Операционный усилитель

Операционный усилитель  – это дифференциальный усилитель постоянного тока с очень большим коэффициентом усиления и несимметричным выходом.
Промышленность выпускает сейчас сотни типов операционных усилителей. Условное обозначение, принятое для всех типов, представлено на рисунке.
обозначение операционного усилителя
На рисунке показан пример соединения с выводами корпуса. Точка на крышке корпуса и выемка на его торце служат для обозначения точки отсчета при нумерации выводов.
точка отсчета на микросхеме операционного усилителя
В большинстве корпусов электронных схем нумерация выводов осуществляется в направлении против часовой стрелки со стороны крышки корпуса. Выводы «установка нуля» (или «баланс», «регулировка») служат для устранения небольшой асимметрии, возможно в операционном усилителе.
 Входы обозначают (+) и (–). Работают они следующим образом: выходной сигнал изменяется в положительном направлении, когда потенциал на входе (+) становится более положительным, чем потенциал на входе (–), и наоборот. 
Символы «+» и «–» не означают, что на одном входе потенциал всегда должен быть более положительным, чем на другом; эти символы просто указывают относительную фазу выходного сигнала.
Во избежание путаницы лучше называть входы «инвертирующий» и «неинвертирующий», а не вход «плюс» и – вход «минус». На схемах часто не показывают подключение источников питания к операционному усилителю и вывод, предназначенный для заземления. Операционные усилители обладают колоссальным коэффициентом усиления по напряжению и никогда  (за редким исключением) не используются без обратной связи. Можно сказать, что операционные усилители созданы для работы с обратной связью. Коэффициент усиления схемы без обратной связи так велик, что при наличии замкнутой петли обратной связи характеристики усилителя зависят только от схемы обратной связи. Поэтому для начала стоит сказать несколько слов о том, что же такое обратная связь.

Обратная связь

Понятие «обратная связь» относится к числу распространенных, оно давно вышло за рамки узкой области техники и употребляется сейчас в широком смысле. В системах управления обратная связь используется для сравнения выходного сигнала с заданным значением и выполнения соответствующей коррекции. В качестве «системы» может выступать что угодно, например процесс управления движущимся по дороге автомобилем. За выходными данными (положением машины и ее скоростью) следит водитель, который сравнивает их с ожидаемыми значениями и соответственно корректирует входные данные (с помощью руля, переключателя скоростей, тормоза).
В усилительной схеме выходной сигнал должен быть кратен входному, поэтому в усилителе с обратной связью входной сигнал сравнивается с определенной частью выходного сигнала.
Отрицательная обратная связь – это процесс передачи выходного сигнала обратно на вход, при котором погашается часть входного сигнала. Может показаться, что это глупая затея, которая приведет лишь к уменьшению коэффициента усиления. Действительно, отрицательная обратная связь уменьшает коэффициент усиления, но при этом она улучшает другие параметры схемы, например, устраняет искажения и нелинейность, сглаживает частотную характеристику (приводит ее в соответствие с нужной характеристикой), делает поведение схемы предсказуемым. Чем глубже отрицательная обратная связь, тем меньше внешние характеристики усилителя зависят от характеристик усилителя с разомкнутой обратной связью (без обратной связи), и в конечном счете оказывается, что они зависят только от свойств самой схемы обратной связи.
Операционные усилители обычно используют в режиме глубокой обратной связи, а коэффициент усиления по напряжению в разомкнутой петле обратной связи (т.е. без нее) достигает в этих схемах миллиона. Цепь обратной связи может быть частотно‑зависимой, тогда коэффициент усиления будет определенным образом зависеть от частоты (примером может служить предусилитель звуковых частот в проигрывателе). Если же цепь обратной связи является амплитудно‑зависимой, то усилитель обладает нелинейной характеристикой. Распространенным примером такой схемы служит логарифмический усилитель, в котором в цепи обратной связи используется логарифмическая зависимость напряжения U БЭ от тока IК  в диоде или транзисторе.
Обратную связь можно использовать для формирования источника тока (выходной импеданс близок к бесконечности) или источника напряжения (выходной импеданс близок к нулю), с ее помощью можно получить очень большое или очень малое входное сопротивление. Т.е. тот параметр, по которому вводится обратная связь, с ее помощью улучшается. Например, если для обратной связи использовать сигнал, пропорциональный выходному току, то получим хороший источник тока.
Обратная связь может быть и положительной. Ее используют, например в генераторах. Как ни странно, она не столь полезна, как отрицательная. Скорее она связана с неприятностями, так как в схеме с отрицательной обратной связью на высокой частоте могут возникать достаточно большие сдвиги по фазе, приводящие к возникновению положительной обратной связи и нежелательным автоколебаниям. Для того чтобы эти явления возникли, не нужно прикладывать большие усилия, а вот для предотвращения нежелательных автоколебаний прибегают к методам коррекции.

Важные правила

Во‑первых, операционный усилитель обладает таким большим коэффициентом усиления по напряжению, что изменение напряжения между входами на несколько долей милливольта вызывает изменение выходного напряжения в пределах его полного диапазона, поэтому не будем рассматривать это небольшое напряжение, а сформулируем правило 1:
  • Выход операционного усилителя стремится к тому, чтобы разность напряжений между его входами была равна нулю.
Во‑вторых, операционный усилитель потребляет очень небольшой входной ток (операционный усилитель с входами на полевых транзисторах – порядка пикоампер). Не вдаваясь в более глубокие подробности, сформулируем правило 2:
  • Входы операционного усилителя ток не потребляют.
Здесь необходимо дать пояснение: правило 1 не означает, что операционный усилитель действительно изменяет напряжение на своих входах. Операционный усилитель «оценивает» состояние входов и с помощью внешней схемы обратной связи передает напряжение с выхода на вход, так что в результате разность напряжений между входами стремится к нулю.

Инвертирующий усилитель

Рассмотрим схему на рисунке
Инвертирующий усилитель. Операционный усилитель
Инвертирующий усилитель
Проанализировать ее будет нетрудно, если вспомнить сформулированные выше правила:
  1. Потенциал точки В равен потенциалу земли, следовательно, согласно правилу I, потенциал точки А также равен потенциалу земли.
  2. Это означает, что:
а) падение напряжения на резисторе R2  равно Uвых,
б) падение напряжения на резисторе R1  равно Uвх.
 
  1. Воспользовавшись теперь правилом II, получим Uвых /R2 = – Uвх /R1  или коэффициент усиления по напряжению = Uвых /Uвх  = – R2 /R1 . Позже вы узнаете, что чаще всего точку В  лучше заземлять не непосредственно, а через резистор. Однако сейчас это не имеет для вас значения.
Анализ схемы на операционном усилителе оказался слишком простым. Он, правда, не позволяет судить о том, что на самом деле происходит в схеме. Для того чтобы понять, как работает обратная связь, представим себе, что на вход подан некоторый уровень напряжения, скажем 1 В.
Для конкретизации допустим, что резистор R1  имеет сопротивление 10 кОм, а резистор R2  – 100 кОм. Теперь представим себе, что напряжение на выходе решило выйти из повиновения и стало равно 0 В.
Что произойдет? Резисторы R1  и R2  образуют делитель напряжения, с помощью которого потенциал инвертирующего входа поддерживается равным 0,91В. Операционный усилитель фиксирует рассогласование по входам, и напряжение на его выходе начинает уменьшаться. Изменение продолжается до тех пор, пока выходное напряжение не достигнет значения -10 В. В этот момент потенциалы входов ОУ станут одинаковыми и равными потенциалу земли. Аналогично, если напряжение на выходе начнет уменьшаться и дальше и станет более отрицательным, чем –10 В, то потенциал на инвертирующем входе станет ниже потенциала земли, в результате выходное напряжение начнет расти.
Как определить входной импеданс рассматриваемой схемы? Оказывается, просто. Потенциал точки А  всегда равен 0 В (так называемое мнимое заземление или квазинуль сигнала). Следовательно, Zвх  = R1.
 Следует отметить, что полученные результаты справедливы и для сигналов постоянного тока – схема представляет собой усилитель постоянного тока. Поэтому, если источник сигнала смещен относительно земли (источником является, например, коллектор предыдущего каскада), можно использовать  для связи каскадов конденсатор (иногда такой конденсатор называют блокирующим, так как он блокирует сигнал постоянного тока, а передает сигнал переменного тока). Таким образом, когда интерес представляют только сигналы переменного тока, вполне допустимо использовать блокирующие конденсаторы.
Недостаток  схемы инвертирующего усилителя состоит в том, что она обладает малым входным импедансом. Особенно характерно для усилителей с большим коэффициентом усиления по напряжению (при замкнутой цепи обратной связи), в которых резистор R1 , как правило, бывает небольшим. Этот недостаток устраняет схема неинвертирующего усилителя.

Неинвертирующий усилитель

Рассмотрим схему на рисунке
Операционные усилители
Неинвертирующий усилитель.
Анализ ее крайне прост: UA  = Uвх. Напряжение UA снимается с делителя напряжения:
 UA  = UвыхR1 /(R 1 + R2 ).
Если UA  = Uвх, то коэффициент усиления = Uвых /Uвх  = 1 + R2 /R1 .
Это неинвертирующий усилитель. В приближении, которым мы воспользуемся, входной импеданс этого усилителя бесконечен (для операционного усилителя на биполярных транзисторах обычно превышает 108 Ом). Выходной импеданс, как и в предыдущем случае, равен долям ома (при формировании источника напряжения с помощью обратной связи). Если, как в случае с инвертирующим усилителем, мы внимательно рассмотрим поведение схемы при изменении напряжения на входах, то увидим, что она работает, как обещано.
Эта схема также представляет собой усилитель постоянного тока. Если источник сигнала и усилитель связаны между собой по переменному току, то для входного тока (очень небольшого по величине) нужно предусмотреть заземление.
усилитель постоянного тока. Операционный усилитель
Для представленных на схеме величин компонентов коэффициент усиления по напряжению равен 10, а точке – 3 дБ (т.е. частоте среза) соответствует частота 16 Гц.
Усилитель переменного тока.  Если усиливаются только сигналы переменного тока, то можно уменьшить коэффициент усиления для сигналов постоянного тока до единицы, особенно если усилитель обладает большим коэффициентом усиления по напряжению. Это позволяет уменьшить влияние всегда существующего конечного «приведенного к входу напряжения сдвига». Для схемы, представленной на рисунке ниже, точке –3 дБ соответствует частота 17 Гц. На этой частоте импеданс конденсатора равен 2,0 кОм.
усилитель переменного тока. Операционный усилитель
Обратите внимание, что конденсатор должен быть большим. Если для построения усилителя переменного тока использовать неинвертирующий усилитель с большим усилением, то конденсатор может оказаться чрезмерно большим. В этом случае лучше обойтись без конденсатора и настроить напряжение сдвига так, чтобы оно было равно нулю. Можно воспользоваться другим методом – увеличить сопротивления резисторов R1  и R2  и использовать Т‑образную схему делителя.
Несмотря на высокий входной импеданс, к которому всегда стремятся разработчики, схеме неинвертирующего усилителя не всегда отдают предпочтение перед схемой инвертирующего усилителя. Инвертирующий усилитель не предъявляет столь высоких требований к операционному усилителю и, следовательно, обладает несколько лучшими характеристиками. Кроме того, благодаря мнимому заземлению удобно комбинировать сигналы без их взаимного влияния друг на друга. И наконец, если рассматриваемая схема подключена к выходу (стабильному) другого операционного усилителя, то величина входного импеданса безразлична – это может быть 10 кОм или бесконечность, так как в любом случае предыдущий каскад будет выполнять свои функции по отношению к последующему.

Повторитель

На рисунке представлен повторитель, подобный эмиттерному, на основе операционного усилителя. Он представляет собой не что иное, как неинвертирующий усилитель, в котором сопротивление резистора R1  равно бесконечности, а сопротивление резистора R2 ‑ нулю (коэффициент усиления = 1).
Повторитель. Операционный усилитель
Повторитель
Существуют специальные операционные усилители, предназначенные для использования только в качестве повторителей, они обладают улучшенными характеристиками (в основном более высоким быстродействием), примером такого операционного усилителя является схема типа LM310 или ОРАб33, а также схемы упрощенного типа, например схема типа TL068 (она выпускается в транзисторном корпусе с тремя выводами).
Усилитель с единичным коэффициентом усиления называют иногда буфером, так как он обладает изолирующими свойствами (большим входным импедансом и малым выходным).

Источники тока

На рисунке ниже изображена схема, которая является хорошим приближением к идеальному источнику тока, без сдвига напряжения UБЭ, характерного для транзисторного источника тока.
Усилитель с единичным коэффициентом усиления называют иногда буфером, так как он обладает изолирующими свойствами (большим входным импедансом и малым выходным).
источник тока. Операционный усилитель
Благодаря отрицательной обратной связи на инвертирующем входе поддерживается напряжение Uвх, под действием которого через нагрузку протекает ток I = UвхR. Основной недостаток этой схемы состоит в том, что нагрузка является «плавающей» (она не заземлена). С помощью такого источника тока нельзя, например, получить пригодный к использованию пилообразный сигнал, напряжение которого отсчитывалось бы относительно потенциала земли. Этот недостаток можно преодолеть, если, например, всю схему (источники питания и все остальное) сделать «плавающей», а нагрузку заземлить.
Операционные усилители
Источник тока с заземленной нагрузкой и плавающим источником питания.
Штриховой линией обведен рассмотренный выше источник тока с источниками питания.
Резисторы R1  и R2  образуют делитель напряжения для установки тока. Чтобы вид этой схемы не смущал вас, напомним, что «земля» – это понятие относительное. Любую точку в схеме можно назвать «землей». Представленную схему используют для формирования токов, протекающих через заземленную нагрузку. Но ее существенный недостаток в том, что управляющий вход является плавающим. Это значит, что выходной ток нельзя задать (запрограммировать) с помощью входного напряжения, отсчитываемого от потенциала земли
С помощью операционного усилителя и подключенного к нему транзистора можно построить простой и высококачественный источник тока для заземленной нагрузки. Небольшое дополнение к схеме операционного усилителя позволяет использовать на управляющем входе напряжение, измеряемое относительно земли:
Источники тока с заземленными нагрузками, не требующие плавающего источника питания.
Источники тока с заземленными нагрузками, не требующие плавающего источника питания.
В первой схеме а обратная связь создает на резисторе R падение напряжения, равное UKK – Uвх, которое в свою очередь порождает эмиттерный ток (а следовательно, и выходной ток), равный IЭ = (UKKUвх)/R. При работе с этой схемой не приходится беспокоиться о напряжении UБЭ  и его изменениях, связанных с изменениями температуры, IК, UКЭ  и т. п. Несовершенство этого источника тока  проявляется лишь в том, что небольшой базовый ток может немного изменяться в зависимости от напряжения UКЭ  (предполагаем, что операционный усилитель не потребляет входной ток). Этот недостаток – небольшая плата за возможность использования заземленной нагрузки. Если в качестве транзистора T1 использовать составной транзистор Дарлингтона, то погрешность будет существенно уменьшена. Погрешность возникает в связи с тем, что операционный усилитель стабилизирует эмиттерный  ток, а в нагрузку поступает коллекторный ток. Если в этой схеме вместо биполярного использовать полевой транзистор, то проблема будет полностью решена, так как затвор полевого транзистора тока не потребляет.
В рассматриваемой схеме выходной ток пропорционален величине, на которую напряжение, приложенное к неинвертирующему входу операционного усилителя, ниже, чем напряжение питания UKK. Иными словами, напряжение, с помощью которого программируется работа схемы, измеряется относительно напряжения питания UKK. И все будет в порядке, если напряжение Uвх является фиксированным и формируется с помощью делителя напряжения. Если же напряжение на вход должно подаваться от внешнего источника, то возможны неприятности.
Этого недостатка лишена вторая схема б, в которой первый источник тока с транзистором n‑р‑n ‑типа служит для преобразования входного управляющего напряжения (измеряемого относительно земли) во входное напряжение, измеряемое относительно UKK , для оконечного источника тока.
Одно существенное замечание, касающееся последней схемы: операционный усилитель должен работать при условии, что напряжение на его входах близко или равно положительному питающему напряжению. Альтернативный вариант – использование для питания ОУ отдельного источника напряжения U+, превышающего напряжение UKK .
На рисунке ниже представлен вариант схемы источника тока на основе операционного усилителя и транзисторов.
Источник тока на полевых/биполярных транзисторах, предназначенный для больших токов.
Источник тока на полевых/биполярных транзисторах, предназначенный для больших токов.
Преимущество этой схемы состоит в том, что базовый ток, приводящий к ошибке в случае использования полевых транзисторов, здесь равен нулю. Выходной ток не ограничивается значением IСИ (вкл.). Фактически – это не источник, а потребитель тока. В этой схеме транзистор Т2 начинает проводить, когда через транзистор Т1 протекает ток стока величиной приблизительно 0,6 мА.
При минимальном значении IСИ  для Т1 , равном 4 мА, и подходящем значении β  для Т2  величина тока, протекающего через нагрузку, может достигать 100 мА и более (для получения бóльших токов транзистор Т2  можно заменить транзистором Дарлингтона, при этом нужно соответственно уменьшить R1). В данной схеме были использованы полевые транзисторы с p‑n ‑переходом, но еще лучше было бы использовать полевые МОП‑транзисторы (см. полевые транзисторы). Все дело в том, что для операционных усилителей на полевых транзисторах с p‑n ‑переходом требуется расщепленный источник питания, обеспечивающий диапазон напряжения на затворе, достаточный для перехода транзистора в режим отсечки. Ничего не стоит с помощью простого мощного полевого МОП‑транзистора получить ток побольше. Однако мощным полевым транзисторам присущи большие межэлектродные емкости, а представленная здесь гибридная схема как раз и позволяет преодолеть связанные с этим проблемы.
Для ознакомления стоит упомянуть об источнике тока Хауленда. Если резисторы подобраны таким образом, что выполняется соотношение R3 /R2  = R4 /R1 , то можно показать, что справедливо равенство: Iн  = – Uвх /R2 .
Источник тока Хауленда. Операционный усилитель
Эта схема всем хороша, кроме одного: резисторы должны быть точно согласованы, иначе источник тока будет далек от совершенства. При больших выходных токах резисторы должны быть небольшими, тем самым ограничивается выходной диапазон. Кроме того, на высоких частотах (усиление в цепи обратной связи невелико) выходной импеданс может существенно уменьшаться – от требуемого бесконечного значения до всего лишь нескольких сотен ом (что соответствует выходному импедансу операционного усилителя с разомкнутой обратной связью). Хоть эта схема и хороша с виду, на практике ее используют редко.

Предостережения по работе с операционными усилителями

  1. Правила I и II, сформулированные выше, справедливы для любого операционного усилителя при условии, что он находится в активном режиме, т. е. его входы и выходы не перегружены.
Например, если подать на вход усилителя чересчур большой сигнал, то это приведет к тому, что выходной сигнал будет срезаться вблизи уровня UKK или UЭЭ. В то время, когда напряжение на выходе оказывается фиксированным на уровне напряжения среза, напряжение на входах не может не изменяться. Размах напряжения на выходе операционного усилителя не может быть больше диапазона напряжения питания. Обычно размах меньше диапазона питания на 2 вольта, хотя в некоторых операционных усилителях размах выходного напряжения ограничен одним или другим напряжением питания. Аналогичное ограничение накладывается на выходной диапазон устойчивости источника тока на основе операционного усилителя.
Например, в источнике тока с плавающей нагрузкой максимальное падение напряжения на нагрузке, при направлении тока, совпадающем с направлением приложенного напряжения, составляет UKK – Uвх, а при обратном направлении тока – (Uвх–UЭЭ).  Нагрузка при обратном направлении тока может быть довольно странной, например, она может содержать переполюсованные батареи для получения прямого тока заряда или может быть индуктивной и работать с токами, меняющими направление.
  1. Обратная связь должна быть отрицательной. Это означает (помимо всего прочего), что нельзя путать инвертирующий и неинвертирующий входы.
  1. В схеме операционного усилителя обязательно должна быть предусмотрена цепь обратной связи по постоянному току, в противном случае операционный усилитель обязательно попадет в режим насыщения.
Например, в неинвертирующем усилителе можно было цепь обратной связи заземлить через конденсатор (для того, чтобы сделать коэффициент усиления по постоянному току равным единице, см. рисунок выше). Но мы не могли просто подключить его последовательно между инвертирующим и неинвертирующим входами.
  1. Многие операционные усилители имеют довольно малое предельно допустимое дифференциальное входное напряжение. Максимальная разность напряжений между инвертирующим и неинвертирующим входами может быть ограничена величиной 5 В для любой полярности напряжения. Если пренебречь этим условием, то возникнут большие входные токи, которые приведут к ухудшению характеристик или даже к разрушению операционного усилителя.

Примеры схем

Схема с инвертированием.  Схемы, представленные на рисунке, позволяют инвертировать входной сигнал или пропускать его без инвертирования в зависимости от положения переключателя. Положение переключателя определяет также коэффициент усиления по напряжению – он может быть равен или +1, или –1.
Схема с инвертированием. Операционный усилитель
Схема с инвертированием. Операционный усилитель
Повторитель со следящей связью.  В транзисторных усилителях на величину входного импеданса могут влиять цепи смещения. Такая же проблема возникает при использовании операционного усилителя, особенно с межкаскадными связями по переменному току, когда ко входу обязательно должен быть подключен заземленный резистор. Схема со следящей связью, представленная на рисунке, позволяет решить эту проблему.
Повторитель со следящей связью. Операционный усилитель
Конденсатор емкостью 0,1 мкФ вместе с верхним резистором с сопротивлением 1 МОм образует для входных сигналов высокоомную входную цепь. Низкочастотный спад усиления для этой схемы начинается на частоте 10 Гц. На более низких частотах на спаде усиления начинает сказываться влияние обоих конденсаторов, и ослабление оценивается величиной 12 дБ/октава.
Идеальный преобразователь тока в напряжение.  Простейший преобразователь тока в напряжение – это всего‑навсего резистор. Однако у него есть недостаток, который состоит в том, что для источника входного сигнала входное сопротивление такого преобразователя не равно нулю. Этот недостаток может оказаться очень серьезным, если устройство, обеспечивающее входной ток, имеет очень малый выходной рабочий диапазон или не может обеспечить постоянство тока при изменении выходного напряжения.
Примером может служить диодный фотоэлемент (фотодиод), или солнечная батарея. Небольшой светочувствительностью обладают даже обычные диоды в прозрачных корпусах, которые используются почти в любой схеме. На рисунке представлена хорошая схема для преобразования тока в напряжение. Потенциал входа поддерживается строго равным потенциалу земли. Инвертирующий вход имеет квазинуль потенциала. Это очень хорошо, так как фотодиод может создавать потенциал, равный всего нескольким десятым долям вольта. Представленная схема обеспечивает преобразование тока в напряжение в отношении 1 В на 1 мкА входного тока. (В операционных усилителях с биполярными плоскостными транзисторами на входах иногда между неинвертирующим входом и землей включают резистор).
преобразование тока в напряжение
Этот преобразователь тока в напряжение можно с таким же успехом использовать с элементами, через которые протекает ток при наличии положительного напряжения возбуждения (например, UKK). В такую схему часто включают фотоумножители и фототранзисторы (оба элемента под воздействием света начинают потреблять ток от положительного источника питания).
фотоумножители
Дифференциальный усилитель.  На рисунке представлена схема дифференциального усилителя, коэффициент усиления которого равен R2 /R1.
Классический дифференциальный усилитель. Операционные усилители
Классический дифференциальный усилитель
В этой схеме, как и в схеме источника тока с согласованными резисторами, необходимо обеспечить точное согласование резисторов. Для этого лучше всего при первом удобном случае создать запас резисторов с сопротивлением 100 кОм и точностью 0,01 %.
Коэффициент усиления дифференциального усилителя будет равен единице, но этот недостаток легко устранить за счет последующих усилительных каскадов.
Суммирующий усилитель.  Схема, показанная на рисунке, представляет собой один из вариантов инвертирующего усилителя.
Суммирующий усилитель. Операционный усилитель
Точка X имеет потенциальный нуль, поэтому входной ток равен U1 /RU2 /R + U3 /R, отсюда Uвых  = – (U1  + U2  + U3). Обратите внимание, что входные сигналы могут быть как положительными, так и отрицательными. Кроме того, входные резисторы не обязательно должны быть одинаковыми. Если они неодинаковы, то получим взвешенную сумму. Например, схема может иметь 4 входа, на каждом из которых напряжение равно +1 В или 0 В. Входы представляют двоичные значения: 1, 2, 4 и 8. Если использовать резисторы с сопротивлением 10, 5, 2,5 и 1,25 кОм, то снимаемое с выхода напряжение (в вольтах) будет пропорционально двоичному числу, которое задано на входе. Описанный метод представления чисел лежит в основе цифро‑аналогового преобразования, правда, на входе преобразователя обычно используют другую схему (резистивную сетку R  – 2R).
Источник питания.  Операционный усилитель может работать как усилитель в стабилизаторе напряжения с обратной связью.
Источник питания
Операционный усилитель сравнивает выходное напряжение с эталонным напряжением стабилитрона и соответственно управляет составным транзистором Дарлингтона, выполняющим функции «проходного транзистора». Эта схема обеспечивает стабилизированное напряжение 10В при протекании через нагрузку тока до 1 А. Некоторые замечания по этой схеме:
  1. Делитель, с которого снимается выходное напряжение, может быть выполнен в виде потенциометра, тогда выходное напряжение можно будет регулировать.
  2. Для ослабления пульсаций на стабилитроне резистор с сопротивлением 10 кОм полезно заменить источником тока. Другой вариант состоит в том, чтобы смещение стабилитрона задавать от выходного сигнала. В этом случае вы с пользой применяете стабилизатор, который построили. Замечание: если вы захотите воспользоваться этим трюком, то внимательно проанализируйте вашу схему и убедитесь в том, что она запускается, когда на нее подается питание.
  3. Схема, подобная рассмотренной, может быть повреждена при возникновении короткого замыкания на выходе. Это связано с тем, что при этом операционный усилитель стремится обеспечить протекание через составной транзистор очень большого тока. В стабилизированном источнике питания всегда следует предусматривать схему для ограничения «аварийного» тока.
  4. Промышленность выпускает разнообразные стабилизаторы напряжения в интегральном исполнении. Эти устройства, в которых имеются встроенные температурно‑компенсированный источник эталонного напряжения и проходной транзистор, так удобны в работе, что операционные усилители общего назначения теперь почти никогда не используются в стабилизаторах напряжения. Исключением являются случаи, когда стабильное напряжение нужно сформировать внутри схемы, уже имеющей стабилизированный источник напряжения.
Усилитель с переключением мощности.  В тех случаях, когда нагрузка может переключаться, т. е. может быть либо подключена, либо отключена, к операционному усилителю можно подключить транзистор, который работает как переключатель. На рисунке показано, как это можно сделать.
Усилитель с переключением мощности
Обратите внимание на диод, который предотвращает пробой перехода база‑эмиттер (на выходе операционного усилителя легко может возникнуть отрицательное напряжение, превышающее –5 В). Для некритичных условий подойдет мощный транзистор типа 2Ν3055. Если ток в схеме может превышать 1 А, то рекомендуем использовать составной транзистор Дарлингтона (или мощный полевой МОП‑транзистор).
Активный выпрямитель.  Если амплитуда сигналов меньше, чем падение напряжения на диоде, то выпрямлять такие сигналы с помощью диодно‑резистивной схемы нельзя. Как правило, для выпрямления таких сигналов прибегают к помощи операционного усилителя и помещают диод в цепь обратной связи.
Простейший активный выпрямитель
Простейший активный выпрямитель
Для положительного напряжения Uвх диод обеспечивает отрицательную обратную связь. Выходной сигнал за счет диода повторяет сигнал на входе, причем исключается влияние падения напряжения UБЭ. При отрицательном напряжении Uвх операционный усилитель переходит в режим насыщения и напряжение Uвых становится равным потенциалу земли. Для получения меньшего выходного импеданса (при нуле на выходе) можно взять резистор R с меньшим сопротивлением, но это ведет к увеличению выходного тока операционного усилителя. Лучше всего использовать на выходе схемы повторитель на операционном усилителе. При этом выходное сопротивление будет очень небольшим независимо от величины сопротивления R.
Представленная схема обладает недостатком, который сказывается при работе с быстро изменяющимися сигналами. Выходной сигнал операционного усилителя не может изменяться бесконечно быстро, в связи с этим восстановление при переходе из режима насыщения в активный режим (выходной сигнал проходит через нуль в направлении снизу вверх) занимает некоторое время, в течение которого состояние выхода является неправильным. Это явление иллюстрируется графиком
Проявление эффекта конечной скорости нарастания в простейшем активном выпрямителе
Проявление эффекта конечной скорости нарастания в простейшем активном выпрямителе
Выходной сигнал (жирная линия) в точности представляет собой выпрямленный входной сигнал (тонкая линия), за исключением короткого интервала времени после увеличения входного напряжения относительно 0 В. На этом интервале операционный усилитель стремительно выходит из режима насыщения, при котором напряжение на его выходе было равно – UЭЭ. Поэтому напряжение на выходе схемы равно потенциалу земли. Для операционного усилителя общего назначения скорость нарастания (максимальная скорость изменения выходного сигнала) составляет 15 В/мкс. Следовательно, восстановление при переходе из режима насыщения в активный режим занимает приблизительно 1 мкс – это может привести к серьезным выходным ошибкам для быстрых сигналов.
Положение дел можно исправить, если воспользоваться модификацией рассмотренной схемы.
Улучшенный активный выпрямитель.
Улучшенный активный выпрямитель.
Благодаря диоду Д1 с отрицательными входными сигналами схема работает как инвертор с единичным коэффициентом усиления. Для положительных входных сигналов диод Д2 ограничивает выходное напряжение первого операционного усилителя по уровню, который ниже потенциала земли на величину падения напряжения на диоде. И так как диод Д1 смещен в обратном направлении, то Uвых равно потенциалу земли. Эта схема дает лучший результат, так как при переходе входного сигнала через нуль напряжение на выходе изменяется всего лишь на удвоенную величину падения напряжения на диоде. В связи с тем, что напряжение на выходе операционного усилителя должно измениться только на 1,2 В, вместо того чтобы изменяться на величину UЭЭ, динамическая ошибка при переходе через нуль уменьшается более чем в 10 раз. Кстати говоря, этот выпрямитель является инвертирующим. Если же выходной сигнал должен быть неинвертированным, то к выходу нужно подключить инвертор с единичным коэффициентом усиления.
К началу ↑