Операционные усилители – виды, обозначения, корпуса усилителей

Операционный усилитель

Что то часто мне стали задавать вопросы по аналоговой электронике. Никак сессия студентов за яцы взяла? 😉 Ладно, давно пора двинуть небольшой ликбезик. В частности по работе операционных усилителей. Что это, с чем это едят и как это обсчитывать.

Что это
Операционный усилитель это усилок с двумя входами, невье… гхм… большим коэфициентом усиления сигнала и одним выходом. Т.е. у нас Uвых= K*Uвх а К в идеале равно бесконечности. На практике, конечно, там числа поскромней. Скажем 1000000. Но даже такие числа взрывают мозг при попытке их применить напрямую. Поэтому, как в детском саду, одна елочка, две, три, много елочек — у нас тут много усиления 😉 И баста.

А входа два. И один из них прямой, а другой инверсный.

Более того, входы высокоомные. Т.е. их входное сопротивление равно бесконечности в идеальном случае и ОЧЕНЬ много в реальном. Счет там идет на сотни МегаОм, а то и на гигаомы. Т.е. оно замеряет напряжение на входе, но на него влияет минимально. И можно считать, что ток в ОУ не течет.

Напряжение на выходе в таком случае обсчитывается как:

Очевидно, что если на прямом входе напряжение больше чем на инверсном, то на выходе плюс бесконечность. А в обратном случае будет минус бесконечность.

Разумеется в реальной схеме плюс и минус бесконечности не будет, а их замещать будет максимально высокое и максимально низкое напряжение питания усилителя. И у нас получится:

Компаратор
Устройство позволяющее сравнивать два аналоговых сигнала и выносить вердикт — какой из сигналов больше. Уже интересно. Применений ему можно придумать массу. Кстати, тот же компаратор встроен в большую часть микроконтроллеров и как им пользоваться я показывал на примере AVR в статьях про использование аналогового компаратора и про создание на его базе АЦП. Также компаратор замечательно используется для создания всяких ШИМ сигналов.

Но одним компаратором дело не ограничивается, ведь если ввести обратную связь, то из ОУ можно сделать очень многое.

Обратная связь
Если мы сигнал возьмем со выхода и отправим прямиком на вход, то возникнет обратная связь.

Положительная обратная связь
Возьмем и загоним в прямой вход сигнал сразу с выхода.

Что получим? А ничего интересного, процесс пойдет по следующей цепочке событий.

В общем, выход мгновенно свалится в бесконечные минуса, а в реале ляжет на шину отрицательного питания и усе. Поэтому такое включение применяется крайне редко. Например в триггере Шмитта для обеспечения гистерезиса.

Триггер Шмитта
Представим себе компаратор включенный по такой вот схеме и запитанный от +/- 15 вольт:

  • Напряжение U1 больше нуля — на выходе -15 вольт
  • Напряжение U1 меньше нуля — на выходе +15 вольт

А что будет если напряжение будет равно нулю? По идее на выходе должен быть ноль. Но в реальности напряжение НИКОГДА не будет равно нулю. Ведь даже если на один электрон заряд правого перевесит заряд левого, то уже этого достаточно, чтобы на бесконечном усилении вкатить потенциал на выход. И на выходе начнется форменный ад — скачки сигнала то туда, то сюда со скоростью случайных возмущений, наводящихся на входы компаратора.

Для решения этой проблемы вводят гистерезис. Т.е. своего рода зазор между переключениями из одного состояния в другое. Для этого вводят положительную обратную связь, вот так:

Считаем, что на инверсном входе в этот момент +10 вольт. На выходе с ОУ минус 15 вольт. На прямом входе уже не ноль, а небольшая часть выходного напряжения с делителя. Примерно -1.4 вольта Теперь, пока напряжение на инверсном входе не снизится ниже -1.4 вольта выход ОУ не сменит своего напряжения. А как только напряжение станет ниже -1.4, то выход ОУ резко перебросится в +15 и на прямом входе будет уже смещение в +1.4 вольта.

И для того, чтобы сменить напряжение на выходе компаратора сигналу U1 надо будет увеличиться на целых 2.8 вольта, чтобы добраться до верхней планки в +1.4.

Возникает своеобразный зазор где нет чувствительности, между 1.4 и -1.4 вольтами. Ширина зазора регулируется соотношениями резисторов в R1 и R2. Пороговое напряжение высчитывается как Uout/(R1+R2) * R1 Скажем 1 к 100 даст уже +/-0.14 вольт.

Но все же ОУ чаще используют в режиме с отрицательной обратной связью.

Отрицательная обратная связь
Окей, воткнем по другому:

В случае отрицательной обратной связи у ОУ появляется интересное свойство. Он всегда будет пытаться так подогнать свое выходное напряжение, чтобы напряжения на входах были равны, в результате давая нулевую разность.
Пока я в великой книге от товарищей Хоровица и Хилла это не прочитал никак не мог вьехать в работу ОУ. А оказалось все просто.

Повторитель
И получился у нас повторитель. Т.е. на входе U1, на инверсном входе Uout = U1. Ну и получается, что Uout = U1.

Читайте также:
Облицовка бассейна плиткой своими руками

Спрашивается нафига нам такое счастье? Можно же было напрямую кинуть провод и не нужен будет никакой ОУ!

Можно, но далеко не всегда. Представим себе такую ситуацию, есть датчик выполненный в виде резистивного делителя:

Нижнее сопротивление меняет свое значение, меняется расклад напряжений выхода с делителя. А нам надо снять с него показания вольтметром. Но у вольтметра есть свое внутреннее сопротивление, пусть большое, но оно будет менять показания с датчика. Более того, если мы не хотим вольтметр, а хотим чтобы лампочка меняла яркость? Лампочку то сюда никак не подключить уже! Поэтому выход буфферизируем операционным усилителем. Его то входное сопротивление огромно и влиять он будет минимально, а выход может обеспечить вполне ощутимый ток (десятки миллиампер, а то и сотни), чего вполне хватит для работы лампочки.
В общем, применений для повторителя найти можно. Особенно в прецезионных аналоговых схемах. Или там где схемотехника одного каскада может влиять на работу другого, чтобы разделить их.

Усилитель
А теперь сделаем финт ушами — возьмем нашу обратную связь и через делитель напряжения подсадим на землю:

Теперь на инверсный вход подается половина выходного напряжения. А усилителю то по прежнему надо уравнять напряжения на своих входах. Что ему придется сделать? Правильно — поднять напряжение на своем выходе вдвое выше прежнего, чтобы компенсировать возникший делитель.

Теперь будет U1 на прямом. На инверсном Uout/2 = U1 или Uout = 2*U1.

Поставим делитель с другим соотношением — ситуация изменится в том же ключе. Чтобы тебе не вертеть в уме формулу делителя напряжения я ее сразу и дам:

Мнемонически запоминается что на что делится очень просто:

Таким образом, можно очень легко умножать аналоговые значения на числа больше 1. А как быть с числами меньше единицы?

Инвертирующий усилитель
Тут поможет только инверсный усилитель. Разница лишь в том, что мы берем и прямой вход коротим на землю.

При этом получается, что входной сигнал идет по цепи резисторов R2, R1 в Uout. При этом прямой вход усилителя засажен на нуль. Вспоминаем повадки ОУ — он постарается любыми правдами и неправдами сделать так, чтобы на его инверсном входе образовалось напряжение равное прямому входу. Т.е. нуль. Единственный вариант это сделать — опустить выходное напряжение ниже нуля настолько, чтобы в точке 1 возник нуль.

Итак. Представим, что Uout=0. Пока равно нулю. А напряжение на входе, например, 10 вольт относительно Uout. Делитель из R1 и R2 поделит его пополам. Таким образом, в точке 1 пять вольт.

Пять вольт не равно нулю и ОУ опускает свой выход до тех пор, пока в точке 1 не будет нуля. Для этого на выходе должно стать (-10) вольт. При этом относительно входа разность будет 20 вольт, а делитель обеспечит нам ровно 0 в точке 1. Получили инвертор.

Но можно же и другие резисторы подобрать, чтобы наш делитель выдавал другие коэффициенты!
В общем, формула коэффициента усиления для такого усилка будет следующей:

Ну и мнемоническая картинка для быстрого запоминания ху из ху.

Вычитающая схема
Однако никто же не мешает подать на прямой вход не ноль, а любое другое напряжение. И тогда усилитель будет пытаться приравнять свой инверсный вход уже к нему. Получается вычитающая схема:

Допустим U2 и U1 будет по 10 вольт. Тогда на 2й точке будет 5 вольт. А выход должен будет стать таким, чтобы на 1й точке стало тоже 5 вольт. То есть нулем. Вот и получается, что 10 вольт минус 10 вольт равняется нуль. Все верно 🙂

Если U1 станет 20 вольт, то выход должен будет опуститься до -10 вольт.
Сами посчитайте — разница между U1 и Uout станет 30 вольт. Ток через резистор R4 будет при этом (U1-Uout)/(R3+R4) = 30/20000 = 0.0015А, а падение напряжения на резисторе R4 составит R4*I4 = 10000*0.0015 = 15 вольт. Вычтем падение в 15 вольт из входных 20 и получим 5 вольт.

Таким образом, наш ОУ прорешал арифметическую задачку из 10 вычел 20, получив -10 вольт.

Более того, в задачке есть коэффициенты, определяемые резисторами. Просто у меня, для простоты, резисторы выбраны одинакового номинала и поэтому все коэффициенты равны единице. А на самом деле, если взять произвольные резисторы, то зависимость выхода от входа будет такой:

Читайте также:
Рольставни для гаражных ворот

Мнемотехника для запоминания формулы расчета коэффициентов такова:
Прям по схеме. Числитель у дроби вверху поэтому складываем верхние резисторы в цепи протекания тока и множим на нижний. Знаменатель внизу, поэтому складываем нижние резисторы и множим на верхний.

Если же вводные резисторы (R4 и R5) равны друг другу. И резистор обратной связи и резистор на землю (R3 и R6) тоже равны друг другу. То формула упрощается до

Таким образом, на одном усилке можно два сигнала сначала вычесть, а потом умножить на константу. Этим, кстати, я воспользовался в схеме реобаса, чтобы привести милливольтный сигнал с датчика температуры к вменяемому виду.

Раз можно вычитать, то можно и суммировать

Сумматор инвертирующий

Тут все просто. Т.к. точка 1 у нас постоянно приводится к 0, то можно считать, что втекающие в нее токи всегда равны U/R, а входящие в узел номер 1 токи суммируются. Соотношение входного резистора и резистора в обратной связи определяет вес входящего тока.

Ветвей может быть сколько угодно, я же нарисовал всего две.

Резисторы на входе (R1, R2) определяют величину тока, а значит общий вес входящего сигнала. Если сделать все резисторы равными, как у меня, то вес будет одинаковым, а коэффициент умножения каждого слагаемого будет равен 1. И Uout = -1(U1+U2)

Сумматор неинвертирующий
Тут все чуток посложней, но похоже.

Причем резисторы в обратной связи должны быть такими, чтобы соблюдалось уравнение R3/R4 = K1+K2

В общем, на операционных усилителях можно творить любую математку, складывать, умножать, делить, считать производные и интегралы. Причем практически мгновенно. На ОУ делают аналоговые вычислительные машины. Одну такую я даже видел на пятом этаже ЮУрГУ — дура размером в пол комнаты. Несколько металлических шкафов. Программа набирается соединением разных блоков проводочками 🙂

Продолжение следует, когда-нибудь 🙂

Спасибо. Вы потрясающие! Всего за месяц мы собрали нужную сумму в 500000 на хоккейную коробку для детского дома Аистенок. Из которых 125000+ было от вас, читателей EasyElectronics. Были даже переводы на 25000+ и просто поток платежей на 251 рубль. Это невероятно круто. Сейчас идет заключение договора и подготовка к строительству!

А я встрял на три года, как минимум, ежемесячной пахоты над статьями :)))))))))))) Спасибо вам за такой мощный пинок.

199 thoughts on “Операционный усилитель”

> с двумя входами. Невье… гхм… большим
А не лучше ли запятую вместо точки?
> Поэтому такое включение не применяется. ОУ сконструирован для отрицательной обратной связи.
Ну ПОС тоже применяют, получая триггер Шмитта. В том же реобасе используется. Так что можно было и его описать)

Операционные усилители – виды, обозначения, корпуса усилителей

Операционные усилители

Сначала несколько слов о том, что такое операционные усилители (ОУ). Само название говорит о том, что с их помощью выполняются какие-то операции. Может быть это хирургический инструмент? Вовсе нет. Этот инструмент предназначен для выполнения различных математических операций.

Первоначально операционные усилители использовались в аналоговых вычислительных машинах (АВМ), в которых информация представлялась непрерывными сигналами в виде токов и напряжений.

Хотя в настоящее время АВМ ушли в прошлое, аналоговые сигналы, получаемые с различных датчиков (например, давление жидкости или угол поворота педали газа), используются до сих пор очень широко. И от этого просто некуда деться.

Чаще всего аналоговые сигналы преобразовываются в цифровые с помощью, например, АЦП, а дальнейшая их обработка производится в цифровом виде с помощью микропроцессров или микроконтроллеров.

Операционные усилители на электронных лампах

В первых, еще ламповых АВМ, математические операции над аналоговыми данными выполнялись с помощью специальных схем, которые и получили название операционные усилители. Естественно, что первые операционные усилители были ламповыми. Их внешний вид и схема показаны на рисунках 1 и 2.

Ламповый операционный усилитель

Ламповый операционный усилитель

Конструкция операционного усилителя понятна из рисунка: вся схема была собрана в одном корпусе и просто вставлялась в панельку с помощью октального цоколя как одна лампа. Элементной базой, как следует из рисунка 2, является пара ламп – двойных триодов. Как будто всего 4 транзистора.

Транзисторные операционные усилители

После появления на свет транзисторов операционные усилители стали выполняться в виде плат с разъемами, и такое положение дел продолжалось до тех пор, пока не были изобретены интегральные микросхемы. Это несколько улучшило общее положение дел, лишило схему всех «ламповых» недостатков: большая потребляемая мощность и низкая надежность ввиду ограниченного срока службы ламп. Но и транзисторные операционные усилители имели свои недостатки. В первую очередь их габариты были достаточно велики, хотелось бы поменьше.

Читайте также:
Сборка сруба: разные технологии

Операционные усилители в интегральном исполнении

Первый интегральный операционный усилитель µA702 разработал в 1963 году сотрудник компании Fairchild Semiconductor Роберт Видлар. Прибор содержал всего лишь 9 транзисторов, но стоил целых 300 долларов, что позволяло применять его только в разработках для военной промышленности. Но в целом это был огромный шаг вперед, одно из величайших открытий в электронике.

Уже в 1965 году Роберт Видлар сконструировал операционный усилитель µA709, который стоил в производстве намного дешевле, всего 10 долларов. И даже такая цена не позволяла применять его для бытовой техники, но была вполне приемлема для промышленной автоматики и т.п. задач.

В 1967 году Видлар перешел на работу в National Semiconductor, где под его руководством разработали LM101, имевшую лучшие характеристики. В 1968 году компания Fairchild выпустила µA741, имевший внутреннюю частотную коррекцию, что сделало его работу еще более стабильной – операционный усилитель с внутренней коррекцией не склонны к самовозбуждению.

Как уже было сказано основное назначение операционного усилителя – выполнение математических операций над аналоговыми переменными, представленными напряжениями (суммирование, интегрирование, умножение и т.д.). Но впоследствии выяснилось, что ОУ очень универсальный элемент, и его применение просто безгранично: усиление сигналов, активные частотные фильтры, генераторы, компараторы и многое другое.

Сейчас операционные усилители выпускаются в таких количествах, что без их применения обойтись просто невозможно. К тому же цена этих электронных изделий в некоторых случаях очень низкая, а возможности весьма высоки. В одном корпусе размещается уже сразу несколько операционных усилителей, микропотребление энергии и очень низкий уровень собственных шумов приближают реальные усилители к идеальным. Все это позволяет применять операционные усилители даже в профессиональной звуковой аппаратуре (многоканальные микшеры), делает их просто незаменимыми.

Конечно, история появления и развития операционных усилителей намного длиннее и, наверно, интересней, но пока ограничимся этими сведениями.

Условные графические обозначения операционных усилителей

Или рассказ о треугольниках и прямоугольниках

Первые шаги в радиолюбительство начинаются, как правило, с использования дискретных транзисторов, которые, часто с некоторой долей иронии или, наоборот, уважения, бывалые специалисты называют просто «рассыпухой». На таких транзисторах можно сделать практически что угодно, но зачастую это занятие требует достаточно высокой квалификации исполнителя.

Простой пример: настройка высококачественного УМЗЧ может стоить жизни нескольким комплектам мощных дорогостоящих транзисторов. Чтобы этого не случилось, надо иметь достаточный опыт постройки подобных устройств, пользоваться различными защитными устройствами в цепях питания и нагрузки. В простейшем случае лампами накаливания соответствующего напряжения и мощности.

Гораздо быстрее конечных результатов на почве «усилителестроения» можно достичь, если использовать УНЧ в интегральном исполнении. Просто добавили несколько резисторов, конденсаторов, блок питания, темброблок, и, пожалуйста, перед вами готовый усилитель. Но здесь речь пойдет об усилителях операционных, их применении в радиолюбительских конструкциях.

Наверно, никто не будет в домашних условиях собирать АВМ и всякие сумматоры – диффиренциаторы. А очень широкое применение ОУ в усилителях, микшерах, да и просто при ремонте разной электронной техники потребует хотя бы начальных знаний об операционных усилителях. О чем и будет написано в этой статье.

Как обозначаются операционные усилители на электрических схемах

Как и все радиодетали операционных усилителей обозначаются на схемах при помощи УГО – условных графических обозначений. Обозначения могут быть весьма разнообразны, хотя, в общем, обозначают одно и то же. При первом знакомстве со схемами на операционных усилителях возникают сомнения, вдруг что-то сделаю не так, вдруг все просто сгорит.

Если не брать во внимание внутреннее устройство операционных усилителей, кстати, достаточно сложное на первый взгляд (уж таковы традиции интегральной электроники), внешне операционники выглядят просто и логично. Дальнейшее описание коснется как раз внешних выводов и их использования в различных схемах.

Современный операционный усилитель имеет, как правило, два входа, один выход и два вывода для подключения питания. Это минимальный «джентльменский» набор. Кроме упомянутых выводов могут присутствовать выводы для подключения элементов частотной коррекции, выводы для балансировки (подстройки нуля на выходе). Различные УГО для операционных усилителей показаны на рисунке 1. Рассмотрим их насколько возможно подробно.

Обозначения операционных усилителей на схемах

Обозначения операционных усилителей на схемах

На рисунке 1а и 1б корпуса операционного усилителя показаны в виде равнобедренного треугольника. Да, это не более, чем корпус микросхмы. С левой стороны располагаются 2 входа: инвертирующий (обозначается знаком «минус» или маленьким кружочком) и неинвертирующий (обозначается знаком «плюс» или рисуется просто без кружочка). Замечание: если схема нарисована по «правилам хорошего тона», то все входы находятся слева, а выходы справа рассматриваемого элемента. Вспомогательные выводы, например, коррекции, питания, могут располагаться как угодно.

Читайте также:
Разбираемся в утеплении ворот и дверей гаража

Вот, как раз в правом углу треугольника находится вывод с надписью «Выход», а сверху и снизу показаны выводы для присоединения питания, чаще всего двух полярного. Чтобы не перегружать, не затуманивать схему выводы, питания чаще всего, не показываются. Их присоединение указывается просто в примечаниях к схеме.

Корпус операционного усилителя может изображаться в виде прямоугольника, как показано на рисунке 1в. Все остальные части этого рисунка те же, что и случае треугольного корпуса.

Корпуса операционных усилителей

Современная полупроводниковая технология достигла таких совершенств, что число полупроводниковых структур в одном корпусе просто не поддается учету. Достаточно вспомнить современные микропроцессоры, количество транзисторов в которых исчисляется миллиардами штук. Поэтому разместить в одном корпусе несколько операционных усилителей, содержащих всего-то несколько десятков транзисторов дело даже очень простое.

Корпуса операционных усилителей

Расположение выводов операционных усилителей различного типа в одних и тех же корпусах одинаково, что позволяет очень просто их заменять, особенно в случаях, когда операционные усилители установлены в разъемах – панельках. Но, в то же время, операционные усилители одного типа может быть изготовлен в совершенно разных корпусах. Это разнообразие требуется в условиях массового и крупносерийного производства в основном для удобства разработки печатных плат и всей конструкции электронного устройства.

На рисунке 3 показаны операционные усилители, выполненные в корпусах DIP8, DIP14.

Корпуса операционных усилителей

На рисунке 4 показан операционный усилитель типа 4558 в корпусе типа SIP-8 – однорядный восьмивыводный корпус.

Корпуса операционных усилителей

В настоящее время все большую популярность завоевывают операционные усилители в корпусах для поверхностного монтажа – SMD.

Операционные усилители

В следующей статье будет рассмотрен идеальный операционный усилитель, его входы и выходы и некоторые основные свойства, которые пригодятся в процессе самостоятельной разработки и изготовления (читай просто пайки на досуге) различных схем «для души». И уж совсем хорошо, если процесс пайки будет заменен беспаечными макетными платами, о которых уже статья уже была.

Операционный усилитель

Операционный усилитель — это усилитель постоянного тока с высоким коэффициентом усиления, который может быть очень большим, вплоть до миллионов. Часто встречается коэффициент усиления в 200 000. Операционные усилители способны усиливать сигналы переменного тока, также как сигналы постоянного тока, они чаще используются в измерительном оборудовании для усиления сигналов постоянного тока.

Название «операционный» усилитель происходит от того, что выполняемые операционным усилителем функции представляют собой математические операции. Например, устройство для извлечение квадратного корня является контрольно-измерительным устройством, в котором используется операционный усилитель для определения квадратного корня сигналов для обеспечения контроля изменения величины потока жидкой или газообразной среды.

Операционный усилитель

Операционный усилитель

Операционные усилители не обладают бесконечными входными сопротивлениями и нулевыми выходными сопротивлениями. Хотя возможно входное сопротивление в несколько триллионов Ом, и выходные сопротивления близкие к нулю. В результате выходные сигналы от таких операционных усилителей могут очень точно регулироваться. По этой причине операционные усилители считаются точными усилителями.

Высокая степень точности, обеспечиваемая операционными усилителями, возможна благодаря применению технологии интегральных схем. Хотя в принципе возможно изготовить операционный усилитель из дискретных компонентов, соединенных вместе на монтажной плате, однако практически все операционные усилители в настоящее время выполнены в виде интегральных схем.

Кристалл интегральной схемы операционного усилителя содержит все транзисторы и другие элементы, необходимые для усиления сигнала. Стандартный кристалл выполнен из, на нем может располагаться порядка 30 транзисторов и других элементов.

Кристалл с интегральной схемой операционного усилителя

При использовании операционных усилителей в различных типах схем они могут выполнять различные операции, необходимые в контрольно-измерительном оборудовании. Например, они могут суммировать сигналы, вычитать сигналы, находить среднюю величину сигнала и выполнять даже более сложные функции.

Схемы операционного усилителя

Все операционные усилители имеют два входа. Минус на схеме обозначает один вход, плюс — другой. Условное обозначение операционного усилителя можно узнать на схеме по знакам плюс и минус на вертикальной стороне треугольника. Это отличительные черты условного обозначения операционного усилителя. Если вы встретите на схеме подобный символ, но без знаков плюс и минус, то элемент, обозначенный таким образом, может представлять собой усилитель, но это не операционный усилитель.

Схема операционного усилителя

Выход операционного усилителя представлен на вершине треугольника, противолежащей стороне, где находятся входные зажимы. Соединения с источником питания обычно обозначаются линиями на противоположных сторонах треугольника. Большинство операционных усилителей рассчитаны на работу от биполярного источника напряжения, имеющего положительное и отрицательное напряжения. В целом, операционные усилители могут работать в пределах напряжения от +-1 В до +-40 В. Наиболее распространенное напряжение питания для них 15 В.

Читайте также:
Неисправности гидроаккумулятора: виды, диагностика причин и способы ремонта

Схема соединения операционного усилителя с источником питания

Выход биполярного источника напряжения измеряется относительно нуля вольт, не всегда относительно земли шасси. Для указания точки отсчета используется стрелка с не закрашенной треугольной головкой. Такая стрелка показывает общую точку в схеме, называемую «общей точкой сигналов». Входной и выходной сигналы операционного усилителя также измеряются относительно общей точки сигналов. Соединения общих точек сигналов не всегда отображаются на принципиальных схемах с операционными усилителями.

Схема обозначения общей точки сигналов

Корпусы операционных усилителей

Операционные усилители размещаются в контейнерах, называемых корпусами. Четыре наиболее распространенных типов корпусов это: ТО-5 (корпус транзисторного типа), DIP (плоский корпус с двухрядным расположением выводов), мини — DIP и плоский корпус с планарными выводами.

Операционный усилитель в корпусе ТО-5 (небольшой, металлический, круглой формы) Операционный усилитель в DIP- корпусе (самый большой из представленных) Операционный усилитель в мини DIP-корпусе (самый маленький из представленных) Операционный усилитель в плоском корпусе с боковыми выводами

Штырьки корпуса операционного усилителя используются в качестве выводов, с их помощью операционный усилитель соединяется с остальной схемой. Операционные усилители либо непосредственно припаиваются к монтажной плате, либо вставляются в колодку, которая припаяна к плате. Если операционный усилитель вставлен в колодку, его легко можно извлечь при помощи специального пинцета, предназначенного для этих целей.

Дифференциальный усилитель операционный усилитель, являющийся сочетанием инвертирующего и неинвертирующего усилителей

Измерительный усилитель измененный дифференциальный регулятор, на входах которого установлены повторители напряжения

Инвертирующий операционный усилитель повторитель напряжения, который может получить почти любой коэффициент усиления

Неинвертирующий операционный усилитель может быть модифицирован таким образом, чтобы получить почти любой коэффициент усиления

Операционный усилитель

Операционный усилитель (ОУ) англ. Operational Amplifier (OpAmp), в народе – операционник, является усилителем постоянного тока (УПТ) с очень большим коэффициентом усиления. Словосочетание «усилитель постоянного тока» не означает, что операционный усилитель может усиливать только постоянный ток. Имеется ввиду, начиная с частоты в ноль Герц, а это и есть постоянный ток.

Термин «операционный» укрепился давно, так как первые образцы ОУ использовались для различных математических операций типа интегрирования, дифференцирования, суммирования и тд. Коэффициент усиления ОУ зависит от его типа, назначения, структуры и может превышать 1 млн!

Обозначение на схеме операционного усилителя

На схемах операционный усилитель обозначается вот так:

операционный усилитель обозначение на схеме

операционный усилитель обозначение на старых схемах

Чаще всего ОУ на схемах обозначаются без выводов питания

операционный усилитель обозначение на схеме

Итак, далее по классике, слева два входа, а справа – выход.

ОУ

Вход со знаком «плюс» называют НЕинвертирующий, а вход со знаком «минус» инвертирующий. Не путайте эти два знака с полярностью питания! Они НЕ говорят о том, что надо в обязательном порядке подавать на инвертирующий вход сигнал с отрицательной полярностью, а на НЕинвертирующий сигнал с положительной полярностью, и далее вы поймете почему.

Питание операционных усилителей

Если выводы питания не указаны, то считается, что на ОУ идет двухполярное питание +E и -E Вольт. Его также помечают как +U и -U, VCC и VEE, Vc и VE. Чаще всего это +15 и -15 Вольт. Двухполярное питание также называют биполярным питанием. Как это понять — двухполярное питание?

Давайте представим себе батарейку

Операционный усилитель

Думаю, все вы в курсе, что у батарейки есть «плюс» и есть «минус». В этом случае «минус» батарейки принимают за ноль, и уже относительно нуля считают напряжение батарейки. В нашем случае напряжение батарейки равняется 1,5 Вольт.

А давайте возьмем еще одну такую батарейку и соединим их последовательно:

операционный усилитель двухполярное питание

Итак, общее напряжение у нас будет 3 Вольта, если брать за ноль минус первой батарейки.

А что если взять на ноль минус второй батарейки и относительно него уже замерять все напряжения?

операционный усилитель питание

Вот здесь мы как раз и получили двухполярное питание.

Идеальная и реальная модель операционного усилителя

Для того, чтобы понять суть работы ОУ, рассмотрим его идеальную и реальную модели.

1) Входное сопротивление идеального ОУ бесконечно большое.

входное сопротивление операционный усилитель

В реальных ОУ значение входного сопротивления зависит от назначения ОУ (универсальный, видео, прецизионный и т.п.) типа используемых транзисторов и схемотехники входного каскада и может составлять от сотен Ом и до десятков МОм. Типовое значение для ОУ общего применения — несколько МОм.

2) Второе правило вытекает из первого правила. Так как входное сопротивление идеального ОУ бесконечно большое, то входной ток будет равняться нулю.

Операционный усилитель

На самом же деле это допущение вполне справедливо для ОУ с полевыми транзисторами на входе, у которых входные токи могут быть меньше пикоампер. Но есть также ОУ с биполярными транзисторами на входе. Здесь уже входной ток может быть десятки микроампер.

Читайте также:
Основные размеры надувных диванов-кроватей, преимущества мебели

3) Выходное сопротивление идеального ОУ равняется нулю.

Операционный усилитель

Это значит, что напряжение на выходе ОУ не будет изменяться при изменении тока нагрузки. В реальных ОУ общего применения выходное сопротивление составляет десятки Ом (обычно 50 Ом).
Кроме того, выходное сопротивление зависит от частоты сигнала.

4) Коэффициент усиления в идеальном ОУ бесконечно большой. В реальности он ограничен внутренней схемотехникой ОУ, а выходное напряжение ограничено напряжением питания.

5) Так как коэффициент усиления бесконечно большой, следовательно, разность напряжений между входами идеального ОУ равняется нулю. Иначе если даже потенциал одного входа будет больше или меньше хотя бы на заряд одного электрона, то на выходе будет бесконечно большой потенциал.

6) Коэффициент усиления в идеальном ОУ не зависит от частоты сигнала и постоянен на всех частотах. В реальных ОУ это условие выполняется только для низких частот до какой-либо частоты среза, которая у каждого ОУ индивидуальна. Обычно за частоту среза принимают падение усиления на 3 дБ или до уровня 0,7 от усиления на нулевой частоте (постоянный ток).

Схема простейшего ОУ на транзисторах выглядит примерно вот так:

операционный усилитель внутреннее строение

Принцип работы операционного усилителя

Давайте рассмотрим, как работает ОУ

Операционный усилитель

Принцип работы ОУ очень прост. Он сравнивает два напряжения и на выходе уже выдает отрицательный, либо положительный потенциал питания. Все зависит от того, на каком входе потенциал больше. Если потенциал на НЕинвертирующем входе U1 больше, чем на инвертирующем U2, то на выходе будет +Uпит, если же на инвертирующем входе U2 потенциал будет больше, чем на НЕинвертирующем U1, то на выходе будет -Uпит. Вот и весь принцип ;-).

Давайте рассмотрим этот принцип в симуляторе Proteus. Для этого выберем самый простой и распространенный операционный усилитель LM358 (аналоги 1040УД1, 1053УД2, 1401УД5) и соберем примитивную схему, показывающую принцип работы

Операционный усилитель

Подадим на НЕинвертирующий вход 2 Вольта, а на инвертирующий вход 1 Вольт. Так как на НЕинвертирующем входе потенциал больше, то следовательно, на выходе мы должны получить +Uпит. Мы получили 13,5 Вольт, что близко к этому значению

Операционный усилитель

Но почему не 15 Вольт? Виновата во всем сама внутренняя схемотехника ОУ. Максимальное значение ОУ не всегда может равняться положительному либо отрицательному напряжению питания. Оно может отклоняться от 0,5 и до 1,5 Вольт в зависимости от типа ОУ.

Но, как говорится, в семье не без уродов, и поэтому на рынке уже давно появились ОУ, которые могут выдавать на выходе допустимое напряжение питания, то есть в нашем случае это значения, близкие к +15 и -15 Вольтам. Такая фишка называется Rail-to-Rail, что в дословном переводе с англ. «от рельса до рельса», а на языке электроники «от одной шины питания и до другой».

Давайте теперь на инвертирующий вход подадим потенциал больше, чем на НЕинвертирущий. На инвертирующий подаем 2 Вольта, а на НЕинвертирующий подаем 1 Вольт:

операционный усилитель работа

Как вы видите, в данный момент выход «лег» на -Uпит, так как на инвертирующем входе потенциал был больше, чем на НЕинвертирующем.

Чтобы не качать лишний раз программный комплекс Proteus, можно в онлайне с помощью программы Falstad сэмулировать работу идеального ОУ. Для этого выбираем вкладку Circuits—Op-Amps—>OpAmp. В результате на вашем экране появится вот такая схемка:

Операционный усилитель

На правой панели управления увидите бегунки для добавления напряжения на входы ОУ и уже можете визуально увидеть, что получится на выходе ОУ при изменении напряжения на входах.

Что будет на выходе ОУ, если на обоих входах будет ноль вольт?

Итак, мы рассмотрели случай, когда напряжение на входах может различаться. Но что будет, если они будут равны? Что нам покажет Proteus в этом случае? Хм, показал +Uпит.

операционный усилитель принцип работы

А что покажет Falstad? Ноль Вольт.

Операционный усилитель

Кому верить? Никому! В реале, такое сделать невозможно, чтобы на два входа загнать абсолютно равные напряжения. Поэтому такое состояние ОУ будет неустойчивым и значения на выходе могут принимать значения или -E Вольт, или +E Вольт.

Давайте подадим синусоидальный сигнал амплитудой в 1 Вольт и частотой в 1 килоГерц на НЕинвертирующий вход, а инвертирующий посадим на землю, то есть на ноль.

операционный усилитель схема Proteus

Смотрим, что имеем на виртуальном осциллографе:

Операционный усилитель

Что можно сказать в этом случае? Когда синусоидальный сигнал находится в отрицательной области, на выходе ОУ у нас -Uпит, а когда синусоидальный сигнал находится в положительной области, то и на выходе имеем +Uпит.

Читайте также:
Необходимые материалы для заливки пола по маякам

Скорость нарастания выходного напряжения

Также обратите внимание на то, что напряжение на выходе ОУ не может резко менять свое значение. Поэтому, в ОУ есть такой параметр, как скорость нарастания выходного напряжения VUвых .

Этот параметр показывает насколько быстро может измениться выходное напряжение ОУ при работе в импульсных схемах. Измеряется в Вольт/сек. Ну и как вы поняли, чем больше значение этого параметра, тем лучше ведет себя ОУ в импульсных схемах. Для LM358 этот параметр равен 0,6 В/мкс.

Также смотрите видео «Что такое операционный усилитель (ОУ) и как он работает»

Операционные усилители – виды, обозначения, корпуса усилителей

Операционные усилители в источниках питания – типы и математика работы

Операционные усилители являются важным элементом схемотехники источников питания, прежде всего – в части построения систем обратной связи и регулировки выходного напряжения, тока, мощности, схемы обратной связи по току. Из большого числа типов операционных усилителей в силовой электронике применяются следующие классы ОУ:

– ОУ общего применения (индустриальные LM324, LM358);

– ОУ с однополярным питанием;

– ОУ с широким диапазоном выходного напряжения – усилители так называемого класса rail-to-rail (R2R).

Другие классы ОУ при построении источников питания используются существенно реже. Условное обозначение операционного усилителя представлено на рисунке OPAMP.1.

Рисунок OPAMP.1 – Условное обозначение операционного усилителя

Операционный усилитель – это математический прибор, обеспечивающий выполнение математических операций с аналоговыми сигналами. Отдельный операционный усилитель содержит:

При отсутствии обратной связи напряжение на выходе Vout в математически идеальном ОУ связано с напряжением на входе следующим образом:

Формула

Vout – напряжение на выходе ОУ;

V+ – напряжение на неинвертирующем (+) входе;

V – напряжение на инвертирующем (-) входе;

Gopenloop – коэффициент усиления с разомкнутой петлёй обратной связи.

В реальном ОУ максимальное выходное напряжение ограничивается величиной напряжения питания. Режим без обратной связи практически не используется (т.к. он в принципе не нужен), а используются схемы с обратной связью, основными из которых являются:

– схема неинвертирующего усилителя;

– схема инвертирующего усилителя;

– схема дифференциального усилителя.

Основные параметры операционного усилителя

1. Напряжение питания (Supply Voltage) V – напряжение питания операционного усилителя. Обычно указывают минимальный уровень напряжения, при котором еще возможна работа ОУ и максимальное значение между «+» и «-» входами питания выше которого усилитель выходит из строя.

2. Максимальное дифференциальное входное напряжение (Differential Input Voltage) – максимальное напряжение между инвертирующим и неинвертирующим входами ОУ.

3. Максимальное входное напряжение (Input Voltage) – максимальное напряжение на любом из входов ОУ.

4. Максимальная рассеваемая мощность (Power Dissipation) – максимальная мощность рассеваемая корпусом ОУ.

5. Входной ток ОУ (Input Current) – величина тока входов операционного усилителя. В ОУ с входными каскадами на биполярных транзисторах выходной ток может зависеть от полярности напряжения: при положительных входных напряжениях он будет незначительным (единицы-десятки мкА), а при отрицательных напряжениях относительно «–» напряжения питания – составлять десятки мА.

6. Напряжение смещения (Input Offset Voltage) – максимальная разность напряжений между «+» и «-» входами ОУ в линейном режиме работы в составе одной из схем с положительной обратной связью. Этот параметр характеризует точность (прецезионность) ОУ.

7. Входной ток смещения, эквивалентный входной ток (Input Bias Current) – входной ток в линейном режиме работы.

8. Разность входных токов (Input Offset Current) – разность между входными токами ОУ.

9. Диапазон входных напряжений (Input Common-Mode Voltage Range) – показывает минимальное и максимальное напряжения на входах ОУ при условии работы в линейном режиме.

10. Потребляемый ток (Supply Current) – ток питания ОУ. Как правило, указывается ток собственного потребления ОУ без нагрузки.

11. Статический коэффициент усиления при большом сигнале (Large Signal Voltage Gain) – показывает отношение изменения выходного напряжения к вызвавшему это изменение изменению разности потенциалов между входами ОУ.

12. Коэффициент ослабления синфазного сигнала (common-mode rejection ratio).

13. Коэффициент подавления пульсаций напряжения питания (power supply rejection ratio).

14. Коэффициент связи между ОУ – для нескольких ОУ и одном корпусе (Amplifier-to-Amplifier Coupling).

15. Выходной ток цепи источника питания/цепь стока (Output Current Source/Sink).

Основные схемы включения операционных усилителей
Схема неинвертирующего усилителя

На рисунке OPAMP.2 изображена электрическая схема неинвертирующего усилителя на ОУ и её частный случай – повторитель напряжения. Резисторы R1 и R2 образуют резисторный делитель, обеспечивающий отрицательную обратную связь – часть напряжения с выхода ОУ поступает на инвертирующий вход усилителя. Коэффициент усиления регулируется глубиной обратной связи – коэффициентом деления резисторного делителя. Если же напряжение с выход ОУ напрямую подается на инвертирующий вход, то получается схема повторителя напряжения. Преимуществом схемы неинвертирующего усилителя является высокое входное сопротивление, отсутствие инверсии сигнала.

Читайте также:
Набор мебели для девочки-подростка, советы по выбору

Рисунок OPAMP.2 – Схема неинвертирующего усилителя (a) и повторителя напряжения (b)

Схема инвертирующего усилителя

На рисунке OPAMP.3 изображена электрическая схема инвертирующего усилителя на ОУ. Здесь отрицательная обратная связь обеспечивается за счет резистора R2 соединенного с выходом микросхемы ОУ.

Недостатками схемы является низкое входное сопротивление, полностью определяемое сопротивлением R1 и инверсия входного сигнала.

Рисунок OPAMP.3 – Схема инвертирующего усилителя

Схема дифференциального усилителя

Схема дифференциального усилителя на ОУ (рисунок OPAMP.4) усиливает разность между входными напряжениями. Входное сопротивление схем определяется резистором R1 для входа 1 и суммой сопротивлений R1’ и R2’ для входа 2. Видно, что в общем случае в данной схеме перестановка входных сигналов местами изменяет результат – выходное напряжение. И лишь при равенстве сопротивлений резисторов:

Формула Формула

Выходное напряжение равно:

Формула

Рисунок OPAMP.4 – Схема дифференциального усилителя

Схема прецизионного двухполупериодного выпрямителя

Схема прецизионного двухполупериодного выпрямителя представлена на рисунке OPAMP.5. Величина RL – внутреннего нагрузочного сопротивления, выбирается в разумных пределах исходя из требования, что рабочий ток через него не будет превышать максимальный выходной ток ОУ (как правило, 10-50% от максимального выходного тока). Диоды VD1 и VD2 выбираются одного типа и с максимально близкими вольт-амперными характеристиками.

Рисунок OPAMP.5 – Схема прецизионного двухполупериодного выпрямителя усилителя (единичный коэффициент усиления, RL – внутренне нагрузочное сопротивление, выбирается в соответствии с параметрами ОУ)

Виртуальный ноль для питания операционных усилителей

В ряде случаев, когда необходимо обеспечить биполярное питание операционного усилителя при наличии только одного источника питания (с двумя выводами – положительным и отрицательным). Наиболее простым решением по созданию виртуального нуля (искусственной средней точки) является использование резисторного делителя (рисунок OPAMP.6) с буферными конденсаторами для сглаживания импульсных нагрузок. Схемы с операционным усилителем обеспечивают четкую фиксацию напряжения средней точки даже при значительном «перекосе фаз» т.е. большой разности токов потребляемых от «плюсового» и от «минусового» выводов. При значительных потребляемых токах можно использовать схему с дополнительным токовым буфером, выполненным на двух комплементарных транзисторах. В схеме можно использовать недорогие и доступные ОУ общего применения, такие как LM324, LM358. Другим преимуществом схемы является меньшее потребление энергии, что важно при питании от гальванических батарей.

Рисунок OPAMP.6. Схемы формирования виртуального нуля (искусственная средняя точка) для питания операционных усилителей

Модели операционных усилителей

Хотя упоминание об операционных усилителях обычно вызывает воспоминание о полупроводниковых устройствах, построенных как интегральные микросхемы на миниатюрном кремниевом чипе, первые операционные усилители были фактически схемами на электронных лампах. Первый коммерческий операционный усилитель общего назначения был изготовлен компанией George A. Philbrick Researches, Incorporated в 1952 году. Обозначенный как K2-W, он был построен на двух сдвоенных триодных лампах, смонтированных вместе с восьмивыводным разъемом для легких установки и обслуживания в шасси электронного оборудования той эпохи. Сборка выглядела примерно так:

Операционный усилитель Philbrick Researches, модель K2-W

Операционный усилитель Philbrick Researches, модель K2-W

Принципиальная схема представляет собой две лампы, а также десять резисторов и два конденсатора, довольно простая схема даже по стандартам 1952 года:

Операционный усилитель K2-W, принципиальная схема

Операционный усилитель K2-W, принципиальная схема

В случае если вы не знакомы с работой электронных вакуумных ламп, они работают аналогично полевым транзисторам с изолированным затвором (IGFET) с обедненным каналом N-типа: то есть они проводят большой ток, когда управляющая сетка (пунктирная линия) становится более положительной по напряжению по отношению к катоду (изогнутая линия в нижней части условного обозначения лампы), и проводят меньше тока, когда управляющая сетка по напряжению менее положительна (или более отрицательна), чем катод. Лампа двойного триода слева работает как дифференциальная пара, преобразующая дифференциальные входные сигналы (сигналы напряжения на инвертирующем и неинвертирующем входах) в один усиленный сигнал напряжения, который затем подается на управляющую сетку левого триода второй триодной пары через делитель напряжения (1 МОм – 2,2 МОм). Этот триод усиливает и инвертирует выходной сигнал дифференциальной пары для получения большего коэффициента усиления по напряжению, затем усиленный сигнал подается на второй триод этой же лампы двойного триода в схеме неинвертирующего усилителя для получения большего коэффициента усиления по току. Две неоновые «светящиеся лампы» действуют как стабилизаторы напряжения, аналогично поведению полупроводниковых стабилитронов, для обеспечения напряжения смещения в соединении между двумя несимметричными триодными усилителями.

При напряжении двуполярного источника питания +300/-300 вольт этот операционный усилитель мог развивать выходное напряжение только до +/- 50 вольт, что очень плохо по сегодняшним стандартам. Он имел коэффициент усиления по напряжению при разомкнутой петле обратной связи от 15000 до 20000, скорость нарастания +/- 12 вольт/микросекунда, максимальный выходной ток 1 мА, потребляемую мощность более 3 Вт (без учета ламп накаливания!), и стоил около 24 долларов в 1952 году. Лучшей производительности можно было бы достичь, используя более сложную конструкцию схемы, но только при большем энергопотреблении, большей стоимости и пониженной надежности.

Читайте также:
Особенности и варианты применения светящихся обоев для стен

С появлением твердотельных транзисторов стали возможны операционные усилители с гораздо меньшим энергопотреблением и повышенной надежностью, но многие другие параметры производительности остались примерно такими же. Возьмем, к примеру, модель P55A от Philbrick, твердотельный операционный усилитель общего назначения примерно 1966 года. P55A демонстрировал коэффициент усиления при разомкнутой петле обратной связи 40000, скорость нарастания 1,5 вольт/мкс и размах выходного сигнала +/- 11 вольт (при напряжении источника питания +/- 15 вольт), максимальный выходной ток 2,2 мА и стоимость 49 долларов (или около 21 доллара для версии «широкого потребления»). P55A, как и другие операционные усилители линейки Philbrick, имел дискретную компонентную конструкцию, состоящую из транзисторов, резисторов и конденсаторов, помещенных в твердый «кирпич», напоминающий большой корпус интегральной микросхемы.

Построить неточный операционный усилитель на дискретных компонентах нетрудно. Схема одной такой схемы показана на рисунке ниже.

Простой операционный усилитель, выполненный на дискретных компонентах

Простой операционный усилитель, выполненный на дискретных компонентах

Несмотря на то, что его производительность по современным стандартам довольно неутешительна, он демонстрирует, что для создания минимально функционирующего операционного усилителя сложность не требуется. Транзисторы Q3 и Q4 формируют сердце другой схемы дифференциальной пары, полупроводникового эквивалента первой триодной лампы в схеме K2-W. Как и в схеме с электронной вакуумной лампой, назначением дифференциальной пары является усиление и преобразование дифференциального напряжения между двумя входными клеммами в выходное несимметричное напряжение.

С появлением технологии интегральных микросхем (ИМС) в конструкциях операционных усилителей произошло резкое увеличение производительности, надежности, плотности и экономичности. Между 1964 и 1968 годами корпорация Fairchild представила три модели микросхем операционных усилителей: 702, 709 и всё еще популярный 741. Хотя 741 в настоящее время считается устаревшим с точки зрения производительности, он по-прежнему пользуется популярностью среди любителей за свою простоту и отказоустойчивость (например, защита от короткого замыкания на выходе). Личный опыт использования множества операционных усилителей 741 привел меня к выводу, что его сложно убить.

Внутренняя принципиальная схема операционного усилителя модели 741 показана на рисунке ниже.

Операционный усилитель, модель 741. Принципиальная схема

Операционный усилитель, модель 741. Принципиальная схема

По стандартам интегральных микросхем 741 является очень простым устройством: пример низкой степени интеграции, или технологии SSI (small-scale integration). Сборка этой схемы на дискретных компонентах стоила бы усилий, поэтому вы можете увидеть преимущества даже самой примитивной технологии интегральных микросхем по сравнению с дискретными компонентами, когда задействовано большое количество элементов.

Радиолюбителям, студентам и инженерам, желающим повысить производительность, на выбор предлагаются сотни моделей операционных усилителей. Многие продаются по цене менее доллара за штуку даже в розницу. Операционные усилители специального назначения, измерительные (инструментальные) и радиочастотные, могут быть немного дороже. В этом разделе я продемонстрирую несколько популярных и доступных операционных усилителей, сравнивая их технические характеристики. Достопочтенный 741 включен в качестве «эталона» для сравнения, хотя он, как я уже говорил, считается устаревшим.

Модели операционных усилителей Модели операционных усилителей

Широко используемые модели операционных усилителей

МодельУстройства/корпусНапряжение питанияПолоса пропусканияТок смещенияСкорость нарастания напряженияВыходной ток
(номер)(количество)(В)(МГц)(нА)(В/мкс)(мА)
TL082212 / 36481317
LM301A110 / 3612500.525
LM318110 / 40155007020
LM32443 / 321450.2520
LF353212 / 36481320
LF356110 / 36581225
LF411110 / 364201525
741C110 / 3615000.525
LM833210 / 36151050740
LM145826 / 3618001045
CA313015 / 16150.051020

В приведенной выше таблице перечислены лишь некоторые из недорогих моделей операционных усилителей, широкодоступных у поставщиков электроники. Большинство из них доступно в розничных магазинах. Все цены ниже 1 доллара. Как вы можете видеть, между некоторыми из этих устройств наблюдается существенная разница в производительности. Возьмем, к примеру, параметр входного тока смещения: CA3130 выигрывает приз за самое низкое значение, 0,05 нА (или 50 пА), а LM833 имеет самое высокое значение, чуть более 1 мкА. Модель CA3130 достигает своего невероятно низкого тока смещения благодаря использованию MOSFET транзисторов в своем входном каскаде. Один производитель объявляет входное сопротивление 3130 равным 1,5 тераом, или 1,5 x 10 12 Ом! Другие операционные усилители, показанные здесь, с низкими значениями тока смещения используют на входах полевые транзисторы (JFET), в то время как модели с высоким током смещения используют на входах биполярные транзисторы.

Читайте также:
Потолочные люстры для гостиной: видео-инструкция по установке своим руками светильника с пультом, фото

В то время как 741 указывается в схемах многих электронных проектов и демонстрируется во многих учебниках, его производительность во всех отношениях давно обойдена другими конструкциями. Некоторые конструкции, даже изначально основанные на 741, с годами были улучшены, чтобы значительно превзойти первоначальные технические характеристики. Одним из таких примеров является модель 1458, два операционных усилителя в 8-выводном DIP корпусе, которая когда-то имела те же характеристики производительности, что и одиночный 741. В своем последнем воплощении он может похвастаться более широким диапазоном напряжений источника питания, скоростью нарастания напряжения в 50 раз выше и почти вдвое большим выходным током по сравнению с 741, при этом сохранив функцию защиты от короткого замыкания как в 741. Операционные усилители с полевыми транзисторами (JFET и MOSFET) на входах значительно превосходят характеристики 741 по току смещения и, как правило, превосходят 741 по ширине полосы частот и скорости нарастания напряжения.

Мои персональные рекомендации для операционных усилителей таковы: когда приоритетом является низкий ток смещения (например, в схемах низкоскоростных интеграторов), выбирайте 3130. Для работы усилителя постоянного тока общего назначения хорошую производительность предлагает модель 1458 (и вы можете получить два операционных усилителя в одном корпусе). Для повышения производительности выбирайте модель 353, так как это совместимая по выводам замена для 1458. 353 разработан с входной схемой на полевых транзисторах для получения очень низкого тока смещения и имеет полосу пропускания, в 4 раза большую, чем у 1458, хотя его ограничение по выходному току ниже (но выход всё еще имеет защиту от короткого замыкания). Может быть, его будет труднее найти на полке вашего местного магазина радиодеталей, но он всё еще продается по разумной цене, как и 1458.

Если требуется низкое напряжение питания, я рекомендую модель 324, так как она работает при постоянном напряжении 3 В. Ее требования к входному току смещения также низки, и она предоставляет четыре операционных усилителя в одной 14-выводной микросхеме. Ее основными недостатками являются скорость, полоса пропускания, ограниченная до 1 МГц, и скорость нарастания выходного напряжения только 0,25 вольт в микросекунду. Для схем высокочастотных усилителей хорошо подходит модель «общего назначения» 318.

Операционные усилители специального назначения, доступные по скромной цене, обеспечивают лучшие технические характеристики. Многие из них выполнены для определенного типа преимуществ по производительности, таких как максимальная полоса пропускания или минимальный ток смещения. Возьмем, для примера, операционные усилители в таблице ниже, оба из которых рассчитаны на высокую пропускную способность.

Операционные усилители с высокой пропускной способностью

МодельУстройства/корпусНапряжение питанияПолоса пропусканияТок смещенияСкорость нарастания напряженияВыходной ток
(номер)(количество)(В)(МГц)(нА)(В/мкс)(мА)
CLC404110 / 1423244000260070
CLC42515 / 1419004000035090

CLC404 стоит 21,8 долларов (почти столько же, сколько первый коммерческий операционный усилитель Джорджа Филбрика, хотя и без поправки на инфляцию), а CLC425 стоит немного дешевле – 3,23 доллара за штуку. В обоих случаях высокая скорость достигается за счет высоких токов смещения и ограниченных диапазонов напряжения питания.

Некоторые операционные усилители, рассчитанные на высокую выходную мощность, перечислены в таблице ниже.

Операционные усилители с высокими выходными токами

МодельУстройства/корпусНапряжение питанияПолоса пропусканияТок смещенияСкорость нарастания напряженияВыходной ток
(номер)(количество)(В)(МГц)(нА)(В/мкс)(мА)
LM12CL115 / 800.71000913000
LM717115.5 / 36200120004100100

Да, на самом деле LM12CL имеет номинальный выходной ток 13 ампер (13000 миллиампер)! Он стоит 14,4 долларов, что не так уж и много, учитывая мощность устройства. LM7171, с другой стороны, обменивает способность высокого выходного тока на способность быстрого изменения выходного напряжения (высокой скорости нарастания напряжения). Он стоит 1,19 доллара, примерно столько же, сколько стоят некоторые операционные усилители общего назначения.

Также могут быть приобретены сборки усилителей, готовые к применению, в отличие от голых операционных усилителей. Например, корпорации Burr-Brown и Analog Devices, давно известные своими линейками прецизионных усилителей, предлагают в заранее разработанных корпусах инструментальные усилители, а также другие специализированные усилительные устройства. В конструкциях, где важны высокая точность и повторяемость после ремонта, разработчику может быть выгоднее выбрать такой заранее спроектированный усилительный «блок», а не создавать схему из отдельных операционных усилителей. Конечно, эти устройства обычно стоят немного больше, чем отдельные операционные усилители.

Ссылка на основную публикацию