Операционный усилитель принцип работы для чайников

Содержание

Типы усилителей

Усилители можно разделить на три группы:

Усилитель напряжения

Усилитель напряжения (УН) усиливает входное напряжение в заданное число раз. Этот коэффициент называется коэффициентом усиления по напряжению и вычисляется по формуле:

где

KU – это коэффициент усиления по напряжению

Uвых – напряжение на выходе усилителя, В

Uвх – напряжение на входе усилителя, В

Выходное усиленное напряжение не должно меняться от тока нагрузки, а следовательно, и от сопротивления нагрузки. В идеале, выходное сопротивление Rвых должно быть равно нулю, что недостижимо на практике. Поэтому, УН стараются проектировать так, чтобы минимизировать выходное сопротивление Rвых .

В таком режиме усилитель работает, если выполняются условия, что Rвх намного больше, чем Rвых т. е.  Rвх >>Rи  и Rн намного больше, чем Rвых    (Rн >>Rвых ). Чем больше номинал Rн , тем лучше для усилителя напряжения, так как нагрузка не будет просаживать выходное напряжение Uвых.  Здесь все просто: чем меньше сопротивление нагрузки, тем бОльшая сила тока будет течь по цепи Eвых —> Rвых —> Rн , тем больше будет падение напряжения на выходном сопротивлении Rвых , исходя из формулы ЭДС: Eвых =IвыхRвых +IвыхRн . Об этом можно более подробно прочитать в статье Закон Ома для полной цепи.

Усилитель тока

Усилитель тока (УТ) усиливает входной ток в заданное число раз. Этот коэффициент называется коэффициентом усиления по току и вычисляется по формуле:

где KI   – коэффициент усиления по току

Iвых  – сила тока в цепи нагрузки, А

Iвх  – сила тока во входной цепи Eи —>Rи —>Rвх , А

Смысл работы усилителя тока такой:  при определенной силе тока во входной цепи, на выходе в цепи нагрузки мы получаем силу тока, бОльшую в KI раз, независимо от того, какое значение принимает номинал нагрузки. Здесь уже работает простой закон Ома I=U/R.

Если сила тока должна быть постоянной, а  значение сопротивления у нас может быть плавающим, то для поддержания постоянной силы тока в цепи нагрузки у нас усилитель автоматически изменяет напряжение Uвых на нагрузке. В результате, ток как был постоянной величиной, так и остался. Или буквами: Rн =var, Iвых= const.

Объяснение выше вы будете рассказывать своему преподу по электронике, а теперь объяснение для полных чайников. Итак, во входной цепи Eи —>Rи —>Rвх  пусть у нас течет сила тока в 10 мА. Коэффициент KI =100, следовательно, на выходе в цепи нагрузки Eвых —>Rвых —> Rн будет течь ток с силой в 1 А (10мА х 100). Но сам по себе такой ток не будет ведь гулять по этой цепи. Ему надо создать условия для протекания. Допустим,  у нас нагрузка 10 Ом. Какое тогда напряжение должно быть в этой цепи для получения силы тока в этой цепи в 1 А? Вспоминаем дядюшку Ома: I=U/R. 1=Uвых /10, получаем U=10 В. Вот такое напряжение нам будет выдавать усилитель тока на выходе.

Но что, если нагрузка поменяет свое значение? Ток должен остаться таким же, не забывайте, то есть 1 А, так как это у нас усилитель тока. В этом случае, чтобы сила тока в цепи оставалась 1 А  усилитель автоматически поменяет свое значение напряжения на выходе Uвых на 1=Uвых /5. Uвых =5/1=5 В. То есть на выходе у нас уже будет 5 Вольт.

Но также не забываем еще об одном параметре, который у нас находится в выходной цепи усилителя тока. Это выходное сопротивление Rвых . Поэтому, нам необходимо, чтобы выполнялось условие: Rвх << Rи и Rн << Rвых  при которых обеспечивается заданный ток в нагрузке при малом значении напряжения.

Усилитель мощности

Раньше было очень круто и модно собирать усилители мощности (УН) своими руками, включить Ласковый Май и вывернуть громкость на всю катушку. Сейчас же УМ может собрать или купить каждый, благо интернет и Алиэкпресс всегда под рукой.

Чем же УМ отличается от УН и УТ?

Если в УТ  мы увеличивали только силу тока, в УН – напряжение, то в УМ мы увеличиваем в кратное число раз ток и напряжение.

Формула мощности для постоянного и переменного тока при активной нагрузке выглядит вот так:

где

P – мощность, Вт

I – сила тока, А

U – напряжение, В

Следовательно, коэффициент усиления по мощности запишется как:

где

KP – коэффициент усиления по мощности

Pвых  – мощность на выходе усилителя, Вт

Pвх  – мощность на входе усилителя, Вт

Для усилителя мощности условия согласования входной цепи с источником входного сигнала и выходной цепи с нагрузкой для передачи максимальной мощности имеют вид: Rвх ≈ Rи и Rн ≈ Rвых .

Также не забывайте, что нагрузки могут быть как чисто активными (типа лампочки накаливания, резистора, различных нагревашек), так и иметь реактивную составляющую (катушки индуктивности, конденсаторы, двигатели и тд).

Изменение коэффициента усиления – инвертирующий усилитель

Как следует из названия, операционные усилители являются усилителями. Они могут усиливать сигналы с определенным отношением входного сигнала к выходному. Это отношение обычно называется коэффициентом усиления операционного усилителя. В идеальном мире коэффициент усиления операционного усилителя был бы бесконечно высоким – настолько высоким, что он мог бы усилить любой уровень сигнала до любого другого уровня сигнала. В реальном мире это не так, но мы будем считать это фактом, пока анализируем следующую схему: инвертирующий усилитель.

Операционный усилитель принцип работы для чайниковРисунок 2 – Инвертирующий усилитель

Давайте шаг за шагом проведем эту работу. Во-первых, давайте применим наши два правила для операционных усилителей, чтобы определить некоторые узловые напряжения в этой схеме. Простейшим из них является виртуальное короткое замыкание, где V+ и V- всегда находятся на одинаковом напряжении. Мы видим, что V+ привязан к земле; следовательно, V- также должен быть на земле. Как насчет тока, поступающего в узел и выходящего из узла V-? По закону токов Кирхгофа мы знаем, что сумма всех токов в этом узле должна быть следующей:

\

Поначалу это выглядит так, что для решения могут потребоваться некоторые усилия, так как это уравнение содержит три неизвестных. Но так ли это? Если вы вспомните правила для операционных усилителей, изложенные ранее, вы увидите, что это уравнение простое: входы операционного усилителя не потребляют ток! Поэтому мы знаем, что iV- равен нулю. Затем мы можем привести это уравнение к следующему виду:

\

Поскольку V- привязан к земле виртуальным коротким замыканием, закон Ома позволяет нам заменить эти токи на напряжения и сопротивления:

\

Что при небольшой помощи алгебры возвращает нас туда, где мы начали:

\

Понятно, почему эта схема полезна – она позволяет применять линейный коэффициент усиления к входу и выходу, выбирая (Roc/Rвх), чтобы сформировать любое соотношение, которое вы захотите. У схемы также есть дополнительный бонус, позволяющий вам в значительной мере контролировать ее входной импеданс – так как вы можете выбрать значение резистора Rвх, вы можете сделать его таким большим или маленьким, чтобы соответствовать любому выходному импедансу, с которым вам нужно достичь согласованности!

Зачем нужна резисторная цепь для достижения такого поведения? Чтобы понять это, нам нужно понять немного больше о том, как работает операционный усилитель. Операционный усилитель – это тип усилителя по напряжению. В идеальном случае операционный усилитель обеспечивает бесконечный коэффициент усиления – он может усиливать любое напряжение до любого другого уровня напряжения. Мы можем масштабировать бесконечный коэффициент усиления операционного усилителя, используя резисторную цепь, которая соединяет входной узел, V-, и выходной узел. Подключив выход операционного усилителя к входу, мы используем процесс под названием обратная связь для регулировки выходного напряжения до желаемого уровня. Обратная связь – действительно важная концепция электронной техники и достаточно сложная, чтобы потребовать целую статью, посвященную этой теме. На данный момент достаточно понять базовый принцип, который применим к операционным усилителям: путем подключения выхода к входу вы можете изменить поведение схемы действительно полезными способами.

Что такое усилитель?

В электрических схемах очень часто встречаются сигналы малой мощности. Например, это может быть звуковой сигнал с динамического микрофона

слабый радиосигнал, который ловит из эфира ваш китайский радиоприемник

Либо отраженный сигнал от ракеты противника, который уже потом ловит, усиливает и отслеживает радиолокационная установка. Для примера: зенитно-ракетный комплекс ТОР:

Как вы видите, в электронике абсолютно везде требуется усиление слабых сигналов. Для того, чтобы их усиливать, как раз нужны усилители сигналов. Усилители широко применяются в радиолокации, телевидении, радиовещании, телеметрии, в вычислительной технике, авторегулировании, в системах автоматики и тд.

Виды и обозначения на схеме

С развитием электросхемотехники операционные усилители постоянно совершенствуются и появляются новые модели.

Классификация по сферам применения:

  1. Индустриальные — дешевый вариант.
  2. Презиционные (точная измерительная аппаратура).
  3. Электрометрические (малое значение Iвх).
  4. Микромощные (потребление малого I питания).
  5. Программируемые (токи задаются при помощи I внешнего).
  6. Мощные или сильноточные (отдача большего значения I потребителю).
  7. Низковольтные (работают при U<3 В).
  8. Высоковольтные (рассчитаны на высокие значения U).
  9. Быстродействующие (высокая скорость нарастания и частота усиления).
  10. С низким уровнем шума.
  11. Звуковой тип (низкий коэффициент гармоник).
  12. Для двухполярного и однополярного типа электрического питания.
  13. Разностные (способны измерять низкие U при высоких помехах). Применяются в шунтах.
  14. Усилительные каскады готового типа.
  15. Специализированные.

Операционный усилитель принцип работы для чайников

По входным сигналам ОУ делятся на 2 типа:

  1. С 2 входами.
  2. С 3 входами. 3 вход применяется для расширения функциональных возможностей. Обладает внутренней ООС.

Схема операционного усилителя достаточно сложная, и не имеет смысла его изготавливать, а радиолюбителю нужно только знать правильную схему включения операционного усилителя, но для этого следует понимать расшифровку его выводов.

Основные обозначения выводов ИМС:

  1. V+ — неинвертирующий вход.
  2. V- — инвертирующий вход.
  3. Vout — выход.Vs+ (Vdd, Vcc, Vcc+) — плюсовая клемма ИП.
  4. Vs- (Vss, Vee, Vcc-) — минус ИП.

Практически в любом ОУ присутствуют 5 выводов. Однако в некоторых разновидностях может отсутствовать V-. Существуют модели, которые обладают дополнительными выводами, которые расширяют возможности ОУ.

Выводы для питания необязательно обозначать, т.к. это увеличивает читабельность схемы. Вывод питания от положительной клеммы или полюса ИП располагают вверху схемы.

История

Операционный усилитель изначально был спроектирован для выполнения математических операций (отсюда его название), путём использования напряжения как аналоговой величины. Такой подход лежит в основе аналоговых компьютеров, в которых ОУ использовались для моделирования базовых математических операций (сложение, вычитание, интегрирование, дифференцирование и т. д.). Однако идеальный ОУ является многофункциональным схемотехническим решением, он имеет множество применений помимо математических операций. Реальные ОУ, основанные на транзисторах, электронных лампах или других компонентах, выполненные в виде дискретных или интегральных схем, являются приближением к идеальным.

Ламповый операционный усилитель K2-W

Первые промышленные ламповые ОУ (1940-е годы) выполнялись на паре двойных триодов, в том числе в виде отдельных конструктивных сборок в корпусах с октальным цоколем. В 1963 году Роберт Видлар, инженер фирмы «Fairchild Semiconductor», спроектировал первый интегральный ОУ — μA702. При цене в 300 долларов, прибор, содержавший 9 транзисторов, использовался только в военных применениях. Первый доступный интегральный ОУ, μA709, также спроектированный Видларом, был выпущен в 1965 году; вскоре после выпуска его цена упала ниже 10 долларов, что было всё ещё слишком дорого для бытового применения, но вполне доступно для массовой промышленной автоматики и т. п. гражданских задач.

В 1967 году фирма «National Semiconductor», куда перешёл работать Видлар, выпустила LM101, а в 1968 году фирма Fairchild выпустила ОУ, практически идентичный μA741 — первый ОУ со встроенной частотной коррекцией. ОУ LM101/μA741 был более стабилен и прост в использовании, чем предшественники. Многие производители до сих пор выпускают версии этого классического чипа (их можно узнать по числу «741» в наименовании). Позднее были разработаны ОУ и на другой элементной базе: на полевых транзисторах с p-n переходом (конец 1970-х годов) и с изолированным затвором (начало 1980-х годов), что позволило существенно улучшить ряд характеристик. Многие из более современных ОУ могут быть установлены в схемы, спроектированные для 741 без каких-либо доработок, при этом характеристики схемы только улучшатся.

Применение ОУ в электронике чрезвычайно широко. Операционный усилитель, вероятно, наиболее часто встречающийся элемент в аналоговой схемотехнике. Добавление лишь нескольких внешних компонентов делает из ОУ конкретную схему аналоговой обработки сигналов. Многие стандартные ОУ сто́ят всего несколько центов в крупных партиях (1000 шт), но усилители с нестандартными характеристиками (в интегральном или дискретном исполнении) могут стоить $100 и выше.

Простейшие схемы с обратной связью

Из рассмотрения принципа работы идеального ОУ следует очень простая методика проектирования схем:

Таким образом, требуемое состояние системы будет устойчивым состоянием равновесия, и система будет в нем находиться неограниченно долго. Пользуясь этим упрощённым подходом, несложно получить простейшую схему неинвертирующего усилителя.

От усилителя требуется наличие на выходе напряжения, отличающегося от входного в K{\displaystyle K} раз, то есть Uout=Uin⋅K{\displaystyle U_{out}=U_{in}\cdot K}. В соответствии с приведённой выше методикой подадим на неинвертирующий вход ОУ сам входной сигнал, а на инвертирующий — часть выходного сигнала с резистивного делителя.

Неинвертирующий усилитель

Расчёт реального коэффициента усиления для идеального (или реального, но который можно с определёнными допущениями считать идеальным) усилителя очень прост. Заметим, что в том случае, когда усилитель находится в состоянии равновесия, напряжения на его входах можно считать одинаковыми. Исходя из этого следует, что падение напряжения на резисторе R1{\displaystyle R_{1}} равно Vin{\displaystyle V_{in}}, а на всём делителе сопротивлением R1+R2{\displaystyle R_{1}+R_{2}}, падает Vout{\displaystyle V_{out}}. Заметим, что, поскольку входное сопротивление операционного усилителя очень велико, то током, поступающим на инвертирующий (−) вход усилителя, можно пренебречь, и ток, протекающий через резисторы делителя, можно принять одинаковым. Ток через R1{\displaystyle R_{1}} равен IR1=VinR1{\displaystyle I_{R_{1}}={\frac {V_{in}}{R_{1}}}}, а через весь делитель IR1+R2=VoutR1+R2{\displaystyle I_{R_{1}+R_{2}}={\frac {V_{out}}{R_{1}+R_{2}}}}.

Таким образом:

IR1=IR1+R2{\displaystyle I_{R_{1}}=I_{R_{1}+R_{2}}}

Откуда:

VinR1=VoutR1+R2{\displaystyle {\frac {V_{in}}{R_{1}}}={\frac {V_{out}}{R_{1}+R_{2}}}}

Vout=Vin⋅R1+R2R1=Vin⋅(1+R2R1){\displaystyle V_{out}=V_{in}\cdot {\frac {R_{1}+R_{2}}{R_{1}}}=V_{in}\cdot \left(1+{\frac {R_{2}}{R_{1}}}\right)}

Можно рассуждать немного проще, сразу заметив, что VoutVin=R1+R2R1{\displaystyle {\frac {V_{out}}{V_{in}}}={\frac {R_{1}+R_{2}}{R_{1}}}}.

Следует обратить внимание, что в неинвертирующей схеме включения коэффициент усиления напряжения всегда больше или равен 1, вне зависимости от номиналов используемых резисторов. Если сопротивление R2{\displaystyle R_{2}} равно нулю, то мы получаем неинвертирующий повторитель напряжения, имеющий коэффициент усиления напряжения 1.. А поскольку:

А поскольку:

∀n∈R+limn→∞n={\displaystyle \forall n\in \mathbb {R} ^{+}\lim _{n\to \infty }{\frac {0}{n}}=0},

то сопротивление R1{\displaystyle R_{1}} можно попросту убрать, приняв его равным бесконечности.

Таким образом, коэффициент передачи усилителя, построенного на ОУ с достаточно большим усилением, практически зависит только от параметров обратной связи. Это полезное свойство позволяет проектировать системы с очень стабильным коэффициентом передачи, необходимые, например, при измерениях и обработке сигналов.

Инвертирующий усилитель

Для операционного усилителя, включенного по инвертирующей схеме, расчёт при принятых допущениях тоже не представляет сложности. Для этого следует заметить, что напряжение в средней точке делителя, а именно на инвертирующем входе (−) усилителя равно 0 (так называемая виртуальная земля). Отсюда падения напряжения на резисторах равны, соответственно, входному и выходному напряжениям. Ток через резисторы тоже можно принять одинаковым, поскольку через инвертирующий вход (−) ток практически отсутствует, как было указано выше.

Отсюда:

VinRin=−VoutRf{\displaystyle {\frac {V_{in}}{R_{in}}}=-{\frac {V_{out}}{R_{f}}}}

Vout=−Vin⋅RfRin{\displaystyle V_{out}=-V_{in}\cdot {\frac {R_{f}}{R_{in}}}}

Следует обратить внимание, что в инвертирующей схеме включения коэффициент усиления может быть как больше, так и меньше единицы и зависит от номиналов резисторов делителя. То есть, усилитель может использоваться как активный аттенюатор (ослабитель) входного напряжения

Преимуществом этого решения над пассивным аттенюатором заключается в том, что с точки зрения источника сигнала аттенюатор выглядит как обычный резистор нагрузки, подключенный между сигналом и землёй (в данном случае так называемой «виртуальной»), то есть является обычной активной нагрузкой (разумеется, без учёта паразитных ёмкостей и индуктивностей). Это значительно упрощает расчёт влияния нагрузки на источник сигнала и их взаимное согласование.

Простейшие схемы с обратной связью

Из рассмотрения принципа работы идеального ОУ следует очень простая методика проектирования схем:

Таким образом, требуемое состояние системы будет устойчивым состоянием равновесия, и система будет в нем находиться неограниченно долго. Пользуясь этим упрощённым подходом, несложно получить простейшую схему неинвертирующего усилителя.

От усилителя требуется наличие на выходе напряжения, отличающегося от входного в K{\displaystyle K} раз, то есть Uout=Uin⋅K{\displaystyle U_{out}=U_{in}\cdot K}. В соответствии с приведённой выше методикой подадим на неинвертирующий вход ОУ сам входной сигнал, а на инвертирующий — часть выходного сигнала с резистивного делителя.

Неинвертирующий усилитель

Расчёт реального коэффициента усиления для идеального (или реального, но который можно с определёнными допущениями считать идеальным) усилителя очень прост. Заметим, что в том случае, когда усилитель находится в состоянии равновесия, напряжения на его входах можно считать одинаковыми. Исходя из этого следует, что падение напряжения на резисторе R1{\displaystyle R_{1}} равно Vin{\displaystyle V_{in}}, а на всём делителе сопротивлением R1+R2{\displaystyle R_{1}+R_{2}}, падает Vout{\displaystyle V_{out}}. Заметим, что, поскольку входное сопротивление операционного усилителя очень велико, то током, поступающим на инвертирующий (−) вход усилителя можно пренебречь, и ток, протекающий через резисторы делителя, можно принять одинаковым. Ток через R1{\displaystyle R_{1}} равен IR1=VinR1{\displaystyle I_{R_{1}}={\frac {V_{in}}{R_{1}}}}, а через весь делитель IR1+R2=VoutR1+R2{\displaystyle I_{R_{1}+R_{2}}={\frac {V_{out}}{R_{1}+R_{2}}}}.

Таким образом:

IR1=IR1+R2{\displaystyle I_{R_{1}}=I_{R_{1}+R_{2}}}

Откуда:

VinR1=VoutR1+R2{\displaystyle {\frac {V_{in}}{R_{1}}}={\frac {V_{out}}{R_{1}+R_{2}}}}

Vout=Vin⋅R1+R2R1=Vin⋅(1+R2R1){\displaystyle V_{out}=V_{in}\cdot {\frac {R_{1}+R_{2}}{R_{1}}}=V_{in}\cdot \left(1+{\frac {R_{2}}{R_{1}}}\right)}

Можно рассуждать немного проще, сразу заметив, что VoutVin=R1+R2R1{\displaystyle {\frac {V_{out}}{V_{in}}}={\frac {R_{1}+R_{2}}{R_{1}}}}.

Следует обратить внимание, что в неинвертирующей схеме включения коэффициент усиления напряжения всегда больше или равен 1, вне зависимости от номиналов используемых резисторов. Если сопротивление R2{\displaystyle R_{2}} равно нулю, то мы получаем неинвертирующий повторитель напряжения имеющий коэффициент усиления напряжения 1.. А поскольку:

А поскольку:

∀n∈R+limn→∞n={\displaystyle \forall n\in \mathbb {R} ^{+}\lim _{n\to \infty }{\frac {0}{n}}=0},

то сопротивление R1{\displaystyle R_{1}} можно попросту убрать, приняв его равным бесконечности.

Таким образом, коэффициент передачи усилителя, построенного на ОУ с достаточно большим усилением, практически зависит только от параметров обратной связи. Это полезное свойство позволяет проектировать системы с очень стабильным коэффициентом передачи, необходимые, например, при измерениях и обработке сигналов.

Инвертирующий усилитель

Для операционного усилителя, включенного по инвертирующей схеме, расчёт при принятых допущениях тоже не представляет сложности. Для этого следует заметить, что напряжение в средней точке делителя, а именно на инвертирующем входе (−) усилителя равно 0 (так называемая виртуальная земля). Отсюда падения напряжения на резисторах равны, соответственно, входному и выходному напряжениям. Ток через резисторы тоже можно принять одинаковым, поскольку через инвертирующий вход (−) ток практически отсутствует, как было указано выше.

Отсюда:

VinRin=−VoutRf{\displaystyle {\frac {V_{in}}{R_{in}}}=-{\frac {V_{out}}{R_{f}}}}

Vout=−Vin⋅RfRin{\displaystyle V_{out}=-V_{in}\cdot {\frac {R_{f}}{R_{in}}}}

Следует обратить внимание, что в инвертирующей схеме включения коэффициент усиления может быть как больше, так и меньше единицы и зависит от номиналов резисторов делителя. То есть усилитель может использоваться как активный аттенюатор (ослабитель) входного напряжения

Преимуществом этого решения над пассивным аттенюатором заключается в том, что с точки зрения источника сигнала аттенюатор выглядит как обычный резистор нагрузки, подключенный между сигналом и землёй (в данном случае так называемой «виртуальной»), то есть является обычной активной нагрузкой (разумеется, без учёта паразитных ёмкостей и индуктивностей). Это значительно упрощает расчёт влияния нагрузки на источник сигнала и их взаимное согласование.

Всего один биполярный транзистор

Самая простая схема для буферизации выходного тока операционного усилителя выглядит так:

Операционный усилитель принцип работы для чайниковРисунок 1 – Схема для буферизации выходного тока операционного усилителя на биполярном транзисторе

А вот соответствующая схема LTspice:

Операционный усилитель принцип работы для чайниковРисунок 2 – Схема для буферизации выходного тока операционного усилителя на биполярном транзисторе в LTspice

Давайте получим четкое понимание идеи этой схемы, прежде чем двигаться дальше. Входной сигнал подается на неинвертирующий вход операционного усилителя, а выход ОУ подключается непосредственно к базе биполярного транзистора. Операционный усилитель и биполярный транзистор могут использовать один и тот же положительный источник питания, но в этом случае мы предполагаем, что доступны два напряжения – источник питания 5 В для маломощных, малошумящих схем и 12 В для мощной части проекта. Значение резистора нагрузки очень низкое, поэтому выходные напряжения более 200 мВ, приложенные непосредственно к нагрузке, потребуют большего выходного тока, чем может обеспечить LT6203. Транзистор, выбранный в схеме LTspice, может работать с токами около 1000 мА, что означает, что он подходит для напряжений на нагрузке до 5 В.

Ключевым моментом этой схемы является соединение обратной связи. Помните «виртуальное короткое замыкание»: при анализе операционного усилителя в схеме с отрицательной обратной связью мы можем предположить, что напряжение на неинвертирующем входе равно напряжению на инвертирующем входе. Уже одно это говорит нам о том, что выходное напряжение (то есть напряжение на нагрузке) будет равно входному напряжению. Но давайте пойдем немного глубже, чтобы убедиться, что мы действительно понимаем, что происходит; виртуальное короткое замыкание – это своего рода суеверие, которое может отвлечь нас от реальной работы операционного усилителя. Операционный усилитель умножает дифференциальное входное напряжение на очень большой коэффициент усиления. Таким образом, с отрицательной обратной связью операционный усилитель быстро достигает равновесия, потому что большие изменения выходного напряжения уменьшают дифференциальное напряжение, которое вызывает эти самые выходные изменения. В этом состоянии равновесия выход стабилизируется при любом напряжении, что устраняет разницу между напряжениями на инвертирующем и неинвертирующем входах – иными словами, операционный усилитель автоматически регулирует свой выходной сигнал любым способом, необходимым для того, чтобы Vвх– было равно Vвх+.

В контексте этой схемы буферизации выходного сигнала операционный усилитель автоматически генерирует любое выходное напряжение, необходимое для того, чтобы сделать напряжение эмиттера биполярного транзистора равным входному напряжению. Подумайте, насколько сложно это было бы в ситуации разомкнутой петли – каким-то образом необходимо было бы рассчитать соотношение между входным и выходным сигналами усилителя, чтобы компенсировать падение напряжения база-эмиттер биполярного транзистора, которое не является ни линейным, ни предсказуемым. Но с операционным усилителем и некоторой отрицательной связью проблема становится тривиальной.

Давайте подкрепим это понимание идеи парой симуляций. Первая не очень захватывающая; она просто подтверждает, что выходное напряжение следует за входным напряжением (график входного напряжения Vin скрыт под графиком выходного напряжения Vout):

Операционный усилитель принцип работы для чайниковРисунок 3 – График входного и выходного напряжений схемы

На следующем графике показано, что должно быть на выходном выводе операционного усилителя, чтобы обеспечить нужное напряжение на нагрузке.

Операционный усилитель принцип работы для чайниковРисунок 4 – График входного напряжения схемы, выходного напряжения операционного усилителя и выходного напряжения схемы

Обозначения

Операционный усилитель принцип работы для чайников
Обозначение операционного усилителя на схемах

На рисунке показано схематичное изображение операционного усилителя. Выводы имеют следующее значение:

  • V+{\displaystyle V_{\mathrm {+} }} — неинвертирующий вход;
  • V — инвертирующий вход;
  • Vout — выход;
  • VS+ — плюс источника питания (также может обозначаться как VDD{\displaystyle V_{\mathrm {DD} }}, VCC{\displaystyle V_{\mathrm {CC} }}, или VCC+{\displaystyle V_{\mathrm {CC+} }});
  • VS− — минус источника питания (также может обозначаться как VSS{\displaystyle V_{\mathrm {SS} }}, VEE{\displaystyle V_{\mathrm {EE} }}, или VCC−{\displaystyle V_{\mathrm {CC-} }}).

Указанные пять выводов присутствуют в любом ОУ и необходимы для его функционирования. Однако, существуют операционные усилители, не имеющие неинвертирующего входа. В частности, такие ОУ находят применение в аналоговых вычислительных машинах (АВМ).

ОУ, применяемые в АВМ, принято делить на пять классов, из которых ОУ первого и второго класса имеют только один вход.

Операционные усилители первого класса — усилители высокой точности (УВТ) с одним входом. Предназначены для работы в составе интеграторов, сумматоров, устройств слежения-хранения. Высокий коэффициент усиления, предельно малые значения смещения нуля, входного тока и дрейфа нуля, высокое быстродействие обеспечивают снижение погрешности, вносимой усилителем, ниже 0,01 %.

Операционные усилители второго класса — усилители средней точности (УСТ), имеющие один вход, обладающие меньшим коэффициентом усиления и большими значениями смещения и дрейфа нуля. Эти ОУ предназначены для применения в составе электронных устройств установки коэффициентов, инверторов, электронных переключателей, в функциональных преобразователях, в множительных устройствах.

Помимо этого, некоторые ОУ могут иметь дополнительные выводы (предназначенные, например, для установки тока покоя, частотной коррекции, балансировки или других функций).

Выводы питания (VS+ и VS−) могут быть обозначены по-разному (см. выводы питания интегральных схем). Часто выводы питания не рисуют на схеме, чтобы не загромождать её несущественными деталями, при этом способ подключения этих выводов явно не указывается или считается очевидным (особенно часто это происходит при изображении одного усилителя из микросхемы с четырьмя усилителями с общими выводами питания). При обозначении ОУ на схемах можно менять местами инвертирующий и неинвертирующий входы, если это удобно; выводы питания, как правило, всегда располагают единственным способом (положительный вверху).