Введение

Эта статья иллюстрирует некоторые типичные применения операционных усилителей. Эквивалентная схема неидеального операционного усилителя имеет конечное входное сопротивление, ненулевое выходное сопротивление и конечное усиление. Реальный операционный усилитель обладает рядом неидеальных характеристик, как показано на диаграмме, но здесь используется упрощенная схематическая запись, многие детали, такие как выбор компонентов и подключения питания, не показаны. Операционные усилители оптимизированы для работы со отрицательной обратной связью, и в этой статье рассматриваются только приложения с отрицательной обратной связью. Если требуется положительная обратная связь, обычно более целесообразно использовать компаратор. Подробнее о применениях компараторов см. в соответствующем разделе.

Спецификация компонента

Резисторы, используемые в практических схемах операционных усилителей на твердых телах, обычно находятся в диапазоне килоом. Резисторы со значениями значительно превышающими 1 МОм создают избыточный тепловой шум и делают работу схемы чувствительной к существенным ошибкам, вызванным токами смещения или утечки.

Входные токи смещения и входные смещения

Практические операционные усилители потребляют небольшой ток от каждого из своих входов из-за требований к току смещения (в случае входов на основе биполярных транзисторов) или тока утечки (в случае входов на основе MOSFET). Эти токи протекают через сопротивления, подключенные к входам, и создают небольшие падения напряжения на этих сопротивлениях. Правильная конструкция цепи обратной связи может уменьшить проблемы, связанные с входными токами смещения и коэффициентом усиления в дифференциальном режиме, как описано ниже. Эвристическое правило заключается в обеспечении идентичности импеданса, "видимого" от каждого входного терминала. Если входные токи смещения не совпадают, возникает эффективное входное напряжение смещения, которое может привести к ухудшению работы схемы. Многие коммерческие операционные усилители предоставляют возможность настройки для балансировки входов (например, выводы "нулевой баланс" или "балансировки", которые могут взаимодействовать с внешним источником напряжения, подключенным к потенциометру). В качестве альтернативы, настраиваемое внешнее напряжение можно добавить к одному из входов для компенсации эффекта смещения. В тех случаях, когда схема требует замыкания одного из входов на землю, это замыкание можно заменить переменным сопротивлением, которое можно настроить для уменьшения проблемы смещения. Операционные усилители с входными каскадами на основе MOSFET имеют входные токи утечки, которые во многих конструкциях будут пренебрежимо малы.

Влияние на питание

Хотя источники питания и не показаны в представленных ниже (упрощенных) схемах операционных усилителей, они тем не менее присутствуют и могут быть критически важны при проектировании схем с операционными усилителями.

Шум от подачи

Несовершенства источника питания (например, пульсации напряжения питания, ненулевое выходное сопротивление) могут приводить к заметным отклонениям от идеального поведения операционного усилителя. Например, операционные усилители характеризуются коэффициентом подавления помех источника питания, который показывает, насколько хорошо выходной сигнал подавляет наложения на напряжение питания. В больших схемах входы питания часто зашумлены, поскольку источник питания используется практически каждым компонентом, а эффекты индуктивности препятствуют мгновенной подаче тока ко всем компонентам одновременно. В результате, когда компонент требует значительного потребления тока (например, цифровой компонент, часто переключающийся между состояниями), соседние компоненты могут испытывать падение напряжения на линии питания. Эту проблему можно смягчить, используя соответствующие конденсаторы параллельно каждому выводу питания и земле. Когда компоненту требуются кратковременные импульсы тока, он может получать их непосредственно от расположенного рядом конденсатора, минуя источник питания (который затем медленно перезаряжает этот конденсатор).

Использование токов питания в сигнальном пути

Кроме того, ток, потребляемый операционным усилителем от источника питания, может использоваться в качестве входа для внешних схем, расширяющих функциональные возможности операционного усилителя. Например, операционный усилитель может быть непригоден для конкретного применения, требующего высокого коэффициента усиления, поскольку его выход должен генерировать сигналы за пределами безопасного диапазона, обеспечиваемого усилителем. В этом случае внешний усилитель мощности (push-pull) может управляться током, входящим и выходящим из операционного усилителя. Таким образом, сам операционный усилитель может работать в пределах, установленных производителем, при этом позволяя включить в контур отрицательной обратной связи большой выходной сигнал, значительно превышающий эти пределы.

Усилители

Первый пример — дифференциальный усилитель, от которого можно вывести множество других схем, включая инвертирующий, неинвертирующий и суммирующий усилители, повторитель напряжения, интегратор, дифференцирующий усилитель и гиратор.

Гиратор индуктивности

Симулирует индуктор (т.е. обеспечивает индуктивность без использования, возможно, дорогостоящего индуктора). Схема использует тот факт, что ток, протекающий через конденсатор, по своему поведению во времени эквивалентен напряжению на индукторе. Конденсатор, используемый в этой схеме, геометрически меньше, чем индуктор, который он имитирует, и его емкость менее подвержена изменениям значения под воздействием внешних факторов. Эта схема может быть предпочтительнее физического индуктора в приложениях, требующих имитации переменной или очень большой индуктивности. Применение данной схемы ограничено в тех случаях, когда важна обратная ЭДС индуктора, поскольку в гираторной схеме этот эффект будет ограничен напряжением питания операционного усилителя.

Точный выпрямитель

Падение напряжения VF на прямом диоде в схеме пассивного выпрямителя нежелательно. В этой активной версии проблема решается подключением диода в контур отрицательной обратной связи. Операционный усилитель сравнивает выходное напряжение на нагрузке с входным напряжением и увеличивает собственное выходное напряжение на величину VF. В результате падение напряжения VF компенсируется, и схема ведет себя практически как идеальный (супер) диод с VF = 0 В.

Схема имеет ограничения по скорости на высоких частотах из-за медленной отрицательной обратной связи и низкой скорости нарастания выходного напряжения многих неидеальных операционных усилителей.