«Операционный» усилитель

Задолго для появления цифровых электронных технологий были созданы компьютеры с электронным выполнением вычислений, использующие напряжения и токи для представления числовых величин . Это было особенно полезно для моделирования физических процессов. Например, изменяющееся напряжение может представлять скорость или силу в физической системе. Благодаря использованию резистивных делителей напряжения и усилителей напряжения, математические операции деления и умножения на этих сигналах могут быть легко выполнены.

Реактивные свойства конденсаторов и катушек индуктивности хорошо подходят для моделирования переменных, связанных с функциями математического анализа. Помните, как ток через конденсатор был функцией скорости изменения напряжения, и как эта скорость изменения была обозначена в математическом анализе как производная? Ну, если напряжение на конденсаторе представляло скорость объекта, то ток через конденсатор представлял бы силу, необходимую для ускорения или замедления этого объекта, а емкость конденсатора представляла бы массу этого объекта:

Это аналоговое электронное вычисление производной математического анализа известно как дифференцирование, и это естественная функция тока конденсатора по отношению к приложенному напряжению. Обратите внимание, что данная схема для выполнения этой относительно сложной математической функции не требует «программирования», как это делал бы цифровой компьютер.

Электронные схемы очень просты и недороги для создания по сравнению со сложными физическими системами, поэтому подобный аналоговый электронный симулятор широко использовался в исследованиях и разработках механических систем. Однако для реалистичного моделирования в этих ранних компьютерах были нужны схемы усилителей высокой точности и простой настройки.

В ходе аналогового компьютерного проектирования было обнаружено, что дифференциальные усилители с чрезвычайно высоким коэффициентом усиления по напряжению удовлетворяют этим требованиям к точности и настройки лучше, чем несимметричные усилители с заданными коэффициентами усиления. Используя простые компоненты, подключенные к входам и выходу дифференциального усилителя с высоким коэффициентом усиления, из общей схемы могут быть получены практически любой коэффициент усиления и любая функция без регулировки или изменения внутренней схемы самого усилителя. Эти дифференциальные усилители с высоким коэффициентом усиления стали известны как операционные усилители, или ОУ, из-за своего использования в математических операциях аналоговых компьютеров.

Современные операционные усилители, такие как популярная модель 741, представляют собой высокопроизводительные, недорогие интегральные микросхемы. Их входные импедансы довольно высоки, входы потребляют токи в диапазоне половины микроампера (максимум) для 741 и намного меньше для операционных усилителей, использующих на входе полевые транзисторы. Выходной импеданс обычно довольно низок, около 75 Ом для модели 741, и многие модели имеют встроенную защиту от короткого замыкания на выходе, что означает, что их выходы могут быть напрямую закорочены на землю без причинения вреда внутренней схеме. Из-за прямой связи между внутренними транзисторными каскадами операционные усилители могут усиливать сигналы постоянного напряжения так же хорошо, как и переменного (до определенных максимальных пределов времени нарастания напряжения). Если не требуется высокая мощность, создание сравнимой схемы на дискретных транзисторах будет стоить гораздо больше денег и времени, чтобы соответствовать такой же производительности. По этим причинам операционные усилители используются в большинстве приложений везде, кроме устаревших усилителей сигналов на дискретных транзисторах.

На следующем рисунке показана распиновка микросхем одиночных операционных усилителей (включая 741), когда они помещаются в 8-выводный DIP корпус.

Некоторые модели операционных усилителей поставляются двумя в одном корпусе; например, популярные модели TL082 и 1458. Они называются «двойными» и обычно размещаются в 8-выводном DIP корпусе со следующей распиновкой:

Операционные усилители также доступны в корпусах с четырьмя усилителями, как правило, это 14-выводные DIP корпуса. К сожалению, назначение выводов у этих «четверных» операционных усилителей не является стандартным, как у одиночных и «двойных». Поэтому подробности необходимо искать в технических описаниях от производителя.

Коэффициенты усиления по напряжению реальных операционных усилителей составляют 200000 или более, что делает их практически бесполезными в качестве самостоятельных дифференциальных усилителей. Для операционного усилителя с коэффициентом усиления по напряжения (A_V) 200000 и максимальным колебанием выходного напряжения +15В/-15В всё, что требуется, чтобы довести его до насыщения или отсечки, – это дифференциальное напряжения 75 мкВ (микровольт)! Прежде чем мы рассмотрим, как используются внешние компоненты, чтобы снизить коэффициент усиления до приемлемого уровня, давайте рассмотрим применения «голого» операционного усилителя самого по себе.

Одно из приложений называется компаратором. Для всех практических приложений можно сказать, что выход операционного усилителя будет полностью насыщен положительно, если вход (+) более положителен, чем вход (-), и будет полностью насыщен отрицательно, если вход (+) менее положителен, чем вход (-). Другими словами, чрезвычайно высокий коэффициент усиления операционного усилителя делает его полезным как устройство для сравнения двух напряжений и изменения состояний выходного напряжения, когда один входной сигнал превышает другой входной сигнал по мгновенной амплитуде.

В приведенной выше схеме у нас есть операционный усилитель, подключенный как компаратор, сравнивающий входное напряжение с опорным напряжением, установленным потенциометром (R1). Если V_вх падает ниже напряжения, установленного R1, выход операционного усилителя насыщается до +V, из-за чего загорается светодиод. В противном случае, если V_вх выше опорного напряжения, светодиод остается выключенным. Если V_вх – это напряжение сигнала, создаваемое измерительным прибором, данная схема компаратора может функционировать как «низкоуровневая» авария с точкой срабатывания, установленной R1. Вместо светодиода выходной сигнал операционного усилителя может приводить в действие реле, транзистор, SCR тиристор или любое другое устройство, способное переключать питание на нагрузку, например, соленоидный клапан для принятия мер в случае низкоуровневой аварии.

Еще одно приложение для показанной схемы компаратора представляет собой преобразователь прямоугольного сигнала. Предположим, что входное напряжение, подаваемое на инвертирующий (-) вход, представляет собой переменный синусоидальный сигнал, а не неизменное постоянное напряжение. В этом случае выходное напряжение будет переходить между противоположными состояниями насыщения, когда входное напряжение было равно опорному напряжению, выдаваемому потенциометром. Результатом будет прямоугольный сигнал:

Подстройка потенциометра приведет к изменению опорного напряжения, подаваемого на неинвертирующий (+) вход, что может изменить точку, в которой синусоида будет пересекать опорное напряжение, изменяя соотношение включен/выключен, или коэффициент заполнения, или скважность прямоугольного сигнала:

Должно быть, очевидно, что входное переменное напряжение не обязательно должно быть синусоидой, в частности, для этой схемы для выполнения той же функции. Входное напряжение может быть треугольной формы, пилообразной формы или любой другой формы, которая плавно переходит от положительной полярности к отрицательной и обратно к положительной. Такая схема компаратора очень полезна для создания прямоугольных сигналов для изменяющегося коэффициента заполнения. Этот метод иногда упоминается как широтно-импульсная модуляция, или ШИМ (RWM), (изменение или модулирование сигнала в соответствии с управляющим сигналом, в данном случае с сигналом, создаваемым потенциометром).

Другим применением компаратора является драйвер столбчатого (полоскового) индикатора. Если бы у нас было несколько операционных усилителей, подключенных в качестве компараторов, каждый со своим опорным напряжением, подключенным к инвертирующему входу, но каждый из этих компараторов контролировал бы один и тот же сигнал напряжения на своем неинвертирующем входе, мы могли бы построить индикатор в виде столбчатого индикатора (барграфа), который мы можем часто увидеть на лицевой панели радиоприемников и графических эквалайзеров. По мере увеличения напряжения сигнала (представляющего уровень радиосигнала или аудиосигнала) каждый компаратор будет «включаться» последовательно и подавать питание на соответствующий светодиод. При каждом переключении компаратора на «включен» на разных уровнях аудиосигнала, количество подсвеченных светодиодов будет указывать, насколько большим был уровень сигнала.

В схеме, показанной выше, светодиод LED1 будет загораться первым, когда входное напряжение будет увеличиваться в положительном направлении. По мере того, как входное напряжение продолжает увеличиваться, другие светодиоды будут загораться последовательно, пока не зажгутся все.

Эта же технология используется в некоторых аналого-цифровых преобразователях, а именно в АЦП прямого преобразования, чтобы преобразовать уровень аналогового сигнала в последовательность напряжений «вкл/выкл», представляющую цифровое число.

Резюме

• Фигура треугольника является обобщенным обозначением схемы усилителя, широкий конец обозначает входную сторону, а противоположная вершина обозначает выход.
• Если не указано иное, все напряжения на схеме усилителя имеют общую точку земли, обычно подключенную к одному из выводов источника питания. Таким образом, мы можем говорить о том, что определенная величина напряжения подана на один провод, при этом понимая, что напряжение всегда измеряется между двумя точками.
• Дифференциальный усилитель усиливает разность напряжений между двумя сигнальными входами. В такой схеме один вход склонен управлять выходным напряжением в той же полярности, что и входной сигнал, в то время как другой вход действует противоположным способом. Следовательно, первый вход называется неинвертирующим (+) входом, а второй – инвертирующим (-) входом.
• Операционным усилителем (или ОУ) является дифференциальный усилитель с чрезвычайно высоким коэффициентом усиления (A_V = 200000 и более). Его название происходит от первоначального использования в аналоговых компьютерных схемах (выполнение математических операций).
• Операционные усилители обычно имеют высокие входные импедансы и довольно низкий выходной импеданс.
• Иногда операционные усилители используются в качестве компараторов сигналов, работающих в режиме полных отсечки и насыщения, в зависимости от того, какой вход (инвертирующий или неинвертирующий) имеет наибольшее напряжение. Компараторы полезны для обнаружения условий сигналов «больше чем» (сигналы сравниваются друг с другом).
• Одно из применений компараторов называется широтно-импульсным модулятором, который выполняет сравнение синусоидального сигнала переменного напряжения с опорным постоянным напряжением. Поскольку постоянное опорное напряжение подстраивается, выходной сигнал компаратора меняет свой коэффициент заполнения (или другой параметр, характеризующий время положительного напряжения относительно всей продолжительности периода – скважность). Таким образом, элементы управления опорного постоянного напряжения управляют или модулируют ширину импульса выходного напряжения.

Теги