Основы работы операционных усилителей: принцип действия и характеристики
Операционные усилители (ОУ) стали некоторым фундаментом в топологии современных электронных устройств. Они обеспечивают оптимальную производительность и эффективность в работе схемы. Важность их использования в современной электронике подтверждается универсальностью решения различных задач. Таких как усиление и обработка аналогового сигнала, его фильтрация и коммутация, также аналоговые вычисления. К тому же операционные усилители используются для реализации компараторов напряжения, которые применяются в аналогово-цифровых преобразователях (АЦП).
Содержание:
- Устройство операционных усилителей
- Построение компаратора напряжения
- Виды операционных усилителей
- Зависимость параметров ОУ от топологии микросхем
- Применение ОУ в электронике
Устройство операционных усилителей
Для создания ОУ, один или несколько электронных каскадов, состоящих из определенного числа транзисторов и других электронных компонентов, объединяют в общую схему. Такое устройство обязательно содержит прямой и инверсный входы и выход. Они могут иметь входы управления и выводы коррекции режимов работы, которые рассчитаны для подключения электрических емкостей, сопротивлений или LC-цепочек.
Идеальная работа операционного усилителя основана на таких принципах:
- при подаче сигнала только на прямой вход ОУ, на выходе будет напряжение, соответствующее произведению входного на коэффициент усиления;
- при подаче на инверсный вход, на выходе будет напряжение, соответствующее произведению входного на коэффициент усиления, только результат будет в противофазе;
- если подавать сигналы на оба входа, то разность сигналов (от значения напряжения, подаваемого на прямой вход, вычитается величина напряжения, приложенного к инверсному входу) умножается на коэффициент усиления.
На практике реальный коэффициент усиления зависит от частотной характеристики используемой модели усилителя. А для минимизации искажений используют отрицательную обратную связь (ООС), которая представляет собой подачу выходного напряжения через делитель на инверсный вход. Таким образом в некоторой степени снижается общий коэффициент усиления. Но сигнал приобретает форму переменной или медленно изменяющейся составляющей, равномерно сжатой в пределы диапазона выходного напряжения.
Без ООС сигнал на выходе получится слишком контрастным. При этом появляются серьезные ограничения по амплитуде входного сигнала. Это приводит к возникновению гармонических искажений, неприемлемых для качественного усиления. ООС может быть привязана к частоте усиливаемого сигнала, корректируя таким образом нужную выходную его характеристику. Для лучшего согласования, в некоторых ОУ, есть специальные выводы коррекции для подключения конденсаторов и (или) резисторов.
Построение компаратора напряжения
Используя свойство вычитания напряжения с одновременным усилением разницы, удается построить компаратор напряжения. Это такое устройство, которое сравнивает значения напряжений двух входов, в случае их равенства, выдает отличительное значение напряжения. Исходя из функции работы ОУ, на выходе будет отсутствовать напряжение, если на оба входа подать близкие по значению величины. При этом коэффициент усиления будет влиять на точность определения состояния равенства.
Виды операционных усилителей
Многие сложные микросхемы содержат каскады ОУ интегрированные в их кристаллы. Также есть и отдельные (дискретные) интегральные устройства, выпускаемые производителями микроэлектроники. В корпусе одной такой микросхемы находится один, два или четыре, иногда даже шесть идентичных элементов.
ОУ классифицируются универсальностью применения и количеством полюсов питания (однополярные или двухполярные). Также существуют усилители класса rail-to-rail, отличающиеся большим диапазоном выходного напряжения. Операционные усилители могут работать как для усиления постоянных напряжений, так и для переменных. Они отличаются такими характеристиками как:
- линейность усилителя в зависимости от частоты;
- предельная частота усиливаемого сигнала;
- чувствительность входа и входного сопротивления;
- мощность выходного каскада и выходного сопротивления;
- параметры электропитания.
Зависимость параметров ОУ от топологии микросхем
Существует две основных структуры интегральных компонентов:
- построенные на биполярных транзисторах npn- или pnp-типа — обладают высокой помехоустойчивостью и скоростью нарастания выходного напряжения, но больше потребляют и имеют сравнительно низкое входное сопротивление.
- выполненные на n- или p-канальных MOSFET-транзисторах либо на n- или p-канальных JFET-транзисторах, отличаются высоким входным сопротивлением и энергоэффективностью, которая с возрастанием частоты обрабатываемого сигнала становится менее экономичной.
Применение ОУ в электронике
Каскады, построенные на ОУ стали незаменимым компонентом в различных электронных устройствах:
- Аналоговые компьютеры (процессоры). ОУ были созданы исключительно для первых компьютеров, которые работали в аналоговом режиме. Современные микропроцессоры с искусственным интеллектом возвращаются к обработке сигналов в аналоговом режиме, только в более продвинутых формах. Они содержат огромное число ОУ, интегрированных в кристалл чипа.
- В аудио оборудовании, включая усилители, микшеры, эквалайзеры и активные фильтры. Их высоко идентичные параметры интегральных ОУ способны наилучшим способом реализовать комплементарные свойства в мультистереосистемах.
- Модули управления с обработкой аналоговых сигналов датчиками — создание обратной связи и взаимодействие с преобразователями физических величин в электрический сигнал. ОУ еще используется для амплификации и фильтрования сигналов датчиков.
- Блоки питания (БП) и преобразователи напряжения. ОУ используются в схемах управления питанием и конверсией. Эти компоненты широко применяются в регуляторах напряжения, каскадах переключения питания и в зарядных устройствах аккумуляторов.
- В радиосвязи. Высокочастотные ОУ современных трансиверов могут выполнять селекцию, фильтрацию и детектирование. Причем эффективно работают в амплитудной, частотной и комбинированной модуляции с программным управлением.
На операционных усилителях может быть построен компаратор, который выполняет функцию АЦП. Поэтому многие микроконтроллеры имеют такие встроенные компоненты. Их устанавливают на каждый канал конвертации сигнала из аналогового в цифровой.
