- Позначення на схемах
- Принцип дії
- Харчування операційного підсилювача
- різновиди
- инвертирующий підсилювач
- Неінвертуючий операційні підсилювачі
- схема віднімання
- схема складання
- схема інтегратора
- схема дифференциатора
- аналоговий компаратор
- Аналоговий компаратор з гістерезисом
- повторювачі напруги
Операційні підсилювачі є одними з основних компонентів в сучасних аналогових електронних пристроях. Завдяки простоті розрахунків та відмінним параметрами, операційні підсилювачі легкі в застосуванні. Їх також називають диференціальними підсилювачами, так як вони здатні підсилити різницю вхідних напруг.
Особливо популярно використання операційних підсилювачів в звуковій техніку, для посилення звучання музичних колонок.
Позначення на схемах
З корпусу підсилювача зазвичай виходять п'ять висновків, з яких два виведення - входи, один - вихід, інші два - харчування.
Принцип дії
Існують два правила, які допомагають зрозуміти принцип дії операційного підсилювача:
- Вихід операційного підсилювача прагне до нульової різниці напруг на входах.
- Входи підсилювач не витрачають струм.
Перший вхід позначений «+», він називається неінвертірующего. Другий вхід позначений знаком «-», вважається інвертуючим.
Входи підсилювача мають високий опір, зване импедансом. Це дозволяє витрачати струм на входах в кілька наноампер. На вході відбувається оцінка величини напружень. Залежно від цієї оцінки підсилювач видає на вихід посилений сигнал.
Велике значення має коефіцієнт посилення, який іноді досягає мільйона. Це означає, що якщо на вхід подати хоча б 1 мілівольт, то на виході напруга буде дорівнює величині напруги джерела живлення підсилювача. Тому операціоннікі не застосовуються без зворотного зв'язку.
Входи підсилювача діють за таким принципом: якщо напруга на неінвертуючий вході буде вище напруги инвертирующего входу, то на виході виявиться найбільше позитивне напруга. При зворотній ситуації на виході буде найбільше від'ємне значення.
Негативне і позитивне напруга на виході операційного підсилювача можливо через використання джерела живлення, що володіє розщепленим Двуполярность напругою.
Харчування операційного підсилювача
Якщо взяти пальчиковую батарейку, то у неї два полюси: позитивний і негативний. Якщо негативний полюс вважати за нульову точку відліку, то позитивний полюс покаже +1,5 В. Це видно по підключеному мультиметру .
Взяти два елементи і підключити їх послідовно, то виходить наступна картина.
Якщо за нульову точку прийняти негативний полюс нижньої батарейки, а напруга вимірювати на позитивному полюсі верхньої батарейки, то прилад покаже +10 вольта.
Якщо за нуль прийняти середню точку між батарейками, то виходить джерело двополярної напруги, так як є напруга позитивної і негативної полярності, що дорівнює відповідно +5 вольта і -5 вольта.
Існують прості схеми блоків з розщепленим харчуванням, що використовуються в конструкціях радіоаматорів.
Харчування на схему подається від побутової мережі. Трансформатор знижує струм до 30 вольт. Вторинна обмотка в середині має відгалуження, за допомогою якого на виході виходить +15 В і -15 В випрямленої напруги.
різновиди
Існує кілька різних схем операційних підсилювачів, які варто розглянути детальніше.
инвертирующий підсилювач
Така схема є основною. Особливістю цієї схеми є те, що операціоннікі характеризуються крім посилення, ще й зміною фази. Буква «k» позначає параметр посилення. На графіку зображено вплив підсилювача в даній схемі.
Синій колір відображає вхідний сигнал, а червоний колір - вихідний сигнал. Коефіцієнт посилення в цьому випадку дорівнює: k = 2. Амплітуда сигналу на виході в 2 рази більше, сигналу на вході. Вихідний сигнал підсилювача перевернуть, звідси і його назва. Інвертують операційні підсилювачі мають просту схему:
Такі операційні підсилювачі стали популярними через свою простої конструкції. Для обчислення посилення застосовують формулу:
Звідси видно, що посилення операціонніка не залежить від опору R3, тому можна обійтися без нього. Тут він застосовується для захисту.
Неінвертуючий операційні підсилювачі
Ця схема подібна попередньої, відмінністю є відсутність інверсії (перевернутості) сигналу. Це означає збереження фази сигналу. На графіку зображено посилений сигнал.
Коефіцієнт посилення неінвертуючий підсилювача також дорівнює: k = 2. На вхід подається сигнал у формі синусоїди, на виході змінилася тільки її амплітуда.
Ця схема не менш проста, ніж попередня, в ній є два опору. На вході сигнал подається на плюсової висновок. Для розрахунку коефіцієнта посилення потрібно використовувати формулу:
З неї видно, що коефіцієнт підсилення не буває менше одиниці, так як сигнал подавляется.
схема віднімання
Ця схема дає можливість створення різниці двох сигналів на вході, які можуть бути посилені. На графіку показаний принцип дії диференціальної схеми.
Таку схему підсилювача ще називають схемою віднімання.
Вона має більш складну конструкцію, на відміну від розглянутих раніше схем. Для розрахунку вихідної напруги користуються формулою:
Ліва частина виразу (R3 / R1) визначає коефіцієнт посилення, а права частина (Ua - Ub) є різницею напруг.
схема складання
Таку схему називають інтегрованим підсилювачем. Вона протилежна схемі віднімання. Особливістю її є можливість обробки більше двох сигналів. На такому принципі діють всі звукові мікшери.
Ця схема показує можливість підсумовування декількох сигналів. Для розрахунку напруги застосовується формула:
схема інтегратора
Якщо в схему додати конденсатор в зворотний зв'язок, то вийде інтегратор. Це ще один пристрій, в якому використовуються операційні підсилювачі.
Схема інтегратора подібна інвертує підсилювача, з додаванням ємності в зворотний зв'язок. Це призводить до залежності роботи системи від частоти сигналу на вході.
Інтегратор характеризується цікавою особливістю переходу між сигналами: спочатку прямокутний сигнал перетвориться в трикутний, далі він переходить в синусоїдальний. Розрахунок коефіцієнта посилення проводиться за формулою:
У цій формулі змінна ω = 2 π f підвищується зі зростанням частоти, отже, чим більше частота, тим коефіцієнт посилення менше. Тому інтегратор може діяти в якості активного фільтра низьких частот.
схема дифференциатора
У цій схемі виходить зворотна ситуація. На вході підключена ємність, а у зворотному зв'язку підключено опір.
Судячи з назви схеми, її принцип роботи полягає в різниці. Чим більше швидкість зміни сигналу, тим більше величина коефіцієнта посилення. Цей параметр дає можливість створювати активні фільтри для високої частоти.
Коефіцієнт посилення для дифференциатора розраховується за формулою:
Цей вислів назад висловом інтегратора. Коефіцієнт посилення підвищується в негативну сторону зі зростанням частоти.
аналоговий компаратор
Пристрій компаратора порівнює два значення напруги і переводить сигнал в низьке або високе значення на виході, в залежності від стану напруги. Ця система включає в себе цифрову і аналогову електроніку.
Особливістю цієї системи є відсутність в основну версію зворотного зв'язку. Це означає, що опір петлі дуже велике.
На плюсовій вхід подається сигнал, а на мінусовій вхід подається основна напруга, яке задається потенціометром. Зважаючи на відсутність зворотного зв'язку коефіцієнт посилення прагне до нескінченності.
При перевищенні напруги на вході величини основного опорного напруги, на виході виходить найбільша напруга, що дорівнює позитивному живлячої напруги. Якщо на вході напруга буде менше опорного, то вихідним значенням буде негативна напруга, рівна напрузі джерела живлення.
У схемі аналогового компаратора є значний недолік. При наближенні значень напруги на двох входах один до одного, можливо часта зміна вихідної напруги, що зазвичай призводить до пропусків і збоїв в роботі реле. Це може привести до порушення роботи обладнання. Для вирішення цього завдання застосовують схему з гістерезисом.
Аналоговий компаратор з гістерезисом
На малюнку показана схема дії схеми з гистерезисом , Яка аналогічна попередній схемі. Відмінністю є те, що виключення і включення не відбувається при одному напрузі.
Напрямок стрілок на графіку вказує напрямок переміщення гистерезиса. При розгляді графіка зліва направо видно, що перехід до більш низького рівня здійснюється при напрузі Uph, а рухаючись справа наліво, напруга на виході досягне вищого рівня при напрузі Upl.
Такий принцип дії призводить до того, що при рівних значеннях вхідних напруг, стан на виході не змінюється, так як для зміни потрібно різниця напруг на істотну величину.
Така робота схеми призводить до деякої інертності системи, однак це більш безпечно, на відміну від схеми без гістерезису. Зазвичай такий принцип дії застосовується в нагрівальних приладах з наявністю термостата: плити, праски і т.д. На малюнку зображена схема підсилювача з гістерезисом.
Напруги розраховуються за такими залежностями:
повторювачі напруги
Операційні підсилювачі часто застосовуються в схемах повторювачів напруги. Основною особливістю цих пристроїв є те, що в них не відбувається посилення або ослаблення сигналу, тобто, коефіцієнт посилення в цьому випадку дорівнює одиниці. Така особливість пов'язана з тим, що петля зворотного зв'язку має опір, рівний нулю.
Такі системи повторителей напруги найчастіше використовуються в якості буфера для збільшення навантажувального струму і працездатності пристрою. Так як вхідний струм наближений до нуля, а струм на виході залежить від виду підсилювача, тобто можливість розвантаження слабких джерел сигналу, наприклад, деяких датчиків.
