Условные графические обозначения операционных усилителей

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.

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.

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.

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.

Основы функционирования

Питание

В общем случае ОУ использует двуполярное питание, то есть источник питания имеет три вывода со следующими потенциалами:

· U₊, к которому подключается V_S+;

· 0 (нулевой потенциал);

· U_-, к которому подключается V_S-.

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 двуполярного 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 ±1,5 В^{[уточнить]} до ±15 В при двуполярном 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:

здесь

· V_out — напряжение на выходе;

· V₊ — напряжение на неинвертирующем входе;

· V₋ —напряжение на инвертирующем входе;

· G_openloop — коэффициент усиления с разомкнутой петлёй обратной связи.

Все напряжения считаются относительно общей точки схемы. Рассматриваемый способ включения ОУ (без обратной связи) практически не используется^[2] вследствие присущих ему серьёзных недостатков:

· коэффициент усиления с разомкнутой петлёй обратной связи G_openloop нормируется в очень широких пределах и может изменяться в тысячи раз (зависит сильнее всего от частоты сигнала и температуры);

· коэффициент усиления очень велик (типичное значение 10⁶ на постоянном токе) и не поддаётся регулировке;

· точка отсчёта входного и выходного напряжений не поддаются регулировке.

Простейший усилитель на ОУ

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 нем находиться неограниченно долго. Пользуясь этим упрощённым подходом, несложно получить простейшую схему неинвертирующего усилителя.

Неинвертирующий усилитель

Расчёт реального коэффициента усиления для идеального (или реального, но который можно с определёнными допущениями считать идеальным) усилителя очень прост. Заметим, что в том случае, когда усилитель находится в состоянии равновесия, напряжения на его входах можно считать одинаковыми.

Для операционного усилителя, включенного по инвертирующей схеме, расчёт при принятых допущениях тоже не представляет сложности. Для этого следует заметить, что напряжение в средней точке делителя, а именно на инвертирующем входе (−) усилителя равно 0 (так называемая виртуальная земля). Отсюда падения напряжения на резисторах равны, соответственно, входному и выходному напряжениям. Ток через резисторы тоже можно принять одинаковым, поскольку через инвертирующий вход (−) ток практически отсутствует, как было указано выше.

Отсюда:

Следует обратить внимание, что в инвертирующей схеме включения коэффициент усиления может быть как больше, так и меньше единицы и зависит от номиналов резисторов делителя. То есть усилитель может использоваться как активный аттенюатор (ослабитель) входного напряжения. Преимуществом этого решения над пассивным аттенюатором заключается в том, что с точки зрения источника сигнала аттенюатор выглядит как обычный резистор нагрузки, подключенный между сигналом и землёй (в данном случае так называемой «виртуальной»), то есть является обычной активной нагрузкой (разумеется, без учёта паразитных ёмкостей и индуктивностей). Это значительно упрощает расчёт влияния нагрузки на источник сигнала и их взаимное согласование