Что такое операционный усилитель?

Операционные усилители — начало истории

08.11.2013 | Рубрика: Операционный усилитель

Без обратной связи

Первые усилители, тогда еще не операционные, строились либо без обратной связи (ОС), либо разработчики не придавали ей значение. Это приводило к серьезному дрейфу характеристик усилителей от внешних факторов, в основном от температуры. Этот дрейф обуславливался, в первую очередь, дрейфом активных компонентов, пассивные же компоненты играли незначительную роль в дестабилизации характеристик устройств с усилителями. В 1930 году Гарри Блэк (Harry Black) придумал такое решение, при котром характеристики усилителя зависели преимущественно от пассивных компонентов. Вскоре началась эра операционных усилителей, и подробно о ней — под катом…

Решение

Решение состояло в том, что, во-первых, надо было построить усилитель с коэффициентом усиления намного больше требуемого значения. Затем часть выходного сигнала следовало вернуть на вход в противофазе с входным сигналом через цепь отрицательной обратной связи (ОС), выполненной на пассивных компонентах. При достаточно глубокой ОС коэффициент усиления такой схемы зависит скорее от параметров цепи ОС, а не от усиления усилителя.

Этот приём, называемый отрицательной обратной связью, является основополагающим принципом работы всех современных операционных усилителей. Гарри во время своей поездки на пароме придумал намеренно вводить обратную связь в усилительные схемы. И хотя не все были согласны с идеями об обратной связи, время подтвердило правоту Гарри, хотя и существовала одна небольшая проблемка, которую Гарри не стал обсуждать в деталях. А именно проблема самовозбуждения.

Оказалось, что схемы, имеющие большой коэффициент усиления при разомкнутой цепи ОС, иногда возбуждаются при замыкании цепи ОС. Множество людей исследовали эту нестабильность, и довольно хорошее понимание этого явления сформировалось в 1940 году, но обеспечение стабильности требовало длительных, утомительных и запутанных вычислений.

В 1945 году Хендрик В. Боде (H. W. Bode) представил систему для анализа стабильности устройств с обратной связью, основанную на использовании графических методов. До этого времени анализ систем с ОС выполнялся с помощью операций умножения и деления, так что расчёты передаточных функций были длительной и трудной задачей. Вспомним, что до 1970-х годов инженеры не имели в своём распоряжении электронных калькуляторов или компьютеров. Боде предложил технику логарифмирования, которая преобразовала сложный процесс расчёта стабильности систем с обратной связью в графический анализ, который был простым и перспективным. Конструирование систем с ОС ещё оставалось сложным, но оно больше не было сродни искусству, доступному лишь нескольким инженерам-электронщикам. Любой инженер мог использовать метод Боде для поиска условий стабильности систем с ОС, так что применение ОС в различных устройствах начало расти. Пожалуй, в области разработки электронных систем с ОС не было более крупного шага вперед до наступления эры компьютеров и трансдьюсеров.

В дальнейшем ОУ развивались по принципу — быстрее, выше, сильнее! До 60х годов ОУ делались на лампах, после — на транзисторах, микросхемах. Первые ОУ требовали грамотного выбора компонентов для обвязки, ОС, цепей коррекции. Современные ОУ редко встречаются с цепями коррекции, а также смогут гарантированно работать при выполнении пары-тройки простейших рекомендаций из документации (datasheet) на микросхему.

Список статей про операционный усилители

1. Идеальный операционный усилитель — это то, с чего обычно начинают изучение ОУ.
2. Идеальный ОУ — Неинвертирующий усилитель — одно из основных включений ОУ.
3. Идеальный ОУ — Инвертирующий усилитель — этот режим не очень популярен во времена однополярного питания.
4. Идеальный ОУ — Сумматор. Все пишут о сумматорах на ОУ, и я напишу.
5. Идеальный ОУ — Дифференциальный усилитель — усиливает разность сигналов на входах.
6. Идеальный ОУ — Примитивный метод анализа фильтров на ОУ.
7. Идеальный ОУ — Вместо заключения, или почему идеальные ОУ разрушили бы Вселенную.
8. Однополярное питание ОУ — почему именно используется однополярное питание, достоинства и недостатки применение ОУ с однополярным питанием.
9. Разбор основных схем использования ОУ с однополярным питанием, в статье рассмотрены конкретные типы ОУ.
10. Учимся считать ОУ — приведена методика расчета резисторов ОС и цепей смещения для ОУ при однополярном питании.

… продолжение следует

Идеальные и реальные операционные усилители

Идеальный ОУ обладает следующими свойствами: Он усиливает разницу напряжений между инвертирующим и неинвертирующим входами. Он обладает бесконечным коэффициентом усиления. Он имеет бесконечное входное сопротивление и нулевое выходное. Идеальный операционный усилитель может работать при любых входных напряжениях и напряжении питания. Значение выходного напряжения не зависит от значений входных, а только от их разницы (он подавляет симфазный сигнал). Выходное напряжение равно нулю, если напряжения на обоих входах равны. Идеальный операционный усилитель имеет мгновенное быстродействие, то есть напряжение на выходе изменяется в тот же момент времени, как и разница напряжений на входах (бесконечное быстродействие). Идеальный ОУ может отдавать нагрузке неограниченный ток. Свойства идеального ОУ не зависят от формы и частоты входного сигнала. Он может усиливать любой сигнал от постоянного напряжения до сплошного белого шума в любом диапазоне частот. Идеальный операционник не шумит, не формирует сигналы на выходе при отсутствии сигнала на входе.

Понятно, что идеальных ОУ не существует. Операционным усилителем принято называть устройства, в некоторой степени, отвечающие перечисленным выше требованиям. Реальные ОУ обладают коэффициентом усиления от 10 000 до 1 000 000 и более. Хорошие операционные усилители имеют входное сопротивление то десятков МОм и выше. Максимальный выходной ток может быть до 10 мА. При рекомендованной для данного ОУ нагрузке можно приблизительно считать, что напряжение на ней не зависит от тока, то есть выходное сопротивление операционника близко к нулю. ОУ сильно ослабляют симфазный сигнал, в 100 и более раз, но, все же, не абсолютно. Напряжение питания может быть разным, но наиболее распространено двуполярное питание 15 вольт. Для обеспечения близкого к нулю выходного напряжения применяется ручная или автоматическая балансировка. Операционный усилитель хорошо работает с входными напряжениями от на пару вольт больших, чем минус питания, до на пару вольт меньших, чем плюс. Выходное напряжение обычно бывает в тех же пределах. Существуют операционники, рассчитанные на работу в самых разных диапазонах частот, но для высоких частот (выше 10 МГц) операционники не применяются.

Самой неприятной особенностью реальных ОУ является конечное быстродействие — некоторая задержка по времени между изменением входного и выходного напряжения. К чему она приводит, я расскажу позже.

Идеальный и реальный операционные усилители

Сначала суммируем характеристики идеаль­ного операционного усилителя, показанного на рис. «Идеальный операционный усилитель«:

• Синфазное входное сопротивление между входом и землей, где: r_GL__P = U_P/I_P; r_{GL_N} = U_N/I_N. В общем случае значение r_GL можно проигнорировать.
• Дифференциальное входное сопротив­ление между двумя входами; здесь: r_D = (U_P -U_N)/I_P. r_D увеличивается за счет от­рицательной обратной связи.
• Дифференциальное выходное сопротив­ление r_A = dU_A/dI_A. r_A — за счет отрицатель­ной обратной связи снижается.
• Напряжение смещения U_os — количествен­ная характеристика того факта, что даже в случае короткого замыкания между двумя входами (т.е. U_D = 0) выходное напряжение U_A не равно нулю.
• Коэффициент ослабления синфазного сигнала (CMRR): количественная характе­ристика, описывающая изменение выход­ного напряжения U_A при одновременном синхронном изменении входных напряже­ний U_P и U_N (в случае синфазных перио­дических входных сигналов), т.е., когда U_D остается постоянным.
• Коэффициент подавления пульсаций питания (PSRR): количественная характеристика, опи­сывающая изменение выходного напряжения U_A при изменении напряжений питания.

Поэтому основные идеализации заключа­ются в следующем:

• Коэффициент усиления при разомкнутой цепи обратной связи А_D приближается к бес­конечности; в случае отрицательной обрат­ной связи имеет место следующее: U_D = 0.
• Входные токи I_N и I_Р приближаются к нулю.
• Если I_N и I_Р близки к нулю, это означает, что синфазное и дифференциальное вход­ные сопротивления приближаются к бес­конечности.
• Напряжение смещения U_os приближается к нулю.
• Выходное сопротивление R_A приближа­ется к нулю.
• Коэффициент ослабления синфазного сигнала (CMRR) приближается к бесконеч­ности, т.е. в случае равного и синфазного изменения напряжений U_P и U_N, U_А оста­ется неизменным.
• Коэффициент ослабления пульсаций пи­тания (PSRR) приближается к бесконечно­сти, т.е. в случае изменения напряжения питания, U_А остается неизменным.
• Поведение усилителя не зависит от ча­стоты.

На практике, разумеется, значения вышеука­занных параметров отличны от идеальных:

• Коэффициент усиления при разомкнутой цепи обратной связи А_D лежит в диапазоне от 104 до 107.
• Входные токи I_N и I_Р лежат в диапазоне от 10 пА до 2 мкА.
• Синфазное входное сопротивление лежит в диапазоне от 106 до 1012 Ом, а дифферен­циальное входное сопротивление дости­гает 1012 Ом.
• Выходное сопротивление R_A лежит в диа­пазоне от 2 до 50 Ом.
• Коэффициент ослабления синфазного сигнала (CMRR) лежит в диапазоне от 60 до 140 дБ.
• Коэффициент ослабления пульсаций пи­тания (PSRR) лежит в диапазоне от 60 до 100 дБ.
• Поведение усилителя зависит от частоты (пропускание низких частот).

Перевернутый инвертор?

Давайте посмотрим, что произойдет, когда мы начнем извращаться с базовой схемой инвертирующего усилителя. Что произойдет, если мы поменяем цепь обратной связи, а входной сигнал подадим на другой вход?

Рисунок 3 – Что делает данная схема?

Мы можем пройти ту же последовательность шагов, что и раньше, с инвертирующим усилителем, но начнем с замены напряжения на узле V-. Из-за виртуального короткого замыкания V- = V+ = Vвх. В результате мы можем написать следующее уравнение для тока, проходящего через Rз:

\

Поскольку мы знаем, что операционный усилитель не потребляет никакого входного тока, мы знаем, что токи через Rз и Rос должны раны, что позволяет нам написать следующее уравнение:

\

Виртуальное короткое замыкание позволяет избавиться от V-, поскольку мы знаем, что оно равно Vвх.

\

И еще немного перестановок, и мы получим следующее:

\

В отличие от предыдущей схемы, коэффициент усиления этой цепи не отрицателен. В результате данная схема называется неинвертирующим усилителем: она обеспечивает линейное усиление, но с положительным знаком. В отличие от предыдущего схемы, неинвертирующий усилитель не может обеспечить коэффициент усиления меньше единицы – невозможно установить цепь обратной связи ниже! С другой стороны, эта схема обеспечивает одну вещь, которую инвертирующий усилитель обеспечить не может. Поскольку выходной сигнал положительный, он совпадает по фазе с входным сигналом. Инвертирующий усилитель, благодаря отрицательному коэффициенту усиления, переключает выходной сигнал на 180 градусов. Неинвертирующий усилитель этого не делает!

Список микросхем инструментального усилителя

Поскольку инструментальный усилитель может быть построен с использованием различных микросхем, мы составили список всех микросхем, которые можно использовать для инструментальных усилителей. Номера IC приведены в списке.

Название СК	Спецификация IC	Комментарии
Инструментальный усилитель	INA128	Одночиповый.
Двойной инструментальный усилитель	INA2128	16-контактный IC
Типичный операционный усилитель	LM324	У ИС было четыре усилителя.
Инструментальный усилитель	AD623	Восьмиконтактная ИС с одним инструментальным усилителем
Прецизионный инструментальный усилитель	AD624	16-контактный IC
Операционный усилитель	IC741	Четырехконтактная микросхема работает как единое целое с операционным усилителем.

Минусы Pre-Outs

Однако, когда речь идет о высококачественной аудиоаппаратуре, бесплатных обедов не бывает. Pre-out может иметь свои недостатки.

Pre-Outs могут быть дорогими

Первый недостаток использования предварительных выходов – это цена. Если вы хотите получить высококачественный домашний кинотеатр, вам потребуется более дорогой аудио / видео ресивер. Покупка мощного A / V-ресивера с множеством опций в разделе предварительного вывода обходится недешево, но вы получаете то, за что платите.

Это может немного обескуражить, когда вы покупаете новый ресивер, поскольку такие устройства, как Denon AVR-S540BT 5.2-канальный 4K-ресивер (на Amazon), могут показаться реальным делом, пока вы не начнете расширять их позже, только чтобы обнаружить, что они действительно есть. никаких предварительных выходов.

Больше усилителей – больше энергопотребления

Еще одна вещь, о которой следует подумать при использовании предварительных выходов, – это потребляемая мощность. Более мощные A / V-ресиверы будут потреблять больше энергии, и выходы предварительного усилителя, такие как ваш сабвуфер, также должны быть подключены к розетке. Домашние кинотеатры могут быть дорогими, и наличие более совершенной системы, использующей дополнительную мощность, в конечном итоге будет стоить дороже.

Дополнительные кабели и возможные проблемы со звуком

Если вы используете большинство выходов предусилителя на ресивере, потребуется много кабелей, и все может запутаться

Всегда важно держать ваши кабели организованными и безопасными. Если вам нужно подключить несколько устройств, ознакомьтесь с нашей десяткой лучших устройств защиты от перенапряжения

Возможно, что при использовании нескольких разных усилителей в вашем звуке могут возникнуть небольшие несоответствия. Однако эти недостатки будут настолько незначительными, что их практически никто не заметит. Но для настоящего аудиофила эти звуковые несоответствия могут стать недостатком.

Возможно, вам также будет интересно

При работе любого импульсного преобразователя на основе IGBT- или MOSFET-транзисторов неминуемо возникают коммутационные паразитные импульсы тока и напряжения. Неизбежность этих импульсов обусловлена паразитными составляющими топологии преобразователя и токами рекуперации при выключении. Создать преобразователь, не имеющий данных импульсов, практически не представляется возможным, а вот спроектировать преобразователь, в котором эти импульсы будут приводить к выходам из строя,

Встроенные защиты драйвера На сегодня драйвер IGBT-транзисторов — это законченный узел со сложившимся перечнем функций. Помимо основной функции — гальванически развязанной передачи логического сигнала управления в сигнал управления затвором транзистора, — драйвер выполняет и защитные функции. При этом практически все драйверы всех производителей содержат одинаковые виды защиты, список которых представлен в таблице. Таблица. Встроенные защиты

Компания SEMIKRON представляет новое поколение модулей седьмого поколения IGBT с сигнальными выводами, подключаемыми методом прессовой посадки (Press-Fit).
Семейство модулей IGBT в конструктиве SEMiX3p press-fit (Econo Dula) пополнилось новым, седьмым поколением компонентов с номинальным током 200, 300, 450, 600 и 700 А. Самым мощным элементом семейства является SEMiX703GB12M7p, отличающийся высшими показателями плотности мощности для IGBT в конструктиве 17 мм. Расположение сигнальных выводов SEMiX3p совместимо с топологией контактов серийно выпускаемых модулей Econo Dual, что дает …

Аналоги LM358

Инвертирующее включение рис 1. При более низком синфазном входном напряжении поведение входного каскада становится непредсказуемым.

Инвертирующие операционные усилители имеют простую схему: Такие операционные усилители стали популярными из-за своей простой конструкции.

Это означает сохранение фазы сигнала. Вследствие этого вместо диодов применяют транзисторы в диодном включении или с заземлённой базой.

Усилители, имеющие вход с полным размахом, схемотехнически заметно сложнее, чем обычные. Разность напряжений между входами идеального ОУ равна нулю, то есть если один из выводов соединён с землёй, то и второй вывод имеет такой же потенциал. Здесь используется инверсное включение резистивной матрицы R-2R. Это приводит также что коэффициент усиления для каждого входа будет равен 1.

Читайте дополнительно: Сп по прокладке кабельных линий

Аналоги LM358

Из схемы ясно, что оба дифференциальных усилителя входного каскада управляются одновременно. Таким образом, основные параметры данной схемы описываются следующим соотношением Отсюда выводится соотношение для коэффициента усиления неинвертирующего усилителя Таким образом, можно сделать вывод, что на коэффициент усиления влияют только номиналы пассивных компонентов. Для получения синусоидальной формы выходного сигнала используют несколько способов построения схем.

Других преимуществ, кроме возможности работы с широким диапазоном входного синфазного сигнала, они не имеют. Аналогичное ограничение накладывается на выходной диапазон устойчивости источника тока на основе операционного усилителя. Такого высокого результата вряд ли удастся достигнуть с обычным эмиттерным повторителем. На вторичной обмотке сделано ответвление, причем количество витков до этого ответвления равно числу витков после ответвления. Это позволяет усилителю выдерживать при однополярном питании входное синфазное напряжение до —15 В.

Но в этом есть смысл, ведь вспомним свойство операционника, он обладает высоким входным сопротивлением и низким выходным. Сигнал на выходе не изменится пока сигнал на входе не опустится менее -1,36В. Повторитель выдает на выходе то напряжение, которое было подано на его вход.

В реальных же ОУ изменение синфазного входного напряжения вызывает изменение правда, весьма незначительное выходного напряжения. Обычно Uсдв имеет значение 10 — мВ.
Лекция 54. Усилитель неинвертирующего типа на операционном усилителе.

Инвертирующий усилитель на ОУ

Схема инвертирующего усилителя, охваченного параллельной ООС по напряжению показана на рисунках:

ООС реализуется за счет соединения выхода усилителя со входом резистором R2.

На инвертирующем входе ОУ происходит суммирование токов. Поскольку входной ток ОУ i- = 0, то i1 = i2. Так как i1 = Uвх/R1, а i2 = -Uвых/R2, то . Ku = = -R2/R1. Знак «-» говорит о том, что происходит инверсия знака входного напряжения.

На рисунке (б) в цепь неинвертирующего входа включен резистор R3 для уменьшения влияния входных токов ОУ, сопротивление которого определяется из выражения:

Входное сопротивление усилителя на низких частотах приблизительно равно Rвх.ос = ≈ R1

Выходное сопротивление Rвых.ос = существенно меньше Rвых собственно ОУ.

Коэффициент усиления

Полученная схема — это неинвертирующий усилитель. Коэффициент усиления сигнала определяют резисторы R1 и R2. Его точное значение определяется формулой:

Будем считать, что на вход мы подаем сигнал с линейного выхода. В таком случае коэффициента усилия по напряжению равного 3 будет с хорошим запасом. Поэтому на три и будем ровняться.

От точности резисторов R1 и R2 зависит насколько одинаковым будет усиление у каналов. Поэтому желательно, чтобы резисторы имели точностью не хуже ±1%.Далеко не всегда в магазинах или в домашних запасах можно найти большой ассортимент номиналов резисторов хорошей точности. Но в данном случае можно обойтись резисторами одного номинала.

Так, в закромах шкафа были найдены прецизионные резисторы по 7,5 кОм которые и стали резисторами R1. В качестве R2 было использовано по два резистора в 7,5 кОм, которые были включены последовательно. Аналогично можно сделать, включив параллельно два резистора по 15кОм в качестве R1, и один резистора на 15кОм в качестве R2.

Для изменения коэффициента усиления лучше менять резистор R2. Для звуковых схем на ОУ, обычно рекомендуется использовать резисторы номиналом 1÷50 кОм. Любой резистор вносит шум в аудио тракт и чем больше номинал этого резистора — тем больше вносимый им шум.

Инструментальный усилитель

Выведем функциональные уравнения и формулы для инструментального усилителя. Чтобы вывести уравнения, дайте нам знать, что происходит внутри всего инструментального усилителя. Как мы уже упоминали ранее, разделение на две стадии мы рассчитаем частично.

На первом этапе вход подается на неинвертирующие клеммы обоих усилителей. Усилитель представляет собой дифференциальные усилители. Итак, они узнают разницу между заданными входными напряжениями. Теперь обратимся к принципиальной схеме; входные напряжения — Vi1 и Vi2. Инвертирующий вывод схемы подключен к отрицательной обратной связи с выхода усилителей. Допустим, инвертирующие клеммы обоих усилителей имеют потенциалы VA и VB соответственно. Они появляются в узле соединения с линиями сопротивления и ответвления.

Учитывая виртуальное короткое замыкание, клеммы A и B получают такое же напряжение, как и входы. Итак, можно сказать, что VA = Vi1, VB = Vi2. Вся ступень работает как дифференциальный усилитель. Это означает, что разница между двумя входными напряжениями будет увеличиваться на выходе. На выходе снова будет разница между двумя выходными напряжениями. Это можно выразить следующим образом:

Vo1 — Vo2 = k (Vi1 — Vi2)

Здесь k — коэффициент усиления усилителя.

На втором этапе разность усилителей подается на вход усилителя. Усилитель на этом этапе просто работает как обычный усилитель. Сопротивления, связанные с информацией, имеют те же значения, что и требования дифференциальных усилителей. Инвертирующий вывод связан с землей, а усилитель имеет виртуальную землю. В следующем разделе мы проведем математические расчеты инструментального усилителя.

Классы работы транзистора в усилителе

Примем, что на вход усилителя подается синусоидальный сигнал.

Различают классы А, АВ, В, С и D в зависимости от положения начальной рабочей точки (статического режима) и величины входного напряжения. Основными характеристиками этих режимов являются нелинейные искажения и КПД. Работа усилителя в соответствующем режиме поясняется с помощью придаточной характеристики на рисунке:

Uвых.А – действует в течение всего периода Uвх.А. Uвых.В – действует в течение половины периода Uвх.В. Uвых.С – действует в течение интервала, меньшего половины периода Uвх.С.

Класс А подразумевает работу на линейной части характеристики с малым сигналом Uвх и сравнительно большой постоянной составляющей Uвх.п. Нелинейные искажения минимальны. Однако КПД резко превышает 0,35. Применяются в высококачественных линейных усилителях.

Класс В характеризуется работой с большим сигналом Uвх. Захватывается нелинейный участок передаточной характеристики. Форма выходного напряжения искажается (полусинусоида). Однако КПД достигает 80%. Применяется в 2-х тактных усилителях мощности.

Класс С характеризуется тем, что входное напряжение больше, чем в классе В. Выходное напряжение действует в течение времени меньшего, чем половина периода. Режим сопровождается большими искажениями усиливаемого напряжения, но КПД приближается к единице. Применяется в избирательных усилителях и автогенераторах.

Класс АВ является промежуточным между А и В.

Класс D — ключевой (транзистор находится или в насыщении, или в отсечке).

Как эволюционировала конструкция ИУ

На протяжении многих лет разработчики создавали новые схемы ИУ, чтобы использовать их преимущества в потребительских, медицинских и промышленных приложениях. Давайте взглянем на эволюцию конструкций ИУ, начиная от первых образцов, до инструментальных усилителей, доступных сегодняшнему разработчику. Изучая эти архитектуры с их достоинствами и недостатками, мы покажем, как совершенствовались характеристики этих приборов, и что они дают реальным приложениям.

Прежде чем углубляться в различия подходов и вариантов, давайте сначала посмотрим, чего мы пытаемся достичь, используя схему на Рисунке 1.

Рисунок 1.	Блок-схема интерфейса датчика на основе ИУ.

Выходы датчика подключены к входам ИУ, усиливающего дифференциальное напряжение. Помехи попадают из многих источников, как в излучаемой, так и в кондуктивной форме. Типичные помехи могут приходить из импульсных источников питания, моторов и беспроводных устройств. Такие помехи ослабляются экранированием и хорошей разводкой печатной платы, но часть их, все-таки, проникает в схему.

К счастью, большинство из этих помех проявляет себя как синфазное напряжение (V_CM), наложенное на дифференциальное входное напряжение датчика (V_DM), поэтому правильно сконструированная измерительная схема с хорошим коэффициентом подавления синфазного сигнала (CMRR) значительно уменьшит это напряжение, поддерживая высокую точность коэффициента усиления. Минимальное значение CMRR для постоянного напряжения обычно приводится в технических спецификациях, в то время как для переменного тока CMRR представляется в виде графиков частотных зависимостей.

Устройство операционного усилителя

Итак, операционный усилитель – это усилитель электрических сигналов, чаще всего постоянного тока, с высоким коэффициентом усиления в широкой полосе частот, предназначенный для выполнения различных математических операций над аналоговыми величинами при работе в схеме с отрицательной обратной связью.

Операционные усилители в настоящее время выпускаются различного назначения и для выполнения различных функций и хотя электрическая схема усилителей даже одного класса может различаться, но структурная схема, которая лежит в основе всех операционных усилителей остается единой. Изображение структурной схемы выполнено ниже

.
Структурная схема операционного усилителя

Таким образом, операционный усилитель представляет собой схему из последовательно соединённых трёх частей: входной усилитель на основе дифференциального каскада (иногда может быть несколько дифференциальных каскадов), каскад согласования уровней и выходной каскад.

Дифференциальный входной каскад, имея большой коэффициент усиления и большое входное сопротивление, обеспечивает согласование операционного усилителя с источником сигнала. Довольно часто усиления одного входного каскада недостаточно, поэтому используется несколько дифференциальных усилителей на входе соединённых последовательно с симметричными входами и несимметричным выходом.

Каскад согласования уровней предназначен для согласования уровней напряжения между входным и выходным каскадами операционного усилителя. Кроме того данный каскад выполняет функцию усиления напряжения переменного тока и меет небольшое выходное сопротивление.

Выходной каскад операционного усилителя, обычно, не усиливает напряжение, но позволяет отдавать в нагрузку усилителя максимальное напряжение и ток, имеет небольшое выходное сопротивление, а мощность выделяемая на нём в случае отсутствия сигнала минимальна.

На изображении ниже показана принципиальная электрическая схема одного из первых операционных усилителей, выполненных по интегральной технологии, который разработал в 1963г. Роберт Видлар, инженер Fairchild Semiconductor

Электрическая принципиальная схема операционного усилителя μА702 (отечественный аналог К140УД1).

Данная схема содержит 9 транзисторов, 12 резисторов и 1 интегральный диод, в схеме отсутствуют конденсаторы, что даёт достаточно широкую полосу пропускания. В качестве входного усилителя используется дифференциальный каскад на транзисторах VT1VT2 с генератором стабильного тока на транзисторах VT3VT6. Дифференциальный каскад на транзисторах VT4VT5 совместно с транзисторами VT7VT8 выполняют роль каскада согласования уровней, а транзистор VT9 используется в качестве выходного каскада с небольшим выходным сопротивлением.

На принципиальных электрических схемах операционные усилители в интегральном исполнении обозначаются следующим образом

Обозначение операционных усилителей на принципиальных электрических схемах (слева иностранное, а справа отечественное изображение).

Принципиальная схема

Предусилитель состоит из двух идентичных каналов. На всех схемах будет представлен левый канал. Кроме того схема разделена на две секции: коммутатор входов и непосредственно сам усилитель.

Принципиальная схема коммутатора входов:

Увеличение по клику

В конструкции предусмотрено 5 входов RCA для подключения различных устройств. Они обозначены «CD», «DVD» и «TAPE» (разумеется можете обозвать их по-своему).
Шестой разъём (CON13) служит для прямой трансляции сигнала с выбранного входа. Эта функция подсмотрена в промышленных аппаратах и была актуальна в эпоху магнитной записи. Может кому-то и сегодня пригодится.

Реле коммутатора управляются транзисторами и запитаны от источника с напряжением +5В. Общий провод (земля) этого источника не связан с общим проводом источника питания самого предварительно усилителя (на схеме они имеют разные обозначения). Это сделано для снижения помех при коммутации.

Реле срабатывают при подключении базы управляющего транзистора к общему проводу. В самом простом случае для управления можно использовать галетный переключатель.

Увеличение по клику

На схеме также показаны реле RLY6 и RLY7 и их цепи управления. Они служат для коммутации выходного сигнала усилителя, но об этом мы расскажем позже.