Обозначения на схеме

Операционные усилители

Операционный усилитель - это электронный усилитель напряжения с высоким коэффициентом усиления, имеющий дифференциальный вход и обычно один выход. Напряжение на выходе может превышать разность напряжений на входах в сотни или даже тысячи раз.

Условные обозначения на схеме: V+ - неинвертирующий вход V- - инвертирующий вход Vout - выход VS+ - плюс напряжения питания VS- - минус напряжения питания

Условное графическое обозначение операционного усилителя

Дифференциальные входы усилителя состоят из двух выводов - V₊ и V_-, операционный усилитель усиливает только разницу напряжений между двумя этими входами. Эта разница называется дифференциальным напряжением на входе.

Если напряжение на входе "+", больше чем на "-", то на выходе установится напряжение +Uпит. Если ситуация обратная, то на выходе будет напряжение -Uпит.

Значение коэффициента усиления у микросхем операционных усилителей обычно большое - 100000 и более, сл. довольно небольшая разница напряжений между входами V₊ и V_- приведёт к появлению на выходе усилителя напряжения почти равному напряжению питания. Это называется насыщение усилителя.

Напряжение на выходе операционного усилителя определяется формулой

U_вых= К_оу (U₊ - U_-)

где U₊ - напряжение на неинвертирующем (прямом) входе, U_- - напряжение на инвертирующем (инверсном) входе, К_оу - коэффициент усиления усилителя с разомкнутой петлёй обратной связи (то есть обратная связь от выхода ко входу отсутствует).

ОУ имеют очень большое входное сопротивление (мегомы).

ОУ могут работать без обратной связи, с положительной и отрицательной обратными связями.

Операционный усилитель без обратной связи (компаратор)

Компаратор - устройство позволяющее сравнивать два аналоговых сигнала и выносить вердикт — какой из сигналов больше. Компаратор встроен в большую часть микроконтроллеров и АЦП.

Если инвертирующий вход соединить с общим проводом (нулевым потенциалом) напрямую или через резистор, а напряжение V_in, поданное на неинвертирующий вход будет положительным, то выходное напряжение будет максимально положительным. Если подать на вход отрицательное напряжение V_in, то на выходе напряжение будет максимально отрицательным.

ОУ с положительной обратной связью (триггер Шмитта)

Триггер Шмитта (не Шмидта) — электронный двухпозиционный релейный (переключающий) элемент (электронное реле).

Пусть на инверсном входе в этот момент +10 вольт. На выходе ОУ минус 15 вольт. С делителя напряжение (примерно -1.4 вольта) подается на неинверсный вход. Пока напряжение на инверсном входе не снизится ниже -1.4 вольта выход ОУ не сменит своего напряжения. А как только напряжение станет ниже -1.4, то выход ОУ резко перебросится в +15 и на прямом входе будет уже смещение в +1.4 вольта.

И для того, чтобы сменить напряжение на выходе компаратора сигналу U1 надо будет увеличиться на целых 2.8 вольта, чтобы добраться до верхней планки в +1.4.

Возникает своеобразный зазор, где нет чувствительности, между 1.4 и -1.4 вольтами. Ширина зазора регулируется соотношениями резисторов в R1 и R2.

Схема ОУ с отрицательной обратной связью (умножитель)

На неинверсный (прямой) вход подано напряжение U_1.

На инверсный вход подается половина выходного напряжения с делителя напряжения. Усилителю надо уравнять напряжения на своих входах. Для этого он поднимает напряжение на своем выходе вдвое выше прежнего. Теперь будет на инверсном воде U_out/2 = U₁ или U_out = 2*U₁.

Поставим делитель с другим соотношением — ситуация изменится в том же ключе.

U_out = U₁*(1+R₁/R₂)

Таким образом, можно очень легко умножать аналоговые значения на числа больше 1.

Таким образом операционный усилитель может выполнять математические операции (сложение, вычитание, интегрирование, дифференцирование и т.д.).