Не

Операционный усилитель, сокращенно от операционного усилителя, является основой аналоговой электроники. Операционный усилитель - это электронный компонент со связью по постоянному току, который усиливает напряжение с дифференциального входа с помощью резисторной обратной связи. Операционные усилители популярны благодаря своей универсальности, поскольку их можно настраивать разными способами и использовать в разных аспектах. Схема операционного усилителя состоит из нескольких переменных, таких как полоса пропускания, входное и выходное сопротивление, запас усиления и т. Д. Различные классы операционных усилителей имеют разные характеристики в зависимости от этих переменных. Существует множество операционных усилителей в различных корпусах интегральных схем (ИС), некоторые операционные усилители содержат два или более операционных усилителя в одном корпусе. LM358, LM741, LM386 - некоторые часто используемые микросхемы операционных усилителей. Вы можете узнать больше об операционных усилителях, посетив наш раздел «Схемы операционных усилителей».

Операционный усилитель имеет два дифференциальных входных контакта и выходной контакт вместе с контактами питания. Эти два контакта дифференциального входа являются инвертирующими, или отрицательными, и неинвертирующими, или положительными. Операционный усилитель усиливает разницу в напряжении между этими двумя входными контактами и обеспечивает усиленный выход через свой Vout или выходной контакт.

В зависимости от типа входа операционный усилитель можно разделить на инвертирующий или неинвертирующий. В этом руководстве мы узнаем, как использовать операционный усилитель в неинвертирующей конфигурации.

В неинвертирующей конфигурации входной сигнал подается на неинвертирующий входной вывод (положительный вывод) операционного усилителя. Благодаря этому усиленный выход становится « синфазным » входному сигналу.

Как мы обсуждали ранее, операционному усилителю требуется обратная связь для усиления входного сигнала. Обычно это достигается за счет подачи небольшой части выходного напряжения обратно на инвертирующий вывод (в случае неинвертирующей конфигурации) или на неинвертирующий вывод (в случае инвертирующего вывода) с использованием сети делителя напряжения.

Конфигурация неинвертирующего операционного усилителя

На верхнем изображении показан операционный усилитель с неинвертирующей конфигурацией. Сигнал, который необходимо усилить с помощью операционного усилителя, подается на положительный или неинвертирующий вывод схемы операционного усилителя, тогда как делитель напряжения, использующий два резистора R1 и R2, обеспечивает небольшую часть выхода для инвертирующего вывод схемы операционного усилителя. Эти два резистора обеспечивают необходимую обратную связь с операционным усилителем. В идеальных условиях входной контакт операционного усилителя будет иметь высокое входное сопротивление, а выходной контакт будет иметь низкий выходной импеданс.

Усиление зависит от этих двух резисторов обратной связи (R1 и R2), подключенных как конфигурация делителя напряжения. R2 обозначается как Rf (резистор обратной связи).

Выход делителя напряжения, который подается на неинвертирующий вывод усилителя, равен Vin, поскольку точки соединения Vin и делителя напряжения расположены на одном узле заземления.

Из-за этого, а также поскольку Vout зависит от сети обратной связи, мы можем рассчитать усиление напряжения замкнутого контура, как показано ниже.

Коэффициент усиления неинвертирующего ОУ

Поскольку выходное напряжение делителя напряжения совпадает с входным напряжением , Vout делителя = Vin

Итак, Vin / Vout = R1 / (R1 + Rf) Или, Vout / Vin = (R1 + Rf) / R1

Общий коэффициент усиления усилителя по напряжению (Av) равен Vout / Vin.

Итак, Av = Vout / Vin = (R1 + Rf) / R1

Используя эту формулу, мы можем заключить, что коэффициент усиления по напряжению с обратной связью неинвертирующего операционного усилителя равен:

Av = Vout / Vin = 1 + (Rf / R1)

Таким образом, по этому коэффициенту усиление операционного усилителя не может быть ниже единицы или 1. Также прирост будет положительным и не может быть отрицательным. Коэффициент усиления напрямую зависит от соотношения Rf и R1.

Теперь, интересно то, что если мы помещаем значение резистора обратной связи или Rf, как 0, то выигрыш будет 1 или единство. А если R1 станет равным 0, то коэффициент усиления будет бесконечным. Но это возможно только теоретически. В действительности, это сильно зависит от поведения операционного усилителя и коэффициента усиления разомкнутого контура.

Операционный усилитель также может использоваться с двумя добавляемыми входными напряжениями в качестве суммирующего усилителя.

Практический пример неинвертирующего усилителя

Мы разработаем схему неинвертирующего операционного усилителя, которая будет обеспечивать трехкратное усиление напряжения на выходе по сравнению с входным напряжением.

Сделаем вход 2В в операционном усилителе. Мы настроим операционный усилитель в неинвертирующей конфигурации с возможностью 3-кратного усиления. Мы выбрали номинал резистора R1 равным 1,2 кОм. Найдем номинал резистора Rf или R2 и рассчитаем выходное напряжение после усиления.

Поскольку коэффициент усиления зависит от резисторов и формула Av = 1 + (Rf / R1)

В нашем случае коэффициент усиления равен 3, а значение R1 равно 1. 2к. Итак, значение Rf равно

3 = 1 + (Rf / 1,2k) 3 = 1 + (1,2k + Rf / 1,2k) 3,6k = 1,2k + Rf 3,6k - 1,2k = Rf Rf = 2,4k

После усиления выходное напряжение будет

Av = Vout / Vin 3 = Vout / 2V Vout = 6V

Пример схемы показан на изображении выше. R2 - это резистор обратной связи, и усиленный выход будет в 3 раза больше, чем вход.

Повторитель напряжения или усилитель единичного усиления

Как обсуждалось ранее, если мы делаем Rf или R2, как 0, это означает, что не существует никакого сопротивления в R2, а резистор R1 равен бесконечности, то коэффициент усиления усилителя будет 1 или он будет достичь единичное усиление. Поскольку в R2 нет сопротивления, выход закорочен с отрицательным или инвертированным входом операционного усилителя. Поскольку коэффициент усиления равен 1 или единице, эта конфигурация называется конфигурацией усилителя с единичным усилением, повторителем напряжения или буфером.

Когда мы помещаем входной сигнал на положительный вход операционного усилителя, а выходной сигнал находится в фазе с входным сигналом с усилением 1x, мы получаем тот же сигнал на выходе усилителя. Таким образом, выходное напряжение такое же, как и входное. Напряжение на выходе = Напряжение на входе.

Таким образом, он будет следить за входным напряжением и генерировать такой же сигнал на выходе. Вот почему это называется схемой повторителя напряжения.

Входной импеданс на ОУ является очень высокой, когда напряжение повторитель или единичным коэффициентом усиления конфигурации используется. Иногда входной импеданс намного превышает 1 МОм. Таким образом, из-за высокого входного импеданса мы можем подавать слабые сигналы на вход, и ток не будет течь по входному контакту от источника сигнала к усилителю. С другой стороны, выходное сопротивление очень низкое, и на выходе будет создаваться такой же входной сигнал.

На изображении выше показана конфигурация повторителя напряжения. Выход напрямую подключен к отрицательной клемме операционного усилителя. Прирост этой конфигурации составляет 1x.

Как мы знаем, Коэффициент усиления (Av) = Vout / Vin Итак, 1 = Vout / Vin Vin = Vout.

Из-за высокого входного импеданса входной ток равен 0, поэтому входная мощность также равна 0. Повторитель напряжения обеспечивает большой выигрыш по мощности на выходе. Из-за такого поведения повторитель напряжения используется в качестве буферной схемы.

Кроме того, конфигурация буфера обеспечивает хороший коэффициент изоляции сигнала. Благодаря этой особенности, схема повторителя напряжения используется в активных фильтрах типа Саллена-Ки, где каскады фильтра изолированы друг от друга с помощью конфигурации операционного усилителя повторителя напряжения.

Также доступны цифровые буферные схемы, например 74LS125, 74LS244 и т. Д.

Поскольку мы можем управлять коэффициентом усиления неинвертирующего усилителя, мы можем выбрать несколько значений резисторов и создать неинвертирующий усилитель с регулируемым диапазоном усиления.

Неинвертирующие усилители используются в секторах аудиоэлектроники, а также в осциллографах, микшерах и различных местах, где необходима цифровая логика с использованием аналоговой электроники.