Войти
 Микросхема μA741, одна из самых успешных операционные усилители | |
| Тип | Дискретная схема. Интегральная схема |
|---|---|
| Изобретен | Карл Д. Шварцель-младший |
| Первое производство | 1967 |
| Конфигурация контактов |
|
| Электронный символ | |
 . Символ принципиальной схемы для операционного усилителя. Контакты обозначены, как указано выше. | |
операционный усилитель (часто операционный усилитель или операционный усилитель ) - это связанный по постоянному току высокий - усиление электронное напряжение усилитель с дифференциальным входом и, как правило, несимметричным выходом. В этой конфигурации операционный усилитель создает выходной потенциал (относительно земли схемы), который обычно в 100000 раз превышает разность потенциалов между его входными клеммами. Операционные усилители возникли в аналоговых компьютерах, где они использовались для выполнения математических операций в линейных, нелинейных и частотно-зависимых схемах.
Популярность операционного усилителя в качестве строительного блока в аналоговых схемах объясняется его универсальностью. Используя отрицательную обратную связь, характеристики схемы операционного усилителя, ее усиление, входное и выходное сопротивление, полоса пропускания и т. Д. определяются внешними компонентами и мало зависят от температурных коэффициентов или технических допусков в самом операционном усилителе.
Операционные усилители сегодня широко используются в электронных устройствах, включая широкий спектр потребительских, промышленных и научных устройств. Многие стандартные операционные усилители IC стоят всего несколько центов; однако некоторые интегрированные или гибридные операционные усилители со специальными характеристиками могут стоить более 100 долларов США в небольших количествах. Операционные усилители могут быть упакованы как компоненты или использоваться как элементы более сложных интегральных схем.
. Операционный усилитель является одним из типов дифференциального усилителя. К другим типам дифференциальных усилителей относятся полностью дифференциальный усилитель (аналогичный операционному усилителю, но с двумя выходами), инструментальный усилитель (обычно состоящий из трех операционных усилителей), изолирующий усилитель (аналогичен инструментальному усилителю, но с допуском до синфазных напряжений, которые могут разрушить обычный операционный усилитель) и усилителя с отрицательной обратной связью (обычно встроенного от одного или нескольких операционных усилителей и резистивной сети обратной связи).
Операционный усилитель без отрицательной обратной связи (компаратор) Дифференциальные входы усилителя состоят из неинвертирующего входа (+) с напряжением V + и инвертирующий вход (-) с напряжением V - ; В идеале операционный усилитель усиливает только разницу в напряжении между ними, которая называется дифференциальным входным напряжением. Выходное напряжение ОУ V out определяется уравнением
где A OL - разомкнутый коэффициент усиления усилителя (термин " разомкнутый контур "относится к отсутствию контура обратной связи между выходом и входом).
Величина A OL обычно очень велика (100000 или более для операционных усилителей на интегральных схемах), и поэтому даже весьма небольшая разница между V + и V - доводят выход усилителя до напряжения питания. Ситуации, в которых выходное напряжение равно или больше напряжения питания, называются насыщением усилителя. Величина A OL плохо контролируется производственным процессом, и поэтому непрактично использовать усилитель с разомкнутым контуром в качестве автономного дифференциального усилителя.
Без отрицательного обратная связь и, возможно, с положительной обратной связью для регенерации, операционный усилитель действует как компаратор. Если инвертирующий вход удерживается на земле (0 В) напрямую или с помощью резистора R g, а входное напряжение V в, приложенное к неинвертирующему входу, является положительным, выход будет максимально позитивным; если V в отрицательное, выходной сигнал будет максимально отрицательным. Поскольку нет обратной связи от выхода к любому входу, это схема разомкнутого контура, действующая как компаратор.
Операционный усилитель с отрицательной обратной связью ( неинвертирующий усилитель) Если желательна предсказуемая работа, используется отрицательная обратная связь, подавая часть выходного напряжения на инвертирующий вход. Обратная связь с обратной связью значительно снижает коэффициент усиления схемы. Когда используется отрицательная обратная связь, общее усиление и отклик схемы определяются в основном цепью обратной связи, а не характеристиками операционного усилителя. Если цепь обратной связи состоит из компонентов, значения которых малы по сравнению с входным импедансом операционного усилителя, значение отклика без обратной связи операционного усилителя A OL не оказывает серьезного влияния на характеристики схемы. Отклик схемы операционного усилителя с ее входом, выходом и цепями обратной связи на вход математически характеризуется передаточной функцией ; проектирование схемы операционного усилителя с желаемой передаточной функцией относится к сфере электротехники. Передаточные функции важны в большинстве приложений операционных усилителей, например, в аналоговых компьютерах. Высокий входной импеданс на входных клеммах и низкий выходной импеданс на выходных клеммах (ах) - особенно полезные особенности операционного усилителя.
В неинвертирующем усилителе справа наличие отрицательной обратной связи через делитель напряжения Rf, R g определяет коэффициент усиления A с обратной связью. CL = V выход / V вход. Равновесие будет установлено, когда V out будет достаточно, чтобы «дотянуться и подтянуть» инвертирующий вход до того же напряжения, что и V в. Таким образом, коэффициент усиления по напряжению всей схемы составляет 1 + R f/Rg. В качестве простого примера, если V in = 1 В и R f = R g, V out будет 2 В, точно величина, необходимая для поддержания V - на уровне 1 В. Из-за обратной связи, обеспечиваемой сетью R f, R g, это замкнутый контур.
Другой способ анализа этой схемы заключается в следующих (обычно верных) предположениях:
Входной сигнал V в появляется на выводах (+) и (-), в результате чего ток i через R g равен V in/Rg:
Поскольку текущий закон Кирхгофа гласит, что один и тот же ток должен выходить из узла, когда входит в него, и поскольку Импеданс на выводе (-) близок к бесконечности, мы можем предположить, что практически весь тот же ток i течет через R f, создавая выходное напряжение
Комбинируя члены, мы определяем коэффициент усиления замкнутого контура A CL:
Эквивалентная схема операционного усилителя, моделирующего некоторые резистивные неидеальные параметры. Идеальный операционный усилитель - это обычно считается имеющим следующие характеристики:
Эти идеалы можно резюмировать двумя «золотыми правилами»:
Первое правило применяется только в обычном случае, когда операционный усилитель используется в конструкции с обратной связью (отрицательная обратная связь, когда существует некоторый путь прохождения сигнала, обратный от выхода к инвертирующему ввод). Эти правила обычно используются в качестве хорошего первого приближения для анализа или проектирования схем операционных усилителей.
Ни один из этих идеалов не может быть полностью реализован. Реальный операционный усилитель может быть смоделирован с небесконечными или ненулевыми параметрами, используя эквивалентные резисторы и конденсаторы в модели операционного усилителя. Затем разработчик может включить эти эффекты в общую производительность окончательной схемы. Некоторые параметры могут оказывать незначительное влияние на окончательный дизайн, в то время как другие представляют собой фактические ограничения конечных характеристик, которые необходимо оценить.
Реальные операционные усилители отличаются от идеальной модели по различным аспектам.
Реальные операционные усилители страдают от нескольких неидеальных эффектов:
Усиление операционного усилителя, вычисленное при постоянном токе, не применяется на более высоких частотах. Таким образом, для высокоскоростной работы при проектировании схемы операционного усилителя необходимо учитывать более сложные соображения.
Вход (желтый) и выход (зеленый) насыщенного операционного усилителя в инвертирующем усилителе Современные интегрированные операционные усилители FET или MOSFET ближе к идеальному операционному усилителю, чем биполярные ИС, когда дело доходит до входной импеданс и входные токи смещения. Биполяры обычно лучше, когда дело доходит до смещения входного напряжения, и часто имеют более низкий уровень шума. Как правило, при комнатной температуре, с довольно сильным сигналом и ограниченной полосой пропускания операционные усилители на полевых и полевых транзисторах теперь обеспечивают лучшую производительность.
Компонентная диаграмма общего ОУ 741. Пунктирные линии: токовые зеркала ; дифференциальный усилитель ; класс A каскад усиления; переключатель уровня напряжения; выходной каскад. Поставлен многими производителями и во множестве аналогичных продуктов, примером биполярного транзисторного операционного усилителя является интегральная схема 741, разработанная в 1968 году Дэвидом Фуллагаром в Fairchild Semiconductor после Дизайн интегральной схемы LM301 Боба Видлара. В этом обсуждении мы используем параметры модели гибридного Пи для характеристики слабосигнальных характеристик заземленного эмиттера транзистора. В этой модели коэффициент усиления транзистора по току обозначается h fe, чаще называемый β.
Мелкомасштабная интегральная схема, операционный усилитель 741 разделяет с большинством операционных усилителей внутреннюю структуру, состоящую из трех каскадов усиления:
Кроме того, он содержит токовое зеркало (обведено красным) схему смещения и компенсацию конденсатор (30 пФ).
Входной каскад состоит из каскадного дифференциального усилителя (выделен синим ), за которым следует активное зеркало загрузить. Он представляет собой усилитель крутизны , преобразующий сигнал дифференциального напряжения на базах Q1, Q2 в сигнал тока на базе Q15.
Он включает в себя две пары каскадных транзисторов, удовлетворяющих противоречивым требованиям. Первый каскад состоит из согласованной пары Q1, Q2 эмиттерных повторителей NPN , которые обеспечивают высокий входной импеданс. Вторая - это согласованная пара PNP с общим основанием Q3, Q4, которая устраняет нежелательный эффект Миллера ; он управляет активной нагрузкой Q7 плюс согласованная пара Q5, Q6.
Эта активная нагрузка реализована как модифицированное токовое зеркало Уилсона ; его роль заключается в преобразовании (дифференциального) входного токового сигнала в несимметричный сигнал без сопутствующих 50% потерь (увеличение коэффициента усиления разомкнутого контура операционного усилителя на 3 дБ). Таким образом, малосигнальный дифференциальный ток в Q3 по сравнению с Q4 складывается (удваивается) на базе Q15, на входе каскада усиления напряжения.
Каскад усиления напряжения (класс A ) (выделен пурпурным ) состоит из двух подключенных NPN-транзисторов Q15 / Q19 в конфигурации Дарлингтона и использует выходную сторону токового зеркала Q12 / Q13 в качестве коллекторной (динамической) нагрузки для достижения высокого коэффициента усиления по напряжению. Выходной транзистор-приемник Q20 получает питание своей базы от общих коллекторов Q15 и Q19; устройство сдвига уровня Q16 обеспечивает базовое возбуждение для выходного истокового транзистора Q14.
Транзистор Q22 предотвращает передачу этим каскадом чрезмерного тока на Q20 и, таким образом, ограничивает выходной ток стока.
Выходной каскад (Q14, Q20, выделенный в голубой ) представляет собой усилитель с дополнительной симметрией класса AB. Он обеспечивает выходной привод с импедансом ~ 50 Ом, по сути, с усилением по току. Транзистор Q16 (выделен зеленым ) обеспечивает ток покоя для выходных транзисторов, а Q17 обеспечивает ограничение выходного тока.
Обеспечивают соответствующий ток покоя для каждого каскада операционного усилителя.
Резистор (39 кОм), соединяющий (диодно соединенные) Q11 и Q12, и заданное напряжение питания (V S + - V S-), определяют ток в токовых зеркалах, (согласованные пары) Q10 / Q11 и Q12 / Q13. Коллекторный ток Q11, i 11 × 39 кОм = V S + - V S- - 2 В BE. Для типичного V S = ± 20 В постоянный ток в Q11 / Q12 (а также в Q13) будет ~ 1 мА. Ток питания для типичного 741 порядка 2 мА согласуется с мнением, что эти два тока смещения доминируют над током питания в режиме покоя.
Транзисторы Q11 и Q10 образуют токовое зеркало Видлара с током покоя в Q10 i 10 таким образом, что ln (i 11 / i 10) = i 10 × 5 кОм / 28 мВ, где 5 кОм представляет собой эмиттерный резистор Q10, а 28 мВ - V T, тепловое напряжение при комнатной температуре. В этом случае i 10 ≈ 20 мкА.
Цепь смещения этого каскада устанавливается контуром обратной связи, который заставляет токи коллектора Q10 и Q9 (почти) совпадать. Небольшая разница в этих токах обеспечивает управление общей базой Q3 / Q4 (обратите внимание, что базовое напряжение для входных транзисторов Q1 / Q2 является входным током смещения и должно подаваться извне). Суммарные токи покоя Q1 / Q3 плюс Q2 / Q4 отражаются из Q8 в Q9, где они суммируются с током коллектора в Q10, результат применяется к базам Q3 / Q4.
Таким образом, токи покоя Q1 / Q3 (соответственно Q2 / Q4) i 1 будут составлять половину от i 10 порядка ~ 10 мкА. Входной ток смещения для базы Q1 (соответственно Q2) составит i 1 / β; обычно ~ 50 нА, что подразумевает усиление по току h fe ≈ 200 для Q1 (Q2).
Эта цепь обратной связи стремится привлечь общий базовый узел Q3 / Q4 к напряжению V com - 2 В BE, где V com - входное синфазное напряжение. В то же время величина тока покоя относительно нечувствительна к характеристикам компонентов Q1 – Q4, таких как h fe, которые в противном случае могли бы вызвать температурную зависимость или колебания от детали к детали.
Транзистор Q7 приводит Q5 и Q6 в состояние проводимости до тех пор, пока их (равные) токи коллектора не станут равными токам Q1 / Q3 и Q2 / Q4. Ток покоя в Q7 составляет V BE / 50 кОм, около 35 мкА, как и ток покоя в Q15 с соответствующей рабочей точкой. Таким образом, токи покоя попарно согласованы в Q1 / Q2, Q3 / Q4, Q5 / Q6 и Q7 / Q15.
Токи покоя в Q16 и Q19 задаются токовым зеркалом Q12 / Q13, которое работает при ~ 1 мА. Через какой-то механизм ток коллектора в Q19 отслеживает этот постоянный ток.
В цепи, включающей Q16 (по-разному называемые резиновый диод или умножитель V BE), резистор 4,5 кОм должен проводить около 100 мкА, для Q16 V BE примерно 700 мВ. Тогда напряжение V CB должно быть около 0,45 В, а V CE - около 1,0 В. Поскольку коллектор Q16 приводится в действие источником тока, а эмиттер Q16 входит в токоприемник коллектора Q19. транзистор Q16 устанавливает разницу напряжений между базой Q14 и базой Q20 в ~ 1 В, независимо от синфазного напряжения базы Q14 / Q20. Постоянный ток в Q14 / Q20 будет в exp (100 мВ / В T) ≈ 36 меньше, чем ток покоя 1 мА в части класса A операционного усилителя. Этот (небольшой) постоянный ток в выходных транзисторах устанавливает выходной каскад в режим работы класса AB и снижает перекрестные искажения этого каскада.
Небольшой сигнал дифференциального входного напряжения через несколько этапов усиления тока вызывает на выходе гораздо больший сигнал напряжения.
Входной каскад с Q1 и Q3 аналогичен паре с эмиттерной связью (пара с длинным хвостом), где Q2 и Q4 добавляют некоторый вырождающийся импеданс. Входное сопротивление относительно высокое из-за небольшого тока через Q1-Q4. Типичный операционный усилитель 741 имеет дифференциальное входное сопротивление около 2 МОм. Входной импеданс синфазного сигнала еще выше, поскольку входной каскад работает практически с постоянным током.
Дифференциальное напряжение V в на входах операционного усилителя (контакты 3 и 2 соответственно) вызывает небольшой дифференциальный ток в базах Q1. и Q2 i в ≈ V в / (2h iehfe). Этот дифференциальный базовый ток вызывает изменение дифференциального тока коллектора в каждой ветви на i inhfe. Представляя крутизну Q1, g m = h fe / h, т.е., ток (слабого сигнала) на базе Q15 (вход каскад усиления напряжения) составляет V ingm/ 2.
Эта часть операционного усилителя ловко изменяет дифференциальный сигнал на входах операционного усилителя на несимметричный сигнал на базе Q15, и в некоторой степени это позволяет избежать бесполезной потери сигнала в любой ноге. Чтобы увидеть, как это происходит, обратите внимание, что небольшое отрицательное изменение напряжения на инвертирующем входе (база Q2) выводит его из состояния проводимости, и это постепенное уменьшение тока передается непосредственно от коллектора Q4 к его эмиттеру, что приводит к уменьшению базового возбуждения для Q15.. С другой стороны, небольшое положительное изменение напряжения на неинвертирующем входе (база Q1) приводит этот транзистор в состояние проводимости, что отражается в увеличении тока на коллекторе Q3. Этот ток переводит Q7 дальше в проводимость, что включает токовое зеркало Q5 / Q6. Таким образом, увеличение тока эмиттера Q3 отражается в увеличении тока коллектора Q6; увеличенные токи коллектора больше шунтируют от узла коллектора и приводят к уменьшению тока возбуждения базы для Q15. Помимо предотвращения потери здесь 3 дБ усиления, этот метод снижает синфазное усиление и сквозной шум источника питания.
Сигнал тока i на базе Q15 вызывает ток в Q19 порядка iβ (произведение h fe каждого из Q15 и Q19, которые связаны в пару Дарлингтона ). Этот токовый сигнал создает напряжение на базах выходных транзисторов Q14 / Q20, пропорциональное h, т.е. соответствующего транзистора.
Выходные транзисторы Q14 и Q20 настроены как эмиттерный повторитель, так что никакого увеличения напряжения там не происходит; вместо этого этот каскад обеспечивает усиление по току, равное h fe Q14 (соответственно Q20).
Выходное сопротивление не равно нулю, как в идеальном операционном усилителе, но при отрицательной обратной связи оно приближается к нулю на низких частотах.
Чистый коэффициент усиления по напряжению для слабого сигнала без обратной связи операционного усилителя представляет собой произведение коэффициента усиления по току h fe, равного примерно 4 транзисторы. На практике коэффициент усиления по напряжению для типичного операционного усилителя типа 741 составляет порядка 200000, а коэффициент усиления по току, отношение входного импеданса (~ 2-6 МОм) к выходному сопротивлению (~ 50 Ом) обеспечивает еще большую (мощность) усиление.
Идеальный операционный усилитель имеет бесконечный коэффициент подавления синфазного сигнала или нулевой синфазный сигнал усиление.
В данной схеме, если входные напряжения изменяются в одном направлении, отрицательная обратная связь заставляет базовое напряжение Q3 / Q4 следовать (с 2V BE ниже) за изменениями входного напряжения. Теперь выходная часть (Q10) токового зеркала Q10-Q11 поддерживает постоянный общий ток через Q9 / Q8, несмотря на изменяющееся напряжение. Коллекторные токи Q3 / Q4 и, соответственно, выходной ток на базе Q15 остаются неизменными.
В типичном операционном усилителе 741 коэффициент подавления синфазного сигнала составляет 90 дБ, что подразумевает усиление синфазного напряжения без обратной связи около 6.
Нововведением Fairchild μA741 было введение частотной компенсации через встроенный (монолитный) конденсатор, что упростило применение операционного усилителя за счет устранения необходимости во внешних компонентах для этой функции. Конденсатор на 30 пФ стабилизирует усилитель с помощью компенсации Миллера и работает аналогично схеме интегратора операционного усилителя . Также известна как «компенсация доминирующего полюса », поскольку вводит полюс, который маскирует (доминирует) эффекты других полюсов в частотной характеристике разомкнутого контура; в операционном усилителе 741 этот полюс может составлять всего 10 Гц (где он вызывает потерю -3 дБ при усилении разомкнутого контура).
Эта внутренняя компенсация предназначена для достижения безусловной стабильности усилителя в конфигурациях с отрицательной обратной связью, когда цепь обратной связи нереактивна и коэффициент усиления замкнутого контура unity или выше. Напротив, усилители, требующие внешней компенсации, такие как μA748, могут потребовать внешней компенсации или коэффициентов усиления с обратной связью, значительно превышающих единицу.
Выводы "нулевого смещения" могут использоваться для размещения внешних резисторов (обычно в виде двух концов потенциометра, с ползунком, подключенным к V S–) параллельно с эмиттерными резисторами Q5 и Q6, чтобы отрегулировать баланс токового зеркала Q5 / Q6. Потенциометр настроен так, чтобы выход был нулевым (средний диапазон), когда входы закорочены вместе.
Транзисторы Q3, Q4 помогают увеличить обратный рейтинг V BE : переходы база-эмиттер транзисторов NPN Q1 и Q2 выходят из строя при напряжении около 7 В, но транзисторы PNP Q3 и Q4 имеют напряжение пробоя V BE около 50 В.
Изменения тока покоя в зависимости от температуры или между деталями с одним и тем же номером типа являются обычными, поэтому перекрестные искажения и ток покоя могут значительно отличаться.
Выходной диапазон усилителя примерно на один вольт меньше напряжения питания, отчасти из-за V BE выходных транзисторов Q14 и Q20.
Резистор 25 Ом на эмиттере Q14 вместе с Q17 ограничивает ток Q14 примерно до 25 мА; в противном случае Q17 не проводит ток.
Ограничение тока для Q20 выполняется на этапе усиления напряжения: Q22 определяет напряжение на эмиттерном резисторе Q19 (50 Ом); при включении он уменьшает управляющий ток до базы Q15.
В более поздних версиях схемы этого усилителя может быть показан несколько иной метод ограничения выходного тока.
В то время как 741 исторически использовался в звуковом и другом чувствительном оборудовании, такое использование сейчас редко из-за улучшенных характеристик шума более современных операционных усилителей. Помимо создания заметного шипения, операционные усилители 741 и другие старые операционные усилители могут иметь плохие коэффициенты подавления синфазного сигнала и поэтому часто будут вносить кабельный гул от сети и другие синфазные помехи, такие как щелчки переключателя, в чувствительное оборудование.
«741» часто означает общую ИС операционного усилителя (например, μA741, LM301, 558, LM324, TBA221 - или более современную замену, такую как TL071). Описание выходного каскада 741 качественно аналогично для многих других конструкций (которые могут иметь совершенно другие входные каскады), за исключением:
Операционные усилители могут быть классифицированы по их конструкции:
операционные усилители на ИС можно классифицировать по разным причинам, в том числе:
DIP распиновка для операционного усилителя типа 741 Использование операционных усилителей в качестве схемных блоков намного проще и понятнее, чем определение всех их отдельных элементов схемы (транзисторов, резисторов и т. д.), независимо от того, являются ли используемые усилители интегральными или дискретными схемами. В первом приближении операционные усилители можно использовать, как если бы они были идеальными блоками дифференциального усиления; на более позднем этапе можно установить пределы допустимого диапазона параметров для каждого операционного усилителя.
Схемотехника соответствует тем же принципам для всех электронных схем. Составлена спецификация, определяющая, что должна делать схема, с допустимыми пределами. Например, может потребоваться 100-кратное усиление с допуском 5%, но дрейфом менее 1% в заданном диапазоне температур; входное сопротивление не менее одного МОм;
Базовая схема проектируется, часто с помощью схемотехнического моделирования (на компьютере). Затем выбираются конкретные коммерчески доступные операционные усилители и другие компоненты, которые соответствуют критериям проектирования в пределах указанных допусков по приемлемой стоимости. Если не все критерии могут быть выполнены, возможно, потребуется изменить спецификацию.
Затем создается и тестируется прототип; могут быть внесены изменения для соответствия или улучшения спецификации, изменения функциональности или снижения стоимости.
То есть операционный усилитель используется в качестве компаратора напряжения. Обратите внимание, что устройство, спроектированное в первую очередь как компаратор, может быть лучше, если, например, важна скорость или может быть обнаружен широкий диапазон входных напряжений, поскольку такие устройства могут быстро восстанавливаться из полностью включенного или полностью выключенного («насыщенного») состояний.
Детектор уровня напряжения может быть получено, если опорное напряжение V исх применяется к одному из входов операционного усилителя. Это означает, что операционный усилитель настроен как компаратор для обнаружения положительного напряжения. Если измеряемое напряжение, E i, приложено к входу (+) операционного усилителя, результатом будет неинвертирующий детектор положительного уровня: когда E i выше V ref, V O равно + V sat ; когда E i ниже V ref, V O равно -V sat. Если E i применяется к инвертирующему входу, схема представляет собой инвертирующий детектор положительного уровня: Когда E i выше V ref, V O равно −V sat.
Детектор нулевого уровня напряжения (E i = 0) может преобразовывать, например, выходной сигнал синусоидальной волны от функционального генератора в прямоугольный сигнал переменной частоты. Если E i представляет собой синусоидальную волну, треугольную волну или волну любой другой формы, симметричную относительно нуля, выходной сигнал детектора перехода через ноль будет квадратным. Обнаружение перехода через нуль также может быть полезно при срабатывании симисторов в наилучшее время для уменьшения сетевых помех и скачков тока.
Триггер Шмитта, реализованный с помощью неинвертирующего компаратора Другая типичная конфигурация операционных усилителей - с положительной обратной связью, которая возвращает часть выходного сигнала обратно в неинвертирующий компаратор. инвертирующий вход. Важным его применением является гистерезисный компаратор триггер Шмитта. Некоторые схемы могут использовать положительную обратную связь и отрицательную обратную связь вокруг одного и того же усилителя, например, треугольные генераторы и активные фильтры.
из-за широкого диапазона нарастания и отсутствия положительная обратная связь, реакция всех детекторов уровня разомкнутого контура, описанных выше, будет относительно медленной. Может применяться внешняя общая положительная обратная связь, но (в отличие от внутренней положительной обратной связи, которая может применяться на последних стадиях специализированного компаратора) это заметно влияет на точность точки обнаружения перехода через ноль. Например, при использовании ОУ общего назначения частота E i для преобразователя синусоидальной формы в прямоугольную должна быть ниже 100 Гц.
Операционный усилитель, подключенный в конфигурации неинвертирующего усилителя В неинвертирующем усилителе выходное напряжение изменяется в том же направлении, что и входное напряжение.
Уравнение усиления для операционного усилителя:
Однако в этой схеме V - функция V out из-за отрицательной обратной связи через сеть R 1R2. R 1 и R 2 образуют делитель напряжения, и поскольку V - является входом с высоким импедансом, он не нагружает его. заметно. Следовательно,
где
Подставляя это в уравнение усиления, получаем
Решение для 
Если 
Для неинвертирующего входа операционного усилителя необходим путь для передачи постоянного тока на землю; если источник сигнала не питает цепь постоянного тока, или если для этого источника требуется заданное полное сопротивление нагрузки, тогда для схемы потребуется еще один резистор от неинвертирующего входа к земле. Если входные токи смещения операционного усилителя значительны, то сопротивление источника постоянного тока, управляющего входами, должно быть сбалансировано. Идеальное значение для резисторов обратной связи (для обеспечения минимального напряжения смещения) будет таким, чтобы два параллельных сопротивления примерно равнялись сопротивлению заземления на неинвертирующем входном выводе. Это идеальное значение предполагает, что токи смещения хорошо согласованы, что может быть не для всех операционных усилителей.
Операционный усилитель, подключенный в конфигурации инвертирующего усилителя В инвертирующем усилителе выходное напряжение изменяется в направлении, противоположном входному.
Как и в случае с неинвертирующим усилителем, мы начнем с уравнения усиления операционного усилителя:
На этот раз V - - это функция как V out, так и V в из-за делителя напряжения, образованного R f и R в. Опять же, вход операционного усилителя не оказывает заметной нагрузки, поэтому
Подставляем это в уравнение усиления и решаем для
Если
Между неинвертирующим входом и землей часто вставляется резистор (поэтому оба входа «видят» одинаковые сопротивления), уменьшая входное напряжение смещения из-за различных падений напряжения из-за тока смещения, и может уменьшить искажения в некоторых операционных усилителях.
A Блокирующий конденсатор может быть вставлен последовательно с входным резистором, когда частотная характеристика с понижением до постоянного тока не требуется и любое постоянное напряжение на входе нежелательно.. Таким образом, емкостная составляющая входного импеданса вводит постоянный ток ноль и низкочастотный полюс, который дает схеме полосовой или высокий- проход характеристика.
Потенциалы на входах операционного усилителя остаются практически постоянными (около земли) в инвертирующей конфигурации. Постоянный рабочий потенциал обычно приводит к уровням искажений, которые ниже, чем достижимые с неинвертирующей топологией.
Большинство одиночных, двойных и четырехъядерные операционные усилители имеют стандартизованную схему расположения выводов, которая позволяет заменять один тип другим без изменения проводки. Конкретный операционный усилитель может быть выбран из-за его усиления без обратной связи, полосы пропускания, шумовых характеристик, входного импеданса, потребляемой мощности или компромисса между любыми из этих факторов.
1941: ОУ на электронных лампах. Операционный усилитель общего назначения, связанный по постоянному току, с высоким коэффициентом усиления, с инвертирующей обратной связью усилитель, впервые встречается в США Патент 2,401,779 «Суммирующий усилитель», зарегистрированный Карлом Д. Шварцелем-младшим из Bell Labs в 1941 году. В этой конструкции использовались три вакуумные лампы для достижения усиления 90 дБ и работала на шинах напряжения ± 350 В. Он имел единственный инвертирующий вход, а не дифференциальные инвертирующие и неинвертирующие входы, как это часто бывает в современных операционных усилителях. На протяжении Второй мировой войны дизайн Шварцеля доказал свою ценность, широко использовавшись в M9 artillery Director, разработанном Bell Labs. Этот артиллерийский руководитель работал с системой SCR584 радар для достижения необычайной скорости поражения (около 90%), которая была бы невозможна в противном случае.
GAP / R's K2-W: ламповый операционный усилитель ( 1953) 1947: Операционный усилитель с явным неинвертирующим входом. В 1947 году операционный усилитель был впервые официально определен и назван в статье Джона Р. Рагаццини из Колумбийского университета.. В этой же статье в сноске упоминается конструкция операционного усилителя, разработанная студентом, которая оказалась весьма важной. Этот операционный усилитель, разработанный Loebe Julie, превосходил его по многим параметрам. В нем было два основных нововведения. Его входной каскад использовал длинно-хвостовую пару триод с нагрузками, согласованными для уменьшения дрейфа на выходе, и, что гораздо важнее, это была первая конструкция операционного усилителя с двумя входами (один инвертирующий, другой - нет. -инвертирующий). Дифференциальный вход сделал возможным целый ряд новых функций, но он не будет использоваться в течение длительного времени из-за появления усилителей, стабилизированных прерывателем.
1949: Операционный усилитель, стабилизированный прерывателем. В 1949 году Эдвин А. Голдберг разработал операционный усилитель со стабилизацией прерывателя. В этой схеме используется обычный операционный усилитель с дополнительным усилителем AC, который устанавливается рядом с операционным усилителем. Прерыватель получает сигнал переменного тока от постоянного тока путем переключения между напряжением постоянного тока и землей с высокой скоростью (60 Гц или 400 Гц). Затем этот сигнал усиливается, выпрямляется, фильтруется и подается на неинвертирующий вход операционного усилителя. Это значительно улучшило усиление операционного усилителя, значительно уменьшив дрейф выходного сигнала и смещение постоянного тока. К сожалению, любая конструкция, в которой использовался прерыватель, не могла использовать их неинвертирующий вход для каких-либо других целей. Тем не менее, значительно улучшенные характеристики операционного усилителя, стабилизированного прерывателем, сделали его доминирующим способом использования операционных усилителей. Методы, которые регулярно использовали неинвертирующий вход, не были бы очень популярны до 1960-х годов, когда операционные усилители ИС начали появляться в полевых условиях.
1953: коммерчески доступный операционный усилитель. В 1953 году операционные усилители на электронных лампах стали коммерчески доступными с выпуском модели K2-W от George A. Philbrick Researches, Incorporated. Обозначение на показанных устройствах GAP / R является аббревиатурой от полного названия компании. Две девятиконтактные вакуумные лампы 12AX7 были смонтированы в восьмеричном корпусе и имели дополнительный модуль прерывателя модели K2-P, который мог эффективно «использовать» неинвертирующий вход. Этот операционный усилитель был основан на конструкции Леба Джули 1947 года и, вместе с его преемниками, положил начало широкому использованию операционных усилителей в промышленности.
Модель P45 от GAP / R: твердотельный дискретный операционный усилитель (1961 г.). 1961 г.: дискретный операционный усилитель на ИС. С появлением в 1947 г. транзистора , и кремниевый транзистор в 1954 году, концепция ИС стала реальностью. Введение планарного процесса в 1959 году сделало транзисторы и ИС достаточно стабильными, чтобы их можно было использовать в коммерческих целях. К 1961 году уже производились полупроводниковые дискретные операционные усилители. Эти операционные усилители представляли собой небольшие печатные платы с такими корпусами, как краевые разъемы. Обычно у них были резисторы, подобранные вручную, чтобы улучшить такие вещи, как смещение и дрейф напряжения. P45 (1961) имел усиление 94 дБ и работал на шинах ± 15 В. Он был предназначен для работы с сигналами в диапазоне ± 10 В.
1961: Операционный усилитель с варакторным мостом. В разработке операционных усилителей было принято много разных направлений. Мостовые операционные усилители Varactor начали выпускаться в начале 1960-х годов. Они были разработаны с учетом чрезвычайно малого входного тока и по-прежнему являются одними из лучших операционных усилителей с точки зрения подавления синфазного сигнала и способности правильно работать с сотнями вольт на их входах.
Модель PP65 компании GAP / R: твердотельный операционный усилитель в герметичном модуле (1962 г.) 1962 год: операционный усилитель в герметизированном модуле. К 1962 году несколько компаний производили модульные герметичные корпуса, которые могли вставляться в печатные платы. Эти пакеты имели решающее значение, поскольку они превращали операционный усилитель в единый черный ящик, который можно было легко рассматривать как компонент в более крупной схеме.
1963: монолитный операционный усилитель на ИС. В 1963 году был выпущен первый монолитный операционный усилитель на ИС, μA702, разработанный Бобом Видларом из Fairchild Semiconductor. Монолитные ИС состоят из одной микросхемы, а не микросхемы, и дискретных частей (дискретная ИС) или нескольких микросхем, связанных и соединенных на печатной плате (гибридная ИС). Практически все современные операционные усилители представляют собой монолитные ИС; однако эта первая ИС не имела большого успеха. Такие проблемы, как неравномерное напряжение питания, низкое усиление и небольшой динамический диапазон, сдерживали доминирование монолитных операционных усилителей до 1965 года, когда был выпущен μA709 (также разработанный Бобом Видларом).
1968: Выпуск μA741. Популярность монолитных операционных усилителей еще больше возросла после выпуска LM101 в 1967 году, который решил множество проблем, и последующего выпуска μA741 в 1968 году. ΜA741 был очень похож на LM101, за исключением того, что возможности Fairchild позволяли им включать внутри микросхемы компенсационный конденсатор емкостью 30 пФ вместо необходимости внешней компенсации. Это простое отличие сделало 741 каноническим операционным усилителем, и многие современные усилители основывают свою распиновку на 741. Микросхема μA741 все еще находится в производстве и стала повсеместной в электронике - многие производители выпускают версию этого классического чипа, узнаваемую по номерам деталей, содержащим 741. Такая же деталь производится несколькими компаниями.
1970: Первая высокоскоростная конструкция полевого транзистора с низким входным током. В 1970-х годах конструкции с высокой скоростью и низким входным током начали создаваться с использованием полевых транзисторов. Они будут в значительной степени заменены операционными усилителями, изготовленными из полевых МОП-транзисторов в 1980-х годах.
ADI HOS-050: высокоскоростной гибридный операционный усилитель на ИС (1979) 1972: Производятся операционные усилители с односторонним питанием. Операционный усилитель с односторонним питанием - это операционный усилитель, в котором входное и выходное напряжение могут быть настолько низкое, что отрицательное напряжение источника питания, вместо того, чтобы быть как минимум на два вольта выше него. В результате он может работать во многих приложениях, когда отрицательный вывод питания на операционном усилителе подключен к сигнальной земле, что устраняет необходимость в отдельном отрицательном источнике питания.
LM324 (выпущенный в 1972 году) был одним из таких операционных усилителей, который поставлялся в четырехместном корпусе (четыре отдельных операционных усилителя в одном корпусе) и стал отраслевым стандартом. Помимо упаковки нескольких операционных усилителей в одном корпусе, в 1970-х годах также появились операционные усилители в гибридных корпусах. Эти операционные усилители, как правило, были улучшенными версиями существующих монолитных операционных усилителей. По мере улучшения свойств монолитных операционных усилителей более сложные гибридные ИС были быстро отнесены к системам, которые должны иметь чрезвычайно долгий срок службы, или к другим специализированным системам.
Операционный усилитель в корпусе mini DIP Последние тенденции. В последнее время напряжение питания в аналоговых схемах снизилось (как и в цифровой логике), и были представлены низковольтные операционные усилители, отражающие это. Обычны источники питания от 5 В до 3,3 В (иногда до 1,8 В). Чтобы максимизировать диапазон сигнала, современные операционные усилители обычно имеют выход Rail-to-Rail (выходной сигнал может находиться в диапазоне от самого низкого напряжения питания до самого высокого), а иногда и входы Rail-to-Rail.
Портал электроники  | На Викискладе есть материалы, связанные с Операционными усилителями. |
 | Викиверситет имеет ресурсы для изучения Операционный усилитель |
 | В Wikibook Electronics есть страница по теме: Операционные усилители |
