1. Що таке операційний підсилювач?
2. Умовне графічне позначення (УДО)
3. Правильне харчування ОУ
4. Приклад на батарейках
5. Схеми джерел двополярного харчування
6. Схема з трансформатором, з відведенням від «середньої» точки
7. Схема з двома діодними мостами
8. Зворотній зв'язок ОУ
9. Позитивний зворотний зв'язок, негативний зворотний зв'язок
10. Схеми включення операційних підсилювачів
11. Компаратор на ОУ
12. Тригер Шмітта на ОУ
13. повторювач
14. неінвертуючий підсилювач
15. инвертирующий підсилювач
16. суматор інвертується

Вітаю вас дорогі друзі! Ось нарешті добрався я до свого комп'ютера, приготував собі чайку з печеньки і понеслась ...

Для тих хто вперше на моєму блозі і не зовсім розуміє що тут відбувається поспішаю нагадати, мене звуть Володимир Васильєв і на цих сторінках я ділюся зі своїми читачами сакральними знаннями з області електроніки і не тільки електроніки. Так що може бути і ви тут знайдете для себе щось корисне, принаймні я на це сподіваюся. обов'язково підпишіться , Тоді ви нічого не пропустіть.

А сьогодні мова піде про такий електронному пристрої як операційний підсилювач. Ці підсилювачі застосовуються повсюдно, всюди де потрібно посилити сигнал по потужності знайдеться робітка для операціонніка.

Особливо поширене застосування операційних підсилювачів в аудіотехніки. Кожен аудіофілл прагне посилити звучання своїх музичних колонок і тому намагається прикрутити підсилювач по могутніше. Ось тут ми і стикаємося з операційними підсилювачами, адже багато аудіосистеми просто нашпиговані ними. Завдяки властивості операційного підсилювача підсилювати сигнал по потужності ми відчуваємо більш потужний тиск на свої барабанні перетинки коли слухаємо композиції на своїх аудіо колонках. Ось так ось в побуті ми оцінюємо якість роботи операційного підсилювача на слух.

В е тій статті на слух ми оцінювати нічого не будемо але постараємося розглянути всі детально і розкладемо все по поличках щоб стало зрозуміло навіть самому самоварного чайнику.

[Contents]

Що таке операційний підсилювач?

Операційні підсилювачі представляють собою мікросхеми які можуть виглядати по-різному.

Наприклад на цій картинці зображені два операційних підсилювача російського виробництва. Зліва операційний підсилювач К544УД2АР в пластмасовому DIP корпусі а праворуч зображено операціоннік в металевому корпусі.

По початку, до знайомства з операціоннікамі, мікросхеми в таких металевих корпусах я постійно плутав з транзисторами. Думав що це такі хитромудрі многоеміттерного транзистори 🙂

Умовне графічне позначення (УДО)

Умовне позначення операційного підсилювача виглядає наступним чином.

Отже операційний підсилювач (ОУ) має два входи і один вихід. Також є висновки для підключення харчування але на умовних графічних позначеннях їх зазвичай не вказують.

Для такого підсилювача є два правила які допоможуть зрозуміти принцип роботи:

1. Вихід операціонніка прагне до того, щоб різниця напруги на його входах дорівнювала нулю
2. Входи операційного підсилювача струм не споживають

Вхід 1 позначається знаком «+» і називається неінвертірующего а вхід 2 позначається як «-» і є інвертуючим.

Входи операціонніка володіють високим вхідним опором або інакше говорять високим опором.

Це говорить про те, що входи операційного підсилювача струм майже не споживають (буквально якісь наноампер). Підсилювач просто оцінює величину напружень на входах і в залежності від цього видає сигнал на виході посилюючи його.

Коефіцієнт посилення операційного підсилювача має просто величезне значення, може сягати мільйона, а це дуже велике значення! Значить це те, що якщо ми до входу докладемо невелика напруга, хоча б 1 мВ, то на виході отримаємо відразу максимум, напруга майже дорівнює напрузі джерела живлення ОУ. Через це властивості операціоннікі практично ніколи не використовують без зворотного зв'язку (ОС). Дійсно який сенс у вхідному сигналі якщо на виході ми завжди отримаємо максимальну напругу, але про це поговоримо трохи пізніше.

Входи ОУ працюють так, що якщо величина на неінвертуючий вході виявиться більше ніж на інвертується, то на виході буде максимальне позитивне значення + 15В. Якщо на вході інвертується величина напруги виявиться більш позитивною то на виході будемо спостерігати максимум негативної величини, десь -15В.

Дійсно операційний підсилювач може видавати значення напруг як позитивної так і негативної полярності. У новачка може виникнути питання про те як же таке можливо? Але таке дійсно можливо і це пов'язано із застосуванням джерела живлення з розщепленим напругою, так званим Двуполярность харчуванням. Давайте розглянемо харчування операціонніка трохи докладніше.

Правильне харчування ОУ

Мабуть, не буде секретом, що для того, щоб операціоннік працював, його потрібно живити, тобто підключити його до джерела живлення. Але є цікавий момент, як ми переконалися трохи раніше операційний підсилювач може видавати на вихід напруги як позитивної так і негативної полярності. Як таке може бути?

А таке можливо! Це пов'язано із застосуванням двополярного джерела живлення, звичайно можливе використання і однополярного джерела але в цьому випадку можливості операційного підсилювача будуть обмежені.

Взагалі в роботі з джерелами живлення багато що залежить від того що ми взяли за точку відліку тобто за 0 (нуль). Давайте з цим розберемося.

Приклад на батарейках

Зазвичай приклади найпростіше приводити на пальцях але в електроніці думаю підійдуть і пальчикові батарейки 🙂

Припустимо у нас є звичайна пальчикова батарейка (батарейка типу АА). У неї є два полюси плюсовій та негативний. Коли мінусовій полюс ми приймаємо за нуль, вважаємо нульовою точкою відліку то відповідно плюсовій полюс батарейки буде у нас показувати + 5В (значення з плюсом).

Це ми можемо побачити за допомогою мультиметра (до речі стаття про мультиметри в допомогу), досить підключити мінусовій чорний щуп до мінуса батарейки а червоний щуп до плюса і вуаля. Тут все просто і логічно.

Тепер трошки ускладнити завдання і візьмемо таку саму другу батарейку. Підключимо батарейки послідовно і розглянемо як змінюються показання вимірювальних приладів (мультиметров або вольтметрів) в залежності від різних точок прикладання щупів.

Якщо ми за нуль взяли мінусовій полюс крайней батарейки а вимірює щуп підключимо до плюса батарейки то мультиметр нам покаже значення в +10 В.

Якщо за точку відліку буде прийнятий позитивний полюс батарейки а вимірює щуп був підключений до мінуса то будь-який вольтметр нам покаже -10 В.

Але якщо за точку відліку буде прийнята точка між двома батарейками то в результаті ми зможемо плучілось простий джерело двополярного харчування. І ви можете в цьому переконатися, мультиметр нам підтвердить що так воно і є. У нас в наявності буде напруга як позитивної полярності +5 так і напруга негативної полярності -5В.

Схеми джерел двополярного харчування

Приклади на батарейках я привів для прикладу, щоб було зрозуміліше. Тепер давайте розглянемо кілька прикладів простих схем джерел розщепленого харчування які можна застосовувати в своїх електронних конструкціях.

Схема з трансформатором, з відведенням від «середньої» точки

І перша схема джерела живлення для ОУ перед вами. Вона досить проста але я трошки поясню принцип її роботи.

Схема харчується від звичної нам домашньої мережі тому немає нічого дивного що на первинну обмотку трансформатора приходить змінний струм в 220В. Потім трансформатор перетворює змінний струм 220В в такий же змінний але вже в 30В. Ось таку от нам захотілося зробити трансформацію.

Так на вторинній обмотці буде змінну напругу в 30В але зверніть увагу на відведення від середньої точки вторинної обмотки. На вторинній обмотці зроблено відгалуження, причому кількість витків до цього відгалуження дорівнює числу витків після відгалуження.

Завдяки цьому відгалуження ми можемо отримати на виході вторинної обмотки змінну напругу як в 30 В так і перерву в 15В. Це знання ми беремо на озброєння.

Далі нам потрібно перерву випрямити і перетворити в постоянку тому діодний міст нам на допомогу . Діодний міст з цим завданням впорався і на виході ми отримали не дуже стабільну постоянку в 30В. Ця напруга буде нам показувати мультиметр якщо ми підключимо шупи до виходу діодного моста, але нам потрібно пам'ятати про відгалуження на вторинній обмотці.

Це відгалуження ми ведемо далі і підключаємо між електролітичними конденсаторами і потім між следующии парою високочастотних кондерчіков. Чого ми цим досягли?

Ми домоглися нульової точки відліку між полюсами потенціалів позитивної і негативної полярності. В результаті на виході ми маємо досить стабільну напругу як +15 так і -15В. Цю схему звичайно можна ще більше поліпшити якщо додати стабілітрони або інтегральні стабілізатори але тим не менш наведена схема вже цілком може впоратися із завданням харчування операційних підсилювачів.

Схема з двома діодними мостами

Ця схема на мій погляд простіше, простіше в тому ключі, що немає необхідності шукати трансформатор з відгалуженням від середини або формувати вторинну обмотку самостійно. Але тут доведеться розщедритися на другий діодний міст.

Діодні мости включені так, що позитивний потенціал формується з катодів діодіков першого моста, а негативний потенціал виходить з анодів діодів другого моста. Тут нульова точка відліку виводиться між двома мостами. Згадаю також, що тут використовуються розділові конденсатори, вони оберігають один діодний міст від впливів з боку другого.

Ця схема також легко піддається різним поліпшень, але найголовніше вона вирішує основну задачу - за допомогою неї можна живити операційний підсилювач.

Зворотній зв'язок ОУ

Як я вже згадував операційні підсилювачі майже завжди використовують зі зворотним зв'язком (ОС). Але що являє собою зворотний зв'язок і для чого вона потрібна? Спробуємо з цим розібратися.

З зворотним зв'язком ми стикаємося постійно: коли хочемо налити в кухоль чаю або навіть сходити в туалет по малій нужді 🙂 Коли людина управляє автомобілем або велосипедом то тут також працює зворотний зв'язок. Адже для того, щоб їхати легко і невимушено ми змушені постійно контролювати управління в залежності від різних факторів: ситуації на дорозі, технічного стану засобу пересування і так далі.

Якщо на дорозі стало слизько? Ага ми зреагували, зробили корекцію і далі рухаємося більш обережно.

В операційному підсилювачі все відбувається подібним чином.

Без зворотного зв'язку при подачі на вхід певного сигналу на виході ми завжди отримаємо одне і теж значення напруги. Воно буде близько напрузі харчування (так як коефіцієнт посилення дуже великий). Ми не контролюємо вихідний сигнал. Але якщо частина сигналу з виходу ми відправимо назад на вхід то що це дасть?

Ми зможемо контролювати вихідну напругу. Це управління буде на стільки ефективним, що можна просто забути про коефіцієнт посилення, операціоннік стане слухняним і передбачуваним бо його поведінка буде залежати лише від зворотного зв'язку. Далі я розповім як можна ефективно управляти вихідним сигналом і як його контролювати, але для цього нам потрібно знати деякі деталі.

Позитивний зворотний зв'язок, негативний зворотний зв'язок

Так, в операційних підсилювачах застосовують зворотний зв'язок і дуже широко. Але зворотний зв'язок може бути як позитивною так і негативною. Треба б розібратися в чому суть.

Позитивний зворотний зв'язок це коли частина вихідного сигналу надходить назад на вхід причому вона (частина вихідного) підсумовується з вхідним.

Позитивний зворотний зв'язок в операціонніках застосовується не так широко як негативна. Більш того позитивний зворотний зв'язок частіше буває небажаним побічним явищем деяких схем і позитивного зв'язку намагаються уникати. Вона є небажаною тому, що цей зв'язок може посилювати викривлення в схемі і в підсумку привести до нестабільності.

З іншого боку позитивний зворотний зв'язок не зменшує коефіцієнт посилення операційного підсилювача що буває корисно. А нестабільність також знаходить своє застосування в компараторах, які використовують в АЦП (аналого-цифрових перетворювачів).

Негативний зворотний зв'язок це такий зв'язок коли частина вихідного сигналу надходить назад на вхід але при цьому вона віднімається з вхідного

А ось негативний зворотний зв'язок просто створена для операційних підсилювачів. Незважаючи на те, що вона сприяє деякому ослабленню коефіцієнта посилення, вона приносить в схему стабільність і керованість. В результаті схема стає незалежною від коефіцієнта посилення, її властивості повністю управляються негативним зворотним зв'язком.

При використанні негативного зворотного зв'язку операційний підсилювач придбаває одне дуже корисна властивість. Операціоннік контролює стану своїх входів і прагне потенціали на його входах були рівні. ОУ підлаштовує своє вихідна напруга так, щоб результуючий вхідний потенціал (різниця Вх.1 і Вх.2) був нульовим.

Переважна частина схем на операціонніках будується із застосуванням негативного зворотного зв'язку! Так що для того щоб розібратися як працює негативний зв'язок нам потрібно розглянути схеми включення ОУ.

Схеми включення операційних підсилювачів

Схеми включення операційних підсилювачів можуть бути дуже різні тому мені врятли вдасться розповісти про кожну але я постараюся розглянути основні.

Компаратор на ОУ

Формули для компараторної схеми будуть наступні:

Тобто в результаті буде напруга відповідне логічної одиниці.

Тобто в результаті буде напруга відповідне логічного нуля.

Схема компаратора має високий вхідним опором (імпедансом) і низьким вихідним.

Розглянемо для початку ось таку схему включення операціонніка в режимі компаратора. Ця схема включення позбавлена ​​зворотного зв'язку. Такі схеми застосовуються в цифровій схемотехніці коли потрібно оцінити сигнали на вході, з'ясувати який більше і видати результат в цифровій формі. У підсумку на виході буде логічна 1 або логічний нуль (наприклад 5В це 1 а 0В це нуль).

Припустимо напруга стабілізації стабілітрона 5В, на вхід один ми доклали 3В а до входу 2 ми доклали 1В. Далі в компараторе відбувається наступне, напруга на прямому вході 1 використовується як є (просто тому що це неінвертуючий вхід) а напруга на інверсному вході 2 інвертується. В результаті де було 3В так і залишається 3В а де був 1В буде -1В.

В результаті 3В-1В = 2В, але завдяки коефіцієнту посилення операціонніка на вихід піде напруга дорівнює напрузі джерела живлення, тобто порядку 15В. Але стабілітрон відпрацює і на вихід піде 5В що відповідає логічній одиниці.

Тепер представили, що на вхід 2 ми кинули 3В а на вхід 1 доклали 1В. Операціоннік все це прожує, прямий вхід залишить без змін, а інверсний (інвертується) змінить на протилежний з 3В зробить -3В.

В результаті 1В-3В = 2В, але згідно з логікою роботи на вихід піде мінус джерела живлення тобто -15В. Але у нас стоїть стабілітрон і він це не пропустить і на виході у нас буде величина близька нулю. Це і буде логічний нуль для цифрової схеми.

Тригер Шмітта на ОУ

Трохи раніше ми розглядали таку схему включення ОУ як компаратор. У компараторе порівнюються два напруги на вході і видається результат на виході. Але щоб порівнювати вхідна напруга з нулем потрібно скористатися схемою представленої трохи вище.

Тут сигнал подається на інвертується вхід а прямий вхід посаджений на землю, на нуль.

Якщо на вході у нас напруга більше нуля то на виході матимемо -15В. Якщо напруга менше нуля то на виході буде +15 В.

Але що трапиться якщо ми захочемо подати напруга рівне нулю? Така напруга ніколи не вийде зробити, адже ідеального нуля не буває і сигнал на вході хоч на частки мікровольт але обов'язково буде змінюватися в ту або іншу сторону. В результаті на виході будуть повний хаос, вихідна напруга буде багаторазово скакати максимуму до мінімуму що на практиці зовсім не зручно.

Для позбавлення від подібного хаосу вводить гістерезіст - це якийсь зазор в межах якого сигнал на виході не буде змінюватися.

Цей зазор дозволяє реалізувати дана схема за допомогою позитивного зворотного зв'язку.

Уявімо, що на вхід ми подали 5В, на виході в першу мить вийде сигнал напругою в -15В. Далі починає відпрацьовувати позитивний зворотний зв'язок. Зворотній зв'язок утворює дільник напруги в результаті чого на прямому вході операціонніка з'явиться напруга -1,36В.

На інверсному вході у нас сигнал більш позитивний тому операційний підсилювач відпрацює наступним чином. Усередині нього сигнал в 5В інвертується і стає -5В, далі два сигнали складаються і виходить від'ємне значення. Негативне значення завдяки коефіцієнту посилення стане -15В. Сигнал на виході не зміниться поки сигнал на вході не опуститься менше -1,36В.

Нехай сигнал на вході змінівся и ставши -2В. У нутрії це -2В інвертується и стані + 2В, а -1,36В як БУВ так и залиша. Далі все це складається и виходе позитивне значення Пожалуйста на віході превратилась в +15 В. На прямому вході значення -1,36В завдяки зворотного зв'язку перетвориться в + 1,36В. Тепер щоб змінити значення на виході на протилежне потрібно подати сигнал більш 1,36В.

Таким чином у нас з'явилася зона з нульовою чутливістю з діапазоном від -1,36В до + 1,36В. Така зона нечутливості носить назву гистерезис.

повторювач

Найбільш простий володар негативного зворотного зв'язку це повторювач.

Повторювач видає на виході ту напругу, яка була подана на його вхід. Здавалося б для чого це потрібно адже від цього нічого не змінюється. Але в цьому є сенс, адже згадаємо властивість операціонніка, він володіє високим вхідним опором і низьким вихідним. У схемах повторювачі виступають в ролі буфера, який оберігає від перевантажень кволі виходи.

Щоб зрозуміти як він працює відмотати трохи назад, там де ми обговорювали негативний зворотний зв'язок. Там я згадував, що у випадку з негативним зворотним зв'язком операціоннік усіма можливими способами прагне до рівного потенціалу за своїми входів. Для цього він підлаштовує напруга на свій вихід так, щоб різниця потенціалів на його входах дорівнювала нулю.

Так допустимо на вході у нас 1В. Щоб потенціали на входах були рани на інвертується вході повинен бути також 1В. На те він і повторювач.

неінвертуючий підсилювач

Схема неінвертуючий підсилювача дуже схожа на схему повторювача, тільки тут зворотний зв'язок представлена ​​дільником напруги і посаджена на землю.

Подивимося як все це працює. Припустимо на вхід подано 5В, резистор R1 = 10Ом, резистор R2 = 10Ом. Щоб напруга на входах були рівні, операціоннік змушений підняти напругу на виході так, щоб потенціал на інверсному вході зрівнявся з прямим. В даному випадку дільник напруги ділить навпіл, виходить, що напруга на виході має бути в два рази більше напруги на вході.

Взагалі щоб застосовувати цю схему включення навіть не потрібно нічого ворушити в голові, досить скористатися формулою, де досить дізнатися коефіцієнт К.

инвертирующий підсилювач

І зараз ми розглянемо роботу такої схеми включення як інвертується підсилювач. Для инвертирующего підсилювача є такі формули:

Инвертирующий підсилювач дозволяє посилювати сигнал одночасно інвертуємо (змінюючи знак) його. Причому коефіцієнт посилення ми можемо поставити будь-яке. Цей коефіцієнт посилення ми формуємо за допомогою негативного зворотного зв'язку, яка представляє собою дільник напруги.

Тепер спробуємо його в роботі, припустимо на вході у нас сигнал в 1В, резистор R2 = 100Ом, резистор R1 = 10Ом. Сигнал з входу йде через R1, потім R2 і на вихід. Припустимо сигнал на виході неймовірним чином став 0В. Розрахуємо дільник напруги.

1В / 110 = Х / 100, звідси Х = 0,91В

Виходить що в точці А потенціал дорівнює 0,91В, але це суперечить правилу операційного підсилювача. Адже операціоннік прагне зрівняти потенціали на своїх входах. Тому потенціал в точці А буде дорівнює нулю і дорівнює потенціалу в точці B.

Як зробити так щоб на вході був 1В а в точці А був 0В?

Для цього потрібно зменшувати напругу на виході. І в результаті ми отримуємо

На жаль інвертується підсилювач володіє одним явним недоліком - низьким вхідним опором, що дорівнює резистору R1.

суматор інвертується

А ця схема включення дозволяє складати безліч вхідних напруг. Причому напруги можуть бути як позитивними так і негативними. Як правда на операціонніках можна будувати аналогові комп'ютери. Так що ж давайте розбиратися.

Основою суматора служить все той же інвертується підсилювач тільки з однією відмінністю, замість одного входу він може мати цих входів скільки завгодно. Згадаймо формулку і инвертирующего усилка. Потенціал точки Х дорівнюватиме нулю тому сума струмів входять з кожного входу буде виглядати ось так: Якщо нашою метою є чисте додавання вхідних напруг то все резистори в цій схемі вибираються одного номіналу. Це призводить також що коефіцієнт посилення для кожного входу буде дорівнює 1. Тоді формула для инвертирующего підсилювача приймає вид:

Ну що ж, я думаю що з роботою суматора і інших схем включення на операціонніках розібратися не важко. Досить трошки попрактикуватися і спробувати зібрати ці схеми і подивитися що відбувається з вхідними та вихідними сигналами.

А я на цьому мабуть зупинюся адже в роботі з операційними підсилювачами застосовуються дуже багато різних схем включення, це різні перетворювачі струм-напруга, суматори, інтегратори і логаріфмірующіе підсилювачі і всі їхні розглядати можна дуже довго.

Якщо вас зацікавили інші схеми включення і хочете з ними розібратися то раджу погортати книжку П.Хоровіца і У.Хілла , Все обов'язково стане на свої місця.

А на цьому я буду завершувати, тим більше стаття вийшла досить об'ємною і після написання її потрібно чуйна шліфувати і навести марафет.

Друзі, не забувайте підписуватися на оновлення блогу, адже чим більше читачів підписано на поновлення тим більше я розумію що роблю щось важливе і корисне і це чертовски мотивує на нові статті та матеріали.

До речі друзі, у мене виникла одна класна ідея і мені дуже важливо чути вашу думку. Я подумую випустити навчальний матеріал по операційним підсилювачів, цей матеріал буде у вигляді звичайної pdf книжки або відеокурсу, ще не вирішив. Мені здається що незважаючи на велику кількість інформації в інтернеті і в літературі все = таки не вистачає наочної практичної інформації, такої, яку зможе зрозуміти кожен.

Так ось, напишіть будь ласка в коментарях яку інформацію ви хотіли б бачити в цьому навчальному матеріалі щоб я міг видавати не просто корисну інформацію а інформацію яка дійсно затребувана.

А на цьому у мене все, тому я бажаю вам удачі, успіхів і прекрасного настрою, навіть не дивлячись на те що за вікном зима!

З н / п Володимир Васильєв.

PS Друзі, обов'язково підписуйтесь на оновлення! Підписавшись ви будете отримувати нові матеріали собі прямо на пошту! І до речі кожен підписався отримає корисний подарунок!