Основы функционирования операционных усилителей, области их применения
Операционный усилитель — это усилитель постоянного тока, у которого имеются дифференциальный вход и единственный выход с высоким коэффициентом усиления.
Пример обозначения операционного усилителя на схемах, изображен на рисунке ниже.
Рисунок 1. Обозначение операционного усилителя на схемах. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
Здесь: V+ - неинвертирующий вход; V- - инвертирующий вход; Vout – выход; Vs+ - плюс источника питания; Vs- - минус источника питания.
Для функционирования операционного усилителя используется двух полярное питание, то есть у источника питания имеется три вывода. Вывод источника, имеющего нулевой потенциал, непосредственно не подключается к операционному усилителю. Однако, при этом он всегда представляет собой сигнальную землю и применяется для создания обратной связи. Иногда вместо двух полярного питания может использоваться однополярное. В данному случае общая точка совмещается с отрицательной шиной питания или создается искусственно. Операционный усилитель может работать в широком диапазоне напряжений источника питания. В случае, когда операционный усилитель работает как отдельный дифференциальный усилитель, его поведение можно описать следующим выражением:
$Vout = (V1 – V2) * G$
Где: Vout – напряжение на выходе; V1 – напряжение на неинвертирующем входе; V2 - напряжение на инвертирующем входе; G — собственный коэффициент усиления операционного усилителя (то есть при разомкнутой петле, без обратной связи).
Такой способ включения операционного усилителя почти не используется, из-за следующих недостатков:
- Точка отсчета выходного и входного напряжений не регулируется.
- Коэффициент усиления самого операционного усилителя очень высок.
- Собственный коэффициент усиления операционного усилителя может нормироваться только в очень больших пределах (он может изменяться в тысячи раз).
Почти всегда операционные усилители применяются в схемах, в которых присутствует глубокая отрицательная обратная связь. В этом случае, благодаря высокому собственному коэффициенту усиления, операционный усилитель способен определять коэффициент передачи/усиления полученной схемы. Современные операционные усилители широко используются в виде отдельных чипов или функциональных блоков, входящих в состав сложных интегральных схем. Причиной такого широкого использования этих усилителей обусловленной возможностью построение на их основе большого количества разных электронных узлов. К основным устройствам, в которых применяется операционный усилитель, относятся: компараторы напряжения, буферные усилители, фильтры, интеграторы, выпрямители высокой точности, стабилизаторы тока и напряжения, аналоговые вычислители, генераторы сигналов, устройства управления линиями связи и другие.
Применение операционного усилителя как схемотехнического элемента значительно проще и понятнее, чем оперирование его составляющими (транзисторы и т.п.).
Классификация операционных усилителей
Операционные усилители классифицируются по следующим признакам:
- Типу элементной базы. Согласно данному признаку усилители могут быть выполнены на основе полевых транзисторов, электронных ламп, баллистических транзисторах, биполярных транзисторах.
- 2 Области применения. Согласно данному признаку усилители делятся на прецизионные операционные усилители (используются в точных измерительных приборах и обладают небольшим напряжением смещения), усилители индустриального стандарта (дешевые операционные усилители общего назначения), электрометрические усилители (обладают малым входным током и имеющие на входе полевые транзисторы), микромощные (потребляют малый ток для собственного питания), низковольтные усилители (могут функционировать при напряжении 3В), сильноточные усилители (способные отдавать большой ток в нагрузку), быстродействующие операционные усилители (обладают высокими частотой единичного усиления и скоростью нарастания), маломощные усилители, звуковые усилители (обладают минимально возможным коэффициентом гармоник), специализированные усилители (разрабатываются для конкретных задач, например, подключение динамического громкоговорителя к выходу), разностные усилители (обладают коэффициентом ослабления синфазного напряжения), операционные усилители с переменным коэффициентом усиления, а также специальные усилители, которые рассчитаны на работу в качестве компаратора.
- Входным сигналам. Согласно данному признаку операционные усилители делятся на усилители с двумя входами и с тремя входами.
- Выходным сигналам. Согласно данному признаку операционные усилители делятся на усилители с обычным и с дифференциальным выходом.
Компаратор — это электронная схема, которая принимает на входы два аналоговых сигнала и выдает сигнал высокого уровня.
