Операционный усилитель (ОУ; , opamp) — усилитель постоянного тока с дифференциальным входом и, как правило, единственным выходом, имеющий высокий коэффициент усиления. ОУ почти всегда используются в схемах с глубокой отрицательной обратной связью, которая, благодаря высокому коэффициенту усиления ОУ, полностью определяет коэффициент усиления/передачи полученной схемы.
В настоящее время ОУ получили широкое применение, как в виде отдельных чипов, так и в виде функциональных блоков в составе более сложных интегральных схем. Такая популярность обусловлена тем, что ОУ является универсальным блоком с характеристиками, близкими к идеальным, на основе которого можно построить множество различных электронных узлов.
История Операционный усилитель изначально был спроектирован для выполнения математических операций (отсюда его название), путём использования напряжения как аналоговой величины. Такой подход лежит в основе аналоговых компьютеров, в которых ОУ использовались для моделирования базовых математических операций (сложение, вычитание, интегрирование, дифференцирование и т. д.). Однако идеальный ОУ является многофункциональным схемотехническим решением, он имеет множество применений помимо математических операций. Реальные ОУ, основанные на транзисторах, электронных лампах или иных активных компонентах, выполненные в виде дискретных или интегральных схем, являются приближением к идеальным.
Первые промышленные ламповые ОУ (1940-е годы) выполнялись на паре двойных триодов, в том числе в виде отдельных конструктивных сборок в корпусах с октальным цоколем. В 1963 году Роберт Видлар (инженер фирмы «Fairchild Semiconductor») спроектировал первый ОУ интегральный схемы — интегральный ОУ. Этим ОУ стал μA702. При цене в 300 долларов прибор, содержавший 9 транзисторов, использовался только в военной электронике. Первый общедоступный интегральный ОУ — μA709, — также спроектированный Видларом, был выпущен в 1965 году. Вскоре после выпуска его цена упала ниже 10 долларов, что было всё ещё слишком дорого для бытового применения, но вполне доступно для массовой промышленной автоматики и т. п. гражданского применения.
В 1967 году фирма «National Semiconductor», куда перешёл работать Видлар, выпустила интегральный ОУ LM101 (L — линейный, M — в монолитном кристалле), а в 1968 году фирма Fairchild выпустила ОУ, практически идентичный μA741 — первый ОУ со встроенной частотной коррекцией. ОУ LM101/μA741 был более стабилен и прост в использовании, чем предшественники. Многие производители до сих пор выпускают версии этого классического чипа (их можно узнать по числу «741» в индексах моделей). Позднее были разработаны ОУ и на иной элементной базе — на полевых транзисторах с p-n переходом (конец 1970-х годов) и с изолированным затвором (начало 1980-х годов), что позволило существенно улучшить ряд характеристик. Многие из более современных ОУ могут быть установлены в схемы, спроектированные для 741 без каких-либо доработок, при этом характеристики схемы только улучшатся.
Применение ОУ в электронике чрезвычайно широко. ОУ, вероятно, наиболее часто встречающийся элемент в аналоговой схемотехнике. Добавление лишь нескольких внешних компонентов делает из ОУ конкретную схему аналоговой обработки сигналов. Многие стандартные ОУ сто́ят всего несколько центов в крупных партиях (), но усилители с нестандартными характеристиками (в интегральном или дискретном исполнении) могут стоить 100$ и выше.
Обозначения
На рисунке показано схематичное изображение операционного усилителя. Выводы имеют следующие значения: — неинвертирующий вход; V− — инвертирующий вход; Vout — выход; VS+ — плюс источника питания (также может обозначаться как , или ); VS− — минус источника питания (также может обозначаться как , или ).
Указанные пять выводов присутствуют в любом ОУ и необходимы для его функционирования. Однако, существуют операционные усилители, не имеющие неинвертирующего входаОперационный усилитель? Это очень просто! // cxem.net.. В частности, такие ОУ находят применение в аналоговых вычислительных машинах (АВМ).
ОУ, применяемые в АВМ, принято делить на пять классов, из которых ОУ первого и второго класса имеют только один вход.
Операционные усилители первого класса — усилители высокой точности (УВТ) с одним входом. Предназначены для работы в составе интеграторов, сумматоров, устройств слежения-хранения. Высокий коэффициент усиления, предельно малые значения смещения нуля, входного тока и дрейфа нуля, высокое быстродействие обеспечивают снижение погрешности, вносимой усилителем, ниже 0,01 %.
Операционные усилители второго класса — усилители средней точности (УСТ), имеющие один вход, обладающие меньшим коэффициентом усиления и большими значениями смещения и дрейфа нуля. Эти ОУ предназначены для применения в составе электронных устройств установки коэффициентов, инверторов, электронных переключателей, в функциональных преобразователях, в множительных устройствах.
Помимо этого, некоторые ОУ могут иметь дополнительные выводы, предназначенные, например, для установки тока покоя, частотной коррекции, балансировки или других функций.
Выводы питания (VS+ и VS−) могут быть обозначены по-разному (см. выводы питания интегральных схем). Часто выводы питания не рисуют на схеме, чтобы не загромождать её несущественными деталями, при этом способ подключения этих выводов явно не указывается или считается очевидным (особенно часто это происходит при изображении одного усилителя из микросхемы с четырьмя усилителями с общими выводами питания). При обозначении ОУ на схемах можно менять местами инвертирующий и неинвертирующий входы, если это удобно. Выводы питания, как правило, всегда располагают единственным способом (положительный вверху).
Основы функционирования
Питание В общем случае ОУ использует двухполярное питание, то есть источник питания имеет три вывода со следующими потенциалами:
U+, к которому подключается VS+; 0 (нулевой потенциал); U-, к которому подключается VS-.
Вывод источника питания с нулевым потенциалом непосредственно к ОУ обычно не подключается, но, как правило, является сигнальной землёй и используется для создания обратной связи. Часто вместо двухполярного используется более простое однополярное, а общая точка создаётся искусственно или совмещается с отрицательной шиной питания.
ОУ способны работать в широком диапазоне напряжений источников питания, типичное значение для ОУ общего применения от Для ОУ общего применения минимальное напряжение питания несколько выше чем ±1,5 В. Для эффективной работы при низких питающих напряжениях существует особый класс низковольтных ОУ. до при двухполярном питании (то есть U+ = 1,5…15 В, U- = −15…-1,5 В, допускается значительный перекос).
Простейшее включение ОУ Рассмотрим работу ОУ как отдельного дифференциального усилителя, то есть без включения в рассмотрение каких-либо внешних компонентов. В этом случае ОУ ведёт себя как обычный усилитель с дифференциальным входом, то есть поведение ОУ описывается следующим образом:
где Vout — напряжение на выходе; V+ — напряжение на неинвертирующем входе; V− —напряжение на инвертирующем входе; Gopenloop — коэффициент усиления при разомкнутой петле, то есть собственный коэффициент усиления ОУ, без обратной связи.
Все напряжения считаются относительно общей точки схемы. Рассматриваемый способ включения ОУ (без обратной связи) практически не используетсяЕдинственным исключением является простейший аналоговый компаратор. вследствие присущих ему серьёзных недостатков:
собственный коэффициент усиления нормируется в очень широких пределах и может изменяться в тысячи раз (зависит сильнее всего от частоты сигнала и температуры); собственный коэффициент усиления очень велик (типичное значение 106 на постоянном токе) и не поддаётся регулировке; точка отсчёта входного и выходного напряжений не поддаётся регулировке.
Идеальный операционный усилитель Для того, чтобы рассматривать функционирование ОУ в режиме с обратной связью, необходимо вначале ввести понятие идеального операционного усилителя. Идеальный ОУ является физической абстракцией, то есть не может реально существовать, однако позволяет существенно упростить рассмотрение работы схем на ОУ благодаря использованию простых математических моделей.
Идеальный ОУ описывается формулой (1) и обладает следующими характеристиками:
бесконечно большой собственный коэффициент усиленияКазалось бы, это бессмысленное допущение, поскольку при этом на выходе было бы бесконечное напряжение всегда, за исключением редкого случая, когда напряжения на входах V- и V+ равны. В действительности выходное напряжение даже в теоретической модели всегда ограничено из-за использования отрицательной обратной связи.; бесконечно большое входное сопротивление входов V- и V+, то есть ток, протекающий через эти входы, равен нулю; нулевое выходное сопротивление выхода ОУ; способность выставить на выходе любое значение напряжения; бесконечно большая скорость нарастания напряжения на выходе ОУ; полоса пропускания от постоянного тока до бесконечности.
Пункты 5 и 6 в действительности следуют из формулы (1), поскольку в неё не входят временны́е задержки и фазовые сдвиги. Из формулы (1) следует, что для поддержания нужного напряжения на выходе необходимо поддерживать следующую разность входных напряжений:
Так как собственный коэффициент усиления идеального ОУ бесконечно большой, то разность входных напряжений стремится к нулю. Отсюда следует важнейшее свойство идеального ОУ, упрощающее рассмотрение схем с его использованием:
Идеальный ОУ, охваченный отрицательной обратной связью, поддерживает одинаковое напряжение на своих входахПутём изменения выходного напряженияЕсли система (ОУ с ОС) устойчива
Другими словами, при указанных условиях всегда выполняется равенство:
Не следует думать, что ОУ выравнивает напряжения на своих входах, подавая напряжение на входы «изнутри». На самом деле ОУ выставляет на выходе такое напряжение, которое через обратную связь подействует на входы таким образом, что разность входных напряжений уменьшится до нуля.
Легко убедиться в справедливости равенства (2). Допустим, (2) нарушено — имеет место небольшая разность напряжений. Тогда входное дифференциальное напряжение, усиленное в ОУ, вызвало бы (вследствие бесконечного коэффициента усиления) бесконечно большое выходное напряжение, которое, в соответствии с определением ООС, ещё уменьшило бы разность входных напряжений. И так до тех пор, пока равенство (2) не будет выполнено. Заметим, что выходное напряжение может быть любым — оно определяется видом обратной связи и входным напряжением.
Простейшие схемы с обратной связью Из рассмотрения принципа работы идеального ОУ следует очень простая методика проектирования схем:
Пусть необходимо построить цепь на ОУ с требуемыми свойствами. Требуемые свойства заключаются прежде всего в заданном состоянии выхода (выходное напряжение, выходной ток и т. д.), которое, возможно, зависит от какого-либо входного воздействия.
Для создания схемы нужно подключить к ОУ такую обратную связь, чтобы при требуемом выходном состоянии достигалось равенство напряжений на входах ОУ (инвертирующем и неинвертирующем), а обратная связь была бы отрицательной.
Таким образом, требуемое состояние системы будет устойчивым состоянием равновесия, и система будет в нём находиться неограниченно долгоЭто очень упрощённый подход, в действительности необходимо учитывать другие возможные состояния равновесия, а также ряд других факторов.. Пользуясь этим упрощённым подходом, несложно получить простейшую схему неинвертирующего усилителя.
От усилителя требуется наличие на выходе напряжения, отличающегося от входного в раз, то есть . В соответствии с приведённой выше методикой подадим на неинвертирующий вход ОУ сам входной сигнал, а на инвертирующий — часть выходного сигнала с резистивного делителя.