Операционные усилители

1. Операционные усилители

ОПЕРАЦИОННЫЕ
УСИЛИТЕЛИ

2. Введение

Операционные усилители
(ОУ) - это
многофункциональные
линейные электронные
усилители Широко
используются в различных
электронных схемах,
включая усилители, фильтры
и компараторы

3. Изобретение и развитие

■ Изобретен в 1940-х годах
■ Первоначально
использовался в
аналоговых компьютерах
■ С развитием технологии
полупроводников стали
более миниатюрными и
доступными

4. Принцип работы ОУ

Принцип работы ОУ очень прост. Он сравнивает
два напряжения и на выходе уже выдает
отрицательный, либо положительный
потенциал питания. Все зависит от того, на каком
входе потенциал больше.

5. Схема ОУ

■ Идеальный ОУ имеет
дифференциальный вход
и один выход
■ Состоит из
дифференциального
усилителя, усилителя
напряжения и усилителя
мощности

6. Виды ОУ

■ Неинвертирующие:
Усиливает входной сигнал
без изменения его фазы
■ Инвертирующие:
Усиливает входной сигнал с
инверсией фазы
■ Разностные: Усиливает
разность между двумя
входными сигналами

7. Инвертирующее усиление

Инвертирующее усиление
операционного усилителя
осуществляется путем
подключения входного
сигнала к инвертирующему
(отрицательному) входу
усилителя, при этом
ненаправленный вход
обычно подключается к
земле.
Усиление (Av) инвертирующего
усилителя рассчитывается по
формуле:
Av = -Rf / R1
где:
- Av — коэффициент усиления,
- Rf — сопротивление обратной
связи,
- R1 — входное сопротивление.

8. Неинвертирующее усиление

Неинвертирующее
усиление операционного
усилителя подключается
так, что входной сигнал
подается на
неинвертирующий
(положительный) вход.
Формула:
Усиление (Av) неинвертирующего усилителя
рассчитывается по формуле:
Av = 1 + (Rf / R1)
где:
- Av — коэффициент усиления,
- Rf — сопротивление обратной связи,
- R1 — входное сопротивление.

9. Электрические характеристики

■ Коэффициент усиления по напряжению (A): Отношение
выходного напряжения к разности входных напряжений
■ Входное сопротивление (R): Сопротивление между
входными клеммами
■ Выходное сопротивление (r): Сопротивление между
выходной клеммой и землей

10. Неидеальные характеристики

■ Ограничение по скорости нарастания (SR):
Максимальная скорость изменения выходного
напряжения
■ Смещение: Небольшое постоянное напряжение на
выходе при нулевом входном напряжении
■ Шум: Нежелательные электрические помехи на выходе

11. Область применения ОУ

1. Аналоговая обработка сигналов - усиление и обработка звуковых и других
аналоговых сигналов.
2. Фильтрация - создание активных фильтров (низких, высоких и полосовых частот).
3. Измерительные приборы - использование в датчиках и измерительных системах
для повышения точности.
4. Аналоговые вычисления - реализация математических операций, таких как
сложение, вычитание, интегрирование и дифференцирование.
5. Компенсация и коррекция - использование в схемах для уменьшения влияния
шумов и искажений.
6. Автоматизация процессов - в системах управления и автоматизации для обработки
сигналов и управления оборудованием.

12. Обратная связь в ОУ

Обратная связь в операционных усилителях — это
процесс, при котором часть выходного сигнала
возвращается на вход, чтобы контролировать и
регулировать поведение усилителя. Обратная связь
играет ключевую роль в определении характеристик
усилителя.

13. Типы обратной связи

1. Отрицательная обратная связь:
- Сигнал, возвращаемый на инвертирующий вход, вычитает часть
выходного сигнала из входного. Это помогает уменьшить искажения,
увеличить стабильность и улучшить линейность. Отрицательная
обратная связь позволяет точно контролировать коэффициент
усиления и улучшает частотные характеристики.
2. Положительная обратная связь:
- Возвращаемый сигнал добавляется к входному сигналу. Это может
привести к усилению сигнала, но также может вызвать нестабильность
и искажения. Положительная обратная связь используется в схемах
генерации сигналов или в триггерах.

14. Преимущество отрицательной обратное связи

■ - Уменьшает искажения.
■ - Улучшает стабильность.
■ - Расширяет полосу частот.
■ - Повышает надежность работы усилителя.

15. Шум

Шум операционного усилителя — это
нежелательные электрические сигналы,
которые могут влиять на точность и
стабильность работы усилителя. Шум может
возникать из различных источников, включая
внутренние генераторы шума (например,
термический шум) и внешние помехи.

16. Уменьшение шума

1. Выбор компонентов:
- Используйте операционные усилители с низким уровнем шума.
- Подбирайте резисторы с низким термическим шумом.
2. Конструкция схемы:
-
Применение экранирования для уменьшения влияния внешних помех.
-
Использование фильтров (например, RC-фильтров) для удаления
высокочастотного шума.
3. Обратная связь:
- Использовать отрицательную обратную связь для уменьшения искажений и
повышения стабильности.
4. Работа в дифференциальных режимах:
- Применение дифференциальных схем для подавления общего режима шума.

17. Распространенные ошибки при работе с операционными усилителями 

Распространенные ошибки при
работе с операционными
усилителями
■ Неправильное подключение питания
■ Некорректированная петля обратной связи
■ Неправильный выбор резисторов обратной связи
■ Несоблюдение температурного диапазона
■ Превышение входного или выходного напряжения

18. Будущее операционных усилителей

Ожидается, что рынок
операционных усилителей
(ОУ) будет расти из-за
повышенного спроса в таких
областях, как мобильные
устройства, носимые
технологии и автомобильная
электроника.

19. Новые разработки

■ ОУ с электронной регулировкой: Эти ОУ могут динамически
настраивать свои характеристики в режиме реального времени,
что обеспечивает оптимальную производительность в различных
условиях.
■ ОУ с нулевым смещением: Эти ОУ устраняют дрейф смещения,
что приводит к более точным измерениям и усилителям.
■ ОУ с обработкой сигналов: ОУ с встроенными алгоритмами
обработки сигналов могут выполнять сложные функции, такие как
фильтрация, преобразование и усиление сигнала.