Операционник. Повторитель напряжения на операционном усилителе: принцип работы и применение

внимание

Паяли ли вы когда ни будь корпус SOT23? Час назад, я тоже.
Заранее, вместе с микросхемами, я заказывал переходники на DIP8, — в моих планах нет намерения переходить на совсем уж мелочь, я решил обойтись малой кровью.
Итак, зацените сравнительный размер этой крохи. 2мм на 3мм.

И купленные к ним переходники на привычный DIP8. Выглядят ободряюще вменяемыми, но тоже, не особо большими — 13мм на 12мм.

Я не обладатель ни спец.оборудования(даже минимального уровня), ни каких-то особенных навыков, и потому, я был в больших сомнениях на счет того, получится ли у меня из этой затеи что-либо вообще.
Не сказать что я не готовился к битве заранее, и потому интересовался, а как народ справляется с подобными работами, ведь не один я такой.

Нашел, метод называется «волна припоя», это меня ободрило как факт, что такое в принципе возможно.

Если перевести контакты корпуса 5pinSOT23 на DIP8, то получается некоторое облегчение. По спецификации DIP8 выводы 4, 5 и 8 не используются, а это означало, что у меня будет место для маневра. Когда я это понял, я взялся за паяльник.

Что я для себя открыл – все контакты на плате-переходнике я зачищал до блеска твердым ученическим ластиком, — это на второй плате. На первой нет — о чем несколько пожалел.
Контактные штырьки, которые было необходимо впаивать в монтажные отверстия платы я зачищал круглым надфилем, и так-же, на второй плате. На первой, решил пройтись на «авось»- получалось так себе.

Вначале, я конечно напартачил и вместо игнорирования контакта 4, проигнорировал контакт 1. При чем, два раза, иттвм. Нащелкал фоток, нафотошопил, а потом (перекурив), присмотрелся еще раз и ба..!
Надо или ВСЁ(переставлять и саму микросхему и четвертый штырек на место первого) переделывать, или выкидывать и браться за новенькие. Жаба победила – переделал оба раза.

Почистив старой зубной щеткой смоченной в уайт-спирите плату, я взялся за лупу, исправил непропай и вот что (в конце концов) получилось на просвет.
Уже получившийся готовый модуль, я вколол в тот же ученический ластик, оказалось очень удобно.

Видно что:
— контакты 1 и 2 соответствуют посадочным местам;
— контакт 3 микросхемы спарен с контактами 3 и 4 на переходнике, но;
— но, контактый штырек 4 я не впаивал – проблема решена;
— контакт 4 микросхемы соответствует контакту 6 переходника, но;
— но хотя и спарен с контактом 5 на переходнике — штырька я не впаивал =)
— тоже самое с контактом 5 микросхемы, что соответствует контакту 7 на переходнике.

Я, конечно, пытался лепить припой легкими касаниями жала, и даже, пользовался зажимом для бумаги в качестве теплоотвода, но однако, возник конечно вопрос, а что с самими микросхемами?
Не извлекая модуль из резинки, я подключил +5V согласно схеме, и замерил ток холостого хода, — 2ма. Хм… вообще-то, многовато если руководствоваться справочным листком.

Но а поскольку ОУ сравнительно высокочастотный, я предположил что он самовозбудился.
Я видел на схемах, что в случае неполного использования сдвоенных или счетверенных ОУ, свободные усилители (для минимизации холостого потребления тока от источника) переводят в режим повторителя, перевел я и LM7301.

Замкнув выход на инвертирующий вход по схеме буфера я сразу увидел, что ток упал до 0.5ма. Живой-живой!

Моё спец.оборудование.

Пластиковый штангенциркуль пришел сегодня — то что нужно. Измерять дырочки и странные отверстьица с его помощью, мне как раз.
total:
Всё у меня получилось. Ура!

p.c.
Наверное, на днях, я припаяю все оставшиеся 8 микросхем. Но если первые две, я напаивал вначале сами микросхемы, а уже после штырьки, то теперь, сделаю наоборот – вначале штырьки, за тем, заготовку вколю в резинку и с удобствами, примажу микрушку =)
— переходники брал тут.
— штангенциркуль вот.
p.c.с.
что-то зачесалось мне еще по одному десятку rail-to-rail ОУ, правда, в корпусе DIP8, но кажется, перечешется. или… =)

аудиопроектов с операционными усилителями

© 2000 — Род Эллиотт (ESP)
Обновлено янв.2021 г.

Сегодня существует несколько конструкций звуковых частот, в которых не используются операционные усилители (операционные усилители или просто операционные усилители). На протяжении многих лет плохой операционный усилитель подвергался сильной критике, в основном с ложными заявлениями о «слышимости», искажениях и других так называемых дефектах. Есть даже люди, которые будут сравнивать басовые характеристики операционных усилителей, что является безумием (IMO) — все они отлично работают с постоянным током, и ни у одного не будет обнаружено недостатка в низкочастотных характеристиках (то есть без потери (или усиления) басов от любой операционный усилитель с таким же резистором обратной связи и конденсатором связи).

Обратите внимание, что хотя термин «звук» используется в этой серии статей, он не обязательно означает звук в традиционном смысле.Бесчисленные промышленные процессы работают в одном и том же частотном диапазоне, поэтому, когда вы видите термин «аудио», он обычно означает «звуковая частота» — и охватывает диапазон от постоянного тока до, возможно, 30-40 кГц или около того.

Некоторые из наиболее простых операционных усилителей имеют ограничения, которые в некоторых случаях делают их менее желательными, но большинство из них не имеют себе равных по линейности, а общие показатели гармонических искажений составляют всего 0,00003%. Это может быть важно для промышленных процессов, а также для Hi-Fi, потому что очень высокая линейность также означает потенциал для очень высокой точности.Даже самые простые типы все еще находят свое применение в простых низкоскоростных схемах управления и других нетребовательных приложениях.

Операционный усилитель был впервые использован в 1930-х годах в качестве основы для аналоговых компьютеров, и во время Второй мировой войны для создания систем точного прицеливания было много разработок. Поскольку в то время интегральные схемы были неизвестны (это было до изобретения транзистора), самые ранние версии были сделаны с использованием ламп. Основная идея состоит в том, чтобы иметь усилитель с дифференциальными входами, благодаря Алану Блюмлейну, который запатентовал схему, которую мы теперь называем «длиннохвостой парой» в 1936 году.Конечной целью была схема, работа которой контролируется только внешними компонентами обратной связи. Изменяя схему обратной связи, можно было выполнять различные «операции». Как правило, эти первые операционные усилители могли складывать и вычитать, и это важные функции по сей день (даже в аудио). Одним из первых коммерческих операционных усилителей был K2-W компании George A Philbrick Researches (GAP / R), в котором использовались пара ламп 12AX7, дифференциальный входной каскад и выход катодного повторителя. Для получения дополнительной информации о ранней истории операционных усилителей см. Ссылки.

С появлением микросхем и технологий массового производства операционные усилители стали очень популярными и остаются таковыми — со значительным оправданием.

В этой статье основное внимание будет уделено звуковым (включая Hi-Fi) приложениям, но есть некоторые конфигурации, которые настолько замечательны, что я не могу устоять перед искушением включить их. По большей части, любая из показанных конфигураций может использовать самый простой (и дешевый) операционный усилитель, который вы можете получить (особенно для тестирования), если только чрезвычайно широкая полоса пропускания или низкий уровень шума не являются первостепенными соображениями. Для любой из тестовых схем это не проблема.

Я также предлагаю вам создать Совет по проектированию и тестированию операционных усилителей (Проект 41), который идеально подходит для экспериментатора. Большинство показанных схем могут быть построены с использованием этой тестовой платы и будут работать безупречно, хотя будут ограничения в отношении полосы пропускания и шума из-за двойных операционных усилителей LM1458, рекомендованных для этого проекта. Эта рекомендация неслучайна — если используются быстрые операционные усилители, многие схемы будут колебаться из-за длинных дорожек (и проводов) от входов и выходов.

Чтобы разобраться в этой статье, вам необходимо знать закон Ома и его производные. Закон Ома является фундаментальным для электроники, и, приложив немного больше усилий, можно вывести большинство других формул, основанных на сопротивлении. Закон Ома гласит, что потенциал в 1 вольт через сопротивление в 1 Ом вызывает протекание тока в 1 ампер. Это выражается как:

R = V / I … где R — сопротивление, V — напряжение, I — ток, или…
I = V / R … или …
V = I × R

Позже мы также будем использовать формулы для индуктивного реактивного сопротивления и емкостного реактивного сопротивления, а также для расчета частотной характеристики и конструкции некоторых фильтров. Они будут представлены по мере необходимости. Многие люди «напуганы» электроникой, потому что считают, что математические знания высокого уровня необходимы, но для базовых схем это совсем не так. Во всех случаях я стараюсь сводить формулы к минимуму, необходимому для хорошего понимания.На сайте ESP не показаны подробные и сложные математические функции, если они не являются абсолютно необходимыми для понимания происходящего.

Вы увидите ссылки на «мгновенный уровень« x »вольт переменного тока». В любой момент времени у переменного напряжения есть мгновенное напряжение — это напряжение, которое присутствует в данный момент, и для анализа может рассматриваться как постоянное. Это справедливо только в том случае, если мы рассматриваем этот уровень «постоянного тока» как переходный процесс, поскольку многие схемы вообще не работают до постоянного тока (многие другие работают, но это не относится к делу).

Много лет назад я преподавал электронику и в целях объяснения разработал то, что назвал «Основные правила операционных усилителей». Есть два правила, и хотя реальная жизнь никогда не похожа на теорию (я мог бы заполнить страницу подходящими примерами, но воздержусь), они очень точно описывают работу всех схем операционных усилителей:

# 1 Операционный усилитель будет пытаться подать на оба входа точно такое же напряжение (через цепь отрицательной обратной связи)
# 2 Если он не может этого сделать, выход примет полярность самого положительного входа

Излишне говорить, что это требует пояснений.Итак, давайте посмотрим на Правило №1.

# 1 Операционный усилитель попытается сделать оба входа одинаковым напряжением

Когда операционный усилитель работает в линейном режиме (что является большей частью для аудио и большинства других схем усиления), цепь отрицательной обратной связи вызовет появление напряжения на инвертирующем входе (-вход), то есть ( почти ) точно соответствует тому, что присутствует на неинвертирующем входе (+ in). Любое изменение напряжения на клеммах или отражается изменением выходного сигнала, которое вызывает протекание большего или меньшего тока в цепи обратной связи для восстановления равновесия.Для отрицательной обратной связи между выходом операционного усилителя и его инвертирующим входом должно быть сопротивление. Обычно от инвертирующего входа подключается второй резистор для установки коэффициента усиления схемы. Этот резистор может подключаться к земле, «искусственному заземлению» или использоваться в качестве входа.

Если вам это непонятно, см. Дальнейшие пояснения ниже — но помните Правило 1 ^st ! Хотя это звучит упрощенно, на самом деле он настолько хорошо описывает линейную работу, что вам редко придется беспокоиться (по крайней мере, во время анализа схемы) незначительными отклонениями, которые неизбежно возникают из-за ограниченного усиления, входного напряжения смещения и т.Это важно, но они не помогают понять, чего пытается достичь устройство.

# 2 Если Правило # 1 не может быть выполнено, выход примет полярность самого положительного входа

Существует множество схем, в которых операционные усилители используются в нелинейном режиме, и это также может произойти, если выход не может достаточно быстро изменять свое напряжение (это называется ограничением скорости нарастания). В этих случаях, если клемма + in будет наиболее положительной, то выходной сигнал будет иметь положительное значение (на максимально возможной скорости, также известной как скорость нарастания).Если клемма -in более положительная, выходной сигнал будет отрицательным.

Это состояние обычно является результатом отсутствия (отрицательной) обратной связи и может включать или не включать положительную обратную связь , когда выход операционного усилителя подключен (через резистор) к неинвертирующему входному выводу . Положительная обратная связь не является обязательным требованием для Правила № 2, это совершенно необязательно, в зависимости от того, чего хочет достичь дизайнер.

Практически нет схемы операционного усилителя, которую вы не смогли бы понять, когда эти Правила прочно утвердятся в вашем сознании.Даже схемы, в которых странным образом используются внешние транзисторы, будут подчиняться Правилам. Операционный усилитель, который не работает так, как указано выше, используется за пределами своих нормальных рабочих параметров, и результаты будут непредсказуемыми и почти всегда неудовлетворительными.

Часто объясняется, что операционный усилитель реагирует только на разницу между двумя входами, а не на их общее напряжение (синфазное напряжение — это любое напряжение, которое появляется на обоих входах , когда цепь находится в равновесии).Хотя по сути это правда, это не дает абсолютной ясности «Правил» и не помогает общему пониманию. Возможность игнорировать общее напряжение называется коэффициентом подавления синфазного сигнала (CMRR) и будет рассмотрена позже в этой статье.

Прежде чем мы рассмотрим сами схемы, нам нужно взглянуть на некоторые параметры, с которыми вы столкнетесь, как подавать питание и обходить шины питания и так далее. Есть много параметров, которые вы увидите в таблицах данных, и они будут рассмотрены более подробно чуть позже.Нет смысла делать это сейчас, поскольку важность будет потеряна, пока вы не узнаете больше о самом операционном усилителе.

бывают разных конфигураций, но наиболее распространенными являются:

Одиночный — один операционный усилитель в 8-контактном корпусе DIL (Dual In Line) или SOP (небольшой контур (SMD))
Dual — Два отдельных операционных усилителя, использующих только выводы источника питания — обычно в 8-контактном DIL или SOP (может также включать SIP — однорядный корпус и 14-выводные корпуса)
Quad — Четыре отдельных операционных усилителя, опять же с общим источником питания — чаще всего в 14-выводном DIL или SOP

Удивительно, но почти все операционные усилители используют одни и те же распиновки, и они были созданы много лет назад почтенным µA741 для одиночных операционных усилителей, а подобные двойные операционные усилители LM1458 подготовили почву для других последующих. Многие квадроциклы также используют одинаковые распиновки, и это позволяет людям очень долго менять операционные усилители на «лучшие». Для упаковки SMD (устройства для поверхностного монтажа) используются различные термины, включая SOP, SOIC, MSOP и другие. Доступные стили и размеры доступны в таблице данных для операционного усилителя, который вы хотите использовать.

Однако — не рассчитывайте на полную стандартизацию! Есть некоторые вариации, и хотя они встречаются редко, они все же существуют. Я не буду касаться каких-либо различных устройств — будут показаны только общие версии распиновки.

Рисунок 1 — Распиновка общих операционных усилителей

На рисунке 1 показаны стандартные соединения для одиночных, сдвоенных и четырехъядерных операционных усилителей, но имейте в виду, что оставшиеся контакты на обычных одиночных устройствах могут иногда использоваться не так, как показано. Чаще всего доступны дополнительные соединения:

• Offset Null — используется для настройки усилителя, чтобы гарантировать, что входные транзисторы идеально сбалансированы, так что при отсутствии входного сигнала на выходе будет нулевое напряжение. Это важно для схем усилителя постоянного тока.
Компенсация
• — Некоторые одиночные операционные усилители не имеют встроенных конденсаторов частотной компенсации, и вместо этого они подключаются извне. Это позволяет дизайнеру больше свободы, а высокочастотные характеристики операционного усилителя могут быть оптимизированы для достижения проектных целей.

Иногда вы можете увидеть, что эти соединения используются нетрадиционными способами. Это может быть для получения большей пропускной способности, чем обычно доступно, или, возможно, просто для того, чтобы дизайнер мог показать, насколько он умен.В любом случае, я не буду углубляться в эти аспекты процесса проектирования. Некоторые операционные усилители имеют компенсацию определенного минимального усиления. Например, NE5534 (одиночный операционный усилитель) стабилен с коэффициентом усиления три (10 дБ) или более без добавления компенсационного конденсатора. Если требуемый коэффициент усиления меньше трех, требуется внешняя компенсация для предотвращения колебаний.

Ни одна (активная) цепь не работает без питания, поэтому это должно быть первым шагом.Большинство операционных усилителей работают с максимальным напряжением 36 В между клеммами питания. Поскольку это абсолютный максимум, работа при более низком напряжении является общим правилом, и наиболее распространенным является использование от ± 12 В до ± 15 В для питания схемы. Некоторые операционные усилители рассчитаны на более высокое напряжение, а другие — на меньшее, поэтому проконсультируйтесь со спецификациями производителя. Есть также много новых устройств, которые рассчитаны на работу 5 В (или ± 2,5 В), и они умрут при работе от любого напряжения, превышающего установленное абсолютное максимальное напряжение.

Двойной источник питания не требуется, но он упрощает конструкцию и рекомендуется для большинства приложений. Преимущество двойного питания состоит в том, что все входы и выходы имеют заземление. Это может устранить большое количество конденсаторов из сложной конструкции и является наиболее распространенным способом питания большинства схем операционных усилителей. Обратите внимание, что с коммерческой точки зрения устранение (или сокращение) конденсаторов выполняется по экономическим причинам, а не из-за большого желания «упростить» тракт прохождения сигнала или устранить «злые» конденсаторы.

Поскольку распиновка почти всегда одинакова, в большинстве случаев будет применим рисунок 1, но, как я уже сказал ранее, «Не рассчитывайте на это!». В случае сомнений получите спецификацию у производителя. Если нет сомнений, все равно получите спецификацию.

Коэффициент отклонения блока питания
Коэффициент подавления помех от источника питания (PSRR) операционного усилителя является мерой уровня шума источника питания, который попадает в выходной сигнал. В большинстве листов спецификаций приведены условия испытаний для этого измерения, и к ним следует обращаться, если предполагается необычная конструкция.Чаще всего на это можно не обращать внимания.

В обход
Хотя большинство операционных усилителей имеют очень хороший PSRR, это не может компенсировать индуктивность проводов (или дорожек) источника питания, и это может привести к серьезным нарушениям работы используемого операционного усилителя. Всегда рекомендуется обходить источник питания конденсаторами — особое внимание следует уделять высокоскоростным операционным усилителям. В шунтировании всегда должны использоваться конденсаторы с хорошими высокочастотными характеристиками, и многослойная (также известная как монолитная) керамика является лучшей в этом отношении.Обычно в конструкциях используются электролитические конденсаторы, которые сами по себе обходятся конденсаторами малой емкости (100 нФ). Это гарантирует, что вся индуктивность трассы должным образом «нейтрализуется», и помогает предотвратить колебания. Когда это происходит с высокоскоростным операционным усилителем, он обычно находится в диапазоне МГц, и его может быть чрезвычайно трудно увидеть на основных осциллографах.

Верным признаком колебаний является необъяснимое искажение, которое таинственным образом исчезает (или появляется), когда вы касаетесь операционного усилителя или компонента в непосредственной близости от него.

Рисунок 2 — Обход источников питания операционных усилителей

Даже с операционными усилителями HS электролитические конденсаторы (обычно) не требуются для каждого устройства (обычно нужны только на каждой плате), но настоятельно рекомендуется использовать керамические байпасные колпачки между выводами питания каждого устройства. На рисунке 2 показан распространенный метод обхода источников питания для схем операционного усилителя («A»), но есть и другие. В некоторых случаях источники питания могут быть соединены не с землей (заземлением), а только друг с другом. Это имеет то преимущество, что шум питания не попадает в систему заземления («B»).Подход, который я обычно использую при проектировании печатных плат, показан на «C», с парой электродов в точке, где постоянный ток подключен к печатной плате, и байпасным колпачком между источниками питания каждого операционного усилителя (или корпуса операционного усилителя).

Заявления о том, что обход источника питания портит звук (мусор), или что керамические колпачки никогда не должны использоваться в аудио, даже для обхода (больше мусора), и даже что конденсаторы высокой емкости (> 1 мкФ) замедляют звук (без ограничения) чушь). Эти заявления часто делаются мошенниками и шарлатанами, а затем их поддерживают невольные любители и другие люди, которые не знают достаточно, чтобы провести подробный анализ. Подобные утверждения следует полностью игнорировать — они фактически не имеют под собой никаких оснований, и действительно, в каждом случае обычно верно обратное.

Обратите внимание, что одного обхода недостаточно для обеспечения стабильности при любых условиях. Плохая компоновка печатной платы также может создать проблемы, и часто необходимо принять дополнительные меры предосторожности с компоновкой, чтобы избежать проблем, которые может быть чрезвычайно трудно отследить. Это вдвойне верно для неопытных дизайнеров, которые не знают общих «факторов риска».Вы узнаете, что у вас есть проблема с разводкой или обходом, если медленный операционный усилитель работает нормально, но более быстрый операционный усилитель колеблется или вызывает сильный звон при переходных сигналах (включая прямоугольные волны). Распространенной ошибкой является отсутствие выходного резистора (обычно 100 Ом) для изоляции выхода операционного усилителя от емкостных нагрузок, таких как коаксиальные кабели (включая стандартные межсоединения RCA).

Бывают случаи, когда вы используете сдвоенный операционный усилитель, но нужна только одна секция, или четырехъядерный, но только три.Хотя неиспользуемый операционный усилитель можно оставить отключенным, это не считается хорошей практикой проектирования. В некоторых случаях (хотя я этого не видел) вполне возможно, что «плавающий» (т. Е. Отключенный) операционный усилитель может вызвать неправильное поведение схемы, поэтому его следует подключить, чтобы не создавать проблем.

Проще всего просто присоединиться к неиспользуемый выход на его инвертирующий вход и подключить неинвертирующий вход для опорного напряжения. В зависимости от вашей схемы, это может быть земля (земля) или опорное напряжение, это обычно половина напряжения питания.Например, если вы используете только «первый» операционников из двойных, работающего от источника 9В, вы будете иметь опорное напряжение + 4.5V. Просто соедините контакты 6 и 7 и подключите контакт 5 к источнику питания +4,5 В.

Он подключает неиспользуемый операционный усилитель в качестве буфера единичного усиления, поэтому он работает в нормальном диапазоне и не может делать ничего плохого.

Идеальный операционный усилитель имеет бесконечно высокое входное сопротивление и, следовательно, не требует тока смещения. Он также способен к бесконечному усилению без обратной связи, поэтому между двумя входами нет ошибок (т.е.е. Правила 1 и 2 действуют во всех случаях). Идеальный операционный усилитель также имеет неограниченную полосу пропускания, отсутствие внутренней задержки и выходное сопротивление нулевого сопротивления. Он способен подавать столько тока, сколько может потреблять нагрузка, без снижения напряжения. Идеального операционного усилителя не существует.

Хотя идеальный операционный усилитель не существует, он является общей моделью почти для всех схем операционного усилителя, и на практике встречается мало ошибок в результате проектирования идеального и фактического использования реального (неидеального) устройства. Допуск даже самых лучших резисторов в конечном итоге ограничит точность любой схемы операционного усилителя на низких частотах (где коэффициент усиления самый высокий). Это не означает , что любой операционный усилитель можно использовать в любой схеме — ожидается, что разработчик сможет определить оптимальное устройство для этой задачи.

Особое внимание следует уделять любой схеме операционного усилителя, которая работает с очень высоким (или низким) импедансом (входным или выходным). Любой операционный усилитель будет работать без внешней нагрузки, но большинство из них не может обеспечить оптимальную производительность при низком импедансе (600 Ом или меньше).Высокие входные импедансы обычно требуют операционных усилителей на полевых транзисторах, чтобы минимизировать шум и смещение постоянного тока, вызванное входным резистором смещения. Вы также должны быть осторожны с величиной усиления, ожидаемой от одного каскада, потому что операционный усилитель может «исчерпать» усиление на высоких частотах. Есть много соображений по поводу специализированных схем, но для большинства аудиоприложений требуется только низкий уровень искажений (не все операционные усилители одинаковы!) И, как правило, низкий уровень шума. Требования также зависят от уровня сигнала — например, использование «обычного» операционного усилителя для фонокорректора с подвижной катушкой будет разочарованием!

Хотя в большинстве схем выходной сигнал операционного усилителя показан относительно общей системы (обычно земля / земля), сам операционный усилитель не имеет внутреннего эталона — эталон задает конструкция, а не — операционный усилитель.На этапе проектирования одна из задач дизайнера — настроить ссылку, которая представляет собой просто соединение, общее как для ввода, так и для вывода. Это должно быть только в пределах, установленных блоками питания и самим устройством. При использовании (скажем) ± 15 В, общим обычно является ноль вольт (земля). В зависимости от конструкции, это может быть другое напряжение — операционному усилителю все равно, пока он используется в технических характеристиках.

Основные практические ограничения реальных операционных усилителей следующие:

• Входное сопротивление — Обычно от одного до нескольких сотен МОм.Входы на полевых транзисторах используются для входов с очень высоким импедансом (1 ТОм не редкость).
• Усиление — 100-150 дБ от постоянного тока до нескольких герц нормально, затем спад на 6 дБ / октаву (20 дБ / декада), у некоторых усиление больше на более высоких частотах ¹
• Синфазное входное напряжение — обычно ограничивается напряжением питания, но может быть на 0,6 В больше (или меньше для отрицательного размаха) с некоторыми ИС
• Полоса пропускания — операционные усилители с допустимым пределом высоких частот 1 МГц при единичном усилении теперь распространены, а некоторые расширяются намного дальше (100 МГц или более)
• Выходной ток — наиболее распространенные операционные усилители ограничены выходным током примерно до 20 мА, хотя некоторые могут обеспечить больше (например, до 50 мА)
• Скорость нарастания — насколько быстро может изменяться выход в В / мкс. Диапазон от 0,5 В / мкс до 20 В / мкс (некоторые из них быстрее, но их также сложнее использовать)
• Дифференциальное входное напряжение — большинство операционных усилителей допускают дифференциальные входы вплоть до напряжений питания, но некоторые имеют диодную защиту и ограничены до ± 600 мВ

¹ Это особенно важно, когда высокочастотная компенсация является внешней и / или операционный усилитель рассчитан на минимальное усиление. (это означает, что устройство нельзя использовать в качестве повторителя напряжения с единичным усилением)

Есть и другие параметры, такие как входное напряжение смещения и ток, но мы пока не будем касаться этих параметров.Силовые операционные усилители (усилители мощности IC) могут быть рассчитаны на ток до 10 А, но это выходит за рамки этого раздела статьи. Они не квалифицируются как «настоящие» операционные усилители, но ведут себя очень схожим образом и имеют аналогичные требования и / или ограничения по входу и выходу (в зависимости от выходной мощности).

В большинстве случаев предполагается использование идеальных операционных усилителей, но все они предназначены для правильной работы с реальными устройствами. На практике разница между идеальным операционным усилителем и реальным усилителем настолько мала, что ее можно игнорировать, но с одним важным исключением — пропускной способностью.Это единственная область, в которой большинство операционных усилителей демонстрируют свои ограничения, но при правильном понимании довольно легко поддерживать более чем адекватную частотную характеристику даже от базовых операционных усилителей.

Входное синфазное напряжение может быть важным в некоторых приложениях. В идеале операционный усилитель реагирует только на разницу напряжений между его входами. Теоретически при условии, что это не изменится, фактическое напряжение между двумя входами и общим (линия нулевого напряжения) может быть где угодно в пределах указанного диапазона без изменения выходного напряжения .Другими словами, входы могут принимать любое напряжение между отрицательным и положительным питанием, и на выходе (почти) не будет никаких изменений.

В реальном (в отличие от идеального) операционном усилителе произойдут некоторые изменения, и это определяется как коэффициент подавления синфазного сигнала. Операционный усилитель с CMRR 100 дБ (нередко) гарантирует, что изменение выходного напряжения будет на 100 дБ меньше, чем изменение входного напряжения (применительно к , обоим входам одновременно, ). Любая разница между входами обычно усиливается.CMRR зависит от коэффициента усиления операционного усилителя без обратной связи, поэтому обычно он хуже на высоких частотах. Высокое синфазное напряжение может отрицательно сказаться на характеристиках искажения, но редко до такой степени, что становится слышимым.

Хотя правило № 1 гласит, что операционный усилитель будет пытаться подать на оба входа одинаковое напряжение, это может применяться только в том случае, если коэффициент усиления операционного усилителя бесконечен. Если операционный усилитель имеет коэффициент усиления 100 дБ (в 100 000 раз), то разница входного напряжения будет составлять 1/100 000 выходного напряжения. Если на выходе 1 В (для схемы с единичным усилением), разница между входами будет 10 мкВ.Хотя это вполне реально, но в 99% распространенных приложений на это можно не обращать внимания. Правило №1 остается в силе, если вы не пытаетесь заставить операционный усилитель делать что-то «интересное».

В следующем сборнике показаны наиболее распространенные конфигурации усилителей. Они задуманы как линейные усилители, поскольку в них практически отсутствуют искажения (разумеется, в пределах возможностей самого операционного усилителя).

По мере нашего прогресса большинство этих оригинальных схем мы будем видеть снова и снова, поскольку они являются самой основой построения звуковой схемы с использованием операционных усилителей.

Во всех случаях предполагается двойной источник питания, и это не показано на схемах. Это отчасти для ясности, поскольку дополнительная схема затрудняет понимание схем, а отчасти потому, что в любом случае принято не показывать все подключения питания. Мы все знаем, что они должны быть там, поэтому нет смысла снова и снова показывать очевидное. Точно так же не показаны байпасные конденсаторы и другие вспомогательные компоненты — только основной операционный усилитель и связанные с ним компоненты.

Вы также увидите ссылку на «мгновенное значение формы сигнала переменного тока». Это похоже на снимок, и мы просто останавливаем время, пока анализируем работу схемы. В любой точке сигнала переменного тока он может иметь только одно значение напряжения и тока, , независимо от сложности источника сигнала. Синусоида ничем не отличается от любого другого сигнала — при условии, что его амплитуда и частота находятся в пределах возможностей операционного усилителя .

Самая распространенная из всех конфигураций — неинвертирующий усилитель. Поэтому я буду использовать это как отправную точку, потому что это также самый простой для понимания. На рисунке 3 показан полностью обычный неинвертирующий усилитель напряжения на операционном усилителе.

Рисунок 3 — Неинвертирующий операционный усилитель

Рин являются входным резистором, и необходимы, потому что операционные усилители потребности опорного напряжения на входе. В этом случае опорным напряжением является шина нулевого напряжения (земля).Входное сопротивление равно значению Rin параллельно входному сопротивлению операционного усилителя. Как правило, последнее можно игнорировать, потому что оно очень высокое.

Коэффициент усиления (Av — усиление, напряжение) устанавливается соотношением R1 и R2 и равен:

Av = (R1 + R2) / R2 (или R1 / R2 + 1)

Vd = (R1 + R2) / R2 (или R1 / R2 + 1)

Это будет справедливо для любого усиления и любого выхода в пределах возможностей источника питания и конструкции операционного усилителя. Сигнал на частоте 10 МГц не будет соответствовать правилу, поскольку операционный усилитель почти наверняка не сможет усилить такую ​​высокую частоту.Входное напряжение 10 В с коэффициентом усиления 11 также нарушит правило, поскольку операционный усилитель имеет только ± 15 В питания, а выходное напряжение не может превышать напряжение питания. Точно так же нагрузка 8 Ом нарушит правило, поскольку операционный усилитель не может обеспечить ток, необходимый для управления такой нагрузкой.

Чтобы увидеть, как операционный усилитель ведет себя в этих ненормальных условиях, я предлагаю построить схему и запустить тесты, если у вас есть доступ к осциллографу. Изучите как входы, так и выходы, поскольку входы, безусловно, наиболее интересны, когда операционный усилитель нарушает правила.

Когда-то все усилители инвертировали. Одиночный вентильный или транзисторный каскад (кроме буферного каскада с катодом или эмиттерным повторителем) всегда инвертирует сигнал, и именно так и должно быть (см. Основы работы усилителя — Как работают усилители).

С появлением операционных усилителей все это изменилось, и инвертирующий усилитель стал совсем другим, чем простые дискретные конструкции. Коэффициент усиления снова устанавливается парой резисторов, но вывод + in заземляется либо напрямую, либо через резистор.Эта конфигурация также называется каскадом виртуального заземления (или виртуального заземления) и широко используется в микшерных консолях и многих других схемах обработки сигналов.

При использовании в этом режиме есть как преимущества, так и недостатки. Преимущество состоит в том, что на входах нет синфазного сигнала, потому что два входа будут иметь (близкое к) нулевое напряжение. Все операционные усилители имеют некоторые дополнительные искажения из-за высоких синфазных напряжений, и хотя это редко является реальной проблемой, они могут снизить производительность, если вам нужны сверхнизкие искажения. Недостатком является то, что схема имеет более высокое «усиление шума», чем эквивалентный неинвертирующий каскад. Для буфера с единичным усилением шум будет вдвое больше, чем у неинвертирующего каскада. Уровень шума равен R2 / R1 +1. Инвертирующие каскады никогда не следует использовать в схемах со сверхмалым шумом.

Рисунок 4 — Инвертирующий усилитель

Так как + in заземлен, а Правило № 1 гласит, что оба входа должны быть одинаковыми, -in будет также иметь потенциал земли (т. Е. Ноль вольт).Предположим, что на входе 100 мВ постоянного тока. Выходной сигнал будет при -1 В постоянного тока, усиление -10 (минус указывает только на то, что он инвертирующий, а не на то, что схема имеет «отрицательное усиление», которое на самом деле является потерей).

Входной импеданс равен значению R1, а коэффициент усиления по напряжению равен R2 / R1 или 10, как показано. Обратите внимание, что эта конфигурация допускает отрицательное усиление (убыток). Если R1 больше, чем R2 (скажем, 20k), тогда усиление равно R2 / R1, как и раньше, то есть теперь -0,5.

Чтобы убедиться, что уравнение усиления работает, посмотрите на вход 100 мВ (снова мгновенный переменный или постоянный ток).Входной ток будет 100 мВ / 1 кОм (по закону Ома), то есть 100 мкА. Ток через резистор обратной связи должен быть точно равным и противоположным, чтобы гарантировать нулевое напряжение на клемме -in (чтобы мы не нарушали Правило №1). Как это бывает, -1V / 10k дает нам -100µA, токи нейтрализуются, и требования удовлетворяются, поскольку выход отрицательный.

Как и раньше с неинвертирующим усилителем, ограничения операционного усилителя и его источника питания могут привести к нарушению правила №1, но теперь усилитель больше не работает в линейном режиме, и правило №2 вступает во владение.Наблюдение за клеммой -in покажет искаженную форму волны, когда операционный усилитель больше не может работать в линейном режиме.

Рисунок 4A — Инвертирующий усилитель с Т-образной обратной связью

На рис. 4A показана альтернативная инвертирующая схема. Использование R3 и R4 означает, что можно использовать более высокий входной импеданс, но с несколько сниженным штрафом за шум из-за (очень) высокого сопротивления в цепи обратной связи. Показанная схема имеет коэффициент усиления 11,2, и если бы использовалась схема на Рисунке 4, входной резистор (R1) должен был бы быть 10 кОм, а резистор обратной связи (R2) тогда был бы 112 кОм (усиление R2 / R1).Резистор обратной связи высокого сопротивления создает шум (подробности см. В разделе «Шум в усилителях звука»). При использовании показанной схемы снижаются номиналы резисторов, а также их вклад в шум.

Прирост посчитать немного сложнее. На самом деле это всего лишь простая формула, которую можно достаточно легко восстановить из ее составных частей, если вы увидите (и поймете) отношения. Предположим, что входное напряжение 1 В (пиковое или постоянное), и обратите внимание, что R2 эффективно параллелен с R4 (вход операционного усилителя имеет нулевое напряжение).Если R1 равно R2, коэффициент усиления . ..

Av = R3 / (R4 || R2) + 1, где Av — коэффициент усиления по напряжению, а ‘||’ означает «параллельно с»
Av = 2,2k / (220 || 10k) + 1
Av = 2,2k / 215,3 + 1 = 11,2 (11,2183, если вы хотите быть точным)

Мы знаем, что инвертирующий вход операционного усилителя должен иметь нулевое напряжение для линейной работы, поэтому напряжение на выходе операционного усилителя должно обеспечивать ровно 1 В в центре «Т» (R2, R3 и R4). Следовательно, на выходе должно быть -11.2 В, чтобы получить -1 В в этой точке, поэтому напряжение на инвертирующем входе составляет 1 В + -1 В = 0 В. Хотя эта схема немного более запутанная, чем просто использование резистора обратной связи 112 кОм, она действительно обеспечивает достойное снижение шума. Это становится более важным при дальнейшем увеличении входного импеданса и / или усиления. Вы ничего не можете сделать для увеличения входного импеданса, кроме увеличения значений R1 и R2.

Более утомительно вычислять усиление, если R1 и R2 не равны, но это можно сделать, и я оставляю читателю самим это выяснить. В общем, обычно нет веских причин для изменения этих сопротивлений, потому что большая часть усиления обычно устанавливается с помощью R3 и R4. Если необходим инвертор с высоким входным импедансом, лучше использовать неинвертирующий буфер перед инвертирующим каскадом, чтобы можно было минимизировать все значения сопротивления.

При использовании способа, показанного на рис. 4A, собственный шум операционного усилителя усиливается на 12,2, а операционный усилитель на всегда на шумнее при использовании в инвертирующих конфигурациях, чем для неинвертирующей схемы с таким же усилением.

Очень распространенное применение операционных усилителей — это буферный каскад, который (для неинвертирующей конфигурации) может иметь чрезвычайно высокий входной импеданс и низкий выходной импеданс. Как и во всех схемах операционных усилителей, выходное сопротивление может быть очень низким (обычно <10 Ом), но допустимый выходной ток не позволяет схеме управлять таким импедансом более 20 мА или около того, что типично для большинства операционных усилителей. Это ограничит выходное напряжение (до ограничения) максимумом +/- 160 мВ, или около 113 мВ RMS на 8 Ом.Искажения будут неприемлемо высокими, и конечный результат не заслуживает дальнейшего рассмотрения.

Рисунок 5 — A) Инвертирующий и B) Неинвертирующий буфер

Во многих случаях неинвертирующий буфер можно заменить эмиттером или истоковым повторителем, но производительность далеко не так хороша. Входное сопротивление ниже, выходное сопротивление выше, а коэффициент усиления не совсем единица. Кроме того, имеется больше искажений и меньшая мощность выходного сигнала, а также более высокий ток покоя.

Инвертирующий буфер более удобен, чем что-либо еще, и представляет собой обычный инвертирующий усилитель с единичным усилением. Входное сопротивление такое же, как у R1, и очень высокие значения невозможны без чрезмерного шума цепи. Инвертирующий буфер также страдает от повышенного «шумового усиления» (усиление собственного внутреннего шума ИС). Это связано с тем, что сигнал имеет единичное усиление, а входной шум IC имеет усиление 2. Фактически, все каскады инвертирующих операционных усилителей имеют шумовое усиление, равное усилению по напряжению плюс один.Например, инвертирующий каскад с коэффициентом усиления 10 имеет коэффициент усиления шума 11. Шум — это отдельная тема, которая подробно обсуждается в статье «Шум в усилителях звука».

Когда любой операционный усилитель используется для усиления постоянного тока, будет некоторое смещение постоянного тока. В цепях переменного тока это легко устранить, если использовать конденсаторы на входе, выходе или и то, и другое. Величина смещения постоянного тока зависит от многих факторов, но присутствует (почти) во всех устройствах. Единственным исключением являются типы со стабилизацией прерыванием, в которых используется внутреннее переключение для устранения любой составляющей постоянного тока, не связанной с входным напряжением.Это специализированные операционные усилители, и они здесь не рассматриваются.

Распространено утверждение, что неинвертирующий вход должен иметь резистор (либо на землю, либо на сигнал постоянного тока с низким сопротивлением, требующий усиления). К сожалению, многие люди будут утверждать (и они обычно ошибаются), что резистор должен иметь то же значение, что и резистор обратной связи (то есть от выхода до инвертирующего входа). На самом деле сопротивление должно быть рассчитано с использованием информации из таблицы данных операционного усилителя для тока смещения, но вы можете получить приблизительное значение, используя то же значение, что и входной резистор .Однако это все еще не настоящий ответ — на конечный результат влияет множество факторов.

Оптимальное значение можно найти эмпирически (экспериментируя на верстаке) или расчетным путем, последнее является наиболее трудным. Некоторые операционные усилители имеют контакты, предназначенные для подключения к подстроечному узлу смещения постоянного тока, и хотя это определенно работает (или возможность не будет предоставлена), это то, что необходимо отрегулировать при построении схемы. В качестве приблизительного ориентира очень , резистор «компенсации» смещения постоянного тока будет (близок) к значению резистора обратной связи и резистора относительно земли , включенного параллельно . Например, на рис. 5A неинвертирующий вход должен быть подключен к земле через резистор 5 кОм. Обычно (но не всегда) в нем имеется параллельный конденсатор для предотвращения избыточного шума, а конденсатор должен иметь реактивное сопротивление менее 5 кОм на самой низкой интересующей частоте (только для схемы на Рисунке 5A).

JFET имеют здесь определенное преимущество. Входной ток близок к нулю — операционный усилитель TL07x имеет входной ток смещения 65 пА (типичный), что становится проблемой только при сопротивлении более 10 МОм (постоянное напряжение на 10 МОм всего 650 мкВ).Для сравнения: NE5532 с входным резистором 10 МОм может вызвать появление 2 В на резисторе (типичный входной ток смещения 200 нА). Смещение постоянного тока, создаваемое входным током смещения, в значительной степени не имеет значения для операционных усилителей JFET (и, возможно, CMOS), если все значения резисторов не являются исключительно высокими. Однако это может быть , а не для некоторых конфигураций, и измерения необходимы.

Я не собираюсь подробно описывать проблемы или углубляться в математику.Если требуется очень низкое смещение постоянного тока, вам придется выбрать операционный усилитель для данной задачи и либо поэкспериментировать, либо самостоятельно рассчитать оптимальные значения резисторов. Во многих примечаниях к приложениям это описывается почти мучительно подробно, и я не буду этого делать здесь. Достаточно сказать, что это важно, если вы усиливаете постоянный ток (обычно в измерительных приложениях), но для аудио это почти не имеет значения, потому что составляющая постоянного тока легко удаляется с помощью конденсатора.

Пришло время взглянуть на некоторые из множества вариаций основных схем, рассмотренных выше.Невозможно охватить все различные схемы, которые были созданы с использованием операционных усилителей, поскольку их так много, что я мог бы легко получить самую длинную в мире веб-страницу. Я сомневаюсь, что это понравилось бы большинству из вас.

Я расскажу только о наиболее распространенных или наиболее интересных, так как это позволит лучше понять, насколько на самом деле универсальны эти строительные блоки. Все следующие схемы будут работать — они не теоретические, а реальные, и все они могут быть выполнены на плате для тестирования операционных усилителей.

Неинвертирующий буфер использовался очень интересными способами. Например, стандартный недорогой операционный усилитель TL071 имеет входной ток смещения около 65 пА и заявленное входное сопротивление 10 ¹² Ом. Чтобы представить это в перспективе — если предположить, что у нас есть способ подавать ток смещения, не влияя на входное сопротивление — входное сопротивление может достигать 1000000000000 Ом. То есть 1 Ом (1 Тера-Ом равен 1000 Гиг-Ом).На практике мы полностью не сможем добиться этого, поскольку сопротивление изоляции печатной платы не соответствует этой цифре, а малейшее загрязнение резко снизит импеданс.

На самом деле, мы можем легко рассчитывать, что сможем получить входное сопротивление 100 МОм или более (у меня есть проект для испытательного усилителя на 1 ГОм), но необходимо соблюдать осторожность, поскольку с резисторами высокого номинала возникает дополнительный шум. Поскольку шум в резисторе пропорционален напряжению на резисторе и его сопротивлению, легко увидеть, как простая схема может стать настоящим генератором шума.На рисунке 6 показаны схема и макет печатной платы усилителя с очень высоким импедансом.

Рисунок 6 — Усилитель высокого сопротивления

Резистор смещения подключается к выходу, что позволяет снизить сопротивление при сохранении чрезвычайно высокого входного импеданса. Такая схема может быть использована для конденсаторного микрофона (например), который обычно будет иметь такую ​​маленькую емкость, что любая нагрузка снизит низкочастотные характеристики до неприемлемой степени.Можно увидеть охранную дорожку вокруг входа и конца R1. Что такое сторожевой путь? Читайте дальше ….

Чтобы сопротивление печатной платы не создавало проблемы, входная секция может быть «ограждена» секцией дорожки, подключенной обратно к выходу. Таким же образом работают начальная загрузка и защита. Защитная дорожка работает, поддерживая напряжение от источника с низким импедансом вокруг входной цепи, равное напряжению на входе. Если они имеют одинаковое напряжение, ток утечки не будет протекать.На самом деле все не так просто.

Предположим, что операционный усилитель имеет усиление 100 дБ на частоте 1 кГц (наша тестовая частота). Это равняется 100000 — немного стесняется бесконечности! Поскольку операционный усилитель имеет конечное усиление, буфер «единичного усиления» фактически будет иметь коэффициент усиления 0,99999, а не 1, как мы предполагали. Эта ошибка снижает способность операционного усилителя оптимально настроить схему, поэтому входное сопротивление 100 кОм будет эффективно увеличено только до 10 ГОм.

Но подождите . .. как это вообще увеличивает эффективное сопротивление? Это очень просто.Предположим, что на усилитель подается мгновенное переменное напряжение 1 вольт. Обычно это вызывает ток 10 мкА в резисторе 100 кОм на Рисунке 6. Поскольку в результате самонастройки напряжение на стыке R1 и R2 (Рисунок 6B) составляет 0,99999 В, на самом деле существует только 1 — 0,99999 = 10 мкВ. резистор. Входной ток теперь составляет 10 мкВ / 100 кОм = 100 пА (1 пикоампер — 10 ^E-12 A). Теперь мы можем рассчитать эквивалентное сопротивление как R = 1V / 100pA = 10G Ом. Он будет падать с увеличением частоты, когда операционный усилитель начнет терять усиление.

О да, термин «бутстрап» происходит от маловероятного изображения человека, «поднимающегося с пола на собственных шнурках». Как вы могли догадаться, этот термин несколько устарел, но никогда не было никаких попыток его изменить (слава богу). Он призван показать, что невозможное можно сделать, но на самом деле это не невозможно, и это просто очень умный пример нестандартного мышления.

Многие распространенные преобразователи используют емкость в качестве механизма. Конденсаторные (то есть конденсаторные) микрофоны являются наиболее распространенным примером, но есть и многие другие. Обычно они питаются от высокого напряжения (50-200 В) через резистор очень высокого номинала.Можно было бы ожидать шума, но обычно они намного тише, чем ожидалось. На самом деле это легко объяснить …

Емкость может быть только небольшой, но сопротивление резистора настолько велико (обычно 10 МОм или более), что сам преобразователь действует как конденсатор фильтра. Например, даже конденсатор 100 пФ является отличным фильтром нижних частот при питании с импедансом 100 МОм, имеющим верхнюю частоту -3 дБ, равную 16 Гц. Любой шум эффективно отфильтровывается емкостью преобразователя.Помните также, что на резисторе не должно быть напряжения, поскольку это означает, что что-то потребляет ток (неприемлемо для емкостного преобразователя).

Однако следует понимать, что схема начальной загрузки может иметь некоторые непредвиденные последствия. Составная схема включает в себя емкость используемого датчика, и если она изменится (например, при использовании другого датчика или более длинного кабеля), схема может либо отключиться раньше, чем ожидалось, либо показать ярко выраженный пик отклика на некоторой низкой частоте, которая определена. компонентами обратной связи.Схема начальной загрузки является обратной связью и по умолчанию создает фильтр верхних частот, который может иметь очень высокую добротность.

Это тема, достойная отдельной статьи, и, выполнив множество тестов именно с такой схемой, я слишком хорошо знаю, что это может создать проблемы.

Эта трасса должна быть одной из самых классических на все времена. Хотя это также можно сделать с одним транзистором (включая JFET или MOSFET), производительность версии с операционным усилителем настолько лучше, что альтернативу действительно не стоит рассматривать.

Катушки индуктивности всегда были проблемой в электронике, так как они по своей природе относительно большие и состоят из катушки с проволокой, как правило, улавливают гул сети, а также другие шумы в электромагнитном спектре. Идея моделирования катушки индуктивности с использованием операционного усилителя возникла давно. Изобретателем был голландский инженер по имени Бернар Теллеген, которому мы все в большом долгу за то, что это такая полезная схема. См. Википедию для получения дополнительной информации.

Рисунок 7 — Имитация индуктора

Схема намного меньше реальной катушки индуктивности (по крайней мере, для больших значений) и не страдает от наводок. У него ограниченная добротность (добротность), но в аудиосистеме редко требуются схемы с очень высокой добротностью, так что это не проблема. Он также варьируется в умеренно широком диапазоне, что очень сложно с «подлинными» изделиями с проволочной намоткой. R2, параллельный «цепи» индуктора, редко отображается на диаграммах «эквивалентности», но если вы хотите получить точное представление, его необходимо включить. Смоделированные и реальные катушки индуктивности работают одинаково, если включено параллельное сопротивление.

Итак, как это работает?

Идея очень проста, но работать с ней труднее. По сути, в схеме используется конденсатор, который «меняет направление» его работы, образуя «индуктор». Существенный характер индуктора заключается в том, что он сопротивляется любому изменению его тока, поэтому, если к индуктивности приложено постоянное напряжение, ток будет медленно расти, а напряжение будет падать, пока внутреннее сопротивление не станет значительным.

Катушка индуктивности также лучше пропускает низкие частоты, чем высокие, в отличие от конденсатора. Идеальный (снова это слово) индуктор имеет нулевое сопротивление, поэтому он будет пропускать постоянный ток без ограничений, но будет иметь бесконечно высокий импеданс на бесконечной частоте. Обычно считается, что эти ограничения выходят за пределы звукового диапазона.

Чтобы понять, как работает схема, помните, что выход операционного усилителя (почти) точно такой же, как и неинвертирующий вход. Представьте, что на вход внезапно через резистор R1 подается постоянное напряжение 1 В. Операционный усилитель проигнорирует внезапную нагрузку, потому что изменение связано напрямую со входом через C1.Операционный усилитель будет иметь высокий импеданс. Так же, как индуктор.

С течением времени C1 заряжается через R2, напряжение на R2 падает, операционный усилитель воспринимает входной сигнал все меньше и меньше и начинает потреблять ток от входа через R1. Это продолжается, когда конденсатор приближается к полной зарядке, а входной сигнал операционного усилителя близок к нулю, поэтому выходное напряжение также близко к нулю вольт.

В конце концов, резистор R1 становится единственным ограничивающим фактором для протекания тока, и это проявляется как последовательное сопротивление внутри индуктора, точно так же, как сопротивление провода в реальной катушке индуктивности.Это последовательное сопротивление ограничивает доступную добротность как моделируемой, так и реальной катушки индуктивности, с основным различием в величине — реальные катушки индуктивности обычно имеют меньшее сопротивление, чем моделируемая разновидность, но с высокими значениями индуктивности, часто необходимыми для звука, это может быть неверно.

Индуктивность измеряется в Генри, и для моделируемой катушки индуктивности равна ….

L = R1 × R2 × C1

Более точная версия формулы (из-за Зигфрида Линквица) показана ниже, но обычно ошибка простой версии будет очень низкой с типичными значениями — соотношение 100: 1 обычно будет самым низким из используемых, это будет иметь ошибку всего 1%.Допуск компонентов будет иметь больший эффект, но для полноты, вот точная версия . ..

L = C1 × R1 × (R2 — R1)

… так что для показанной схемы это 1 Генри. Это большая индуктивность, и она была бы очень дорогой и громоздкой, если бы была сделана обычным способом. Реальная индуктивность будет иметь меньшее сопротивление и более высокую добротность, но потребуется большой железный сердечник, чтобы выдерживать даже небольшое количество постоянного тока, а индуктивность будет меняться в зависимости от того, сколько постоянного тока присутствует.Имитация катушки индуктивности ограничена допустимым током операционного усилителя, поэтому может выдерживать ток до +/- 20 мА без изменения производительности.

Имитация катушки индуктивности имеет некоторые ограничения …

• Первое (и самое неприятное) это то, что один конец индуктора заземлен. Хотя смоделированные индукторы были сделаны плавающими (могут быть подключены в как хотите), они дорогие и редкие. К счастью, стандартная версия вполне подходит для многих аудиоприложений, так что это не так уж и здорово. бремя.
• Смоделированная катушка индуктивности не может быть изготовлена ​​с высокой добротностью, так как значение R1 не может быть достаточно низким, чтобы обеспечить добротность более 10. Это связано с тем, что ограничения операционного усилителя — для R1 обычно указывается минимальное значение 100 Ом, хотя иногда используются более низкие значения. Это представляет собой последовательное сопротивление (эквивалентно сопротивлению провода в реальной катушке индуктивности).
• Существует также активное сопротивление, подключенное параллельно моделируемой катушки индуктивности, равное значению R1 + R2.Хотя это можно измерить, это не так. вообще помеха для практического проектирования схем.
• Хотя смоделированная катушка индуктивности во многом похожа на настоящую, в ней нет такого же накопителя энергии, и она не может реагировать как настоящая рана. катушка индуктивности. Когда входное напряжение внезапно снимается с реальной катушки индуктивности, коллапс магнитного поля вызывает большой импульс напряжения противоположной полярность — это не происходит должным образом с моделируемой катушкой индуктивности, поскольку в ней отсутствует магнитное поле. Смоделированная катушка индуктивности все еще будет пытаться, но обратная ЭДС ограничена размахом напряжения операционного усилителя, поэтому импульс обратного хода ограничен этим значением.

На рисунке 8 показаны два простых ЖК-фильтра. В одном из них используется реальный дроссель, а в нижней цепи — смоделированный дроссель. Оба они представляют собой последовательные резонансные цепи и настроены на одинаковую частоту (159 Гц). Контрольный уровень (в верхней части графика) равен 0 дБ, и ни одна из схем не демонстрирует каких-либо заметных потерь за пределами полосы заграждения.

Рисунок 8 — Фильтры LC, реальные и имитированные

Производительность этих двух устройств практически идентична, и график отклика показывает отклик обоих. «Rw» — это сопротивление обмотки катушки, которое эквивалентно R1 в цепи гиратора. Смоделированная катушка индуктивности может иметь немного более мелкую выемку, примерно 37 дБ вместо 40 дБ. Частота рассчитывается от . ..

f = 1 / (2 × π × √ (L × C)) Гц

Последовательный резонансный контур имеет минимальный импеданс при резонансе и в показанной конфигурации будет действовать как режекторный фильтр, уменьшая уровень на резонансной частоте.Из-за относительно низкой добротности выемка не очень резкая, но смоделированная катушка индуктивности является важным строительным блоком для эквалайзеров и дисплеев спектра и довольно часто встречается в аудио.

Обратите внимание, что на стыке Cin и катушки индуктивности напряжение выше входного. Это нормальное поведение для последовательного резонансного контура. Это также происходит с имитацией катушки индуктивности, но амплитуда ограничена напряжением питания операционного усилителя. Настоящая катушка индуктивности не имеет такого ограничения, и при наличии достаточного входного тока могут генерироваться чрезвычайно высокие напряжения.

Пропускной фильтр — один из самых странных. Он отлично передает все частоты, без какого-либо ослабления в пределах возможностей используемого операционного усилителя. Все, что он делает, это изменяет фазу сигнала, и эта схема используется во всем, от схем фазовой коррекции для сабвуферов до педалей гитарных эффектов. Иногда он также используется в качестве аналоговой задержки, но подходит только для очень коротких задержек (обычно менее 1 мс). Это универсальный и полезный строительный блок, схема которого показана на рисунке 9.

Рисунок 9 — Полнопроходной фильтр

Показанная схема будет иметь фазовый сдвиг 90 градусов на частоте 159 Гц. На постоянном токе фазовый сдвиг составляет 180 °, а на высоких частотах — 360 ° (обратите внимание, что фазовый сдвиг на 360 ° равен , почти то же, что и 0 ° — есть небольшая разница для переходных сигналов, поэтому их можно считать идентичными. только для условий установившегося сигнала). Сдвиг фазы относительно центральной частоты совершенно не слышен, но если вместо R2 заменить потенциометр, фаза может качаться вперед и назад. Это слышно, и путем каскадирования ряда этих схем можно создать педали эффектов «фазер» или вибрато (частотная модуляция). Один из последних описан на страницах моих проектов.

Входной сигнал эффективно подается на оба входа операционных усилителей, но всегда есть небольшая разность фаз, за ​​исключением постоянного тока или бесконечной частоты. Значение C1 и R2 определяет частоту, при которой происходит сдвиг на 90 ° (или 270 °), а частота определяется по формуле …

fo = 1 / (2 × π × R2 × C1)… где fo — частота сдвига фазы на 90 °

Быстрый анализ покажет, как это работает. Предположим, что вход постоянного тока составляет 1 В; при постоянном токе колпачок не действует, поэтому схема работает как инвертирующий буфер. Таким образом, выходной сигнал составляет -1 В, поэтому имеется фазовый сдвиг на 180 °. На высоких частотах реактивное сопротивление C1 незначительно, и полный входной сигнал подается на клемму + in операционного усилителя. Помня Правило № 1, выход операционного усилителя будет таким, что оба входа будут иметь одинаковое напряжение, и для этого выход должен быть равен входу на высоких частотах.

На промежуточных частотах комбинация C1 и R2 вместе с R1 и R3 гарантирует, что выходная амплитуда останется постоянной, но фаза изменится. Относительное положение C1 и R2 можно поменять местами, что изменит характеристики схемы.

В жизни есть много вещей, которые я не понимаю, но одна из самых простых — это генератор фазового сдвига, реализованный с использованием операционного усилителя. Не поймите меня неправильно — схему я прекрасно понимаю.Бит, который я не понимаю, — это почему (до сравнительно недавнего времени) я никогда не видел опубликованной этой схемы — нигде ???

В период своего расцвета схема генератора с фазовым сдвигом использовалась почти везде, где требовался простой генератор синусоидальной волны, и я видел, как он был выполнен с клапанами, транзисторами и даже полевыми транзисторами. Обратите внимание, что при использовании одного транзистора, клапана или полевого транзистора положения резисторов и конденсаторов меняются местами (т. Е. Колпачки включены последовательно, а резисторы соединены с землей).То, что я видел , а не , пока я не разработал его, было генератором фазового сдвига, использующим операционный усилитель и конфигурацию, показанную ниже. Как выяснилось, хотя я этого не видел, видел мой верный (де-факто) редактор в Великобритании. Эта статья была впервые опубликована в 2000 году, и с тех пор показанная схема была опубликована на многих веб-страницах, но факт остается фактом, что еще в 2000 году в Интернете не было никаких признаков этого.

С тех пор я видел его в ряде публикаций, в том числе в книге Джона Линсли-Гуда «Искусство линейной электроники».JLH также предоставляет уравнение для расчета частоты …

f _o = √6 / (2 × π × C × R)) где R — сопротивление (R1 = R2 = R3), а C — емкость (C1 = C2 = C3)

Коэффициент усиления контура должен составлять 29,25 дБ согласно Линсли-Худу, и, не имея дополнительной информации, я должен предположить, что формула применима только в том случае, если все резисторы и конденсаторы равны, а коэффициент усиления будет минимальным, необходимым для колебания цепи. У любого операционного усилителя будет достаточное усиление для частот как минимум до нескольких кГц.

Рисунок 10 — Генератор фазового сдвига

Стабильность частоты этой схемы довольно хорошая, но, как и у всех генераторов с фазовым сдвигом, амплитуда изменяется при изменении частоты. Для изменения частоты можно изменять любой резистор, а использование потенциометра позволяет непрерывно изменять его в диапазоне 5: 1 (или больше, если вы экспериментируете со значениями компонентов).

Это прекрасный пример того, что операционный усилитель не может подчиняться Правилу №1, и его работа полностью регулируется Правилом №2.Схема намеренно нестабильна, и операционный усилитель всегда пытается догнать, но безуспешно. Если бы было иначе, схема перестала бы колебаться.

Частота — это корова, чтобы определить, используются ли разные значения для R или C, и хотя я считаю, что — это формула , очевидно, это очень утомительный процесс (я сам не видел этого). Схема, показанная выше, будет работать с частотой около 360 Гц с выходным синусоидальным напряжением около 125 мВ (с питанием ± 5 В) — хотя формула JLH указывает, что она должна колебаться на частоте 390 Гц.Если вы действительно хотите узнать , вам придется его построить. Изменение номинала любого резистора или конденсатора изменит искажение, частоту и амплитуду. Прямоугольная волна на выходе близка к полному напряжению питания (ограниченному выходной цепью операционного усилителя). При питании ± 5 В, как показано выше, амплитуда прямоугольной волны составляет около ± 3,5 В при использовании операционного усилителя TL071.

Синусоида, показанная на осциллограмме, получена от терминала «Sine», а прямоугольная волна — с выхода операционного усилителя («Sqr»).Цепочка резисторов и колпачков действует как схема фазового сдвига, и колебания происходят на той частоте, где есть точный сдвиг на 180 градусов, преобразовывая отрицательную обратную связь в положительную. Схема стабильна на постоянном токе, поскольку имеет отрицательную обратную связь через цепочку резисторов.

Давайте посмотрим, как это работает. Помните Правило №2? Теперь посмотрим на сигнал на инвертирующем входе. Как видите, выход принимает полярность наиболее положительного входа, поэтому, когда клемма -in положительная, выход отрицательный.Через некоторое время, зависящее от сопротивления и емкости, напряжение на клемме -in упадет до нуля вольт и, в конечном итоге, станет отрицательным — выход сразу станет положительным, и цикл будет повторяться. Как и все схемы фильтров, схема резистор / конденсатор (R / C) вводит временную задержку, и именно она (плюс сформированный простой фильтр нижних частот) создает синусоиду с искажением около 2%. Отнюдь не замечательно, но вполне достаточно для ряда простых приложений.

Синусоидальный выходной сигнал имеет относительно высокий импеданс и перед использованием должен быть буферизован операционным усилителем. Любая нагрузка изменит как амплитуду, так и частоту.

Генератор триггера Шмитта, также известный как автономный мультивибратор, является гораздо более традиционным с точки зрения конструкции операционных усилителей. Как и генератор с фазовым сдвигом (на самом деле, как и все генераторы), это по своей природе нестабильная схема. Также, как и в предыдущем примере, эта схема не может подчиняться Правилу №1 (поскольку это сделает ее стабильной), поэтому вместо этого следует Правило №2.

Рисунок 11 — Триггерный осциллятор Шмитта

Эта схема очень распространена там, где требуется генератор, но, как показано, выдает треугольную форму волны с довольно высоким содержанием гармоник. Выходной сигнал операционного усилителя — прямоугольная волна. Обратите внимание на использование положительной обратной связи через R2 и R3. Это конкретное соединение создает триггер Шмитта, полезную, но довольно непостижимую схему для новичка. Хотя это простая схема, понимания того, как она работает, нет.

Предположим, что напряжение питания составляет ± 5 В, и мы будем использовать потери в выходном каскаде операционного усилителя, как показано на рисунке 11.Мы начнем с того момента, когда на выходе операционного усилителя будет + 3,5 В. На клемме + in будет 1,75 В, поскольку между выходом и землей есть делитель напряжения. Таким образом, C1 будет заряжаться до положительного напряжения до тех пор, пока напряжение не станет немного выше 1,75 В. Так как должно соблюдаться Правило № 2, вход -ve теперь более положительный, поэтому выход будет отрицательным. Теперь крышка должна разрядить свое положительное напряжение и начать зарядку до отрицательного напряжения. Если отрицательное напряжение меньше (больше отрицательного) -1.75 В, выходной сигнал будет положительным, и цикл будет повторяться. Выходной прямоугольный сигнал составляет ± 3,5 В, а треугольный сигнал — ± 1,75 В.

По крайней мере, можно определить частоту этого генератора, а она примерно равна ….

Х = R3 / (R2 + R3)
f _o = 1 / (2 × R1 × C1 × ln ((1 + X) / (1 — X))

Для приведенного выше примера (после того, как было отмечено, что ln — это натуральный логарифм (основание «e»), а не основание 10), частота равна. ..

X = 100 тыс. / 200 тыс. = 0,5
f _o = 1 / (2 × 100k × 10nF × ln (1,5 / 0,5))
f _o = 1 / (0,002 × ln (3))
f _o = 455 Гц

Выходной сигнал треугольной волны имеет относительно высокий импеданс и должен быть буферизован операционным усилителем, прежде чем использовать его для чего-либо. Любая нагрузка изменит частоту, но не амплитуду (это фиксируется делителем напряжения R2 и R3). Если нагрузка слишком велика, осциллятор остановится. В остальном это надежный недорогой генератор, простой в сборке и подходящий везде, где требуется прямоугольная волна (или буферизованная треугольная волна).Он будет нормально работать от одного источника питания, но вам понадобятся два резистора R3 , каждый из которых удваивает значение, которое вы обычно используете. Один подключен к источнику питания + ve, а другой — к земле, при этом центральный отвод подключен к неинвертирующему (+ ve) входу операционного усилителя и R2. Резисторы образуют делитель напряжения с номинальным центральным напряжением 1/2 напряжения питания.

Время нарастания и спада на выходе прямоугольной волны настолько велико, насколько это позволяет операционный усилитель. Если операционный усилитель имеет низкую скорость нарастания (например, µA741) и у вас есть размах размаха 6 В, время нарастания и спада прямоугольной волны будет около 8 мкс.Генератор, построенный на таком медленном операционном усилителе, можно будет использовать до 4 кГц. TL071 или аналогичный будет вполне доволен до 30 кГц и более. Однако это не точная схема, и она не подходит, если вам нужна очень стабильная частота.

Одна вещь, которая не описана выше, — это потенциальная чувствительность инвертирующего входа к паразитной емкости. Даже небольшое количество может создать проблемы на высоких частотах. Само собой разумеется, что все дорожки на печатной плате, которые подключаются к инвертирующему входу, должны быть как можно короче. Если он используется в качестве точки суммирования (например, в смесителе), то суммирующие резисторы должны находиться рядом с операционным усилителем. Эта проблема усугубляется при использовании высокоскоростных операционных усилителей, и, если ее не решить, в крайних случаях могут возникнуть колебания.

Рисунок A1 — Компенсация входной емкости

Одним из способов решения любых проблем, связанных с емкостью, является использование конденсатора параллельно с резистором обратной связи (C _comp ), как показано выше. Значение определяется емкостью на входе, коэффициентом усиления схемы, номиналами резисторов и обычно является неизвестной величиной.Все дорожки на печатной плате имеют некоторую емкость, и ее влияние увеличивается, если на печатной плате есть заземляющий слой. В большинстве случаев будет легче получить подходящую емкость обратной связи экспериментальным путем, потому что обычно бывает сложно или невозможно измерить ее напрямую.

Например, если показанная схема имеет паразитную емкость 100 пФ (чего на самом деле довольно сложно достичь). Компенсационный конденсатор должен быть около 15 пФ, чтобы предотвратить повышение частоты и нестабильность потенциала.Если один из входов удален (или оставлен плавающим), значение C _comp должно быть больше — около 18 пФ. Любая паразитная емкость на инвертирующем входе вызовет проблемы независимо от топологии схемы. Выше показан инвертирующий каскад, но он так же важен для неинвертирующего каскада с (например) переключаемыми резисторами для управления усилением.

К счастью, это редко является проблемой, с которой кто-либо сталкивается, потому что разумная практика компоновки гарантирует, что паразитная емкость будет низкой, и очень редко можно увидеть какой-либо высокочастотный звон с прямоугольным входом, который является верным признаком потенциальной нестабильности.При показанном довольно преувеличенном значении паразитной емкости C нестабильность практически гарантирована, но, к счастью, паразитная емкость выше нескольких пФ редко встречается. Обычно это приводит к возникновению проблем за пределами верхней АЧХ операционного усилителя.

Например, даже при использовании «идеального» операционного усилителя 22 пФ C _{, паразитный} приведет к увеличению выходной мощности на 3 дБ при частоте чуть менее 2,9 МГц — очень немногие операционные усилители имеют полезный коэффициент усиления на такой высокой частоте, поэтому это не проблема. Однако, если вы изучите схему Project 88, вы увидите, что если первый каскад усиления установлен на усиление 0 дБ, резистор обратной связи заменяется перемычкой.Тогда паразитная емкость не влияет на отклик. Также есть предупреждение, чтобы убедиться, что хотя бы один переключатель усиления включен, чтобы минимизировать влияние паразитной емкости.

Хотя вы не будете часто сталкиваться с этой конкретной проблемой, вам необходимо знать об этом. Кажущаяся «незначительной» ошибка со следами печатной платы может вызвать проблемы. Если вы не подозреваете о возможности возникновения нежелательных высокочастотных проблем (которые могут включать в себя колебания с очень быстрыми операционными усилителями), то вы не знаете, что искать.