Схемотехника · урок 13 из 18

Операционный усилитель

Готовый «идеальный усилитель» в микросхеме за 20 рублей: два золотых правила — и любая схема считается в уме.

Операционный усилитель (ОУ) — микросхема с двумя входами («+» и «−») и выходом. Он усиливает разницу входов в сотни тысяч раз. Сам по себе такой усилитель бесполезен — выход сразу упирается в питание. Всё меняет отрицательная обратная связь: часть выхода подают обратно на «−».

Золотые правила (с обратной связью)

Выход делает всё, чтобы напряжения на входах были равны.
Входы не потребляют тока.

Инвертирующий: K = −R2/R1 (рис. 4.4)

Неинвертирующий: K = 1 + R2/R1 (рис. 4.5)

Инвертирующий. «+» на земле, значит и «−» держится на нуле (правило 1). Ток через R1 равен U_вх/R1, в вход он уйти не может (правило 2) — весь идёт через R2. Отсюда U_вых = −U_вх·R2/R1.

Неинвертирующий. На «−» через делитель приходит часть выхода; выход подстраивается, пока эта часть не станет равна входу. K = 1 + R2/R1, входное сопротивление — огромное. Если R2 = 0 и R1 убрать, получится повторитель с K = 1 — идеальный буфер.

Усилитель на ОУ

Что ещё умеет ОУ

Сумматор — несколько резисторов на инвертирующий вход: микшер звука.
Интегратор — конденсатор вместо R2.
Активный фильтр — фильтры с крутыми скатами без катушек (гл. 5 книги).
Источник тока — ток через нагрузку не зависит от её сопротивления.

Предел реального ОУ: выход не выходит за питание (у rail-to-rail — почти до краёв), а усиление падает с частотой. Для звука хватает классики вроде NE5532, для питания от 3–5 В — MCP6002 и аналоги.

Опыт на макетной плате

Нужно: ОУ LM358 или MCP6002, резисторы 10 кОм и 100 кОм, две «Кроны» для питания ±9 В (или одна + делитель «искусственной земли»), мультиметр.

Соберите инвертирующий усилитель с K = −10.
На вход — 0,3 В с делителя от батарейки: на выходе −3 В.
Подайте 1,5 В — выход упрётся в питание (≈ −7,5 В у LM358), а не станет −15 В.

Проверьте себя

1. R1 = 10 кОм, R2 = 47 кОм, инвертирующий. Вход +0,1 В. Выход?

2. Неинвертирующий, R2 = 90 кОм, R1 = 10 кОм. Усиление?

3. Первое золотое правило ОУ с обратной связью…

4. ОУ питается от ±12 В, усиление 100, вход 0,5 В. Выход?

По книге: П. Хоровиц, У. Хилл. «Искусство схемотехники» (М.: БИНОМ, 2014), гл. 4, с. 181–196. Текст урока — пересказ, схемы перерисованы.