнішнього зв'язку передається напруга на вхід з виходу. Результат – між входами операційного підсилювача різниця напруг знаходиться на рівні нуля.

Поняття зворотного зв'язку

Це поширене поняття, і воно вже застосовується в широких поглядів у всіх областях техніки. В будь-якій системі управління є зворотний зв'язок, яка порівнює вихідний сигнал і задане значення (еталонне). В залежності від того, яке значення поточне - відбувається коригування в потрібну сторону. Причому системою управління може бути що завгодно, навіть автомобіль, що їде по дорозі. Водій тисне на гальма, і зворотній зв'язок тут – початок уповільнення. Провівши аналогію з таким простим прикладом, можна краще розібратися зі зворотним зв'язком в електронних схемах. А негативна зворотній зв'язок – це якщо б при натиску педалі гальма автомобіль прискорювався. В електроніці зворотним зв'язком називають процес, під час якого відбувається передача сигналу з виходу на вхід. При цьому відбувається також погашення сигналу на вході. З одного боку, це не дуже гарна ідея, адже може здатися, що значно зменшиться коефіцієнт підсилення. Такі відгуки, до речі, отримували основоположники розробки зворотного зв'язку в електроніці. Але варто розібратися детальніше в її вплив на операційні підсилювачі - практичні схеми розглянути. І стане ясно, що вона і правда трохи зменшує коефіцієнт посилення, але зате дозволяє трохи поліпшити інші параметри:

Згладити частотні характеристики (приводить їх до необхідної).

Дозволяє передбачати поведінку підсилювача.

Здатна усунути нелінійність і спотворення сигналу.

Чим глибше зворотній зв'язок (мова йде про негативну), тим менший вплив чинять на підсилювач характеристики з розімкнутої ОС. Результат – усі параметри залежать тільки від того, які властивості має схема. Варто звернути увагу на те, що всі операційні підсилювачі працюють в режимі з дуже глибоким зворотним зв'язком. А коефіцієнт підсилення по напрузі (з її розімкнутої петлею) може досягати навіть кількох мільйонів. Тому схема підсилювача на операційному підсилювачі вкрай вимоглива до дотримання всіх параметрів по харчуванню та рівню вхідного сигналу.