Операційний підсилювач

Операційний підсилювач або оп-підсилювач - це підсилювач напруги з дуже високим коефіцієнтом підсилення, який працює в режимі постійного струму.

Оп-підсилювач є багатоступеневим підсилювачем, де кілька етапів підсилення з'єднані між собою дуже складним чином. Його внутрішній електронний схема складається з багатьох транзисторів, полевих транзисторів і резисторів. Всі ці компоненти займають дуже мало простору. Тому він упакований в невелику коробочку і доступний у формі Інтегральна Схема (ІС). Термін Оп-Підсилювач використовується для позначення підсилювача, який може бути налаштований для виконання різних операцій, таких як підсилення, віднімання, диференціювання, додавання, інтегрування тощо. Прикладом є дуже популярний ІС 741.

Символ і його реальний вигляд у формі ІС показані нижче. Символ має форму стрілки, що означає, що сигнал переходить від виходу до входу.

Вхідні та вихідні термінали операційного підсилювача

Оп-підсилювач має два вхідні термінали та один вихідний термінал. Оп-підсилювач також має два термінали живлення, як видно вище. Два вхідних термінали формують диференційний вхід. Ми називаємо термінал, позначений знаком мінус (-), інверсивним терміналом, а термінал, позначений знаком плюс (+), неінверсивним терміналом операційного підсилювача. Якщо ми застосуємо сигнал на інверсивному терміналі (-), то підсиленний вихідний сигнал буде зміщений на 180° відносно застосованого вхідного сигналу. Якщо ми застосуємо сигнал на неінверсивному терміналі (+), то отриманий вихідний сигнал буде в фазі, тобто не матиме фазового зсуву відносно вхідного сигналу.

Живлення операційного підсилювача

Як видно зі схематичного позначення вище, він має два вхідні термінали живлення +VCC та –VCC. Для роботи операційного підсилювача необхідне джерело постійного струму подвійной полярності. У джерелі подвійної полярності ми підключаємо +VCC до позитивного джерела постійного струму, а термінал –VCC — до негативного джерела постійного струму. Проте деякі операційні підсилювачі можуть працювати також від джерела однополярного живлення. Зверніть увагу, що в операційних підсилювачів немає загального терміналу заземлення, тому заземлення потрібно організовувати зовнішньо.

Принцип роботи операційного підсилювача

Робота операційного підсилювача в режимі розімкнутого контуру

Як вже було сказано, операційний підсилювач має диференційний вхід і однобічний вихід. Тому, якщо ми застосуємо два сигнали, один до інвертуючого, а інший до неінвертуючого входу, ідеальний операційний підсилювач підвищить різницю між двома прикладеними вхідними сигналами. Ми називаємо цю різницю між двома вхідними сигналами диференційною вхідною напругою. Рівняння нижче дає вихід операційного підсилювача.Де VOUT - це напруга на вихідному терміналі операційного підсилювача. AOL - це відкрите кільце збільшення для даного операційного підсилювача і є постійним (ідеально). Для ІС 741 AOL становить 2 x 105.
V1 - це напруга на неінвертуючому вході.
V2 - це напруга на інвертуючому вході.
(V1 – V2) - це диференційна вхідна напруга.
З вищенаведеного рівняння видно, що вихід буде ненульовим тільки тоді, коли диференційна вхідна напруга ненульова (V1 і V2 не дорівнюють), і буде нульовою, якщо обидва V1 і V2 рівні. Зверніть увагу, що це ідеальна умова, на практиці є невеликі невідповідності в операційному підсилювачі. Відкрите кільце збільшення операційного підсилювача дуже високе. Тому, операційний підсилювач з відкритим кільцем підвищує невелику прикладену диференційну вхідну напругу до великої величини.
Також, це правда, що, якщо ми застосуємо невелику диференційну вхідну напругу, операційний підсилювач підвищує її до значної величини, але ця значна величина на виході не може перевищити живильну напругу операційного підсилювача. Тому, це не порушує закон збереження енергії.

Операція з замкнутим кільцем

Попередньо пояснена робота операційного підсилювача стосувалася відкритого контуру, тобто без зворотного зв'язку. Ми вводимо зворотний зв'язок у замкненому контурі. Цей шлях зворотного зв'язку передає вихідний сигнал на вхід. Тому на входах одночасно присутні два сигнали. Один з них — це оригінальний застосований сигнал, а інший — сигнал зворотного зв'язку. Рівняння нижче показує вихід операційного підсилювача в замкнутому контурі.Де VOUT — напруга на вихідному терміналі операційного підсилювача. ACL — коефіцієнт підсилення в замкнутому контурі. Коефіцієнт підсилення в замкнутому контурі ACL визначається схемою зворотного зв'язку, підключеною до операційного підсилювача. VD = (V1 – V2) — диференційна вхідна напруга. Ми говоримо про позитивний зворотний зв'язок, якщо шлях зворотного зв'язку передає сигнал з вихідного терміналу назад до невід'ємного (+) терміналу. Позитивний зворотний зв'язок використовується в генераторах. Зворотний зв'язок є негативним, якщо шлях зворотного зв'язку передає частину сигналу з вихідного терміналу назад до інверсного (-) терміналу. Ми використовуємо негативний зворотний зв'язок для операційних підсилювачів, які використовуються як підсилювачі. Кожен тип зворотного зв'язку, негативний чи позитивний, має свої переваги та недоліки.

Позитивний зворотний зв'язок ⇒ Генератор
Негативний зворотний зв'язок ⇒ Підсилювач
Це найбазовіший принцип роботи операційних підсилювачів.

Характеристики ідеального операційного підсилювача

Ідеальний операційний підсилювач повинен мати такі характеристики:

1. Безмежне підсилення напруги (щоб отримати максимальний вихід)

2. Безмежне вхідне опору (завдяки цьому його може водити майже будь-який джерело)

3. Нульове вихідне опору (щоб не було зміни виходу через зміну завантаження струму)

4. Безмежна широта смуги пропускання

5. Нульовий шум

6. Нульове відношення відкидання живлення (PSSR = 0)

7. Безмежне відношення спільного режиму відкидання (CMMR = ∞)

Практичний операторний підсилювач

Жоден з вищезазначених параметрів не може бути реалізовано на практиці. Практичний або реальний операційний підсилювач має деякі невідворотні недоліки, і тому його характеристики відрізняються від ідеального. Реальний операційний підсилювач матиме ненульові та невласні параметри.

Застосування операторного підсилювача

Інтегровані операційні підсилювачі надають всі переваги інтегральних схем, таких як висока надійність, малий розмір, дешевизна, менше споживання енергії. Вони використовуються у різноманітних застосуваннях, таких як перевертаючий підсилювач та неперевертаючий підсилювач, буфер з коефіцієнтом підсилення 1, сумуючий підсилювач, диференціатор, інтегратор, суматор, прилад для вимірювань, генератор коливань моста Віена, фільтри тощо.

Заява: Поважайте оригінал, добре складені статті варті поширення, якщо є порушення авторських прав зверніться з проханням видалити.