Операционный усилитель

Содержание

Использование

Термин «Д’оу!» используется многими поклонниками «Симпсонов», и не только ими. Слово прижилось в современной речи и показывает влияние сериала на общество. В новом оксфордском словаре английского языка 1998 года слово определяется как:

«(обычно мягко уничижительно) используется для комментирования неудачного или глупого действия» (англ. (usually mildly derogatory) used to comment on an action perceived as foolish or stupid).

Термин также используется в массовой культуре, иногда как ссылка на программу.

7 февраля 2011 года, на следующий день после неудачного дебюта испанского футболиста Фернандо Торреса в новом клубе Челси, английская газета The Daily Mirror вышла с заголовком «Fernand’oh».

Классификация ОУ

По типу элементной базы

  • На полевых транзисторах
  • На биполярных транзисторах
  • На баллистических транзисторах
  • На электронных лампах (устарели)

По области применения

Выпускаемые промышленностью операционные усилители постоянно совершенствуются, параметры ОУ приближаются к идеальным. Однако улучшить все параметры одновременно технически невозможно или нецелесообразно из-за дороговизны полученного чипа. Для того, чтобы расширить область применения ОУ, выпускаются различные их типы, в каждом из которых один или несколько параметров являются выдающимися, а остальные на обычном уровне (или даже чуть хуже). Это оправдано, так как в зависимости от сферы применения от ОУ требуется высокое значение того или иного параметра, но не всех сразу. Отсюда вытекает классификация ОУ по областям применения.

  • Микромощные и программируемые ОУ потребляют малый ток на собственное питание. Такие ОУ не могут быть быстродействующими, так как малый потребляемый ток и высокое быстродействие — взаимоисключающие требования. Программируемыми называются ОУ, для которых все внутренние токи покоя можно задать с помощью внешнего тока, подаваемого на специальный вывод ОУ.
  • Мощные (сильноточные) ОУ могут отдавать большой ток в нагрузку, то есть допустимое сопротивление нагрузки меньше стандартных 2 кОм, и может составлять до 50 Ом.
  • Низковольтные ОУ работоспособны при напряжении питания 3 В и даже ниже. Как правило, они имеют rail-to-rail выход.
  • Высоковольтные ОУ. Все напряжения для них (питания, синфазное входное, максимальное выходное) значительно больше, чем для ОУ широкого применения.
  • Быстродействующие ОУ имеют высокую скорость нарастания и частоту единичного усиления. Такие ОУ не могут быть микромощными, и как правило выполнены на биполярных транзисторах.
  • Малошумящие ОУ.
  • Звуковые ОУ. Имеют минимально возможный коэффициент гармоник (THD). Примеры: LM4562 (THD 0,00003 %), OPA2132 (THD 0,00008 %), LME49600 (THD 0,00003 %), AD797 (THD 0,0001 %) и т. п.
  • Для однополярного питания. CMOS ОУ обеспечивают выходное напряжение, практически равное напряжению питания (rail-to-rail, R2R), биполярные ОУ — примерно на 1.2 В меньше, что существенно при небольших значениях Ucc.
  • Разностные ОУ (англ. Difference Amplifier, не путать с Differential amplifier). Имеют выдающийся коэффициент ослабления синфазного напряжения (англ. CMRR). Измеряют малые напряжения на фоне сильных помех, что характерно, к примеру, для токовых шунтов. Примеры: INA214, INA333.
  • ОУ (или точнее, готовые усилительные каскады) с переменным коэффициентом усиления.
  • Специализированные ОУ. Обычно разработаны для конкретных задач: например, подключение фотодатчика или магнитной головки ко входу; динамического громкоговорителя к выходу. Могут содержать в себе готовые цепи ООС или отдельные необходимые для этого прецизионные резисторы.

Возможны также комбинации данных категорий, например, прецизионный быстродействующий ОУ.

Другие классификации

По входным сигналам:

  • Обычный двухвходовый ОУ;
  • ОУ с тремя входами: третий вход, имеющий коэффициент передачи +1 (для чего используется внутренняя ООС), используется для расширения возможностей ОУ, например, смещение по напряжению выходных сигналов относительно входных, или возможность построения каскада с высоким выходным сопротивлением синфазному сигналу, что напоминает трансформатор с двумя обмотками, однако каскад на AD8132 передаёт и постоянный ток, что трансформатор не может.

По выходным сигналам:

  • Обычный ОУ с одним выходом;
  • ОУ с дифференциальным выходом

Названия эпизодов

Первоначально у слова не было официального правописания. Поэтому оно писалось как «(Annoyed Grunt)» (рус. «Раздражённое ворчание»).

  • «Simpsoncalifragilisticexpiala(Annoyed Grunt)cious» (Сезон 8, 1997)
  • «E-I-E-I-(Annoyed Grunt)» (Сезон 11, 1999)
  • «I, (Annoyed Grunt)-Bot» (Сезон 15, 2004)
  • «G.I. (Annoyed Grunt)» (Сезон 18, 2006)

в названии восьми эпизодов присутствует «D’oh»:

  • «D’oh-in in the Wind» (Сезон 10, 1998)
  • «Days of Wine and D’oh’ses» (Сезон 11, 2000)
  • «C.E. D’oh» (Сезон 14, 2003)
  • «We’re on the Road to D’ohwhere» (Сезон 17, 2006)
  • «He Loves to Fly and He D’ohs» (Сезон 19, 2007)
  • «Waverly Hills 9-0-2-1-D’oh» (Сезон 20, 2009)
  • «The Greatest Story Ever D’ohed» (Сезон 21, 2010)
  • «The Falcon and the D’ohman» (Сезон 23, 2011)

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.

«Ауф» и цитаты «волков»

«Ауф» считается атрибутом «пацанской» субкультуры, носители которой сравнивают себя с волками, всячески выпячивая свою мужественность и брутальность.

Вероятно, это междометие пришло из южных регионов. Некоторые любители народной этимологии не исключают, что «ауф» изначально — звукоподражание волчьему вою или звуку стартующей машины.

Сегодня «ауф» нередко используется с иронией, при высмеивании «пацанских цитат» и низкоинтеллектуальных «волков» на заниженных машинах. Нередко это слово сопровождается изображением волка или эмодзи с указательным пальцем, многозначительно поднятым вверх.

Операционный усилитель

Что будет на выходе ОУ, если на обоих входах будет ноль вольт?

Итак, мы рассмотрели случай, когда напряжение на входах может различаться. Но что будет, если они будут равны? Что нам покажет Proteus в этом случае? Хм, показал +Uпит.

А что покажет Falstad? Ноль Вольт.

Кому верить? Никому! В реале, такое сделать невозможно, чтобы на два входа загнать абсолютно равные напряжения. Поэтому такое состояние ОУ будет неустойчивым и значения на выходе могут принимать  значения или -E Вольт, или +E Вольт.

Давайте подадим синусоидальный сигнал амплитудой в 1 Вольт и частотой в 1 килоГерц на НЕинвертирующий вход, а инвертирующий посадим на землю, то есть на ноль.

Смотрим, что имеем на виртуальном осциллографе:

Что можно сказать в этом случае? Когда синусоидальный сигнал находится в отрицательной области, на выходе ОУ у нас -Uпит, а когда синусоидальный сигнал находится в положительной области, то и на выходе имеем +Uпит.

Идеальный операционный усилитель

Для того, чтобы рассматривать функционирование ОУ в режиме с обратной связью, необходимо вначале ввести понятие идеального операционного усилителя. Идеальный ОУ является физической абстракцией, то есть не может реально существовать, однако позволяет существенно упростить рассмотрение работы схем на ОУ благодаря использованию простых математических моделей.

Идеальный ОУ описывается формулой (1) и обладает следующими характеристиками:

  1. бесконечно большой собственный коэффициент усиления;
  2. бесконечно большое входное сопротивление входов V и V+, то есть ток, протекающий через эти входы, равен нулю;
  3. нулевое выходное сопротивление выхода ОУ;
  4. способность выставить на выходе любое значение напряжения;
  5. бесконечно большая скорость нарастания напряжения на выходе ОУ;
  6. полоса пропускания от постоянного тока до бесконечности.

Пункты 5 и 6 в действительности следуют из формулы (1), поскольку в неё не входят временны́е задержки и фазовые сдвиги. Из формулы (1) следует, что для поддержания нужного напряжения на выходе необходимо поддерживать следующую разность входных напряжений:

V+−V−=VoutGopenloop{\displaystyle V_{+}-V_{-}={\frac {V_{\mathrm {out} }}{G_{\mathrm {openloop} }}}}

Так как собственный коэффициент усиления идеального ОУ бесконечно большой, то разность входных напряжений стремится к нулю. Отсюда следует важнейшее свойство идеального ОУ, упрощающее рассмотрение схем с его использованием:

Другими словами, при указанных условиях всегда выполняется равенство:

V+−V−={\displaystyle V_{+}-V_{-}=0} (2)

Не следует думать, что ОУ выравнивает напряжения на своих входах, подавая напряжение на входы «изнутри». На самом деле ОУ выставляет на выходе такое напряжение, которое через обратную связь подействует на входы таким образом, что разность входных напряжений уменьшится до нуля.

Легко убедиться в справедливости равенства (2). Допустим, (2) нарушено — имеет место небольшая разность напряжений. Тогда входное дифференциальное напряжение, усиленное в ОУ, вызвало бы (вследствие бесконечного коэффициента усиления) бесконечно большое выходное напряжение, которое, в соответствии с определением ООС, ещё уменьшило бы разность входных напряжений. И так до тех пор, пока равенство (2) не будет выполнено. Заметим, что выходное напряжение может быть любым — оно определяется видом обратной связи и входным напряжением.

Сложение двух сигналов в программном симуляторе

Но что, если нам надо сложить в теории два каких-нибудь два сложных сигнала с разными фазами, амплитудами, частотами? Здесь проще всего прибегнуть как различным симуляторам. Один из них – это Proteus. С помощью него я могу сложить два любых сигнала и посмотреть их сумму. Для этого выбираю синусоидальный генератор

потом виртуальный осциллограф

Собираю схему

Операционный усилитель

Щелкаю два раза на генератор и задаю его параметры

Операционный усилитель

Давайте сложим два наших синусоидальных сигнала с одинаковыми амплитудами, фазами и частотами, как во втором примере

Операционный усилитель

Прописываем амплитуду и частоту каждого сигнала, остальное ничего не трогаем. Потом нажимаем “пуск”

Потом нажимаем правой кнопкой мыши на наш виртуальный осциллограф и нажимаем Digital Oscilloscope

Операционный усилитель

Сигнал с канала B я немного сдвинул вниз, иначе он совпадает с сигналом А. Оно и неудивительно, так как это два идентичных сигнала.

Операционный усилитель

Для того, чтобы найти их сумму, нам достаточно нажать на кнопку A+B

Операционный усилитель

Получаем сумму двух сигналов

Операционный усилитель

В таком виртуальном осциллографе можно складывать любые два сигнала.

Давайте сложим два таких сигнала

Операционный усилитель

Нажимаем A+B и получаем вот такую сумму сигналов

Операционный усилитель

А давайте сдвинем синусоидальный сигнал на 90 градусов по фазе. Имеем

Операционный усилитель

В результате сумма сигналов будет

Операционный усилитель

На моем реальном цифровом осциллографе тоже имеется такая функция

Операционный усилитель

Здесь на примере ниже я суммирую два сигнала: синусоидальный и прямоугольный.  Зеленая осциллограмма – это сумма двух этих сигналов.

Операционный усилитель

Образовательная организация или учреждение как правильно

Письмо Минобрнауки России от 10.06.2013 N ДЛ-151/17 “О наименовании образовательных учреждений”

Наименования образовательных учреждений должны быть приведены в соответствие с новым Федеральным законом об образовании не позднее 1 января 2016 года

Отмечается, что переименование образовательного учреждения, в первую очередь, будет связано с приведением его типа с учетом его организационно-правовой формы в соответствие с Федеральным законом об образовании. Если в отношении образовательного учреждения тип не меняется, то его переименование в рамках Федерального закона об образовании не потребуется.

Разъясняется, что понятие “образовательная организация” используется в новом Федеральном законе об образовании, в связи с тем, что образовательные организации могут создаваться не только в форме учреждения. Сообщается, что в наименовании образовательных учреждений слово “учреждение” не требуется заменять словом “организация”.

В письме приведены примеры наименований образовательных организаций, которые необходимо будет сменить для приведения в соответствие с новым законом. Среди них в частности:

— муниципальное бюджетное образовательное учреждение “Школа” должно быть переименовано в муниципальное бюджетное общеобразовательное учреждение “Школа”;

— образовательные учреждения начального профессионального образования и образовательные учреждения среднего профессионального образования — в профессиональные образовательные учреждения;

образовательные автономные учреждения высшего профессионального образования — в образовательные автономные учреждения высшего образования;

— образовательные учреждения дополнительного образования детей — в учреждения дополнительного образования;

— образовательные учреждения дополнительного профессионального образования (повышения квалификации) специалистов — в учреждения дополнительного профессионального образования.

Предварительный просмотр:

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

от 10 июня 2013 г. N ДЛ-151/17

О НАИМЕНОВАНИИ ОБРАЗОВАТЕЛЬНЫХ УЧРЕЖДЕНИЙ

Министерство образования и науки Российской Федерации в связи с участившимися вопросами по переименованию образовательных учреждений в связи с вступлением в силу с 1 сентября 2013 г. Федерального закона от 29 декабря 2012 г. N 273-ФЗ “Об образовании в Российской Федерации” (далее — Федеральный закон об образовании) информирует.

Согласно части 5 статьи 108 Федерального закона об образовании наименования образовательных учреждений подлежат приведению в соответствие с указанным законом не позднее 1 января 2016 года.

В соответствии с частью 5 статьи 23 Федерального закона об образовании наименование образовательной организации должно содержать указание на ее организационно-правовую форму и тип образовательной организации.

При этом необходимо иметь в виду, что согласно части 6 статьи 108 Федерального закона об образовании при переименовании образовательных учреждений их тип указывается с учетом их организационно-правовой формы.

Типы образовательных организаций установлены в части 2 статьи 23 Федерального закона об образовании.

В свою очередь понятие “образовательная организация” используется в Федеральном законе об образовании, в связи с тем, что образовательные организации могут создаваться не только в форме учреждения.

Согласно части 1 статьи 22 Федерального закона об образовании образовательная организация создается в форме, установленной гражданским законодательством для некоммерческих организаций.

Одной из организационно-правовых форм некоммерческих организаций является, в том числе, учреждение (казенное, бюджетное, автономное).

Учитывая изложенное, Федеральным законом об образовании не предусмотрено включение в наименование образовательной организации общеродового названия всех юридических лиц — “организация”, из чего следует, что в наименовании образовательных учреждений слово “учреждение” не требуется заменять словом “организация”.

Специальное образование

Существуют также и коррекционные или специальные общеобразовательные учреждения. Для кого они предназначены? Туда определяются детки, у которых есть некие проблемы с развитием, или же ограниченные возможности здоровья. Однако надо отметить, что современная система образования предлагают альтернативный вариант – инклюзивное образование для удачной социализации таких малышей. Хотя на практике не всегда все получается настолько отлично, как в теории. Еще один альтернативный вариант для таких ребят – дистанционное обучение. Однако и тут возникают проблемы с дальнейшим внедрением детей в общество.