Как выбрать подходящий операционный усилитель для проекта Arduino. Какие характеристики операционных усилителей важны. Как использовать операционные усилители с Arduino для усиления и обработки сигналов. Основные схемы включения операционных усилителей.
Что такое операционный усилитель и зачем он нужен в проектах Arduino
Операционный усилитель (ОУ) — это универсальный электронный компонент, который может значительно расширить возможности Arduino по обработке аналоговых сигналов. Основные функции ОУ в проектах с Arduino:
- Усиление слабых сигналов до уровня, пригодного для измерения АЦП Arduino
- Согласование уровней сигналов от датчиков с входным диапазоном Arduino
- Фильтрация шумов и помех в измеряемых сигналах
- Создание активных фильтров и других схем обработки сигналов
- Увеличение входного импеданса для точных измерений
Благодаря высокому коэффициенту усиления и другим характеристикам, операционные усилители позволяют создавать эффективные схемы усиления и обработки сигналов с минимальным количеством внешних компонентов.
Основные характеристики операционных усилителей
При выборе ОУ для проекта Arduino важно учитывать следующие ключевые параметры:
- Коэффициент усиления — определяет максимальное усиление сигнала
- Входное сопротивление — чем выше, тем меньше ОУ нагружает источник сигнала
- Выходное сопротивление — влияет на способность ОУ работать на нагрузку
- Полоса пропускания — определяет быстродействие ОУ
- Входной ток смещения — влияет на точность при работе с высокоомными источниками сигнала
- Напряжение смещения нуля — вызывает постоянное смещение выходного сигнала
- Скорость нарастания выходного сигнала — ограничивает максимальную скорость изменения выходного напряжения
Выбор ОУ с оптимальными характеристиками позволяет создать наиболее эффективную схему для конкретного применения.
Базовые схемы включения операционных усилителей
Существует несколько стандартных схем включения ОУ, которые широко используются в проектах с Arduino:
Повторитель напряжения
Простейшая схема на ОУ — повторитель напряжения. Он имеет единичный коэффициент усиления и используется для согласования высокоомного источника сигнала с низкоомной нагрузкой.
Неинвертирующий усилитель
Позволяет усиливать сигнал без изменения его полярности. Коэффициент усиления задается резисторами обратной связи.
Инвертирующий усилитель
Инвертирует и усиливает входной сигнал. Удобен для работы с отрицательными напряжениями при однополярном питании.
Дифференциальный усилитель
Усиливает разность двух входных сигналов. Применяется для подавления синфазных помех.
Выбор операционного усилителя для проекта Arduino
При выборе ОУ для Arduino следует учитывать несколько факторов:
- Напряжение питания — многие ОУ могут работать от 5В Arduino
- Возможность работы с однополярным питанием
- Rail-to-rail вход/выход для максимального использования диапазона АЦП
- Низкое энергопотребление для автономных проектов
- Достаточное быстродействие для обрабатываемых сигналов
- Наличие корпуса DIP для простого макетирования
Популярные ОУ для Arduino: MCP6002, LM358, OPA2344, TLV2462. Они недороги, имеют хорошие характеристики и просты в использовании.
Практические схемы с ОУ для Arduino
Рассмотрим несколько полезных схем на ОУ для типичных задач в проектах Arduino:
Усилитель для микрофона
Позволяет подключить электретный микрофон к аналоговому входу Arduino:
«`c const int micPin = A0; const int ampPin = 9; void setup() { pinMode(ampPin, OUTPUT); } void loop() { int micValue = analogRead(micPin); int ampValue = map(micValue, 0, 1023, 0, 255); analogWrite(ampPin, ampValue); } «`Активный фильтр низких частот
Фильтрует высокочастотные помехи в измеряемом сигнале:
«`c const int inputPin = A0; const int outputPin = A1; void setup() { pinMode(inputPin, INPUT); pinMode(outputPin, OUTPUT); } void loop() { static float filteredValue = 0; int rawValue = analogRead(inputPin); filteredValue = 0.9 * filteredValue + 0.1 * rawValue; analogWrite(outputPin, filteredValue / 4); } «`Типичные ошибки при работе с ОУ в Arduino проектах
При использовании ОУ с Arduino следует избегать некоторых распространенных ошибок:
- Превышение допустимого напряжения питания ОУ
- Выход за пределы рабочего диапазона входных напряжений
- Перегрузка выхода ОУ слишком низкоомной нагрузкой
- Неправильное подключение цепей обратной связи
- Игнорирование влияния входных токов смещения в высокоомных схемах
- Использование ОУ с недостаточным быстродействием для быстрых сигналов
Внимательное изучение документации на ОУ и соблюдение рекомендаций по применению позволит избежать большинства проблем.
Заключение
Операционные усилители значительно расширяют возможности Arduino по обработке аналоговых сигналов. Правильный выбор ОУ и схемы его включения позволяет решать широкий спектр задач — от простого усиления до сложной фильтрации и преобразования сигналов. Понимание основных характеристик и принципов работы ОУ поможет создавать более эффективные и надежные проекты на Arduino.
Amperka Iskra Neo купити в Харкові та Україні
Amperka Iskra Neo
Iskra Neo — це високоякісна репліка італійської плати від Амперки. Плата буде цікава электронщикам, дизайнерів, програмістів і всім допитливим умам, бажаючим зібрати власний гаджет: від автополивщика рослин до системи «Розумний дім».
Відеоогляд
Загальні відомості
Iskra Neo виконана на базі мікроконтролера ATmega32U4 з тактовою частотою 16 МГц. Контролер має вбудований USB-інтерфейс, що усуває необхідність у додатковому USB-UART перетворювачі для прошивки програми. Процесор володіє трьома блоками пам’яті:
- Flash-пам’ять на 32 КБ.
- SRAM-пам’яті на 2,5 КБ.
- EEPROM-пам’яті на 1 КБ.
Iskra Neo / Arduino Leonardo при підключенні до ПК може відображатися двома способами: як віртуальний COM-порт або як HID-пристрій, наприклад, клавіатура, миша або джойстик.
Платформа виготовлена у форм-факторі Arduino R3, отже сумісна зплатами розширення для Arduino.
Особливості
- Еквівалент італійської Arduino Leonardo.
- Сумісність з усіма платами форм-фактору Arduino R3.
- Підтримка HID-підключення для емуляції клавіатури, миші або джойстика.
- Світлодіодні індикатори: RX, TX, L і ON
- Кнопка Reset для скидання програми.
- Потужні регулятори напруги: 1 А на лінії 5 і 800 мА на лінії 3,3 Ст.
Терморегулятори
На платі розташовано 23 контакту вводу-виводу GPIO для підключення зовнішніх пристроїв: 20 — на колодках Arduino R3 і 3 — на ICSP-роз’ємі. Деякі піни володіють додатковими можливостями:
- 12× ADC / АЦП з розрядністю 10 біт
- 7× PWM / ШІМ з розрядністю 8 біт
- 5× INT / Переривання
Також передбачені апаратні інтерфейси:
- 1× SPI
- 1× I2C
- 1× UART
Логічне напруга рівнів GPIO на платі Iskra Neo — 5: виходи логічної одиниці видають 5 В і в режимі входу очікують приймати 5 Ст.
Проте всі піни сприймають 3,3 вольта як логічну одиницю, так що сміливо можете підключати улюблені датчики на цій платформі. Всі подробиці розпіновки читайте керівництві з використання.
Програмування
Для програмування платформи Iskra Neo використовуйте:
- Штатну середовище розробки Arduino IDE.
- Візуальне середовище розробки XOD IDE.
- Довільний інструментарій C/C++.
Харчування
Для живлення платформи використовуйте порт USB, контакт Vin або роз’єм DC Barrel Jack.
- При живленні через USB знадобиться зарядник 5 разом з кабелем USB.
- При живленні через пін Vin або роз’єм DC Barrel Jack — знадобиться джерело з вихідним напругою від 7 до 12 В, наприклад імпульсний блок живлення або складання з акумуляторів.
Комплектація
- 1× Платформа Amperka Iskra Neo
Характеристики
- Модель: Amperka Iskra Neo / AMP-B030
- Форм-фактор: Arduino R3
- Мікроконтролер: ATmega32U4
- Архітектура: AVR / 8 біт
- Тактова частота: 16 МГц
- Flash-пам’ять: 32 КБ
- SRAM-пам’ять: 2,5 КБ
- EEPROM-пам’ять: 1 КБ
- Контакти вводу-виводу:
- 23× GPIO
- 12× ADC / Розрядність 10 біт
- 7× PWM / Розрядність 8 біт
- 5× INT / Переривання
- Апаратні інтерфейси:
- 1× SPI
- 1× I2C
- 1× UART
- Логічне напруга рівнів GPIO:
- Вхід: 3,3–5 В
- Вихід: 5
- Вхідна напруга живлення:
- Через USB: 5 В
- Через пін Vin або DC Barrel Jack: 7-12 В
- Максимальний вихідний струм:
- з піну 5V: 1000 мА
- з піну 3.
3 V: 800 мА
- Розміри: 69×53 мм
3 V: 800 мАРесурси
- Керівництво по використанню
- Установка і настройка Arduino IDE
Проекти
- Iskra Neo в проектах на Slot Shield
- Технокуб
- SMS-розетка
- GPRS-логгер для теплиці
- Мишкофон
- Новорічна SMS-ялинка
- Лазерна іграшка для котів
Документація
- Datasheet на мікроконтролер ATmega32U4
комиксы, гиф анимация, видео, лучший интеллектуальный юмор.
Игрушка для кота
Игрушка для котика из ардуино, сервомоторчиков и лазерной указки, это же гениально! %)
гайд с картинками — по ссылке под видео на ютубе или здесь http://wiki.amperka.ru/projects:kittytoy
Подробнее
Собираем лазерную игрушку для кошки на Arduino.
Проекты Амперки #16,Science & Technology,arduino,ардуино,лазерная игрушка для кошки,лазерная указка,кот,кот играет с лазерной указкой,лазер,своими руками,проекты амперки,проекты на Arduino,iskra neo,arduino leonardo,Лазерная указка — пульт управление кошкой. Эта игрушка даже у самых ленивых представителей кошачьих вызывает небывалый охотничий азарт. А какие трюки совершает питомец, в попытке схватить призрачную добычу! Давайте соберём лазерную игрушку для кошки на основе Arduino вашими руками: http://wiki.amperka.ru/projects:kittytoy
Для проекта мы использовали:
1. Iskra Neo — http://amperka.ru/product/iskra-neo?utm_source=proj&utm_campaign=kittytoy&utm_medium=youtube
2. Troyka Shield — http://amperka.ru/product/arduino-troyka-shield?utm_source=proj&utm_campaign=kittytoy&utm_medium=youtube
3. Микросервопривод FS90 2 шт. — http://amperka.ru/product/servo-fs90?utm_source=proj&utm_campaign=kittytoy&utm_medium=youtube
4. Импульсный блок питания — http://amperka.
ru/product/structor-big?utm_source=proj&utm_campaign=kittytoy&utm_medium=youtube
12. Пластины средние (#Структор) 2 шт. — http://amperka.ru/product/structor-middle?utm_source=proj&utm_campaign=kittytoy&utm_medium=youtube
13. Нейлоновые винты М3×8 (4 шт.) — http://amperka.ru/product/nylon-screw-m3x8?utm_source=proj&utm_campaign=kittytoy&utm_medium=youtube
14. Нейлоновые стойки «мама-папа» М3×8 (4 шт.) — http://amperka.ru/product/nylon-standoff-fm-m3x8?utm_source=proj&utm_campaign=kittytoy&utm_medium=youtube
15. Нейлоновые гайки М3 (4 шт.) — http://amperka.ru/product/nylon-nut-m3?utm_source=proj&utm_campaign=kittytoy&utm_medium=youtube
Спасибо чудесному котокафе «Котики и Люди» на Цветном бульваре за предоставленную помощь в съёмках — http://kotocafe.ru/котэ,прикольные картинки с кошками,лазерная указка,geek,Прикольные гаджеты. Научный, инженерный и айтишный юмор,arduino,песочница
Еще на тему
котэ(107124)
geek(15741)
песочница(684637)
Операционные усилители для ваших проектов Arduino
Выбор и использование операционных усилителей для вашего проекта Arduino s
Введение: измерение напряжения с помощью Arduino
Операционные усилители — это просто устройства, которые усиливают разницу между двумя входами.
Однако эти простые устройства можно использовать в комбинации для создания множества полезных схем — даже для очень мощных АНАЛОГОВЫХ компьютеров! Если вы хотите измерить напряжение сигнала с помощью Arduino, вы можете столкнуться с некоторыми из описанных здесь проблем; часто может помочь простая схема с использованием операционного усилителя.
Давайте рассмотрим эти проблемы.
Arduino Uno имеет входы АЦП, которые могут измерять напряжения в диапазоне от 0 до 5 В.
(другие диапазоны доступны в разных версиях)
Таким образом, если ваш сигнал выходит за пределы этого диапазона, как показано оранжевой и синей линиями на этой диаграмме, вы не можете измерить его напрямую. Инвертирующий усилитель позволит вам создать положительное напряжение того же значения, которое вы затем сможете измерить.
Также ваш сигнал может быть слишком слабым для измерения; (зеленая линия) в этом случае может помочь неинвертирующий усилитель , как описано ниже.
Таким образом, если сигнал изменяется между 0,1 и 0,2 В, усилитель с коэффициентом усиления 20 будет давать сигнал в диапазоне 2–4 В, что соответствует диапазону измерения Arduino.
Голубая линия немного отличается. Предположим, что сигнал меняется между 3,4 и 3,6 В, поэтому изменение составляет 0,2 В; мы могли бы усилить его в десять раз, но тогда оно будет меняться между 34 В и 36 В — все равно бесполезно. Однако, используя дифференциальный усилитель (см. ниже), мы можем взять 3,4–3,6, ВЫЧИТАТЬ 3,2 и умножить на десять, получив хорошо измеримый сигнал в диапазоне 2–4 Вольт.
Схемы операционного усилителя, описанные ниже, позволят вам выполнить это «обработку сигнала».
Другая возможная проблема заключается в том, что ваш сигнал слишком велик для прямого измерения, и его необходимо уменьшить или «ослабить», как показано здесь светло-зеленой синусоидальной волной;
Или в сигнале много шума, который вам нужно будет удалить с помощью «фильтрации».
Позже мы рассмотрим, как использовать операционные усилители для ослабления или фильтрации сигнала.
ПРИМЕЧАНИЕ. В большинстве случаев измеряемый сигнал должен лежать в пределах питания Arduino или операционного усилителя, используемого для его измерения. Линии +12 В и -12 В показывают диапазон входов, которые вы можете использовать с операционным усилителем, питаемым ± 15 В.
На этой странице я введу некоторые важные термины, относящиеся к операционным усилителям. Однако, чтобы вы оказались там, где хотите, вот несколько закладок.
Что такое «Операционный усилитель» Если операционные усилители для вас в новинку или просто для того, чтобы освежить память, начните здесь
Основные схемы: подготовка сигнала для измерения
Comporator
Buffer Unity усиление
Не инвертирующий усилитель
Инвертирующий усилитель
Разница в разнице
Выбор AMP для вашего проекта:
Ограничения OP Amps
.
«Краткий список» операционных усилителей для большинства приложений
Рекомендации
Использование операционных усилителей в вашем проекте:
Одиночное или раздельное питание — и работа «от рельса к рельсу».
Объяснение важных характеристик
Дополнительная литература:
Дифференциальный усилитель
Отрицательная обратная связь
Что такое операционный усилитель?
Операционный усилитель — это… усилитель; однако у него есть особые характеристики, которые упрощают разработку схем для конкретных приложений.
По сути, он принимает два входа, показанные здесь как Va, Vb, и дает выходное напряжение Vo, которое больше, чем РАЗНИЦА между Va и Vb.
Vo = Avol (Va — Vb), где Avol — «коэффициент усиления по напряжению без обратной связи» усилителя
«Идеальный» операционный усилитель — это дифференциальный усилитель со следующими характеристиками:
он имеет
- бесконечный коэффициент усиления
- бесконечное входное сопротивление (нет тока на входные клеммы)
- нулевое выходное сопротивление (без ограничения тока на выходе)
- бесконечная полоса пропускания (без ограничения скорости ответа)
Есть еще несколько мелких «корректировок», которые мы представим позже, но .
. эти четыре, с пониманием закона Ома, позволяют нам очень легко проектировать и понимать схемы операционных усилителей — как вы увидите в основных схемы, описанные ниже.
NB: для упрощения принципиальных схем подключение питания к операционным усилителям иногда может быть опущено на схеме — как в последующих — или показано отдельно. Но, конечно, им нужны источники питания!
Базовые схемы
Компаратор.
«Компаратор» сравнивает два входных напряжения и выдает +Vcc, если Va>Vb, и -Vcc в противном случае.
Обычно компаратор используется для обеспечения цифрового выхода из аналогового входа. Поэтому мы используем один источник питания, как показано здесь.
Помните, что для идеального операционного усилителя V0 = «бесконечность» умноженная на Va — Vb
однако выходной сигнал не может быть выше +Vcc или ниже -Vcc, поэтому здесь он ограничен +5В или 0В
поэтому, если Va > Vb Vo = 5 В; и если Va !> Vb Vo=0V
Это позволяет нам дать изменение логического уровня, если входное напряжение Va превышает пороговое напряжение Vb.
Компараторы являются важной частью преобразователя АЦП.
По многим причинам операционные усилители не являются отличными компараторами, и по возможности лучше использовать специально созданный компаратор.
Буфер усиления Unity.
«Буфер единичного усиления» дает выходное напряжение, такое же, как и входное напряжение
«Большое дело», скажете вы. Важно то, что он не потребляет ток от входа. Его можно использовать для измерения напряжения без размещения нагрузки на измеряемой цепи. Давайте посмотрим, как это работает.
Анализ:
Буфер единичного усиления очень легко проанализировать, основываясь только на характеристиках идеального операционного усилителя.
Поскольку усилитель имеет бесконечный коэффициент усиления
из №1: — разность напряжений между входами + и — должна быть равна нулю.
R1 и R2 просто обеспечивают защиту входов усилителя. Через них не протекает ток.
поэтому Vo = Va
Какая польза от усилителя с коэффициентом усиления 1?
Хорошо, помните 2: и 3: выше: у него бесконечное входное сопротивление и нулевое выходное сопротивление.
Неинвертирующий усилитель
Подобно буферу единичного усиления, эта схема не загружает вход, но обеспечивает точное усиление напряжения, устанавливаемое резисторами R1 и R2.
Vout = Vin (R2 + R1 / R1) или Vout / Vin = 1 + (R2 / R1)
Входное сопротивление ОЧЕНЬ ВЫСОКОЕ (в идеале «бесконечное»)
2 Анализ: 6 Помните, что для любого конечного напряжения на выходе разность напряжений на входе должна быть равна нулю.
Давайте проанализируем эту схему, используя характеристики идеального операционного усилителя, и вы увидите, насколько это просто. Мы будем использовать реальные числа.
Предположим, что Vo = 10 В и R1 = 2 кОм, R2 = 18 кОм
R1 + R2 = 20 кОм, поэтому через цепь резисторов протекает ток 10 В / 20 кОм = 0,5 мА.
НИ ОДИН из этих токов не поступает на инвертирующий вход. ( 2: ) ( I2 = I1 )
Таким образом, напряжение на R1 составляет 0,5 мА * 2k = 1 В
, но из 1: Vb = Va .. поэтому усиление напряжения Vo / Va = 10 В / 1 В = 10.
Мы можем игнорировать любой эффект нагрузки, который цепь резисторов оказывает на выход из-за 3:
И из 4: любое изменение на входе НЕМЕДЛЕННО повлияет на выход без задержки или изменения фазы.
Инвертирующий усилитель
Эта схема позволяет нам преобразовать отрицательное напряжение в положительное (или наоборот) для измерения.
Vout = — Vin R2 / R1 или Vout / Vin = — R2/R1 (Примечание: эта формула отличается от формулы для неинвертирующего усилителя)
Входное сопротивление Rin равно R1. Однако с современными операционными усилителями мы можем использовать резисторы большого номинала.
Анализ: еще раз, помните (1:) разность напряжений между входами + и — должна быть равна нулю: так
соединение R1 и R2 находится на уровне 0В.
(мы называем это «виртуальной землей»)
Vo = I2 R2
Также (2:) на входные клеммы не поступает ток, поэтому I1 = I2
Va = — I1 R1 = — I2 R1.
Vo / Va = I2 R2 / — I2 R1 = — R2 / R1
Важное примечание. В отличие от схем на рис. сопротивление источника. Обычный способ избежать этого — использовать на входе буфер единичного усиления.
Усилитель разницы
Просто измеряет РАЗНИЦУ между двумя входами и умножает ее на коэффициент усиления.
Так V0 = (Vb — Va) (R2/R1) ;
Если R2 = R1, выходное напряжение представляет собой РАЗНИЦУ между двумя входными напряжениями.
Выбирая разные значения, мы можем добавить немного усиления;
, поэтому, если R2 = 10M и R1 = 1M, мы получим десятикратный выигрыш.
Теперь входное сопротивление для этой схемы составляет всего R1 + R2
, поэтому, если вы не хотите нагружать измеряемую схему, R1 и R2 должны быть большими — и вам нужно будет выбрать операционный усилитель с * низким входной ток смещения . (подробнее об этом позже)
Инструментальный усилитель
Если мы добавим неинвертирующий усилитель на каждый вход дифференциального усилителя, мы преодолеем ограничение входного сопротивления. Усилитель, построенный таким образом, имеет множество применений и некоторые особые свойства. Полную схему и описание вы найдете на следующей странице.
Но наши операционные усилители в реальном мире не являются «идеальными»
Нет, но современные операционные усилители могут быть очень хорошим приближением к «идеальным» операционным усилителям, если вы выберете правильный для своего приложения. В качестве примера рассмотрим, пожалуй, самую важную особенность — бесконечный коэффициент усиления. uA709 — ранний операционный усилитель на интегральных схемах — имел «коэффициент усиления по напряжению без обратной связи» 10 000. Современные операционные усилители могут иметь коэффициент усиления более 1 миллиона. Вездесущий «741» также имеет низкую производительность по сравнению с более современными операционными усилителями — см. «747» — двойной 741 — в таблице ниже.
Однако реальные операционные усилители имеют ограничения; например
- выходное напряжение не может превышать напряжения питания; и
- выходное сопротивление, хотя и низкое, накладывает ограничение на ток, который они могут подавать.
Мы добавим несколько «корректировок» в спецификацию нашего идеального операционного усилителя, чтобы отразить их реальные ограничения:
В произвольном порядке: (эти термины объясняются ниже)
- Нулевое входное напряжение смещения
- Без шума
- Нулевой входной ток смещения
- Бесконечный коэффициент подавления синфазного сигнала
- Бесконечный коэффициент отклонения источника питания.
В следующей таблице вы найдете значения наиболее важных характеристик некоторых операционных усилителей «реального мира», которые помогут вам выбрать один из них для вашего проекта. Чтобы «укоротить» это для простых приложений, просто следуйте приведенным ниже рекомендациям.
Различные «ароматы» операционных усилителей
Чтобы обеспечить рабочие характеристики, подходящие для широкого спектра приложений, операционные усилители изготавливаются с использованием различных транзисторных технологий (биполярных, JFET или MOSFET). У каждого есть свои преимущества и ограничения; например, биполярные операционные усилители могут иметь более высокий коэффициент усиления, более низкое входное напряжение смещения, более четкую характеристику и быть более надежными. Операционные усилители на полевых МОП-транзисторах могут обеспечивать работу «от рельса к рельсу» (но см. ниже) с очень низкими входными токами смещения и высоким (почти бесконечным) входным сопротивлением (но некоторой входной емкостью). Некоторые операционные усилители сочетают в себе FET и биполярные секции для «лучшего из обоих миров».
Однако, чтобы решить, подходит ли тот или иной операционный усилитель для вашего приложения, вам, как правило, необходимо свериться со спецификациями.
«Краткий список» популярных операционных усилителей
Существует так много операционных усилителей, что вы никогда не сможете выбрать «правильный». Итак, вот составленный мной список, который охватывает наиболее распространенные приложения. Я проверил их все. Критерии, которые я использовал при выборе, следующие:
- Доступность из различных источников (например, Mouser, RS Components)
- Доступен в корпусе DIP, подходящем для макетных плат или разъемов (на случай, если вы их взорвете).
- Общеупотребительные и недорогие (в основном менее 1 доллара США)
- И в основном два операционных усилителя в одном 8-контактном корпусе (как показано здесь) — хотя обычно возможны и другие варианты.
ПРИМЕЧАНИЯ::
В верхней половине таблицы перечислены операционные усилители с биполярной входной схемой, поэтому они, как правило, НЕ принимают входы или выходы типа «рейка — шина». Вы увидите, что они обычно имеют более низкое входное напряжение смещения и НАМНОГО более высокий входной ток смещения, чем входные операционные усилители на полевых транзисторах в нижней половине.
Входные МОП-каскады обеспечивают чрезвычайно высокое входное сопротивление, в то время как выходные МОП-каскады допускают ПОЧТИ рельсовые выходные напряжения.
Я выделил LM747 — сдвоенный 741. Популярный выбор, который действительно мало что может порекомендовать по сравнению с более современными операционными усилителями.
Устройства в зеленых секциях подходят для работы с однополярным питанием. Однако немногие операционные усилители будут работать с питанием намного ниже 5 В.
MCP6042 — микромощный операционный усилитель, предназначенный для приложений с очень низкими частотами — следовательно, полоса пропускания всего 14 кГц — это НЕ опечатка!
Для одного источника питания, питаемого от источника питания Arduino 5 В или 3,3 В,
обычно хорошим выбором является MPC6002; если вам нужен более быстрый отклик, используйте MPC6022.
Для двойного питания от ±5 В до ±15 В
Обычно подходит TL072. Для более требовательных приложений AD823 может быть хорошим выбором.
Одинарное или раздельное снабжение и «от железнодорожного до железнодорожного»?
Наиболее важным критерием является то, что входы вашей схемы не должны выходить за пределы источников питания .
Так, например, на рис. 5а, если вы используете +15–15 В для питания, вы можете разумно применить 10-вольтовую синусоиду PEAK, и вы увидите то же самое на выходе.
Вы можете использовать ТОТ ЖЕ операционный усилитель с одним источником питания (рис. 5b) +30 В — 0 В
… , и он не будет работать — и вы, вероятно, повредите микросхему — потому что вне диапазона поставок.
Биполярным операционным усилителям обычно требуется небольшой запас по мощности , поэтому, например, на рис. 5а с питанием ±15 В переменный ток должен быть ограничен, скажем, 12 В от пика до пика.
Разделенный источник не обязательно должен быть симметричным , если входы и ожидаемые выходы остаются в пределах ресурсов .
Как правило, операционные усилители CMOS могут успешно работать с входными сигналами «rail-to-rail». Однако, когда вы читаете , он предлагает рельсовые выходы, вы должны быть осторожны . Схема будет давать выходной сигнал на несколько мВ выше нуля или ниже напряжения питания +Vcc, но только при очень высоком импедансе нагрузки.
Объяснение важных характеристик
Входной ток смещения, входной ток смещения, входное напряжение смещения и запас по мощности Вы можете видеть, что входы Vin+, Vin- должны обеспечивать ток базы Ib1, Ib2 для транзисторов. Это входной ток смещения
. Если коэффициенты усиления транзисторов не идентичны, они не будут потреблять одинаковый ток базы. Разница между ними входной ток смещения .
Предположим, Vin+ = Vin- ; тогда Vout ДОЛЖЕН быть равен нулю. Однако, если транзисторы не идеально согласованы, будет разница в их Vbe — это входное напряжение смещения .
«headroom »
Глядя на эту схему, вы увидите, что если бы Vin+ или Vin- был на -Vcc, транзисторы были бы выключены и схема не могла бы работать; большинству операционных усилителей требуется, чтобы входное напряжение было в пределах напряжения питания, в частности,
операционные усилители с биполярными входными каскадами, подобные этому, обычно требуют, чтобы Vin отличался примерно на 3 В от -Vcc или +Vcc.
Давайте посмотрим, как эти характеристики влияют на работу реальной схемы.
Предположим, мы создаем инвертирующий усилитель с единичным коэффициентом усиления, который позволит нам использовать Arduino для измерения напряжения в диапазоне от 0 до -5 В.
Мы знаем, что вольтметр не должен нагружать цепь, которую он измеряет , поэтому нам нужен высокий входной импеданс.
Сначала мы будем использовать «741» — половину LM747. Он имеет входной ток смещения 0,08 мкА.
У нас есть резисторы R1, R2 номиналом 10 МОм, что дает нам входное сопротивление 10 МОм. Напряжение, которое мы измеряем, будет иметь погрешность, потому что Ib1 питается от сопротивления 5 МОм (10 МОм //10 МОм), а Ib2 питается от нулевого сопротивления.
Ошибка из-за входного тока смещения в 0,08 мкА составляет Verror = 0,08 мкА * 5M = 0,4 вольта!
Теперь давайте заменим «741» на TL071 — Ibias равен 0,065 нА; поэтому Verror = 0,065 нА * 5M = 0,3 милливольта!
Однако мы также должны принять во внимание его входное напряжение смещения — все еще всего 3 мВ.
Произведение коэффициента усиления и скорости нарастания
Оба относятся к частотной характеристике усилителя. Немногие операционные усилители будут иметь очень широкую полосу пропускания — в основном около 5–10 МГц.
Предположим, вы строите усилитель с использованием NE5532, который имеет произведение усиления на полосу пропускания 10 МГц и устанавливаете его на усиление 100, полоса пропускания усилителя будет 10 МГц / 100 = 100 кГц.
Скорость нарастания — это скорость, с которой выходное напряжение может изменяться в ответ на мгновенное ступенчатое напряжение на его входе. Глядя на таблицу, вы увидите, что для получения высокой скорости нарастания вам нужен усилитель с хорошим продуктом GBW.
Быстрее не всегда лучше
Очень быстрые операционные усилители, такие как AD797 выше, полезны в определенных приложениях, но могут оказаться менее стабильными и склонными к колебаниям, что иногда требует тщательной развязки и компоновки ПК. С операционными усилителями с полосой пропускания 1–10 МГц легче работать, а для сигналов, которые изменяются медленно, рассмотрите операционные усилители с полосой пропускания менее 1,9.0003
Дополнительная литература
В следующих двух разделах дается более подробный анализ и объяснение использования операционных усилителей.
Дифференциальный усилитель
Операционный усилитель — дифференциальный (разностный) усилитель с двумя входами и одним выходом. Это можно показать на следующей схеме:
Имеется два входа напряжения:
- «неинвертирующий» вход Va
- «инвертирующий» вход Vb.
«лето» (обозначение кружком)
измеряет РАЗНИЦУ напряжения Va -Vb для получения Vi;
Блок усиления (символ квадратного прямоугольника)
усиливает Vi на Av — «усиление напряжения».
Таким образом, выход равен Vo = Av * (Va — Vb)
Однако у такого простого разностного усилителя есть проблема; для каждого усилителя усиление будет разным в зависимости от конструкции усилителя.
Эту проблему можно решить, введя «отрицательную обратную связь», как описано ниже.
Введение отрицательной обратной связи
В 1934 году Гарри Блэк понял, что введением «отрицательной обратной связи» можно управлять и стабилизировать поведение усилителя.
Коэффициент усиления по напряжению Vo / Va с отрицательной обратной связью равен ( R1+R2 ) / R1
Доказательство: (TL;DR) цепочка резисторов R2 R1 действует как делитель напряжения, поэтому
Vb = Vo * R1 / R1+R2
Традиционно для упрощения вычислений мы называем возвращаемую сумму «фракцией обратной связи», обозначаемой β.
Итак, β = R1 / R1+R2
Vo = Av ( Va — βVo ), поэтому (Vo / Av) + βVo = Va
Vo / Va = Av/ 1+ β Av = 1 / ( (1/Av ) + β) … и если Av велико, Vo / Va = 1 / β
Таким образом, если Av велико, усиление этой схемы будет Vo / Va = R1 + R2 / R1
и обратите внимание усиление теперь НЕ ЗАВИСИТ от усиления Av самого усилителя при условии, что оно достаточно велико — как у современных ОУ.
Каталожные номера
TI : Компромиссы между CMOS, JFET и биполярными ..
AD : Входы, выходы операционных усилителей, однополярное питание и проблемы Rail-to-Rail
TIA: Приложение SLOA039 -Rail Op Amps
3 способа питания Arduino
В этом уроке мы поговорим о трех способах питания плат Arduino, а именно…
- Vin pin
- Гнездо постоянного тока
- Порт USB
Каждый метод имеет некоторые особенности и ограничения, о которых вам следует знать, и мы сделаем все возможное, чтобы выделить каждый из них!
Схема силовой части Arduino
В нашем обсуждении мы собираемся использовать Arduino UNO в качестве базового примера — многое из того, что мы рассматриваем, может быть распространено на другие распространенные платы Arduino, но в каждом случае вам понадобится для двойной проверки для вашей конкретной модели.
Мы собираемся использовать схему Arduino UNO для обсуждения — мы рассмотрим силовую часть.
Кажется, что происходит много всего — чтобы еще больше упростить это, мы сократим это до этой блок-схемы.
Когда вы видите «USB PORT», просто представьте, что это место, куда вы подключаете USB-кабель, для «DC JACK» — представьте, что вы подключаете разъем постоянного тока. А для «VIN PIN» это просто отверстие, отмеченное Vin на шина питания платы Arduino.
С правой стороны у нас есть контакты 5V и 3.3V. Между ними у нас есть некоторые компоненты, которые я объясню в ближайшее время.
Питание Arduino через разъем постоянного тока
Начнем с питания Arduino через разъем постоянного тока. Допустим, вы подключаете сетевой блок питания или аккумулятор к этому разъему постоянного тока — что происходит? На схеме видно, что он питает стабилизатор 5 В на плате.
Что такого особенного в 5В? Что ж, 5 В — это как раз тот диапазон, который необходим микроконтроллерам на плате Arduino для работы.
| Минимальное входное напряжение | Максимальное входное напряжение | Максимальный выходной ток | |
| Регулятор +5 В | 6,2 В | 20 В | 1А |
| Регулятор +3,3 В | 3,58 В | 16В | 150 мА |
Регулятор 5 В требует минимального входного напряжения 6,2 В и может принимать максимальное входное напряжение 20 В, поэтому источник питания, который вы подключаете к разъему постоянного тока, должен находиться в этом диапазоне напряжения. Оптимальное значение больше похоже на 7-12 вольт, если ваш источник питания намного выше этого, вы тратите много энергии на этот 5-вольтовый регулятор в виде рассеивания тепла.
Гнездо постоянного тока представляет собой штекер диаметром 2,1 мм с положительным центральным контактом. Важно, чтобы вилка, которую вы используете, была положительной по центру. Но на случай, если вы случайно воспользуетесь центральным отрицательным штекером и поменяете полярность — в схеме есть диод, который защищает от этого.
Здесь много подробностей, я пройдусь по ним довольно быстро. Мы разрабатываем полный курс по питанию Arduino и тому, как думать о вашем текущем инвентаре — он в настоящее время находится в производстве — если вы хотите узнать больше о том, что мы предлагаем, посетите нашу страницу курсов.
ОК – еще кое-что об этом регуляторе на 5 В, он может обеспечить ток до 1 А.
Что особенного в этом токе? Вот в чем дело — вся электроника, которую вы подключаете к плате Arduino, будет потреблять ток. Фактически, компоненты самой платы Arduino UNO будут потреблять около 25 мА тока. Так что, если вы подключите кучу вещей к вашей шине питания 5 В, которые потребляют много тока, например, сервоприводы, которые будут находиться под высокой нагрузкой, тогда вы будете потреблять больше тока, чем рассчитан регулятор, и вы сожжете часть — то, чего вы хотели бы избежать.
Обратите внимание, что регулируемый источник питания 5 В также питает стабилизатор 3,3 В на плате, который затем подает питание на контакт 3,3 В.
Еще один важный момент: на диоде, подключенном к разъему постоянного тока, падение напряжения составляет примерно 0,7 вольта. Если вы подаете на разъем постоянного тока 7 вольт, регулятор 5 В увидит вход 7 В — 0,7 В = 6,3 В, что неудобно близко к минимальному входу регулятора 5 В, равному 6,2 В. Если вы используете разъем постоянного тока, вы можете немного увеличить входное напряжение.
Питание от Vin Pin
Теперь перейдем к Vin. Vin — это контакт на шине питания Arduino, с помощью которого вы можете напрямую подключить линию питания к плате. Требования к напряжению такие же, как и для разъема постоянного тока, потому что вы заметите, что Vin также подает питание на стабилизатор 5 В — на самом деле питание с Vin составляет почти , точно так же, как питание с разъемом постоянного тока.
Чего у вас нет на выводе Vin, так это защиты от обратной полярности — потому что там нет диодной защиты — поэтому вы должны убедиться, что к этому выводу подключено положительное напряжение. Кроме того, без диода также нет падения напряжения.
Разъем USB и Vin/DC вместе
И последнее…
Обратите внимание на точечное соединение между схемой разъема постоянного тока и Vin и тем, что мы нарисовали как переключатель. Этот переключатель на самом деле представляет собой P-канальный МОП-транзистор, который вы можете рассматривать как переключатель — либо открытый (ток не может течь), либо закрытый (ток может течь).
ЕСЛИ напряжение выше этого переключателя больше 6,6 В, то он размыкает переключатель, который отключает линию питания от USB-кабеля – что это значит? Это означает, что если вы питаетесь с помощью Vin или разъема постоянного тока, то питание от USB-кабеля будет отключено. Это не означает, что вы не сможете использовать линии передачи данных USB — они будут работать нормально — просто USB не будет подавать питание на плату.
Питание от USB
Итак, мы поговорили о Vin и разъеме постоянного тока, теперь давайте поговорим о USB,
Что хорошо в USB, так это то, что он обеспечивает регулируемое питание 5 В, поэтому схема пропускает 5 В регулятор и обеспечивает питание платы Arduino и доступен на выводе 5V на Arduino.
Питает регулятор 3,3 В.
Что касается тока, который может обеспечить USB, это 500 мА для USB 1 и 2 и 900 мА для USB3.
- USB1.x и USB2 обеспечивают 5 В +/-5 % при максимальном токе 500 мА
- USB3 обеспечивает 5 В +/- 5 % при максимальном токе 900 мА
Я уже упоминал, что потребление большего тока, чем рассчитано на ваши компоненты, может привести к повреждению вашей платы Arduino, но что происходит, когда вы потребляете больше тока, чем может обеспечить ваш USB-порт?
Вот что интересного в схеме питания Arduino USB.
