Операционные усилители или ОУ наши помощники. Они обеспечивают относительно высокое усиление с относительно низким уровнем шума или искажений, дешевы, гибки в своих настройках и применениях и просты в использовании. Эти характеристики делают операционные усилители чрезвычайно распространенными в звуковых устройствах.

Два главных правила операционных усилителей

Несмотря на то, что операционные усилители сложны внутри и в них есть недостатки, есть правила, которым вы можете следовать, и это сделает операционные усилители очень простыми для применения и понимания.

1. Оба входа будут иметь одинаковое напряжение

Чуть менее лаконично — неинвертирующий вход, отмеченный плюсом, и инвертирующий вход, отмеченный минусом, будут на одинаковом напряжении.

Это потому, что вывод будет делать все необходимое, чтобы сбалансировать их. Для этого выход должен быть каким-то образом соединен со входами.

2. Ток не будет поступать или выходить из входов

Входы, помимо того, что они имеют одинаковый уровень напряжения, имеют очень высокий импеданс, а это означает, что на них должен поступать нулевой ток.

Общие термины и проблемы с операционными усилителями

Rail-to-rail — иногда вы можете услышать фразу «rail-to-rail» операционный усилитель, и это относится к выходному напряжению операционного усилителя. Операционный усилитель обычно имеет положительное и отрицательное напряжение питания, и, будучи рельсовым, выход операционного усилителя может быть полностью от отрицательного напряжения питания до положительного напряжения питания.

Операционные усилители, не работающие по схеме «rail-to-rail», могут работать только в пределах нескольких вольт от входного питания. Например, если у вас есть источник питания +-15 В, и вы можете качнуть только +-12 В на своем выходе, у вас есть 3 В на верхнем и нижнем концах вашего выхода, которых вы не можете достичь.

Может показаться, что вы всегда хотели бы использовать операционный усилитель rail-to-rail, но, как и во всем в жизни, вы отказываетесь от других проблем с производительностью ради этого полного размаха. Но если вы имеете дело с низковольтным операционным усилителем, вам, скорее всего, понадобится полный размах.

Напряжение смещения ОУ

При этом напряжения на входах должны быть одинаковыми, в реальности их никогда не бывает. Они будут хотя бы немного отличаться, и в зависимости от операционного усилителя это может быть лучше или хуже. Эта разница в напряжении между входами называется напряжением смещения.

Входной ток смещения операционных усилителей

Входы должны иметь импеданс бесконечности, что означает, что в них абсолютно не протекает ток. Однако на самом деле это тоже не так. Величина тока, протекающего через вход операционного усилителя, называется входным током смещения.

Скорость нарастания ОУ

В предположении, что выход имеет нулевой импеданс, это будет означать, что выход может подавать любой ток для достижения необходимого напряжения. При бесконечном токе каждое напряжение достигалось бы мгновенно.

Однако, поскольку выходное сопротивление небольшое, но конечное, это означает, что ток конечен, а это означает, что существует ограничение скорости изменения выходного напряжения. Этот предел скорости, измеряемый в вольтах в секунду (или, чаще, в вольтах в микросекунду), называется скоростью нарастания.

Скорость нарастания операционных усилителей — в предположении, что выход имеет нулевой импеданс, это будет означать, что выход может подавать любой ток для достижения необходимого напряжения. При бесконечном токе каждое напряжение достигалось бы мгновенно. 

Однако, поскольку выходное сопротивление небольшое, но конечное, это означает, что ток конечен, а это означает, что существует ограничение скорости изменения выходного напряжения. Этот предел скорости, измеряемый в вольтах в секунду (или, чаще, в вольтах в микросекунду), называется скоростью нарастания.

Как используются операционные усилители

В начале мы упомянули, насколько операционные усилители «гибки» в своих настройках и приложениях. Существует слишком много применений, и каждое из этих приложений заслуживает отдельного руководства, но мы хотим дать краткий обзор некоторых из наиболее популярных применений операционных усилителей.

Повторитель напряжения операционных усилителей: берет выход с низким импедансом и превращает его в выход с высоким импедансом.

Инвертирующий и неинвертирующий усилитель : принимает слабый сигнал и усиливает его. Преимущества инвертирования и неинвертирования основаны на отрицательных и положительных отзывах и потенциальных проблемах с выходом из строя.

Суммирующий операционный усилитель : сложение разных напряжений вместе, что также удобно при объединении напряжений разных частот.

Интеграторы и дифференциаторы ОУ: используются в АЦП и схемах формирования сигналов или ЦАП или для обнаружения изменений напряжения.

Компаратор ОУ. Хотя существуют специализированные устройства, которые лучше работают в качестве компараторов, операционный усилитель, настроенный как компаратор, все же может выполнять разумную работу по сравнению одного напряжения с другим.

ОУ

Существует гораздо больше стандартных конфигураций операционных усилителей, но это лишь некоторые из наиболее распространенных применений операционных усилителей, и легко понять, как часто их можно использовать в схеме.

Если вы действительно хотите использовать один из ОУ, вам следует более подробно остановиться на различных конфигурациях. Кроме того, если вы можете, проведите с ними некоторое время и получите более интуитивное представление о том, как различные конфигурации работают как математически, так и практически.

ИТОГИ

• Операционные усилители усиливают сигналы, но наиболее эффективны при наличии дополнительных схем.
• На двух входах поддерживается одинаковое напряжение благодаря выходу операционного усилителя.
• Два входа не являются источником и источником тока.
• Хотя эти правила очень полезны, они также не соответствуют действительности, и несовершенства могут повлиять или не повлиять на вашу схему.