Во многих аналоговых схемах применяются операционные усилители.

Что же такое операционный усилитель и как он работает?

В данной статье на сайте radiochipi.ru речь пойдёт именно об этом. Изучая цифровую электронику мы привыкли воспринимать логические элементы, как некие “черные ящички”, “кулики” из которых складываются схемы. Мы знаем их свойства, но не задумываемся над их внутренним содержанием.

Так и есть, давно принято, что цифровая схема состоит из логических элементов, а не из транзисторов и диодов. Такое отношение сформировалось и к операционным усилителями, таким элементам аналоговой техники.

Конструируя схему на ОУ или собирая готовую конструкцию, мы воспринимаем операционный усилитель (ОУ) как «ящик» с известными свойствами, и редко задумываемся над ого содержимым. Именно по этому, на схемах с ОУ уже давно никто не рисует схемы самих ОУ, а только их графическое обозначение (рис.1).

Если операционный усилитель подробно описывать, нажав на теорию, то получится хороший материал, если не для диссертации, то для дипломной работы ВУЗа (впрочем, как и в случае с простым транзисторным ключом). Мы же преследуем другую задачу, понять как он работает и что мы с этого можем иметь. Если, же кому-то не хватит теории, то можно обратиться к ВУЗовским учебникам.

И так, операционный усилитель

— это элемент аналоговой электроники, так и будем его изучать. А в качестве «подопытного кролика» возьмем наиболее распространенную на нынешний день “модель” — КРН0УД608 (рис.1). Корпус КР140УД608 похож на разломанный пополам 16-вы водный корпус какой-то цифровой микросхемы (рисунок 1).

Он как раз в два раза короче чем, например, К561ИЕ10. С каждой из сторон по четыре вывода Ключ (точка, углубление, паз) расположен у торца от первого вывода. У любого операционного усилителя есть два входа и один выход. Входы разнополярные, у нашего “кролика” на вывод 3 выведен ПРЯМОЙ вход, а на вывод 2 — ИНВЕРСНЫЙ (выход — вывод 6).

Операционный усилитель усиливает сигнал приложенный к одному из его входов относительно другого, вернее, получается, что входной сигнал и есть разность потенциалов между его входами (или ток между его входами). Чтобы понять как этот выглядит на практике, можно собрать схему, показанную на рисунке 2.

В качестве элементов питания используем две “плоские” батарейки по 4.5 В каждая; включив их последовательно, и сделав вывод от середины (питание двуполярное). Контролировать напряжение будем все тем же мультиметром, а еще лучше двумя мультиметрами (типа М-838 или другими).

И так, в схеме на рисунке 2 инверсный вход (вывод 2) соединен с общим проводом (с средним выводом источника питания), а на прямой вход (вывод 3) подаем напряжение от переменного резистора R1. Вращая R1 и измеряя напряжение на выходе ОУ и на движке R1 можно понять, что установить R1 в такое положение, чтобы как выходе был 0V очень сложно (почти невозможно).

Если напряжение на движке R1 чуть больше 0V (чуть больше напряжения на инверсном входе), то на выходе будет около +4V, а если это напряжение чуть меньше 0V (отрицательное относительно общей точки источника питания), то на выходе будет (-4V). Теперь сменим точку подключения минусового провода мультиметра (рис. 3).

Теперь получается, что если напряжение на движке резистора R1 чуть больше 4,5 V. то на выходе будет примерно 8.5V, а если напряжение на движке R1 чуть меньше 4,5V, то на выходе будет примерно 0,5V. Таким образом, мы вернулись обратно к цифровой технике если на прямом входе напряжение больше чем на инверсном, то на выходе получается логическая единица, а если напряжение на прямом входе ниже чем на инверсном, то на выходе логический ноль (вот так от аналоговой до цифровой один шаг).

Теперь ради чистоты эксперимента, можно поменять местами подключения входов ОУ, и опять все проверить. Зависимость, изложенная выше подтвердится. Таким образом, если напряжение на прямом входе больше, то и на выходе оно тоже больше, а если напряжение на инверсном входе больше, то на выходе оно меньше. В этом и состоит разница между прямым и инверсным входами.

Так работает аналоговый компаратор, он служит для сравнения разных напряжений, поданных на его входы. В таком включении (рис.2, рис.3) коэффициент усиления ОУ стремится к бесконечности (около 30000). Но для работы в аналоговых схемах обычно требуется не компаратор, а усилитель, причем нужно чтобы коэффициент усиления этого усилитель можно было устанавливать “по вкусу”.

Чтобы операционный усилитель перестал быть компаратором необходимо ввести отрицательную обратную связь между его выходом и инверсным входом. Так и поступим, отключим инверсный вход от общего провода источника питания и подсоединим его к выходу (рисунок 4).

Теперь от огромного коэффициента усиления не осталось и следа. Коэффициент усиления в схеме на рис. 4 равен 1. То есть напряжение на выходе меняется точно так же как и напряжение на прямом входе. ОУ только повторяет входной сигнал и по напряжению его не усиливает. Все дело в том, что ООС стопроцентная.

Чтобы можно было установить любой желаемый коэффициент усиления нужно включить ОУ по схеме, показанной на рисунке 5 (или на рисунке 6). А коэффициент усиления будет определяться соотношением левой и правой (по схеме) частей переменного резистора R3 (рис. 5, рис 6) относительно точки расположения его движка. То есть, коэффициент усиления ОУ будет равен, для рисунка 5:

Ку =1*(R3np / R3n)
для рисунка 6:
Ку = —(R3np/R3n)
Где R3np — сопротивление правой части R3, а R3n — сопротивление левой части R3.

Входное сопротивление усилителя по рис. 6 будет равно R3n.
Входное сопротивление усилителя по рис. 5 определяется, в основном, входным сопротивлением прямого входа ОУ. И так, две типовые схемы включения любого операционного усилителя рисунок 7.

Эти схемы рассчитаны на работу с постоянным входным напряжением приложенным относительно общего провода питания, хотя конечно, они будут работать и с переменным входным напряжением, если оно не имеет постоянной составляющей.

Если переменное входное напряжение имеет постоянную составляющую (например, снимается с коллектора транзистора предварительного усилительного каскада), её необходимо удалить включив на входе разделительный конденсатор (рис. 8).

Существенный недостаток схем, показанных на рисунках 7 и 8 это необходимость в двухполярном источнике питания. Чтобы питать ОУ от однополярного источника, нужно его немного “обмануть”, сделать такую схему, в которой будет некоторое постоянное напряжение, равное половине напряжения питания, и подключать к этому напряжению его входы, как-бы к общему проводу питания. Если нужно усиливать только переменное напряжение, то такой “обман” вполне проходит.

На рисунке 9 показана схема инвертируеющего усилителя на ОУ, работающем с однопопярным питанием. Резисторы R3 и R4 имеют одинаковые сопротивления, и напряжение в точке их соединения будет равно половине напряжения питания. Эту точку соединяем в прямым входом ОУ, а конденсатор С2 подавляет различные помехи, которые могут иметь место в этой цепи.

Если нам нужен неинвертирующий усилитель, схема будет такая как на рисунке 10. В этом случае входное сопротивление будет практически равно сопротивлению каждого из резисторов R3 и R4.
Конденсатор С2 выполняет роль разделительного. Он пропускает переменный ток, и ООС зависит от сопротивлений R1 и R2. по переменному току, устанавливая требуемый коэффициент усиления по переменному току.

По постоянному току R1 как бы отсутствует, и инверсный вход соединен с выходом через R2, поэтому глубина ООС по постоянному току почти равна 100%, а, следовательно, коэффициент усиления по постоянному току такой схемы равен 1. Следует учесть, что в схемах на рис. 9 и 10 коэффициент усиления зависит не только от соотношения R1 и R2, но и от емкости разделительного конденсатора (С1 для рис. 9, С2 для рис. 10), поскольку С2 (рис. 10)

имеет реактивное сопротивление, складывающееся с сопротивлением R1, так что, коэффициент усиления будет зависеть от частоты входного сигнала, увеличиваться при её увеличении и уменьшаться при её уменьшении. Компаратор тоже может быть с однополярным питанием (рис.11).

Для экспериментов кроме операционного усилителя КР140УД608 можно использовать и другие ОУ, на рисунке 12 приводятся цоколевки других популярных ОУ. В качестве источника питания можно использовать две “батарейки” по 4,5 В каждая, например, 312S. 3R12. Переменные резисторы могут быть от 100 килоом до 1 мегаома.