Схемы на операционных усилителях принцип работы и примеры

Для точного усиления сигналов с минимальными искажениями выбирайте инвертирующую конфигурацию. Коэффициент передачи задаётся соотношением резисторов R_ос/R_вх, а входное сопротивление определяется номиналом R_вх. Например, при R_ос=100 кОм и R_вх=10 кОм усиление составит −10.

Неинвертирующий вариант исключает инверсию фазы и обеспечивает высокое входное сопротивление. Здесь коэффициент равен 1 + R_ос/R_вх. Для стабилизации постоянной составляющей добавьте разделительные конденсаторы на входах.

В дифференциальных решениях сигнал формируется как разность напряжений на входах. Погрешности снижаются при точном подборе пар резисторов с допуском 0.1%. Для фильтрации высокочастотных помех параллельно R_ос устанавливают конденсатор.

При проектировании учитывайте: частотную коррекцию, развязку по питанию и температурный дрейф параметров. Готовые решения – компараторы, интеграторы, генераторы – демонстрируют гибкость элементной базы.

Как работают усилительные конфигурации и где их применяют

Базовая конфигурация с обратной связью

Для построения инвертирующего усилителя подключите входной сигнал к минусовому входу через резистор R1. Обратную связь организуйте с выхода на минусовой вход через R2. Коэффициент усиления равен отношению R2/R1. Например, при R1=1 кОм и R2=10 кОм усиление составит -10. Минус указывает на инверсию фазы.

Неинвертирующий вариант

Подайте сигнал на плюсовой вход, а минусовой соедините с землёй через R1. Обратную связь установите между выходом и минусовым входом через R2. Усиление рассчитывается как 1 + R2/R1. При R1=2 кОм и R2=8 кОм коэффициент будет 5. Фаза сохраняется.

Для стабильности добавьте конденсатор 10-100 пФ параллельно R2 в обоих случаях. Это снизит высокочастотные помехи. Выходное напряжение не должно превышать напряжение питания минус 1.5 В.

Как работает инвертирующий усилитель: расчёт коэффициента усиления

Коэффициент усиления инвертирующей конфигурации определяется соотношением резисторов обратной связи и входного сопротивления. Формула для расчёта:

• K = −R_f / R_in, где:
• R_f – сопротивление в цепи обратной связи (Ом),
• R_in – входное сопротивление (Ом).

Минус в формуле указывает на инверсию сигнала. Для реализации:

1. Подключите входной сигнал к инвертирующему входу через R_in.
2. Установите R_f между выходом и инвертирующим входом.
3. Неинвертирующий вход заземлите.

Пример расчёта для усиления в 10 раз:

• R_in = 1 кОм,
• R_f = 10 кОм,
• K = −10 кОм / 1 кОм = −10.

Практические рекомендации:

• Выбирайте R_in в диапазоне 1–100 кОм для минимизации шумов.
• Используйте прецизионные резисторы с допуском 1%.
• Проверяйте выходное напряжение на предмет насыщения.

Подключение ОУ в режиме компаратора: пороги срабатывания и гистерезис

Для точного переключения компаратора добавьте положительную обратную связь через резистор между выходом и неинвертирующим входом. Это создаст гистерезис, предотвращая ложные срабатывания от шумов.

Расчёт порогов

Верхний порог (V_high) и нижний (V_low) определяются по формулам:

V_high = V_ref × (1 + R1/R2) — (V_out+ × R1/R2)

V_low = V_ref × (1 + R1/R2) — (V_out- × R1/R2)

Где V_ref – опорное напряжение, R1 и R2 – резисторы обратной связи, V_out+ и V_out- – выходные уровни.

Пример с гистерезисом

При V_ref = 2.5 В, R1 = 10 кОм, R2 = 100 кОм и выходных уровнях ±5 В:

V_high = 2.5 × (1 + 10/100) — (5 × 10/100) = 2.75 — 0.5 = 2.25 В

V_low = 2.5 × (1 + 10/100) — (-5 × 10/100) = 2.75 + 0.5 = 3.25 В

Ширина гистерезиса: 3.25 — 2.25 = 1 В.

Используйте прецизионные резисторы (1% или лучше) для стабильности порогов. Диапазон гистерезиса регулируется соотношением R1/R2.