Операційні підсилювачі

Операційний підсилювач (ОУ) - це основний елемент сучасної аналогової електроніки. Завдяки відмінним характеристикам та простоті розрахунків, ОУ дуже легкі у використанні. Операційні підсилювачі ще називають диференціальними підсилювачами, оскільки вони можуть посилити різницю напруги на входах.

Операційні підсилювачі випускаються як готові мікросхеми, іноді по одному, а іноді і кілька штук в одному корпусі. Існує безліч видів операційних підсилювачів, які відрізняються між собою технічними параметрами, що зрештою впливає на доцільність застосування у конкретних схемах.

Теоретично операційний підсилювач має ідеальні параметри. Насправді ж їх параметри прагнуть ідеальним, проте не досягають їх. Використання поняття «ідеального» операційного підсилювача допомагає спростити розрахунки.

Цими ідеальними параметрами є:

• нескінченно велике посилення при відкритій петлі зворотного зв'язку;
• нескінченно широка смуга частот, що передаються;
• нескінченно великий вхідний опір;
• імпеданс дорівнює нулю;
• вихідна напруга дорівнює нулю при рівності вхідної напруги.

Як ви можете бачити, такі параметри не можуть бути забезпечені повною мірою, але рік у рік ОУ реально дедалі більше наближаються до ідеалу.

Є кілька основних схем роботи операційного підсилювача:

• інвертуючий
• неінвертуючий
• віднімання
• додавання
• диференціювання
• інтегрування
• повторювач напруги
• аналоговий компаратор

Схема підсилювача, що інвертує

Це основна схема, де працює ОУ. Робота операційного підсилювачахарактеризується як посиленням (чи ослабленням) вхідного сигналу, а й зміною його фази. Посилення позначається буквою k. Наведений нижче графік показує вплив операційного підсилювача у такій схемі:

Синім кольором представлений графік вхідного сигналу, а червоним графік вихідного сигналу, причому посилення системи становить 2 (k=2). Як видно, амплітуда вихідного сигналу в два рази вище, ніж амплітуда вхідного сигналу, а також видно, що сигнал перевернутий.

Схема такого підсилювача досить проста і представлена ​​на наступному малюнку:

Ця схема доводить, чому операційні підсилювачі настільки популярні. Для того, щоб обчислити значення елементів, нам достатньо використовувати наступну формулу:

Як видно, резистор R3 не впливає на посилення схеми і можна було б обійтися без нього, з'єднавши позитивний вхід підсилювача з мінусом живлення. У цьому випадку резистор R3 використовується як захист.

Схема підсилювача, що не інвертує

У схемі неінвертуючого підсилювача ситуація дуже схожа з підсилювачем, що інвертує, з тією лише різницею, що тут не відбувається інверсія сигналу, тобто фаза зберігається. Наведений нижче графік показує, що відбувається з посиленим сигналом:

Так само, як і в попередній схемі, коефіцієнт посилення дорівнює k=2, а на вхід подано синусоїдальний сигнал. Як видно, зміну зазнала лише амплітуда сигналу.

Нижче наведено принципову схему використання операційного підсилювача як неінвертуючого підсилювача:

Дана схема підсилювача також є дуже простою, тут є два резистори. Вхідний сигнал подається на позитивний вхід ОП. Щоб розрахувати посилення необхідно застосувати формулу:

З формули видно, що посилення може бути менше одиниці, т. е. така схема не дозволяє придушити сигнал.

Операційний підсилювач у схемі віднімання (диференціальний підсилювач)

Іншим типом схеми використання ОУ є диференціальний підсилювач, який дозволяє отримати різницю двох вхідних сигналів, яка згодом може бути посилена. На графіку, наведеному нижче, наведено принцип роботи системи.

Наступна схема дозволяє реалізувати таку роботу операційного підсилювача:

Схема є складнішою проти попередніми. Щоб розрахувати напругу на виході, слід застосувати формулу:

Перша частина рівняння відповідає за посилення (або ослаблення), а друга частина – це різниця двох напруг.

Операційний підсилювач у схемі складання

Цей тип функції повністю протилежний функції віднімання. Його цікавою особливістю є те, що тут може бути опрацьовано більше двох сигналів. На цьому принципі ґрунтуються всі аудіо мікшери.

Як видно на схемі, можна підсумовувати безліч сигналів, схема проста і інтуїтивно зрозуміла. Для розрахунку використовуємо формулу:

---