Что такое операционный усилитель

ОУ — интегральная микросхема (ИМС), основным предназначением которой является усиление значения постоянного тока. Она имеет только один выход, который называется дифференциальным. Этот выход обладает высоким коэффициентом, усиливающим сигнал (Kу). ОУ в основном применяются при построении схем с отрицательной обратной связью (ООС), которая при основной ТХ по усилению и определяет Kу исходной схемы. ОУ применяются не только в виде отдельных ИМС, но и в разных блоках сложных устройств.

У ОУ 2 входа и 1 выход, а также есть выводы для подключения источника питания (ИП). Принцип действия операционного усилителя прост. Существует 2 правила, взятых за основу. Правила описывают простые процессы работы ИМС, происходящие в ОУ, и как работает ИМС, понятно даже чайникам. На выходе разность напряжений (U) равна 0, а входы ОУ почти не потребляют ток (I). Один вход называется неинвертирующим (V+), а другой является инвертирующим (V-). Кроме того, входы ОУ обладают высоким сопротивлением (R) и практически не потребляют I.

Чип сравнивает значения U на входах и выдает сигнал, предварительно усиливая его. Kу ОУ имеет высокое значение, достигающее 1000000. Если произойдет подача низкого U на вход, то на выходе возможно получить величину, равную U источника питания (Uип). Если U на входе V+ больше, чем на V-, то на выходе получится максимальное положительное значение. При запитывании положительным U инвертирующего входа на выходе будет максимальная величина отрицательного напряжения.

Основным требованием для работы ОУ является применение двухполярного ИП. Возможно применение однополярного ИП, но при этом возможности ОУ сильно ограничиваются. Если использовать батарейку и принять за 0 ее плюсовую сторону, то при измерении значений получится 1,5 В. Если взять 2 батарейки и соединить их последовательно, то произойдет сложение U, т.е. прибор покажет 3 В.

Если принять за ноль минусовой вывод батарейки, то прибор покажет 3 В. В другом случае, если принять за 0 плюсовой вывод, то получается -3 В. При использовании в качестве нуля точки между двумя батарейками получится примитивный двухполярный ИП. Проверить исправность ОУ можно только при подключении его в схему.

Изменение коэффициента усиления – инвертирующий усилитель

Как следует из названия, операционные усилители являются усилителями. Они могут усиливать сигналы с определенным отношением входного сигнала к выходному. Это отношение обычно называется коэффициентом усиления операционного усилителя. В идеальном мире коэффициент усиления операционного усилителя был бы бесконечно высоким – настолько высоким, что он мог бы усилить любой уровень сигнала до любого другого уровня сигнала. В реальном мире это не так, но мы будем считать это фактом, пока анализируем следующую схему: инвертирующий усилитель.

Рисунок 2 – Инвертирующий усилитель

Давайте шаг за шагом проведем эту работу. Во-первых, давайте применим наши два правила для операционных усилителей, чтобы определить некоторые узловые напряжения в этой схеме. Простейшим из них является виртуальное короткое замыкание, где V+ и V- всегда находятся на одинаковом напряжении. Мы видим, что V+ привязан к земле; следовательно, V- также должен быть на земле. Как насчет тока, поступающего в узел и выходящего из узла V-? По закону токов Кирхгофа мы знаем, что сумма всех токов в этом узле должна быть следующей:

Поначалу это выглядит так, что для решения могут потребоваться некоторые усилия, так как это уравнение содержит три неизвестных. Но так ли это? Если вы вспомните правила для операционных усилителей, изложенные ранее, вы увидите, что это уравнение простое: входы операционного усилителя не потребляют ток! Поэтому мы знаем, что iV- равен нулю. Затем мы можем привести это уравнение к следующему виду:

Поскольку V- привязан к земле виртуальным коротким замыканием, закон Ома позволяет нам заменить эти токи на напряжения и сопротивления:

Что при небольшой помощи алгебры возвращает нас туда, где мы начали:

Понятно, почему эта схема полезна – она позволяет применять линейный коэффициент усиления к входу и выходу, выбирая (Roc/Rвх), чтобы сформировать любое соотношение, которое вы захотите. У схемы также есть дополнительный бонус, позволяющий вам в значительной мере контролировать ее входной импеданс – так как вы можете выбрать значение резистора Rвх, вы можете сделать его таким большим или маленьким, чтобы соответствовать любому выходному импедансу, с которым вам нужно достичь согласованности!

Зачем нужна резисторная цепь для достижения такого поведения? Чтобы понять это, нам нужно понять немного больше о том, как работает операционный усилитель. Операционный усилитель – это тип усилителя по напряжению. В идеальном случае операционный усилитель обеспечивает бесконечный коэффициент усиления – он может усиливать любое напряжение до любого другого уровня напряжения. Мы можем масштабировать бесконечный коэффициент усиления операционного усилителя, используя резисторную цепь, которая соединяет входной узел, V-, и выходной узел. Подключив выход операционного усилителя к входу, мы используем процесс под названием обратная связь для регулировки выходного напряжения до желаемого уровня. Обратная связь – действительно важная концепция электронной техники и достаточно сложная, чтобы потребовать целую статью, посвященную этой теме. На данный момент достаточно понять базовый принцип, который применим к операционным усилителям: путем подключения выхода к входу вы можете изменить поведение схемы действительно полезными способами.

Назначение

Зачем нужен компаратор и как его использовать без усилителя? В большинстве случаев, этот прибор применяется в несложных компьютерных схемах, где нужно сравнивать сигналы входящего напряжения. Это может быть зарядное устройство для ноутбука или телефона, весы (определитель массы), датчик сетевого напряжения AVR, таймер (компоратор типа lm 358, микроконтроллер и т. д. Также его применяют различные интегральные микросхемы для контроля входных импульсов, обеспечивая связь между источником сигнала и его центром назначения.

Фото — компараторы для компьютера

Наиболее популярным примером является компаратор триггер (регулятор) Шиммера. Он работает в режиме многоканальности, соответственно, может сравнивать большое количество сигналов. В частности, данный триггер применяется для того, чтобы восстановить цифровой сигнал, который искажает связь в зависимости от уровня напряжения и расстояния источника питания.

Это аналог стандартного компаратора, просто с более расширенным функционалом, который обеспечивает измерение нескольких входящих сигналов.

Фото — ОУ компаратор

Также есть компаратор шероховатости. Это устройство, которое помогает визуально определить состояние поверхности, которая уже подвергалась обработке. Применение этого приспособления обосновано необходимостью определять допуски обработанных ранее поверхностей.

В каких корпусах выпускаются микросхемы

Корпус может быть как DIP8 – обозначение LM358N, так и SO8 – LM358D. Первый предназначен для реализации объемного монтажа, второй – для поверхностного. От типа корпуса не зависят характеристики элемента – они всегда одинаковы. Но существует немало аналогов микросхемы, у которых параметры немного отличаются. Всегда есть плюсы и минусы. Обычно, если у элемента большой диапазон рабочих напряжений например, страдает какая-либо другая характеристика.

Существует еще металлокерамический корпус, но такие микросхемы используют в том случае, если эксплуатация устройства будет происходить в тяжелых условиях. В радиолюбительской практике удобнее всего использовать микросхемы в корпусах для поверхностного монтажа. Они очень хорошо паяются, что имеет важное значение при работе. Ведь намного удобнее оказывается работать с элементами, у которых ножки имеют большую длину.

Читайте также  Разводка электрики на кухне

Особенности включения

Существует много схем подключения операционного усилителя LM358 в зависимости от необходимых требований и выполняемых функций, которые будут к ним предъявлены при эксплуатации:

  • неинвертирующий усилитель;
  • преобразователь ток-напряжение;
  • преобразователь напряжение-ток;
  • дифференциальный усилитель с пропорциональным коэффициентом усиления без регулировки;
  • дифференциальный усилитель с интегральной схемой регулирования коэффициента;
  • схема контроля тока;
  • преобразователь напряжение-частота.

Заключение

Повторитель на ОУ, пожалуй самый простой, но при этом, очень важный каскад. При разработке электронных устройств, когда незадействованным остался один из ОУ, то определенно лучше построить на нем повторитель, чем оставлять его неиспользованным. Так же повторитель напряжения можно использовать как выходной усилитель тока.

Привет! В этом окошке авторы блогов любят мериться крутостью биографий. Мне же будет гораздо приятнее услышать критику статей и блога в комментариях. Обычный человек, который любит музыку, копание в железе, электронике и софте, особенно когда эти вещи пересекаются и составляют целое, отсюда и название — АудиоГик. Материалы этого сайта — личный опыт, который, надеюсь, пригодится и Вам. Приятно, что прочитали 🙂

На Рисунке 1 резисторы Rbm1 и Rbm2 могут иметь разный номинал и подбираться для достижения наилучших параметров.

При параллельном включении все остальные некоррелирующие параметры улучшаются (шум, входное напряжение смещения, его дрейф, уровень подавления синфазного сигнала и т.д.)

V summ noise = V N1 / √N

по похожей формуле расчитываются и все остальные некоррелирующие параметры.

Собранная по Рисунку 2 схема на NE5532 при отключенном источнике сигнала самовозбуждалась на частоте ок. 57 кГц. При подключенном источнике сигнала микросхема сильно грелась, на одном выходе было ок. +200 мВ, на другом ок. -200 мВ. Проблема решилась после переключения R2 на выход микросхемы.

Источник питания

Для получения высоких заявленных характеристик мы разработали малошумящий источник питания для предварительного усилителя.

Увеличение по клику

Он обеспечивает стабилизированные выходные напряжения ± 15 В и + 5 В для самого предварительного усилителя и дополнительных блоков. Плата блока подключена к трансформатору с выходным напряжением переменного тока

15В (две обмотки). Диодный мост (D1-D4) и два конденсатора по 2200мкФ выпрямляют и фильтруют переменное напряжение и обеспечивают примерно ± 21 В постоянного напряжения. Регулируемые стабилизаторы LM317 и LM337 выдают на выходе ± 15 В благодаря резисторам 100 Ом и 1,1 кОм, подключенным к выводам «OUT» и «ADJ».

Мы использовали регулируемые стабилизаторы, потому что их управляющие выводы «ADJ» можно «оторвать» от земли, чтобы улучшить подавление пульсаций, что мы сделали с использованием конденсаторов 10 мкФ. Защитные диоды (D5 и D7) обеспечивают разрядный путь для конденсаторов, если выход случайно замыкается на землю.

Два диода (D6 и D8) в обратном включении защищают выход каждого плеча в случае неисправности другого.

Стабилизатор на фиксированное выходное напряжение 7805 (REG3) используется для получения напряжения + 5V. Резистор номиналом 100Ом служит для снижения рассеиваемой мощности на микросхеме стабилизатора. Этот резистор не так важен для модуля предварительного усилителя, но существенно облегчит тепловой режим стабилизатора при подключении дополнительных блоков.

Поскольку от источника питания +5В потребляется дополнительная мощность только положительной полярности, для балансировки плеч выпрямителя в отрицательное плечо включен резистор номиналом 330Ом, который обеспечивает одинаковую скорость разряда конденсаторов фильтра при выключении.

Стать подготовлена по материалам журнала «Практическая электроника каждый день»
Вольный перевод статьи — Главный редактор «РадиоГазеты».

К157УД1 — универсальный операционный усилитель средней мощности

Микросхема К157УД1 представляет собой универсальный операционный усилитель средней мощности с максимальным выходным током 300 мА, разработанный для использования в аппаратуре магнитной записи и воспроизведения звука. Применение ряда конструктивно-технологических и схемотехнических приемов позволило отодвинуть верхнюю частоту эффективной работы этого ОУ до 100 кГц, а отсутствие внутренней коррекции — расширить область применения.

Операционный усилитель К157УД1 можно использовать в самых разнообразных схемах и узлах радиоэлектронной аппаратуры: предварительных усилителях мощности, усилителях 34 для стереотелефонов, генераторах с рабочей частотой до 100 кГц, всевозможных исполнительных устройствах. Микросхема имеет ограничители пиковых значений выходного тока, предотвращающие выход усилителя из строя при переходных процессах или кратковременных коротких замыканиях на выходе микросхемы.

Принципиальная схема микросхемы К157УД1 приведена на рисунке дифференциальном усилителе для уменьшения входных токов использовано составное включение транзисторов (транзисторы VT1, VT3 и VT9, VT7).

Высокое усиление каскада обеспечивается активной нагрузкой на транзисторах VT4, VT6, включенных по схеме отражателя тока. Применение во входном каскаде р-n-р транзисторов исключает необходимость принятия специальных мер по защите входа от высоких уровней входных дифференциальных напряжений в оежиме перегрузки (на уровне питающих напряжений).

Коллекторные токи транзисторов VT3 и VT7 равны 150 мкА и заданы генератором тска на транзисторе VT5. Ток смещения транзисторов VT1, VT9 равен примзрно 11 мкА.

Промежуточный каскад — усилитель напряжения — выполнен на транзисторах VT15 и VT17, включенных соответственно по схеме с ОК. и ОЭ и динамической нагрузкой, образованной генератором тока на транзисторе VT16. Режим работы эмиттерного повторителя (транзистор VT15) выбран таким, чтобы нагрузка обоих плеч дифференциального усилителя была одинаковой.

Усилитель мощности — двухтактный, Сигналы положительной полярности усиливаются по току транзисторами VT19, VT2S и VT27, включенными по схеме составного эмиттерного повторителя, отрицательной полярности — транзисторами VT22, VT26, VT28, включенными эквивалентно мощному р-n-р транзистору.

Высокая линейность при усилении малых уровней выходного сигнала достигнута подачей начального смещения, выделяющегося на переходах база-эмиттер транзисторов VT19, VT20, VT21 и резисторе R7, между базами транзисторов усилителя мощности. Величина начального тока через выходные транзисторы VT27 и VT28 при выбранных площадях эмиттеров транзисторов микросхемы определяется резисторами R12 и R13.

В ОУ предусмотрено ограничение максимального импульса тока на уровне 0,4. 1 А для предотвращения выхода микросхемы из строя при переходных процессах или при кратковременном замыкании на выходе. Это достигнуто шунтированием базовой цепи транзистора VT25 участком коллектор-эмиттер транзистора VT23, который открывается при увеличении падения напряжения на резисторе R14 выше допустимого. Аналогично происходит и ограничение импульса тока отрицательной полярности.

При повышении падения напряжения на резисторе R15 до значения, достаточного для открывания транзистора VT24, происходит шунтирование базовой цепи транзистора VT26. Величина тока, протекающего через транзистор VT24, определяется транзистором VT22, коэффициент усиления которого резко уменьшается при больших коллекторных токах, что также способствует ограничению импульса тока на выходе ОУ. Назначение резисторов R9 и R11 — предотвратить самовозбуждение ОУ в режиме ограничения на частотах УКВ-диапазона.

Транзистор VT13 также играет роль защитного; при чрезмерном увеличении падения напряжения на резисторе R6 он открывается и шунтирует вход транзистора VT15, предотвращая тем самым перегрузку транзисторов VT15 и VT17. Диод VD1 устраняет насыщение транзистора VT17, улучшая работу каскада на высоких частотах при максимальном выходном напряжении.

Генераторы тока на транзисторах VT2, VT5, VT8, VT16, VT18 получают смещение от транзистора VT10 в диодном включении, который возбуждается стабилизированным током, формируемым транзисторами VT11, VT12, VT14 и резистором R4.

Читайте также  Холодный полотенцесушитель после отключения воды

Для повышения устойчивости при работе с различными нагрузками рекомендуется, кроме основной коррекции, подключаемой между выводами 1 — 3 или 1 — 5. и соединения выводов 2 и 6 через конденсаторы вблизи микросхемы с общим проводом устройства, подключать дополнительную RC-пепь между выводами 3 и 5 микросхемы.

Внешний вид и корпус К157УД1

Электрические параметры К157УД1

Основные электрические параметры микросхемы К157УД1

Предельно допустимые режимы эксплуатации

  • Диапазон питающих напряжений.±3. ±20
  • Синфазное напряжение, В, не более ±20
  • Выходной ток, мА, не более 300
  • Рассеиваемая мощность (в диапазоне температур — 25 + 25 ±С), Вт, не более 0,5* — 1**
  • Диапазон рабочих температур, °С , — 25 + 70

* Без внешнего теплоотвода

** С внешним теплоотводом