Операційний підсилювач: Основний елемент

Операційний підсилювач

Операційний підсилювач (ОП) – це диференціальний підсилювач із надзвичайно великим коефіцієнтом зворотного зв’язку — в межах від ста тисяч до одного мільйона, з двома вхідними клемами (інвертуюча, позначена мінус, та неінвертуюча, позначена плюс) та одним виходом. Сам по собі цей коефіцієнт зворотного зв’язку надзвичайно великий і робить пристрій непридатним для використання як лінійний прилад: будь-яка різниця в кількості мілівольт між двома вхідними клемами миттєво призводить до того, що вихід буде підключений до одного з джерел живлення. ОП стає керованим та корисним лише після створення петлі зворотного зв’язку від виходу до інвертуючого входу.

Дві золоті правила

З наявним негативним зворотнім зв’язком та припускаючи, що операційний підсилювач не перевантажений, дві ідеалізовані правила описують схему майже точно, і вони є всім інструментом для ручного аналізу схем з операційними підсилювачами:

Правило 1 — без струму тече ні в один вхід (входи представляють практично нескінченне опору)

Правило 2 — вихід операційного підсилювача робить все необхідне щоб змусити обидва входи до одного напруги

Правило 2 тримається лише завдяки негативному зворотньому зв’язку: вихідна напруга живиться назад до інвертуючого входу через певний зовнішній ланцюг, і оскільки коефіцієнт підсилення без зворотного зв'язку дуже великий, потрібна практично мізерна різниця входів для виробництва будь-якої реалістичної вихідної напруги. Розглядайте цю різницю як точно нуль і тоді у вас буде Правило 2. Правило 1 походить від того, що вхідний каскад побудовано з транзисторів, які майже не споживають струму на ноді входу.

Rule 1 — no current flows into either input
        (the inputs present essentially infinite impedance)

Rule 2 — the op-amp's output does whatever is needed
        to force the two inputs to the same voltage

Земельний потенціал та віртуальна земля

Підключіть невід’ємний вхід і подайте сигнал через резистор Rin до від’ємного входу, з зворотним зв’язком резистором Rf від виходу назад у ту ж точку. Згідно з Правилом 2, від’ємний вхід становить 0 вольт — віртуальна земля, підтримувана зворотним зв’язком, а не прямим дротом. Згідно з Правилом 1, весь струм, що надходить через Rin, має лише йти через Rf, оскільки нічого з нього не може входити в операційний підсилювач. Це одне спостереження дає всю передавальну функцію:

Iin = Vin / Rin // струм у віртуальній точці землі Iin = -Vout / Rf // той самий струм, що виходить через Rf Vout = -(Rf / Rin) * Vin // від’ємний коефіцієнт підсилення, встановлений лише за допомогою співвідношення резисторів Зверніть увагу, що коефіцієнт залежить лише від співвідношення двох резисторів — не від власного відкритого коефіцієнта підсилення операційного підсилювача, його температурних коливань або розкиду виробництва — за умови, що відкритий коефіцієнт достатньо великий, щоб дотримуватися правил 1 і 2. Ця стійкість до власних недоліків підсилювального пристрою є повною метою негативного зворотного зв’язку, і саме тому операційні підсилювані схеми такі передбачувані та широко використовуються.

Iin  = Vin / Rin          // current into the virtual-ground node
Iin  = -Vout / Rf         // the same current, leaving through Rf
Vout = -(Rf / Rin) * Vin  // inverting gain, set purely by resistor ratio

Неінвертуюча та сумуючі варіанти

Подайте сигнал на неінвертуючу вхідну точку замість цього, і встановіть однаковий коефіцієнт зворотного зв’язку Rin/Rf від виходу до землі на інвертуючу вхідну точку. Тепер правило 2 говорить, що інвертуюча точка повинна бути на Vin, а той самий аргумент потоку дає Vout = (1 + Rf/Rin) * Vin — позитивний коефіцієнт підсилення, завжди не менше 1 і дуже високий вхідний опір, оскільки сигнал бачить вхідний струм операційного підсилювача безпосередньо, а не через резистор.

Додайте більше входів, які збігаються в одну віртуальну землю інвертуючого підсилювача, і аргумент потоку Rule 1 поширюється безпосередньо: вихід стає зваженою сумою кожного входу, кожен масштабований на -Rf поділене на його власний вхідний опір. Цей суматор є будівельним блоком аналогових змішувачів і класичних цифро-аналогових перетворювачів, де кожен вхідний резистор зважується у бінарній послідовності.

Де відбувається розбіг між ідеальною моделлю

Реальні операційні підсилювачі споживають невеликий вхідний струм зміщення, мають обмежений допроdotto коефіцієнта напруги та ширини частотного діапазону, що обмежує швидкість відповіді виходу, і не можуть повністю досягати напруг джерела живлення. При високих частотах петльовий приріст падає, і золоті правила стають менш точними, тому операційні підсилювальні схеми завжди вказуються з урахуванням діапазону робочої частоти. Це не змінює вищезазначених міркувань — лише обмежує область їх застосування.

Frequently asked questions

Спробуйте наживо

Усе, що вище, працює прямо у вашому браузері — відкрийте Operational Amplifier і змінюйте параметри під час роботи. Нічого не встановлюється, нічого не завантажується на сервер, уся модель живе в одній вкладці.