Операционный усилитель для чайников

Автор: Владимир Васильев · Опубликовано 10 декабря 2015 · Обновлено 29 августа 2018
Приветствую вас дорогие друзья!

Вот напоследок добрался я до собственного компьютера, приготовил себе чайку с печеньками и понеслась…

Схемы включения оу

Для тех кто первый раз на моем блоге и не очень понимает что тут происходит спешу напомнить, меня зовут Владимир Васильев и на данных страничках я делюсь с собственными читателями сакральными познаниями из области электроники и не только электроники. Так что может быть и вы тут найдете для себя что-то полезное, как минимум я на это надеюсь. Обязательно подпишитесь, тогда вы ничего не пропустите.

А сегодня речь пойдёт о таком электронном устройстве как операционный усилитель. Эти усилители используются везде, везде где требуется улучшить сигнал по мощности найдется работенка для операционника.
Особенно популярно использование операционных усилителей в аудиотехнике.

Каждый аудиофилл стремится улучшить звучание собственных музыкальных колонок и благодаря этому пытается привинтить усилитель по мощнее. Вот тут мы и встречаемся с операционными усилителями, ведь многие аудиосистемы просто нашпигованы ими.

Из-за своего свойства операционного усилителя усиливать сигнал по мощности мы ощущаем более мощное давление на собственные барабанные перепонки когда слушаем композиции на собственных аудио колонках. Вот так вот в бытовых условиях мы оцениваем качество работы операционного усилителя на слух.
В э той статье на слух мы оценивать ничего не будем но попытаемся рассмотреть все подробно и разложим все по полочкам чтобы стало ясно даже очень самоварному чайнику .

Что такое операционный усилитель ?

Операционные усилители собой представляют микросхемы которые выглядят по-разному.

Схемы включения оу

К примеру на данной картинке нарисованы два операционных усилителя отечественного производства. Слева операционный усилитель К544УД2АР в пластмассовом DIP корпусе а с правой стороны изображен операционник в корпусе из металла.

По началу, до знакомства с операционниками, микросхемы в подобных железных корпусах я регулярно путал с транзисторами. Считал что это такие хитромудрые многоэмиттерные транзисторы ??

Относительное графическое обозначение (УГО)

Относительное обозначение операционного усилителя выглядит так.

Схемы включения оу

Итак операционный усилитель (ОУ) имеет два входа и один выход. Также имеются выводы для подсоединения питания но на условных графических обозначениях их как правило не указывают.

Для подобного усилителя существует два правила которые смогут помочь понять рабочий принцип:

  1. Выход операционника стремится к тому, чтобы разница стрессов на его входах была равна нулю
  2. Входы операционного усилителя ток не потребляют

Вход 1 отмечается знаком «+» и именуется неинвертирующим а вход 2 отмечается как «-» и считается инвертирующим.
Входы операционника обладают высоким входным сопротивлением или иначе говорят высоким импедансом.

Это говорит про то, что входы операционного усилителя ток практически не потребляют (буквально какие-нибудь наноамперы). Усилитель просто оценивает величину стрессов на входах и исходя от этого выдаёт сигнал на выходе усиливая его.
Показатель усиления операционного усилителя имеет просто большое значение, достигает миллиона, а это довольно важное значение!

Значит это то, что если мы ко входу приложим маленькое напряжение, хотябы 1 мВ, то на выходе получаем сразу максимум, напряжение практически равное напряжению источника питания ОУ. Из-за такого свойства операционники фактически никогда не применяют без обратной связи (ОС).

На самом деле какой смысл во входном сигнале если на выходе мы всегда получаем максимальное напряжение, но про это побеседуем немного позднее.
Входы ОУ работают так, что если величина на неинвертирующем входе окажется более чем на инвертирующем, то на выходе будет максимальное положительное значение +15В. Если на инвертирующем входе величина напряжения окажется более положительной то на выходе будем наблюдать максимум отрицательной величины, где нибудь -15В.

На самом деле операционный усилитель способен выдавать значения стрессов как положительной так и отрицательной полярности. У новичка может появиться вопрос про то как же это может быть?

Но такое на самом деле возможно и это связано с использованием источника питания с расщепленным напряжением, говоря иначе двуполярным питанием. Необходимо рассмотреть питание операционника чуток детальнее.

Хорошее питание ОУ

Наверняка не будет секретом, что для того, чтобы операционник работал, его необходимо запитать, т.е. подключить его к источнику питания. Однако есть интересный момент, как мы поняли чуток раньше операционный усилитель способен выдавать на выход напряжения как положительной так и отрицательной полярности.

Как подобное может быть?
А такое возможно! Это связано с использованием двуполярного источника питания, разумеется возможно применение и однополярного источника но в данном варианте возможности операционного усилителя будут лимитированны.

Вообще в работе с источниками питания многое зависит от того что мы взяли за отправную точку т.е. за 0 (ноль). Давайте с этим попытаемся разобраться.

Пример на батарейках

В большинстве случаев варианты легче всего приводить на пальцах однако в электронике думаю подойдут и пальчиковые батарейки ??
Допустим у нас есть обыкновенная пальчиковая батарейка (батарейка типа АА).

У нее имеются два полюса плюсовой и минусовой. Когда минусовой полюс мы принимаем за ноль, считаем нулевой точкой отсчета то исходя из этого плюсовой полюс батарейки будет у нас демонстрировать + 5В (значение с плюсом).
Это мы можем увидеть при помощи мультиметра (кстати статья про мультиметры в помощь), необходимо только подключить минусовой черный щуп к минусу батарейки а красный щуп к плюсу и вуаля.

Тут все просто и логично.

Схемы включения оу

Теперь немного усложним задачу и возьмём точно аналогичную вторую батарейку. Подключим батарейки постепенно и рассмотрим как меняются показания приборов для измерений (мультиметров или вольтметров) в зависимости от различных точек приложения щупов.
Если мы за ноль приняли минусовой полюс крайней батарейки а меряющий щуп подключим к плюсу батарейки то мультиметр нам покажет значение в +10 В.

Если за отправную точку будет принят позитивный полюс батарейки а меряющий щуп был подключен к минусу то любой вольтметр нам покажет -10 В.
Однако если за отправную точку будет принята точка между 2-мя батарейками то в результате мы сможем плучить простой источник двуполярного питания.

И вы можете в этом удостовериться, мультиметр нам подтвердит что так оно и есть. У нас в наличии будет напряжение как положительной полярности +5В так и напряжение отрицательной полярности -5В.

Схемы источников двуполярного питания

Варианты на батарейках я привел например, чтобы было более ясно. Теперь необходимо рассмотреть пару примеров обычных схем источников расщепленного питания которые можно использовать в своих радиолюбительских конструкциях.

Схема с преобразователем электрической энергии, с отводом от «средней» точки

Схемы включения оу

И первая схема источника питания для ОУ перед вами. Она самая обычная но я немного поясню ее рабочий принцип.
Схема питается от привычной нам домашней сети благодаря этому нет ничего поразительного что на первичную обмотку блока питания приходит электрический ток в 220В.

После преобразователь электрической энергии видоизменяет электрический ток 220В в аналогичный переменный однако уже в 30В. Вот такую вот нам вздумалось произвести трансформацию.
Да на вторичной обмотке будет переменое напряжение в 30В но внимание свое обратите на отвод от средней точки вторичной обмотки.

На вторичной обмотке сделано ответвление, причем кол-во витков до этого ответвления равно числу витков после ответвления.
Из-за этого ответвлению мы можем получить на выходе вторичной обмотки переменое напряжение как в 30 В так и переменку в 15В. Это знание мы берем на вооружение.

Дальше нам необходимо переменку выровнять и превратить в постоянку благодаря этому диодный мост нам в помощь. Диодный мост с такой задачей справился и на выходе мы получили не очень стабильную постоянку в 30В.

Это напряжение будет нам демонстрировать мультиметр если мы подключим шупы к выходу диодного моста, но нам необходимо помнить про ответвление на вторичной обмотке.
Это ответвление мы ведем дальше и подсоединяем между электролитическими конденсаторами и потом между следующией парой высокочастотных кондерчиков. Чего мы этим добились?

Мы добились нулевой точки отсчета между полюсами потенциалов положительной и отрицательной полярности. В результате на выходе мы имеем достаточно постоянное напряжение как +15В так и -15В.

Эту схему разумеется можно также более сделать лучше если добавить стабилитроны или интегральные стабилизаторы однако как правило приведенная схема уже вполне может справиться с задачей питания операционных усилителей.

Схема с 2-мя диодными мостами

Схемы включения оу

Эта схема я так думаю легче, легче в том ключе, что нет нужно искать преобразователь электрической энергии с ответвлением от середины или формировать вторичную обмотку своими силами. Однако тут придется расщедриться на второй диодный мост.

Диодные мосты включены так, что позитивный потенциал вырабатывается с катодов диодиков первого моста, а негативный потенциал выходит с анодов диодов второго моста. Тут нулевая точка отсчета выводится между 2-мя мостами. Скажу также, что тут применяются разделительные конденсаторы, они защищают один диодный мост от воздействий со стороны второго.

Эта схема также легко подвергается разным улучшениям, но самое основное она решает главную задачу — с ее применением можно запитать операционный усилитель.

Обратная связь ОУ

Как я уже упоминал операционные усилители практически в любое время применяют с обратной связью (ОС). Однако что представляет собой обратная связь и зачем она необходима? Попробуем с этим разобраться.

С обратной связью мы встречаемся регулярно: когда хотим налить в чашку чая либо даже сходить в санузел по небольшой нужде ?? Когда человек управляет автомобилем или велосипедом то тут также работает обратная связь. Ведь для того, чтобы ехать легко и естественно мы вынуждены регулярно контролировать управление в зависимости от различных факторов: ситуации на дороге, технического состояния средства передвижения и так дальше.
Если на дороге стало скользко ? Ага мы среагировали, выполнили коррекцию и дальше двигаемся более осторожно.

В операционном усилителе все происходит таким образом.
Без обратной связи при подаче на вход конкретного сигнала на выходе мы всегда получаем одно и тоже значение напряжения.

Оно будет недалеко напряжению питания (так как показатель усиления слишком высокий). Мы не контролируем выходной сигнал. Однако если часть сигнала с выхода мы отправим обратно на вход то что это даст?

Мы сможем контролировать анодное напряжение. Это управление будет на столько практичным, что можно просто забыть про показатель усиления, операционник станет послушным и прогнозируемым так как его поведение зависит только от обратной связи.

Дальше я расскажу как можно хорошо управлять выходным сигналом и как его контролировать, но нам для этого необходимо знать кое-какие детали.

Положительная обратная связь, негативная обратная связь

Да, в операционных усилителях используют обратную связь и слишком широко. Но обратная связь бывает как положительной так и отрицательной.

Нужно бы разобраться в чем суть.
Положительная обратная связь это когда часть выходного сигнала поступает обратно на вход причем она (часть выходного) суммируется с входным.

Положительная обратная связь в операционниках используется не настолько широко как негативная. К тому же положительная обратная связь чаще бывает нежелательным побочным событием некоторых схем и положительной связи пытаются остерегаться. Она считается нежелательной благодаря тому, что эта связь может усиливать искажения в схеме и в конце концов привести к нестабильности.

С другой стороны положительная обратная связь не снижает показатель усиления операционного усилителя что бывает полезно. А нестабильность также находит свое использование в компараторах, которые применяют в АЦП (Аналого-цифровых преобразователях).
Негативная обратная связь это такая связь когда часть выходного сигнала поступает обратно на вход но она при этом вычитается из входного

А вот негативная обратная связь просто создана для операционных усилителей. Не обращая внимания на то, что она способствует некоторому ослаблению коэффициента усиления, она приносит в схему стабильность и управляемость.

В результате схема становится независимой от коэффициента усиления, ее свойства полностью управляются отрицательной обратной связью.
Во время использования отрицательной обратной связи операционный усилитель приобретает одно очень хорошее свойство.

Операционник контролирует состояния собственных входов и стремится к тому, потенциалы на его входах были равны. ОУ подстраивает собственное анодное напряжение таким образом, чтобы результирующий входной потенциал (разница Вх.1 и Вх.2) был нулевым.
Большая часть схем на операционниках выстраивается с использованием отрицательной обратной связи!

Так что Для того чтобы разобраться как работает негативная связь нам необходимо рассмотреть схемы включения ОУ.

Схемы включения операционных усилителей

Схемы включения операционных усилителей могут быть очень многообразны благодаря этому мне врятля получится рассказать про каждую но я постараюсь рассмотреть ключевые.

Компаратор на ОУ

Схемы включения оу

Формулы для компараторной схемы будут такие:

Т.е. в результате будет напряжение подходящее логической единице.

Т.е. в результате будет напряжение подходящее логическому нулю.
Схема компаратора обладает высоким входным сопротивлением (импедансом) и невысоким выходным.
Рассмотрим для начала вот такую схему включения операционника в режиме компаратора.

Эта схема включения лишена обратной связи. Такие схемы используются в цифровой схемотехнике когда необходимо оценить сигналы при входе, узнать какой больше и выдать результат в цифровой форме. В конце концов на выходе будет закономерная 1 или закономерный ноль (например 5В это 1 а 0В это ноль).

Допустим напряжение стабилизации стабилитрона 5В, на вход один мы приложили 3В а к входу 2 мы приложили 1В. Дальше в компараторе происходит следующее, напряжение на прямом входе 1 применяется как есть (просто так как это неинвертирующий вход) а напряжение на инверсном входе 2 инвертируется.

В результате где было 3В так и остается 3В а где был 1В будет -1В.
В результате 3В-1В =2В, однако благодаря коэффициенту усиления операционника на выход пойдёт напряжение равное напряжению источника питания, т.е. порядка 15В.

Но стабилитрон отработает и на выход пойдёт 5В что отвечает логической единице.
Теперь представили, что на вход 2 мы кинули 3В а на вход 1 приложили 1В. Операционник все это прожует, прямой вход оставит без изменений, а инверсный (инвертирующий) изменит на противоположный из 3В сделает -3В.

В результате 1В-3В=-2В, но согласно логике работы на выход пойдёт минус источника питания т.е. -15В. Однако у нас стоит стабилитрон и он это не пропустит и на выходе у нас будет величина близкая нулю.

Это и будет закономерный ноль для цифровой схемы.

Триггер Шмитта на ОУ

Схемы включения оу

Чуть раньше мы разглядывали такую схему включения ОУ как компаратор. В компараторе сравниваются два напряжения при входе и предоставляется результат на выходе.

Но чтобы сопоставлять входное напряжение с нулем необходимо воспользоваться схемой представленной немного больше.
Тут сигнал подается на инвертирующий вход а прямой вход посажен на землю, на ноль.

Если при входе у нас напряжение больше нуля то на выходе будем иметь -15В. Если напряжение меньше нуля то на выходе будет+15В.

Однако что случится если мы захотим подать напряжение равное нулю? Такое напряжение никогда не выйдет сделать, ведь безупречного нуля не бывает и сигнал при входе хоть на доли микровольт но обязательно будет меняться в ту или оборотную сторону. В результате на выходе будут полный беспорядок, анодное напряжение будет неоднократно прыгать предела к минимуму что в работе абсолютно не комфортно.

Для избавления от аналогичного хаоса вводит гистерезист — это некий просвет в границах которого сигнал на выходе не будет меняться.

Схемы включения оу

Данный зазор дает возможность осуществить эта схема при помощи положительной обратной связи.

ATX тестер на компараторах LM339

Представим, что на вход мы подали 5В , на выходе в первое миг выйдет сигнал напряжением в -15В. Дальше начинает отрабатывать положительная обратная связь.

Обратная связь образовывает делитель напряжения благодаря чему на прямом входе операционника возникнет напряжение -1,36В.
На инверсном входе у нас сигнал более позитивный благодаря этому операционный усилитель отработает так. В середине него сигнал в 5В инвертируется и становится -5В, дальше два сигнала складываются и выходит отрицательное значение.

Отрицательное значение благодаря коэффициенту усиления станет -15В. Сигнал на выходе не поменяется пока сигнал при входе не опустится менее -1,36В.
Пускай сигнал при входе поменялся и стал -2В.

В нутрях это -2В инвертируется и станет +2В, а -1,36В как был так и остается. Дальше все это складывается и выходит положительное значение которое на выходе превратится в +15В.

На прямом входе значение -1,36В благодаря обратной связи превратится в +1,36В. Теперь чтобы скорректировать значение на выходе на противоположное необходимо подать сигнал более 1,36В.

Аналогичным образом у нас возникла территория с нулевой чувствительностью с диапазоном от -1,36В до +1,36В. Такая территория нечувствительности называется гистерезис.

Повторитель

Схемы включения оу

Самый обычный владелец отрицательной обратной связи это повторитель.
Повторитель выдаёт на выходе то напряжение, какое было подано на его вход. Кажется для чего это необходимо ведь от этого ничего не меняется.

Однако в этом имеет смысл, ведь вспомним свойство операционника, он обладает высоким входным сопротивлением и невысоким выходным. В схемах повторители выступают в роли буфера, который оберегает от перегрузок хилые выходы.

Чтобы понимать как он функционирует отмотаете чуток назад, там где мы обсуждали отрицательную обратную связь. Там я упоминал, что в случае с отрицательной обратной связью операционник всеми методами стремится к равному потенциалу по собственным входам.

Для этого он подстраивает напряжение на собственном выходе таким образом, чтобы разница потенциалов на его входах равнялась нулю.
Так допустим при входе у нас 1В.

Чтобы потенциалы на входах были раны на инвертирующем входе должен быть также 1В. На то он и повторитель.

Неинвертирующий усилитель

Схемы включения оу

Схема неинвертирующего усилителя очень похожа на схему повторителя, только тут обратная связь представлена делителем напряжения и посажена на землю.
Посмотрим как все это работает.

Допустим на вход подано 5В, резистор R1 = 10Ом, резистор R2 = 10Ом. Чтобы напряжение на входах были равны, операционник вынужден поднять напряжение на выходе таким образом, чтобы потенциал на инверсном входе сравнялся с прямым.

В этом случае делитель напряжения делит надвое, выходит, что напряжение на выходе должно быть вдвое больше напряжения при входе.
Вообще чтобы использовать эту схему включения даже не надо ничего шевелить в голове, нужно только воспользоваться формулой, где достаточно выяснить показатель К.

Инвертирующий усилитель

Схемы включения оу

И в настоящий момент мы будем рассматривать работу такой схемы включения как инвертирующий усилитель. Для инвертирующего усилителя имеются такие формулы:

Инвертирующий усилитель позволяет усиливать сигнал одновременно инвертируя (меняя символ ) его . Причем показатель усиления мы можем задать любой. Этот показатель усиления мы формируем при помощи отрицательной обратной связи, которая собой представляет делитель напряжения.
Теперь попробуем его в работе, допустим при входе у нас сигнал в 1В, резистор R2 = 100Ом, резистор R1 = 10Ом.

Сигнал со входа идет через R1, после R2 и на выход. Допустим сигнал на выходе восхитительным образом стал 0В.

Рассчитаем делитель напряжения.

Схемы включения оу

Выходит что в точке А потенциал равён 0,91В, однако это противоречит правилу операционного усилителя. Ведь операционник стремится уравнять потенциалы на собственных входах. Благодаря этому потенциал в точке А будет равным нулю и равён потенциалу в точке B.

Как сделать так чтобы при входе был 1В а в точке А был 0В?
Для этого необходимо уменьшать напряжение на выходе.

И в результате мы приобретаем

К большому сожалению инвертирующий усилитель обладает одним явным минусом — невысоким входным сопротивлением, которое равняется резистору R1.

Сумматор инвертирующий

Схемы включения оу

А эта схема включения позволяет класть много входных стрессов. Причем напряжения могут быть как позитивными так и негативными. По истине на операционниках можно начинать строить аналоговые компьютеры.

Так чтож давайте разберемся.
Основой сумматора служит все тот же инвертирующий усилитель исключительно с одним отличием, взамен одного входа он как правило имеет данных входов сколько угодно.

Вспомним формулку и инвертирующего усилка.

Потенциал точки Х будет равным нулю благодаря этому сумма токов входящих с каждого входа станет смотреться вот так:

Если нашей целью считается чистое сложение входных стрессов то все резисторы в данной схеме подбираются одного номинала. Это приводит также что показатель усиления для любого входа будет равным 1. Тогда формула для инвертирующего усилителя принимает вид:

Ну чтож, я думаю что с работой сумматора и остальных схем включения на операционниках разобраться легко. Достаточно немного потренироваться и попробовать собрать эти схемы и увидеть что происходит с входными и выходными сигналами.

А я на этом пожалуй остановлюсь ведь в работе с операционными усилителями используются особенно много разных схем включения, это самые разные преобразователи ток-напряжение, сумматоры, интеграторы и логарифмирующие усилители и все их рассматривать можно достаточно долго.
Если вас заинтересовали иные схемы включения и желаете с ними разобраться то рекомендую полистать книжку П.Хоровица и У.Хилла, все обязательно встанет на собственные места.

А на этом я буду заканчивать, тем более статья вышла достаточно объемной и после написания ее необходимо чутка подшлифовать и навести марафет.
Друзья, не забудьте подписываться на изменения блога, потому что чем больше читателей подписано на изменения тем больше я понимаю что делаю что-то важное и полезное и это чертовски подталкивает на новые статьи и материалы.

Кстати друзья, у меня появилась одна клевая идея и мне чрезвычайно важно слышать ваше мнение. Я подумываю выпустить обучающий материал по операционным усилителям, данный материал будет в виде обыкновенной pdf книжки или видеокурса, еще не решил. Я думаю что не обращая внимания на большое изобилие информации на просторах интернета и в литературе все=таки не хватает наглядной практической информации, такой, которую сможет понять каждый.

Так вот, напишите пожалуйста в комментариях какую информацию вы хотели бы видеть в этом обучающем материале чтобы я мог выдавать не просто интересную информацию а информацию которая на самом деле популярна.
А на этом у меня все, благодаря этому я хочу вам пожелать удачи, успехов и чудесного настроения, даже невзирая на то что за окном зима!

Схемы включения операционных усилителей

Схемы включения оу

Типы и схемы включения операционных усилителей. Все про обратную связь усилителей.

Операционные усилители часто применяются для исполнения самых многообразных операций: суммирования сигналов, дифференцирования, интегрирования, инвертирования и т. д. А еще операционные усилители были разработаны как улучшенные
балансные схемы усиления.
Операционный усилитель – многоцелевой практичный компонент, широко применяемый в современных схемах формирования и изменения информационных сигналов разного назначения как в аналоговой, так и в цифровой технике. Давайте дальше рассмотрим виды усилителей.

Инвертирующий усилитель

Схемы включения оу

Рассмотрим схему обычного инвертирующего усилителя:
а) падение напряжения на резисторе R2 равно Uвых,
б) падение напряжения на резисторе R1 равно Uвх.
Uвых/R2 = -Uвх/R1, или показатель усиления по напряжению = Uвых/Uвх = R2/R1.
Для того чтобы понять, как работает обратная связь, представим себе, что на вход подан определенный уровень напряжения, скажем 1 В. Для конкретизации допустим, что резистор R1 имеет сопротивление 10 кОм, а резистор R2 — 100 кОм.

Теперь представим себе, что напряжение на выходе решило выйти из повиновения и стало равно 0 В. Что случится? Резисторы R1 и R2 образовывают делитель напряжения, благодаря которому потенциал инвертирующего входа поддерживается равным 0,91 В. Операционный усилитель фиксирует рассогласование по входам, и напряжение на его выходе начинает уменьшаться. Изменение длится до той поры, пока анодное напряжение не достигнет значения -10 В, в данный момент потенциалы входов ОУ станут похожими и равными потенциалу земли.

Подобно, если напряжение на выходе покажет негативную динамику роста и дальше и станет более негативным, чем -10 В, то потенциал на инвертирующем входе станет ниже потенциала земли, в результате анодное напряжение начнет расти.
Минус данной схемы заключается в том, что она обладает малым входным импедансом, тем более для усилителей с высоким коэффициентом усиления по напряжению (при замкнутой цепи ОС), в которых резистор R1, в основном, бывает маленьким.

Данный недостаток ликвидирует схема, представленная ниже, на рис. 4.

Неинвертирующий усилитель. Усилитель постоянного тока.

Схемы включения оу

Рассмотрим схему на рис. 4. Анализ ее очень прост: UA = Uвх. Напряжение UA снимается с делителя напряжения: UA = Uвых R1 / (R1 + R2).

Если UA = Uвх, то показатель усиления = Uвых / Uвх = 1 + R2 / R1. Это неинвертирующий усилитель.

В приближении, которым мы воспользуемся, входной импеданс этого усилителя бесконечен (для ОУ типа 411 он составляет 1012 Ом и больше, для ОУ на биполярных транзисторах в большинстве случаев превосходит 108 Ом). Выходной импеданс, как и в прошлом случае, равён долям ома.

Если, как в случае с инвертирующим усилителем, мы тщательно рассмотрим поведение схемы при перепаде напряжения на входах, то увидим, что она работает, как обещано.

Усилитель электрического тока

Схема выше также собой представляет усилитель постоянного тока. Если источник сигнала и усилитель между собой связаны по электрическому току, то для входного тока (достаточно короткого по величине) необходимо рассчитать заземление, как показано на рис.

5. Для представленных на схеме величин элементов показатель усиления по напряжению равён 10, а точке -3 дБ отвечает частота 16 Гц.

Схемы включения оу

Усилитель электрического тока. Если усиливаются только сигналы электрического тока, то можно сделать меньше показатель усиления для сигналов постоянного тока до единицы, тем более если усилитель обладает высоким коэффициентом усиления по напряжению.

Это дает возможность сделать меньше влияние всегда существующего конечного «приведенного ко входу напряжения сдвига».

Схемы включения оу

Для схемы, представленной на рис. 6, точке -3 дБ отвечает частота 17 Гц; на данной частоте импеданс конденсатора равён 2,0 кОм. Стоит обратить внимание, что конденсатор должен быть большим.

Если для построения усилителя электрического тока применять неинвертирующий усилитель с большим усилением, то конденсатор оказаться может слишком большим. В данном варианте лучше обойтись без конденсатора и настроить напряжение сдвига таким образом, чтобы оно было равно нулю. Воспользуйтесь еще одним способом — расширить сопротивления резисторов R1 и R2 и применять T-образную схему делителя.

Не обращая внимания на большой входной импеданс, к которому всегда стремятся разработчики, схеме неинвертирующего усилителя не всегда отдают предпочтение перед схемой инвертирующего усилителя. Как мы увидим в последующем, инвертирующий усилитель не предъявляет столь больших требований к ОУ и, поэтому, обладает несколько прекрасными свойствами.

Более того, благодаря мнимому заземлению комфортно сочетать сигналы без их обоюдного влияния один на один. И напоследок, если рассматриваемая схема подсоединена к выходу (стабильному) иного ОУ, то величина входного импеданса для вас равнодушна — это может быть 10 кОм или бесконечность, так как во всяком случае предыдущий каскад будет делать собственные функции в отношении к дальнейшему.

3 4 1 Усилительные каскады на операционных усилителях

Повторитель

На рис. 7 представлен повторитель, аналогичный эммитерному, на основе операционного усилителя.

Схемы включения оу

Он собой представляет не что иное, как неинвертирующий усилитель, в котором сопротивление резистора R1 равно бесконечности, а сопротивление резистора R2 — нулю (показатель усиления = 1). Есть специализированные операционные усилители, предназначающиеся для применения только в качестве повторителей, они обладают усовершенствованными свойствами (по большей части довольно высоким быстродействием), примером такого операционного усилителя считается схема типа LM310 или OPA633, а еще схемы упрощенного типа, к примеру схема типа TL068 (она выпускается в транзисторном корпусе с тремя выводами).

Усилитель с единичным показателем усиления именуют иногда буфером, так как он обладает характеристиками изоляции (большим входным импедансом и малым выходным).

Ключевые предостережения во время работы с ОУ

1. Правила справедливы для любого операционного усилителя при условиях, что он находится в активном режиме, т.е. его входы и выходы не перегружены.
К примеру, если подать на вход усилителя слишком большой сигнал, то это может привести к тому, что выходной сигнал будет срезаться вблизи уровня UКК или UЭЭ. В то время когда напряжение на выходе оказывается фиксированным на уровне напряжения среза, напряжение на входах не может не изменяться.

Масштаб напряжения на выходе операционного усилителя не может быть больше диапазона напряжения питания (в большинстве случаев масштаб меньше диапазона питания на 2 В, хотя не во всех ОУ масштаб анодного напряжения ограниченный одним или остальным напряжением питания). Подобное ограничение накладуется на выходной диапазон стойкости источника тока на основе операционного усилителя. К примеру, в источнике тока с плавающей нагрузкой максимальное падение напряжения на нагрузке при «нормальном» направлении тока (направление тока сходится с направлением приложенного напряжения) составляет UКК — Uвх, а при обратном направлении тока (нагрузка в этом случае может быть достаточно странной, к примеру, она может содержать переполюсованные батареи для получения прямого тока заряда или может быть индуктивной и работать с токами, меняющими направление) -Uвх — UЭЭ.

2. Обратная связь должна быть отрицательной. Это значит (кроме этого), что нельзя путать инвертирующий и неинвертирующий входы.

3. В схеме операционного усилителя должна быть обязательно предусматривается цепь обратной связи по постоянному току, в другом случае операционный усилитель точно попадет в режим насыщения.
4. Многие операционные усилители имеют довольно небольшое предельно допустимое дифференциальное входное напряжение. Самая большая разница стрессов между инвертирующим и неинвертирующим входами может ограничиваться величиной 5 В для любой полярности напряжения.

Если пренебречь данным условием, то возникнут большие входные токи, которые приведут к ухудшению параметров либо даже к разрушению операционного усилителя.
Понятие «обратная связь» (ОС) относится к числу популярных, оно давно вышло за рамки не широкой области техники и применяется теперь в широком смысле. В системах управления обратная связь применяется для сравнения выходного сигнала с заданным значением и выполнения подобающей корректировки.

В качестве «системы» как правило выступает все что угодно, к примеру процесс управления двигающимся по дороге автомобилем — за выходными данными (положением машиты и ее скоростью) наблюдает шофер, который сравнивает их с ожидаемыми значениями и поэтому корректирует входные данные (при помощи руля, переключателя скоростей, тормоза). В усилительной схеме выходной сигнал должен быть кратен входному, благодаря этому в усилителе с обратной связью входной сигнал сравнивается с конкретной частью выходного сигнала.

Все об обратной связи

Негативная обратная связь — это процесс передачи выходного сигнала обратно на вход, при котором погашается часть входного сигнала. Может показаться, что это несмышленая задумка, которая приведет лишь к уменьшению коэффициента усиления.

Конкретно такой отзыв получил Гарольд С. Блэк, который в 1928 г. попытался запатентовать отрицательную обратную связь. «К нашему изопрелению отнеслись также, как к вечному двигателю» (журнал IEEE Spectrum за декабрь 1977 г.). На самом деле, негативная обратная связь снижает показатель усиления, но она при этом делает лучше иные параметры схемы, к примеру ликвидирует искажения и нелинейность, сглаживает частотную характеристику (приводит ее в соответствии с необходимой характеристикой), выполняет поведение схемы прогнозируемым.

Чем глубже негативная обратная связь, тем меньше наружные характеристики усилителя зависят от параметров усилителя с разомкнутой обратной связью (без ОС), и в конечном итоге оказывается, что они зависят лишь от параметров самой схемы ОС. Операционные усилители в большинстве случаев применяют в режиме глубокой обратной связи, а показатель усиления по напряжению в разомкнутой петле ОС (без ОС) может достигать в данных схемах миллиона.
Цепь ОС может быть частотно-зависимой, тогда показатель усиления будет в некотором роде зависеть от частоты (примером послужит предусилитель звуковых частот в проигрывателе со стандартом RIAA); если же цепь ОС считается амплитудно-зависимой, то усилитель обладает нелинейной характеристикой (популярным примером такой схемы служит логарифмический усилитель, в котором в цепи ОС применяется логарифмическая зависимость напряжения UБЭ от тока IК в диоде или транзисторе).

Обратную связь можно применять для формирования источника тока (выходной импеданс близок к бесконечности) или источника напряжения (выходной импеданс близок до нуля), при ее помощи можно получить довольное крупное или очень небольшое входное сопротивление. В принципе, тот параметр, по которому вводится обратная связь, при ее помощи становиться лучше. К примеру, если для обратной связи применять сигнал, пропорциональный выходному току, то получаем хороший источник тока.

Обратная связь может быть и положительной; ее используют, к примеру в генераторах. Как ни удивительно, она не очень полезна, как негативная ОС.

Скорее она связана с неприятностями, так как в схеме с отрицательной ОС на большой частоте могут появляться довольно большие сдвиги по фазе, которые приводят к появлению положительной ОС и нежелательным автоколебаниям. Для того чтобы эти явления возникли, не надо прикладывать немалые усилия, а вот для устранения ненужных автоколебаний прибегают к методам корректировки.

Операционные усилители

Во многих случаях, анализируя схемы с обратной связью, у нас будет дело с операционными усилителями. Операционный усилитель (ОУ) — это дифференциальный усилитель постоянного тока с очень высоким коэффициентом усиления и несимметричным входом.

Прообразом ОУ послужит традиционный дифференциальный усилитель с 2-мя входами и несимметричным выходом; правда, нужно сказать, что настоящие операционные усилители обладают намного более большими коэффициентами усиления (в большинстве случаев порядка 105 — 106) и меньшими выходными импедансами, а еще допускают изменение выходного сигнала практически в полном диапазоне питающего напряжения (в большинстве случаев применяют расщепленные источники питания ±15 В).

Схемы включения оу

Символы «+» и «-» не означают, что на одном входе потенциал всегда должен быть более позитивным, чем на другом; эти символы просто указывают относительную фазу выходного сигнала (это важно, если в схеме применяется негативная ОС). Чтобы не было путаницы лучше именовать входы «инвертирующий» и «неинвертирующий», а не вход «плюс» и вход «минус». На схемах часто не показывают подключение источников питания к ОУ и вывод, который предназначен для заземления.

Операционные усилители обладают большим показателем усиления по напряжению и никогда (за редким исключением) не применяются без обратной связи. Можно сказать, что операционные усилители созданы для работы с обратной связью. Показатель усиления схемы без обратной связи так большой, что если есть наличие замкнутой петли ОС характеристики усилителя зависят лишь от схемы обратной связи.

Разумеется, при более подробном изучении должно оказаться, что такое обобщенное заключение правильно не всегда. Начинаем мы с того, что просто рассмотрим, как работает операционный усилитель, а потом если потребуется будем изучать его очень внимательно.
Промышленность производит буквально сотни типов операционных усилителей, которые обладают разными хорошими качествами друг перед другом.

Всеобщее распространение обрела довольно хорошая схема типа LF411 (или же просто «411»), представленная на рынок фирмой National Semiconductor. Как и все операционные усилители, она собой представляет маленький компонент, расположенный в миниатюрном корпусе с двухрядным расположением выводов мини-DIP.

Эта схема недорога и удобная в обращении; промышленность производит усовершенствованный вариант данной схемы (LF411A), а еще компонент, расположенный в миниатюрном корпусе и содержащий два независимых операционных усилителя (схема типа LF412, которую именуют также «сдвоенный» операционный усилитель). Предлагаем вам схему LF411 в качестве хорошей начальной ступеньки в создании электронных схем.

Схема типа 411 — это кристалл кремния, который содержит 24 транзистора (21 биполярный транзистор, 3 полевых транзистора, 11 резисторов и 1 конденсатор). На рис.

2 показано соединение с выводами корпуса.
Точка на крышке корпуса и углубление на его срезе служат для определения точки отсчета при нумерации выводов.

Во множестве корпусов электронных схем нумерация выводов выполняется по направлению против часовой стрелки со стороны крышки корпуса. Выводы «установка нуля» (или «баланс», «регулировка») служат для устранения маленькой асимметрии, потенциальной в операционном усилителе.

Основные правила

В настоящий момент мы познакомимся с очень важными правилами, которые формируют поведение операционного усилителя, охваченного петлей обратной связи. Они справедливы практически для абсолютно всех жизненных случаев.

Во-первых, операционный усилитель обладает таким высоким коэффициентом усиления по напряжению, что колебание напряжения между входами на несколько долей милливольта вызывает изменение анодного напряжения в границах его полного диапазона, благодаря этому не станем рассматривать это маленькое напряжение, а сформулируем правило I:
I. Выход операционного усилителя стремится к тому, чтобы разница стрессов между его входами была равна нулю.
Второе, операционный усилитель потребляет достаточно компактный входной ток (ОУ типа LF411 потребляет 0,2 на; ОУ со входами на полевых транзисторах — порядка пикоампер); не вдаваясь в намного глубокие подробности, сформулируем правило II:

II. Входы операционного усилителя ток не потребляют.
Тут нужно дать объяснение: правило I не значит, что операционный усилитель на самом деле изменяет напряжение на собственных входах.

Это нереально. (Это было бы не совместимо с правилом II.) Операционный усилитель «оценивает» состояние входов и при помощи внешней схемы ОС передает напряжение с выхода на вход, так что в результате разница стрессов между входами становится равной нулю (если это реально).
Данные правила формируют достаточную основу для рассмотрения схем на операционных усилителях.

Электроника для абсолютно всех

Блог о электронике

Операционный усилитель

Что то часто мне стали спрашивать по аналоговой электронике. Никак сессия студентов за яцы взяла? 😉 Ладно, давно пора двинуть маленькой ликбезик.

В особенности по работе операционных усилителей. Что это, с чем это кушают и как это обсчитывать.
Что это
Операционный усилитель это усилок с 2-мя входами, невье… гхм… большим коэфициентом усиления сигнала и одним выходом. Т.е. у нас Uвых= K*Uвх а К в совершенстве равно бесконечности.

В работе, разумеется, там числа поскромней. Скажем 1000000.

Однако даже такие числа взрывают мозг при попытке их применить напрямую. Благодаря этому, как в детсаду, одна елочка, две, три, много елочек — у нас здесь много усиления 😉 И баста.
А входа два. И один из них прямой, а другой инверсный.
Кроме того, входы высокоомные. Т.е. их входное сопротивление равно бесконечности в замечательном случае и множество в настоящем.

Счёт там идет на сотни МегаОм, а то и на гигаомы. Т.е. оно замеряет напряжение при входе, но на него оказывает влияние минимально.

И можно считать, что ток в ОУ не течет.
Напряжение на выходе в этом случае обсчитывается как:

Схемы включения оу

Понятно, что если на прямом входе напряжение более чем на инверсном, то на выходе плюс бесконечность. А в обратном случае будет минус бесконечность.
Конечно в реальной схеме плюс и минус бесконечности не будет, а их заменять будет максимально высокое и максимально невысокое напряжение питания усилителя. И у нас выйдет:

Компаратор
Устройство позволяющее сопоставлять два аналоговых сигнала и выносить решение — какой из сигналов больше. Уже интересно.

Применений ему можно выдумать массу. Кстати, тот же компаратор вмонтирован в большую половину микроконтроллеров и как им пользоваться я показывал на примере AVR в статьях про применение аналогового компаратора и про создание на его базе АЦП.

Также компаратор хорошо применяется для создания всяких ШИМ сигналов.
Но одним компаратором дело не исчерпывается, ведь если ввести обратную связь, то из ОУ можно создать достаточно многое.
Обратная связь
Если мы сигнал возьмём со выхода и отправим прямо на вход, то появится обратная связь.
Положительная обратная связь
Возьмём и загоним в прямой вход сигнал сразу с выхода.

Схемы включения оу

Что получаем? А ничего интересного, процесс пойдёт по следующей цепочке событий.
В общем, выход быстро свалится в бескрайние минуса, а в реале ляжет на шину негативного питания и усе. Благодаря этому такое включение используется нечасто.

К примеру в триггере Шмитта для оснащения гистерезиса.
Триггер Шмитта
Представим себе компаратор включеный по такой вот схеме и запитанный от +/- 15 вольт:

Схемы включения оу
  • Напряжение U1 больше нуля — на выходе -15 вольт
  • Напряжение U1 меньше нуля — на выходе +15 вольт

А что будет если напряжение будет равно нулю? Как правило на выходе должен быть ноль. Однако в реальности напряжение Никогда не будет равно нулю.

Ведь если даже на один электрон заряд правого перевесит заряд левого, то уже этого вполне достаточно, чтобы на бесконечном усилении вкатить потенциал на выход. И на выходе начнется форменный ад — скачки сигнала то туда, то сюда со скоростью случайных возмущений, наводящихся на входы компаратора.

С целью решения данной проблемы вводят гистерезис. Т.е. своего рода просвет между переключениями из одного состояния в иное.

Для этого вводят положительную обратную связь, вот так:

Схемы включения оу

Думаем, что на инверсном входе в данный момент +10 вольт. На выходе с ОУ минус 15 вольт. На прямом входе уже не ноль, а маленькая часть анодного напряжения с делителя.

Приблизительно -1.4 вольта Теперь, пока напряжение на инверсном входе не уменьшится ниже -1.4 вольта выход ОУ не сменит собственного напряжения. А как только напряжение станет ниже -1.4, то выход ОУ резко перебросится в +15 и на прямом входе будет уже смещение в +1.4 вольта.
И для того, чтобы заменить напряжение на выходе компаратора сигналу U1 нужно будет увеличиться на целых 2.8 вольта, чтобы доехать до верхней рейки в +1.4.
Появляется необычный просвет где нет чувствительности, между 1.4 и -1.4 вольтами. Ширина расстояния изменяется соотношениями резисторов в R1 и R2.

Пороговое напряжение высчитывается как Uout/(R1+R2) * R1 Скажем 1 к 100 даст уже +/-0.14 вольт.
Но все таки ОУ очень часто применяют в режиме с отрицательной обратной связью.
Негативная обратная связь
Окей, воткнем по иному:

Схемы включения оу

В случае отрицательной обратной связи у ОУ возникает интересное свойство. Он всегда будет пытаться так приладить собственное анодное напряжение, чтобы напряжения на входах были равны, в результате давая нулевую разница.
Пока я в большой книге от товарищей Хоровица и Хилла это не прочитал никак не имел возможности вьехать в работу ОУ. А оказалось все просто.
Повторитель
И вышел у нас повторитель. Т.е. при входе U1, на инверсном входе Uout = U1.

Ну и выходит, что Uout = U1.
Спрашивается нафига нам такое счастье? Можно же было напрямую бросить кабель и не требуется будет никакой ОУ!
Можно, но абсолютно не всегда. Представим себе подобную ситуацию, есть измеритель сделаный в форме резистивного делителя:

Схемы включения оу

Нижнее сопротивление меняет собственное обозначение, меняется расклад стрессов выхода с делителя. А нам нужно снять с него показания вольтметром.

Однако у вольтметра есть собственное внутреннее сопротивление, пускай большое, но оно будет менять показания с датчика. Кроме того, если мы не хотим вольтметр, а хотим чтобы лампочка меняла яркость? Лампочку то сюда совсем не подключить уже!

Благодаря этому выход буфферизируем операционным усилителем. Его то входное сопротивление огромно и влиять он будет минимально, а выход может обеспечить вполне заметный ток (десятки миллиампер, а то и сотни), чего абсолютно хватит для работы лампочки.
В общем, применений для повторителя найти можно. Тем более в прецезионных аналоговых схемах.

Или там где схемотехника одного каскада может оказывать влияние на работу иного, чтобы поделить их.
Усилитель
А теперь сделаем финт ушами — возьмём нашу обратную связь и через делитель напряжения подсадим на землю:

Схемы включения оу

Теперь на инверсный вход подается половина анодного напряжения. А усилителю то как и раньше нужно уравнять напряжения на собственных входах.

Что ему нужно будет выполнить? Правильно — поднять напряжение на собственном выходе вдвое выше прежнего, чтобы возместить возникший делитель.

Теперь будет U1 на прямом. На инверсном Uout/2 = U1 или Uout = 2*U1.
Поставим делитель с иным соотношением — ситуация изменится в том же ключе.

Чтобы тебе не ворочать в уме формулу делителя напряжения я ее сразу и дам:
Мнемонически запоминается что на что разделяется весьма просто:

Схемы включения оу

Аналогичным образом, можно будет без труда множить аналоговые значения на числа больше 1. А как быть с числами меньше единицы?
Инвертирующий усилитель
Здесь поможет только инверсный усилитель. Отличие только в том, что мы берем и прямой вход коротим на землю.

Схемы включения оу

При этом выходит, что входной сигнал идет по цепи резисторов R2, R1 в плита из пенополистиролаout. При этом прямой вход усилителя засажен на нуль. Вспоминаем повадки ОУ — он постарается любыми правдами и неправдами сделать таким образом, чтобы на его инверсном входе появилось напряжение равное прямому входу.

Т.е. нуль. Единственный вариант это сделать — опустить анодное напряжение меньше нуля настолько, чтобы в точке 1 возник нуль.
Итак. Представим, что Uout=0. Пока равно нулю.

А напряжение при входе, к примеру, 10 вольт относительно Uout. Делитель из R1 и R2 поделит его надвое.

Аналогичным образом, в точке 1 пять вольт.
Пять вольт не равно нулю и ОУ опускает собственный выход до той поры, пока в точке 1 не будет нуля. Для этого на выходе должно стать (-10) вольт.

При этом относительно входа разница будет 20 вольт, а делитель обеспечит нам ровно 0 в точке 1. Получили преобразователь напряжения.
Однако можно же и остальные резисторы выбрать, чтобы наш делитель выдавал иные коэффициенты!
В общем, формула коэффициента усиления для подобного усилка будет следующей:
Ну и мнемоническая картинка для быстрого запоминания ху из ху.

Схемы включения оу

Вычитающая схема
Впрочем никто же не мешает подать на прямой вход не ноль, а любое другое напряжение. И вот тогда усилитель будет пытаться сравнить собственный инверсный вход уже к нему. Выходит вычитающая схема:

Схемы включения оу

Допустим U2 и U1 будет по 10 вольт. Тогда на 2й точке будет 5 вольт. А выход будет обязан стать таким, чтобы на 1й точке стало тоже 5 вольт.

Другими словами нулем. Вот и выходит, что 10 вольт минус 10 вольт равняется нуль. Все правильно 🙂
Если U1 станет 20 вольт, то выход будет обязан опуститься до -10 вольт.
Сами посчитайте — разница между U1 и Uout станет 30 вольт. Ток через резистор R4 будет при этом (U1-Uout)/(R3+R4) = 30/20000 = 0.0015А, а падение напряжения на резисторе R4 будет составлять R4*I4 = 10000*0.0015 = 15 вольт.

Вычтем падение в 15 вольт из входных 20 и получаем 5 вольт.
Аналогичным образом, наш ОУ прорешал арифметическую задачку из 10 вычел 20, получив -10 вольт.
Кроме того, в задачке есть коэффициенты, определяемые резисторами. Просто у меня, для простоты, резисторы подобраны одного и того же номинала и благодаря этому все коэффициенты равны единице. А в действительности, если взять произвольные резисторы, то зависимость выхода от входа будет такой:
Мнемотехника для запоминания формулы расчета коэффициентов такая:
Прям по схеме. Числитель у дроби вверху благодаря этому складываем верхние резисторы в цепи протекания тока и множим на нижний.

Знаменатель внизу, благодаря этому складываем находящиеся снизу резисторы и множим на верхний.

Схемы включения оу

Если же вводные резисторы (R4 и R5) равны друг дружке. И резистор обратной связи и резистор на землю (R3 и R6) тоже равны друг дружке. То формула упрощается до

Аналогичным образом, на одном усилке можно два сигнала сначала вычесть, а потом помножить на константу. Этим, кстати, я воспользовался в схеме реобаса, чтобы привести милливольтный сигнал с термопреобразователя к вменяемому виду.

Раз можно вычитать, то можно и суммировать

Схемы включения оу

Здесь все просто. Т.к. точка 1 у нас регулярно приводится к 0, то можно считать, что втекающие в нее токи всегда равны U/R, а входящие в узел номер 1 токи суммируются.

Соотношение входного резистора и резистора в обратной связи определяет вес входящего тока.
Ветвей может быть сколько угодно, я же нарисовал всего две.

Лекция 54. Усилитель неинвертирующего типа на операционном усилителе.

Резисторы при входе (R1, R2) формируют величину электрического тока, а это означает общий вес входящего сигнала. Если все сделать резисторы равными, как у меня, то вес будет одинаковым, а показатель перемножения каждого слагаемого будет равным 1. И Uout = -1(U1+U2)
Сумматор неинвертирующий
Здесь все чуток сложнее, но похоже.

Схемы включения оу

Причем резисторы в обратной связи обязаны быть такими, чтобы соблюдалось уравнение R3/R4 = K1+K2
В общем, на операционных усилителях можно создавать любую математку, класть, множить, разделять, считать производные и интегралы. Причем фактически быстро.

На ОУ делают аналоговые счётные машины. Одну такую я даже видел на пятом этаже ЮУрГУ — идиотка размером в пол комнаты. Несколько шкафов выполненных из металла.

Программа набирается соединением различных блоков проводочками 🙂
Продолжение следует, когда-либо 🙂

192 thoughts on “Операционный усилитель”

> с 2-мя входами. Невье… гхм… большим
А не лучше ли запятую взамен точки?
> Благодаря этому такое включение не используется. ОУ создан для отрицательной обратной связи.
Ну ПОС тоже используют, получая триггер Шмитта. В том же реобасе применяется. Так что можно было и его описать)
О, точняк. О нем я чето запамятовал.
Моар спеллчека.
> К примеру в Триггере Шмидта
1) «Триггер» с небольшой буквы
2) Согласно вики — таки Шмитта.
Да ну? Я иначе как Шмидт его ни разу не видел.
Шмидт и Шмитт это разнообразные люди 🙂
Один летчиком был, именем иного триггер назван.
Шмидт — это который лейтинант («Дети лейтинанта Шмидта» все помнят),
а триггер он Шмитта.
Хорошо бы написать мануал по выбору усилка. А то их всяких различных уж больно много развелось…
А что там много показателей? Для ежедневных нужд тока частота, питающее напряжение, райл2райл либо нет. КОрпус еще.

Ну а для прецезионных затрахов там собственные приколы и я их сам не знаю. Т.к. с аналоговой точной техникой дело имел мало да и не надо оно особо в бытовых условиях.
ещё полоса пропускания для переменных сигналов.
в собственное время для космических систем в одном месте не нашлось ничего лучше, чем 744уд2 собственно по такому параметру, так даже в наше время и живём )
Необходимо немного затронуть практики использования ОУ с однополярным питанием (подозреваю что начинающим будет трудновато приспособить твои рассуждения своими силами).
Ещё: привести вариант какой-нить простой схемы (к примеру, http://i111.fastpic.ru/big/2020/0324/fc/9dcbb51f612cb14b5822e2e9549c42fc.gif), но добавить конденсатор намекая что по электрическому току сопротивление цепочки будет другое (кроме того, будет меняться с изменением частоты), а это означает можно начинать строить усилители с нелинейной АЧХ.
Ну, и grammar nazi здесь подсказывает что «буфер» пришеццо с одной «ф». Тебе прям по всем статьям нужно пройтись поиском-заменой, а то режет очень 🙂
Во, как справочник именно то! А то иногда приходится выводить эти формулы по ходу составления схемы, отвлекаясь от обдумывания более серьезных вещей. Давно хотел себе оформить это в виде листа, прилепленного на стенку 🙂
Я как справочник юзаю статью из Википедии (Использование операционных усилителей). Там основные схемы и формулы есть.
Да, про вики я забыл. Там иногда тоже необходимые вещи пишут
Обратная связь это когда сигнал с выхода поступает снова на вход, но не наоборот!
Удивительно как…
Столько картинок и ни одного канализационно-водопроводного аналога… 🙂
А если серьёзно — правильно делаешь, что пишешь про аналог. Хоть миром и правит цифрровая электроника, однако без аналога у неё будут серьезные неудобства в «контакте» с этим самым миром.
Еще я что-то не заметил (может плохо смотрел) схемы чтобы провести измерения тока (падение на шунтирующем резисторе) или хотя-бы её описания.
З.Ы. Есть у меня хорошая (я так думаю) книга — «Что необходимо знать цифровому разработчику об аналоговой электронике» (авт. Бонни Бэйкер).

Очень хорошо написана (правда местами тоскливо..). Глянь на досуге — может добавишь в раздел «книги».
Да будет продолжение где наброшу практики. Вроде того же виртуального нуля, вариантов питания, ограничений всяких.

Использование и так дальше.
Книжка, кстати, максимально удобная. Мне ее подарили на TI Technology day.

Просто, доступно, с примерами.
>>Если мы сигнал возьмём со входа и отправим прямо на выход, то появится обратная связь.
Перепутал местами.
>>Uout = -1(R3*U1/R9 + R3*U2/R8)
Индексы не соответствуют картинке!

Операционный усилитель? Это весьма просто!

Дорога в десять тысяч ли начинается с первого шага.
(китайская пословица)

Дело было в вечернее время, делать было нечего… И так вдруг вздумалось спаять что-нибудь. Этакое… Электронное.

Спаять — так спаять. Компьютер есть, Интернет подключен.

Выбираем схему. И вдруг оказывается, что схем для придуманного сабжа — вагон и небольшая тележка.

И все разнообразные. Навыка нет, знаний мало.

Какую подобрать? Отдельные из них содержат какие-нибудь прямоугольнички, треугольнички. Усилители, да еще и операционные… Как они работают — непонятно.

Стра-а-ашно. А вдруг сгорит? Выбираем, что намного проще, на знакомых транзисторах!

Подобрали, спаяли, включили… HELP. Не работает.

Почему?
Да благодаря тому, что «Простота — хуже воровства»! Это как компьютер: очень быстрый и навороченный — игровой!

А для работы в офисе достаточно и незамысловатого. Также и с транзисторами.

Спаять на них схему мало. Нужно еще уметь её настроить. Очень много «опасностей» и «граблей».

А для этого очень часто требуется навык совсем не начального уровня. Так что же, бросать интересное занятие? Отнюдь!

Просто не нужно бояться данных «треугольничков-прямоугольничков». С ними работать, оказывается, в большинстве случаев значительно проще, чем с отдельными транзисторами.

Если ЗНАТЬ — КАК!
Вот этим: пониманием, как работает операционный усилитель (ОУ, или по-английски OpAmp) мы в настоящий момент и займемся. При этом будем рассматривать его работу буквально «на пальцах», почти не пользуясь никакими формулами, разве что не считая закона дедушки Ома: «Ток через участок цепи (I) прямо пропорционален напряжению на нем (U) и обратно пропорционален его сопротивлению (R)»:
I = U / R. (1)
Для начала, как правило, не очень и важно, как собственно ОУ устроен в середине. Просто примем в качестве допущения, что он собой представляет «черный ящик» с какой-нибудь там начинкой.

На этом этапе не станем рассматривать и эти параметры ОУ, как «напряжение смещения», «напряжение сдвига», «температурный дрейф», «шумовые характеристики», «показатель подавления синфазной составляющей», «показатель подавления пульсаций стрессов питания», «полоса пропускания» и т.п. Все такие параметры будут актуальны на другом шаге его изучения, когда в голове «улягутся» ключевые принципы его работы потому что «гладко было на бумажном листе, да забыли про овраги»…
Пока что просто допустим, что параметры ОУ близки к образцовым и рассмотрим, лишь то, какой сигнал будет на его выходе, если какие-нибудь сигналы подавать на его входы.
Итак, операционный усилитель (ОУ) считается дифференциальным усилителем постоянного тока с 2-мя входами (инвертирующим и неинвертирующим) и одним выходом. Не считая них ОУ имеет выводы питания: позитивного и негативного.

Эти пять выводов имеются в практически любом ОУ и принципиально нужны для его работы.
Есть ОУ и которые не имеют одного из входов. Либо инвертирующего (преобразователей напряжения), либо неинвертирующего (повторители, буферы), но они используются нечасто и мы их рассматривать не будем.

ОУ как правило имеет и дополнительные выводы для балансировки и частотной корректировки, но эти выводы и их функции мы также в настоящий момент рассматривать не будем. Это задача более продвинутого изучения как структуры находящейся внутри ОУ, так и их работы.
ОУ имеет очень большой показатель усиления, как минимум, 50000…100000, а по настоящему — значительно больше. Благодаря этому, в первом приближении, можно даже позволить, что он равён бесконечности.
Правда, ОУ первых разработок (К140УД1 или, как он тогда маркировался, К1УТ401 — наша реплика uA702) имел показатель усиления всего 500. 4500 для группы «А» и 1350.

12000 для группы «Б», а так как в старой аппаратуре, откуда их можно выпаять, они еще попадаются, это ограничение уже нужно иметь в виду.
Термин «дифференциальный» («different» переводится с английского как «разница», «отличие», «разница») значит, что на выходной потенциал ОУ оказывает влияние исключительно разница потенциалов между его входами, независимо от их полного значения и полярности.
Термин «постоянного тока» значит, что увеличивает ОУ входные сигналы начиная от 0 Гц. Верхний диапазон частот (частотный диапазон), усиливаемых ОУ сигналов зависит от многих причин, например, как частотные характеристики транзисторов, из которых он состоит, коэффициента усиления схемы, выстроенной с использованием ОУ и т.п.

Но данный вопрос уже выходит за рамки первичного знакомства с его работой и рассматриваться тут не будет.
Входы ОУ имеют довольное крупное входное сопротивление, равное десяткам/сотням МегаОм, а то и ГигаОм (и только в приснопамятных К140УД1, да еще в К140УД5 оно составляло всего 30…50 кОм). Столь серьезное сопротивление входов значит, что на входной сигнал они практически не оказывают влияние.
Благодаря этому с высокой степенью приближения к теоретическому идеалу можно считать, что ток во входы ОУ не течет. Это — первое основное правило, которое используется при анализе работы ОУ.

Прошу хорошо усвоить, что оно касается только самого ОУ, а не схем с его использованием!
Что же означают термины «инвертирующий» и «неинвертирующий»? В отношении к чему определяется инверсия и вообще, что это за «зверек» такой — инверсия сигнала?
При точном поиске в Гугле, к собственному великому удивлению, внятного толкования смысла данного термина в отношении аналогового сигнала в электротехнике я не отыскал. По всей видимости, оно имеется в виду настолько очевидным, что даже в пояснениях не нуждается.

Одно из определений, гласящее: «Инвертирование или инверсия сигнала — это изменение его полярности» [1], требует уточнения, что такое «полярность». Один странный термин описывается иным, также неясным термином.

Благодаря этому попробуем всё таки выразить данное понятие своими силами, не привязываясь к рабочим принципам собственно ОУ.
Если перевести с латинского одним из значений слова «inversio» считается «оборачивание», «переворот». Говоря иначе, инверсия — это отражение в зеркале (отзеркаливание) сигнала относительно горизонтальной оси Х (оси времени).

На Рис. 1 показаны несколько из большинства вероятных вариантов инверсии сигнала, где красным цветом отмечен прямой (входной) сигнал и синим — проинвертированный (выходной).

Схемы включения оу

Рис. 1 Понятие инверсии сигнала
Особенно стоит выделить, что к нулевой линии (как на Рис. 1, А, Б) инверсия сигнала не привязана!

Сигналы могут быть инверсными и асимметрично. К примеру, оба только в области позитивных значений (Рис. 1, В), что отличительно для цифровых сигналов или при однополярном питании (об этом речь идти будет дальше), или оба частично в положительной и частично — в отрицательной областях (Рис.

1, Б, Д). Возможны и альтернативные варианты.

Важным требованием считается их обоюдная зеркальность относительно какого-то произвольным образом подобранного уровня (к примеру, искусственной средней точки, о которой речь тоже будет вестись дальше). Говоря иначе, полярность сигнала тоже не будет основным аргументом.
Изображают ОУ на принципиальных схемах по-разному. За границей ОУ до недавнего времени изображались, да и в настоящий момент чаще всего изображаются в виде равнобедренного треугольника (Рис. 2, А).

Инвертирующий вход — символом «минус», а неинвер­тирующий — символом «плюс» в середине треугольника. Эти символы абсолютно не означают, что на надлежащих входах потенциал должен быть более позитивным или более негативным, чем на другом. Они просто-напросто указывают, как откликается потенциал выхода на потенциалы, подаваемые на входы.

В конце концов их легко перепутать с выводами питания, что оказаться может неожиданными «граблями», тем более для начинающих.

Рис. 2 Варианты условных графических изображений (УГО)
операционных усилителей
В системе отечественных условных графических изображений (УГО) до вступления в силу ГОСТ 2.759-82 (СТ СЭВ 3336-81) ОУ также изображались в виде треугольника, только инвертирующий вход — символом инверсии — кружочком в месте пересе­чения вывода с треугольником (Рис.2, Б), а в настоящий момент — в виде прямоугольника (Рис.2, В).
При обозначении ОУ на схемах инвертирующий и неинвертирующий входы разрешается менять местами, если так удобнее, впрочем, классически инвертирующий вход изображается вверху, а неинвертирующий — внизу. Выводы питания, в основном, всегда располагают только лишь одним способом (позитивный вверху, негативный — внизу).
Часто выводы питания на схеме не рисуют, дабы не захламлять её незначительными деталями (к примеру, при изображении одного усилителя из микросхемы с несколькими плита из пенополистирола с общими выводами питания). Более того, шина, являющаяся общей для стрессов питания двух полярностей питающего напряжения, тоже не изображается одной линией, а отмечается значками в виде перевернутой буквы «Т» (_|_) в местах где это необходимо.

Эти все значки на реальной схеме соединены вместе одной шиной.
ОУ практически в любое время применяются в схемах с отрицательной обратной связью (ООС).
Обратной связью именуется эффект подачи части анодного напряжения усилителя на его вход, где оно алгебраически (с учетом знака) суммируется с входным напряжением. О принципе суммирования сигналов речь пойдёт ниже.

В зависимости от того, на какой вход ОУ, инвертирующий или неинвертирующий, подается ОС, отличают отрицательную обратную связь (ООС), когда часть выходного сигнала подается на инвертирующий вход (Рис. 3, А) или положительную обратную связь (ПОС), когда часть выходного сигнала подается, исходя из этого, на неинвертирующий вход (Рис.

3, Б).

Схемы включения оу

Рис. 3 Принцип формирования обратной связи (ОС)
В первом варианте, так как выходной сигнал считается инверсным в отношении ко входному, он вычитается из входного. В результате общее усиление каскада уменьшается.

В другом варианте — суммируется со входным, общее усиление каскада увеличивается.
С первого взляда может показаться, что ПОС имеет хороший эффект, а ООС — абсолютно бесполезная задумка: для чего же уменьшать усиление? Собственно так и сочли патентные специалисты США, когда в 1928 г. Гарольд С. Блэк попытался запатентовать ООС. Впрочем, жертвуя усилением, мы значительно улучшаем другие основные параметры схемы, как, к примеру, её линейность, частотный диапазон и др.

Чем глубже ООС, тем меньше характеристики всей схемы зависят от параметров ОУ.
Глубина ООС показывает, во сколько раз меняется показатель усиления схемы под её влиянием если сравнивать с её отсутствием (без ООС). Выражается в большинстве случаев в логарифмическом масштабе — децибелах.

Так как мы договаривались, что формул в этой статье практически не будет, отмечу лишь, что чем меньше её цифровое значение, тем глубже ООС.
А вот ПОС (имея в виду свое большое усиление ОУ), имеет обратное влияние на характеристики схемы и очень малоприятное — вызывает ее самовозбуждение. Она, разумеется, также применяется осознанно, к примеру, в генераторах, компараторах с гистерезисом (детально об этом — дальше) и т.п., но в общем виде её влияние на работу усилительных схем с ОУ скорее негативное и требует более тщательного и обоснованного анализа её использования.
Так как ОУ имеет два входа, то могут быть такие главные виды его включения с применением ООС (Рис. 4):

Схемы включения оу

Рис. 4 Ключевые схемы включения ОУ
а) инвертирующее (Рис. 4, А) — сигнал подается на инвертирующий вход, а неинвертирующий подсоединяется конкретно к опорному потенциалу (не применяется);
б) неинвертирующее (Рис. 4, Б) — сигнал подается на неинвертирующий вход, а инвертирующий подсоединяется конкретно к опорному потенциалу (не применяется);
в) дифференциальное (Рис. 4, В) — сигналы подаются на оба входа, инвертирующий и неинвертирующий.
Для анализа работы данных схем нужно учитывать второе очень важное правило, которому подчиняется работа ОУ: Выход операционного усилителя стремится к тому, чтобы разница стрессов между его входами была равна нулю.
К тому же, любая формулировка должна быть нужной и достаточной, чтобы уменьшить все подмножество подчиняющихся ей случаев. Вышеприведенная формулировка, при всей её «классичности», не даёт никакой информации о том, на какой все таки из входов «стремится посодействовать» выход.

Исходя из неё, выходит, что как бы ОУ выравнивает напряжения на собственных входах, подавая напряжение на них откуда-то «внутри».
Если тщательно рассмотреть схемы на Рис. 4, можно заметить, что ООС (через Rоос) в любых ситуациях заведена с выхода только на инвертирующий вход, что даёт нам основание переформулировать данное правило так: Напряжение на выходе ОУ, охваченном ООС, стремится к тому, чтобы потенциал на инвертирующем входе уравнялся с потенциалом на неинвертирующем входе.
Исходя из данного определения, «ведущим» при любом включении ОУ с ООС считается неинвертирующий вход, а «ведомым» — инвертирующий.
Правило 2 на самом деле лишь для ОУ, охваченных ООС. При отсутствии любой ОС, либо если есть наличие ПОС, Правило 2 не действует!
При описании работы ОУ потенциал на его инвертирующем входе иногда называют «виртуальным нулем» или «виртуальной средней точкой». Перевод латинского слова «virtus» значит «вымышленный», «мнимый».

Виртуальный объект ведет себя недалеко к поведению похожих объектов материальной реальности, т.е., для входных сигналов (за счёт действия ООС) инвертирующий вход можно считать подключенным конкретно к аналогичному потенциалу, к какому подключен и неинвертирующий вход. Впрочем, «виртуальный ноль» считается только лишь приватным случаем, имеющим место исключительно при двуполярном питании ОУ. Во время использования однополярного питания (о чем будет вестись речь ниже), да и в большинстве остальных схемах включения, ни на неинвертирующем, ни на инвертирующем входах ноля не будет.

Благодаря этому давайте договоримся, что данный термин мы использовать не будем, так как он мешает начальному пониманию рабочих принципов ОУ.
Вот с этой точки зрения и разберем схемы, приведенные на Рис. 4. При этом, для упрощения анализа, примем, что напряжения питания всё-таки двуполярные, равные друг дружке по величине (скажем, ± 15 В), со средней точкой (общая шина или «земля»), относительно которой и будем отсчитывать входные и анодные напряжения.

Более того, анализ будет проводить по постоянному току, т.к. изменяющийся переменный сигнал в любой момент времени тоже можно представить как выборку значений постоянного тока. В любых ситуациях обратная связь через Rоос заведена с выхода ОУ на его инвертирующий вход.

Отличие заключается лишь в том, на какие из входов подается входное напряжение.
А) Инвертирующее включение (Рис. 5).

Схемы включения оу

Рис. 5 Рабочий принцип ОУ в инвертирующем включении
Потенциал на неинвертирующем входе равён нулю, т.к. он подключен к средней точке («земля»). Входной сигнал, равный +1 В относительно средней точки (от GB) подан на левый вывод входного резистора Rвх.

Допустим, что сопротивления Rоос и Rвх равны друг дружке и составляют 1 кОм (в сумме их сопротивление равно 2 кОм).
В этом и дальнейших примерах номиналы резисторов являются «учебными»! Только для того, чтобы оперировать с целыми и округлыми величинами (к примеру, 1 кОм — 1 В — 1 мА).

О том, какими они обязаны быть в реальности, речь пойдёт отдельно.
Согласно Правилу 2, на инвертирующем входе должно быть аналогичный потенциал, как и на зануленном неинвертирующем, т.е., 0 В. Стало быть, к Rвх приложено напряжение +1 В. По закону Ома по нему станет протекать ток Iвх. = 1 В / 1000 Ом = 0,001 А (1 мА).

Направление протекания этого тока показано стрелкой.
В электротехнике направление движения электротока классически принято классифицировать от плюса к минусу. Хотя в реальности он обусловлен перемещением электронов, имеющих негативный заряд, однако данный факт открыли гораздо позднее, чем само явление электричества.

Так что не будем отступать от устоев.
Так как Rоос и Rвх включены делителем, а согласно Правилу 1 входы ОУ тока не потребляют, то для того, чтобы в средней точке этого делителя напряжение составляло 0 В, к правому выводу Rоос должно быть приложено напряжение минус 1 В, а текущий по нему ток Iоос также должен быть равён 1 мА. Говоря иначе, между левым выводом Rвх и правым выводом Rоос приложено напряжение 2 В, а ток, текущий по этому делителю равён 1 мА (2 В / (1 кОм + 1 кОм) = 1 мА), т.е. Iвх.

= Iоос.
Если на вход подать напряжение отрицательной полярности, на выходе ОУ будет напряжение положительной полярности. Все то же самое, только стрелки, показывающие протекание тока через Rоос и Rвх будут направлены в противоположную сторону.
Аналогичным образом, при равенстве номиналов Rоос и Rвх, напряжение на выходе плита из пенополистирола будет равно напряжению на его входе по величине, но инверсное по полярности. И мы получили инвертирующий повторитель.

Эта схема достаточно часто используется, если необходимо проинвертировать сигнал, получившийся при помощи схем, принципиально являющихся преобразователями напряжения. К примеру, логарифмических усилителей.
Теперь давайте, сохранив номинал Rвх, равным 1 кОм, увеличим сопротивление Rоос до 2 кОм это при том же входном сигнале +1 В. Общее сопротивление делителя Rоос+Rвх возросло до 3 кОм. Чтобы в его средней точке остался потенциал 0 В (равный потенциалу неинвертирующего входа), через Rоос должен протекать тот же ток (1 мА), что и через Rвх. Стало быть, падение напряжения на Rоос (напряжение на выходе ОУ) должно составлять уже 2 В. На выходе ОУ напряжение равно минус 2 В.
Увеличим номинал Rоос до 10 кОм. Теперь напряжение на выходе ОУ при тех же других условиях будет составлять уже 10 В. Во-о-от! В конце концов мы получили инвертирующий усилитель!

Его анодное напряжение больше входного (говоря иначе, показатель усиления Ку) во столько раз, во сколько раз сопротивление Rоос больше, чем сопротивление Rвх. Как я ни зарекался не использовать формулы, давайте всё-таки отобразим это в виде уравнения:
Ку = – Uвых / Uвх = – Rоос / Rвх. (2)
Символ минус перед дробью правой части уравнения значит лишь то, что выходной сигнал инверсен в отношении ко входному. И ничего более!
А теперь давайте увеличим сопротивление Rоос до 20 кОм и проанализируем, что выйдет. Согласно формулы (2) при Ку = 20 и входном сигнале 1 В на выходе должно было бы быть напряжение 20 В. Ан не тут-то было!

Мы же раньше приняли допущение, что напряжение питания нашего ОУ составляет всего ± 15 В. Однако даже 15 В получить не получится (почему так — немного ниже). «Выше головы (напряжения питания) не прыгнешь»! В конце концов такого надругательства над номиналами схемы анодное напряжение ОУ «упирается» в напряжение питания (выход ОУ входит в изобилие). Баланс равенства токов через делитель RоосRвх (Iвх.

= Iоос) нарушается, на инвертирующем входе возникает потенциал, замечательный от потенциала на неинвертирующем входе. Правило 2 перестает действовать.

Разбираемся с операционным усилителем

Входное сопротивление инвертирующего усилителя равно сопротивлению Rвх, так как через него течет весь ток от источника входного сигнала (GB).

Теперь давайте заменим постоянный Rоос на переменный, с номиналом, скажем 10 кОм (Рис. 6).

Схемы включения оу

Рис. 6 Схема инвертирующего усилителя с переменным усилением
При правом (по схеме) положении его движка усиление как правило составит Rоос / Rвх = 10 кОм / 1 кОм = 10. Перемещая движок Rоос влево (делая меньше его сопротивление) усиление схемы будет понижаться и, напоследок, при крайнем левом его положении станет равным нулю, так как числитель в вышеприведенной формуле станет равным нулю при любом значении знаменателя.

На выходе будет ноль также при любом значении и полярности входного сигнала. Такая схема широко задействуется в схемах усиления звуковых сигналов, к примеру, в микшерах, где приходится настраивать усиление от нуля.
Нужно сказать, что в данной схеме есть двое «граблей»:
1) дабы получить линейную регулировку коэффициента усиления от поворотного угла движка переменного резистора, он обязан быть с логарифмической зависимостью «Б» (для отечественных) либо «С» (для зарубежных);
2) не все ОУ могут работать стабильно при коэффициенте усиления, близком к 1, а тем более, меньше единицы. К примеру, К574УД1 лучше всего применять с Ку более 6.
Б) Неинвертирующее включение (Рис. 7).

Схемы включения оу

Рис. 7 Рабочий принцип ОУ в неинвертирующем включении
Левый вывод Rвх подключен к средней точке («земля»), а входной сигнал, равный +1 В подан прямо на неинвертирующий вход. Так как маленькие детали анализа «разжеваны» выше, тут будем уделять внимание только значительным отличиям.
На первой стадии анализа также примем сопротивления Rоос и Rвх равными друг дружке и составляющими 1 кОм. Т.к. на неинвертирующем входе потенциал составляет +1 В, то по Правилу 2 аналогичный потенциал (+1 В) должен быть и на инвертирующем входе (показано на рисунке).

Для этого на правом выводе резистора Rоос (выходе ОУ) должно быть напряжение +2 В. Токи Iвх. и Iоос, равные 1 мА, текут теперь через резисторы Rоос и Rвх в обратном направлении (показаны стрелками). У нас вышел неинвертирующий усилитель с усилением, равным 2, так как входной сигнал, равный +1 В образовывает выходной сигнал, равный +2 В.
Удивительно, правда? Номиналы те же, что и в инвертирующем включении (отличие лишь в том, что сигнал подан на другой вход), а усиление налицо.

Попытаемся разобраться в этом немного позднее.
Теперь увеличиваем номинал Rоос до 2 кОм. Чтобы сберечь баланс токов Iвх. = Iоос и потенциал инвертирующего входа +1 В, на выходе ОУ должно быть уже +3 В. Ку = 3 В / 1 В = 3!
Увеличиваем номинал Rоос дальше, до 10 кОм. На выходе ОУ анодное напряжение теперь должно быть уже 11 В. Ку = 11 В / 1 В = 11.
Если сопоставить значения Ку при неинвертирующем включении с инвертирующим, при тех же номиналах Rоос и Rвх, то выходит что показатель усиления в любых ситуациях больше на единицу. Выводим формулу:
Ку = Uвых / Uвх + 1 = (Rоос / Rвх) + 1 (3)
Чего же так происходит? Да весьма просто!

ООС действует точно также, как и при инвертирующем включении, но согласно Правилу 2, к потенциалу инвертирующего входа в неинвертирующем включении всегда добавляется потенциал неинвертирующего входа.
Так что же, при неинвертирующем включении невозможно получить усиление, равное 1? Чего же нельзя — можно. Давайте уменьшать номинал Rоос, подобно тому, как мы анализировали Рис.

6. При его нулевом значении — перемыкании выхода с инвертирующем входом накоротко (Рис. 8, А), согласно Правилу 2, на выходе будет такое напряжение, чтобы потенциал инвертирующего входа был равён потенциалу неинвертирующего входа, т.е., +1 В. Приобретаем: Ку = 1 В / 1 В = 1 (!) Ну, а так как инвертирующий вход тока не потребляет и разности потенциалов между ним и выходом нет, то и никакой ток в данной цепи не течет.

Схемы включения оу

Рис. 8 Схема включения ОУ, как повторителя напряжения
Rвх становится вообще лишним, т.к. он подсоединяется параллельно нагрузке, на которую должен работать выход ОУ и через него абсолютно напрасно станет протекать его выходной ток. А что будет, если оставить Rоос, но убрать Rвх (Рис.

8, Б)? Тогда в формуле усиления Ку = Rоос / Rвх + 1 сопротивление Rвх в теории становится ближайшим к бесконечности (в реальности, разумеется, нет, т.к. есть утечки по плате, да и входной ток ОУ хотя и пренебрежимо мал, но нулю всё-таки не равён), при чем соотношение Rоос / Rвх приравнивается до нуля.

В формуле остается лишь единица: Ку = + 1. А усиление меньше единицы для такой схемы можно получить? Нет, меньше не выйдет ни при каких обстоятельствах. «Дополнительную» единицу в формуле усиления на кривой козе не объедешь…
После того, как мы убрали все «лишние» резисторы, выходит схема неинвертирующего повторителя, показанная на Рис. 8, В.
С первого взляда, такая схема не имеет практического смысла: для чего необходимо единичное да еще и неинверсное «усиление» — что, нельзя просто подать сигнал дальше. Впрочем, такие схемы используются очень часто и вот почему. Согласно Правилу 1 ток во входы ОУ не течет, т.е., входное сопротивление неинвертирующего повторителя довольное крупное — те самые десятки, сотни и даже тысячи МОм (это же относится и к схеме по Рис.

7)! А вот выходное сопротивление очень небольшое (доли Ома!). Выход ОУ «пыхтит изо всех сил», пытаясь, согласно Правилу 2, поддержать на инвертирующем входе аналогичный потенциал, как и на неинвертирующем.

Ограничением считается только допустимый выходной ток ОУ.
А вот с данного места мы немного вильнем в сторону и рассмотрим вопрос выходных токов ОУ чуть детальнее.
Для многих ОУ широкого использования в технических параметрах отмечено, что сопротивление нагрузки, подключенной к их выходу, не должно быть меньше 2 кОм. Больше — сколько угодно. Для значительно меньшего числа оно составляет 1 кОм (К140УД…).

Это означает, что при худших условиях: максимальном напряжении питания (к примеру, ±16 В или суммарно 32 В), нагрузкой, подключенной между выходом и одной из шин питания и максимальном выходном напряжении противоположной полярности, к нагрузке будет приложено напряжение около 30 В. При этом ток через нее будет составлять: 30 В / 2000 Ом = 0,015 А (15 мА). Не таким образом, чтобы мало, но и не особо много. На счастье, большинство ОУ широкого использования имеют встроеную защиту от увеличения выходного тока — стереотипное значение самого большого выходного тока составляет 25 мА.

Защита предохраняет перегрев и выход ОУ из строя.
Если напряжения питания не максимально возможные, то небольшое сопротивление нагрузки можно пропорционально уменьшать. Скажем, при питании 7,5…8 В (суммарно 15…16 В) оно может составлять 1 кОм.
Есть ОУ с очень высоким выходным током, к примеру, К157УД1, которые способны обеспечивать выходной ток до 100 мА (для него небольшое сопротивление нагрузки составляет 200 Ом). И, напоследок, широко применяющаяся микросхема усилителя звуковой частоты TDA2030/2050/2052 тоже собой представляет ОУ.

Только низкочастотный и очень мощный (самый большой выходной ток составляет, исходя из этого, 3,5/5,0/6,0 А). Это дает возможность применять её не только по «прямому» назначению но и для тех применений, где классическом использовались ОУ, к примеру, в блоках питания, для управления электрическими двигателями и т.п.

Мощные достаточно быстродействующие ОУ широкого использования: L165, LM675, OPA544 и др.
В) Дифференциальное включение (Рис. 9).

Схемы включения оу

Рис. 9 Рабочий принцип ОУ в дифференциальном включении
Итак, допустим, что при похожих номиналах Rвх и Rоос, равных 1 кОм, на оба входа схемы поданы одинаковые напряжения, равные +1 В (Рис. 9, А).

Так как потенциалы с двух сторон резистора Rвх равны друг дружке (напряжения на резисторе равно 0), ток через него не течет. А это означает, равён нулю и ток через резистор Rоос. Т.е., эти два резистора никакой функции не выполняют.

По существу, мы практически получили неинвертирующий повторитель (сопоставьте с Рис. 8).

Исходя из этого, на выходе получаем такое же напряжение, как и на неинвертирующем входе, т.е., +1 В. Поменяем полярность входного сигнала на инвертирующем входе схемы (перевернем GB1) и подадим минус 1 В (Рис. 9, Б). Теперь между выводами Rвх приложено напряжение 2 В и через него течет ток Iвх = 2 мА (надеюсь, что детально расписывать, почему так — уже не надо?).

Для того, чтобы скомпенсировать этот ток, через Rоос тоже должен протекать ток, равный 2 мА. А для этого на выходе ОУ должно быть напряжение +3 В.
Вот где проявился ехидный «оскал» добавочной единички в формуле коэффициента усиления неинвертирующего усилителя. Выходит, что при подобном упрощенном дифференциальном включении разница в коэффициентах усиления регулярно сдвигает выходной сигнал на величину потенциала на неинвертирующем входе.

Проблема-с! Впрочем, «если вы даже съели — у вас все равно остаётся как минимум два выхода».

Значит, нам каким-нибудь образом нужно уравнять коэффициенты усиления инвертирующего и неинвертирующего включений, чтобы «остановить» эту дополнительную единичку.
Для этого подадим входной сигнал на неинвертирующий вход не напрямую, а через делитель Rвх2, R1 (Рис. 9, В). Примем их номиналы также по 1 кОм.

Теперь на неинвертирующем (а это означает, и на инвертирующем тоже) входе ОУ будет потенциал +0,5 В, через него (и Rоос) станет протекать ток Iвх = Iоос = 0,5 мА, для оснащения которого на выходе ОУ должно быть напряжение, равное 0 В. Фу-у-ух! Мы добились, чего хотели!

При равных по величине и полярности сигналах на двух входах схемы (в этом случае +1 В, но то же самое будет правильно и для минус 1 В и для любых других цифровых значений), на выходе ОУ будет сохраняться нулевое напряжение, равное разнице входных сигналов.
Проверим это рассуждение, подав на инвертирующий вход сигнал отрицательной полярности минус 1 В (Рис. 9, Г).

При этом Iвх = Iоос = 2 мА, для чего на выходе должно быть +2 В. Все подтвердилось! Уровень выходного сигнала отвечает разнице между входными.
Разумеется, при равенстве Rвх1 и Rоос (исходя из этого, Rвх2 и R1) усиления мы не получаем. Для этого необходимо расширить номиналы Rоос и R1, как это делали при анализе предыдущих включений ОУ (не буду повторяться), причем должно строго соблюдаться соотношение:
Что же полезного мы приобретаем от такого включения фактически? А приобретаем мы высокое свойство: анодное напряжение не зависит от полных значений входных сигналов, если они равны друг дружке по величине и полярности. На выход поступает только разностный (дифференциальный) сигнал.

Это дает возможность усиливать очень малые сигналы на фоне помехи, одинаково работающей на оба входа. К примеру, сигнал с динамического микрофона на фоне наводки сети промышленной частоты 50 Гц.
Но, в этой бочке меда, к большому сожалению, есть ложка дегтя. Во-первых, равноправие (4) должно соблюдаться очень строго (аж до десятых а порой и сотых процента!).

Иначе появится разбаланс токов, действующих в схеме, а значит, не считая разностных («противофазных») сигналов будут усиливаться и сочетанные («синфазные») сигналы.
Давайте, попытаемся разобраться с сущностью данных терминов (Рис. 10).

Схемы включения оу

Рис. 10 Сдвиг фазы сигнала
Фаза сигнала — это величина, характеризующая смещение начала отсчета периода сигнала относительно начала отсчета времени. Так как и начало отсчета времени, и начало отсчета периода подбираются произвольно, фаза одного периодического сигнала физическим умыслом не обладает. Впрочем разница фаз 2-ух периодических сигналов — это величина, имеющая физический смысл, она отражает запаздывание одного из сигналов относительно иного.

Что считать самим началом периода, значения никакого не имеет. За точку начала периода можно взять нулевое значение с позитивным уклоном. Можно — максимум.

Все в нашей власти.
На Рис. 9 красным отмечен исходный сигнал, зеленым — сдвинутый на ? периода относительно начального и синим — на ? периода.

Если сопоставить красную и синюю кривые с кривыми на Рис. 2, Б, то можно заметить, что они обоюдно инверсны.

Т.о., «синфазные сигналы» — это сигналы, совпадающие между собой в каждой собственной точке, а «противофазные сигналы» — инверсные относительно друг друга.
В то же время, понятие инверсии более широкое, чем понятие фазы, т.к. последнее применимо исключительно к постоянно повторяющимся, периодическим сигналам. А понятие инверсии применимо к любым сигналам, в том числе и непериодическим, как, к примеру, звуковой сигнал, цифровая очередность, либо стабильное напряжение. Чтобы фаза была богатой величиной, сигнал должен быть периодическим хотя бы на определенном интервале.

В другом случае, и фаза и период превращаются в математические абстракции.
Второе, инвертирующий и неинвертирующий входы в дифференциальном включении при равенстве номиналов Rоос = R1 и Rвх1 = Rвх2 будут иметь разные входные сопротивления. Если входное сопротивление инвертирующего входа определяется только номиналом Rвх1, то неинвертирующего — номиналами постепенно включенных Rвх2 и R1 (ещё не забыли, что входы ОУ тока не потребляют?). В приведенном выше примере они будут составлять, исходя из этого, 1 и 2 кОм.

А если мы увеличим Rоос и R1 для получения настоящего усилительного каскада, то разница возрастет еще существеннее: при Ку = 10 — до, исходя из этого, все того же 1 кОм и целых 11 кОм!
К большому сожалению, в работе в большинстве случаев ставят номиналы Rвх1 = Rвх2 и Rоос = R1. Но, это допустимо, только если источники сигнала для двоих входов имеют очень невысокое выходное сопротивление.

Иначе оно образовывает делитель с входным сопротивлением данного усилительного каскада, а так как показатель деления подобных «делителей» будет абсолютно разным, то и результат понятен: дифференциальный усилитель с подобными номиналами резисторов не будет делать собственной функции подавления синфазных (сочетанных) сигналов, либо исполнять подобную функцию плохо.
Одним из путей решения этой проблемы может быть неравенство номиналов резисторов, подключенных к инвертирующему и неинвертирующему входам ОУ. А конкретно, чтобы Rвх2 + R1 = Rвх1. Дополнительным главным фактором считается достижение точного выполнения равенства (4).

В основном, этого добиваются путем разбиения R1 на 2 резистора — постоянный, в большинстве случаев составляющий 90% от необходимого номинала и переменный (R2), сопротивление которого составляет 20% от необходимого номинала (Рис. 11, А).

Схемы включения оу

Рис. 11 Варианты балансировки дифференциального усилителя
Путь общепризнанный, но снова же, при этом способе балансировки пускай и немного, но меняется входное сопротивление неинвертирующего входа. Более стабильны вариант с включением подстроечного резистора (R5) постепенно с Rоос (Рис.

11, Б), так как Rоос в формировании входного сопротивления инвертирующего входа участия не принимает. Главное — сберечь соотношения их номиналов, подобно варианту «А» (Rоос / Rвх1 = R1 / Rвх2).
Коль скоро мы повели речь о дифференциальном включении и упомянули повторители, хочется описать одну интересную схемку (Рис. 12).

Схемы включения оу

Рис. 12 Схема переключаемого инвертирующего/неинвертирующего повторителя
Входной сигнал подается одновременно на оба входа схемы (инвертирующий и неинвертирующий). Номиналы всех резисторов (Rвх1, Rвх2 и Rоос) равны друг дружке (в этом случае возьмём их настоящие значения: 10…100 кОм).

Неинвертирующий вход ОУ ключом SA может замыкаться на общую шину.
В замкнутом положении ключа (Рис. 12, А) резистор Rвх2 в работе схемы не участвует (через него только «бесполезно» течет ток Iвх2 от источника сигнала на общую шину). Приобретаем инвертирующий повторитель с усилением равным минус 1 (см.

Рис. 6). А вот при разомкнутом положении ключа SA (Рис.

12, Б) приобретаем неинвертирующий повторитель с усилением равным +1.
Рабочий принцип данной схемы можно выразить и несколько по-иному. При замкнутом ключе SA она работает как инвертирующий усилитель с усилением, равным минус 1, а при разомкнутом — одновременно (!) и как инвертирующий усилитель с усилением, минус 1, и как неинвертирующий усилитель с усилением +2, откуда: Ку = +2 + (–1) = +1.
В подобном виде эту схему можно применять, если, к примеру, на шаге проектирования неизвестна полярность входного сигнала (скажем, от датчика, к которому нет доступа до начала наладки устройства). Если же в качестве ключа применять транзистор (к примеру, полевой), управляемый от входного сигнала при помощи компаратора (о нем речь будет вестись ниже), то получаем синхронный детектор (синхронный выпрямитель).

Определенная реализация такой схемы, разумеется, выходит за рамки начального знакомства с работой ОУ и мы её тут снова же детально рассматривать не будем.
А теперь необходимо рассмотреть принцип суммирования входных сигналов (Рис. 13, А), а еще попытаемся разобраться, какие же номиналы резисторов Rвх и Rоос обязаны быть в реальности.

Схемы включения оу

Рис. 13 Рабочий принцип инвертирующего сумматора
Берем за основу уже рассмотренный выше инвертирующий усилитель (Рис. 5), только ко входу ОУ подсоединяем не один, а два входных резистора Rвх1 и Rвх2. Пока что, в «учебных» целях, принимаем сопротивления всех резисторов, включая Rоос, равными 1 кОм.

На левые выводы Rвх1 и Rвх2 подаем входные сигналы, равные +1 В. Через эти резисторы протекают токи, равные 1 мА (показаны стрелками, направленными слева направо). Для поддерживания на инвертирующем входе того же потенциала, как и на неинвертирующем (0 В), через резистор Rоос должен протекать ток, равный сумме входных токов (1 мА +1 мА = 2 мА), показанный стрелкой, направленной в противоположном направлении (с правой стороны налево), для чего на выходе ОУ должно быть напряжение минус 2 В.
Тот же самый результат (анодное напряжение минус 2 В) можно получить, если на вход инвертирующего усилителя (Рис. 5) подать напряжение +2 В, либо номинал Rвх сделать меньше вдвое, т.е. до 500 Ом.

Увеличим напряжение, приложенное к резистору Rвх2 до +2 В (Рис. 13, Б).

На выходе получаем напряжение минус 3 В, что равно сумме входных стрессов.
Входов может быть не два, а сколь угодно много. Рабочий принцип этой схемы от этого не поменяется: анодное напряжение во всяком случае будет прямо пропорционально алгебраической сумме (с учетом знака!) токов, идущие через резисторы, подключенные к инвертирующему входу ОУ (обратно пропорционально их номиналам), независимо от их количества.
Если же, на входы инвертирующего сумматора подать сигналы, равные +1 В и минус 1 В (Рис. 13, В), то протекающие через них токи будут разнонаправлены, они обоюдно скомпенсируются и на выходе будет 0 В. Через резистор Rоос в этом случае ток протекать не будет.

Говоря иначе, ток, текущий по Rоос, алгебраически суммируется со входными токами.
Отсюда также вытекает решающий момент: пока мы оперировали маленькими входными напряжениями (1…3 В), выход ОУ широкого использования вполне мог обеспечить такой ток (1…3 мА) для Rоос и что-то ещё оставалось для нагрузки, подключенной к выходу ОУ. Однако если напряжения входных сигналов расширить до максимально допустимых (близких к напряжениям питания), то выходит, что весь выходной ток уйдет в Rоос.

Для нагрузки ничего не останется. А кому необходим усилительный каскад, который работает «сам на себя»? Более того, номиналы входных резисторов, равные всего 1 кОм (исходя из этого, определяющие входное сопротивление инвертирующего усилительного каскада), просят протекания по ним очень больших токов, сильно нагружающих источник сигнала.

Благодаря этому в настоящих схемах сопротивление Rвх подбирается не менее 10 кОм, но и лучше всего не больше 100 кОм, чтобы при заданном коэффициенте усиления не устанавливать Rоос очень большого номинала. Хотя эти величины и не считаются полными, а исключительно прикидочными, как говорят, «в первом приближении» — все зависит от определенной схемы.

Во всяком случае нежелательно, чтобы через Rоос протекал ток, превышающий 5…10% самого большого выходного тока данного определенного ОУ.
Суммируемые сигналы можно подать и на неинвертирующий вход. Выходит неинвертирующий сумматор. Принципиально такая схема будет работать точно также, как и инвертирующий сумматор, на выходе которого будет сигнал, прямо пропорциональный входным напряжениям и обратно пропорциональный номиналам входных резисторов.

Впрочем фактически она применяется гораздо реже, т.к. содержит «грабли», которые нужно брать во внимание.
Так как Правило 2 действует лишь для инвертирующего входа, на котором действует «виртуальный потенциал нуля», то на неинвертирующем будет потенциал, равный алгебраической сумме входных стрессов. Стало быть, входное напряжение, имеющееся на одном из входов, будет оказывать влияние на напряжение, поступающее на прочие входы. «Виртуального потенциала» ведь на неинвертирующем входе нет!

В конце концов приходится использовать дополнительные схемотехнические хитрости.
Даже в наше время мы разглядывали схемы на ОУ с ООС. А что будет, если обратную связь убрать вообще? В этом случае мы приобретаем компаратор (Рис.

14), т.е., устройство, сравнивающее по полному значению два потенциала на собственных входах (от английского слова compare — сопоставлять). На его выходе будет напряжение, приближающееся к одному из стрессов питания в зависимости от того, какой из сигналов больше иного.

В большинстве случаев входной сигнал подается на один из входов, а на другой — стабильное напряжение, с которым он сравнивается (т.н. «опорное напряжение»). Оно может быть самым разным, в том числе и равным нулевому потенциалу (Рис.

14, Б).

Схемы включения оу

Рис. 14 Схема включения ОУ как компаратора
На Рис. 14 и 15 расположение входов обратное тому, как это принято для ОУ с ООС: неинвертирующий вход — вверху, инвертирующий — внизу). Это считается общепринятым для рисунка компараторов, особенно тех, что выпускаются в виде некоторых микросхем (про них речь будет вестись ниже).

Даже цоколевка выводов у них противоположная если сравнивать с ОУ.
Впрочем, не все так хорошо «в королевстве Датском»… А что случится, если напряжение между входами будет равно нулю? Как правило, на выходе тоже должен быть ноль, однако в реальности — никогда.

Если потенциал на одном из входов хоть на немного перевесит потенциал иного, то уже данного вполне хватит, чтобы на выходе возникли хаотические перепады напряжения из-за случайных возмущений, наводящихся на входы компаратора.
В реальности любой сигнал считается «зашумленным», т.к. идеала не может быть по определению. И в области, близкой к точке равенства потенциалов входов, на выходе компаратора возникнет пачка выходных сигналов взамен одного четкого переключения. Для борьбы с этим событием в схему компаратора часто вводят гистерезис путем создания слабой положительной ПОС с выхода на неинвертирующий вход (Рис.

15).

Схемы включения оу

Рис. 15 Рабочий принцип гистерезиса в компараторе за счёт ПОС
Проанализируем работу данной схемы. Напряжения её питания составляют ±10 В (для ровного счета).

Сопротивление Rвх равно 1 кОм, а Rпос — 10 кОм. В качестве опорного напряжения, поступающего на инвертирующий вход, подобран потенциал средней точки.

Красной кривой показан входной сигнал, поступающий на левый вывод Rвх (вход схемы компаратора), синей — потенциал на неинвертирующем входе ОУ и зеленой — выходной сигнал.
Пока входной сигнал имеет отрицательную полярность, на выходе — отрицательное напряжение, которое через Rпос суммируется с входным напряжением обратно пропорционально номиналам надлежащих резисторов. В результате потенциал неинвертирующего входа во всем диапазоне негативных значений на 1 В (по полному значению) превосходит уровень входного сигнала.

Как только потенциал неинвертирующего входа уравняется с потенциалом инвертирующего (для входного сигнала это как правило составит + 1 В), напряжение на выходе ОУ начнет переключаться с отрицательной полярности в положительную. Суммарный потенциал на неинвертирующем входе начнет лавинообразно становиться ещё более позитивным, поддерживая процесс такого переключения.

В конце концов небольшие шумовые колебания входного и опорного сигналов компаратор просто «не увидит», так как они будут на много порядков меньшими по амплитуде, чем описанная «ступенька» потенциала на неинвертирующем входе при переключении.
При снижении входного сигнала обратное переключение выходного сигнала компаратора случится при входном напряжении минус 1 В. Вот разница эта между уровнями входного сигнала, ведущими к переключению выхода компаратора, равная в нашем случае суммарно 2 В, и именуется гистерезисом. Чем больше сопротивление Rпос в отношении к Rвх (меньше глубина ПОС), тем меньший гистерезис переключения. Так, при Rпос = 100 кОм он как правило составит всего 0,2 В, а при Rпос = 1 Мом — 0,02 В (20 мВ).

Подбирается гистерезис (глубина ПОС), исходя из настоящих условий функционирования компаратора в определенной схеме. В какой и 10 мВ будет много, а в какой — и 2 В мало.
К большому сожалению, не каждый ОУ и не в любых ситуациях можно применять в качестве компаратора [2]. Выпускаются специальные микросхемы компараторов, предназначающиеся для согласования между аналоговыми и цифровыми сигналами.

Часть из них специализирована для подсоединения к цифровым ТТЛ-микросхемам (597СА2), часть — цифровым ЭСЛ-микросхемам (597СА1), впрочем большинство считается т.н. «компараторами широкого использования» (LM393/LM339/К554СА3/К597СА3). Их главное отличие от ОУ состоит в особом устройстве выходного каскада, который сделан на транзисторе с открытым коллектором (Рис.

16).

Схемы включения оу

Рис. 16 Выходной каскад компараторов широкого использования
и его подключение к нагрузочному резистору
Это требует обязательного использования внешнего нагрузочного резистора (R1), без которого выходной сигнал просто физически не способен создать большой (позитивный) выходной уровень. Напряжение +U2, к которому подсоединяется нагрузочный резистор, может быть другим, чем напряжение питания +U1 самой микросхемы компаратора.

Это дает возможность доступными средствами обеспечить выходной сигнал необходимого уровня — будь он ТТЛ или КМОП.
Во множестве компараторов, примером которых могут быть сдвоенные LM393 (LM193/LM293) или аналогичные по схемотехнике, но счетверенные LM339 (LM139/LM239), эмиттер транзистора выходного каскада соединен с минусовым выводом питания, что несколько уменьшает сферу их использования. В данной связи желал бы обратить собственное внимание на компаратор LM31 (LM111/LM211), аналогом которого считается отечественный 521/554СА3, в котором отдельно выведены как коллектор, так и эмиттер выходного транзистора, которые можно подсоединять к другим напряжениям, чем напряжения питания самого компаратора.

Единственным и условным его минусом считается лишь то, что в 8-выводном (порой в 14 выводном) корпусе он только один.
Даже в наше время мы разглядывали схемы, в которых входной сигнал поступал на вход(ы) через Rвх, т.е. они все являлись преобразователями входного напряжения в выходное напряжение же. При этом входной ток протекал через Rвх. А что будет, если его сопротивление принять равным нулю?

Работать схема будет точно также, как и рассмотренный выше инвертирующий усилитель, только в качестве Rвх будет служить выходное сопротивление источника сигнала (Rвых), а мы получаем преобразователь входного тока в выходное напряжение (Рис. 17).

Схемы включения оу

Рис. 17 Схема преобразователя тока в напряжение на ОУ
Так как на инвертирующем входе потенциал аналогичный, как и на неинвертирующем (в этом случае равён «виртуальному нулю»), весь входной ток (Iвх) станет протекать через Rоос между выходом источника сигнала (G) и выходом ОУ. Входное сопротивление такой схемы недалеко к нулевому, что дает возможность возводить на ее основании микро/миллиамперметры, почти не которые влияют на ток, текущий по измеряемой цепи.

Наверное, одним единственным ограничением считается допустимый диапазон входных стрессов ОУ, который не следует превосходить. При помощи нее можно построить также, к примеру, линейный преобразователь тока фотодиода в напряжение и очень много остальных схем.
Мы посмотрели ключевые принципы функционирования ОУ в самых разных схемах его включения. Остался один актуальный вопрос: их питание.
Как говорили выше, ОУ характерно имеет всего 5 выводов: два входа, выход и два вывода питания, позитивного и негативного. В общем случае применяется двуполярное питание, другими словами источник питания имеет три вывода с потенциалами: +U; 0; –U.
Еще раз тщательно рассмотрим все вышеприведенные рисунки и увидим, что отдельного вывода средней точки в ОУ НЕТ! Для работы их внутренней схемы она просто бесполезна.

На некоторых схемах со средней точкой соединялся неинвертирующий вход, но, это не считается правилом.
Специализированный вывод средней точки «внутри» кристалла был только в самом первом интегральном ОУ ?A702 (наша реплика — К1УТ401, переименованный позже в К140УД1). В некоторых остальных ОУ (К140УД8, К574УД2, К140УД13 и др.) индивидуальным выводом заземлялся (занулялся) корпус только для увеличения их защищенности от помех (наводок).
Стало быть, подавляющее большинство современных ОУ предназначаются для питания ОДНОПОЛЯРНЫМ напряжением! Появляется законный вопрос: «А для чего же тогда необходимо двуполярное питание», если мы так храбро и с завидным постоянством изображали его на рисунках?
Оказывается, оно просто довольно удобно для практичных целей по следующим причинам:
А) Для оснащения достаточного тока и размаха анодного напряжения через нагрузку (Рис. 18).

Схемы включения оу

Рис. 18 Протекание выходного тока через нагрузку при разных вариантах питании ОУ
Пока что не станем рассматривать входные (и ООС) цепи схем, изображенных на рисунке («чёрный ящик»). Примем, как данность, что на вход подается какой-то входной синусоидальный сигнал (черная синусоида на графиках) и на выходе выходит аналогичный синусоидальный сигнал, очень сильный в отношении ко входному цветная синусоида на графиках).
При подключении нагрузки Rнагр. между выходом ОУ и средней точки соединения источников питания (GB1 и GB2) — Рис. 18, А, ток через нагрузку течет симметрично относительно средней точки (исходя из этого, красная и синяя полуволны), а его амплитуда максимальна и амплитуда напряжения на Rнагр. также максимально возможна — она достигает практически стрессов питания.

Ток от источника питания подобающей полярности замыкается через ОУ, Rнагр. и источник питания (красная и синяя линии, показывающие протекание тока в соответствующем направлении).
Так как внутреннее сопротивление источников питания ОУ очень мало, ток, который проходит через нагрузку, ограниченный лишь её сопротивлением и самым большим выходным током ОУ, которое характерно составляет 25 мА.
Даже в не очень свежих цинк-угольных гальванических элементах внутренне сопротивление составляет единицы Ом, не говоря уж о сетевых блоках питания, щелочных и, тем более, кислотных аккумуляторных батареях, В которых оно составляет сотые и тысячные доли Ома.
При питании ОУ однополярным напряжением в качестве общей шины подбирается в большинстве случаев негативный (минусовый) полюс источника питания, к которому и подсоединяется второй вывод нагрузки (Рис. 18, Б). Теперь ток через нагрузку может протекать только в одном направлении (показано красной линией), второму направлению просто неоткуда взяться.

Говоря иначе, ток через нагрузку становится асимметричным (пульсирующим).
Определенно говорить, что этот вариант плох, нельзя. Если нагрузкой считается, скажем, динамическая головка, то для неё это плохо определенно.

Однако, есть большое количество применений, когда подключение нагрузки между выходом ОУ и одной из шин питания (в основном, отрицательной полярности), не только допускается, но и единственно возможно.
Если же всё-таки необходимо обеспечить симметрию протекания тока через нагрузку при однополярном питании, то приходится гальванически развязывать её от выхода ОУ гальванически конденсатором С1 (Рис. 18, В).
Б) Для оснащения необходимого тока инвертирующего входа, а еще привязки входных сигналов к какому-либо произвольно выбраному уровню, принимаемому за опорный (нулевой) — задания рабочего режима ОУ по постоянному току (Рис. 19).

Схемы включения оу

Рис. 19 Подключение источника входного сигнала при разных вариантах питания ОУ
Теперь рассмотрим варианты подсоединения источников входных сигналов, исключив из рассмотрения подключение нагрузки.
Подключение инвертирующего и неинвертирующего входов к средней точке соединения источников питания (Рис. 19, А) было рассмотрено при анализе ранееприведенных схем.

Если неинвертирующий вход тока не потребляет и просто принимает потенциал средней точки, то через источник сигнала (G) и Rвх, включенные постепенно, ток-то течет, замыкаясь через подходящий источник питания! А так как их внутренние сопротивления пренебрежимо малы если сравнивать со входным током (на много порядков меньше, чем Rвх), то и влияния на напряжения питания он почти не оказывает.
Аналогичным образом, при однополярном питании ОУ, можно абсолютно спокойно создать потенциал, подаваемый на его неинвертирующий вход, при помощи делителя R1R2 (Рис. 19, Б, В).

Обычные номиналы резисторов этого делителя составляют 10…100 кОм, причем нижний (подключенный к общей минусовой шине) очень желательно зашунтировать конденсатором на 10…22 мкф, чтобы значительно уменьшить влияние пульсаций напряжения питания на потенциал такой искусственной средней точки.
А вот источник сигнала (G) к данной искусственной средней точке подсоединять очень нежелательно все из-за того же входного тока. Давайте прикинем. Даже при номиналах делителя R1R2 = 10 кОм и Rвх = 10…100 кОм, входной ток Iвх будет составлять как максимум 1/10, а в худшем — до 100% тока, который проходит через делитель.

Стало быть, на так же будет «плавать» потенциал на неинвертирующем входе в комбинировании (синфазно) с входным сигналом.
Чтобы убрать взаимовлияние входов один на один при усилении сигналов постоянного тока при подобном включении, для источника сигнала нужно сделать отдельный потенциал искусственной средней точки, формируемый резисторами R3R4 (Рис. 19, Б), либо, если увеличивается сигнал электрического тока, гальванически развязать источник сигнала от инвертирующего входа конденсатором С2 (Рис.

19, В).
Нужно сказать, что в вышеприведенных схемах (Рис. 18, 19) мы по умолчанию приняли допущение, что выходной сигнал должен быть симметричным относительно либо средней точки источников питания, либо искусственной средней точки.

В реальности это необходимо не всегда. Очень часто необходимо, чтобы выходной сигнал имел преимущественно либо положительную, либо отрицательную полярность.

Благодаря этому абсолютно не обязательно, чтобы положительная и негативная полярности источника питания были равны по полному значению. Одно из них может быть намного меньше по полному значению, чем другое — только таким, чтобы обеспечить хорошее функционирование ОУ.
Появляется законный вопрос: «А каким собственно»? Чтобы дать ответ на него, кратко рассмотрим допустимые диапазоны стрессов входных и выходного сигналов ОУ.
У любого ОУ потенциал на выходе не может быть больше, чем потенциал положительной шины питания и меньше, чем потенциал отрицательной шины питания. Говоря иначе, анодное напряжение не может выходить за пределы питающих стрессов. Допустим, для ОУ OPA277 анодное напряжение при сопротивлении нагрузки 10 кОм меньше напряжения положительной шины питания на 2 В и отрицательной шины питания — на 0,5 В. Ширина данных «мертвых зон» анодного напряжения, которых не может добиться выход ОУ, зависит от нескольких моментов, например, как схемотехника выходного каскада, сопротивление нагрузки и др.).

Есть ОУ, у которых мертвые зоны минимальны, к примеру, по 50 мВ до напряжения шин питания при нагрузке 10 кОм (для OPA340), эта характерность ОУ именуется «rail-to-rail» (R2R).
С другой стороны, для ОУ широкого использования входные сигналы также не должны быть больше напряжения питания, а для некоторых — быть меньше их на 1,5…2 В. Впрочем, есть ОУ со неординарной схемотехникой входного каскада (к примеру, те же LM358/LM324), которые как правило будут работать не только от уровня негативного питания, однако даже «минусовее» его на 0,3 В, что намного облегчает их применение при однополярном питании с общей отрицательной шиной.
Слово «rail» переводится с английского, как «рельс», «шина». Т.е., буквально выходит «от рельса-до-рельса» («от шины-до-шины») или, говоря иначе, «во всем диапазоне питающих стрессов».

В полном объеме данный термин означает, что в теории такой масштаб сигнала можно снимать с выхода и аналогичный масштаб входного сигнала подавать на вход.
Давайте, напоследок, рассмотрим и пощупаем данных «жучков-паучков». Можно даже обнюхать и облизать.

Разрешаю. Рассмотрим их очень частые варианты, доступные начинающим радиолюбителям.

Особенно, если приходится выпаивать ОУ из старой аппаратуры.
Для ОУ старых разработок, обязательно требующих внешних цепей для частотной корректировки, чтобы устранить самовозбуждение, было отличительно наличие дополнительных выводов. Некоторые ОУ благодаря этому даже не «влезали» в 8-выводный корпус (рис. 20, А) и изготавливались в 12-выводных круглых металло-стеклянных, к примеру, К140УД1, К140УД2, К140УД5 (Рис.

20, Б) или в 14-выводных DIP-корпусах, к примеру, К140УД20, К157УД2 (Рис. 20, В).

Аббревиатура DIP считается сокращением английского выражения «Dual In line Package» и в переводе значит «корпус с двусторонним расположением выводов».
Круглый металло-стеклянный корпус (Рис. 20, А, Б) применялся, как ключевой, для зарубежных ОУ приблизительно до середины 70-х годов, а для отечественных ОУ — до середины 80-х и используется в настоящий момент для т.н. «военных» применений («5-я приемка»).
Иногда отечественные ОУ размещались в довольно «экзотических» на данный момент корпусах: 15-выводный прямоугольный метало-стеклянный для гибридного К284УД1 (Рис. 20, Г), в котором ключом считается дополнительный 15-й вывод от корпуса, и остальных.

Правда, планарные 14-выводные корпуса (Рис. 20, Д) для локации в них ОУ мне персонально не встречались.

Они использовались для цифровых микросхем.

Схемы включения оу

Рис. 20 Корпуса отечественных операционных усилителей
Современные же ОУ в своем большинстве содержат корректирующие цепи прямо на кристалле, что дало возможность обходиться очень маленьким количе­ством выводов (вот например — 5-выводный SOT23-5 для одиночного ОУ — Рис. 23).

Это дало возможность в одном корпусе размещать по два-четыре полностью независимых (не считая общих выводов питания) ОУ, изготовленных на одном кристалле.

Схемы включения оу

Рис. 21 Двухрядные пластиковые корпуса современных ОУ для выводного монтажа (DIP)
Иногда можно повстречать ОУ, установленные в однорядных 8-выводных (Рис. 22) либо 9-выводных корпусах (SIP) — К1005УД1.

Аббревиатура SIP считается сокращением английского выражения «Single In line Package» и в переводе значит «корпус с односторонним расположением выводов».

Схемы включения оу

Рис. 22 Однорядный корпус сделанный из пластика сдвоенных ОУ для выводного монтажа (SIP-8)
Они были разработаны для минимизации места, занимаемого на плате, но «опоздали»: к данному времени большое распространение заняли корпуса для поверхностного монтажа (SMD — Surface Mounting Device) путем подпайки прямо к дорожкам платы (Рис. 23).

Но, для начинающих их применение представляет значительные трудности.
9-выводные SIP-корпуса обладают интересной спецификой: выводы позитивного напряжения питания (+U) размещены по краешкам корпуса (1-й и 9-й) и соединены вместе. Как корпус ни запаивай — не совершишь ошибку, т.к. цоколевка самих ОУ одинакова относительно вывода негативного питания (5-й вывод).

Схемы включения оу

Рис. 23 Корпуса современных зарубежных ОУ для поверхностного монтажа (SMD)
Чаще всего таже самая микросхема может «упаковываться» изготовителем в разные корпуса (Рис. 24).

Схемы включения оу

Рис. 24 Варианты локации одной и такой же микросхемы в самых различных корпусах
Выводы всех микросхем имеют последовательную нумерацию, отсчитываемую от т.н. «ключа», указывающего на расположение вывода под номером 1. (Рис. 25). при любых обстоятельствах, если разместить корпус выводами от себя, их нумерация по возрастающей идет против часовой стрелки!

Схемы включения оу

Рис. 25 Расположение выводов операционных усилителей
в самых разных корпусах (цоколевка), вид сверху;
направление нумерации показано стрелками
В круглых металло-стеклянных корпусах ключ имеет вид бокового выступа (Рис. 25, А, Б).

Вот с расположения этого ключа возможны огроменных размеров «грабли»! В российских 8-выводных корпусах (302.8) ключ размещается напротив первого вывода (Рис.

25, А), а в зарубежных ТО-5 — напротив восьмого вывода (Рис. 25, Б).

В 12-выводных корпусах, как отечественных (302.12), так и зарубежных, ключ размещен между первым и 12-м выводами.
В большинстве случаев инвертирующий вход как в круглых металло-стеклянных, так и в DIP-корпусах, соединен со 2-м выводом, неинвертирующий — с 3-м, выход — с 6-м, минус питания — с 4-м и плюс питания — с 7-м. Но, есть и исключения (ещё одни потенциальные «грабли»!) в цоколевке ОУ К140УД8, К574УД1. В них нумерация выводов сдвинута на один против часовой стрелки если сравнивать с общепринятой для многих иных типов, т.е. с выводами они соединены, как в зарубежных корпусах (Рис.

25, Б), а нумерация отвечает отечественным (Рис. 25, А).
Сейчас большинство ОУ «домашнего применения» стали размещать в пластмассовых корпусах (Рис. 21, 25, В-Д).

В данных корпусах ключом считается либо углубление (точка) напротив первого вывода, либо вырез в срезе корпуса между первым и 8-м (DIP-8) или 14-м (DIP-14) выводами, либо фаска вдоль первой половины выводов (Рис. 21, в середине).

Нумерация выводов в данных корпусах также идет против часовой стрелки при виде сверху (выводами от себя).
Как говорили выше, ОУ с внутренней коррекцией имеют всего пять выводов, из которых только три (два входа и выход) принадлежат каждому отдельному ОУ. Это дало возможность в одном 8-выводном корпусе расположить на одном кристалле по два полностью независимых (кроме плюса и минуса питания, требующих еще 2-ух выводов) ОУ (Рис.

25, Г), а в 14-выводном корпусе — даже 4-ре (Рис. 25, Д). В конце концов на данный момент большинство ОУ выпускаются как минимум сдвоенными, к примеру, TL062, TL072, TL082, недорогие и обычные LM358 и др.

Аналогичные по внутренней структуре, но счетверенные — исходя из этого, TL064, TL074, TL084 и LM324.
В отношении нашего аналога LM324 (К1401УД2) еще существуют одни «грабли»: если в LM324 плюс питания выведен на 4-й вывод, а минус — на 11-й, то в К1401УД2 наоборот: плюс питания выведен на 11-й вывод, а минус — на 4-й. Впрочем, никаких проблем с разводкой это отличие не вызывает.

Так как цоколевка выводов ОУ полностью одинакова (Рис. 25, Д), необходимо просто перевернуть корпус на 180 градусов, чтобы 1-й вывод занял место 8-го.

Да и все.
Несколько слов относительно маркировки зарубежных ОУ (да и не только ОУ). Для ряда разработок первых 300 цифровых обозначений было принято классифицировать группу качества первой цифрой цифрового кода.

К примеру, ОУ LM158/LM258/LM358, компараторы LM193/LM293/LM393, регулирующиеся трехвыводные стабилизаторы TL117/TL217/TL317 и др. абсолютно похожи по внутренней структуре, но отличаются по температурному рабочему диапазону. Для LM158 (TL117) диапазон рабочих температур может составлять от минус 55 до +125…150 градусов по шкале Цельсия (т.н. «боевой» или военный диапазон), для LM258 (TL217) — от минус 40 до +85 градусов («заводской» диапазон) и для LM358 (TL317) — от 0 до +70 градусов («бытовой» диапазон).

При этом стоимость на них может быть абсолютно не подобающей такой градации, либо различаться очень несущественно (неисповедимы пути образования цены!). Так что приобретать их можно с абсолютно любой маркировкой, доступной «для кармана» начинающего, сильно не гоняясь за первой «тройкой».
После исчерпания первых трех сотен цифровой маркировки группы надежности стали отмечать буквами, значение которых расшифровываются в даташитах (Datasheet переводят дословно как «таблица данных») на эти элементы.

Заключение

Вот мы и изучили «азбуку» работы ОУ, немного захватив и компараторы. Дальше нужно учиться класть из данных «букв» слова, предложения и целые осмысленные «сочинения» (работоспособные схемы).
К большому сожалению, «Нереально объять необъятное».

Если изложенный в этой статье материал помог понять, как работают эти «черные ящики», то последующее углубление в разбор их «начинки», влияния входных, выходных и переходных параметров, считается задачей более продвинутого изучения. Информация об этом детально и точно изложена в большом количестве существующей литературы.

Как говаривал дедушка Вильям Оккам: «Не следует множить сущности сверх нужного». Незачем повторить уже хорошо описанное.

Необходимо лишь не лениться и прочесть её.
Засим разрешите откланяться, с уважением и проч., автор Алексей Соколюк (Falconist)