Как обозначается усилитель на схеме

28

4. Обозначения оу.

которого он изготовлен. При этом возможны следующие варианты:

Если этот индекс отсутствует, то ИМС имеет круглый металлостек-

Далее идет трех- или четырехзначный номер серии, причем первая

цифра характеризует ее конструктивно-технологическую особенность:

1,5–полупроводниковая (монолитная) ИМС;

7–бескорпусная;

2, 4, 6, 8–гибридная ИМС;

Другие две (или три) цифры–порядковый номер разработки серии.

О функции, которую выполняет ИМС, судят по двухбуквенному

шифру, стоящему после номера серии. Например:

Следом идет порядковый номер ИМС в данной серии.

В конце условного обозначения может быть буквенный индекс, ха-

рактеризующий отличие по численному значению одного или нескольких

параметров ИМС одного и того же типа.

Порядковый номер ИМС в серии (двузначный) может быть дополнен

цифрами 01 (для корпуса 3101) или 08 (для корпуса 2108), но их допусти-

мо и не указывать.

Из примера на рис. 1.5 по двухбуквенному шифру (УД) заключаем,

что перед нами ОУ. Исключением из этого правила является ИС

К118УД1А–В, представляющая собой однокаскадный дифференциальный

усилитель. Цифры свидетельствуют о том, что ОУ полупроводниковый се-

рии 140 с номером разработки в данной серии 17. Буква в конце условного

обозначения предупреждает о различиях в численных значениях по мень-

шей мере одного из параметров ОУ данного типа. Однако информации о

том, какой это параметр, в указанном индексе не содержится.

Лишь по справочным данным можно узнать, например, что ОУ 140УД17А и 140УД17Б различаются значением коэффициента усиления.

Микросхемам, различающимся только конструктивным исполнением, присваивают, как правило, единое цифровое обозначение серии. Следует иметь в виду, что в обозначении ИМС, выпущенных в 70–80-е годы, буквенный индекс, обозначающий тип и материал корпуса, часто отсутствует. Дело в том, что, выпуская одно и то же устройство в другом по исполнению корпусе, обычно просто изменяли номер серии (например, ОУ К153УД2 и К553УД2, компаратор К521СА3 и К554СА3 и т.д.).

4.2. Условные графические обозначения оу.

Согласно ГОСТ 2.759–82 (СТ СЭВ 3336-81) обозначения элементов

аналоговой техники, к числу которых относится и ОУ, выполняют на ос-

нове прямоугольника. Он может содержать основное и одно или два до-

полнительных поля, расположенных по обе стороны от основного

На схемах усилитель обозначается треугольником на основном поле.

Справа от него указывают коэффициент усиления. Если конкретное значе-

ние коэффициента усиления несущественно, его допускается не указывать

(можно также вписать знак бесконечности ∞).

Выводы ОУ делятся на входные, выходные и выводы, не несущие

функциональной нагрузки, к которым подключаются цепи напряжения пи-

тания и элементы, обеспечивающие нормальную работу ОУ. Входы пока-

зывают слева, выходы – справа.

Большинство ОУ имеют один несимметричный выход и два входа,

симметричных по отношению к общему проводу. Прямые входы и выходы

обозначают линиями, присоединяемыми к контуру графического изобра-

жения ОУ без каких-либо знаков, а с кружками в месте присоединения –

инверсные входы и выходы. Прямой вход еще называют неинвертирую-

щим, так как фаза выходного сигнала совпадает с фазой сигнала, поданно-

го на этот вход. Другой вход называют инвертирующим, так как фаза вы-

ходного сигнала сдвинута на 180° относительно входного сигнала. Поэто-

му входы оказывают на выходное напряжение равное в количественном

отношении, но противоположное по знаку влияние. Если ко входам при-

ложены синфазные, действующие одновременно одинаковые по величине

и фазе относительно общего провода сигналы, то их влияние будет взаим-

но скомпенсировано, и выход будет иметь нулевой потенциал, благодаря

чему параметры ОУ мало чувствительны к изменениям напряжения пита-

ния, температуры и других внешних факторов. Напряжение на выходе ОУ

должно быть лишь в том случае, когда на его входах действуют различные

по уровню и фазе сигналы. Выходное напряжение пропорционально раз-

ности уровней сигналов, называемой дифференциальным сигналом. Выходное напряжение ОУ измеряется относительно общего провода.

Выходной вывод ОУ в большинстве случаев присоединяется к нагрузке, которая, как правило, соединяется с корпусом, но это условие соблюдается не всегда.

Чтобы обеспечить возможность работы с ОУ как с положительными,

так и с отрицательными входными сигналами, требуется двухполярное пи-

тающее напряжение. Для этого необходимо предусмотреть два источника

постоянного напряжения, которые подключаются к соответствующим вы-

водам ОУ. Их в общем случае обозначают латинской буквой U. Если питающих напряжений несколько, их условно нумеруют (Uп+, U–) и указывают каждое у своего вывода в дополнительном поле. Вместо буквы можно указывать номинальное значение напряжения и его полярность (выводы с метками +15 В и –15 В, рис. 1.6).

При двухполярном питании постоянное напряжение на несиммет-

ричном выходе отсутствует при условии, что постоянных напряжений на

входе ОУ нет. Значения напряжений источника питания согласно

ГОСТ 17230-71 ±15, ±12, ±6 В. Известны ОУ, рассчитанные на работу от

источника с напряжением питания ±27 В. Некоторые типы ОУ сохраняют

работоспособность при снижении напряжения питания до ±3 В. Реже

встречается несимметричное (+12 и –6 В) и однополярное напряжение питания.

Наличие рассмотренных выводов необходимо для функционирова-

ния ОУ. К вспомогательным относятся выводы с метками FC–для подсое-

динения цепи, корректирующей АЧХ ОУ, выводы NC–для подключения

элементов балансировки по постоянному току (установки нуля на выходе),

а также вывод металлического корпуса (⊥) для соединения с общим прово-

дом устройства, в которое входит ОУ.

Часто для лучшего понимания принципа работы того или иного узла

или устройства и большей наглядности, позволяющей выделить аналого-

вые ИМС на фоне цифровых, в упрощенных принципиальных, функцио-

нальных и структурных схемах используется упрощенное обозначение ОУ,

в котором отсутствуют второстепенные выводы, не влияющие на принцип

действия ОУ. Обычно сохраняются лишь основное поле и сигнальные вы-

воды (рис. 1.7,а). Причем наиболее популярным, удобным, привычным яв-

ляется принятое до 80-х годов изображение ОУ в виде треугольника, при-

чем инвертирующий и неинвертирующий входы могут показываться, как и

на принципиальной схеме (рис. 1.7,б), так и с помощью знаков «−» и «+»

соответственно (рис. 1.7,в). Такое изображение ОУ встречается в самой со-

ГОСТ 2.759-82 ЕСКД. Обозначения условные графические в схемах. Элементы аналоговой техники

Настоящий стандарт устанавливает общие принципы построения условных графических обозначений элементов аналоговой техники в схемах, выполняемых вручную или автоматизированным способом, во всех отраслях промышленности.

1. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

1.1. Условные графические обозначения (УГО) аналоговых элементов должны соответствовать требованиям ГОСТ 2.743 и настоящего стандарта.

1.2. Условное графическое обозначение аналогового элемента должно иметь форму прямоугольника. УГО содержит основное поле и может содержать одно или два дополнительных поля, которые располагают на противоположных сторонах основного поля.

1.3. Размеры УГО определяются:

количеством входных и выходных линий;

количеством строк информации в основном и дополнительном полях;

количеством знаков, помещаемых в одной строке;

наличием дополнительных полей;

1.4. В основном поле УГО на первой строке помещают обозначение функции, выполняемой аналоговым элементом, состоящее из букв латинского алфавита, цифр и специальных знаков, записанных без пробела.

1.5. Для обозначения сложной функции элемента допускается построение обозначения, составленного из более простых обозначений функций. Например, обозначение функции интегрирующего усилителя состоит из символов интегрирования и усиления:

1.6. Дополнительные данные по ГОСТ 2.708-81 помещают в основном поле УГО под обозначением функции со следующей строки в последовательности, установленной указанным стандартом.

1.7. Обозначение аналоговых и цифровых сигналов приведено в табл. 1 .

(Измененная редакция, Изм. № 1).

1.8. Входы аналогового элемента изображают с левой стороны, выходы — с правой стороны прямоугольника. Допускается другая ориентация УГО, при которой входы располагают сверху, а выходы — снизу.

1.9. Выводы элементов могут быть обозначены указателями и метками.

Указатели изображают на линии контура или около линии контура УГО на линии связи.

Метки образуют из прописных букв латинского алфавита, арабских цифр и специальных знаков и помещают в дополнительных полях.

1.9.1. Применяют следующие обозначения указателей выводов:

3) не несущий логической информации

1.9.2. Обозначения основных меток выводов приведены в табл. 2.

1. Начальное значение интегрирования

2. Установка начального значения

3. Установка в состояние «0»

4. Установка в исходное состояние (сброс)

5. Поддержание текущей величины сигнала

8. Балансировка (коррекция «0»)

9. Коррекция частотная

10. Питание от источника напряжения

перед буквой U проставлять номинал напряжения, при этом вместо буквы U использовать букву V, после буквы U проставлять поясняющую информацию, например:

указатель питания цифровой части элемента

указатель питания аналоговой части элемента

признак информационного питания

11. Общий вывод (общее обозначение):

для аналоговой части элемента

для цифровой части элемента

1.10. На линиях связи или в их разрыве допускается указывать обозначение и характеристику сигнала.

1.11. Обозначения, приведенные в табл. 1, могут быть применены для указания аналогового и цифрового элемента или сигнала.

Для указания элементов приведенные обозначения помещают после символа функции в той же самой строке.

Для указания сигналов приведенные обозначения помещают после обозначения или характеристики сигнала, например:

обозначение # проставляют после числа двоичных разрядов;

обозначение Ç или Ù проставляют после характеристики сигнала: синусоиды, пилы.

2. ОБОЗНАЧЕНИЕ ФУНКЦИЙ

2.1. Обозначение основных функций, выполняемых аналоговыми элементами, приведено в табл. 3.

1. Общее обозначение функции

F (X1, X2 . XN ) или f ( x ₁ , x ₂ . x _n )

Операционный усилитель

Операционный усилитель (ОУ) англ. Operational Amplifier (OpAmp), в народе – операционник, является усилителем постоянного тока (УПТ) с очень большим коэффициентом усиления. Словосочетание «усилитель постоянного тока» не означает, что операционный усилитель может усиливать только постоянный ток. Имеется ввиду, начиная с частоты в ноль Герц, а это и есть постоянный ток.

Термин «операционный» укрепился давно, так как первые образцы ОУ использовались для различных математических операций типа интегрирования, дифференцирования, суммирования и тд. Коэффициент усиления ОУ зависит от его типа, назначения, структуры и может превышать 1 млн!

Обозначение на схеме операционного усилителя

На схемах операционный усилитель обозначается вот так:

Чаще всего ОУ на схемах обозначаются без выводов питания

Итак, далее по классике, слева два входа, а справа – выход.

Вход со знаком «плюс» называют НЕинвертирующий, а вход со знаком «минус» инвертирующий. Не путайте эти два знака с полярностью питания! Они НЕ говорят о том, что надо в обязательном порядке подавать на инвертирующий вход сигнал с отрицательной полярностью, а на НЕинвертирующий сигнал с положительной полярностью, и далее вы поймете почему.

Питание операционных усилителей

Если выводы питания не указаны, то считается, что на ОУ идет двухполярное питание +E и -E Вольт. Его также помечают как +U и -U, V_CC и V_EE, Vc и V_E. Чаще всего это +15 и -15 Вольт. Двухполярное питание также называют биполярным питанием. Как это понять — двухполярное питание?

Давайте представим себе батарейку

Думаю, все вы в курсе, что у батарейки есть «плюс» и есть «минус». В этом случае «минус» батарейки принимают за ноль, и уже относительно нуля считают напряжение батарейки. В нашем случае напряжение батарейки равняется 1,5 Вольт.

А давайте возьмем еще одну такую батарейку и соединим их последовательно:

Итак, общее напряжение у нас будет 3 Вольта, если брать за ноль минус первой батарейки.

А что если взять на ноль минус второй батарейки и относительно него уже замерять все напряжения?

Вот здесь мы как раз и получили двухполярное питание.

Идеальная и реальная модель операционного усилителя

Для того, чтобы понять суть работы ОУ, рассмотрим его идеальную и реальную модели.

1) Входное сопротивление идеального ОУ бесконечно большое.

В реальных ОУ значение входного сопротивления зависит от назначения ОУ (универсальный, видео, прецизионный и т.п.) типа используемых транзисторов и схемотехники входного каскада и может составлять от сотен Ом и до десятков МОм. Типовое значение для ОУ общего применения — несколько МОм.

2) Второе правило вытекает из первого правила. Так как входное сопротивление идеального ОУ бесконечно большое, то входной ток будет равняться нулю.

На самом же деле это допущение вполне справедливо для ОУ с полевыми транзисторами на входе, у которых входные токи могут быть меньше пикоампер. Но есть также ОУ с биполярными транзисторами на входе. Здесь уже входной ток может быть десятки микроампер.

3) Выходное сопротивление идеального ОУ равняется нулю.

Это значит, что напряжение на выходе ОУ не будет изменяться при изменении тока нагрузки. В реальных ОУ общего применения выходное сопротивление составляет десятки Ом (обычно 50 Ом).
Кроме того, выходное сопротивление зависит от частоты сигнала.

4) Коэффициент усиления в идеальном ОУ бесконечно большой. В реальности он ограничен внутренней схемотехникой ОУ, а выходное напряжение ограничено напряжением питания.

5) Так как коэффициент усиления бесконечно большой, следовательно, разность напряжений между входами идеального ОУ равняется нулю. Иначе если даже потенциал одного входа будет больше или меньше хотя бы на заряд одного электрона, то на выходе будет бесконечно большой потенциал.

6) Коэффициент усиления в идеальном ОУ не зависит от частоты сигнала и постоянен на всех частотах. В реальных ОУ это условие выполняется только для низких частот до какой-либо частоты среза, которая у каждого ОУ индивидуальна. Обычно за частоту среза принимают падение усиления на 3 дБ или до уровня 0,7 от усиления на нулевой частоте (постоянный ток).

Схема простейшего ОУ на транзисторах выглядит примерно вот так:

Принцип работы операционного усилителя

Давайте рассмотрим, как работает ОУ

Принцип работы ОУ очень прост. Он сравнивает два напряжения и на выходе уже выдает отрицательный, либо положительный потенциал питания. Все зависит от того, на каком входе потенциал больше. Если потенциал на НЕинвертирующем входе U1 больше, чем на инвертирующем U2, то на выходе будет +Uпит, если же на инвертирующем входе U2 потенциал будет больше, чем на НЕинвертирующем U1, то на выходе будет -Uпит. Вот и весь принцип ;-).

Давайте рассмотрим этот принцип в симуляторе Proteus. Для этого выберем самый простой и распространенный операционный усилитель LM358 (аналоги 1040УД1, 1053УД2, 1401УД5) и соберем примитивную схему, показывающую принцип работы

Подадим на НЕинвертирующий вход 2 Вольта, а на инвертирующий вход 1 Вольт. Так как на НЕинвертирующем входе потенциал больше, то следовательно, на выходе мы должны получить +Uпит. Мы получили 13,5 Вольт, что близко к этому значению

Но почему не 15 Вольт? Виновата во всем сама внутренняя схемотехника ОУ. Максимальное значение ОУ не всегда может равняться положительному либо отрицательному напряжению питания. Оно может отклоняться от 0,5 и до 1,5 Вольт в зависимости от типа ОУ.

Но, как говорится, в семье не без уродов, и поэтому на рынке уже давно появились ОУ, которые могут выдавать на выходе допустимое напряжение питания, то есть в нашем случае это значения, близкие к +15 и -15 Вольтам. Такая фишка называется Rail-to-Rail, что в дословном переводе с англ. «от рельса до рельса», а на языке электроники «от одной шины питания и до другой».

Давайте теперь на инвертирующий вход подадим потенциал больше, чем на НЕинвертирущий. На инвертирующий подаем 2 Вольта, а на НЕинвертирующий подаем 1 Вольт:

Как вы видите, в данный момент выход «лег» на -Uпит, так как на инвертирующем входе потенциал был больше, чем на НЕинвертирующем.

Чтобы не качать лишний раз программный комплекс Proteus, можно в онлайне с помощью программы Falstad сэмулировать работу идеального ОУ. Для этого выбираем вкладку Circuits—Op-Amps—>OpAmp. В результате на вашем экране появится вот такая схемка:

На правой панели управления увидите бегунки для добавления напряжения на входы ОУ и уже можете визуально увидеть, что получится на выходе ОУ при изменении напряжения на входах.

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

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

А что покажет Falstad? Ноль Вольт.

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

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

Смотрим, что имеем на виртуальном осциллографе:

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

Скорость нарастания выходного напряжения

Также обратите внимание на то, что напряжение на выходе ОУ не может резко менять свое значение. Поэтому, в ОУ есть такой параметр, как скорость нарастания выходного напряжения V_{Uвых .}

Этот параметр показывает насколько быстро может измениться выходное напряжение ОУ при работе в импульсных схемах. Измеряется в Вольт/сек. Ну и как вы поняли, чем больше значение этого параметра, тем лучше ведет себя ОУ в импульсных схемах. Для LM358 этот параметр равен 0,6 В/мкс.

Также смотрите видео «Что такое операционный усилитель (ОУ) и как он работает»

Операционные усилители Параметры, Условные графические обозначения ОУ

Сразу хочу сказать, что здесь никакой воды про операционные усилители, и только нужная информация. Для того чтобы лучше понимать что такое операционные усилители , настоятельно рекомендую прочитать все из категории Электроника, Микроэлектроника , Элементная база.

Операционный усилитель (ОУ; англ. operational amplifier, OpAmp) — усилитель постоянного тока с дифференциальным входом и, как правило, единственным выходом, имеющий высокий коэффициент усиления. ОУ почти всегда используются в схемах с глубокой отрицательной обратной связью, которая, благодаря высокому коэффициенту усиления ОУ, полностью определяет коэффициент усиления/передачи полученной схемы.

В настоящее время ОУ получили широкое применение, как в виде отдельных чипов, так и в виде функциональных блоков в составе более сложных интегральных схем. Такая популярность обусловлена тем, что ОУ является универсальным блоком с характеристиками, близкими к идеальным, на основе которого можно построить множество различных электронных узлов.

История изобретения ОУ

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

Ламповый операционный усилитель K2-W

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

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

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

операционные усилители

Операционный усилитель (далее ОУ, усилитель) представляет собой аналоговый электронный микроприбор с дифференциальным входом, предназначенный для усиления и генерации электрических сигналов, реализации математических операций в аналоговой форме, создания электрических фильтров и пороговых устройств, т.е. для выполнения различных операций с электрическими сигналами.

Внутренне устройство операционного усилителя
Внутренне устройство операционного усилителя изображено на Рис 5. Входной блок представляет собой дифференциальный усилитель (ДУ), который может состоять из 3-4-х каскадов. Для создания большого внутреннего коэффициента усиления применяется блок усилителя напряжения (УН). В качестве выходного блока обычно используется усилитель мощности (УМ), выполненный по бестрансформаторной схеме.

Рис 5. Блок-схема операционного усилителя

ОУ имеет два входа и один выход. Один из входов ОУ называется инвертирующим, т.к. при подаче на него напряжения знак его на выходе становится противоположным. Другой вход называется неинвертирующим: при подаче на него напряжения знак его на выходе не меняется. Такое состояние ОУ возможно вследствие питания от двух источников напряжения с различными знаками. Вследствие этого выходной блок ОУ при определенных условиях имеет виртуальный нулевой потенциал, относительно которого знак потенциала (напряжения на выходе) может меняться в ту или другую сторону относительно общего вывода. Как и в любом усилительном устройстве ОУ может быть охвачен обратной связью (ОС)

Условные графические обозначения ОУ

Условные графические обозначения (УГО) операционного усилителя (ОУ) показаны на Рис 6.

Рис 6,а представлено полное

Рис 6,б – упрощенное обозначение ОУ.

Входы изображают слева, выходы — справа. Выводы, предназначенные для подключения источника питания (+U, -U), цепей компенсации напряжения смещения (NC) и частотной коррекции (FC) изображают в зонах дополнительных полей с любой стороны УГО.

Для удобства анализа принципа работы ОУ в различных схемах пользуются понятием идеального ОУ. Идеальным ОУ называется ОУ, у которого дифференциальное напряжение на входах всегда поддерживается равным нулю автоматически самим ОУ при наличии цепи ОС по инвертирующему входу (это справедливо, когда Uсм=0), входной ток , полоса частот при единичном коэффициенте усиления , выходное сопротивление равно нулю, Rвых = 0.
Из приведенных свойств параметров идеального ОУ следует, что потенциалы инвертирующего и неинвертирующего входов равны: , а ток через входные элементы равен току в цепи обратной связи.
Uвых = (Uвх1-Uвх2)∙Kоу разностное напряжение называют дифференциальным входным сигналом. Это напряжение, которое приложено между инвертирующим и неинвертирующим входами.

Рис 7 Схема определения дифференциального напряжения.

• Если оба входа ОУ соединить вместе, то получившаяся схема рис 8, будет иметь только один вход, а приложенное к нему напряжение называют синфазным Uсф = Uвх1= Uвх2.

• Для синфазной схемы выходное напряжение должно равняться нулю

Рис 8 Схема определения синфазного напряжени

Обозначение операционного усилителя на схемах

На рисунке показано схематичное изображение операционного усилителя. Выводы имеют следующие значения:

• — неинвертирующий вход;
• V− — инвертирующий вход;
• Vout — выход;
• VS+ — плюс источника питания (также может обозначаться как , или );
• VS− — минус источника питания (также может обозначаться как , или ).

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

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

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

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

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

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

Параметры Операционного усилителя

ОУ в зависимости от режима работы характеризуется либо статическими, либо динамическими параметрами.
К основным статически параметрам ОУ относятся:
1. Коэффициент усиления Ко. Его значение может быть
2. Единичная полоса частот f1 – верхняя частота, при которой коэффициент усиления спадает до единицы. Величина f1 у ряда ОУ достигает Гц.
3. Напряжение смещения нуля UСМ – разность потенциалов между инвертирующим и неинвертирующим входами, которую нужно приложить, чтобы напряжение на выходе было равно нулю. Эта разность потенциалов у операционных усилителей составляет 0.001-10 мВ, в зависимости от их качества.
4. Входные токи смещения — токи неинвертирующего входа и инвертирующего входа соответственно при их заземлении. Величина этих токов порядка десятых- тысячных долей микроампера. У современных ОУ этот параметр может быть А.
5. Средний входной ток смещения — половина суммы входных токов смещения.
6. Разностный входной ток смещения – разность модулей входных токов смещения.

К основным динамическим параметрам ОУ относятся:

7 . Об этом говорит сайт https://intellect.icu . Скорость нарастания выходного напряжения — отношение приращения напряжения на выходе ОУ к интервалу времени, за которое наблюдается это приращение. Величина этого параметра составляет 0.1-100 В/мкс.

8. Коэффициент ослабления синфазных входных напряжений Ксф – отношение приращения синфазных входных напряжений к входному напряжению, вызывающих одно и то же приращение выходного напряжения. Современные ОУ имеют Ксф=70-120 дб.
В операционных усилителях входной каскад выполняется по дифференциальной схеме с однофазным выходом

Характеристики Операционного усилителя

Параметры ОУ

Статические:
– Коэффициент усиления
– Входное сопротивление
– Выходное сопротивление
– ЭДС смещения

Коэффициент ослабления синфазного сигнала

Динамические:
1. Частота среза fср – значение этой частоты соответствует снижению модуля коэффициента усиления ОУ в √2 раза (3дБ)
fср — является полосой пропускания ОУ.

2. Частота единичного усиления f1 – при которой Коу снижается до 1. Для современных ОУ
f1 = 10000÷10000000 Гц.

3. Максимальная скорость нарастания выходного напряжения Uвых

4. Время установления tуст.

Основные параметры идеального операционного усилителя
• Дифференциальный коэффициент усиления Кдиф →∞
• Коэффициент усиления синфазного сигнала Ксинф = 0
• Входное сопротивление Rвх →∞
(входные токи равны 0)
• Выходное сопротивление Rвых=0

Основы функционирования ОУ

ОУ 741 в корпусе TO-5

Питание

В общем случае ОУ использует двухполярное питание, то есть источник питания имеет три вывода со следующими потенциалами:

• U+, к которому подключается VS+;
• 0 (нулевой потенциал);
• U-, к которому подключается VS-.

Вывод источника питания с нулевым потенциалом непосредственно к ОУ обычно не подключается, но, как правило, является сигнальной землей и используется для создания обратной связи. Часто вместо двухполярного используется более простое однополярное, а общая точка создается искусственно или совмещается с отрицательной шиной питания.

ОУ способны работать в широком диапазоне напряжений источников питания, типичное значение для ОУ общего применения от ±1,5 В до ±15 В при двухполярном питании (то есть U+ = 1,5…15 В, U— = −15…-1,5 В, допускается значительный перекос).

Простейшее включение ОУ

Рассмотрим работу ОУ как отдельного дифференциального усилителя, то есть без включения в рассмотрение каких-либо внешних компонентов. В этом случае ОУ ведет себя как обычный усилитель с дифференциальным входом, то есть поведение ОУ описывается следующим образом:

• Vout — напряжение на выходе;
• V+ — напряжение на неинвертирующем входе;
• V− —напряжение на инвертирующем входе;
• Gopenloop — коэффициент усиления при разомкнутой петле, то есть собственный коэффициент усиления ОУ, без обратной связи.

Все напряжения считаются относительно общей точки схемы. Рассматриваемый способ включения ОУ (без обратной связи) практически не используется вследствие присущих ему серьезных недостатков:

• собственный коэффициент усиления нормируется в очень широких пределах и может изменяться в тысячи раз (зависит сильнее всего от частоты сигнала и температуры);
• собственный коэффициент усиления очень велик (типичное значение 106 на постоянном токе) и не поддается регулировке;
• точка отсчета входного и выходного напряжений не поддается регулировке.

Идеальный операционный усилитель

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

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

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

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

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

Идеальный ОУ, охваченный отрицательной обратной связью, поддерживает одинаковое напряжение на своих входах

Другими словами, при указанных условиях всегда выполняется равенство:

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

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

Простейшие схемы с обратной связью

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

Пусть необходимо построить цепь на ОУ с требуемыми свойствами. Требуемые свойства заключаются прежде всего в заданном состоянии выхода (выходное напряжение, выходной ток и т. д.), которое, возможно, зависит от какого-либо входного воздействия. Для создания схемы нужно подключить к ОУ такую обратную связь, чтобы при требуемом выходном состоянии достигалось равенство напряжений на входах ОУ (инвертирующем и неинвертирующем), а обратная связь была бы отрицательной.

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

От усилителя требуется наличие на выходе напряжения, отличающегося от входного в раз, то есть . В соответствии с приведенной выше методикой подадим на неинвертирующий вход ОУ сам входной сигнал, а на инвертирующий — часть выходного сигнала с резистивного делителя.

Расчет реального коэффициента усиления для идеального (или реального, но который можно с определенными допущениями считать идеальным) усилителя очень прост. Заметим, что в том случае, когда усилитель находится в состоянии равновесия, напряжения на его входах можно считать одинаковыми. Исходя из этого следует, что падение напряжения на резисторе равно , а на всем делителе сопротивлением , падает . Заметим, что, поскольку входное сопротивление операционного усилителя очень велико, то током, поступающим на инвертирующий (−) вход усилителя, можно пренебречь, и ток, протекающий через резисторы делителя, можно принять одинаковым. Ток через равен , а через весь делитель .

Можно рассуждать немного проще, сразу заметив, что .

Следует обратить внимание, что в неинвертирующей схеме включения коэффициент усиления напряжения всегда больше или равен 1, вне зависимости от номиналов используемых резисторов. Если сопротивление равно нулю, то мы получаем неинвертирующий повторитель напряжения, имеющий коэффициент усиления напряжения 1.

то сопротивление можно попросту убрать, приняв его равным бесконечности.

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

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

Следует обратить внимание, что в инвертирующей схеме включения коэффициент усиления может быть как больше, так и меньше единицы и зависит от номиналов резисторов делителя. То есть, усилитель может использоваться как активный аттенюатор (ослабитель) входного напряжения. Преимуществом этого решения над пассивным аттенюатором заключается в том, что с точки зрения источника сигнала аттенюатор выглядит как обычный резистор нагрузки, подключенный между сигналом и землей (в данном случае так называемой «виртуальной»), то есть является обычной активной нагрузкой (разумеется, без учета паразитных емкостей и индуктивностей). Это значительно упрощает расчет влияния нагрузки на источник сигнала и их взаимное согласование.

Отличия реальных ОУ от идеального

Параметры ОУ, характеризующие его неидеальность, можно разбить на группы:

Параметры по постоянному току

• Ограниченное усиление: коэффициент Gopenloop не бесконечен (типичное значение 105 ÷ 106 на постоянном токе). Этот эффект заметно проявляется только в случаях, когда коэффициент передачи каскада с ОУ отличается от параметра Gopenloop в небольшое число раз (усиление каскада отличается от Gopenloop на 1÷2 порядка или еще меньше).
• Ненулевой входной ток (или, что почти то же самое, ограниченное входное сопротивление): типичные значения входного тока составляют 10−9 ÷ 10−12 А. Это накладывает ограничения на максимальное значение сопротивлений в цепи обратной связи, а также на возможности согласования по напряжению с источником сигнала. Некоторые ОУ имеют на входе дополнительные цепи для защиты входа от чрезмерного напряжения — эти цепи могут значительно ухудшить входное сопротивление. Поэтому некоторые ОУ выпускаются в защищенной и незащищенной версии.
• Ненулевое выходное сопротивление. Данное ограничение не имеет большого значения на низких частотах или при небольшой емкости нагрузки, так как наличие обратной связи эффективно уменьшает выходное сопротивление каскада на ОУ (практически до сколь угодно малых значений).
• Ненулевое напряжение смещения: требование о равенстве входных напряжений в активном состоянии для реальных ОУ выполняется не совсем точно — ОУ стремится поддерживать между своими входами не точно ноль вольт, а некоторое небольшое напряжение (напряжение смещения). Другими словами, реальный ОУ ведет себя как идеальный ОУ, у которого внутри последовательно с одним из входов включен генератор напряжения с ЭДС Uсм. Напряжение смещения — очень важный параметр, он ограничивает точность ОУ, например, при сравнении двух напряжений. Типичные значения Uсм составляют 10-3 ÷ 10-6 В.
• Ненулевое усиление синфазного сигнала. Идеальный ОУ усиливает только разницу входных напряжений, сами же напряжения значения не имеют. В реальных ОУ значение входного синфазного напряжения оказывает некоторое влияние на выходное напряжение. Данный эффект определяется параметром коэффициент ослабления синфазного сигнала (КОСС, англ. common-mode rejection ratio, CMRR), который показывает, во сколько раз приращение напряжения на выходе меньше, чем вызвавшее его приращение синфазного напряжения на входе ОУ. Типичные значения: 104 ÷ 106.

Параметры по переменному току

• Ограниченная полоса пропускания. Любой усилитель имеет конечную полосу пропускания, но фактор полосы не особенно значим для ОУ, поскольку они имеют внутреннюю частотную коррекцию для увеличения запаса по фазе.
• Ненулевая входная емкость. Образует паразитный фильтр высоких частот.
• Ненулевая задержка сигнала. Данный параметр, косвенно связанный с ограничением полосы пропускания, может ухудшить действие ООС при повышении рабочих частот.
• Ненулевое время восстановления после насыщения.

Нелинейные эффекты

• Насыщение — ограничение диапазона возможных значений выходного напряжения. Обычно выходное напряжение не может выйти за пределы напряжения питания. Насыщение имеет место в случае, когда выходное напряжение «должно быть» больше максимального или меньше минимального выходного напряжения. ОУ не может выйти за пределы, и выступающие части выходного сигнала «срезаются» (то есть ограничиваются).

В моменты насыщения усилитель не действует в соответствии с формулой (1), что вызывает отказ в работе ООС и появлению разности напряжений на его входах, что обычно является признаком неисправности схемы (и это легко обнаруживаемый наладчиком признак проблем). Исключение — работа ОУ в режиме компаратора.

Искажение входного П-образного сигнала при ограниченной скорости нарастания выходного сигнала ОУ.

Ограничения тока и напряжения

• Ограниченное выходное напряжение. У любого ОУ потенциал на выходе не может быть выше, чем потенциал положительной шины питания и не может быть ниже, чем потенциал отрицательной шины питания (в случае, если нагрузка отсутствует, или является резистивной и не содержит источник тока). Другими словами, выходное напряжение не может выйти за пределы питающего напряжения. Например, для ОУ opa277 выходное напряжение находится в пределах от VS−+0,5 В до VS+−2 В при сопротивлении нагрузки 10 кОм. Ширина этих «мертвых зон» выходного напряжения, которых выход ОУ не может достичь, зависит от ряда условий (сопротивление нагрузки, направление выходного тока и др.). Существуют ОУ, у которых мертвые зоны минимальны, например, по 50 мВ до шин питания при нагрузке 10 кОм для opa340 , эта особенность ОУ называется «rail-to-rail» (от шины до шины).
• Ограниченный выходной ток. Большинство ОУ широкого применения имеют встроенную защиту от превышения выходного тока — типичное значение максимального тока 25 мА. Защита предотвращает перегрев и выход ОУ из строя.

Мощные ОУ, такие как К157УД1, могут иметь крепление для радиатора

• Ограниченная выходная мощность. Большинство ОУ предназначено для применений, не требовательных к мощности: сопротивление нагрузки не должно быть менее 2 кОм.

Классификация ОУ

• универсальные или общего назначения (К140УД7) К=1000…100000, Есм=4мВ, f1=0,8МГц
• прецизионные или инструментальные (К140УД24) К=1000000, Есм=5мкВ, f1=2МГц
• быстродействующие (154УД2) К=10000, Есм=2мВ, f1=50МГц
• микромощные (К1423УД1) К=10000, Есм=5мВ, f1=1,5МГ

По типу элементной базы

• На полевых транзисторах
• На биполярных транзисторах
• На баллистических транзисторах
• На электронных лампах

По области применения

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

• Индустриальный стандарт. Так называют широко применяемые, очень дешевые ОУ общего применения со средними характеристиками. Пример «классических» ОУ: с биполярным входом — LM324, с полевым входом — TL084.
• Прецизионные ОУ имеют очень малые напряжения смещения, применяются в точных измерительных схемах. Обычно ОУ на биполярных транзисторах по этому показателю несколько лучше, чем на полевых. Также от прецизионных ОУ требуется долговременная стабильность параметров. Исключительно малыми смещениями обладают стабилизированные прерыванием ОУ. Примеры: AD707, AD708, с напряжением смещения 30 мкВ, а также новейшие AD8551 с типичным напряжением смещения 1 мкВ.
• С малым входным током (электрометрические) ОУ. Все ОУ, имеющие полевые транзисторы на входе, обладают малым входным током. Но среди них существуют специальные ОУ с исключительно малым входным током. Чтобы полностью реализовать их преимущества, при проектировании устройств с их использованием необходимо даже учитывать утечку тока по печатной плате. Пример: AD549 с входным током 6⋅10−14 А.
• Микромощные и программируемые ОУ потребляют малый ток на собственное питание. Такие ОУ не могут быть быстродействующими, так как малый потребляемый ток и высокое быстродействие — взаимоисключающие требования. Программируемыми называются ОУ, для которых все внутренние токи покоя можно задать с помощью внешнего тока, подаваемого на специальный вывод ОУ.
• Мощные (сильноточные) ОУ могут отдавать большой ток в нагрузку, то есть допустимое сопротивление нагрузки меньше стандартных 2 кОм, и может составлять до 50 Ом.
• Низковольтные ОУ работоспособны при напряжении питания 3 В и даже ниже. Как правило, они имеют rail-to-rail выход.
• Высоковольтные ОУ. Все напряжения для них (питания, синфазное входное, максимальное выходное) значительно больше, чем для ОУ широкого применения.
• Быстродействующие ОУ имеют высокую скорость нарастания и частоту единичного усиления. Такие ОУ не могут быть микромощными, и, как правило, выполнены на биполярных транзисторах.
• Малошумящие ОУ.
• Звуковые ОУ. Имеют минимально возможный коэффициент гармоник (THD). Примеры: LM4562 (THD 0,00003 %), OPA2132 (THD 0,00008 %), LME49600 (THD 0,00003 %), AD797 (THD 0,0001 %) и т. п.
• Для однополярного питания. CMOS ОУ обеспечивают выходное напряжение, практически равное напряжению питания (rail-to-rail, R2R), биполярные ОУ — примерно на 1,2 В меньше, что существенно при небольших значениях Ucc.
• Разностные ОУ (англ. Difference Amplifier, не путать с Differential amplifier). Имеют выдающийся коэффициент ослабления синфазного напряжения (англ. CMRR). Измеряют малые напряжения на фоне сильных помех, что характерно, к примеру, для токовых шунтов. Примеры: INA214, INA333.
• ОУ (или точнее, готовые усилительные каскады) с переменным коэффициентом усиления.
• Специализированные ОУ. Обычно разработаны для конкретных задач: например, подключение фотодатчика или магнитной головки ко входу; динамического громкоговорителя к выходу. Могут содержать в себе готовые цепи ООС или отдельные необходимые для этого прецизионные резисторы.

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

Другие классификации

По входным сигналам:

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

По выходным сигналам:

• Обычный ОУ с одним выходом;
• ОУ с дифференциальным выходом[10]

Использование ОУ

Использование ОУ как схемотехнического элемента гораздо проще и понятнее, чем оперирование отдельными элементами, его составляющими (транзисторами, резисторами и т. п.). При проектировании устройств на первом (приближенном) этапе операционные усилители можно считать идеальными. Далее для каждого ОУ определяются требования, которые накладывает на него схема, и подбирается ОУ, удовлетворяющий этим требованиям. Если получается, что требования к ОУ слишком жесткие, то можно частично перепроектировать схему для обхода данной проблемы.

Операционные усилители применяются в следующих устройствах:

• предусилители и буферные усилители звукового и видеочастотного диапазона;
• компараторы напряжения;
• дифференциальные усилители;
• дифференциаторы и интеграторы;
• фильтры;
• выпрямители повышенной точности;
• стабилизаторы напряжения и тока;
• аналоговые вычислители;
• аналого-цифровые преобразователи;
• цифро-аналоговые преобразователи;
• генераторы сигналов;
• преобразователи ток-напряжение и напряжение-ток.

Тесты по теме операционные усилители

1 На рисунке изображен ОУ, включенный по схеме:

C – инвертирующего усилителя

D – неинвертирующего усилителя

2 Какой вид отрицательной обратной связи используется в типовой схеме включения ОУ?

A – последовательная по току

B – последовательная по напряжению

C – параллельная по току

D – параллельная по напряжению

3 Если на выходе операционного усилителя при отсутствии входного сигнала присутствует ненулевое напряжение, его называют

A – нулевым сигналом

B – выходным напряжением

C – напряжением смещения нуля

D – выходным током

Вау!! 😲 Ты еще не читал? Это зря!

• операционные усилители , пиковый детектор ,
• аналоговый сумматор , аналоговый дифференциатор , аналоговый интегратор ,
• дифференциальные усилители , усилитель , дифференциальный каскад ,
• операционные усилители ,

• Инструментальный усилитель
• Активный фильтр
• Аналоговый компьютер

Статью про операционные усилители я написал специально для тебя. Если ты хотел бы внести свой вклад в развии теории и практики, ты можешь написать коммент или статью отправив на мою почту в разделе контакты. Этим ты поможешь другим читателям, ведь ты хочешь это сделать? Надеюсь, что теперь ты понял что такое операционные усилители и для чего все это нужно, а если не понял, или есть замечания, то нестесняся пиши или спрашивай в комментариях, с удовольствием отвечу. Для того чтобы глубже понять настоятельно рекомендую изучить всю информацию из категории Электроника, Микроэлектроника , Элементная база