Операционный усилитель

Операционный  усилитель

       Операционный усилитель – электронная схема усилителя на полупроводниках, в интегральном исполнении имеющего два балансных входа – прямой и инверсный, обладающий высоким коэффициентом усиления. Интегральное исполнение подразумевает законченную конструкцию усилителя, размещённую в одном корпусе интегральной микросхемы (ИМС). Применение операционных усилителей (ОУ) самое разнообразное – в усилителях различных сигналов, в генераторах сигналов, в частотных фильтрах звукового диапазона, в схемах контроля физических величин (температуры, освещённости, влажности, ветра), и т.д.

      Работу операционного усилителя можно сравнить с аптекарскими, или технохимическими весами. Весы отклоняются в сторону той чаши, масса груза на которой больше.

      Точно так  же работает операционный усилитель,  только "образно" правую чашу  весов необходимо обозначить  знаком "+", а левую обозначить  знаком "-", а измеряемую величину  обозначить не граммами, а вольтами.

      Как вы  догадались, операционный усилитель  сравнивает напряжения на его  входах "+" - прямом и "-" - инверсном. Если напряжение прямого  входа больше, чем инверсного, тогда  на его выходе появляется положительное  напряжение, в противном случае, когда напряжение инверсного  входа больше, чем прямого, –  на выходе операционного усилителя  будет отрицательное напряжение. Операционный усилитель на принципиальных  схемах изображается так же, как  на структурных схемах обозначается  обыкновенный усилитель– большим  треугольником. В последнее время  всё чаще треугольник заменяют  на обычный прямоугольник. Предполагаю,  это связано с удобством рисования  схем, ведь правильный равнобедренный  треугольник рисовать сложнее,  чем прямоугольник. Для обозначения  типа элемента, в прямоугольнике  рисуется знак усилителя –  маленький треугольник. 

Прямой вход операционного  усилителя обозначается знаком "+", а инверсный вход отмечается знаком "-". Следует знать, что в различной  литературе встречается и другое обозначение: инверсный вход обозначается кружком. Это типовое обозначение  знака инверсии, которое встречается  и в цифровой электронике –  логических элементах. Прямой вход не имеет в обозначении кружочка.

      Аптекарские  весы не способны показать  насколько вес груза одной  чаши отличается от веса груза  другой чаши. Для приблизительного  наблюдения за разницей грузов  иногда в технохимических весах  используют совмещённые со стрелкой  специальные отвесы, которые при  этом снижают "чувствительность" весов к малым грузам. Точно  так же в операционный усилитель  вводится отрицательная обратная  связь, снижающая его чувствительность  к входному сигналу – резистор  обратной связи, соединяющий выход  с инверсным входом операционного  усилителя, как показано на  рисунке выше.

Пример использования  и работа операционного усилителя

       Рассмотрим работу операционного усилителя на примере схемы, контролирующей температуру воздуха, или какого либо иного предмета, на который закрепляют терморезистор – чувствительный к температуре радиоэлемент, который уменьшает своё сопротивление при повышении температуры. Схема на операционном усилителе, измеряющая температуру и сигнализирующая о превышении заданного порога температуры изображена на рисунке.

      Входы операционного усилителя подключены к двум резистивным делителям напряжения питания, только один из них выполнен на линейных элементах – резисторах, а второй имеет в своём составе нелинейный элемент, изменяющий своё сопротивление в зависимости от температуры. Что такое делитель напряжения, Вы можете узнать в статье Делитель напряжения. По своей конструкции эти четыре резистора выполняют функцию измерительного моста.

      Когда температура  "нормальная", на средней точке  "А" делителя R1 и R2 (инверсный  вход ОУ) напряжение больше, чем  на средней точке "В" делителя R3 и R4 (прямой вход ОУ), поэтому,  на выходе операционного усилителя  сигнал низкого уровня – напряжение  минимально, транзистор закрыт, а  лампочка VL1 не светится.

      При повышении  температуры сопротивление резистора  R2 уменьшается, поэтому уменьшается  и напряжение на средней точке  "А" делителя R1 и R2. Когда  с повышением температуры сопротивление  терморезистора упадёт до такого  значения, при котором напряжение  на средней точке "А" делителя R1 и R2 (инверсный вход ОУ) становится  ниже, чем на средней точке  "В" делителя R3 и R4 (прямой  вход ОУ), на выходе операционного  усилителя появится сигнал высокого  уровня – напряжение станет  максимально, транзистор откроется  и лампочка загорится. 

      Изображённая  на рисунке схема контроля  температуры является реально  действующей схемой, и правильно  собранная – работает сразу.  Порог температуры срабатывания  устанавливается с помощью резистора  R4. Питать её можно как от  батарей элементов питания, так  и от выпрямителей питания.  Диапазон питающих напряжений  может быть от 6, до 30 вольт. 

      Если терморезистор  R2 закрепить на какой либо поверхности,  например радиаторе охлаждения  мощного транзистора, вместо лампочки  применить обыкновенный компьютерный  вентилятор (куллер) на напряжение 12 вольт, то схему можно использовать  как устройство автоматического  охлаждения чего либо, например  мощного транзистора. Вентилятор  будет запускаться при достижении  определённой температуры, и останавливаться  после охлаждения "объекта контроля".

      Для снижения  чувствительности операционного  усилителя подобно специальным  отвесам в аптекарских весах,  применяется отрицательная обратная  связь (ООС), которая выполняется  на резисторе (на схеме это  - R5). Резистор соединяет выход  усилителя с инверсным входом. При увеличении напряжения на  выходе усилителя, выходное напряжение  передается через резистор на  отрицательный вход усилителя,  заставляя его понизить выходное  напряжение. Чем меньше сопротивление  резистора отрицательной обратной  связи, тем выше обратная связь,  а значит хуже коэффициент  усиления операционного усилителя.  Значение резистора обратной  связи R5 для типа микросхемы  предложенной на схеме может  быть в пределах от 10 килоом, до 1,5 мегаома. Отрицательная обратная  связь делает график зависимости  выходного напряжения от входного  напряжения более пологим. Эта  зависимость показана на левом  рисунке-графике.

     Если операционный усилитель используется для управления реле системы автоматики, или другой аппаратуры "не терпящей" частых перепадов напряжения, то для исключения частого переключения, или "дребезга" контактов, может использоваться не отрицательная, а положительная обратная связь (ПОС). В этом случае резистор обратной связи соединяет выход усилителя не с инверсным входом, а с прямым. Тогда, при увеличении напряжения на выходе усилителя, выходное напряжение передается через резистор на положительный вход усилителя, заставляя его ещё быстрее повысить выходное напряжение. При таком подключении, срабатывание, как на "включение", так и на "выключение" операционного усилителя происходит при большей разнице напряжений на входных делителях напряжения – разбалансировании измерительного моста, чем при отрицательной обратной связи. Характер переключения усилителя становится более "резким" - имеет более крутой фронт при "включении" и крутой спад при "выключении". Чем меньше сопротивление резистора положительной обратной связи, тем выше обратная связь, а значит больше коэффициент усиления операционного усилителя. Но учтите, чрезмерная положительная обратная связь вызывает искажения выходного сигнала и самовозбуждение операционного усилителя.

      При положительной  обратной связи (ПОС) появляется  побочный эффект – "петля  гистерезиса", при котором, включение  усилителя происходит при большей  разнице входных напряжений, а  выключение – при значительно  меньшей, по сравнению с усилителем  с отрицательной обратной связью. Чем сильнее ПОС, тем петля  гистерезиса "прямоугольнее" (правый  на рисунке график). Наличие сильной  положительной обратной связи  превращает схему в триггер  Шмитта. Поэтому такой вид обратной  связи допускает значительный  разброс температуры в системе  автоматического регулирования  температуры и не пригоден  например, для инкубатора, у которого  большой разброс температур не допустим.

      Операционные  усилители могут работать от  источника однополярного питания,  как было изображено ранее,  но вообще они предназначены  для двухполярного питания. Двухполярное  питание обязательно в тех  схемах, в которых операционный  усилитель измеряет как положительные,  так и отрицательные напряжения, или измеряемые напряжения сопоставимы  с "нулём", например в схемах  усилителей гармонического сигнала.  В случае двухполярного питания,  выходное напряжение операционного  усилителя в зависимости от  входного сигнала может изменяться  в пределах от "-" питания,  до "+" питания. 

      В отдельных  типах операционных усилителей  при двухполярном питании имеется  возможность регулировки "баланса  нуля" - состояния, когда при  отсутствии входного сигнала  на обоих входах, на его выходе  не положительное и не отрицательное  напряжение, а равно нулю. Для  этого имеются специальные выводы  микросхем ОУ, куда подключается  подстроечный резистор регулирующий  баланс нуля.

      Ко всем  операционным усилителям, работающим  в режиме усиления гармонических  сигналов для устранения нелинейных  искажений, могут подключаться  дополнительные элементы – фильтры,  состоящие, как правило, из  конденсаторов и резисторов. Для  каждого типа операционного усилителя  схема фильтра своя. Как правило,  она приводится в справочниках.