Урок 5: Операционные усилители

Операционный усилитель (ОУ, Op-Amp) — это интегральная микросхема, предназначенная для усиления аналоговых сигналов. ОУ являются универсальным строительным блоком аналоговой электроники.

Что такое операционный усилитель?

ОУ — это усилитель с дифференциальным входом и большим коэффициентом усиления.

Два входа — инвертирующий (-) и неинвертирующий (+)
Один выход — усиленный сигнал
Питание — двуполярное (+V, -V) или однополярное
Огромное усиление — без обратной связи ≈100000-1000000

Идеальный операционный усилитель

Модель идеального ОУ упрощает расчеты.

        Свойства идеального ОУ:
1. Бесконечное усиление (A = ∞)
2. Бесконечное входное сопротивление (R_вх = ∞)
3. Нулевое выходное сопротивление (R_вых = 0)
4. Бесконечная полоса пропускания
5. Нулевое смещение нуля

В реальности:
- A = 100000-10000000
- R_вх = 10 МОм - 1 ТОм
- R_вых = 10-100 Ом
- Полоса пропускания: до нескольких МГц
    

Идеальная модель достаточно точна для большинства расчетов
Во входы ОУ не течет ток (R_вх очень большое)
При отрицательной обратной связи входы имеют одинаковое напряжение

Инвертирующий усилитель

Базовая схема усиления с инверсией фазы.

        Схема:
         R2 (обратная связь)
    +---/\/\/\---+
    |            |
Vin-+--R1--+----(-) \
           |         | ОУ
           +----(+) /
           |        |
          GND      Vout

Формула усиления:
K = -R2 / R1

Пример:
R1 = 10 кОм, R2 = 100 кОм
K = -100 кОм / 10 кОм = -10

Если Vin = 0.1 В, то Vout = -1 В
    

Знак "-" означает инверсию фазы
Неинвертирующий вход (+) подключен к земле
Коэффициент усиления задается резисторами
Входное сопротивление = R1

Неинвертирующий усилитель

Усиление без инверсии фазы.

        Схема:
              R2
       +---/\/\/\---+
       |            |
    +--+-------+---(-) \
    |          |        | ОУ
   Vin    R1  GND  (+) /
              |         |
             GND       Vout

Формула усиления:
K = 1 + (R2 / R1)

Пример:
R1 = 10 кОм, R2 = 90 кОм
K = 1 + (90 кОм / 10 кОм) = 1 + 9 = 10

Если Vin = 0.1 В, то Vout = 1 В
    

Усиление всегда ≥ 1
Нет инверсии фазы
Очень высокое входное сопротивление
Часто используется как буфер (K = 1)

Повторитель напряжения (буфер)

Специальный случай неинвертирующего усилителя с K = 1.

        Схема:
         +-------+
         |       |
    Vin-+---(+) /
         |   |  ОУ
         +--(-) \
                 |
                Vout

Свойства:
- Vout = Vin (коэффициент усиления = 1)
- Очень высокое входное сопротивление
- Очень низкое выходное сопротивление
- Не нагружает источник сигнала

Применение:
- Разделение каскадов
- Преобразование импеданса
- Буферизация АЦП
    

Не усиливает, но изолирует источник от нагрузки
Выход может отдавать больший ток, чем вход
Идеален для датчиков с высоким сопротивлением

Компаратор

ОУ без обратной связи работает как компаратор.

        Схема:
Vref----(+) \
             | ОУ
    Vin-(-) /
             |
            Vout

Принцип работы:
Если Vin > Vref: Vout = +Vcc (высокий уровень)
Если Vin < Vref: Vout = -Vcc (низкий уровень)

Применение:
- Определение порога
- Детектор пересечения нуля
- АЦП последовательного приближения
- Триггеры Шмитта
    

Сравнивает два напряжения
Выход — цифровой сигнал (HIGH или LOW)
Очень быстрое переключение
Для лучшего качества используйте специальные компараторы (LM339)

Сумматор

Схема для сложения нескольких напряжений.

        Схема инвертирующего сумматора:
              Rf
         +--/\/\/\--+
         |          |
V1--R1--+          |
         |     +---(-) \
V2--R2--+-----|        | ОУ
         |     +---(+) /
V3--R3--+     |        |
              GND     Vout

Формула:
Vout = -Rf × (V1/R1 + V2/R2 + V3/R3)

Пример (все резисторы по 10 кОм):
Vout = -(V1 + V2 + V3)

Если V1=1В, V2=0.5В, V3=0.3В
Vout = -(1 + 0.5 + 0.3) = -1.8 В
    

Можно складывать любое количество сигналов
Каждый вход имеет свой весовой коэффициент (Rf/Ri)
Используется в аудио-микшерах

Интегратор

Схема для интегрирования сигнала (накопления).

        Схема:
             C
        +---||---+
        |        |
Vin-R--+   +---(-) \
        |   |       | ОУ
        +---+---(+) /
        |   |       |
       GND GND     Vout

Формула:
Vout = -(1 / (R×C)) × ∫Vin dt

Для постоянного входного напряжения:
Vout = -(Vin / (R×C)) × t

Применение:
- Генераторы пилообразного напряжения
- Таймеры
- Преобразование частоты в напряжение
    

Выход растет линейно со временем
Конденсатор накапливает заряд
Инвертирует знак (минус в формуле)

Практический пример: усилитель для микрофона

Простой предусилитель для электретного микрофона.

        Схема с LM358:
          +5V
           |
          10кОм
           |
    Микрофон----+----||----+----R1(10кОм)----(-)\
                |   100нФ  |                      | LM358
               100нФ       +--------------(+)    /
                |                          |     |
               GND                        GND   Vout
                                                  |
          R2 (обратная связь 100 кОм)           100мкФ
                                                  |
                                               Выход

Усиление: K = -R2 / R1 = -100кОм / 10кОм = -10

Конденсаторы:
- 100 нФ — развязка по постоянному току
- 100 мкФ — на выходе (блокировка постоянной составляющей)
    

Микрофон питается через резистор 10 кОм
Усиление ×10 достаточно для большинства микрофонов
Конденсаторы пропускают только переменный сигнал