Что такое операционный усилитель?

Что такое операционный усилитель?

Операционный усилитель — это интегральная схема с двумя входными клеммами и одной выходной клеммой, которая может усиливать входной электрический сигнал и выводить его.

Его также называют операционным усилителем. Проектируя элементы схемы, подключенные к операционному усилителю, можно не только усиливать, но и выполнять арифметические функции, такие как сложение, вычитание и интегрирование по времени входных напряжений.

Сегодня широко используются аналоговые схемы усиления, использующие эти возможности.

Применение операционных усилителей

Операционные усилители используются в самых разных схемах, включая:

• Усилители датчиков
• Схемы повторителей напряжения
• Дифференциальные усилители
• Схемы аддитивного усиления
• Интегральные схемы
• Дифференциальная схема
• Схемы линейного обнаружения
• Схема логарифмического усилителя
• Схема фазового генератора
• Активный фильтр

1. Усилитель датчика

Операционные усилители используются в области усилителей датчиков для усиления различных малых сигналов, выводимых с микрофонов, оптических датчиков, датчиков давления и т. д., до уровня сигнала, который может быть обработан АЦП. Чтобы избежать влияния шума, используются дифференциальные усилители или полосовые фильтры для удаления шума за пределами полосы частот сигнала.

2. Повторитель напряжения

Операционные усилители также используются в качестве повторителей напряжения. Источник сигнала с высоким импедансом уязвим для шума, а длина кабеля не может быть увеличена. Однако, если операционный усилитель поместить рядом с источником сигнала в качестве повторителя напряжения, сигнал может быть отправлен с низким выходным импедансом операционного усилителя. Использование операционных усилителей позволяет использовать более длинные кабели для снижения влияния шума.

Принцип работы операционных усилителей

Операционный усилитель состоит из двух входных клемм и одной выходной клеммы и имеет следующие идеальные характеристики:

• Усиление разомкнутой цепи: бесконечно
• Входной ток: 0 А
• Выходное сопротивление: 0 Ом

На практике коэффициент усиления разомкнутой цепи составляет более 90 дБ, входной ток составляет от нескольких нА до 1 мкА, а выходное сопротивление составляет от 0,1 Ом до нескольких Ом. В принципе, можно сделать указанные выше предположения.

Кроме того, два входных терминала операционного усилителя выполняют следующие функции:

• Инвертирующий входной терминал
  Это терминал, на котором фаза входного сигнала инвертируется на 180° и выводится, и обозначается знаком «-» в символе схемы.
• Неинвертирующий входной терминал
  Этот терминал выдает выходной сигнал в фазе с входным сигналом и обозначается знаком «+» в символе схемы.

Типы операционных усилителей

Операционные усилители можно классифицировать по «элементам», «конфигурации источника питания» и «характеристикам».

1. Классификация по элементам

Следующие три типа операционных усилителей классифицируются в соответствии с элементами, составляющими схему:

• Операционные усилители, состоящие только из биполярных транзисторов
  Существует множество типов операционных усилителей, от высокопроизводительных с превосходными характеристиками до универсальных.
• Операционные усилители, использующие полевые транзисторы в качестве входных клемм
  Хотя в основном они состоят из биполярных транзисторов, первый каскад входной цепи представляет собой истоковый повторитель дифференциального типа, использующий полевые транзисторы J-типа, что обеспечивает высокое входное сопротивление и большую скорость нарастания выходного сигнала.
• Операционный усилитель на основе КМОП
  Хотя выдерживаемое напряжение относительно низкое, входной ток смещения находится на чрезвычайно низком уровне, а потребление тока низкое. Еще одним преимуществом является широкий динамический диапазон входа/выхода и способность обрабатывать сигналы большой амплитуды. Однако он не может обрабатывать высокочастотные сигналы.

2. Классификация по конфигурации источника питания

Операционный усилитель можно классифицировать на следующие два типа в зависимости от конфигурации источника питания:

• Двойной тип источника питания
  Операционный усилитель, требующий как положительного, так и отрицательного напряжения питания относительно уровня земли.
• Один тип источника питания
  Операционный усилитель, работающий только с положительным или отрицательным напряжением питания

3. Классификация по характеристикам

Операционные усилители поставляются с различными характеристиками, которые особенно важны для различных применений. Ниже приведены некоторые примеры операционных усилителей. Соответствующее устройство должно быть выбрано на основе требуемых спецификаций.

• Широкая полоса пропускания
• Низкий уровень шума
• Высокая точность
• Работа Rail-to-Rail
• Низкий ток смещения
• Низкое потребление тока
• Высокий выходной ток

Как использовать операционные усилители

Операционные усилители имеют коэффициенты ошибок, уникальные для аналоговых схем. Кроме того, отклонения от идеальных характеристик, описанных в разделе «Принципы операционных усилителей», могут отрицательно повлиять на работу схемы. Поэтому необходимы меры по их предотвращению. Конкретные меры описаны ниже:

• Источник питания операционного усилителя должен выдавать стабильное напряжение с низким уровнем шума.
• Установите шумопоглощающие конденсаторы рядом с клеммами источника питания.
  Держитесь на расстоянии от схем цифровой обработки или поместите операционный усилитель в экранированный корпус.
• Устанавливайте в среде с минимальными колебаниями температуры.
• Если требуются точные характеристики усиления и частоты, конструкция должна учитывать точность элементов цепи обратной связи и температурные характеристики.

Другие меры предосторожности перечислены ниже, но, пожалуйста, обратитесь к специализированной литературе или материалам, предоставленным производителями операционных усилителей, для получения информации об отдельных мерах.

• Отмена напряжения смещения
• Предотвращение исходящих сигналов
• Обеспечение динамического диапазона
• Устранение эффектов тока смещения
• Обеспечение возможности подачи тока
• Защита от чрезмерных входных сигналов

Другая информация об операционных усилителях

Основы схемы усилителя

Поскольку операционные усилители имеют чрезвычайно высокий коэффициент усиления без обратной связи, различные функции, описанные в предыдущем разделе, могут быть реализованы путем правильной настройки цепи обратной связи от выходного терминала до входного терминала. Следующие две основные схемы усиления с использованием операционных усилителей объясняются здесь в качестве реальных примеров.

1. Инвертирующий усилитель
Сигнал Vi подключается к инвертирующему входному терминалу через резистор Ri, а инвертирующий входной терминал и выходной терминал соединены резистором Rf. Неинвертирующий входной терминал подключен непосредственно к земле. Выходной сигнал Vo, полученный при этой конфигурации, равен (-Rf/Ri) × Vi. Знак «-» указывает на то, что фаза инвертирована. 

2. неинвертирующий усилитель
Сигнал Vi напрямую подключен к неинвертирующей входной клемме. Инвертирующая входная клемма заземляется через Ri и подключается к выходной клемме через Rf. Выходной сигнал Vo, полученный при этой конфигурации, равен (Rf/Ri) × Vi.