Урок 6.1. Операционный усилитель. Первое знакомство.

Часто вспоминаю, свое первое знакомство с операционным усилителем (ОУ). Я всегда знал, что эти загадочные треугольники на схемах, мне пригодятся по жизни. Однако, долгие бессонные ночи, проведенные за изучением их принципа работы, так ни к чему и не привели. Статей на эту тему много, но, как мне кажется, самые основы не очевидны. Постараюсь подойти немного с другой стороны и развеять страшные тайны ОУ.

Попытаемся разобраться с тем, какие «операции» усиливает наш операционный усилитель.

Задача: есть источник сигнала, например сигнал с микрофона или звукоснимателя гитары. Если микрофон подсоединить напрямую к наушникам, то скорее всего вы ничего не услышите, в лучшем случае это будет еле уловимый звук.

Представим себе вместо микрофона человека, который пытается поднять тяжелую плиту, естественно это ему не по силам, так же и микрофон не в силах раскачать динамик. Но если этот человек будет использовать небольшое усилие, чтобы управлять подъемным краном, тогда он сможет поднять любой груз, в пределах грузоподъемности крана. Т.е. кран в данном случае усилитель. Аналогом грузоподъемности крана, является мощность усилителя. Смысл усиления должен быть понятен из картинки. Частота и форма сигнала остается такой же, изменяется только амплитуда.

Теперь мы знаем, что для того чтобы слышать звук из динамиков нужен усилитель. Пока мы не знаем как он работает и что у него внутри, однако мы уже знаем, что должны быть ножки, на которые подается сигнал, который мы хотим усилить Uвх, а также ножки с которых снимается усиленный сигнал Uвых.

Вопрос до какого напряжения можно усилить сигнал? Вы скажете: «хочу 220В усилить до 1000000В», но так нельзя, почему? Потому что, исходный сигнал усиливается за счет внешнего источника. Внешним источником будет являться напряжение питания ОУ. Аналогично подъемный кран не может поднять груз выше своей высоты (условимся что не может :)). Поэтому напряжение на выходе ОУ превысить напряжение питания не может. В реальности оно даже чуть меньше, чем напряжение питания. Например, для LM324 напряжение питания составляет от 3 до 32В.

Теперь мы знаем, что ОУ требуется внешнее питание, нарисуем эти ножки

Кстати, мы привыкли что питание у нас однополярное +5В и земля. Здесь же тонкий момент, если требуется усилить сигнал, который имеет отрицательные значения,

то к -Uпит нужно подключать, именно источник отрицательного напряжения, а не землю. Если подключить землю, то получится, что источник напряжения отсутствует и «нижняя»(отрицательная) часть сигнала не будет усилена, т.е. часть сигнала «срежется», подробнее об этом в примере.

Аналогично, если усилить сигнал больше, чем напряжение питания, то в тех местах где сигнал будет превышать напряжение питания, сигнал будет «срезан», т.е. вместо синусоиды мы увидим нечто подобное

Остался главный вопрос, как задать коэффициент усиления? Очень просто — делителем напряжения. Но для начала, перейдем к более реальным обозначениям. Любой ОУ имеет минимум 5 ножек — 2 питание, о котором было сказано выше, инвертированный вход(-), не инвертированный вход(+) и выход.

Следовательно в зависимости от того, на какой вход подается исходный сигнал, различают два типа включения: неинвертирующий усилитель

Коэффициент усиления, которого равен K=(R4/R3)+1. В данном случае K=4. В этом случае форма сигнала на выходе не меняется.

И инвертирующий, с коэффициентом усиления K=-(R2/R1). Для данной схемы K=3. Сигнал на выходе будет в противофазе с входным.

Перейдем от слов к делу. В качестве исходного сигнала взят меандр частотой 1кГц. Сигнал имеет как положительные значения, так и отрицательные (середина экрана 0). Амплитуда сигнала 50мВ.

Подключаю ОУ (L324) по схеме неинвертирующего усилителя. Питание однополярное. На выходе ОУ сигнал той же формы, но с большей амплитудой. Вероятно, не совсем понятно, почему сигнал именно такой амплитуды и почему он сместился вверх.

Попробуем разобраться. Амплитуда исходного сигнала 50мВ, R4=30k, R3=10k, подставим в формулу 50*(30/10+1)=200мВ, весьма похоже на то что видно на осциллографе. Почему же сигнал сместился вверх? Вспоминаем недостаток однополярного питания, все что ниже 0 не может быть усилено, поэтому сигнал срезается на 0.

А теперь представьте себе, что если к ножке питания был бы подключен источник отрицательного напряжения подать, допустим -5В, то амплитуда сигнала увеличилась бы вдвое!!! Следовательно громкость бы тоже существенно увеличилась.

Собственно это маленькое предисловие, перед началом изучения ОУ, все выше сказанное лишь капля в море, если понравилось — пишите, будем постепенно осваивать и другие применения ОУ, в т.ч. и практические схемы.