Операционный усилитель (сокращенно ОУ) — это усилитель напряжения с высоким коэффициентом усиления, дифференциальным входом и прямой связью, обычно с однотактным выходом. Он может генерировать выходной потенциал (относительно земли), в сотни тысяч раз превышающий разность потенциалов на входе. Свое название он получил, поскольку изначально использовался преимущественно в аналоговых вычислительных схемах, таких как операции сложения и вычитания.

Принцип работы операционного усилителя

Дифференциальный вход операционного усилителя включает в себя неинвертирующее и инвертирующее входные напряжения. Идеальный операционный усилитель усиливает только разность между этими двумя напряжениями, называемую дифференциальным входным напряжением. Выходное напряжение операционного усилителя определяется по следующей формуле:

Vout = (V+ - V-) * Ado

где Ado — дифференциальный коэффициент усиления операционного усилителя в разомкнутой цепи обратной связи.

Идеальный операционный усилитель

Идеальный операционный усилитель обычно имеет следующие характеристики:

1. Бесконечный коэффициент усиления при разомкнутой петле (Ado = +∞): важным свойством идеального операционного усилителя является то, что в состоянии разомкнутой петли дифференциальный сигнал на входе имеет бесконечно большой коэффициент усиления напряжения, что делает операционный усилитель очень подходящим для добавления конфигурации отрицательной обратной связи в практических приложениях.

2. Бесконечное входное сопротивление (Zin/Rin = ∞): Входные клеммы идеального операционного усилителя не позволяют току протекать, то есть сигналы тока на клеммах V+ и V- всегда равны нулю, что означает, что входное сопротивление бесконечно.

3. Нулевое входное напряжение смещения

4. Бесконечная полоса пропускания (BW = ∞) с нулевым фазовым сдвигом и бесконечной скоростью нарастания: идеальный операционный усилитель будет усиливать входные сигналы любой частоты с одинаковым дифференциальным усилением, не изменяясь из-за изменения частоты сигнала.

5. Нулевой выходной импеданс (Zout/Rout = 0): выход идеального операционного усилителя представляет собой идеальный источник напряжения. Независимо от изменения тока, протекающего через нагрузку усилителя, выходное напряжение усилителя остаётся постоянным, то есть выходной импеданс равен нулю.

6. Отсутствие шума

7. Бесконечный коэффициент ослабления синфазного сигнала (CMRR = ∞): Идеальный операционный усилитель может реагировать только на разность напряжений между выводами V+ и V-, то есть он усиливает только разность (V+ - V-). Общая составляющая двух входных сигналов (т. е. синфазный сигнал) полностью игнорируется.

8. Бесконечный коэффициент подавления помех по электропитанию

Все эти идеализации не могут быть полностью реализованы. Эквивалентные резисторы и конденсаторы могут быть использованы в модели операционного усилителя для имитации не бесконечных или ненулевых параметров реального операционного усилителя. Таким образом, разработчики могут учесть эти факторы при определении общих характеристик готовой схемы. Влияние некоторых параметров на конечную конструкцию может быть пренебрежимо малым, но другие параметры, фактически ограничивающие конечные характеристики, необходимо рассчитать.

Распространенные конструкции приложений

(1) Инвертирующий усилитель с замкнутой петлей обратной связи

На рисунке выше показана схема инвертирующего усилителя с замкнутой петлей обратной связи. Если предположить, что этот усилитель с замкнутой петлей обратной связи использует идеальный операционный усилитель, то из-за его бесконечного коэффициента усиления при разомкнутой петле обратной связи два его входа фактически являются землей. Кроме того, поскольку входное сопротивление бесконечно, ток от Vin к V- равен току от V- к Vout, поэтому:

(2) Неинвертирующий усилитель с замкнутой петлей

На рисунке выше показана схема неинвертирующего усилителя с замкнутой петлей обратной связи. Отрицательная обратная связь определяет коэффициент усиления с замкнутой петлей обратной связи Acl=Vout/Vin через делитель напряжения Rf и Rg. Баланс устанавливается, когда Vout достаточно, чтобы напряжение на инвертирующем выводе стало равно Vin. Следовательно, коэффициент усиления напряжения всей схемы равен 1 + Rf/Rg. Формула для расчета выходного напряжения:

(3) Гадюка

На рисунке выше показана схема сумматора. В условиях идеального операционного усилителя, поскольку входное сопротивление бесконечно, ток через R1 равен току через R2, и, аналогично, ток через R3 равен току через R4. Итак:

(V1-V+)/R1=(V+-V2)/R2

(Vвых-V-)/R3=V_/R4

Также из-за виртуального короткого замыкания: V+=V_

Тогда можно сделать вывод, что: Vout=V1+V2

(4) Интегрирующая схема

На рисунке выше показана схема интегратора. В условиях идеального операционного усилителя коэффициент усиления без обратной связи равен бесконечности, напряжение на инвертирующем входе равно напряжению на неинвертирующем входе, а поскольку входное сопротивление бесконечно, ток через R1 равен току через C1.

Ток, проходящий через R1, i=V?/R?

Ток, проходящий через C1 i=C·dU./dt

Итак, Vout =((-1/(R?·C?)·fV?dt

Выходное напряжение пропорционально интегралу входного напряжения по времени, поэтому схема называется интегрирующей.

(5) Схема дифференциатора

На рисунке выше показана схема дифференциатора. В условиях идеального операционного усилителя коэффициент усиления без обратной связи равен бесконечности, напряжение на инвертирующем входе равно напряжению на неинвертирующем входе, а поскольку входное сопротивление бесконечно, ток через R1 равен току через C1.

Если V1 представляет собой внезапно приложенное постоянное напряжение, выходной сигнал Vout соответствует импульсу в противоположном направлении относительно V1.

Slkor SL8634XS14 General Op-amp SOP-14

О нас SLKOR:

SLKOR, со штаб-квартирой в Шэньчжэне, Китай, является быстрорастущим национальным высокотехнологичным предприятием в секторе силовых полупроводников. С научно-исследовательскими центрами в Пекине и Сучжоу, его основная техническая команда происходит из Университета Цинхуа. Как новатор в области технологии силовых устройств из карбида кремния (SiC), SLKORПродукция компании широко используется в транспортных средствах на новых источниках энергии, фотоэлектрических генераторах энергии, промышленном Интернете вещей и потребительской электронике, предоставляя важнейшие полупроводниковые решения более чем 10,000 XNUMX клиентам по всему миру.

Компания ежегодно поставляет более 2 миллиардов единиц продукции, а ее SiC MOSFET и сверхбыстровосстанавливающиеся SBD-диоды 5-го поколения устанавливают отраслевые стандарты по коэффициенту эффективности и тепловой стабильности. SLKOR Имеет более 100 патентов на изобретения и предлагает более 2,000 моделей продуктов, постоянно расширяя свой портфель IP в области силовых устройств, датчиков и ИС управления питанием. Сертификации, включая ISO 9001, EU RoHS/REACH и соответствие CP65, демонстрируют неизменную приверженность компании технологическим инновациям, бережливому производству и устойчивому развитию.