ОУ или операционный усилитель
Операционный усилитель или оп-усилитель - это усилитель напряжения с постоянным током (DC) с очень высоким коэффициентом усиления по напряжению.
Оп-усилитель в основном представляет собой многоступенчатый усилитель, в котором несколько ступеней усилителя соединены друг с другом очень сложным образом. Его внутренняя схема состоит из многих транзисторов, полевых транзисторов и резисторов. Все это занимает очень мало места.
Поэтому он упакован в небольшую оболочку и доступен в виде интегральной схемы (ИС). Термин Op Amp используется для обозначения усилителя, который можно настроить для выполнения различных операций, таких как усиление, вычитание, дифференцирование, сложение, интегрирование и т.д. Примером является очень популярная ИС 741.
Символ и его фактический вид в виде ИС показаны ниже. Символ изображен в виде стрелки, что означает, что сигнал течет от выхода к входу.
Входные и выходные терминалы операционного усилителя
Оп-усилитель имеет два входных терминала и один выходной терминал. Оп-усилитель также имеет два терминала питания, как показано выше. Два входных терминала образуют дифференциальный вход. Мы называем терминал, помеченный знаком минус (-), инвертирующим терминалом, а терминал, помеченный знаком плюс (+), неинвертирующим терминалом операционного усилителя. Если мы подаем входной сигнал на инвертирующий терминал (-), то усиленный выходной сигнал будет сдвинут на 180o относительно примененного входного сигнала. Если мы подаем входной сигнал на неинвертирующий терминал (+), то полученный выходной сигнал будет находиться в фазе, то есть не будет иметь фазового сдвига относительно входного сигнала.
Питание операционного усилителя
Как видно из символа схемы, у него есть два входных терминала питания +VCC и –VCC. Для работы оп-усилителя необходимо двойное питание. В двойном питании мы подключаем +VCC к положительному источнику постоянного тока, а терминал –VCC к отрицательному источнику постоянного тока. Однако некоторые оп-усилители могут работать и на однополярном питании. Обратите внимание, что в оп-усилителях нет общего заземляющего терминала, поэтому заземление должно быть установлено внешним образом.
Принцип работы оп-усилителя
Работа операционного усилителя в открытой цепи
Как уже говорилось, оп-усилитель имеет дифференциальный вход и одиночный выход. Таким образом, если мы подадим два сигнала, один на инвертирующий, а другой на неинвертирующий вход, идеальный оп-усилитель усилит разницу между двумя примененными входными сигналами. Мы называем эту разницу между двумя входными сигналами дифференциальным входным напряжением. Уравнение ниже дает выход операционного усилителя.
Где, VOUT - напряжение на выходном терминале оп-усилителя. AOL - коэффициент усиления в открытой цепи для данного оп-усилителя и является постоянным (идеально). Для ИС 741 AOL равно 2 x 105.
V1 - напряжение на неинвертирующем входе.
V2 - напряжение на инвертирующем входе.
(V1 – V2) - дифференциальное входное напряжение.
Из приведенного выше уравнения ясно, что выход будет отличен от нуля только тогда, когда дифференциальное входное напряжение также будет отличным от нуля (V1 и V2 не равны), и будет равно нулю, если V1 и V2 равны. Обратите внимание, что это идеальная ситуация, на практике в оп-усилителе существуют небольшие несоответствия. Коэффициент усиления в открытой цепи оп-усилителя очень высок. Поэтому оп-усилитель в открытой цепи усиливает малое применяемое дифференциальное входное напряжение до огромного значения.
Также верно, что при применении малого дифференциального входного напряжения, операционный усилитель усиливает его до значительного значения, но это значительное значение на выходе не может превышать напряжение питания оп-усилителя. Таким образом, это не нарушает закон сохранения энергии.
Работа в замкнутой цепи
Выше объясненная работа оп-усилителя была для открытой цепи, то есть без обратной связи. Мы вводим обратную связь в конфигурации замкнутой цепи. Этот путь обратной связи подает выходной сигнал на вход. Таким образом, на входах одновременно присутствуют два сигнала. Один из них - это исходный примененный сигнал, а другой - сигнал обратной связи. Уравнение ниже показывает выход оп-усилителя в замкнутой цепи.
Где VOUT - напряжение на выходном терминале оп-усилителя. ACL - коэффициент усиления в замкнутой цепи. Цепь обратной связи, подключенная к оп-усилителю, определяет коэффициент усиления в замкнутой цепи ACL. VD = (V1 – V2) - дифференциальное входное напряжение. Мы говорим, что обратная связь положительная, если путь обратной связи подает сигнал с выходного терминала обратно на неинвертирующий (+) терминал. Положительная обратная связь используется в генераторах. Обратная связь отрицательная, если путь обратной связи подает часть сигнала с выходного терминала обратно на инвертирующий (-) терминал. Мы используем отрицательную обратную связь в оп-усилителях, используемых как усилители. Каждый тип обратной связи, отрицательный или положительный, имеет свои преимущества и недостатки.
Положительная обратная связь ⇒ Генератор
Отрицательная обратная связь ⇒ Усилитель
Выше приведено самое основное принцип работы операционных усилителей.
Характеристики идеального оп-усилителя
