Операционные усилители

    Данная  схема предназначена для получения разности двух напряжений, при этом каждое из них предварительно умножается на некоторую константу (константы определяются резисторами).

    

• Входное сопротивление (между входными выводами) равно Z_in = R₁ + R₂

    В случае, когда R₁ = R₂ и R_f = R_g, имеем:

    

     

    Инвертирующий усилитель

    

    Инвертирует и усиливает напряжение (то есть умножает напряжение на отрицательную  константу).

    

• Z_in = R_in (Поскольку V ₋ является виртуальной землей)
• Третий резистор с сопротивлением, равным   (сопротивление параллельно соединенных резисторов R_f и R_in), устанавливаемый (при необходимости) между неинвертирующим входом и землей, уменьшает ошибку, возникающую из-за тока смещения.

     

    Неинвертирующий усилитель

    

    Усиливает напряжение (умножает напряжение на константу, большую единицы)

    

•  (на практике — входное сопротивление операционного усилителя: от 1 MОм до 10 TОм)
• Третий резистор с сопротивлением, равным   (сопротивление параллельно соединенных резисторов R₁ и R₂), устанавливаемый (при необходимости) между точкой подачи входного сигнала V_in и неинвертирующим входом, уменьшает ошибку, возникающую из-за тока смещения.

    Повторитель напряжения

    

    Используется  как буферный усилитель, для исключения влияния низкоомной нагрузки на источник с высоким выходным сопротивлением.

    

•  (на практике — входное сопротивление операционного усилителя: от 1 MОм до 10 TОм)

     

    Инвертирующий суммирующий усилитель (инвертирующий сумматор)

    

    Суммирует (с весом) несколько напряжений. Сумма на выходе инвертирована, то есть все веса отрицательны.

    

• Если  , то

    

• Если  , то

    

• Выход инвертирован
• Входной импеданс n-го входа равен Z_n = R_n (Поскольку V ₋ является виртуальной землей)

     

    Интегратор

    

    Интегрирует (инвертированный) входной сигнал по времени.

    

    где V_in и V_out — функции времени, V_initial — выходное напряжение интегратора в момент времени t = 0.

• Данный четырехполюсник можно также рассматривать как фильтр нижних частот.

     

    Дифференциатор

    

Примечание: Не следует путать дифференциатор с дифференциальным усилителем

    Дифференцирует (инвертированный) входной сигнал по времени.

    

    где V_in и V_out — функции времени.

• Данный четырехполюсник можно также рассматривать как фильтр высоких частот.

     

    Компаратор

    

    Сравнивает  два напряжения и выдает на выходе одно из двух состояний в зависимости от того, какое из входных напряжений больше.

    V_{S +}  — положительное напряжение питания;

    V_{S −}  — отрицательное напряжение питания.

     

    Измерительный усилитель

    

    Измерительный усилитель, также называемый инструментальным усилителем (англ. instrumentation(al) amplifier), принципиально не отличается от дифференциального усилителя, однако обладает очень высоким входным сопротивлением, высоким коэффициентом ослабления синфазного сигнала, низким напряжением смещения.

• Может быть построен путем добавления неинвертирующих буферных усилителей к каждому входу дифференциального усилителя для увеличения входного сопротивления.
• Существуют также реализации на основе двух (а не трёх, как в приведённой схеме) операционных усилителей.

     

    Триггер Шмитта

    

    Компаратор  с гистерезисом.

     
Гиратор

    

    Имитирует индуктивность.

     

    Преобразователь отрицательного сопротивления

    

    Преобразователь отрицательного сопротивления (англ. Negative impedance converter) имитирует резистор с отрицательным сопротивлением.

    

 

• Нелинейные  системы

    Прецизионный выпрямитель

    

    Ведет себя подобно идеальному диоду для нагрузки, которая здесь представлена в виде обыкновенного резистора R_L.

     

    Пиковый детектор

    

    При замкнутом выключателе конденсатор разряжается и выходное напряжение падает до нуля. Когда выключатель разомкнут в течение определенного времени, емкость заряжается до максимального входного напряжения.

    Время заряда конденсатора должно быть значительно  меньше периода наибольшей частоты входного сигнала.

     

    Логарифмический усилитель

    

• Отношение между входным v_in и выходным v_out напряжениями представлено следующей формулой:

    

    где I_S - ток насыщения.

• Предположив, что операционный усилитель идеальный и инвертирующий вход виртуально заземлен, то ток, протекающий через резистор от источника (и далее через диод на выход, таким образом, через входы операционного усилителя ток не протекает) описывается следующей формулой:

    

    где I_D - ток, протекающий через диод. Как известно, отношение между током и напряжением для диода:

    

    Когда напряжение больше нуля, эта формула  может быть преобразована в:

    

    Рассмотрение  этих двух формул вместе и предположение, что выходное напряжение V_out является обратным по отношению к напряжению на диоде, является доказательством формулы.

    Учтите, что расчеты не учитывают температурную  стабильность и другие эффекты, присущие реальным устройствам.

     

    Экспоненциальный усилитель

    

• Отношение между входным v_in и выходным напряжениями v_out представлено следующей формулой:

    

    где I_S - ток насыщения.

• Предположив, что операционный усилитель идеальный и инвертирующий вход виртуально заземлен, ток через диод описывается выражением:

    

    Когда напряжение больше нуля, эта формула может быть преобразована в:

    

    Выходное  напряжение в этом случае будет:

    

 

Другие  применения

• Аудио- и видео- предварительный-усилитель и буферный повторитель
• Компаратор
• Дифференциальный усилитель
• Дифференциатор и интегратор
• Фильтры
• Прецизионный выпрямитель
• Регулятор напряжения и регулятор тока
• Аналого-цифровой преобразователь
• Цифро-аналоговый преобразователь
• Источник тока
• Генератор
• Триггер Шмитта
• Гиратор
• Активный фильтр
• Мультивибратор

 

 

Список литературы

 

• Paul Horowitz and Winfield Hill, "The Art of Electronics 2nd Ed. " Cambridge University Press, Cambridge, 1989 ISBN 0-521-37095-7
• Sergio Franco, "Design with Operational Amplifiers and Analog Integrated Circuits," 3rd Ed., McGraw-Hill, New York, 2002 ISBN 0-07-232084-2
• Хоровиц П., Хилл У. Искусство схемотехники: В 3-х томах: Т. 1. Пер. с англ.— 4-е изд., перераб. и доп.— М.: Мир, 1993.—413 с, ил. ISBN 5-03-002337-2.
• Волович Г.И. Курс лекций по «Операционным Усилителям»
• Коллекция типовых схем с использованием ОУ фирмы National Instruments