Что такое операционный усилитель?
Операционный усилитель - это аббревиатура от операционного усилителя, усилителя с высоким коэффициентом усиления с прямой связью. В термине «операционный усилитель» термин «рабочий» означает, что усилитель может выполнять определенные операции, такие как суммирование, вычитание, сравнение и т. Д. Слово «усиление» предполагает, что он может усиливать входной сигнал.
Идеальный операционный усилитель
Идеального операционного усилителя практически не существует, но он обладает наилучшими характеристиками. Все практичные операционные усилители созданы для достижения близких характеристик к идеальному операционному усилителю. Обсудим некоторые особенности идеального операционного усилителя.
Идеальные характеристики операционного усилителя
- Идеальный операционный усилитель обеспечивает бесконечное усиление напряжения.
- Он имеет бесконечное входное сопротивление.
- Он имеет нулевое выходное сопротивление.
- У него бесконечная пропускная способность.
- Коэффициент подавления синфазного сигнала бесконечен.
- Коэффициент отклонения источника питания бесконечен.
- Скорость нарастания 0.
Инвертирующий операционный усилитель
Операционный усилитель имеет различные режимы работы. Инвертирующий операционный усилитель представляет собой тип процесса, в котором входной сигнал подается через инвертирующий терминал операционного усилителя. В процессе усиления фаза на выходе усилителя инвертируется. Инвертирующий операционный усилитель имеет более высокое усиление, чем неинвертирующий операционный усилитель.
Неинвертирующий операционный усилитель
Неинвертирующий - еще один режим работы с операционным усилителем. Здесь входной сигнал подается через неинвертирующий вывод операционного усилителя. Таким образом, выходная фаза остается прежней и не инвертируется во время работы. Вот почему эта операция с использованием операционного усилителя известна как «неинвертирующий операционный усилитель». Этот операционный усилитель обеспечивает более высокую стабильность системы из-за системы отрицательной обратной связи, но он имеет меньшее усиление, чем инвертирующий операционный усилитель. Между неинвертирующим операционным усилителем и инвертирующим операционным усилителем больше предпочтений отдается инвертирующему усилителю.
Схемы операционных усилителей | Базовые схемы операционных усилителей
Схемы операционных усилителей специфичны для их работы. Операционный усилитель может выполнять несколько математических операций. Схемы изготавливаются по необходимости. На изображении ниже представлен типичный схемный образ операционного усилителя.
Мы можем заметить, что операционный усилитель имеет два входа (помечены как 1 и 2). Вход, помеченный знаком «-», является инвертирующим контактом. Вход, помеченный знаком «+», является неинвертирующим контактом. Пара подключения напряжения, обозначенная как + Vsat и -Vsat, представляет собой положительное напряжение насыщения и отрицательное напряжение насыщения, представляющее наивысший и наименьший предел рабочего усилителя; их можно наблюдать на выходе.
Напряжения насыщения прикладываются к операционному усилителю, чтобы сбалансировать операционный усилитель относительно земли. Выходной сигнал собирается с клеммы «O».
741 операционный усилитель
Операционные усилители теперь доступны на рынках через микросхемы. Одной из таких микросхем является операционный усилитель 741. Это монолитная ИС (все соединения выполнены на едином куске кристаллического кремния). ИС состоит из одного операционного усилителя. Впервые его разработала компания Fairchild Semiconductor в начале шестидесятых годов. Число 741 указывает на то, что ИС имеет семь функциональных контактов, четыре входных контакта и один выходной контакт.
Распиновка операционного усилителя 741
На следующей схеме показана распиновка ИС. Терминология IC, состоящая из операционного усилителя, также описывает контакты. Число 7 из 741 представляет семь функциональных контактов, четыре входных контакта и один выходной контакт.
Схема операционного усилителя 741
На следующем рисунке представлена принципиальная схема операционного усилителя 741.
Интегратор операционного усилителя
Мы упоминали ранее, что операционный усилитель может выполнять несколько математических операций. Давайте узнаем, как операционный усилитель может выполнять операцию «интегрирования» по входному сигналу. Чтобы реализовать интегратор с использованием операционного усилителя, нам понадобится конденсатор, пара резисторов и операционный усилитель! На приведенной ниже принципиальной схеме изображена схема интегратора операционного усилителя.
Работа интегратора
Концепция виртуальной земли – работает благодаря предположению ОУ бесконечный выигрыш. Вот почему узел «А» на изображении является виртуальной землей. Пусть ток «i» протекает через сопротивление R. Таким образом, ток можно измерить как i = V1/R.
Здесь V1 - это входное напряжение, подаваемое на инвертирующий вывод, а неинвертирующий вывод заземлен с помощью резистора, и из-за высокого входного импеданса тот же ток будет течь через путь обратной связи с конденсатором в нем. Итак, выходное напряжение можно записать как:
Vo = - 1 / C 0 t [i dt]
Или Vo = - 1 / RC 0 t [V1 dt]
Таким образом, мы можем сказать, что выходное напряжение пропорционально интегралу входного напряжения по времени, и поэтому схема называется интегратором или интегратором Миллера.
Компаратор операционного усилителя
Компаратор операционного усилителя, или компаратор напряжения, или компаратор - это электронное устройство, которое сравнивает два входных напряжения и обеспечивает ориентировочный выходной сигнал. Выход показывает, какое из двух входных напряжений имеет более необычные значения.
Операционный усилитель спроектирован с разомкнутой схемой для использования операционного усилителя в качестве компаратора.
- Если напряжение на неинвертирующем выводе выше, чем напряжение на инвертирующем выводе, выход переключается на положительное напряжение насыщения операционного усилителя.
- Если напряжение инвертирующей клеммы больше, чем напряжение на неинвертирующей клемме, реле переключается на отрицательное напряжение насыщения операционного усилителя.
Схема компаратора операционного усилителя
На изображении ниже представлена схема компаратора операционного усилителя.
Усиление операционного усилителя
Коэффициент усиления операционного усилителя относится к отношению выходного напряжения к входному напряжению, а операционный усилитель имеет два следующих типа усиления.
- Коэффициент усиления замкнутого контура: Если с системой операционного усилителя связана система обратной связи, то коэффициент усиления системы известен как коэффициент усиления с обратной связью.
- Коэффициент усиления по разомкнутой петле: Если схема операционного усилителя не имеет связанной с ней системы обратной связи, то усиление - это усиление без обратной связи.
Для идеального операционного усилителя коэффициент усиления бесконечен для любых частот. Для реальных усилителей коэффициент усиления является абсолютной константой. Коэффициент усиления - это параметр производительности усилителя.
Коэффициент усиления неинвертирующего операционного усилителя
Общее выражение выходного напряжения неинвертирующего усилителя: Vвых = k * Вин
Выходное уравнение неинвертирующего усилителя: V0 = [1 + (Rf / R1)] * Vin
Итак, сравнивая оба уравнения, значение k будет
к = [1 + (Rf / R1)]
Это выражение резистора известно как коэффициент усиления неинвертирующего усилителя. Мы можем заметить, что если Rf = R1, Vo = 2 * Vin. Таким образом, входное напряжение усиливается в 2 раза. Отношение (Rf / R1) обычно регулирует усиление. Увеличение Rf увеличивает значение усиления.
Буфер операционного усилителя
Буфер операционного усилителя, буфер с единичным усилением или схема повторителя напряжения - это специально разработанная модель неинвертирующего усилителя. Соблюдайте приведенную выше схему неинвертирующего усилителя. Если бы мы сделали нулевое сопротивление обратной связи и бесконечное сопротивление инвертирующего вывода, коэффициент усиления усилителя был бы равен единице. Вот почему эта схема известна как буфер единичного усиления. Этот буфер используется для согласования импеданса.
Дифференциальный операционный усилитель
Дифференциальный операционный усилитель или дифференциальный усилитель - это операционный усилитель, который усиливает разницу между двумя входными напряжениями и выдает их на выходе и выполняет операцию вычитания, в отличие от суммирующего усилителя, который суммирует входные напряжения.
На схеме ниже изображена схема дифференциального усилителя.
Операционный отдел
Используя концепцию виртуальной земли, мы можем заключить, что напряжение в узле A такое же, как напряжение в узле B. Используя KCL, мы можем написать, что -
(V1 - Vx) / R1 = (Vx - VO) / R2
& (V2 - Vx) / R1 = Vx / R2
Здесь V1 - входное напряжение. Vx - это напряжение на узле A (а также на узле B). Vo - выходное напряжение. Теперь предположим, что операционный усилитель имеет высокое входное сопротивление. Сравнивая и используя оба уравнения, мы можем написать -
Vo = (V2 - V1) * R2 / R1
Это выходное уравнение оправдывает операцию.
Инвертирование усиления операционного усилителя
Общее выражение выходного напряжения инвертирующего усилителя: Vвых = -к * Вин
Выходное уравнение инвертирующего усилителя: V0 = - (Rf / R1) * Vin
Теперь, сравнивая оба уравнения, мы можем сказать -
к = (Rf / R1)
Это коэффициент усиления инвертирующего усилителя с обратной связью.
Суммирующий операционный усилитель
Суммирующий операционный усилитель или операционный усилитель сумматора - это усилитель, который усиливает суммирование входных напряжений и выдает их на выходе. Он выполняет операции суммирования или сложения, в отличие от дифференциального усилителя, который выполняет операции вычитания.
На изображении ниже представлен суммирующий операционный усилитель.
Эксплуатация
Используя концепцию виртуальной земли, потенциал в узле А такой же, как потенциал в узле В. Применение KCL, мы можем написать -
I1 + I2 + I3 +… + IN = IO
Или V1 / R1 + V2 / R2 +… + Vn / Rn = - Vo / Rf
Или Vo = - [(V1 * Rf / R1) + (Rf * V2 / R2) +… + (Rf * Vn / Rn)
Теперь, если R1 = R2 =… = Rn = Rf, то мы можем написать -
Vo = - [V1 + V2 +… + Vn]
Операционный усилитель с повторителем напряжения | Последователь операционного усилителя
Операционный усилитель с повторителем напряжения, или буфер с единичным коэффициентом усиления, или схема с повторителем напряжения — это специально разработанная модель неинвертирующего усилителя, и если бы мы сделали обратную связь сопротивление нулевое, а инвертирующий терминал бесконечный сопротивление, коэффициент усиления усилителя будет равен единице. Поскольку выходное напряжение следует за входным напряжением без усиления, усилитель известен как повторитель напряжения. Вот почему эта схема также известна как буфер с единичным усилением. Этот буфер используется для согласования импеданса.
Дискретный операционный усилитель
Дискретный операционный усилитель создан для обеспечения минимальной разницы между положительным и отрицательным входами, что дополнительно способствует высокому усилению. Дискретные операционные усилители обычно используются для аудио приложений, а не обычные операционные усилители. Он имеет несколько преимуществ по сравнению с обычными операционными усилителями, поскольку возможна индивидуальная конструкция, требуется меньше компонентов, обеспечивается лучшая температурная стабильность и т. Д.
Lm741 операционный усилитель
Lm741 - это монолитная ИС, внутри которой находится один операционный усилитель. Он имеет восемь контактов. ИС не требует внешней частотной компенсации. Он обеспечивает более высокий CMRR и потребляет меньше энергии. Распиновка lm741 приведена ниже.
| Пин код | Описание |
| 1, 5 | Смещение NULL для удаления смещения и балансировки с землей. |
| 2 | Инвертирующий входной терминал |
| 3 | Неинвертирующий терминал |
| 4 | Отрицательное напряжение насыщения |
| 6 | Выход операционного усилителя |
| 7 | Положительное напряжение насыщения |
| 8 | Нет связи (NC) |
Дифференциатор операционного усилителя
ОУ дифференциатор или дифференциальный операционный усилитель выполняет операцию дифференцирования по сигналу входного напряжения. Чтобы реализовать дифференциатор с помощью операционного усилителя, нам понадобится конденсатор, пара резисторов и операционный усилитель! На приведенной ниже принципиальной схеме изображена схема дифференциатора операционного усилителя.
Уравнения операционного усилителя
Уравнения операционного усилителя обычно называют выходными уравнениями операционного усилителя. Выходные уравнения представляют собой соотношение между входным и выходным напряжениями. Коэффициент усиления также можно определить из выходных уравнений. Некоторые из выходных уравнений некоторых основных усилителей приведены ниже.
Неинвертирующие уравнения операционного усилителя: V0 = [1 + (Rf / R1)] * Vin
Инвертирование уравнений операционного усилителя: V0 = - (Rf / R1) * Vin
Типы операционных усилителей
Операционный усилитель имеет несколько типов, а не несколько режимов работы. Различные типы операционных усилителей выполняют различные математические операции. Некоторые из них -
- Инвертирующий операционный усилитель
- Неинвертирующий операционный усилитель
- Разница в операционном усилителе
- Суммирующий усилитель
- интегратора
- Дифференциальный усилитель
- Логарифмический усилитель
- Компаратор
- Преобразователь тока в напряжение
- Преобразователь напряжения в ток
Инвертирующий и не инвертирующий операционный усилитель
Давайте проведем сравнительный анализ инвертирующего и неинвертирующего ОУ.
| Предмет сравнения. | Инвертирующий операционный усилитель | Неинвертирующий операционный усилитель |
| Входной разъем | Вход осуществляется через инвертирующий терминал. | Вход осуществляется через неинвертирующий терминал. |
| Выходная полярность | На выходе изменяется полярность входного напряжения. | Полярность входа остается той же на выходе. |
| Gain | Коэффициент усиления определяется как: Av = - (Rf / R1) | Коэффициент усиления определяется как: Av = (1 + Rf / R1) |
| Входные сопротивления | Входное сопротивление меньше, чем у неинвертирующего ОУ. | Входное сопротивление выше, чем у инвертирующего операционного усилителя. |
| Выходной этап | Вход и выход находятся в фазе. | Вход и выход не совпадают по фазе. |
Операционный усилитель с отрицательной обратной связью
Для замкнутой системы операционного усилителя, если система обратной связи подключена к инвертирующему выводу операционного усилителя, система обратной связи известна как отрицательная обратная связь. Операционный усилитель, работающий со встроенной отрицательной обратной связью, известен как отрицательная обратная связь. Операционные усилители с отрицательной обратной связью имеют лучшую стабильность системы, но коэффициент усиления ниже, чем у операционного усилителя с положительной обратной связью.
Дополнительные статьи по электронике нажмите здесь.
