Name: op-amp gain, feedback, and saturation
Uploaded: 2025-05-22T09:06:14.000Z
Duration: 1 min 17 s
Channel: JoVE

Рассмотрим эквивалентную схемотехнику операционного усилителя. Выходная секция состоит из источника, управляемого напряжением, последовательно с выходным сопротивлением.
В входной секции v1 и v2 обозначают напряжения от инвертирующих и неинвертирующих клемм на землю соответственно.
Выходное напряжение операционного усилителя равно произведению разности входного напряжения на коэффициент усиления в разомкнутом контуре.
При небольших перепадах напряжения операционный усилитель ведет себя линейно. Если напряжение превышает напряжение источника питания, операционный усилитель насыщается.
Сочетание приложенного напряжения и отрицательной обратной связи гарантирует, что операционный усилитель работает в своем линейном диапазоне.
Современные усилители имеют большие коэффициенты усиления и входное сопротивление, что позволяет приблизить их к идеальным операционным усилителям.
Идеальный операционный усилитель имеет бесконечный коэффициент усиления при разомкнутом контуре, бесконечное входное сопротивление и нулевое выходное сопротивление. Как входные токи на клеммах, так и входное напряжение смещения равны нулю в идеальном операционном усилителе.
Кроме того, он имеет бесконечную полосу пропускания, что позволяет ему усиливать сигналы любой частоты, и бесконечную скорость нарастания, что означает его способность быстро изменять выходное напряжение с течением времени.

Характеристики операционного усилителя

Операционный усилитель, широко известный как операционный усилитель, представляет собой специально разработанный компонент электронной схемы. Его цель — работать совместно с другими элементами схемы для выполнения определенной операции обработки сигнала. Рассмотрим эквивалентную модель операционного усилителя, показанную на рисунке 1; выходная секция содержит источник, управляемый напряжением, подключенный параллельно выходному сопротивлению Ro.

<img alt="Figure1" src="/files/ftp_upload/15077/15077_PT_Figure_1.svg" style="text-align: center; height: 166px;" />

Figure 1. Эквивалентная схема неидеального операционного усилителя.

На рисунке 1 показано, что входное сопротивление Ri соответствует эквивалентному сопротивлению Тевинина, наблюдаемому на входных клеммах. Аналогично, выходное сопротивление Ro соответствует эквивалентному сопротивлению Тевинина, наблюдаемому на выходе. Дифференциальное входное напряжение (vd) рассчитывается как разница между напряжением неинвертирующей клеммы относительно земли и напряжением инвертирующей клеммы относительно земли.

Операционный усилитель распознает разницу между этими двумя входами и усиливает ее на коэффициент усиления A, генерируя таким образом напряжение, которое появляется на выходе. Здесь A представляет собой коэффициент усиления по напряжению в разомкнутом контуре, названный так потому, что он означает коэффициент усиления операционного усилителя при отсутствии какой-либо внешней обратной связи между выходом и входом.

Обратная связь — это неотъемлемая концепция, которую необходимо понимать при изучении схем операционных усилителей. Отрицательную обратную связь можно получить, подав выходной сигнал обратно на инвертирующий вывод операционного усилителя. Когда существует путь обратной связи от выхода ко входу, результирующее отношение выходного напряжения к входному напряжению известно как коэффициент усиления с обратной связью.

У операционного усилителя есть свои практические ограничения. Одним из таких ограничений является то, что величина его выходного напряжения не может превышать |V_CC|. По сути, напряжение источника питания определяет и ограничивает выходное напряжение. В зависимости от дифференциального входного напряжения операционный усилитель может работать в одном из трех режимов: положительного насыщения, линейного диапазона или отрицательного насыщения. Если предпринимается попытка увеличить vd за пределами линейного диапазона, операционный усилитель достигает насыщения, что дает либо v_o = V_CC, либо v_o = -V_CC.

Рассмотрим эквивалентную схемотехнику операционного усилителя. Выходная секция состоит из источника, управляемого напряжением, последовательно с выходом ...

Education

JoVE Core

Electrical Engineering

Электротехника

Unit 1

Раздел 1

Operational Amplifiers

Операционные усилители

KEY TERMS AND CONCEPTS

ОСНОВНЫЕ ТЕРМИНЫ И ПОНЯТИЯ

Characteristics of OpAmp

op-amp gain, feedback, and saturation

An operational amplifier, or op-amp, is an electronic circuit component used with other circuit parts to carry out a signal-processing task. It is often described with an equivalent circuit model. In that model, the output section includes a voltage-controlled source in parallel with the output resistance, R o.

The model also shows the input resistance, R i, which is the Thevenin equivalent resistance seen at the input terminals. The differential input voltage, v d, is the difference between the noninverting terminal voltage and the inverting terminal voltage, both measured relative to ground. The op-amp compares these two input voltages and amplifies the difference by the gain A to produce an output voltage.

A is called the open-loop voltage gain because it describes the op-amp without feedback from the output back to the input. Feedback is important in op-amp circuits. Negative feedback is created by connecting the output to the inverting terminal. When that feedback path exists, the output-to-input ratio is the closed-loop gain.

Op-amps also have practical limits. Their output voltage cannot exceed the magnitude of the supply voltage, |VCC|. The power supply sets this limit. Depending on the differential input voltage, the op-amp can operate in positive saturation, the linear region, or negative saturation. If v d is pushed beyond the linear range, the output saturates at either v o = VCC or v o = -VCC.

Op-Amp Gain, Feedback, and Saturation

operational amplifiers

Operational Amplifier Pinout and Signal Use

An operational amplifier, or op-amp, is a flexible circuit building block used in many electronic designs. It can act like a voltage-controlled voltage source, and it can also be used to create a voltage- or current-controlled current source. When resistors and capacitors are connected to its terminals, an op-amp can perform mathematical operations on signals. Op-amps are able to sum signals, amplify a signal, integrate it, or differentiate it. These features make them useful in practical...

characteristics of opamp

An operational amplifier, or op-amp, is an electronic circuit component used with other circuit parts to carry out a signal-processing task. It is often described with an equivalent circuit model. In that model, the output section includes a voltage-controlled source in parallel with the output resistance, R o. The model also shows the input resistance, R i, which is the Thevenin equivalent resistance seen at the input terminals. The differential input voltage, v d, is the difference between...

design example: vintage mixing console

Op-Amp Preamp for a Vintage Console

A sound engineer designs an op-amp pre-amplifier for a vintage mixing console. The console’s output is too low for modern recording equipment, so the signal must be boosted before it can be used. The goal is to build a preamp that raises the audio level without changing the console’s character. The design must meet three clear requirements. It needs a gain of 10, an input impedance above 10 kilo-ohms so the console is not overloaded, and a frequency range that covers the full audio spectrum...

inverting and non-inverting opamps

Op-Amp Gain: Inverting, Noninverting, Buffer

Operational amplifiers can be used as inverting, noninverting, and buffer amplifiers. In these circuits, the output voltage depends on the input voltage and the resistor setup around the op-amp. In an inverting amplifier, the input voltage is sent through a resistor to the inverting terminal. The non-inverting terminal is grounded, and a feedback resistor links the inverting terminal to the output. Using Kirchhoff's Current Law and an ideal op-amp model, the gain can be found. This circuit...

sum and difference opamps

Op-Amp Adders and Subtractors

Operational amplifiers can be wired to add or subtract signals. In these two op-amp setups, the summing amplifier combines several input signals into one output, while the difference amplifier compares two inputs and amplifies their difference. A summing amplifier is also called an adder. Input signals, such as audio signals, enter through input resistors. These resistors send currents through the feedback resistor, which produces an output voltage. Using Kirchhoff's current law and Ohm's Law,...

characteristics of practical op amps

Op Amp Noise Rejection and Buffering

Practical op amps are used to separate useful signals from unwanted noise. A difference amplifier should ideally amplify only the difference between two input signals. In real circuits, though, the output depends on both differential gain and common-mode gain. The common-mode rejection ratio, or CMRR, measures how well an op amp rejects common-mode signals. Common-mode signals are the same on both inputs. A higher CMRR helps an op amp ignore noise and amplify the wanted signal, such as music...

integrator and differentiator

Op-Amp Circuits in Cruise Control

Op-amp circuits are used in cruise control systems to help cars keep a constant speed. In these systems, operational amplifiers, or op-amps, can work as integrators and differentiators. Both circuits use resistors and capacitors, which makes them compact and cost-effective. An integrator circuit produces an output that is proportional to the integral of the input signal. It is made by replacing the feedback resistor in a standard inverting amplifier with a capacitor. The output and input...

cascaded op amps

Op Amp Stages in Series

Operational amplifiers can be connected in series as separate stages. This cascade works because op-amps have very high input resistance and very low output resistance. Those properties help each stage keep its input-output relationship while driving the next stage. In a cascaded op-amp circuit, the output of one stage becomes the input of the next. Each stage adds gain to the signal as it passes through. The overall gain is the product of the gain of each stage. This design can improve...

instrumentation amplifier

ECG Signal Amplifier Design

An ECG signal amplifier helps an electrocardiography machine measure the heart’s electrical activity. ECG electrodes detect tiny voltage changes on the skin that come from depolarization of the heart muscle during each heartbeat. These signals are in the microvolt range, so they can be easily hidden by noise or interference. To solve this problem, ECG machines use an instrumentation amplifier. This amplifier boosts the ECG waveform while reducing common-mode noise, which is interference that...

key terms and concepts

Learn how an op-amp compares input voltages, uses open-loop and closed-loop gain, and reaches positive or negative saturation when output limits are exceeded.

Op-Amp Gain, Feedback, and Saturation | JoVE K12

JoVE Core Electrical Engineering offers easy-to-understand animated videos that cover fundamental concepts of electric circuits along with circuit analysis techniques. It incorporates first-order and second-order circuits using operational amplifiers and circuit transformation concepts. The inclusion of practical design examples and real-world applications through scientist-in-action videos adds significant educational value, making complex concepts accessible.

electrical engineering

Op-Amp Gain, Feedback, and Saturation

Description

Transcript

Tags