Операционный усилитель - это электронный усилитель напряжения с высоким коэффициентом усиления, имеющий дифференциальный вход и обычно один выход. Напряжение на выходе может превышать разность напряжений на входах в сотни или даже тысячи раз.

Своё начало операционные усилители ведут от аналоговых компьютеров, где они применялись во многих линейных, нелинейных и частото-зависимых схемах. Параметры схем с операционными усилителями определяются только внешними компонентами, а так же небольшой температурной зависимостью или разбросом параметров при их производстве, что делает операционные усилители очень популярными элементами при конструировании электронных схем.

Операционные усилители являются наиболее востребованными приборами среди современных электронных компонент, они находят своё применение в потребительской электронике, применяются индустрии и в научных приборах. Многие стандартные микросхемы операционных усилителей стоят всего несколько центов. Но некоторые модели гибридных или интегрированных операционных усилителей со специальными характеристиками, выпускаемые мелкими партиями, могут стоить более сотни долларов. Операционные усилители обычно выпускаются как отдельные компоненты, а так же они могут являться элементами более сложных электронных схем.

Операционный усилитель является разновидностью дифференциального усилителя. Другими разновидностями дифференциального усилителя являются:

1.Полностью дифференциальный усилитель (это устройство похоже по принципу действия на операционный усилитель, но имеет два выхода);

2.Инструментальный усилитель (он обычно состоит из трёх операционных усилителей);

3.Изолированный усилитель (это усилитель похож на инструментальный, но он выдерживает такие высокие напряжения, которые могут вывести из строя обычный операционный усилитель);

4.Усилитель с отрицательной обратной связью (обычно содержит один или два операционных усилителя и резистивную цепь обратной связи).

Выводы для подачи напряжения питания (VS+ и VS-) могут обозначаться по-разному.

Невзирая на различное обозначение, их функция остаётся одной и той же - обеспечение дополнительной энергии для усиления сигнала. Часто на схемах эти выводы не изображают, чтобы не загромождать чертёж, и их наличие либо указывается отдельно, либо должно быть ясно из схемы.

Обозначения на схеме

Условные обозначения на схеме для операционного усилителя, изображённого на рисунке справа, следующие:

Принцип действия

Дифференциальные входы усилителя состоят из двух выводов - V+ и V-, идеальный

операционный усилитель усиливает только разницу напряжений между двумя этими входами, эта разница называется дифференциальным напряжением на входе. Напряжение на выходе операционного усилителя определяется формулой

Vout = AOL (V+ - V-)

где V+ - напряжение на неинвертирующем (прямом) входе, V- - напряжение на инвертирующем (инверсном) входе, и AOL - коэффициент усиления усилителя с разомкнутой петлёй обратной связи (то есть обратная связь от выхода ко входу отсутствует).

Операционный усилитель без отрицательной обратной связи (компаратор)

Значение коэффициента усиления у микросхем операционных усилителей обычно большое - 100000 и более, следовательно довольно небольшая разница напряжений между входами V+ и V- приведёт к появлению на выходе усилителя напряжения почти равному

напряжению питания. Это называется насыщение усилителя. Величина коэффициента

усиления AOL имеет технологический разброс, поэтому не стоит использовать один

операционный усилитель в качестве дифференциального усилителя, рекомендуется применять схему из трёх усилителей. Без отрицательной обратной связи, и возможно при наличии положительной обратной связи, операционный усилитель будет работать как компаратор. Если инвертирующий вход соединить с общим проводом (нулевым потенциалом) напрямую или через резистор, а напряжение Vin, поданное на

неинвертирующий вход будет положительным, то выходное напряжение будет максимально положительным. Если подать на вход отрицательное напряжение Vin, то на выходе

напряжение будет максимально отрицательным. Поскольку с выхода на входы обратная связь отсутствует, то такая схема с разомкнутой цепью обратной связи будет работать как компаратор, коэффициент усиления схемы будет равен коэффициенту усиления операционного усилителя AOL.

Операционный усилитель с отрицательной обратной связью (неинвертирующий

усилитель)

Для того, что бы работа операционного усилителя была предсказуемой, применяется отрицательная обратная связь, которая устанавливается путём подачи части напряжения с выхода усилителя на его инвертирующий вход. Эта замкнутая цепь обратной связи существенно снижает усиление усилителя. При использовании отрицательной обратной связи общее усиление схемы значительно больше зависит от параметров цепи обратной связи, чем от параметров операционного усилителя. Если цепь обратной связи содержит компоненты с относительно стабильными параметрами, то изменения параметров операционного усилителя существенно не влияют на характеристики схемы. Передаточная характеристика схемы с операционным усилителем определяется математически передаточной функцией. Проектирование схем с заданной передаточной функцией с операционными усилителями относится к области радиоэлектроники. Передаточная функция является важным фактором в большинстве схем, использующих операционные усилители, например, в аналоговых компьютерах. Высокое входное сопротивление входов и

низкое выходное сопротивление выхода является так же полезной особенностью операционных усилителей.

Например, если к неинвертирующему усилителю добавить отрицательную обратную связь (см. рисунок справа) с помощью делителя напряжения Rf, Rg, то это приведёт к снижению

усиления схемы. Равновесие восстановится тогда, когда напряжение на выходе Vout станет

достаточным для того, что бы изменить напряжение на инвертирующем входе до напряжения Vin. Коэффициент усиления всей схемы определяется по формуле 1+Rf/Rg. Например, если

напряжение Vin = 1 вольт, а сопротивления Rf и Rg одинаковые (Rf=Rg), то на выходе Vout

будет присутствовать напряжение 2 вольта, величина этого напряжения как раз достаточная для того, что бы на инвертирующий вход V- поступало напряжение 1 вольт. Так как

резисторы Rf и Rg образуют цепь обратной связи, подключённой от выхода ко входу, то

получается схема с замкнутой петлёй обратной связи. Общий коэффициент усиления схемы Vout/Vin называется коэффициентом усиления с замкнутой петлёй обратной связи ACL. Так

как обратная связь отрицательная, то в этом случае ACL<AOL.

Можно рассмотреть это с другой стороны, сделав два предположения:

Во-первых, когда операционный усилитель работает в линейном режиме, то разница напряжений между его неинвертирующим (+) и инвертирующим (-) выводами настолько мала, что ею можно пренебречь.

Во-вторых, будем считать входные сопротивления обоих входов (+) и (-) очень высокими (несколько мегаом у современных операционных усилителей).

Таким образом, когда схема, изображённая на рисунке справа, работает как неинвертирующий линейный усилитель, то напряжение Vin, появившееся на входах (+) и (-),

приведёт к появлению тока i, протекающего через резистор Rg, величиной Vin/Rg. Согласно

закону Кирхгофа, утверждающего, что сумма токов, втекающих в узел, равна сумме токов, вытекающих из этого узла, и поскольку сопротивление входа (-) почти бесконечно, можно предположить, что почти весь ток i, протекающий через резистор Rf, создаёт напряжение на

выходе, равное Vin+i*Rf. Подставляя слагаемые в формулу, можно легко определить усиление схемы этого типа.

i = Vin / Rg

Vout = Vin+i*Rf = Vin + (Vin / Rg * Rf) = Vin + (Vin * Rf) / Rg =Vin * (1+ Rf / Rg)

G= Vout / Vin

G= 1 + Rf / Rg

Характеристики операционных усилителей

Идеальный операционный усилитель

Эквивалентная схема операционного усилителя в которой смоделированы некоторые

неидеальные резистивные параметры

Идеальный операционный усилитель может работать при любых входных напряжениях и имеет следующие свойства:

•Коэффициент усиления с разомкнутой петлёй обратной связи равен бесконечности (при теоретическом анализе полагают коэффициент усиления при разомкнутой петле обратной связи AOL стремящимся к бесконечности).

•Диапазон выходных напряжений Vout равен бесконечности (на практике диапазон выходных напряжений ограничивают величиной напряжения питания Vs+ и Vs-).

•Бесконечно широкая полоса пропускания (т.е. амплитудно-частотная характеристика является идеально плоской с нулевым фазовым сдвигом).

•Бесконечно большое входное сопротивление (Rin = ∞, ток из V+ в V- не течёт).

•Нулевой входной ток (т.е. предполагается отсутствие токов утечки и токов смещения).

•Нулевое напряжение смещения, т.е. когда входы соединены между собой V+ = V-, то на выходе присутствует виртуальный ноль (Vout = 0).

•Бесконечно большая скорость нарастания напряжения на выходе (т.е. скорость изменения выходного напряжения не ограничена) и бесконечно большая пропускная мощность (напряжение и ток не ограничены на всех частотах).

•Нулевое выходное сопротивление (Rout = 0, так что выходное напряжение не меняется при изменении выходного тока).

•Отсутствие собственных шумов.

•Бесконечно большая степень подавления синфазных сигналов.

•Бесконечно большая степень подавления пульсаций питающих напряжений.

Эти свойства сводятся к двум "золотым правилам":

1.Выход операционного усилителя стремится к тому, что бы разница между входными напряжениями стала равной нулю.

2.Оба входа операционного усилителя не потребляют ток.

Первое правило применимо к операционному усилителю, включённому в схему с замкнутой петлёй отрицательной обратной связи. Эти правила обычно применяются для анализа и проектирования схем с операционными усилителями в первом приближении.

На практике ни одно из идеальных свойств не может быть полностью достигнуто, поэтому приходится идти на различные компромиссы. В зависимости от желаемых параметров, при моделировании реального операционного усилителя учитывают некоторые неидеальности, используя эквивалентные цепи из резисторов и конденсаторов в его модели. Разработчик может заложить эти нежелательные, но реальные эффекты в общую характеристику проектируемой схемы. Влияние одних параметров может быть пренебрежительно мало, а другие параметры могут налагать ограничение на общие характеристики схемы.