Операционный усилитель - универсальный инструмент для решения задач

Операционные усилители - незаменимые помощники для инженеров и ученых. Эти микросхемы позволяют решать сложные задачи обработки сигналов простыми средствами. Читайте нашу статью, чтобы разобраться в принципах работы операционных усилителей и научиться использовать их в своих проектах.

История создания операционных усилителей

Первые операционные усилители появились в 1940-х годах и были выполнены на электронных лампах. Это были громоздкие и дорогие устройства, которые использовались в основном в военной технике.

Настоящий прорыв произошел в 1963 году, когда инженер Роберт Видлар из компании Fairchild Semiconductor разработал первый интегральный операционный усилитель. Этот чип под названием μA702 содержал 9 транзисторов и стоил 300 долларов, что по тем временам было очень дорого.

В 1968 году та же компания Fairchild выпустила массовый операционный усилитель μA741. Этот чип стал классикой и выпускается различными фирмами до сих пор. С появлением доступных интегральных ОУ началась эра современной аналоговой схемотехники.

Устройство и схема операционного усилителя

Внутри операционный усилитель представляет собой дифференциальный каскад на транзисторах или операционных усилителях (операционный усилитель может содержать несколько внутренних усилительных каскадов). На рисунке показана типичная структурная схема ОУ:

Операционный усилитель имеет дифференциальные входы, обозначаемые "+" и "-". Выход обозначается буквой "U". Выводы питания, как правило, опускают на схемах.

Для работы ОУ нужен источник двухполярного питания с напряжениями ±15В, ±12В или ±5В. Некоторые модели ОУ могут работать и от однополярного источника.

Операционные усилители выпускаются в различных корпусах. Ранние ОУ 1940-70х годов размещались в металлостеклянных октальных или круглых корпусах. Современные ОУ чаще всего выполняются в пластмассовом DIP-корпусе с двухрядным расположением выводов.

Принцип работы операционного усилителя

Рассмотрим работу ОУ как отдельного дифференциального усилителя, то есть без включения внешних компонентов.

В этом режиме ОУ ведет себя как обычный усилитель с дифференциальным входом. Его коэффициент усиления очень велик - до 100000 раз. Но такой режим используется редко из-за существенных недостатков:

• Высокий коэффициент усиления приводит к сильному усилению шумов
• Мала линейность усиления
• Возможно самовозбуждение усилителя

Для нормальной работы ОУ используют включение с отрицательной обратной связью (ООС). Это позволяет устранить перечисленные недостатки и получить стабильные и предсказуемые характеристики усилителя.

Для анализа ОУ удобно использовать понятие идеального операционного усилителя. Это абстракция, не реализуемая на практике, но позволяющая упростить расчеты. Идеальный ОУ имеет бесконечно большой коэффициент усиления, бесконечно большое входное сопротивление, нулевое выходное сопротивление и ряд других идеальных параметров.

Благодаря бесконечному коэффициенту усиления идеальный ОУ обеспечивает равенство напряжений на входах. Это важнейшее свойство ОУ называется "виртуальным заземлением" и позволяет упростить анализ схем с ООС.

На основе "виртуального заземления" можно легко рассчитать коэффициенты усиления для ОУ в инвертирующем и неинвертирующем включениях. Видно, что коэффициент усиления определяется только параметрами обратной связи и практически не зависит от свойств самого ОУ. Это важное преимущество схем на операционных усилителях.

Основные параметры и характеристики ОУ

Реальные операционные усилители отличаются от идеальной модели. Для оценки качества ОУ используют следующие параметры:

• Коэффициент усиления - от 10⁴ до 10⁵ раз
• Входное сопротивление - от 10⁵ до 10¹² Ом
• Выходное сопротивление - единицы-десятки Ом
• Частотные характеристики - полоса пропускания до единиц МГц
• Искажения и шумы - на уровне 0.1-1%
• Дрейф параметров - стабильность во времени и по температуре
• Быстродействие - время нарастания выходного сигнала
• Напряжение смещения - отклонение выхода ОУ без сигнала на входе
• Входные токи - токи утечки на входах ОУ

Для разных применений требуются ОУ с оптимизацией различных параметров. Отсюда возникает классификация ОУ по типам.

Классификация операционных усилителей

Операционные усилители классифицируют по следующим признакам:

1. По коэффициенту усиления: малошумящие, высоковольтные, широкополосные
2. По точности: прецизионные, быстродействующие, универсальные
3. По входным сигналам: усилители постоянного тока, усилители переменного тока, видеоусилители, радиочастотные усилители
4. По выходным сигналам: однополярные, двухполярные, многоканальные

Также выпускают универсальные ОУ, оптимизированные сразу по нескольким параметрам, например, прецизионные быстродействующие ОУ.

Правильный выбор типа ОУ позволяет оптимально решить поставленную задачу.

Применение операционных усилителей

Благодаря универсальности операционные усилители нашли применение во множестве электронных устройств:

• Усилители сигналов
• Фильтры
• Генераторы
• Компараторы
• Преобразователи импеданса
• Вычислительные и измерительные устройства
• Стабилизаторы напряжения и тока
• Логические элементы

Операционный усилитель часто является ключевым компонентом в аналоговых схемах. Добавление всего нескольких внешних элементов превращает ОУ в полезную функциональную схему.

Особенно широко ОУ применяются в измерительных приборах, системах автоматического регулирования, радиоаппаратуре. Операционные усилители позволяют решать сложные инженерные задачи простыми средствами.

В этом заключается универсальность операционных усилителей как инструмента для решения разнообразных задач обработки сигналов.

Проектирование устройств на операционных усилителях

Чтобы спроектировать работающее устройство на основе операционных усилителей, инженеру нужно:

• Определить требования к устройству и выбрать подходящий тип ОУ
• Рассчитать схему с использованием упрощенной модели идеального ОУ
• Учесть реальные неидеальные параметры выбранного ОУ
• При необходимости добавить корректирующие цепи (частотные коррекции)
• Проверить работу схемы моделированием и опытным макетом

При выборе ОУ важно ориентироваться на ключевой для устройства параметр: усиление, точность, быстродействие, рабочий диапазон частот. Универсальный ОУ подойдет далеко не для всех задач.

Отечественные и зарубежные операционные усилители

В СССР и России выпускалось большое количество различных операционных усилителей. Наиболее известные серии:

• Ламповые ОУ серии К140 (1950-60е годы)
• Микросхемы КР140УД, КР154УД, КР157УД (1960-80е)
• Современные ОУ серий КР, МАК, ЛМ (НИИМЭ, Миландр, Ангстрем)

За рубежом получили распространение ОУ серий μA741, TL071, LF351, NE5532, LM324 и многие другие. Выбор ОУ зависит от требований к параметрам и стоимости.

Покупка и применение операционных усилителей

При покупке ОУ следует:

• Изучить технические характеристики в справочниках производителей
• Проверить наличие сертификатов качества
• Отдавать предпочтение проверенным брендам
• Приобретать ОУ в специализированных магазинах

Перед применением ОУ в схемах рекомендуется:

• Проверить параметры ОУ на соответствие маркировке
• Использовать типовые схемы включения из справочников
• Предусмотреть тепловую защиту и фильтрацию помех
• Моделировать работу схемы до монтажа

Операционные усилители в учебных лабораториях

Операционные усилители широко используются в учебном процессе при подготовке инженеров, техников и физиков. Лабораторные работы позволяют:

• Изучить устройство и принцип работы ОУ
• Исследовать основные схемы на ОУ
• Отработать навыки расчета и моделирования
• Реализовать полезные устройства для учебных целей

Знакомство с ОУ дает будущим инженерам мощный инструмент для решения инженерных задач в области электроники.

Математические операции с помощью операционных усилителей

Операционные усилители позволяют выполнять различные математические операции над аналоговыми сигналами:

• Сложение, вычитание, умножение сигналов
• Дифференцирование и интегрирование сигналов
• Логарифмирование и возведение в степень
• Реализация тригонометрических функций

Эти возможности используются в аналоговых вычислительных машинах, системах автоматического управления, измерительной технике.

Универсальность ОУ позволяет с помощью простых схем выполнять сложную математическую обработку сигналов для решения инженерных задач.

Применение операционных усилителей в цифровых устройствах

Несмотря на название, операционные усилители находят применение не только в аналоговой, но и в цифровой схемотехнике. Основные применения ОУ в цифровых устройствах:

• Аналого-цифровые и цифро-аналоговые преобразователи
• Буферы и формирователи цифровых сигналов
• Цифро-аналоговые коммутаторы
• Устройства выборки-хранения

Благодаря высокому входному сопротивлению ОУ не нагружают цифровые схемы, а благодаря низкому выходному сопротивлению могут эффективно передавать сигналы дальше. ОУ также используются для сопряжения аналоговых и цифровых блоков в смешанных цифро-аналоговых системах.

Будущее операционных усилителей

Несмотря на появление мощных цифровых процессоров, роль операционных усилителей в электронике вряд ли уменьшится. Причины:

• Аналоговая обработка сигналов по-прежнему незаменима во многих областях
• Прогресс в производстве позволяет улучшать параметры ОУ
• Разрабатываются новые специализированные типы ОУ
• ОУ остаются незаменимым интерфейсом между аналоговым и цифровым миром

Вероятно, будущее ОУ - это расширение функциональности, улучшение быстродействия и точности, снижение энергопотребления, а также появление новых специализированных типов ОУ.

Заключение. Почему операционные усилители незаменимы?

Подводя итог, можно сказать, что операционные усилители занимают уникальную нишу в электронике благодаря сочетанию следующих качеств:

• Универсальность - одна схема решает множество разных задач
• Простота применения - для создания устройства нужны минимум дополнительных элементов
• Высокая надежность и стабильность параметров
• Низкая стоимость при массовом производстве

Эти преимущества обеспечивают ОУ широчайшее применение в науке, технике, промышленности. Поэтому операционные усилители по праву считаются одним из ключевых изобретений в области аналоговой электроники.

Советы по использованию операционных усилителей

В заключение дадим несколько практических советов по применению ОУ:

• Подбирайте ОУ в соответствии с требованиями к устройству
• Проверяйте характеристики ОУ перед использованием
• Используйте типовые проверенные схемы включения
• Предусматривайте защиту ОУ от перегрузок
• Придерживайтесь рекомендаций производителей по монтажу
• Моделируйте и испытывайте схему перед запуском в серию

Следуя этим советам, вы сможете эффективно и безопасно применять операционные усилители для решения ваших инженерных задач.

Типовые схемы включения операционных усилителей. Рассмотрим некоторые схемы включения операционных усилителей, которые часто используются на практике.

Неинвертирующий усилитель

В этой схеме операционный усилитель работает как неинвертирующий усилитель напряжения. Коэффициент усиления определяется отношением сопротивлений резисторов R2/R1.

Инвертирующий усилитель

Здесь операционный усилитель работает как инвертирующий усилитель с коэффициентом усиления, равным отношению R2/R1. Выходной сигнал инвертируется относительно входного.

Сумматор

Эта схема позволяет складывать несколько входных напряжений. Каждое входное напряжение умножается на коэффициент делителя R1/R2, R3/R2 и т.д., а затем суммируется на инвертирующем входе ОУ.

Интегратор

Интегратор на ОУ выполняет операцию интегрирования входного сигнала. Постоянная времени определяется произведением R*C. Используется в фильтрах, генераторах, измерительных схемах.

Компаратор

Компаратор сравнивает входное напряжение с опорным и выдает логический выходной сигнал. Широко применяется в системах автоматики, цифровой технике, измерительных приборах.

Эти примеры демонстрируют универсальность операционного усилителя, способного решать широкий круг задач при минимуме внешних элементов.