Что такое операционный усилитель
Операционный усилитель (ОУ) — усилитель постоянного тока с очень большим коэффициентом усиления, дифференциальным входом (инвертирующий «−» и неинвертирующий «+») и одним выходом. Сам по себе его усиление огромно (десятки-сотни тысяч), поэтому ОУ почти всегда работает с отрицательной обратной связью, которая и задаёт точный, предсказуемый коэффициент. ОУ — универсальный «строительный блок» аналоговой техники.
Идеальный ОУ
Для расчётов удобна модель идеального ОУ:
- бесконечное усиление и входное сопротивление, нулевое выходное;
- входы тока не потребляют;
- при наличии ООС напряжения на входах равны («виртуальное короткое замыкание»).
Эти два правила (входы не берут ток; напряжения на входах равны) позволяют рассчитать почти любую схему на ОУ.
Базовые схемы
| Схема | Коэффициент / функция |
|---|---|
| Неинвертирующий усилитель | K = 1 + R2/R1 |
| Инвертирующий усилитель | K = −R2/R1 |
| Повторитель (буфер) | K = 1, высокое входное сопротивление |
| Сумматор | сложение взвешенных напряжений |
| Интегратор / дифференциатор | с конденсатором в ОС |
| Компаратор | сравнение (без ОС), выход «выше/ниже» |
Реальные параметры
От идеала реальный ОУ отличают: напряжение смещения нуля, входные токи, конечное усиление и полоса (произведение усиление×полоса), скорость нарастания (slew rate), шум. Их учитывают в прецизионных, высокочастотных и малошумящих применениях.
Применение
Усиление и согласование сигналов датчиков, активные фильтры (Саллен-Ки), компараторы и триггеры, генераторы, источники опорного напряжения, преобразователи ток-напряжение. ОУ — основа аналоговой обработки сигналов перед оцифровкой.
Частые вопросы
Что такое «виртуальная земля»?
В инвертирующей схеме неинвертирующий вход заземлён, а ООС удерживает инвертирующий вход в том же потенциале — он оказывается «виртуально» на нуле, хотя физически не соединён с землёй. Это упрощает расчёт токов узла.
Чем компаратор отличается от усилителя на ОУ?
Компаратор работает без отрицательной ОС и сравнивает два напряжения, выдавая на выходе одно из двух состояний. Усилитель же с ООС даёт линейный выход, пропорциональный входу.
Итоги
Операционный усилитель — универсальный аналоговый блок с огромным усилением, работающий с обратной связью, которая задаёт точную функцию. На нём строят усилители, фильтры, сумматоры, интеграторы и компараторы. Два правила идеального ОУ (входы не берут ток, напряжения на входах равны) позволяют рассчитать почти любую его схему.
Смотрите также: Усилители · Активные фильтры · Закон Ома.