Работа операционного усилителя для чайников: буфер и схема переменного тока

Что такое операционный усилитель?

Операционные усилители — это микросхемы, которые могут выглядеть по-разному.

Например, на этом изображении показаны два операционных усилителя российского производства. Слева — операционный усилитель K544UD2AR в пластиковом корпусе DIP, а справа — операционный усилитель в металлическом корпусе.

Сначала, прежде чем познакомиться с операционным усилителем, микросхемами в таких металлических корпусах, меня постоянно путали с транзисторами. Я думал, что это такие умные транзисторы с несколькими эмиттерами

Условное графическое обозначение (УГО)

Символ операционного усилителя выглядит так.

Итак, операционный усилитель (ОУ) имеет два входа и один выход. Также есть клеммы для подключения блока питания, но обычно они не обозначаются условными графическими обозначениями.

Для такого усилителя есть два правила, которые помогут понять принцип работы:

1. Выход операционного усилителя стремится гарантировать, что разность напряжений на его входах равна нулю
2. Входы операционного усилителя не потребляют мощность

Вход 1 обозначается как «+» и называется неинвертирующим, а вход 2 обозначается как «-» и является инвертирующим.

Входы операционного усилителя имеют высокий входной импеданс или, иначе говоря, высокий импеданс.

Это говорит о том, что входы операционного усилителя почти не потребляют ток (буквально несколько наноампер). Усилитель просто оценивает величину напряжений на входах и, в зависимости от этого, выдает выходной сигнал, усиливая его.

Коэффициент усиления операционного усилителя просто очень важен, он может достигать миллиона, а это очень важно! Это значит, что если мы подадим на вход небольшое напряжение, хотя бы 1 мВ, то на выходе мы сразу получим максимальное, напряжение практически равно напряжению блока питания операционного усилителя. Благодаря этому свойству операционные усилители почти никогда не используются без обратной связи (ОС). Собственно, какой смысл во входном сигнале, если мы всегда получаем максимальное выходное напряжение, но об этом мы поговорим чуть позже.

Входы операционного усилителя работают таким образом, что если значение на неинвертирующем входе больше, чем на инвертирующем, то на выходе будет максимальное положительное значение +15 В. Если значение напряжения на инвертирующем входе окажется более положительным, то на выходе мы будем наблюдать максимальное отрицательное значение, где-то около -15В.

Фактически, операционный усилитель может излучать напряжения как положительной, так и отрицательной полярности. Новичок может задаться вопросом, как такое возможно? Но это действительно возможно, и это связано с использованием блока питания с разделением напряжения, так называемого биполярного блока питания. Давайте подробнее рассмотрим блок питания операционного усилителя.

Детали и печатная плата

Большинство деталей находится на печатной плате. Все управляющие резисторы, переключатели и разъемы расположены на передней панели. Многие детали устанавливаются на их клеммы.

Рис. 2. Плата генератора сигналов низкой частоты.

Переключатель S1 имеет прорези в трех направлениях и трех положениях. Используются только два направления. Переключатель S2 — двустороннее стекло. Все разъемы представляют собой коаксиальные разъемы типа «Азия» от видеоаппаратуры.

Катушки индуктивности L1 и L2 — из цветных модулей старых телевизоров УСЦТ (можно использовать любую индуктивность с индуктивностью не менее 30 мкГн). Лампа накаливания H1 представляет собой индикаторную лампу с гибкими проводами (аналогично светодиоду) на напряжение 6, V и, следовательно, 20 мА. Можно использовать другую лампу на напряжение 2,5-13,5В и ток не более 0,1А.

Принцип работы операционного усилителя

Давайте посмотрим, как работает операционный усилитель

Принцип работы операционного усилителя очень прост. Сравните два напряжения, и на выходе он уже излучает отрицательный или положительный потенциал источника питания. Все зависит от того, какой вход имеет наибольший потенциал. Если потенциал на неинвертирующем входе U1 больше, чем на неинвертирующем входе U2, то на выходе будет + Upit, но если потенциал на инвертирующем входе U2 больше, чем на неинвертирующем U1, то на выходе будет -Upit. В этом весь принцип ;-).

Давайте посмотрим на 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

Мы подаем 2 Вольта на неинвертирующий вход и 1 Вольт на инвертирующий вход. Поскольку на неинвертирующем входе потенциал больше, то на выходе мы должны получить + Usup. У нас 13,5 вольт, что близко к этому значению

Но почему не 15 вольт? За все отвечает внутренняя схема операционного усилителя. Максимальное значение операционного усилителя не всегда может быть равно положительному или отрицательному напряжению питания. Оно может составлять от 0,5 до 1,5 вольт, в зависимости от типа операционного усилителя.

Но, как говорится, в семействе не обошлось без невменяемых, и поэтому на рынке давно появились операционные усилители, способные выдавать на выходе приемлемое напряжение питания, то есть в нашем случае это значения, близкие к + 15 и -15 Вольт. Эта функция называется Rail-to-Rail, что дословно переводится с английского. «С рельса на рельс», а языком электроники «с одного силового автобуса на другой».

Теперь мы подаем потенциал на инвертирующий вход больше, чем на неинвертирующий. Подаем 2 Вольта на инвертирующий и 1 Вольт на неинвертирующий:

Как вы можете видеть, в то время выход «пошел» на -Upit, поскольку на инвертирующем входе потенциал был больше, чем на неинвертирующем входе.

Чтобы не загружать заново программный пакет Proteus, можно смоделировать работу идеального операционного усилителя в режиме онлайн с помощью программного обеспечения Falstad. Для этого выберите вкладку Circuits — Op-Amp-> OpAmp. В результате на экране появится следующая диаграмма:

На правой панели управления вы увидите ползунки для добавления напряжения на входы операционного усилителя, и вы уже можете визуально увидеть, что происходит с выходом операционного усилителя при изменении напряжения на входах.

Правильное питание ОУ

Вероятно, не будет секретом, что для работы операционного усилителя он должен быть запитан, например, подключить его к источнику питания. Но есть интересный момент, как мы убедились чуть ранее, операционный усилитель может выдавать на выходе напряжение как положительной, так и отрицательной полярности. Как это может быть?

И это может быть! Это связано с использованием биполярного источника питания, очевидно, что можно использовать и униполярный источник, но в этом случае возможности операционного усилителя будут ограничены.

В общем, при работе с блоками питания многое зависит от того, что мы взяли за отправную точку, например, для 0 (ноль). Давайте разберемся.

Читайте также: Фонарик на солнечной батарее своими руками: схема садового светильника

Пример на батарейках

Обычно примеры проще дать на пальцах, но и в электронике, думаю, подойдут и пальчиковые батарейки

Допустим, у нас есть обычная пальчиковая батарейка (батарейка АА). У него два полюса: положительный и отрицательный. Когда мы принимаем отрицательный полюс за ноль, мы считаем его нулевой точкой отсчета, поэтому в результате положительный полюс батареи будет показывать + 5В (значение с плюсом).

Мы можем убедиться в этом с помощью мультиметра (кстати, статья о мультиметрах в помощь), просто подключите черный отрицательный щуп к минусу батареи, а красный щуп к плюсу и вуаля. Здесь все просто и логично.

Теперь немного усложним задачу и возьмем точно такую ​​же вторую батарею. Подключаем батареи последовательно и рассматриваем, как меняются показания измерительных приборов (мультиметров или вольтметров) в зависимости от различных точек приложения щупов.

Если мы возьмем отрицательный полюс крайнего аккумулятора за ноль и подключим измерительный щуп к положительному полюсу аккумулятора, мультиметр покажет нам значение +10 В.

Если за точку отсчета взять положительный полюс аккумулятора и измерительный щуп был подключен к минусу, любой вольтметр покажет нам -10 В.

Но если за точку отсчета взять точку между двумя батареями, то в результате мы можем получить простой биполярный источник питания. И вы можете убедиться в этом, мультиметр подтвердит, что это действительно так. У нас будет напряжение как положительной полярности + 5В, так и напряжение отрицательной полярности -5В.

Схемы источников двуполярного питания

Я привел примеры батарей в качестве примера, чтобы было понятнее. Теперь давайте взглянем на несколько примеров простых схем раздельного питания, которые вы можете использовать в своих проектах радиолюбителей.

Схема с трансформатором, с отводом от «средней» точки

И первая схема питания для операционного усилителя перед вами. Это довольно просто, но я немного объясню, как это работает.

Схема питается от нашей знакомой домашней сети, поэтому неудивительно, что на первичную обмотку трансформатора поступает переменный ток 220В. Затем трансформатор преобразует переменный ток 220 В в такой же переменный ток, но уже 30 В. Вот как мы хотели произвести трансформацию.

Да, на вторичной обмотке будет переменное напряжение 30В, но обратите внимание на отвод от середины вторичной обмотки. На вторичной обмотке делается ответвление, и количество витков перед этим ответвлением равно количеству витков после ответвления.

Благодаря этой ветви мы можем получить переменное напряжение 30 В и изменение 15 В на выходе вторичной обмотки. Мы используем эти знания.

Далее нам нужно выпрямить смену и превратить ее в постоянную, тогда диодный мост нам поможет. Диодный мост с этой задачей справился и на выходе мы получили не очень стабильную постоянную 30В. Это напряжение нам покажет мультиметр, если мы подключим щупы к выходу диодного моста, но мы должны помнить ответвление на вторичной обмотке.

Мы проводим эту ветвь дальше и подключаем ее между электролитическими конденсаторами, а затем между следующей парой высокочастотных конденсаторов. Чего мы этим добились?

Мы достигли нулевой точки отсчета между полюсами потенциалов положительной и отрицательной полярности. В итоге на выходе имеем достаточно стабильное напряжение как + 15В, так и -15В. Конечно, эту схему можно еще улучшить, если добавить интегральные стабилитроны или стабилизаторы, но тем не менее указанная схема уже справляется с задачей питания операционных усилителей.

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

Итак, мы рассмотрели случай, когда напряжение на входах может быть разным. Но что, если они такие же? Что в этом случае покажет нам Протей? Хм, показал + Упит.

Что покажет Фалстад? Нулевое напряжение.

Кому верить? Никто! В реальной жизни этого нельзя сделать для подачи абсолютно равных напряжений на два входа. Следовательно, это состояние операционного усилителя будет нестабильным, и выходные значения могут принимать значения -E Volt или + E Volt.

На неинвертирующий вход подаем синусоидальный сигнал амплитудой 1 вольт и частотой 1 килогерц, а инвертирующий заземляем, то есть на ноль.

Посмотрим, что у нас на виртуальном осциллографе:

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

Идеальная и реальная модель операционного усилителя

Чтобы понять суть работы операционного усилителя, рассмотрим его идеальные и реальные модели.

• Входное сопротивление идеального операционного усилителя бесконечно велико.

В реальных операционных усилителях значение входного сопротивления зависит от назначения операционного усилителя (универсальный, видео, прецизионный и т.д.), Типа используемого транзистора и схемы входного каскада и может варьироваться от сотен до Ом до десятков МОм. Типичное значение для операционных усилителей общего назначения составляет несколько МОм.

• Второе правило следует из первого. Поскольку входное сопротивление идеального операционного усилителя бесконечно велико, входной ток будет нулевым.

Действительно, это предположение вполне верно для операционного усилителя с полевыми транзисторами на входе, входные токи которого могут быть меньше пикоампер. Но есть еще операционные усилители с биполярными транзисторами на входе. Здесь входной ток уже может составлять десятки микроампер.

• Выходное сопротивление идеального операционного усилителя равно нулю.

Это означает, что напряжение на выходе операционного усилителя не изменится при изменении тока нагрузки. В настоящих операционных усилителях общего назначения выходное сопротивление составляет десятки Ом (обычно 50 Ом).
Также выходное сопротивление зависит от частоты сигнала.

• Коэффициент усиления идеального операционного усилителя бесконечно велик. Фактически, оно ограничено внутренней схемой операционного усилителя, а выходное напряжение ограничено напряжением питания.
• Поскольку коэффициент усиления бесконечно велик, поэтому разница напряжений между входами идеального операционного усилителя равна нулю. В противном случае, даже если потенциал входа, по крайней мере, больше или меньше заряда электрона, выход будет бесконечно большим.
• Коэффициент усиления идеального операционного усилителя не зависит от частоты сигнала и является постоянным на всех частотах. В реальных операционных усилителях это условие выполняется только для низких частот до определенной частоты среза, которая индивидуальна для каждого операционного усилителя. Обычно считается, что частота среза является уменьшением усиления на 3 дБ или 0,7 раза от усиления на нулевой частоте (DC).

Схема простейшего операционного усилителя на транзисторах выглядит так:

Обозначение на схеме операционного усилителя

На схемах операционный усилитель обозначен так:

или так

Чаще всего операционные усилители на схемах указаны без выводов питания

Итак, по классике, слева два входа, справа один выход.

Вход со знаком плюс называется неинвертирующим входом, а вход со знаком минус называется инвертирующим входом. Не путайте эти два знака с полярностью блока питания! Они НЕ говорят, что обязательно подавать сигнал с отрицательной полярностью на инвертирующий вход и сигнал с положительной полярностью на неинвертирующий вход, и тогда вы поймете, почему.