Підсилювач, що не інвертує, є базовою схемою з ОУ. Виглядає він дуже просто:

У цій схемі сигнал подається на НЕінвертуючий вхід ОУ.

Отже, щоб зрозуміти принцип роботи цієї схеми, запам'ятайте найважливіше правило, яке використовується для аналізу схем з ОУ: вихідна напругаОУ прагне до того, щоб різниця напруги між його входами дорівнювала нулю.

Принцип роботи

Отже, давайте інвертуючий вхід позначимо, літерою A:

Дотримуючись головного правила ОУ, отримуємо, що напруга на вході, що інвертує, дорівнює вхідній напрузі: U A = U вх. U Aзнімається з , який утворений резисторами R1 та R2. Отже:

U A = U вих R1/(R1+R2)

Так як U A =U вх, отримуємо що U вх = U вих R1/(R1+R2).

Коефіцієнт посилення за напругою обчислюється як K U = U вих /U вх.

Підставляємо сюди раніше отримані значення та отримуємо, що K U = 1+R2/R1.

Перевірка роботи в Proteus

Це також можна легко перевірити за допомогою програми Proteus. Схема виглядатиме ось так:

Давайте розрахуємо коефіцієнт посилення K U. K U = 1+R2/R1=1+90к/10к=10.Отже, наш підсилювач має рівно в 10 разів збільшувати вхідний сигнал. Давайте перевіримо, чи це так. Подаємо на неінвертуючий вхід синусоїду з частотою 1кГц і дивимося, що маємо на виході. Для цього нам потрібно віртуальний осцилограф:

Вхідний сигнал – це жовта осцилограма, а вихідний сигнал – це рожева осцилограма:

Як ви бачите, вхідний сигнал посилився рівно у 10 разів. Фаза вихідного сигналу залишилася такою самою. Тому такий підсилювач називають НЕінвертуючим.

Але, як кажуть, є одне «АЛЕ». Насправді ж у реальному ОУ є конструктивні недоліки. Так як Proteus намагається емулювати компоненти, наближені до реальних, розглянемо амплітудно-частотну характеристику (АЧХ), а також фазо-частотну характеристику(ФЧХ) нашого операційника LM358.

АЧХ та ФЧХ неінвертованого підсилювача на LM358

На практиці, щоб зняти АЧХ, нам треба на вхід нашого підсилювача подати частоту від 0 Герц і до якогось кінцевого значення, а на виході в цей час стежити за зміною амплітуди сигналу. У Proteus все це робиться за допомогою функції Frequency Responce:

По осі Y у нас коефіцієнт посилення, а по осі Х частота. Як ви могли помітити, коефіцієнт посилення майже не змінювався до частоти 10 кГц, потім почав стрімко падати зі зростанням частоти. На частоті в 1МегаГерц коефіцієнт посилення дорівнював одиниці. Цей параметр у ОУ називається частотою одиничного посилення та позначається як f 1. Тобто на цій частоті підсилювач не посилює сигнал. Що подали на вхід, те й вийшло на виході.

У проектуванні підсилювачів важливим є такий параметр, як гранична частота зрізу f гр. Для того щоб її обчислити, нам треба знати коефіцієнт посилення на частоті K гр:

K гр = K Uo / √2 або = K Uo х 0,707, де K Uo- Це коефіцієнт посилення на частоті в 0 Герц (постійний струм).

Якщо дивитися на АЧХ, ми побачимо, що на нульовій частоті (на постійному струмі) у нас коефіцієнт посилення дорівнює 10. Обчислюємо K гр.

K гр = 10 х 0,707 = 7,07

Тепер проводимо горизонтальну лінію на рівні 7,07 і дивимось перетин з графіком. У мене вийшло близько 104 кГц. Будувати підсилювач із частотою зрізу, більш ніж f гр немає сенсу, оскільки у разі вихідний сигнал підсилювача сильно згасати.

Також дуже просто визначити граничну частоту, якщо побудувати графік у . Гранична частота буде на рівні K Uo -3dB. Тобто в нашому випадку на рівні 17dB. Як ви бачите, у цьому випадку ми також отримали частоту зрізу 104 кГц.

Ну гаразд, із частотою зрізу начебто розібралися. Тепер нам важливим є такий параметр, як ФЧХ. У нашому випадку ми начебто отримали НЕінвертуючий підсилювач. Тобто зсув фаз між вхідним і вихідним сигналом повинен дорівнювати нулю. Але як поведеться підсилювач на високих частотах(ВЧ)?

Беремо такий же діапазон частот від 0 до 100 МГц і дивимося на ФЧХ:

Як ви бачите, до частоти в 1 кГц неінвертуючий підсилювач дійсно працює як слід. Тобто вхідний та вихідний сигнал рухаються синфазно. Але після частоти 1 кГц, бачимо, що фаза вихідного сигналу починає відставати. На частоті 100 кГц вона вже відстає приблизно на 40 градусів.

Для наочності АЧХ та ФЧХ можна розмістити на одному графіку:

Також у схемах з неінвертуючим підсилювачем часто вводять компенсуючий резистор R K .

Він визначається за такою формулою:

і служить для того, щоб забезпечити рівність опорів між кожним із входів та землею. Докладніше ми це розберемо у наступній статті.

За участю Jeer

У підсилювачі, що не інвертує, вхідний сигнал подається на неінвертуючий вхід ОУ (+), в цьому основна відмінність неінвертуючого підсилювача на ОУ від . У цьому джерело сигналу «бачить» нескінченне вхідний опір ОУ. Напруга зміщення нуля дорівнює нулю, і тому вхід ОУ, що інвертує, повинен мати той же потенціал, що і неінвертуючий. Струм з виходу ОУ створює падіння напруги на резисторі R G , яке має дорівнювати вхідному напрузі V IN .

Мал. 1. Неінвертуючий ОУ

Для розрахунку вихідної напруги V OUT та коефіцієнта посилення скористається правилом розрахунку дільника напруги:

Після перетворення виходить вираз для коефіцієнта посилення у такому вигляді:

Важливо, що у виразі (2) присутні лише номінали пасивних елементів.
Якщо опір резистора R G вибрати набагато більше, ніж R F , то відношення (R F /R G) прагне нуля, а при нульовому опорі R F вираз (2) перетворюється на

У цьому випадку неінвертуючий підсилювач перетворюється на буфер (повторювач сигналу) з одиничним коефіцієнтом передачі, з нескінченним вхідним та нульовим вихідним опорами. Резистор R G у разі теж може бути виключений зі схеми. Насправді деякі ОУ можуть «згоріти» при включенні без резистора R F . Тому в багатьох конструкціях буферів цей резистор присутній. Його функція - захищати вхід від кидків напруги, що інвертує, шляхом обмеження струму на безпечному рівні. Часто використовується номінал цього резистора 20 кОм. У схемах підсилювачів стокове зворотний зв'язок резистор R F визначає стабільність і потрібно завжди. Втім, не полінуйтеся і погортайте даніпоштою на операційник. Якщо там описано включення як на рис. 2 - сміливо використовуйте!

Як уже зазначалося, операційні підсилювачі в даний час використовуються в різних електронних пристроях. Їх широко застосовують як і аналогових, і у імпульсних пристроях електроніки. У той же час існують і часто використовуються типові лінійні схемиз урахуванням операційних підсилювачів. Такі типові схеми має знати кожен інженер, який використовує електронні пристрої. Саме такі схеми розглядаються нижче.

Дуже корисно опанувати досить прості прийоми ручного аналізу електронних схем на основі операційних підсилювачів. Це значно полегшить розуміння принципу дії конкретних пристроївелектроніки та сприятиме отриманню достовірних результатів машинного аналізу. Зазначені прийоми аналізу засновані на ряді припущень, що приймаються в припущенні, що операційні підсилювачі, що використовуються, досить близькі до ідеальних. Практика розрахунків показує, що результати, одержувані з урахуванням припущень, мають цілком прийнятну похибку.

Приймемо такі припущення:

● Вхідний опіропераційного підсилювача дорівнює нескінченності, струми вхідних електродів дорівнюють нулю (R вх → ∞, i + = i −).

● Вихідний опір операційного підсилювача дорівнює нулю, тобто операційний підсилювач з боку виходу є ідеальним джерелом (R вих = 0).

● Коефіцієнт посилення за напругою (коефіцієнт посилення диференціального сигналу) дорівнює нескінченності, а диференціальний сигнал у режимі посилення дорівнює нулю (при цьому не допускається закорочення висновків операційного підсилювача).

● У режимі насичення на виході дорівнює модулю напруги живлення, а знак визначається полярністю вхідної напруги. Корисно звернути увагу на те, що в режимі насичення диференціальний сигнал не можна завжди вважати рівним нулю.

● Синфазний сигнал не діє на операційний підсилювач.

● усунення нуля дорівнює нулю.

Розглянемо схему інвертуючого підсилювача (рис. 2.25), з якої видно, що в ній діє паралельний зворотний зв'язок за напругою.

Оскільки i − = 0, то відповідно до першого закону Кірхгофа i 1 = i 2 .

Припустимо, що операційний підсилювач працює в режимі посилення, тоді uдиф = 0. Відповідно до цього на підставі другого закону Кірхгофа отримаємо i 1 = uвх/ R 1 i 2 = − uвых/ R 2

Враховуючи, що i 1 = i 2 отримуємо uвых = −uвх· R 2 / R 1

Таким чином, підсилювач, що інвертує, характеризується коефіцієнтом посилення по напрузі, рівним Кu= −R2/R1

Наприклад, якщо R1= 1кОм, R2=10 кОм, тоді uвых= − 10 ·uвх

Для зменшення впливу вхідних струмів операційного підсилювача на вихідне в ланцюг неінвертуючого входу включають резистор з опором R 3 (рис. 2.26), який визначається з виразу R3=R1//R2=R1·R2/ (R1+R2)

Вхідний опір підсилювача, що інвертує, на низьких частотахістотно нижче свого вхідного опору операційного підсилювача. Це повністю відповідає зробленому раннє висновку про те, що паралельний негативний зворотний зв'язок, що має місце у схемі, зменшує вхідний опір. Враховуючи, що uдиф~ 0, легко помітити, що вихідний опір підсилювача на низьких частот приблизно дорівнює R 1 .

Вихідний опір інвертуючого підсилювача на низьких частотах R вих.ос істотно менше вихідного опору на низьких частотах R вих власне операційного підсилювача. Це є наслідком дії негативного зворотного зв'язку напруги.

Можна показати, що R вих.ос = R вих / (1 + К R1/R2) де К - коефіцієнт посилення по напрузі операційного підсилювача.

Підсилювач, що інвертує, є одним з найпростіших і найчастіше використовуваних аналогових схем. За допомогою всього двох резисторів ми можемо виставити необхідний нам коефіцієнт посилення. Нічого не заважає зробити коефіцієнт менше 1, тим самим послабивши вхідний сигнал.

Часто до схеми додають ще один R3, опір якого дорівнює сумі R1 і R2.

Щоб зрозуміти, як працює підсилювач, що інвертує, змоделюємо просту схему. У нас на вході напруга 4В, опір резисторів становить R1=1к і R2=2к. Можна було б, звичайно, підставити все це у формулу і одразу обчислити результат, але подивимося, як саме працює ця схема.

Почнемо з нагадування основних принципів роботи операційного підсилювача:

Правило №1 — операційний підсилювач впливає своїм виходом на вхід через ООС (негативний зворотний зв'язок), внаслідок чого напруги на обох входах, як на інвертуючому (-), так і на неінвертуючому (+) вирівнюється.

Зверніть увагу, що вхід (+), що не інвертує, з'єднаний з масою, тобто на ньому напруга дорівнює 0В. Відповідно до правила №1 на вході, що інвертує (-) так само повинно бути 0В.

Отже, ми знаємо напругу, що знаходиться на висновках резистора R1 та його опір 1к. Таким чином, за допомогою ми можемо виконати розрахунок і розрахувати, який струм тече через резистор R1:

IR1 = UR1/R1 = (4В-0В)/1к = 4мА.

Правило №2 — входи підсилювача не споживають струму

Таким чином, струм, що протікає через R1, тече далі через R2!

Знову скористаємося законом Ома та обчислимо, яке падіння напруги відбувається на резисторі R2. Ми знаємо його опір і знаємо який струм через нього, отже:

UR2 = IR2R2 = 4мА * 2к = 8В.

Виходить, що на виході маємо 8В? Не зовсім так. Нагадаю, що це підсилювач, що інвертує, тобто якщо на вхід ми подаємо позитивну напругу, а на виході знімаємо негативне. Як це відбувається?

Це відбувається внаслідок того, що зворотний зв'язок встановлений на вході, що інвертує (-), і для зрівнювання напруг на вході підсилювач знижує потенціал на виході. З'єднання резисторів можна розглянути як простий , тому щоб потенціал у точці їх з'єднання дорівнював нулю, на виході має бути мінус 8 вольт: Uвих. = -(R2/R1)*Uвх.

Є ще одна каверза, пов'язана з 3 правилом:

Правило №3 — напруги на входах та виході мають бути в діапазоні між позитивною та негативною напругою живлення ОУ.

Тобто потрібно перевірити, що розраховані нами напруги можна отримати через підсилювач. Часто початківці думають, що підсилювач працює як джерело вільної енергії та виробляє напругу з нічого. Але треба пам'ятати, що для роботи підсилювача також потрібне харчування.
Класичні підсилювачі працюють від напруги -15В та +15В. У такій ситуації наші -8В, які ми розрахували, є реальною напругою, оскільки є в цьому діапазоні.

Однак сучасні підсилювачі часто працюють із напругою 5В і нижче. У такій ситуації немає жодних шансів, щоб підсилювач видав нам мінус 8В на виході. Тому при проектуванні схем завжди пам'ятайте, що теоретичні розрахунки завжди потрібно підкріплювати реальністю та фізичними можливостями.

Слід зазначити, що інвертуючий підсилювач має один недолік. Ми вже знаємо, що не навантажує джерело сигналу, оскільки входи підсилювача мають дуже великий опір і споживають струм так мало, що в більшості випадків його можна ігнорувати (правило №2).

Інвертуючий підсилювач має вхідний опір рівний опору резистора R1, на практиці воно становить від 1к ... 1М. Для порівняння, підсилювач із входами на польових транзисторах має опір порядку сотень мегаом і навіть гігаом! Тому іноді може бути доцільно перед підсилювачем встановити повторювач напруги.

Дорога в десять тисяч починається з першого кроку.
(китайське прислів'я)

Справа була ввечері, робити не було чого… І так раптом захотілося спати щось. Таке собі… Електронне!.. Спаяти - так спаяти. Комп'ютер є, Інтернет підключено. Вибираємо схему. І раптом виявляється, що схем для задуманого сабжа - вагон і маленький візок. І всі різні. Досвіду немає, знань обмаль. Який вибрати? Деякі з них містять якісь прямокутнички, трикутнички. Підсилювачі та ще й операційні… Як вони працюють – незрозуміло. Стра-а-ашно!.. А раптом згорить? Вибираємо, що простіше на знайомих транзисторах! Вибрали, спаяли, включили… HELP! Не працює!!! Чому?

Та тому, що «Простота - гірша за крадіжку»! Це як комп'ютер: найшвидший і наворочений – ігровий! А для офісної роботидосить і найпростішого. Так само і з транзисторами. Спаяти на них схему мало. Потрібно ще вміти її налаштувати. Занадто багато «підводних каменів» та «граблів». А для цього часто потрібний досвід аж ніяк не початкового рівня. Так що ж, кидати цікаве заняття? Аж ніяк! Просто не треба боятися цих «трикутників-прямокутників». З ними працювати, виявляється, у багатьох випадках набагато простіше, ніж із окремими транзисторами. ЯКЩО ЗНАТИ - ЯК!

Ось цим: розумінням, як працює операційний підсилювач (ОУ, або англійською мовою OpAmp) ми зараз і займемося. При цьому розглядатимемо його роботу буквально «на пальцях», практично не користуючись ніякими формулами, хіба що крім закону дідуся Ома: «Ток через ділянку ланцюга ( I) прямо пропорційний напрузі на ньому ( U) і обернено пропорційний його опору ( R)»:
I = U/R. (1)

Для початку, в принципі, не так і важливо, як саме ОУ влаштований всередині. Просто приймемо як припущення, що він є «чорною скринькою» з якоюсь там начинкою. На даному етапі не розглядатимемо і такі параметри ОУ, як «напруга зміщення», «напруга зсуву», «температурний дрейф», «шумові характеристики», «коефіцієнт придушення синфазної складової», «коефіцієнт придушення пульсацій напруги живлення», «смуга пропускання» " і т.п. Всі ці параметри будуть важливими на наступному етапі його вивчення, коли в голові «влягуться» основні принципи його роботи, бо «гладко було на папері, та забули про яри».

Поки що просто припустимо, що параметри ОУ близькі до ідеальних і розглянемо тільки те, який сигнал буде на його виході, якщо якісь сигнали подавати на його входи.

p align="justify"> Отже, операційний підсилювач (ОУ) є диференціальним підсилювачем постійного струмуз двома входами (інвертуючим та неінвертуючим) та одним виходом. Крім них ОУ має висновки харчування: позитивного та негативного. Ці п'ять висновків є в майжебудь-якому ОУ та принципово необхідні для його роботи.

ОУ має величезний коефіцієнт посилення, як мінімум, 50000…100000, а реально набагато більше. Тому, у першому наближенні, можна навіть припустити, що він дорівнює нескінченності.

Термін "диференціальний" ("different" перекладається з англійської як "різниця", "відмінність", "різниця") означає, що на вихідний потенціал ОУ впливає виключно різницю потенціалів між його входами, незалежновід них абсолютногозначення та полярності.

Термін "постійного струму" означає, що посилює ОУ вхідні сигналипочинаючи від 0 Гц. Верхній діапазон частот (частотний діапазон), що посилюються ОУ сигналів залежить від багатьох причин, таких, як частотні характеристикитранзисторів, у тому числі він складається, коефіцієнта посилення схеми, побудованої із застосуванням ОУ тощо. Але це питання вже виходить за межі первинного ознайомлення з його роботою і розглядатись тут не буде.

Входи ОУ мають дуже великий вхідний опір, що дорівнює десяткам/сотням МегаОм, а то й ГігаОм (і тільки в пам'ятних К140УД1, та ще в К140УД5 воно становило всього 30 ... 50 кОм). Такий великий опір входів означає, що на вхідний сигнал вони практично не впливають.

Тому з великим ступенем наближення до теоретичного ідеалу можна вважати, що струм у входи ОУ не тече . Це - першеважливе правило, яке застосовується під час аналізу роботи ОУ. Прошу добре запам'ятати, що воно стосується тільки самого ОУ, а не схем із його застосуванням!

Що ж означають терміни «інвертуючий» та «неінвертуючий»? По відношенню до чого визначається інверсія і взагалі, що це за "звірятко" такий - інверсія сигналу?

У перекладі з латинської одним із значень слова «inversio» є «обертання», «переворот». Іншими словами, інверсія - це дзеркальне відображення (віддзеркалення) сигналу щодо горизонтальної осі Х(Восі часу). Рис. 1 показані кілька з множини можливих варіантівінверсії сигналу, де червоним кольором позначений прямий (вхідний) сигнал та синім - проінвертований (вихідний).

Мал. 1 Поняття інверсії сигналу

Особливо слід зазначити, що до нульової лінії (як Рис. 1, А, Б) інверсія сигналу не прив'язана! Сигнали можуть бути інверсними та асиметричними. Наприклад, обидва тільки в області позитивних значень (Рис. 1, В), що характерно для цифрових сигналів або при однополярному живленні (про це йтиметься далі), або обидва частково в позитивній і частково - в негативних областях (Рис. 1, Б, Д). Можливі інші варіанти. Головною умовою є їхня взаємна дзеркальністьщодо якогось довільного обраного рівня (наприклад, штучної середньої точки, про яку мова також вестиметься далі). Іншими словами, полярністьсигналу теж є визначальним чинником.

Зображують ОУ на важливих схемах по-різному. За кордоном ОУ раніше зображувалися, та й зараз дуже часто зображуються як рівнобедреного трикутника (Рис. 2, А). Інвертуючий вхід – символом «мінус», а неінвертуючий – символом «плюс» усередині трикутника. Ці символи зовсім не означають, що на відповідних входах потенціал має бути більш позитивним або негативнішим, ніж на іншому. Вони просто вказують, як реагує потенціал виходу на потенціали, що подаються на входи. У результаті їх легко сплутати з висновками харчування, що може виявитися несподіваними граблями, особливо для початківців.

Мал. 2 Варіанти умовних графічних зображень(УГО)
операційних підсилювачів

У системі вітчизняних умовних графічних зображень (УГО) до набрання чинності ГОСТ 2.759-82 (СТ РЕВ 3336-81) ОУ також зображувалися як трикутника, лише інвертуючий вхід - символом інверсії - кружечком у місці перетину виведення з трикутником (Рис.2). Б), а тепер - у вигляді прямокутника (Рис.2, В).

При позначенні ОУ на схемах інвертуючий і неінвертуючий входи можна міняти місцями, якщо так зручніше, проте традиційно вхід, що інвертує, зображується вгорі, а неінвертуючий - внизу. Висновки харчування, як правило, завжди мають у своєму розпорядженні єдиним способом(Позитивний вгорі, негативний - внизу).

ОУ майже завжди використовуються у схемах з негативним зворотним зв'язком (ООС).

Зворотним зв'язком називається ефект подачі частини вихідної напруги підсилювача на його вхід, де воно алгебраїчно (з урахуванням знака) підсумовується з вхідною напругою. Про принцип підсумовування сигналів йтиметься нижче. Залежно від того, на який вхід ОУ, що інвертує або неінвертує, подається ОС, розрізняють негативну Зворотній зв'язок(ООС), коли частина вихідного сигналу подається на вхід, що інвертує (Рис. 3, А) або позитивний зворотний зв'язок (ПОС), коли частина вихідного сигналу подається, відповідно, на неінвертуючий вхід (Рис. 3, Б).

Мал. 3 Принцип формування зворотний зв'язок (ОС)

У першому випадку, оскільки вихідний сигнал є інверсним по відношенню до вхідного, він віднімається від вхідного. В результаті загальне посиленнякаскаду знижується. У другий випадок - підсумовується з вхідним, загальне посилення каскаду підвищується.

На перший погляд може здатися, що ПІС має позитивний ефект, а ООС - абсолютно марна витівка: навіщо ж знижувати посилення? Саме так і порахували патентні експерти США, коли 1928 р. Гарольд С. Блек спробувавзапатентувати ООС. Однак, жертвуючи посиленням, ми суттєво покращуємо інші важливі параметрисхеми, як, наприклад, її лінійність, частотний діапазон та ін. Чим глибше ООС, тим менше характеристикивсієї схеми залежить від показників ОУ.

А ось ПІС (враховуючи власне величезне посилення ОУ), має зворотний вплив на характеристики схеми і найнеприємніше - викликає її самозбудження. Вона, звичайно, теж використовується усвідомлено, наприклад, у генераторах, компараторах з гістерезисом (докладно про це - далі) і т.п., але в загальному виглядіїї вплив на роботу підсилювальних схем з ОУ швидше негативний і вимагає дуже ретельного та обґрунтованого аналізу її застосування.

Оскільки ОУ має два входи, то можливі такі основні види включення з використанням ООС (Рис. 4):

Мал. 4 Основні схеми включення ОУ

а) інвертуюче (Рис. 4, А) - сигнал подається на вхід, що інвертує, а неінвертуючий підключається безпосередньо до опорного потенціалу (не використовується);

б) неінвертуюче (Мал. 4, Б) - сигнал подається на неінвертуючий вхід, а інвертуючий підключається безпосередньо до опорного потенціалу (не використовується);

в) диференційне (Рис. 4, В) - сигнали подаються на обидва входи, що інвертує і неінвертує.

Для аналізу роботи цих схем слід врахувати другенайважливіше правило, якому підпорядковується робота ОУ: Вихід операційного підсилювача прагне до того, щоб різниця напруг між його входами дорівнювала нулю.

Разом з тим, будь-яке формулювання має бути необхідної та достатньої, щоб обмежити все підмножина випадків, що підкоряються їй. Наведена вище формулювання, за всієї її «класичності», це не дає жодної інформації у тому, який із входів «прагне вплинути» вихід. Виходячи з неї, виходить, що ніби ОУ вирівнює напруги на своїх входах, подаючи напругу на них звідкись «зсередини».

Якщо уважно розглянути схеми Мал. 4 можна помітити, що ООС (через Rоос) у всіх випадках заведена з виходу тількина інвертуючий вхід, що дає нам підставу переформулювати це правило так: Напруга на виході ОУ, охопленому ООС, прагне до того, щоб потенціал на вході, що інвертує, зрівнявся з потенціалом на неінвертуючому вході.

Виходячи з цього визначення, «провідним» за будь-якого включення ОУ з ООС є неінвертуючий вхід, а «відомим» - інвертуючий.

При описі роботи ОУ потенціал на його вході, що інвертує, часто називають «віртуальним нулем» або «віртуальною середньою точкою». Переклад латинського слова «virtus» означає «уявний», «уявний». Віртуальний об'єкт веде себе близько до поведінки аналогічних об'єктів матеріальної реальності, тобто, для вхідних сигналів (за рахунок дії ООС) вхід, що інвертує, можна вважати підключеним безпосередньо до такого ж потенціалу, до якого підключений і неінвертуючий вхід. Однак, «віртуальний нуль» є лише окремим випадком, що має місце тільки при двополярному харчуванні ОУ. При використанні однополярного живлення (про що вестиметься нижче), та й у багатьох інших схемах включення, ні на неінвертуючому, ні на вході, що інвертує, нуля не буде. Тому давайте домовимося, що цей термін ми не застосовуватимемо, оскільки він заважає початковому розумінню принципів роботи ОУ.

Ось із цього погляду і розберемо схеми, наведені на Рис. 4. При цьому, для спрощення аналізу, приймемо, що напруга живлення все-таки двополярна, рівна один одному за величиною (скажімо, ± 15 В), із середньою точкою (загальна шина або «земля»), щодо якої і відраховуватимемо вхідні та вихідні напруги. З іншого боку, аналіз проводитиме постійному струму, т.к. змінний сигнал, що змінюється, в кожен момент часу теж можна представити як вибірку значень постійного струму. У всіх випадках зворотний зв'язок через Roо заведена з виходу ОУ на його вхід, що інвертує. Відмінність полягає тільки в тому, на які входи подається вхідна напруга.

а) Інвертуючевключення (Мал. 5).

Мал. 5 Принцип роботи ОУ в інвертуючому включенні

Потенціал на вході, що не інвертує, дорівнює нулю, т.к. він підключений до середньої точки («землі»). Вхідний сигнал, рівний +1 відносно середньої точки (від GB) подано на лівий висновок вхідного резистора Rвх. Припустимо, що опори Rоос і Rвх рівні один одному і становлять 1 ком (у сумі їх опір дорівнює 2 ком).

Згідно з Правилом 2, на вході, що інвертує, повинен бути такий же потенціал, як і на зануленому неінвертуючому, тобто, 0 В. Отже, до Rвх прикладена напруга +1 В. Відповідно до закону Ома по ньому протікатиме струм Iвх.= 1 В/1000 Ом = 0,001 А (1 мА). Напрямок протікання цього струму показано стрілкою.

Оскільки Rоос і Rвх включені дільником, а згідно з Правилом 1 входи ОУ струму не споживають, то для того, щоб у середній точці цього дільника напруга становила 0, до правого висновку Rоос повинна бути прикладена напруга мінус 1, а протікає по ньому струм Iоостакож має дорівнювати 1 мА. Іншими словами, між лівим висновком Rвх і правим висновком Rоос прикладено напругу 2 В, а струм, що протікає по цьому дільнику, дорівнює 1 мА (2 В / (1 кОм + 1 кОм) = 1 мА), тобто. I вх. = I оос .

Якщо на вхід подати напругу негативної полярності, на виході ОП буде напруга позитивної полярності. Все те саме, тільки стрілки, що показують протікання струму через Rоос і Rвх будуть направлені в протилежний бік.

Таким чином, при рівності номіналів Rоос і Rвх, напруга на виході ОУ дорівнюватиме напрузі на його вході за величиною, але інверсне по полярності. І ми отримали інвертуючий повторювач . Ця схема нерідко застосовується, якщо потрібно проінвертувати сигнал, отриманий за допомогою схем, які є інверторами. Наприклад, логарифмічні підсилювачі.

Тепер давайте, зберігши номінал Rвх, рівним 1 ком, збільшимо опір Roос до 2 ком при тому ж вхідному сигналі +1 В. Загальний опір дільника Roос + Rвх збільшився до 3 ком. Щоб у його середній точці залишився потенціал 0 В (рівний потенціалу входу, що не інвертує), через Rоос повинен протікати той же струм (1 мА), що і через Rвх. Отже, падіння напруги на Rоос (напруга на виході ОУ) має становити вже 2 В. На виході ОУ напруга дорівнює мінус 2 Ст.

Збільшимо номінал Rоос до 10 ком. Тепер напруга на виході ОУ за тих же інших умов становитиме вже 10 В. О-о-от! Нарешті ми отримали інвертуючий підсилювач ! Його вихідна напруга більше вхідного (іншими словами, коефіцієнт посилення Ку) у стільки разів, скільки разів опір Rоос більше, ніж опір Rвх. Як я не зарікався не застосовувати формули, давайте все-таки відобразимо це у вигляді рівняння:
Ку = - Uвих / Uвх = - Rоос / Rвх. (2)

Знак мінус перед дробом правої частини рівняння означає тільки те, що вихідний сигнал є інверсним по відношенню до вхідного. І нічого більше!

А тепер давайте збільшимо опір Rоос до 20 ком і проаналізуємо, що вийде. Відповідно до формули (2) при Ку = 20 і вхідному сигналі 1 на виході мало б бути напруга 20 В. Ан не тут-то було! Ми ж раніше прийняли припущення, що напруга живлення нашого ОУ становить лише ± 15 В. Але навіть 15 В отримати не вдасться (чому так трохи нижче). «Вище голови (напруги живлення) не стрибнеш»! У результаті такої наруги над номіналами схеми вихідна напруга ОУ «впирається» в напругу живлення (вихід ОУ входить у насичення). Баланс рівності струмів через дільник RoосRвх ( Iвх. = Iоос) порушується, на вході, що інвертує, з'являється потенціал, відмінний від потенціалу на неінвертуючому вході. Правило 2 перестає діяти.

Вхідний опір інвертуючого підсилювачадорівнює опору Rвх, оскільки через нього протікає весь струм джерела вхідного сигналу (GB).

Тепер давайте замінимо постійний Roос на змінний, з номіналом, скажімо 10 кОм (Рис. 6).

Мал. 6 Схема інвертуючого підсилювача зі змінним посиленням

При правому (за схемою) положенні його двигуна посилення становитиме Rоос / Rвх = 10 кОм / 1 кОм = 10. Переміщаючи двигун Rоос вліво (зменшуючи його опір) посилення схеми буде знижуватися і, нарешті, при крайньому лівому його положенні стане рівним нулю, оскільки чисельник у наведеній вище формулі стане рівним нулю при будь-кому значення знаменника. На виході буде нуль також за будь-якого значення і полярності вхідного сигналу. Така схема часто застосовується у схемах посилення звукових сигналів, наприклад, у мікшерах, де доводиться регулювати посилення від нуля.

Б) Неінвертуючевключення (Мал. 7).

Мал. 7 Принцип роботи ОУ у неінвертуючому включенні

Лівий висновок Rвх підключений до середньої точки («землі»), а вхідний сигнал, рівний +1 подано прямо на неінвертуючий вхід. Оскільки нюанси аналізу «розжовані» вище, тут приділятимемо увагу лише суттєвим відмінностям.

На першому етапі аналізу також приймемо опору Rоос і Rвх рівними один одному та складовими 1 кОм. Т.к. на неінвертуючому вході потенціал становить +1 В, то за Правилом 2 такий же потенціал (+1 В) має бути і на вході, що інвертує (показано на малюнку). Для цього на правому висновку резистора Rоос (виході ОУ) має бути напруга +2 В. Струми Iвх.і Iоос, рівні 1 мА, течуть тепер через резистори Rоос і Rвх зворотному напрямку(Показані стрілками). У нас вийшов неінвертуючий підсилювач з посиленням, рівним 2, оскільки вхідний сигнал, рівний +1 формує вихідний сигнал, рівний +2 Ст.

Дивно, чи не так? Номінали ті ж, що і в включенні, що інвертує (відмінність тільки в тому, що сигнал поданий на інший вхід), а посилення в наявності. Розберемося в цьому трохи згодом.

Тепер збільшуємо номінал Rоос до 2 ком. Щоб зберегти баланс струмів Iвх. = Iоосі потенціал входу, що інвертує +1 В, на виході ОУ має бути вже +3 В. Ку = 3 В / 1 В = 3!

Якщо порівняти значення Ку при неінвертуючому включенні з інвертуючим, при тих же номіналах Rоос і Rвх, то виходить, що коефіцієнт посилення у всіх випадках більше на одиницю. Виводимо формулу:
Ку = Uвих / Uвх + 1 = (Rоос / Rвх) + 1 (3)

Чому так відбувається? Так, дуже просто! ООС діє так само, як і при інвертувальному включенні, але згідно з Правилом 2, до потенціалу входу, що інвертує, в неінвертуючому включенні завжди додається потенціал неінвертуючого входу.

Так що ж, при неінвертуючому включенні не можна отримати посилення, що дорівнює 1? Чому ж не можна – можна. Давайте зменшувати номінал Rоос, аналогічно до того, як ми аналізували Рис. 6. При його нульовому значенні - перемиканні виходу з інвертуючим входом накоротко (Рис. 8, А), згідно з Правилом 2, на виході буде така напруга, щоб потенціал входу, що інвертує, дорівнював потенціалу неінвертуючого входу, тобто, +1 В. Отримуємо: Ку = 1 В / 1 В = 1 (!) Ну, а оскільки інвертуючий вхід струму не споживає і різниці потенціалів між ним та виходом немає, то й ніякий струм у цьому ланцюзі не протікає.

Мал. 8 Схема включення ОУ як повторювача напруги

Rвх стає зайвим, т.к. він підключається паралельно навантаженню, на яку повинен працювати вихід ОУ і через нього абсолютно дарма протікатиме його вихідний струм. А що буде, якщо залишити Roос, але прибрати Rвх (Рис. 8, Б)? Тоді у формулі посилення Ку = Rоос / Rвх + 1 опір Rвх теоретично стає близьким до нескінченності (в реальності, звичайно ж, ні, тому що існують витоку по платі, та й вхідний струм ОУ хоч і зневажливо малий, але нулю все- таки не дорівнює), причому співвідношення Rоос / Rвх прирівнюється до нуля. У формулі залишається лише одиниця: Ку = + 1. А посилення менше одиниці для цієї схеми можна отримати? Ні, менше не вийде за жодних обставин. «Зайву» одиницю у формулі посилення на кривій козі не об'їдеш…

Після того, як ми прибрали всі «зайві» резистори, виходить схема неінвертуючого повторювача , показана на мал. 8, Ст.

На погляд, така схема немає практичного сенсу: навіщо потрібно одиничне та ще й неінверсне «посилення» - що, не можна просто подати сигнал далі??? Однак такі схеми застосовуються досить часто і ось чому. Згідно з Правилом 1 струм у входи ОУ не тече, тобто, вхідний опір неинвертирующего повторювача дуже велике - ті самі десятки, сотні і навіть тисячі МОм (це ж відноситься і до схеми Рис. 7)! А от вихідний опірдуже мале (частки Ома!). Вихід ОУ «пихає щосили», намагаючись, згідно з Правилом 2, підтримати на вході, що інвертує, такий же потенціал, як і на неінвертуючому. Обмеженням є лише допустимий вихідний струм ОУ.

А ось з цього місця ми трохи вільнемо убік і розглянемо питання вихідних струмів ОУ трохи докладніше.

Для більшості ОУ широкого застосування технічні параметризазначено, що опір навантаження, підключеного до їх виходу, не повинен бути менше 2 ком. Більше – скільки завгодно. Для набагато меншого числа воно становить 1 ком (К140УД ...). Це означає, що за найгірших умов: максимальної напруги живлення (наприклад, ±16 В або сумарно 32 В), навантаженням, підключеним між виходом і однією з шин живлення і максимальною вихідною напругою протилежної полярності, до навантаження буде додана напруга близько 30 В. При цьому струм через неї складе: 30 В / 2000 Ом = 0,015 А (15 мА). Не так, щоб мало, але й не дуже багато. На щастя більшість ОУ широкого застосування мають вбудований захист від перевищення вихідного струму - типове значення максимального вихідного струму становить 25 мА. Захист запобігає перегріву та виходу ОУ з ладу.

Якщо напруга живлення не максимально допустима, то мінімальний опірнавантаження можна зменшувати пропорційно. Скажімо, при харчуванні 7,5...8 (сумарно 15...16) воно може становити 1 ком.

в) Диференційневключення (Рис. 9).

Мал. 9 Принцип роботи ОУ у диференціальному включенні

Отже, припустимо, що при однакових номіналах Rвх і Rоос, рівних 1 кОм, на обидва входи схеми подані однакові напруги, рівні +1 (Рис. 9, А). Оскільки потенціали по обидва боки резистора Rвх рівні один одному (напруги на резисторі дорівнює 0), струм через нього не протікає. Отже, дорівнює нулю і струм через резистор Roос. Тобто, ці два резистори жодної функції не виконують. По суті ми фактично отримали неінвертуючий повторювач (порівняйте з Рис. 8). Відповідно, на виході отримаємо таку ж напругу, як і на вході, що не інвертує, тобто, +1 В. Поміняємо полярність вхідного сигналу на вході, що інвертує, схеми (перевернемо GB1) і подамо мінус 1 В (Рис. 9, Б). Тепер між висновками Rвх прикладена напруга 2 і через нього тече струм Iвх= 2 мА (сподіваюся, що докладно розписувати, чому так – вже не потрібно?). Для того, щоб компенсувати цей струм, через Roос теж повинен протікати струм, що дорівнює 2 мА. А для цього на виході ОУ має бути напруга +3 ст.

Ось де виявився єхидний «оскал» додаткової одиниці у формулі коефіцієнта посилення підсилювача, що не інвертує. Виходить, що за такого спрощеномудиференційному включенні різниця в коефіцієнтах посилення постійно зсуває вихідний сигнал на величину потенціалу на вході, що не інвертує. Проблема з! Однак, «Навіть якщо вас з'їли – у вас все одно залишається як мінімум два виходи». Отже, нам якимось чином треба зрівняти коефіцієнти посилення інвертуючого та неінвертуючого включень, щоби «нейтралізувати» цю зайву одиницю.

Для цього подамо вхідний сигнал на вхід, що не інвертує, не безпосередньо, а через дільник Rвх2, R1 (Рис. 9, В). Приймемо їх номінали також по 1 кому. Тепер на неінвертуючому (а значить, і на інвертуючому теж) вході ОУ буде потенціал +0,5 В, через нього (і Rоос) протікатиме струм Iвх = Iоос= 0,5 мА, для забезпечення якого на виході ОУ має бути напруга, що дорівнює 0 В. Фу-у-ух! Ми досягли, чого хотіли! При рівних за величиною та полярністю сигналах на обох входах схеми (у даному випадку+1 В, але те саме буде справедливо і для мінус 1 В і для будь-яких інших цифрових значень), на виході ОУ зберігатиметься нульова напруга, що дорівнює різниці вхідних сигналів.

Перевіримо це міркування, подавши на сигнал, що інвертує вхід, негативної полярності мінус 1 В (Рис. 9, Г). При цьому Iвх = Iоос= 2 мА, навіщо на виході має бути +2 У. Все підтвердилося! Рівень вихідного сигналу відповідає різниці між вхідними сигналами.

Звісно, ​​за рівності Rвх1 і Rоос (відповідно, Rвх2 і R1) посилення ми отримаємо. Для цього потрібно збільшити номінали Rоос і R1, як це робили при аналізі попередніх включень ОУ (не повторюватимусь), причому повинно суворо дотримуватися співвідношення:

Rоос/Rвх1 = R1/Rвх2. (4)

Що корисного ми отримуємо від такого включення практично? А отримуємо ми чудову властивість: вихідна напруга не залежить від абсолютних значень вхідних сигналів, якщо вони рівні один одному за величиною та полярністю. На вихід надходить лише різницевий (диференціальний) сигнал. Це дозволяє посилювати дуже малі сигнали на тлі перешкоди, що однаково діє на обидва входи. Наприклад, сигнал з динамічного мікрофонана фоні наведення мережі промислової частоти 50 Гц.

Однак, у цій бочці меду, на жаль, є ложка дьогтю. По-перше, рівність (4) має дотримуватися дуже строго (аж до десятих, а іноді й сотих відсотка!). Інакше виникне розбаланс струмів, що діють у схемі, а отже, крім різницевих (протиофазних) сигналів будуть посилюватися і поєднані (синфазні) сигнали.

Давайте розберемося з сутністю цих термінів (Рис. 10).

Мал. 10 Зсув фази сигналу

Фаза сигналу - це величина, що характеризує усунення початку відліку періоду сигналу щодо початку відліку часу. Оскільки і початок відліку часу, і початок відліку періоду вибираються довільно, фаза одного періодичногосигналу фізичним змістом немає. Однак різниця фаз двох періодичнихсигналів – це величина, що має фізичний сенс, вона відображає запізнення одного сигналів щодо іншого. Що вважати початком періоду, немає жодного значення. За точку початку періоду можна взяти нульове значення із позитивним нахилом. Можна – максимум. Все у нашій владі.

Рис. 9 червоним позначений вихідний сигнал, зеленим - зрушений на період періоду відносно вихідного і синім - на період періоду. Якщо порівняти червону та синю криві з кривими на Мал. 2, Б, можна помітити, що вони взаємно інверсни. Т.ч., «синфазні сигнали» - це сигнали, що збігаються один з одним у кожній своїй точці, а «протифазні сигнали» - інверсніодин щодо одного.

У той же час, поняття інверсіїширше, ніж поняття фази, т.к. останнє застосовується тільки до регулярно повторюваних, періодичним сигналам. А поняття інверсіїзастосовується до будь-яких сигналів, у тому числі і неперіодичним, як, наприклад, звуковий сигнал, цифрова послідовність, або постійна напруга. Щоб фазабула заможною величиною, сигнал має бути періодичним хоча б на деякому інтервалі. В іншому випадку, фаза і період перетворюються на математичні абстракції.

По-друге, інвертуючий та неінвертуючий входи в диференціальному включенні при рівності номіналів Rоос = R1 і Rвх1 = Rвх2 будуть мати різні вхідні опори. Якщо вхідний опір входу, що інвертує, визначається тільки номіналом Rвх1, то неінвертованого - номіналами послідовновключених Rвх2 і R1 (ще не забули, що входи ОУ струму не споживають?). У наведеному вище прикладі вони становитимуть, відповідно, 1 та 2 ком. А якщо ми збільшимо Rоос та R1 для отримання повноцінного підсилювального каскаду, то різниця зросте ще суттєвіше: при Ку = 10 - до, відповідно, все того ж 1 кому і цілих 11 кім!

На жаль, практично зазвичай ставлять номінали Rвх1 = Rвх2 і Rоос = R1. Однак це прийнятно, тільки якщо джерела сигналу для обох входів мають дуже низьке вихідний опір. Інакше воно утворює дільник із вхідним опором даного підсилювального каскаду, а оскільки коефіцієнт поділу таких «дільників» буде різним, то і результат очевидний: диференціальний підсилювач з такими номіналами резисторів не виконуватиме своєї функції придушення синфазних (поєднаних) сигналів, або виконувати цю функцію .

Одним із шляхів вирішення даної проблеми може бути нерівність номіналів резисторів, підключених до інвертуючого та неінвертуючого входів ОУ. А саме, щоб Rвх2 + R1 = Rвх1. Ще одним важливим моментом є досягнення точного дотримання рівності (4). Як правило, цього домагаються шляхом розбиття R1 на два резистори - постійний, зазвичай 90% від потрібного номіналу і змінний (R2), опір якого становить 20% від потрібного номіналу (Рис. 11, А).

Мал. 11 Варіанти балансування диференціального підсилювача

Шлях загальноприйнятий, але знову ж таки, при такому способі балансування нехай і небагато, але змінюється вхідний опір входу, що не інвертує. Набагато стабільніший варіант з включенням підстроювального резистора (R5) послідовно з Rоос (Рис. 11, Б), оскільки Rоос у формуванні вхідного опору входу, що інвертує, участі не бере. Головне - зберегти співвідношення їх номіналів, аналогічно варіанту "А" (Rоос / Rвх1 = R1 / Rвх2).

Коли ми повели мову про диференціальне включення і згадали повторювачі, хотілося б описати одну цікаву схему (Рис. 12).

Мал. 12 Схема інвертованого/неінвертованого повторювача, що перемикається

Вхідний сигнал подається одночасно на обидва входи схеми (інвертуючий та неінвертуючий). Номінали всіх резисторів (Rвх1, Rвх2 і Rоос) рівні одне одному (у разі візьмемо їх реальні значення: 10…100 кОм). Неінвертуючий вхід ОУ ключем SA може замикатися на загальну шину.

У замкнутому положенні ключа (Рис. 12, А) резистор Rвх2 у роботі схеми не бере участі (через нього лише «марно» тече струм Iвх2від джерела сигналу загальну шину). Отримуємо інвертуючий повторювачз посиленням рівним мінус 1 (див. мал. 6). А ось при розімкнутому положенні ключа SA (Рис. 12, Б) отримуємо неінвертуючий повторювачіз посиленням рівним +1.

Принцип роботи цієї схеми можна висловити кілька по-іншому. При замкнутому ключі SA вона працює як підсилювач, що інвертує, з посиленням, рівним мінус 1, а при розімкнутому - одночасно(!) і як підсилювач, що інвертує з посиленням, мінус 1, і як неінвертуючий підсилювач з посиленням +2, звідки: Ку = +2 + (–1) = +1.

У такому вигляді цю схему можна використовувати, якщо, наприклад, на етапі проектування невідома полярність вхідного сигналу (скажімо від датчика, до якого немає доступу до початку налагодження пристрою). Якщо ж як ключ використовувати транзистор (наприклад, польовий), керований від вхідного сигналу за допомогою компаратора(про нього мова вестиметься нижче), то отримаємо синхронний детектор(Синхронний випрямляч). Конкретна реалізація такої схеми, звичайно ж, виходить за рамки початкового ознайомлення з роботою ОУ і ми її тут знову ж таки докладно розглядати не будемо.

А тепер давайте розглянемо принцип підсумовування вхідних сигналів (Рис. 13, А), а заразом розберемося, які ж номінали резисторів Rвх і Rоос повинні бути в реальності.

Мал. 13 Принцип роботи інвертуючого суматора

Беремо за основу вже розглянутий вище підсилювач, що інвертує (Рис. 5), тільки до входу ОУ підключаємо не один, а два вхідних резистора Rвх1 і Rвх2. Поки що, у «навчальних» цілях, приймаємо опори всіх резисторів, включаючи Roос, рівними 1 кОм. На ліві висновки Rвх1 і Rвх2 подаємо вхідні сигнали рівні +1 В. Через ці резистори протікають струми, рівні 1 мА (показані стрілками, спрямованими зліва направо). Для підтримки на вході, що інвертує, такого ж потенціалу, як і на неінвертуючому (0 В), через резистор Rоос повинен протікати струм, рівний сумі вхідних струмів (1 мА +1 мА = 2 мА), показаний стрілкою, спрямованою в протилежному напрямку (справа наліво ), для чого на виході ОУ має бути напруга мінус 2 ст.

Той самий результат (вихідна напруга мінус 2 В) можна отримати, якщо на вхід підсилювача, що інвертує (Рис. 5) подати напругу +2 В, або номінал Rвх зменшити вдвічі, тобто. до 500 Ом. Збільшимо напругу, прикладену до резистори Rвх2 до +2 В (Рис. 13, Б). На виході отримаємо напругу мінус 3, що дорівнює сумі вхідних напруг.

Входів може бути не два, а скільки завгодно багато. Принцип роботи даної схеми від цього не зміниться: вихідна напруга в будь-якому випадку буде прямо пропорційно алгебраїчній сумі (з урахуванням знака!) струмів, що проходять через резистори, підключені до входу ОУ, що інвертує (зворотно пропорційно їх номіналам), незалежно від їх кількості.

Якщо ж, на входи інвертуючого суматора подати сигнали, рівні +1 В і мінус 1 В (Рис. 13, В), то струми, що протікають через них, будуть різноспрямовані, вони взаємно скомпенсуються і на виході буде 0 В. Через резистор Rоос у такому випадку Струм протікати не буде. Іншими словами, струм, що протікає по Rоос, алгебраїчно підсумовується вхіднимиструмами.

Звідси також виникає важливий момент: поки ми оперували невеликими вхідними напругами (1…3 В), вихід ОУ широкого застосування цілком міг забезпечити такий струм (1…3 мА) для Rоос і ще залишалося для навантаження, підключеної до виходу ОУ. Але якщо напруги вхідних сигналів збільшити до максимально допустимих (близьких до напруги живлення), то виходить, що весь вихідний струм піде в Rоос. Для навантаження нічого не залишиться. А кому потрібен підсилювальний каскад, який працює сам на себе? Крім того, номінали вхідних резисторів, рівні всього 1 кОм (відповідно, що визначають вхідний опір підсилювального каскаду, що інвертує), вимагають протікання по них надмірно великих струмів, сильно навантажують джерело сигналу. Тому в реальних схемахопір Rвх вибирається щонайменше 10 кОм, а й бажано трохи більше 100 кОм, щоб за заданому коефіцієнті посилення не ставити Rоос занадто великого номіналу. Хоча ці величини і не є абсолютними, а лише прикидними, як кажуть, «у першому наближенні» - все залежить від конкретної схеми. У будь-якому випадку небажано, щоб через Rоос протікав струм, що перевищує 5 ... 10% максимального вихідного струму даного конкретного ОУ.

Підсумовані сигнали можна подавати і на вхід, що не інвертує. Виходить неінвертуючий суматор. Принципово така схема буде працювати так само, як і суматор, що інвертує, на виході якого буде сигнал, прямо пропорційний вхідним напругам і назад пропорційний номіналам вхідних резисторів. Проте, практично вона використовується набагато рідше, т.к. містить "граблі", які слід враховувати.

Оскільки Правило 2 діє тільки для входу, що інвертує, на якому діє «віртуальний потенціал нуля», то на неінвертуючому буде потенціал, рівний алгебраїчній сумі вхідних напруг. Отже, вхідна напруга, що є на одному з входів, впливатиме на напругу, що надходить на інші входи. Адже «Віртуального потенціалу» на неінвертуючому вході немає! У результаті доводиться застосовувати додаткові схемотехнічні хитрощі.

Досі розглядали схеми на ОУ з ООС. А що буде, якщо зворотний зв'язок усунути взагалі? У такому разі ми отримуємо компаратор(Рис. 14), тобто, пристрій, що порівнює за абсолютного значеннядва потенціали на своїх входах (від англійського слова compare- Порівнювати). На його виході буде напруга, що наближається до однієї з напруг живлення залежно від того, який сигнал більше за інший. Зазвичай вхідний сигнал подається однією з входів, але в інший - постійне напруга, з яким він порівнюється (т.зв. «опорне напруга»). Воно може бути будь-яким, у тому числі й рівним нульовому потенціалу (Рис. 14, Б).

Мал. 14 Схема включення ОУ як компаратора

Однак, не все так добре «в королівстві Датському»… А що станеться, якщо напруга між входами дорівнюватиме нулю? За ідеєю, на виході теж має бути нуль, але насправді - ніколи. Якщо потенціал на одному з входів хоч трохи переважить потенціал іншого, то вже цього буде достатньо, щоб на виході виникли хаотичні стрибки напруги через випадкові збурення, що наводяться на входи компаратора.

Насправді будь-який сигнал є «зашумленим», т.к. ідеалу може бути за визначенням. І в області, наближеній до точки рівності потенціалів входів, на виході компаратора з'явиться пачка вихідних сигналів замість одного чіткого перемикання. Для боротьби з цим явищем у схему компаратора часто вводять гістерезисшляхом створення слабкої позитивної ПІС з виходу на неінвертуючий вхід (Рис. 15).

Мал. 15 Принцип дії гістерези в компараторі за рахунок ПОС

Проаналізуємо роботу цієї схеми. Напруги її живлення становлять ±10 (для рівного рахунку). Опір Rвх дорівнює 1 ком, а Rпос - 10 ком. Як опорну напругу, що надходить на інвертуючий вхід, обраний потенціал середньої точки. Червоною кривою показаний вхідний сигнал, що надходить на лівий висновок Rвх (вхід схемикомпаратора), синій – потенціал на неінвертуючому вході ОУ та зеленій – вихідний сигнал.

Поки вхідний сигнал має негативну полярність, на виході - негативна напруга, яка через Rпос підсумовується з вхідною напругою обернено номіналам відповідних резисторів. В результаті потенціал неінвертуючого входу у всьому діапазоні негативних значень на 1 (за абсолютним значенням) перевищує рівень вхідного сигналу. Як тільки потенціал входу, що не інвертує, зрівняється з потенціалом інвертируючого (для вхідного сигналу це буде становити + 1 В), напруга на виході ОУ почне перемикатися з негативної полярності в позитивну. Сумарний потенціал на неінвертуючому вході розпочнеться лавиноподібноставати ще позитивнішим, підтримуючи процес такого перемикання. У результаті незначні шумові коливання вхідного та опорного сигналів компаратор просто «не помітить», оскільки вони будуть на багато порядків меншими за амплітудою, ніж описана «сходинка» потенціалу на вході, що не інвертує, при перемиканні.

При зниженні вхідного сигналу зворотне перемикання вихідного сигналу компаратора відбудеться при вхідній напрузі мінус 1 В. Ось ця різниця між рівнями вхідного сигналу, що ведуть до перемикання виходу компаратора, дорівнює в нашому випадку сумарно 2, і називається гістерезисом. Чим більший опір Rпос стосовно Rвх (менше глибина ПОС), тим менший гістерезис перемикання. Так, при Rпос = 100 кОм він становитиме всього 0,2, а при Rпос = 1 Мом - 0,02 В (20 мВ). Вибирається гістерезис (глибина ПІС), виходячи з реальних умовфункціонування компаратора у конкретній схемі. В якій і 10 мВ буде багато, а в якій - і 2 мало.

На жаль, не кожен ОУ і не у всіх випадках можна використовувати як компаратор. Випускаються спеціалізовані мікросхеми компараторів, призначені для узгодження між аналоговими та цифровими сигналами. Частина з них спеціалізована для підключення до цифрових ТТЛ-мікросхем (597СА2), частина - цифрових ЕСЛ-мікросхем (597СА1), проте більшість є т.зв. "компараторами широкого застосування" (LM393/LM339/К554СА3/К597СА3). Їхня основна відмінність від ОУ полягає в особливому пристроївихідного каскаду, виконаний на транзисторі з відкритим колектором (Рис. 16).

Мал. 16 Вихідний каскад компараторів широкого застосування
та його підключення до навантажувального резистори

Це вимагає обов'язкового застосування зовнішнього навантажувального резистора(R1) без якого вихідний сигнал просто фізично не здатний сформувати високий (позитивний) вихідний рівень. Напруга +U2, до якого підключається резистор навантаження, може бути іншим, ніж напруга живлення +U1 самої мікросхеми компаратора. Це дозволяє простими засобамизабезпечити вихідний сигнал потрібного рівня - чи він ТТЛ чи КМОП.

Примітка У більшості компараторів, прикладом яких можуть бути здвоєні LM393 (LM193/LM293) або точно такі ж по схемотехніці, але лічильники LM339 (LM139/LM239), емітер транзистора вихідного каскаду з'єднаний з мінусовим виведенням живлення, що кілька обмежує область. У зв'язку з цим хотів би звернути увагу на компаратор LM31 (LM111/LM211), аналогом якого є вітчизняний 521/554СА3, в якому окремо виведені як колектор, так і емітер вихідного транзистора, які можна підключати до інших напруг, ніж напруги живлення компаратора. Єдиним і відносним його недоліком є ​​лише те, що у 8-вивідному (іноді в 14 вивідному) корпусі він лише один.

Досі розглядали схеми, у яких вхідний сигнал надходив на вхід(и) через Rвх, тобто. всі вони були перетворювачамивхідного напруги ввихідний напругаж. При цьому вхідний струм протікав через Rвх. А що буде, якщо його опір прийняти рівним нулю? Працювати схема буде так само, як і розглянутий вище інвертуючий підсилювач, тільки як Rвх буде служити вихідний опір джерела сигналу (Rвих), а ми отримаємо перетворювачвхідного струму ввихідний напруга(Мал. 17).

Мал. 17 Схема перетворювача струму на напругу на ОУ

Оскільки на вході, що інвертує, потенціал такий же, як і на неінвертуючому (в даному випадку дорівнює «віртуальному нулю»), весь вхідний струм ( Iвх) протікатиме через Rоос між виходом джерела сигналу (G) і виходом ОУ. Вхідний опір такої схеми близький до нульового, що дозволяє будувати на її основі мікро/міліамперметри, що практично не впливають на струм, що протікає по ланцюгу, що вимірюється. Мабуть, єдиним обмеженням є допустимий діапазон вхідної напруги ОУ, який не слід перевищувати. З її допомогою можна побудувати також, наприклад, лінійний перетворювач струму фотодіода в напругу та багато інших схем.

Ми розглянули основні принципи функціонування ОУ в різних схемахйого включення. Залишилося одне важливе питання: їх живлення.

Як було сказано вище, ОУ типово має всього 5 висновків: два входи, вихід та два виведення живлення, позитивного та негативного. Загалом використовується двополярне харчування, тобто джерело живлення має три висновки з потенціалами: + U; 0; -U.

Ще раз уважно розглянемо всі наведені вище малюнки та побачимо, що окремого виведення середньої точки в ОУ НІ ! Для роботи їх внутрішньої схемивона просто не потрібна. На деяких схемах із середньою точкою з'єднувався неінвертуючий вхід, однак це не є правилом.

Отже, переважна більшість сучасних ОУ призначені для харчування ОДНОПОЛЯРНИМ напругою! Виникає закономірне питання: «А навіщо тоді потрібно двополярне харчування», якщо ми так завзято і з завидною постійністю зображували його на малюнках?

Виявляється, воно просто дуже зручнодля практичних цілей з наступних причин:

А) Для забезпечення достатнього струму та розмаху вихідної напруги через навантаження (Рис. 18).

Мал. 18 Перебіг вихідного струму через навантаження при різних варіантаххарчуванні ОУ

Поки що не розглядатимемо вхідні (і ООС) ланцюги схем, зображених на малюнку («чорна скринька»). Приймемо як даність, що на вхід подається якийсь вхідний синусоїдальний сигнал (чорна синусоїда на графіках) і на виході виходить такий же синусоїдальний сигнал, посилений по відношенню до вхідного кольорова синусоїда на графіках).

При підключенні навантаження Rнагр. між виходом ОУ та середньої точки з'єднання джерел живлення (GB1 та GB2) - Мал. 18, А струм через навантаження протікає симетрично щодо середньої точки (відповідно, червона і синя напівхвилі), а його амплітуда максимальна і амплітуда напруги на Rнагр. також максимально можлива - вона може досягати майже напруги живлення. Струм від джерела живлення відповідної полярності замикається через ОУ, Rнагр. та джерело живлення (червона та синя лінії, що показують протікання струму у відповідному напрямку).

Оскільки внутрішній опір джерел живлення ОУ дуже мало, струм, що проходить через навантаження, обмежений тільки її опором та максимальним вихідним струмом ОУ, що типово становить 25 мА.

При живленні ОУ однополярною напругою як загальної шини вибирається зазвичай негативний (мінусовий) полюс джерела живлення, до якого підключається другий висновок навантаження (Рис. 18, Б). Тепер струм через навантаження може протікати тільки в одному напрямку (показано червоною лінією), в другому напрямку просто нема звідки взятися. Іншими словами, струм через навантаження стає асиметричним (пульсуючим).

Однозначно стверджувати, що такий варіант поганий, не можна. Якщо навантаженням є, скажімо, динамічна головка, то це погано однозначно. Однак, існує безліч застосувань, коли підключення навантаження між виходом ОУ та однією з шин живлення (як правило, негативної полярності), не тільки допустиме, але й єдине можливе.

Якщо все-таки необхідно забезпечити симетрію протікання струму через навантаження при однополярному живленні, то доводиться гальванічно розв'язувати від виходу ОУ гальванічно конденсатором С1 (Рис. 18, У).

Б) Для забезпечення потрібного струмуінвертуючого входу, а також прив'язкивхідних сигналів до якогось довільно обраномурівнем, прийнятомуза опорний (нульовий) – завдання режиму роботи ОУ по постійному струму (Рис. 19).

Мал. 19 Підключення джерела вхідного сигналу за різних варіантів живлення ОУ

Тепер розглянемо варіанти підключення джерел вхідних сигналів, виключивши з розгляду підключення навантаження.

Підключення інвертуючого та неінвертуючого входів до середньої точки з'єднання джерел живлення (Рис. 19, А) було розглянуто при аналізі наведених раніше схем. Якщо неінвертуючий вхід струму не споживає і просто приймає потенціал середньої точки, то через джерело сигналу (G) і Rвх, включені послідовно, струм протікає, замикаючись через відповідне джерело живлення! А оскільки їх внутрішні опірзневажливо малі в порівнянні з вхідним струмом (на багато порядків менше, ніж Rвх), то й впливу на напругу живлення він практично не надає.

Таким чином, при однополярному живленні ОУ, можна спокійно сформувати потенціал, що подається на його неінвертуючий вхід, за допомогою дільника R1R2 (Рис. 19, Б, В). Типові номінали резисторів цього дільника становлять 10...100 кОм, причому нижній (підключений до загальної мінусової шини) вкрай бажано зашунтувати конденсатором на 10...22 мкф, щоб суттєво знизити вплив пульсацій напруги живлення на такий потенціал. штучною середньої точки.

А ось джерело сигналу (G) до цієї штучної середньої точки підключати вкрай небажано все через той самий вхідний струм. Давайте прикинемо. Навіть за номіналів дільника R1R2 = 10 кОм і Rвх = 10…100 кОм, вхідний струм Iвхскладе в найкращому випадку 1/10, а в гіршому – до 100% струму, що проходить через дільник. Отже, на стільки ж «плаватиме» потенціал на вході, що не інвертує, у поєднанні (синфазно) з вхідним сигналом.

Щоб усунути взаємовплив входів один на одного під час посилення сигналів постійного струму при такому включенні, для джерела сигналу слід організувати окремий потенціалштучної середньої точки, що формується резисторами R3R4 (Рис. 19, Б), або якщо посилюється сигнал змінного струму, гальванічно розв'язати джерело сигналу від входу, що інвертує, конденсатором С2 (Рис. 19, В).

Слід зазначити, що у наведених вище схемах (Рис. 18, 19) ми за умовчанням прийняли припущення, що вихідний сигнал має бути симетричним щодо середньої точки джерел живлення, або штучної середньої точки. Насправді це потрібно не завжди. Досить часто потрібно, щоб вихідний сигнал мав переважно або позитивну або негативну полярність. Тому зовсім не обов'язково, щоб позитивна та негативна полярності джерела живлення були рівними за абсолютним значенням. Одне з них може бути значно меншим за абсолютним значенням, ніж інше - тільки таким, щоб забезпечити нормальне функціонування ОУ.

Виникає закономірне питання: «А яким саме»? Щоб відповісти на нього, коротко розглянемо допустимі діапазони напруги вхідних та вихідного сигналів ОУ.

У будь-якого ОУ потенціал на виході не може бути вищим, ніж потенціал позитивної шини живлення і нижче, ніж потенціал негативної шини живлення. Іншими словами, вихідна напруга не може вийти за межі напруги живлення. Наприклад, для ОУ OPA277 вихідна напруга при опорі навантаження 10 ком менше напруги позитивної шини живлення на 2 В і негативної шини живлення - на 0,5 В. Ширина цих «мертвих зон» вихідної напруги, яких не може досягти вихід ОУ, залежить від ряду факторів, таких як схемотехніка вихідного каскаду, опір навантаження та ін.). Існують ОУ, у яких мертві зони мінімальні, наприклад, по 50 мВ до напруги шин живлення при навантаженні 10 кОм (для OPA340), ця особливість ОУ називається rail-to-rail (R2R).

З іншого боку, для ОУ широкого застосування вхідні сигнали також не повинні перевищувати напруги живлення, а для деяких - бути менше їх на 1,5...2 В. Однак, існують ОУ зі специфічною схемотехнікою вхідного каскаду (наприклад, LM358/LM324) , які можуть працювати не тільки від рівня негативного харчування, але навіть «мінусовіше» його на 0,3 В, що суттєво полегшує їх використання при однополярному харчуванні із загальною негативною шиною.

Давайте нарешті розглянемо і помацаємо цих «жучків-паучків». Можна навіть обнюхати та облизати. Дозволяю. Розглянемо їх найчастіші варіанти, доступні радіоаматорам-початківцям. Тим більше, якщо доводиться випоювати ОУ зі старої апаратури.

Для ОУ старих розробок, які в обов'язковому порядку потребують зовнішніх ланцюгів для частотної корекції, щоб запобігти самозбудженню, була характерна наявність додаткових висновків. Деякі ОУ через це навіть не «влазили» до 8-вивідного корпусу (рис. 20, А) і виготовлялися в 12-вивідних круглих метало-скляних, наприклад, К140УД1, К140УД2, К140УД5 (Рис. 20, Б) або в 14-висновних DIP-корпусах, наприклад, К140УД20, К157УД2 (Рис. 20, В). Абревіатура DIP є скороченням англійського виразу "Dual In line Package" і перекладається як "корпус з двостороннім розташуванням висновків".

Круглий метало-скляний корпус (Рис. 20, А, Б) застосовувався, як основний, для імпортних ОУ приблизно до середини 70-х, а для вітчизняних ОУ - до середини 80-х і застосовується зараз для т.зв. «військових» застосувань («5-е приймання»).

Іноді вітчизняні ОУ розміщувалися в досить «екзотичних» в даний час корпусах: 15-висновний прямокутний метало-скляний для гібридного К284УД1 (Рис. 20, Г), в якому ключем є додатковий 15 виведення від корпусу, та інших. Щоправда, планарні 14-вивідні корпуси (Рис. 20, Д) для розміщення в них ОУ мені особисто не зустрічалися. Вони застосовувалися для цифрових мікросхем.

Мал. 20 Корпуси вітчизняних операційних підсилювачів

Сучасні ж ОУ здебільшого містять коригувальні ланцюги прямо на кристалі, що дозволило обходитися мінімальною кількістю висновків (наприклад - 5-вивідний SOT23-5 для одиночного ОУ - Рис. 23). Це дозволило в одному корпусі розміщувати по два-чотири повністю незалежні (крім загальних висновків живлення) ОУ, виготовлені на одному кристалі.

Мал. 21 Дворядні пластикові корпуси сучасних ОУ для вивідного монтажу (DIP)

Іноді можна зустріти ОУ, розміщені в однорядних 8-вивідних (Рис. 22) чи 9-выводных корпусах (SIP) - К1005УД1. Абревіатура SIP є скороченням англійського виразу "Single In line Package" і перекладається як "корпус з одностороннім розташуванням висновків".

Мал. 22 Однорядний пластиковий корпус здвоєних ОУ для вивідного монтажу (SIP-8)

Вони були розроблені для мінімізації місця, займаного на платі, але, на жаль, «запізнилися»: до цього часу широке поширення зайняли корпуси для поверхневого монтажу (SMD – Surface Mounting Device) шляхом підпаювання прямо до доріжок плати (Мал. 23). Однак, для початківців їх використання є суттєвими складнощами.

Мал. 23 Корпуси сучасних імпортних ОУ для поверхневого монтажу (SMD)

Дуже часто та сама мікросхема може «упаковуватися» виробником у різні корпуси (Рис. 24).

Мал. 24 Варіанти розміщення однієї і тієї ж мікросхеми у різних корпусах

Висновки всіх мікросхем мають послідовну нумерацію, що відраховується від т.зв. "ключа", що вказує на розташування виведення під номером 1. (Мал. 25). У будь-кому у разі, якщо розташувати корпус висновками від себе, їх нумерація по зростаючій проти годинникова стрілка!

Мал. 25 Розміщення висновків операційних підсилювачів
у різних корпусах (цоколівка), вид зверху;
напрямок нумерації показано стрілками

У круглих метало-скляних корпусах ключ має вигляд бокового виступу (Рис. 25, А, Б). Ось з розташування цього ключа можливі величезні розміри «граблі»! У вітчизняних 8-вивідних корпусах (302.8) ключ розташовується навпроти першого виведення (Мал. 25, А), а в імпортних ТО-5 - навпроти восьмого виводу (Мал. 25, Б). У 12-вивідних корпусах як вітчизняних (302.12), так і імпортних ключ розташований міжпершим та 12-м висновками.

Зазвичай вхід, що інвертує, як у круглих метало-скляних, так і в DIP-корпусах, з'єднаний з 2-м висновком, неінвертуючий - з 3-м, вихід - з 6-м, мінус живлення - з 4-м і плюс харчування - з 7-му. Проте, є й винятки (ще одні можливі «граблі»!) у цоколівці ОУ К140УД8, К574УД1. Вони нумерація висновків зсунута однією проти годинникової стрілки проти загальноприйнятої більшість інших типів, тобто. з висновками вони з'єднані, як у імпортних корпусах (Мал. 25, Б), а нумерація відповідає вітчизняним (Мал. 25, А).

У Останніми рокамибільшість ОУ «побутового призначення» стали розміщувати у пластмасових корпусах (Рис. 21, 25, В-Д). У цих корпусах ключем є або поглиблення (точка) навпроти першого виводу, або виріз у торці корпусу між першим і 8 (DIP-8) або 14 (DIP-14) висновками, або фаска вздовж першої половини висновків (Мал. 21, посередині). Нумерація висновків у цих корпусах також триває проти годинникова стрілкапобачивши зверху (висновками від себе).

Як було сказано вище, ОУ з внутрішньою корекцією мають лише п'ять висновків, з яких лише три (два входи та вихід) належать кожному окремому ОУ. Це дозволило в одному 8-вивідному корпусі розмістити на одному кристалі по два повністю незалежних (за винятком плюсу та мінусу живлення, що вимагають ще двох висновків) ОУ (Рис. 25, Г), а в 14-вивідному корпусі - навіть чотири (Мал. 25, Д). В результаті в даний час більшість ОУ випускаються як мінімум здвоєними, наприклад, TL062, TL072, TL082, дешеві і прості LM358 та ін. внутрішньої структури, але четвірні - відповідно, TL064, TL074, TL084 і LM324.

У відносинах вітчизняного аналога LM324 (К1401УД2) існують ще одні «граблі»: якщо в LM324 плюс живлення виведений на 4-й висновок, а мінус – на 11-й, то в К1401УД2 навпаки: плюс живлення виведений на 11-й висновок, а мінус – на 4 -й. Однак, жодних складнощів із розведенням ця відмінність не викликає. Оскільки цоколівка висновків ОУ повністю симетрична (Рис. 25, Д), потрібно просто перевернути корпус на 180 градусів, щоб 1-й висновок зайняв місце 8-го. Та й усе.

Пара слів щодо маркування імпортних ОУ (та й не лише ОУ). Для низки розробок перших 300 цифрових позначень прийнято позначати групу якості першої цифрою цифрового коду. Наприклад, ОУ LM158/LM258/LM358, компаратори LM193/LM293/LM393, регульовані трививідні стабілізатори TL117/TL217/TL317 та ін повністю ідентичні по внутрішній структурі, але розрізняються за температурним робочим діапазоном. Для LM158 (TL117) діапазон робочих температур становить від мінус 55 до +125…150 градусів за Цельсієм (т.зв. «бойовий» чи військовий діапазон), для LM258 (TL217) – від мінус 40 до +85 градусів («промисловий») діапазон) та для LM358 (TL317) - від 0 до +70 градусів («побутовий» діапазон). При цьому ціна на них може бути абсолютно не відповідної такої градації, або відрізнятись дуже незначно ( несповідні шляхи ціноутворення!). Так що купувати їх можна з будь-яким маркуванням, доступним «для кишені» початківця, особливо не ганяючись за першою «трійкою».

Після вичерпання перших трьох сотень цифрового маркування групи надійності стали відзначати літерами, значення яких розшифровуються в даташит (Datasheet дослівно перекладається як «таблиця даних») на дані компоненти.

Висновок

Ось ми й вивчили «азбуку» роботи ОУ, трохи захопивши компаратори. Далі треба вчитися складати з цих «літер» слова, речення та цілі осмислені «твори» (працездатні схеми).

На жаль, «Неможливо осягнути неосяжне». Якщо викладений у цій статті матеріал допоміг зрозуміти, як працюють ці «чорні ящики», то подальше поглиблення у розбір їхньої «начинки», впливу вхідних, вихідних та перехідних характеристик є завданням більш просунутого вивчення. Інформація про це докладно та досконало викладена у безлічі існуючої літератури. Як казав дідусь Вільям Оккам: «Не слід множити сутності понад необхідне». Нема чого повторювати вже добре описане. Потрібно тільки не лінуватися та прочитати її.

11. http://www.texnic.ru/tools/lekcii/electronika/l6/lek_6.html

Потім дозвольте відкланятися, з повагою та ін., автор Олексій Соколюк ()