Операционный усилитель — это электронный компонент с высоким коэффициентом усиления, который в основном используется для усиления сигналов напряжения. Это дифференциальный усилитель, выходной сигнал которого зависит от разницы напряжений между двумя входами (положительный + и отрицательный -). Операционный усилитель имеет характеристики высокого коэффициента усиления. В идеальных условиях коэффициент усиления в разомкнутом контуре очень высок (теоретически близок к бесконечности). Когда входное сопротивление высокое, оно почти поглощает входной ток и позволяет избежать помех во входной цепи. Когда выходное сопротивление низкое, он может напрямую управлять цепью после каскада и может реализовать двойной вход и один выход. Выход = усиление × (положительный вход – отрицательный вход).
Распространенные области применения и типы операционных усилителей
Общие применения операционных усилителей включают усилители напряжения, фильтры (низкочастотные, высокочастотные, полосовые), компараторы сигналов (связанные с компараторами), интеграторы и дифференциалы, буферы (повторители напряжения), аналоговые вычисления (сложение, вычитание, интегрирование и т. д.). Общие схемы включают инверторные усилители, вход которых подключен на конце инвертора, и функцию обратного усиления, а также синфазные усилители, вход которых подключен к положительному концу, а выход и вход находятся в одной фазе. В схеме повторителя напряжения положительная фаза вход = выход, что обеспечивает преобразование импеданса без усиления напряжения.
Примеры схем синфазных усилителей
Примеры схем синфазных усилителей
Схема синфазного усилителя на рисунке выше взята в качестве примера. Коэффициент усиления замкнутого контура определяется сопротивлением обратной связи Rf и делителем напряжения Rg. Входной сигнал и выходной сигнал синфазного усилителя находятся в одной фазе.
Примеры схем инвертированных усилителей
Примеры схем инвертированных усилителей
В качестве примера возьмем схему инверторного усилителя, показанную на рисунке выше. Предполагая, что в этой схеме усилителя используется идеальный усилитель, коэффициент усиления замкнутого контура определяется сопротивлением обратной связи Rf и входным сопротивлением Rin. Разность фаз между входным сигналом и выходным сигналом инверторного усилителя составляет 180 градусов.
Конструкция регулируемого линейно-стабилизированного источника питания с операционным усилителем.
Целью регулируемого линейного регулируемого источника питания является обеспечение стабильного и регулируемого выходного напряжения, при этом выходной сигнал остается стабильным, даже если входное напряжение или нагрузка изменяются. Базовая структура регулируемого линейного стабилизированного источника питания включает в себя источник опорного напряжения (например, TL431, стабилитрон или прецизионную опорную микросхему), усилитель ошибки (операционный усилитель), регулирующий компонент (обычно силовой BJT или MOSFET), сеть делителя напряжения с резистором обратной связи (установка выходного напряжения).
Пример схемы регулируемого линейного регулируемого блока питания
Пример схемы регулируемого линейного регулируемого блока питания
Если взять в качестве примера регулируемую схему линейного источника питания, показанную на рисунке выше, то ядро этой схемы состоит из LM358, регуляторного диода, триода и цепи отрицательной обратной связи, R9 и D9 представляют собой схему стабилизации напряжения. Напряжение пробоя D9 составляет 2,5В. Благодаря высокому входному сопротивлению операционного усилителя для обеспечения большого тока ему не требуется диод, стабилизирующий напряжение. В это время вход IN1+ операционного усилителя составляет 2,5 В. Операционный усилитель, триод, R12 и RP3 образуют петлю отрицательной обратной связи. Расчетный диапазон напряжения должен находиться в пределах от 2,5 В до 15 В. Поскольку фактическое напряжение питания операционного усилителя составляет ± 12 В, из таблицы данных известно, что размах выходного сигнала операционного усилителя относительно шины питания составляет от 1,35 В до 1,61 В. Максимальное напряжение Vce D882 составляет 0,5 В. Рассчитанный максимальный выходной диапазон Vout должен находиться в пределах от 9,89 В до 10,15 В. Следовательно, фактический диапазон выходного напряжения должен находиться в пределах от 2,5 В до 10,15 В.
При проектировании схемы регулируемого линейно-стабилизированного источника питания следует обратить внимание на стабильность опорного напряжения. Должен использоваться малый температурный дрейф и высокостабильный эталонный источник (например, TL431 или LM4040). При выборе типа операционного усилителя диапазон выходного напряжения должен охватывать выходной конец (от шины к шине) с низким напряжением смещения и характеристиками малого дрейфа. При выборе типа силовых компонентов соответствующий BJT или MOSFET должен выбираться в соответствии с выходным током, чтобы обеспечить его рассеивание тепла и безопасный рабочий диапазон. Также следует обратить внимание на термическую защиту и стабильность. Для больших токов следует использовать радиатор и учитывать RC-компенсацию, чтобы избежать колебаний. При настройке импеданса обратной связи следует избегать слишком высоких значений сопротивления R1 и R2 (рекомендуется в диапазоне нескольких кОм), чтобы улучшить стабильность и помехоустойчивость. и входное напряжение должно быть выше, чем максимальное выходное напряжение + VCE (падение напряжения при насыщении) или Vds (MOSFET). Для реализации функции защиты от перегрузки по току можно добавить сопротивление выборки тока и вторичный компаратор.
Эта конструкция имеет характеристики точной регулировки выходного напряжения, высокого тепловыделения силового транзистора, низкой эффективности (линейные характеристики), низкого шума и быстрого реагирования, применима только в ситуации, когда входное напряжение выше выходного напряжения, простая структура, легкая интеграция, а также механизм защиты и хорошее рассеивание тепла необходимы для применения с высокой мощностью.