Как работи операционен усилвател (O- Pamp)?
Как работи операционен усилвател?
Операционният усилвател (ОУ) е високо интегриран електронен компонент, широко използван в схеми за усилване на сигнали, филтриране, интегриране, диференциране и много други приложения. Неговата основна функция е да усилва разликата в напрежението между неговите две входни клечки. Ето обяснение как работи операционният усилвател и ключови концепции:
1. Основна структура
Операционният усилвател обикновено има пет контакта:
Невъртящ вход (V+): Позитивна входна клечка.
Въртящ вход (V−): Негативна входна клечка.
Изход (Vout): Усилен изходен сигнал.
Позитивно захранване (Vcc): Позитивно захранващо напрежение.
Негативно захранване (Vee): Негативно захранващо напрежение.
2. Принцип на работа
Предположения за идеалния операционен усилвател
Безкрайно усиление: Идеално, усилието A на ОУ е безкрайно.
Безкрайно входно импеданс: Входният импеданс Rin е безкрайно голям, което означава, че входният ток е почти нула.
Нулев изходен импеданс: Изходният импеданс Rout е нула, което означава, че изходният ток може да бъде произволно голям, без да влияе на изходното напрежение.
Безкрайна честотна лента: Идеално, ОУ може да работи на всички честоти без ограничения.
Характеристики на реалния операционен усилвател
Крайно усилие: В практика, усилието A на ОУ е крайно, обикновено в диапазона от 10^5 до 10^6.
Крайно входно импеданс: Реалният входен импеданс не е безкрайно голям, но е много висок (на ниво мегом).
Ненулев изходен импеданс: Реалният изходен импеданс не е нула, но е много нисък.
Крайна честотна лента: Реалната честотна лента на ОУ е ограничена, обикновено в диапазона от стотици килохерца до мегахерца.
3. Основни режими на работа
Отворена верига
Усиление в отворена верига: В конфигурацията на отворена верига, усилието A на ОУ директно усилва диференциалното входно напрежение
Наситяване: Заради високото усилие A, дори малко входно напрежение може да причини изходното напрежение да достигне границите на захранващите напрежения (т.е. Vcc или Vee).
Затворена верига
Отрицателна обратна връзка: Чрез въвеждане на отрицателна обратна връзка, усилието на ОУ може да бъде контролирано, за да работи в разумен диапазон.
Схеми с отрицателна обратна връзка: Общи схеми с отрицателна обратна връзка включват инвертиращи усилватели, невъртящи усилватели и диференциални усилватели.
Виртуално кратко и виртуално открито: В схемите с отрицателна обратна връзка, напреженията на двата входа на ОУ са почти равни (виртуално кратко), а входният ток е почти нула (виртуално открито).
4. Общи приложни схеми
Инвертиращ усилвател
Структура на схемата: Входният сигнал се подава през резистор R1 към инвертиращия вход V−, а резисторът за обратна връзка Rf свързва изхода Vout с инвертиращия вход V−.
Невъртящ усилвател
Структура на схемата: Входният сигнал се подава през резистор R1 към невъртящия вход V+, а резисторът за обратна връзка Rf свързва изхода Vout с инвертиращия вход V−.
Диференциален усилвател
Структура на схемата: Два входни сигнала се подават към невъртящия вход V+ и инвертиращия вход V−, а резисторът за обратна връзка Rf свързва изхода Vout с инвертиращия вход V−.
5. Резюме
Операционният усилвател работи, като усилва разликата в напрежението между неговите две входни клечки, с основната функционалност, зависеща от високото усилие и механизми на отрицателна обратна връзка. Чрез използване на различни конфигурации на схеми, ОУ могат да изпълняват различни функции като усилване, филтриране, интегриране и диференциране. Разбирането на принципите на работа и общи приложни схеми на ОУ е съществено за проектиране и отстраняване на проблеми в различни електронни системи.
