Как работает операционный усилитель (O- Pamp)
Как работает операционный усилитель?
Операционный усилитель (ОУ) — это высокоинтегрированный электронный компонент, широко используемый в цепях для усиления, фильтрации, интеграции, дифференциации и многих других применений. Его основная функция — усиление разности напряжений между его двумя входными терминалами. Ниже приведено объяснение того, как работает операционный усилитель, и ключевые концепции:
1. Основная структура
Операционный усилитель обычно имеет пять выводов:
Невыходной вход (V+): положительный входной терминал.
Выходной вход (V−): отрицательный входной терминал.
Выход (Vout): усиленный выходной сигнал.
Положительное питание (Vcc): положительное напряжение питания.
Отрицательное питание (Vee): отрицательное напряжение питания.
2. Принцип работы
Предположения для идеального операционного усилителя
Бесконечное усиление: в идеале коэффициент усиления A операционного усилителя бесконечен.
Бесконечное входное сопротивление: входное сопротивление Rin бесконечно, что означает, что входной ток практически равен нулю.
Нулевое выходное сопротивление: выходное сопротивление Rout равно нулю, что означает, что выходной ток может быть произвольно большим без влияния на выходное напряжение.
Бесконечная полоса пропускания: в идеале операционный усилитель может работать на всех частотах без каких-либо ограничений.
Характеристики реального операционного усилителя
Конечное усиление: на практике коэффициент усиления A операционного усилителя конечен, обычно он находится в диапазоне от десяти в пятой степени до десяти в шестой степени.
Конечное входное сопротивление: фактическое входное сопротивление не бесконечно, но очень велико (на уровне мегомов).
Ненулевое выходное сопротивление: фактическое выходное сопротивление не равно нулю, но очень мало.
Конечная полоса пропускания: фактическая полоса пропускания операционного усилителя ограничена, обычно она находится в диапазоне от сотен килогерц до мегагерц.
3. Основные режимы работы
Схема с открытым контуром
Усиление с открытым контуром: в схеме с открытым контуром коэффициент усиления A операционного усилителя прямо усиливает дифференциальное входное напряжение.
Насыщение: из-за высокого коэффициента усиления A даже малая разница входных напряжений может привести к тому, что выходное напряжение достигнет пределов напряжений питания (то есть Vcc или Vee).
Схема с замкнутым контуром
Обратная связь: введением обратной связи можно контролировать коэффициент усиления операционного усилителя, чтобы он работал в разумном диапазоне.
Цепи с обратной связью: общие цепи с обратной связью включают инвертирующие усилители, неинвертирующие усилители и дифференциальные усилители.
Виртуальное короткое замыкание и виртуальное разомкнутое состояние: в цепях с обратной связью напряжения на двух входных терминалах операционного усилителя почти равны (виртуальное короткое замыкание), а входной ток почти равен нулю (виртуальное разомкнутое состояние).
4. Общие схемы применения
Инвертирующий усилитель
Структура схемы: входной сигнал подается через резистор R1 на инвертирующий вход V−, а резистор обратной связи Rf соединяет выход Vout с инвертирующим входом V−.
Неинвертирующий усилитель
Структура схемы: входной сигнал подается через резистор R1 на невыходной вход V+, а резистор обратной связи Rf соединяет выход Vout с инвертирующим входом V−.
Дифференциальный усилитель
Структура схемы: два входных сигнала подаются на невыходной вход V+ и инвертирующий вход V−, а резистор обратной связи Rf соединяет выход Vout с инвертирующим входом V−.
5. Заключение
Операционный усилитель работает, усиливая разность напряжений между его двумя входными терминалами, с основной функциональностью, основанной на высоком коэффициенте усиления и механизмах обратной связи. Используя различные схемы, операционные усилители могут выполнять различные функции, такие как усиление, фильтрация, интеграция и дифференциация. Понимание принципов работы и общих схем применения операционных усилителей необходимо для проектирования и устранения неисправностей различных электронных систем.
