Разбиране на операционните усилватели: принципи, уравнения и приложения

Операционните усилватели или операционните усилватели са ключови градивни елементи в аналоговата електроника.Те усилват, сравняват или обработват електрически сигнали с висока точност.Тази статия обяснява основните типове, основните параметри и важни формули, които описват как работят операционните усилватели.От инвертиращи и неинвертиращи схеми до интегратори и диференциатори, той обхваща как тези усилватели оформят важни сигнали.

Каталог

Фигура 1. Операционни усилватели

Какво представляват операционните усилватели?

Операционният усилвател (Op-Amp) е интегрална схема, използвана за усилване или модифициране на електрически сигнали в аналогови системи.Той има два входни щифта, един инвертиращ (–) и един неинвертиращ (+) и един изход, който доставя усилена версия на разликата в напрежението между тях.Вътре в чипа транзисторите и резисторите работят заедно, за да създадат много високо усилване и чувствителност, което позволява дори малки входни промени да произведат забележими изходни вариации.В схемите в реалния свят се добавя обратна връзка, за да се контролира усилването и да се направи усилвателят стабилен и точен.Докато се предполага, че идеалните операционни усилватели имат безкрайно усилване и нямат вътрешни загуби, практическите операционни усилватели са проектирани да работят ефективно в границите.Поради тяхната прецизност и гъвкавост операционните усилватели се използват широко в аудио усилватели, филтри, компаратори, сензори и схеми за кондициониране на сигнала за задачи като усилване на напрежението, филтриране на шума и оформяне на формата на вълната в ежедневни електронни устройства и системи за управление.

Форми на операционен усилвател

Операционният усилвател (op-amp) може да се разглежда по два начина: идеален и важен.

Характеристика	Идеален Операционен усилвател	Практичен Операционен усилвател
Усилване при отворен цикъл	Безкраен	Много високо (10⁵–10⁶)
Входен импеданс	Безкраен	Високо (MΩ–GΩ)
Изходен импеданс	Нула	Ниска (десетки Ω)
Честотна лента	Безкраен	Ограничен
Скорост на завъртане	Безкраен	Краен
Офсетово напрежение	Нула	Малък (µV–mV)

Основни характеристики и терминология на Op-Amp

Фигура 2. Основни характеристики и терминология ОУ

Операционните усилватели (op-amps) се описват с няколко характеристики, които определят как работят в електронните схеми.Разбирането на тези термини помага при избора на правилния операционен усилвател за конкретно приложение.

Входно изместено напрежение: Малко нежелано напрежение, което се появява на входните клеми, дори когато двата входа трябва да са с еднакъв потенциал.Това причинява лека изходна грешка и показва колко „балансиран“ е вътрешно усилвателят.

Входен ток на отклонение: Малкото количество ток, което протича във входните клеми за работа на вътрешните транзистори.По-нисък ток на отклонение означава по-висока входна точност.

Входен импеданс: Съпротивлението, наблюдавано от входния сигнал.Високият входен импеданс гарантира, че операционният усилвател не натоварва или смущава източника на сигнал.

Изходен импеданс: Съпротивлението на изходния терминал.Ниският изходен импеданс позволява на операционния усилвател да управлява ефективно други вериги или товари.

Усилване при отворен цикъл (AOL): Усилването на напрежението на операционния усилвател без обратна връзка.Обикновено е много голям и определя колко чувствителен е усилвателят към входните разлики.

Честотна лента: Диапазонът от честоти, над който операционният усилвател може да усилва ефективно сигналите.По-широката честотна лента позволява по-бърз и точен отговор на сигнала.

Скорост на завъртане: Максималната скорост, с която изходното напрежение може да се промени.Това влияе върху това колко добре операционният усилвател може да се справи с бързо променящите се сигнали.

Коефициент на отхвърляне на общ режим (CMRR): Способността на операционния усилвател да игнорира общи сигнали, появяващи се на двата входа, като се гарантира, че се усилва само разликата в напрежението.

Коефициент на отхвърляне на захранването (PSRR) : Показва колко добре операционният усилвател може да поддържа стабилен изход дори когато захранващото напрежение се промени.

Общи уравнения и формула за операционни усилватели

Операционният усилвател (op-amp) работи на принципа на усилване на разликата в напрежението между двата му входа инвертиращи (–) и неинвертиращи (+) клеми.Уравнението по-долу показва, че изходът зависи от усилената разлика между всяко входно напрежение.

Фигура 3. Инвертиращ усилвател

Инвертиращ усилвател

Ан инвертиращ усилвател е проста схема на операционен усилвател, която произвежда изходен сигнал, който е обърнат (противоположни по фаза) в сравнение с входа.Входното напрежение се прилага към инвертиращ вход (–) през входен резистор $R_{in}$, докато a резистор за обратна връзка ${Р}_f$свързва изхода обратно към същия вход.The неинвертиращ вход (+) е свързан към земята, създавайки виртуална земя на инвертиращия терминал.Поради отрицателна обратна връзка, токът през $R_{in}$протича през ${Р}_f$, а връзката между входа и изхода се дава от формулата $V_{out} = -\frac{R_f}{R_{in}} \times V_{in}$.Отрицателният знак показва, че изходът е извън фазата на 180° спрямо входа.Тази схема осигурява контролирано и стабилно усилване на напрежението, зададено от съотношението на резистора, и се използва широко в приложения за аудио, кондициониране на сигнала и управление, където е необходимо точно и обърнато усилване.

Фигура 4. Неинвертиращ усилвател

Неинвертиращ усилвател

А неинвертиращ усилвател е операционен усилвател (op-amp) схема, която усилва входния сигнал, без да променя фазата му, изходът се повишава и спада точно като входа.The входно напрежение се прилага към неинвертиращ терминал (+), докато част от изхода се изпраща обратно към обръщащ терминал (–) чрез двойка резистори, които образуват a мрежа за обратна връзка.Един резистор $R_f$свързва изхода към инвертиращия вход и друг резистор $R_1$ свързва инвертиращия вход към земята.Тази обратна връзка стабилизира веригата и настройва усилване на напрежението, което се дава по формулата:

$$V_{out} = \left(1 + \frac{R_f}{R_1}\right) V_{in}$$

Тъй като усилването винаги е по-голямо от единица, тази конфигурация усилва входния сигнал, като същевременно го поддържа във фаза.The неинвертиращ усилвател има a много висок входен импеданс и а нисък изходен импеданс, което го прави идеален за използване като буфер, преобразувател на сигнала, или последовател на напрежение в аналогови схеми.

Фигура 4. Повторител на напрежението

Последовател на напрежението

А последовател на напрежение, известен също като a буферен усилвател или усилвател с единно усилване, е просто конфигурация на операционен усилвател който осигурява същото изходно напрежение като входното, но с подобрена способност за управление на тока.В тази настройка, изход е пряко свързан с инвертиращ вход (–), докато на входен сигнал се прилага към неинвертиращ вход (+).Това създава 100% отрицателна обратна връзка, принуждавайки изходното напрежение да следва точно входното.Формулата за тази схема е проста:

$$V_{out} = V_{in$$

Въпреки че усилването на напрежението е едно, повторителят на напрежението има важни предимства.Предлага много висок входен импеданс, което предотвратява натоварването или отслабването на входния сигнал и много нисък изходен импеданс, което му позволява лесно да управлява тежки товари или други етапи на веригата.

Фигура 5. Диференциален усилвател

Диференциален усилвател

А диференциален усилвател е схема на операционен усилвател което усилва разлика между две входни напрежения като същевременно отхвърля всяко напрежение, общо за двете.Това го прави идеален за намаляване на шума и смущенията сензорни вериги, аудио системи, и измервателни уреди.Връзката между входовете и изхода се дава от основната формула:

$$V_{out} = \left(\frac{R_2}{R_1}\right)(V_2 - V_1)$$

Това уравнение показва, че изходно напрежение зависи от разлика между двата входни сигнала умножено по съотношение на резистора $\frac{R_2}{R_1}$.Тъй като отхвърля общия шум и усилва само разликата, диференциален усилвател се използва широко за чисто, точно и стабилно усилване на сигнала в аналогови и инструментални приложения.

Фигура 6. Сумиращ и интегриращ усилвател

Сумиращ и интегриращ усилвател

А сумиращ и интегриращ усилвател са две общи оп-усилвателни вериги използвани за математически операции с аналогови сигнали.А сумиращ усилвател комбинира няколко входни напрежения в един изход, докато an интегриращ усилвател произвежда изход, който зависи от времевия интеграл на входа.Ключовата формула за an интегриращ усилвател е:

$$V_{out} = -\frac{1}{R_1C} \int V_{in} \, dt$$

Това уравнение показва, че изходното напрежение е пропорционално на интеграла на входния сигнал, което означава, че непрекъснато добавя входа във времето.Интегриращите усилватели се използват широко в аналогов компютри, сигнални филтри, генератори на вълнови форми, и системи за управление за обработка и оформяне на сигнали.

Схеми на интегратор и диференциатор на Op-Amp

Интеграторът и диференциаторът на операционен усилвател са две важни аналогови схеми, които извършват основни математически операции върху интегрирането и диференцирането на електрически сигнали с помощта на операционен усилвател.

Фигура 7. Интегратор

А Интеграторна верига произвежда изходно напрежение, което е пропорционално на интеграла на входното напрежение във времето.В тази схема входният сигнал преминава през резистор R1в инвертиращия вход (–) и кондензатор (C) се използва в пътя на обратната връзка вместо резистор.Неинвертиращият вход (+) е заземен.

Това означава, че изходното напрежение се променя на базата на натрупания входен сигнал, а постоянният вход произвежда постоянно променящ се (наклонен) изход.Интеграторните схеми обикновено се използват в аналогови филтри, генератори на вълни и приложения за обработка на сигнали.

Фигура 8. Диференциатор

А Верига на диференциатора, от друга страна, прави обратното, произвежда изход, който е пропорционален на скоростта на промяна на входния сигнал.Тук кондензаторът се поставя на входа и резисторът се използва в пътя на обратната връзка.

Това означава, че когато входът се променя бързо, изходът реагира силно, което го прави чувствителен към бързи промени в сигнала.Диференциращите вериги се използват в системи за откриване на ръбове, оформяне на вълни и системи за управление.

Приложения на операционни усилватели

Операционните усилватели се използват в почти всяка област на електрониката поради тяхната гъвкавост и прецизност.Те играят голяма роля както в аналоговите, така и в системите със смесен сигнал.Често срещаните приложения включват:

• Аудио усилватели – Използва се за усилване на слаби сигнали от микрофони или инструменти за чист звук.

• Сензорни вериги – Усилване на малки сигнали за напрежение от сензори в системи за температура, налягане и детекция на движение.

• Комуникационни системи – Обработвайте и филтрирайте сигнали в предаватели, приемници и модеми за по-добро качество на сигнала.

• Индустриални контролери – Използва се в вериги за обратна връзка и управление за автоматизация, моторни задвижвания и регулиране на процеси.

• Усилване на сигнала – Увеличете нивата на напрежение или ток за приложения за измерване, измерване и управление.

• Активни филтри – Премахнете шума или нежеланите честоти в аудио, радио и вериги за данни.

• Математически операции – Извършва събиране, изваждане, интегриране и диференциране в аналогови изчислителни и управляващи вериги.

• Обработка на аналогови и смесени сигнали – Комбинирайте аналогови и цифрови сигнали за задачи като преобразуване на данни, филтриране и кондициониране.

Предимства и ограничения на операционните усилватели

Предимства

• Високо усилване – Дори малка разлика във входното напрежение произвежда голям изход, което ги прави много чувствителни и ефективни за усилване.

• Висок входен импеданс – Те черпят много малко входен ток, предотвратявайки загубата на сигнал и намалявайки натоварването на източника.

• Нисък изходен импеданс – Може да управлява други етапи на веригата или товари ефективно без значителен спад на напрежението.

• Лесна употреба – Опростено проектиране на схема с използване на резистори и кондензатори;налични като компактни интегрални схеми.

• Широка честотна лента – Може да работи с широк диапазон от честоти в зависимост от вида на използвания операционен усилвател.

• Стабилна производителност – Надеждно и последователно поведение, когато се използва отрицателна обратна връзка.

• Рентабилен – Лесно достъпен и евтин както за академични, така и за индустриални приложения.

Ограничения

• Крайна печалба – Истинските операционни усилватели нямат безкрайно усилване;тяхната производителност намалява при по-високи честоти.

• Ограничена честотна лента – Печалбата намалява с увеличаване на честотата поради компромиса печалба-широчина на честотната лента.

• Входно изместено напрежение – Малки разлики в напрежението могат да се появят на изхода, дори когато входовете са еднакви.

• Ограничение на скоростта на обръщане – Изходът не може да се промени моментално;бързите вариации на сигнала могат да причинят изкривяване.

• Краен входен ток на отклонение – Винаги е необходим малък входен ток за работа на вътрешния транзистор, което може да повлияе на прецизността.

• Температурна чувствителност – Параметри като офсетно напрежение и ток на отклонение могат да се променят с температурата.

• Зависимост от захранването – Промените в захранващото напрежение могат да повлияят на изходната производителност (измерена чрез PSRR).

• Шум и изкривяване – Някои операционни усилватели въвеждат малко количество електрически шум или изкривяване, особено при сигнали с ниско ниво.

OP-AMP Gain Bandwidth и Frequency Response

Така че, ако операционен усилвател е настроен за високо усилване, той може да обработва само по-ниски честоти;ако усилването е по-ниско, може да работи на по-високи честоти.Например, операционен усилвател с 1 MHz GBW може да даде печалба от 10 до 100 kHz.

С прости думи, печалба-честотна лента и честотна характеристика кажете ни как усилването на операционния усилвател се променя със скоростта на сигнала.Те помагат при проектирането на стабилни, ясни и точни вериги за аудио, филтриране, и обработка на сигнала приложения.

Операционни усилватели срещу диференциални усилватели

Характеристика	Оперативен Усилвател	Диференциал Усилвател
Определение	Интегрална схема, която усилва разликата в напрежението между два входа с много високо усилване и може да изпълнява много аналогови функции.	Основна схема, която усилва разликата в напрежението между два входа при отхвърляне на общ режим сигнали.
Структура	Състои се от множество диференциали усилвателни стъпала, активни товари и вътрешни компенсационни мрежи.	Използване на едностъпален усилвател резистори и транзистори.
печалба	Много висока (обикновено 10⁵ до 10⁶).	Умерено (зависи от резистора съотношения).
Входен импеданс	Много високо (обхват от MΩ до GΩ).	Относително ниска до умерена.
Изходен импеданс	Много ниско.	Умерен.
Функционалност	Може да изпълнява множество аналогови операции (усилване, филтриране, сумиране, интегриране, диференциране).	Ограничено до диференциално напрежение усилване.
Използване на обратна връзка	Използва отрицателна обратна връзка за стабилност и контрол.	Обикновено работи без обратна връзка.
Коефициент на отхвърляне на общ режим (CMRR)	Много висока, поради вътрешния дизайн и прецизни компоненти.	По-ниска, в зависимост от резистора съвпадение.
Приложения	Използва се в аудио усилватели, филтри, системи за управление, апаратура и кондициониране на сигнала.	Използва се в сензорни вериги, вход етапи на операционни усилватели и измервателни системи.

Заключение

Операционните усилватели са важни за усилване, филтриране и управление на сигнала в безброй електронни системи.Разбирането на техните типове, формули и поведение помага при проектирането на точни и стабилни вериги.Независимо дали се използват като буфери, интегратори или диференциални усилватели, операционните усилватели комбинират гъвкавост и производителност, което ги прави основни за съвременната аналогова и смесена електроника.