Попри свою назву, операційний підсилювач зовсім не обмежується підсиленням сигналів.
Один і той самий ОП може працювати як:
- підсилювач;
- компаратор;
- фільтр;
- інтегратор;
- диференціатор;
- генератор;
- стабілізатор;
- вимірювальний підсилювач.
І це далеко не повний список.
На перший погляд здається дивним, що одна мікросхема може виконувати настільки різні функції.
Насправді причина дуже проста.
Сам по собі операційний підсилювач майже нічого не вміє.
Його можливості визначаються не внутрішньою схемою, а зовнішніми компонентами. Мудрість використання ОП визначається лиш мудрістю того, хто його застосовує.
Саме тому один і той самий нещасний LM358 може працювати і в зарядному пристрої, і в електронному термометрі, і в джерелі живлення, і навіть у генераторі сигналів.
Назва ж операційний підсилювач походить ще з часів перших ЕОМ, де схожі за своєю ідеєю схеми використовувались для виконання математичних операцій.
Будова операційного підсилювача
Хоча всередині відбувається магія, ззовні все виглядає дуже просто.
Операційний підсилювач має:
- два входи;
- один вихід;
- та - живлення.
Два входи мають спеціальні назви.
Неінверсний (+) - Якщо напруга на ньому збільшується, вихід теж прагне збільшитися.
Інверсний (−) - Якщо напруга на ньому збільшується, вихід навпаки прагне зменшитися.
На цьому етапі більше нічого запам'ятовувати не потрібно.
Чи сняться операційникам сни?
Це, мабуть, найважливіша частина древніх знань про ці мікросхеми.
Операційний підсилювач не знає, яку напругу потрібно видати.
У нього немає всередині логіки або програми.
Він виконує лише одну операцію:
Підсилює різницю між двома своїми входами.
Якщо напруга на "+" хоч трохи більша, ніж на "−", вихід починає швидко зростати.
Якщо більша напруга на "−", вихід починає зменшуватися.
І більше він нічого не робить!
Коефіцієнт підсилення сучасних ОП може перевищувати 100 000. Навіть різниця в кілька десятків мікровольт здатна створити на виході ОП напругу рівну напрузі живлення мікросхеми (але не більшу!).
Себто операційний підсилювач це доволі немудре жилізо. Але також у цьому і його цінність.
Чому тоді його не можна використовувати напряму?
Якщо ОП настільки добре підсилює сигнал, чому просто не подати маленький сигнал на вхід і не зняти підсилений сигнал з виходу?
Причина проста.
Через величезний коефіцієнт підсилення вихід майже миттєво переходить у насичення, себто вихідний сигнал ОП майже миттєво досягає рівня напруги живлення.
Наприклад:
На "+" подали 1.001 В.
На "−" подали 1.000 В.
Різниця становить лише 1 мВ.
Після підсилення вона перетворюється на десятки або навіть сотні теоретичних вольтів.
Звичайно, отримати таку напругу неможливо, тому вихід просто впирається в живлення.
Саме тому операційний підсилювач сам по собі, без зворотного зв'язку, майже завжди працює як компаратор - пристрій, який порівнює вхідні сигнали і видає HIGH якщо на "+" сигнал більший ніж на "-".
Сам по собі ОП майже марний
І ось тут ми підходимо до найцікавішого.
Без зовнішніх компонентів операційний підсилювач може виконувати лише одну функцію — порівнювати дві напруги.
Усі інші можливості з'являються лише тоді, коли ми починаємо повертати частину вихідного сигналу назад на один із входів.
Це називається зворотнім зв'язком.
Саме завдяки йому операційний підсилювач перестає бути "нервовим компаратором" і перетворюється на точний інструмент.
Але це вже тема окремої статті.
У наступному матеріалі ми детально розберемося, що таке позитивний та негативний зворотний зв'язок, чому без нього майже не працює жоден підсилювач і як він дозволяє одній й тій самій мікросхемі виконувати анонсовані вище десятки різних функцій.
Автор статті: Мікан