1. Ідеальні оп-підсилювачі
СТРУМ - 1. Ідеальні операційні підсилювачі
ПОПЕРЕДНІ - Ідеальні операційні підсилювачі Вступ
Ідеальні оп-підсилювачі
У цьому розділі використовується a системи підхід до представлення основ Ідеальних операційних підсилювачів. Таким чином, ми розглядаємо оп-підсилювач як блок з вхідними і вихідними терміналами. Наразі ми не займаємося окремими електронними пристроями в операційному підсилювачі.
Оп-підсилювач є підсилювачем, який часто живиться як від позитивних, так і від негативних напруг живлення. Це дозволяє відхилити вихідну напругу як над, так і під землею. Оп-підсилювач знаходить широке застосування в багатьох лінійних електронних системах.
Ім'я операційний підсилювач є похідним від одного з оригінальних застосувань схем оптичного підсилювача; для виконання математичного операції в аналогових комп'ютерах. Це традиційне застосування обговорюється далі в цьому розділі. Ранні операційні підсилювачі використовували один інвертуючий вхід. Позитивне зміна напруги на вході викликало негативні зміни на виході.
Отже, щоб зрозуміти роботу операційного підсилювача, необхідно спочатку ознайомитися з концепцією контрольованих (залежних) джерел, оскільки вони є основою моделі op-amp.
Залежні джерела 1.1
Залежні (або контрольовані) джерела виробляють напругу або струм, значення яких визначається напругою або струмом, що існують в іншому місці схеми. На відміну від цього, пасивні пристрої виробляють напругу або струм, значення яких визначається напругою або струмом, що існують в тому ж місці в ланцюзі. Як незалежні, так і залежні джерела напруги та струму є активними елементами. Тобто вони здатні доставляти живлення до якогось зовнішнього пристрою. Пасивні елементи не здатні генерувати енергію, хоча вони можуть зберігати енергію для доставки в більш пізній час, як у випадку з конденсаторами та індукторами.
На малюнку нижче показана конфігурація схеми підсилювального пристрою, що часто використовується в аналізі схеми. Найкраще
резистором є навантаження. Знайдемо напругу і струм посилення цієї системи. Посилення напруги, Av визначається як відношення вихідної напруги до вхідної напруги. Аналогічним чином, коефіцієнт підсилення струму, Ai, є відношенням вихідного струму до вхідного струму.
Малюнок 1 - Еквівалентна схема твердотільного підсилювального пристрою
Вхідний струм:
Струм у другому резисторі, i1, знаходиться безпосередньо із закону Ома:
(2)
Потім вихідну напругу задають:
(3)
У рівнянні (3), | | позначає паралельну комбінацію резисторів. Вихідний струм знаходиться безпосередньо із закону Ома.
(4)
Потім напруга і коефіцієнт струму виявляються шляхом формування співвідношень:
(5)
(6)
1.2 Еквівалентний контур операційного підсилювача
Малюнок 2- Операційний підсилювач і еквівалентна схема
Figure 2 (А) представлений символ для операційного підсилювача, а на малюнку 2 (b) показана його еквівалентна схема. Вхідні роз'єми є v+ та v-. Вихідний термінал vз. Підключення джерела живлення здійснюється на +V, -V і наземні термінали. Часто підключаються джерела живлення виключено зі схематичних креслень. Величина вихідної напруги обмежена +V та -V оскільки це найбільш позитивні і негативні напруги в ланцюзі.
Модель містить залежний джерело напруги, напруга якого залежить від різниці вхідної напруги v+ та v-. Два вхідних термінали відомі як неінвертуючий та інвертуючий вхідних даних відповідно. В ідеалі вихід підсилювача не залежить від величини двох вхідних напруг, а тільки від різниці між ними. Ми визначаємо диференціальна вхідна напруга, vd, як різниця,
(7)
Вихідна напруга пропорційна диференціальної вхідної напруги, і ми позначаємо співвідношення як відкритий контур посилення, Г. Таким чином, вихідна напруга
(8)
Як приклад, вхід 
(E зазвичай невелика амплітуда), що подається на неінвертуючий вхід з інвертуючим терміналом, заземлюється, виробляє 
на виході. Коли один і той самий сигнал джерела подається на інвертуючий вхід з заземленим неінвертуючим терміналом, то вихідний сигнал 
.
Вхідний опір операційного підсилювача показано як опір на малюнку 2 (b).
Вихідний опір представлений на малюнку як опір, Ro.
Ідеальний операційний підсилювач характеризується наступним чином:
Це, як правило, хороші наближення до параметрів реальних ОП. Типовими параметрами реальних оп-амперів є:
Використання ідеальних операційних підсилювачів для наближення реальних оп-підсилювачів є важливим спрощенням для аналізу схем.
Дослідимо наслідки безмежності посилення відкритої петлі. Якщо переписати рівняння (8) 
наступним чином:
(9)
і нехай G підходимо до нескінченності, бачимо це
(10)
Рівняння (10) виходить, спостерігаючи, що вихідна напруга не може бути нескінченною. Величина вихідної напруги обмежена значеннями позитивного і негативного джерел живлення. Рівняння (10) вказує, що напруги на двох терміналах однакові:
(11)
Отже, рівність рівняння (11) дозволяє нам сказати, що між вхідними терміналами існує віртуальне коротке замикання.
Оскільки вхідний опір ідеального операційного підсилювача нескінченний, струм в кожний вхід, інвертуючий термінал і неінвертуючий термінал, дорівнює нулю.
Коли реальні операційні підсилювачі використовуються в режимі лінійного посилення, коефіцієнт підсилення дуже великий, і рівняння (11) є гарним наближенням. Проте кілька додатків для реальних операційних підсилювачів використовують пристрій в нелінійному режимі. Наближення рівняння (11) не є дійсним для цих схем.
Хоча практичні оп-підсилювачі мають високий коефіцієнт посилення напруги, цей коефіцієнт змінюється з частотою. З цієї причини оп-підсилювач зазвичай не використовується у вигляді, показаному на малюнку 2 (a). Ця конфігурація відома як відкритий контур, оскільки від виходу до входу немає зворотного зв'язку. Далі ми бачимо, що, хоча конфігурація з відкритою петлею корисна для додатків компаратора, більш поширеною конфігурацією для лінійних застосувань є замкнутий контур із зворотним зв'язком.
Зовнішні елементи використовуються для «зворотного зв'язку» частини вихідного сигналу на вхід. Якщо елементи зворотного зв'язку розміщені між виходом та інвертуючим входом, коефіцієнт підсилення по замкнутому циклу зменшується, оскільки частина виходу віднімає від входу. Пізніше ми побачимо, що зворотний зв'язок не тільки зменшує загальний коефіцієнт посилення, але він також робить цей коефіцієнт посилення менш чутливим до значення G. З зворотним зв'язком коефіцієнт посилення замкнутого циклу більше залежить від елементів схеми зворотного зв'язку, а менше від базової опції. коефіцієнт підсилення напруги, G. Насправді, коефіцієнт підсилення по замкнутому контуру по суті не залежить від значення G - це залежить лише від значень елементів зовнішньої схеми.
Малюнок (3) ілюструє однокаскадний негативний зворотний зв'язок ОУ.
Малюнок 3 - Інвертуючий оп-підсилювач
Тому ми розглянемо цю схему в наступному розділі. Наразі зауважте, що один резистор, RF, використовується для підключення вихідної напруги, vз на інвертуючий вхід, v-.
Інший резистор, Ra з'єднаний з інвертуючим входом, v-, до вхідної напруги, va. Третій резистор, R розміщується між неінвертуючим входом і землею.
Схеми, що використовують оп-підсилювачі, резистори і конденсатори, можуть бути налаштовані для виконання багатьох корисних операцій, таких як підсумовування, віднімання, інтегрування, диференціація, фільтрація, порівняння і посилення.
1.3 Метод аналізу
Ми аналізуємо схеми за допомогою двох важливих ідеальних властивостей:
- Напруга між ними v+ та v- дорівнює нулю або v+ = v-.
- Струм в обидва v+ та v- термінал дорівнює нулю.
Ці прості спостереження призводять до процедури аналізу будь-якої ідеальної схеми операційного підсилювача наступним чином:
- Напишіть рівняння вузла закону Кірхгофа на неінвертуючий термінал, v+.
- Напишіть рівняння вузла закону Кірхгофа на інвертуючий термінал, v-.
- Установка v+ = v- і вирішують для бажаних коефіцієнтів закритого циклу.
Застосовуючи закони Кірхгофа, пам'ятайте, що струм обох v+ та v- термінал дорівнює нулю.