3.1: Операційні підсилювачі

Last updated
Save as PDF

Page ID: 26822

\( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)

Операційний підсилювач (або операційний підсилювач, коротко) - це електрична схема, яка має різноманітне застосування, деякі з яких ми розглянемо в цьому розділі: як посилити і виміряти сигнал від перетворювача (детектора), і як виконувати математичні операції над сигналами. У цьому розділі ми надамо основний огляд операційних підсилювачів, не турбуючись про конкретні внутрішні деталі його електричного кола.

Примітка

Відмінним ресурсом для цього розділу та інших розділів цієї глави є Принципи електронного приладобудування Джеймса Діфендерфера та опублікована компанією WB. Saunders Company, 1972.

Символічне зображення операційного підсилювача

Малюнок\(\PageIndex{1}\) забезпечує символічне зображення операційного підсилювача. Велика трикутна форма - це операційний підсилювач, який являє собою велику схему, точна конструкція якої нас не цікавить; таким чином, проста форма. Операційний підсилювач має два входи напруги, які ідентифікуються як\(v_{-}\) і як\(v_{+}\) і\(-\) позначені як і\(+\) на операційному підсилювачі. Різниця між\(v_{-}\) і\(v_{+}\) визначається як\(v_{s}\). Операційний підсилювач також має єдиний вихід напруги, який ідентифікується як\(v_{out}\). Всі напруги вимірюються щодо схеми загальної 0 В, представленої малим трикутником внизу фігури, що забезпечує спільне посилання; схема загальна мається на увазі присутній навіть тоді, коли вона не показана. Не входять в цю цифру підключення до блоку живлення, які необхідні для його роботи.

Представлення основного операційного підсилювача. — Малюнок\(\PageIndex{1}\). Представлення операційного підсилювача. Докладніше про це дивіться в тексті.

Інвертування та неінвертування входів

Знак мінус та знак плюса, які відображаються як мітки на операційному підсилювачі на малюнку,\(\PageIndex{1}\) не означають, що один вхід має позитивне значення, а інший вхід має від'ємне значення. Замість цього інвертується вхід на провід з негативним знаком: якщо\(v_{-}\) негативна напруга постійного струму, то вихідна напруга\(v_{out}\), - позитивна напруга постійного струму, а якщо\(v_{-}\) позитивна напруга постійного струму, то вихідна напруга\(v_{out}\), - це негативна напруга постійного струму. Для\(v_{-}\) входу змінного струму вихід становить 180° поза фазою, що передбачає розворот знака. Інший вхід до операційного підсилювача не інвертує, що означає, що застосування позитивної напруги\(v_{+}\) призводить до позитивного сигналу при\(v_{out}\).

Основні властивості операційних підсилювачів

Ідеальний операційний підсилювач має кілька важливих властивостей, які випливають з його внутрішньої схеми. Перше з цих властивостей полягає в тому, що коефіцієнт посилення операційного підсилювача\(A\), який визначається як відношення вихідної напруги до вхідної напруги

\[A_{op} = - \frac{v_{out}}{v_{s}} = - \frac{v_{out}}{v_{-} - v_{+}} \label{prop1} \]

дуже великий, зазвичай на порядку 10 ⁴ — 10 ⁶. Ми повинні бути обережними, коли ми використовуємо термін посилення, оскільки може бути значна різниця між коефіцієнтом посилення операційного підсилювача та коефіцієнтом посилення схеми, яка містить операційний підсилювач. Коефіцієнт посилення операційного підсилювача, який ми маємо на увазі під Equation\ ref {prop1}, називається коефіцієнтом посилення розімкнутого контуру. Коефіцієнт посилення схеми, що містить операційний підсилювач, називається коефіцієнтом посилення із замкнутим контуром. Там, де є неоднозначність, ми будемо обережні, щоб посилатися на посилення\(A_{op}\) операційного підсилювача або на посилення схеми\(A_c\), оскільки вони є більш описовими.

Друга властивість операційного підсилювача полягає в тому, що незалежно від конкретних значень\(v_{-}\) і\(v_{+}\), внутрішня схема операційного підсилювача розроблена таким чином, що струм між двома входами фактично дорівнює нулю; по суті\(Z\), опір між двома входами настільки великий, що від Закон Ома\(V = I \times Z\), струм між цими двома входами є\(I \approx 0\). Великий вхідний опір означає, що ми можемо підключити наш операційний підсилювач до джерела високої напруги і знати, що він буде проводити невеликий струм замість того, щоб перевантажувати ланцюг, що включає операційний підсилювач.

Третя властивість операційного підсилювача полягає в тому, що його вихідний опір дуже малий, а це означає, що ми можемо витягнути струм із схеми, яка відповідає нашим потребам - цей струм витягується з джерела живлення операційного підсилювача - навіть якщо струм в операційний підсилювач дорівнює нулю. Наприклад, якщо коефіцієнт посилення схеми невеликий, ми можемо використовувати операційний підсилювач, щоб забезпечити великий коефіцієнт посилення струму.