Операционный усилитель? Это очень просто!

Итак, операционный усилитель (ОУ) является дифференциальным усилителем постоянного тока с двумя входами (инвертирующим и неинвертирующим) и одним выходом. Кроме них ОУ имеет выводы питания: положительного и отрицательного. Эти пять выводов имеются в почти любом ОУ и принципиально необходимы для его работы.

ОУ имеет огромный коэффициент усиления, как минимум, 50000…100000, а реально — намного больше. Поэтому, в первом приближении, можно даже допустить, что он равен бесконечности.

Термин «дифференциальный» («different» переводится с английского как «разница», «различие», «разность») означает, что на выходной потенциал ОУ влияет исключительно разность потенциалов между его входами, независимо от их абсолютного значения и полярности.

Термин «постоянного тока» означает, что усиливает ОУ входные сигналы, начиная от 0 Гц. Верхний диапазон частот (частотный диапазон), усиливаемых ОУ сигналов зависит от многих причин, таких, как частотные характеристики транзисторов, из которых он состоит, коэффициента усиления схемы, построенной с применением ОУ и т.п. Но этот вопрос уже выходит за рамки первичного ознакомления с его работой и рассматриваться здесь не будет.

Входы ОУ имеют очень большое входное сопротивление, равное десяткам/сотням Мега Ом, а то и Гига Ом (и только в приснопамятных К140УД1, да еще в К140УД5 оно составляло всего 30…50 кОм). Столь большое сопротивление входов означает, что на входной сигнал они практически не влияют.

Поэтому с большой степенью приближения к теоретическому идеалу можно считать, что ток во входы ОУ не течет. Это — первое важное правило, которое применяется при анализе работы ОУ. Прошу хорошо запомнить, что оно касается только самого ОУ, а не схем с его применением!

Что же означают термины «инвертирующий» и «неинвертирующий»? По отношению к чему определяется инверсия и вообще, что это за «зверек» такой — инверсия сигнала?

В переводе с латинского одним из значений слова «inversio» является «оборачивание», «переворот». Иными словами, инверсия — это зеркальное отражение (отзеркаливание) сигнала относительно горизонтальной оси Х (оси времени). На Рис. 1 показаны несколько из множества возможных вариантов инверсии сигнала, где красным цветом обозначен прямой (входной) сигнал и синим — проинвертированный (выходной).

Рис. 1 Понятие инверсии сигнала

Особо следует отметить, что к нулевой линии (как на Рис. 1, А, Б) инверсия сигнала не привязана! Сигналы могут быть инверсными и асимметрично. Например, оба только в области положительных значений (Рис. 1, В), что характерно для цифровых сигналов или при однополярном питании (об этом речь идти будет дальше), или оба частично в положительной и частично — в отрицательной областях (Рис. 1, Б, Д). Возможны и другие варианты. Главным условием является их взаимная зеркальность относительно какого-то произвольным образом выбранного уровня (например, искусственной средней точки, о которой речь также будет вестись дальше). Иными словами, полярность сигнала тоже не является определяющим фактором.

Изображают ОУ на принципиальных схемах по-разному. За рубежом ОУ раньше изображались, да и сейчас очень часто изображаются в виде равнобедренного треугольника (Рис. 2, А). Инвертирующий вход — символом «минус», а неинвер­тирующий — символом «плюс» внутри треугольника. Эти символы совершенно не означают, что на соответствующих входах потенциал должен быть более положительным или более отрицательным, чем на другом. Они просто-напросто указывают, как реагирует потенциал выхода на потенциалы, подаваемые на входы. В итоге их легко спутать с выводами питания, что может оказаться неожиданными «граблями», особенно для начинающих.

В системе отечественных условных графических изображений (УГО) до вступления в силу ГОСТ 2.759-82 (СТ СЭВ 3336-81) ОУ также изображались в виде треугольника, только инвертирующий вход — символом инверсии — кружочком в месте пересе­чения вывода с треугольником (Рис.2, Б), а сейчас — в виде прямоугольника (Рис.2, В).

Рис. 2 Варианты условных графических изображений (УГО)
операционных усилителей

При обозначении ОУ на схемах инвертирующий и неинвертирующий входы можно менять местами, если так удобнее, однако, традиционно инвертирующий вход изображается вверху, а неинвертирующий — внизу. Выводы питания, как правило, всегда располагают единственным способом (положительный вверху, отрицательный — внизу).

ОУ почти всегда используются в схемах с отрицательной обратной связью (ООС).

Обратной связью называется эффект подачи части выходного напряжения усилителя на его вход, где оно алгебраически (с учетом знака) суммируется с входным напряжением. О принципе суммирования сигналов речь пойдет ниже. В зависимости от того, на какой вход ОУ, инвертирующий или неинвертирующий, подается ОС, различают отрицательную обратную связь (ООС), когда часть выходного сигнала подается на инвертирующий вход (Рис. 3, А) или положительную обратную связь (ПОС), когда часть выходного сигнала подается, соответственно, на неинвертирующий вход (Рис. 3, Б).

Рис. 3 Принцип формирования обратной связи (ОС)

В первом случае, поскольку выходной сигнал является инверсным по отношению ко входному, он вычитается из входного. В результате общее усиление каскада снижается. Во втором случае — суммируется со входным, общее усиление каскада повышается.

На первый взгляд может показаться, что ПОС имеет положительный эффект, а ООС — совершенно бесполезная затея: зачем же снижать усиление? Именно так и посчитали патентные эксперты США, когда в 1928 г. Гарольд С. Блэк попытался запатентовать ООС. Однако, жертвуя усилением, мы существенно улучшаем другие важные параметры схемы, как, например, её линейность, частотный диапазон и пр. Чем глубже ООС, тем меньше характеристики всей схемы зависят от характеристик ОУ.

А вот ПОС (учитывая собственное огромное усиление ОУ), имеет обратное влияние на характеристики схемы и самое неприятное — вызывает ее самовозбуждение. Она, конечно, тоже используется осознанно, например, в генераторах, компараторах с гистерезисом (подробно об этом — далее) и т.п., но в общем виде её влияние на работу усилительных схем с ОУ скорее негативное и требует очень тщательного и обоснованного анализа её применения.

Поскольку ОУ имеет два входа, то возможны такие основные виды его включения с использованием ООС (Рис. 4):

Рис. 4 Основные схемы включения ОУ

а) инвертирующее (Рис. 4, А) — сигнал подается на инвертирующий вход, а неинвертирующий подключается непосредственно к опорному потенциалу (не используется);

б) неинвертирующее (Рис. 4, Б) — сигнал подается на неинвертирующий вход, а инвертирующий подключается непосредственно к опорному потенциалу (не используется);

в) дифференциальное (Рис. 4, В) — сигналы подаются на оба входа, инвертирующий и неинвертирующий.

Для анализа работы этих схем следует учесть второе важнейшее правило, которому подчиняется работа ОУ: Выход операционного усилителя стремится к тому, чтобы разность напряжений между его входами была равна нулю.

Вместе с тем, любая формулировка должна быть необходимой и достаточной, чтобы ограничить всё подмножество подчиняющихся ей случаев. Приведенная выше формулировка, при всей её «классичности», не дает никакой информации о том, на какой же из входов «стремится повлиять» выход. Исходя из неё, получается, что вроде бы ОУ выравнивает напряжения на своих входах, подавая напряжение на них откуда-то «изнутри».

Если внимательно рассмотреть схемы на Рис. 4, можно заметить, что ООС (через Rоос) во всех случаях заведена с выхода только на инвертирующий вход, что дает нам основание переформулировать это правило следующим образом: Напряжение на выходе ОУ, охваченном ООС, стремится к тому, чтобы потенциал на инвертирующем входе уравнялся с потенциалом на неинвертирующем входе.

Исходя из этого определения, «ведущим» при любом включении ОУ с ООС является неинвертирующий вход, а «ведомым» — инвертирующий.

При описании работы ОУ потенциал на его инвертирующем входе часто называют «виртуальным нулем» или «виртуальной средней точкой». Перевод латинского слова «virtus» означает «воображаемый», «мнимый». Виртуальный объект ведет себя близко к поведению аналогичных объектов материальной реальности, т.е., для входных сигналов (за счет действия ООС) инвертирующий вход можно считать подключенным непосредственно к такому же потенциалу, к какому подключен и неинвертирующий вход. Однако, «виртуальный ноль» является всего лишь частным случаем, имеющим место только при двуполярном питании ОУ. При использовании однополярного питания (о чем будет вестись речь ниже), да и во многих других схемах включения, ни на неинвертирующем, ни на инвертирующем входах ноля не будет. Поэтому давайте договоримся, что этот термин мы применять не будем, поскольку он мешает начальному пониманию принципов работы ОУ.

Вот с этой точки зрения и разберем схемы, приведенные на Рис. 4. При этом, для упрощения анализа, примем, что напряжения питания всё-таки двуполярные, равные друг другу по величине (скажем, ± 15 В), со средней точкой (общая шина или «земля»), относительно которой и будем отсчитывать входные и выходные напряжения. Кроме того, анализ будет проводить по постоянному току, т.к. изменяющийся переменный сигнал в каждый момент времени тоже можно представить как выборку значений постоянного тока. Во всех случаях обратная связь через Rоос заведена с выхода ОУ на его инвертирующий вход. Различие заключается только в том, на какие из входов подается входное напряжение.

а) Инвертирующее включение (Рис. 5).

Потенциал на неинвертирующем входе равен нулю, т.к. он подключен к средней точке («земле»). Входной сигнал, равный +1 В относительно средней точки (от GB) подан на левый вывод входного резистора Rвх. Допустим, что сопротивления Rоос и Rвх равны друг другу и составляют 1 кОм (в сумме их сопротивление равно 2 кОм).