Пиковый детектор на оу с однополярным питанием: 4.15. Активный пиковый детектор

Содержание

АМПЛИТУДНЫЕ ДЕТЕКТОРЫ НА ОУ в устройствах на микросхемах

Амплитудный детектор представляет собой выпрямитель, на выходе которого включен накопительный конденсатор. Амплитудныйдетектор на ОУ представляет собой однополупериодный выпрямитель на ОУ, нагруженный на конденсатор.

В отличие от выпрямителей-детекторов, используемых для питания радиоэлектронных узлов, амплитудные детекторы предназначены для запоминания экстремальных значений входного сигнала.

В типовой схеме амплитудного детектора при возрастании уровня входного напряжения напряжение на накопительном конденсаторе С1 (рис. 16.1) возрастает. В случае последующего снижения уровня этого напряжения напряжение на конденсаторе С1 остается неизменным (т. е. запоминается). Заряд на конденсаторе сохраняется в течение времени, определяемого током утечки конденсатора, либо повышается при условии возрастания напряжения на входе устройства выше предыдущего экстремального значения [16.1,16.2].

Для того, чтобы произвести сброс заряда конденсатора С1, рис. 16.1, и подготовить устройство для последующего цикла работы используют импульс сброса, подаваемый на управляющий вход электронного ключа, например, полевого транзистора, подключенного параллельно накопительному конденсатору.

Двухкаскадный амплитудный детектор положительного уровня, рис. 16.2—16.4, представляет собой более совершенное устройство: он

Рис. 16.4. Схема модифицированного двухкаскадного амплитудного детектора с цепью сброса

Рис. 16.3. Схема модифицированного амплитудного детектора

Усовершенствования схем амплитудных детекторов коснулись и цепей сброса накопительного конденсатора. Одна из подобных схем приведена на рис. 16.4 [16.2].

содержит повторитель напряжения на микросхеме DA2. Это минимизирует влияние сопротивления нагрузки на саморазряд накопительного (запоминающего) конденсатора С1. Одновременно повышается точность преобразования.

Для снижения токов утечки конденсатора С1 через обратносмещенный диод VD2 в схеме модифицированного амплитудного детектора, представленной на рис. 16.3, использован дополнительный диод VD3 и резистор R3 [16.2].

Практическая схема милливольтметра переменного тока на микросхеме DAI NE531 с использованием прецизионного выпрямителя приведена на рис. 16.5 [16.3].

Для использования в бытовой радиоаппаратуре была разработана специализированная микросхема К157ДА1. Микросхема представляла собой двухканальный двухполупериодный выпрямитель среднего уровня аудиосигналов для использования в звуковоспроизводящей стереофонической аппаратуре. В состав микросхемы К157ДА1 (рис. 16.6, [16.4]) входили:

♦    два идентичных канала, содержащих предусилитель на ОУ и преобразователь двуполярного сигнала;

♦  схема стабилизации питающего напряжения.

Питание микросхема могла получать от двуполярного источника напряжения ±(3—20) В при суммарном потреблении тока при отсутствии входного сигнала до 1,6 мА. Коэффициент усиления микросхемы по напряжению при напряжении питания ±15 В — 7—10 до верхней границы частоты не ниже 100 кГц. Выходное напряжение — до 9 В при токе нагрузки 2,5—6,0 мА. Выводы 8 и 14 микросхемы — выводы делителя обратной связи. Выводы 9 и 13 — выводы детектора для соединения с общей шиной (рис. 16.6).

Пример использования микросхемы К157ДА1 для индикации уровня аудиосигнала стереофонического усилителя приведен на рис. 16.7 [16.4].

Поскольку двуполярное питание микросхемы малоприемлемо при ее работе в нестационарных условиях, для однополярного питания микросхемы К157ДА1 была предусмотрена схема включения, приведенная на рис. 16.8 [16.4].

Устройство обеспечивает одноканальную регистрацию квазипиковых значений входного сигнала. Время интеграции определяется RC-произведением интегрирующей цепочки и для приведенных на рис. 16.8 номиналах близка 10 мс. Время разряда конденсатора СЗ примерно равно 300 мс.

Рис. 16.7. Типовая схема включения микросхемы К157ДА1 в качестве двухканального двухполупериодного выпрямителя среднего значения аудиосигнала

Рис. 16.8. Типовая схема включения микросхемы К157ДА1 при однополярном питании

Рис. 16.9. Схема индикатора среднего значения сигнала на микросхеме К157ДА 7

Для измерения среднего уровня сигнала, более точно отвечающего слуховому восприятию и оценке громкости сигнала, может быть использован индикатор, схема которого представлена на рис. 16.9 [16.4]. Коэффициент преобразования микросхемы в таком включении около 50 мкА/В, его можно регулировать подстройкой потенциометра R2.

Шустов М. А., Схемотехника. 500 устройств на аналоговых микросхемах. — СПб.: Наука и Техника, 2013. —352 с.

42 Активные выпрямители и амплитудные детекторы на базе ОУ

Активные выпрямители и амплитудные детекторы на базе ОУ

Задачи выпрямления и амплитудного детектирования сигнала схожи между собой и связаны с получением постоянного значения выходного на- пряжения, пропорционального амплитуде периодического входного сигнала

снулевым средним значением.

Вслучае выпрямления сигнала амплитуда входного колебания постоян- на, в случае детектирования амплитуда медленно меняется и несет полезную информацию.

Наиболее просто функцию выпрямления можно реализовать путем кас-

кадного соединения нелинейного устройства с различным коэффициентом передачи положительных и отрицательных значений входного сигнала и сглаживающего фильтра, выделяющего постоянную составляющую (рис. 1а).

Рис. 1

Например, если нелинейное устройство без потерь передает положи- тельные полуволны входного сигнала и не передает отрицательные, то в ус- тановившемся режиме временные диаграммы работы выпрямителя будут со- ответствовать рис. 1б.

Свойством однополярной проводимости обладает полупроводниковый диод, наиболее часто использующийся в выпрямительных схемах (рис. 2).

Рис. 2

В приведенном на рис. 2 примере нагрузка схемы совместно с шунти- рующей ее емкостью образует сглаживающий фильтр нижних частот, а по- лупроводниковый диод выполняет функцию нелинейного устройства.

К сожалению в силу экспоненциальности ВАХ диода дифференциаль-

ный коэффициент передачи подобных схем падает с понижением амплитуды входного сигнала (рис. 3), что снижает чувствительность амплитудного де- тектирования.

Рис. 3

Для преодоления указанного недостатка используют усилительные схе- мы с отрицательными обратными связями. Пример такой схемы приведен на рис. 4а.

Рис. 4

Временная диаграмма работы устройства в установившемся режиме по- казана на рис. 4б.

При uвх > 0 u1 > 0 диод открывается, замыкая цепь отрицательной об- ратной связи. В силу большого коэффициента усиления операционного уси- лителя u2 ≈ uвх . Второй операционный усилитель включен по схеме неин- вертирующего повторителя напряжения и обеспечивает uвых ≈ uвх .

При uвх < 0 диод закрывается, разрывая цепь обратной связи. Напряже- ние u1 при этом становится равным напряжению отрицательного насыщения операционного усилителя (близко к напряжению отрицательного питания), а uвых = u2 = 0 .

Недостаток данной схемы связан с тем, что выход операционного уси- лителя периодически оказывается в состоянии насыщения, выход из которо- го – процесс инерционный.

Данный недостаток устраняется схемой рис. 5.

 

 

 

 

Рис. 5.

 

В этом случае при uвх > 0

открывается диод VD1, диод VD2 закрыт. Че-

рез R2

и VD1

замыкается

цепь

отрицательной обратной

связи и

uвых = −R2 / R1.

 

 

 

 

При

uвх < 0

закрывается

диод

VD1 и открывается VD2.

При этом

uвых = u1 ≈ 0. Таким образом последняя схема обладает свойством инверти- рующего выпрямления.

Для выделения постоянной составляющей на выходах приведенных схем должен быть установлен сглаживающий фильтр нижних частот.

Разновидностью амплитудных детекторов огибающей сигнала являются пиковые детекторы, в задачу которых входит запоминание максимального значения входного сигнала (рис. 6а).

Рис. 6

Для получения такой функции можно использовать диодный выпрями- тель с высоким сопротивлением нагрузки выходной цепи (рис 6б).

В этой схеме при uвх > uC диод открыт и конденсатор заряжается через внутреннее сопротивление источника сигнала, повторяя входной сигнал. Ко- гда uвх < uC диод закрыт, и конденсатор медленно разряжается через сум- марное сопротивление утечки, длительное время сохраняя напряжение, близ- кое к предыдущему пиковому значению (рис. 6а).

Простейшей диодной схеме пикового детектора свойственен тот же не- достаток, что и выпрямительной схеме на диоде – низкая чувствительность к малым сигнальным изменениям. Для его устранения применяется отрица- тельная обратная связь (рис. 7).

Рис. 7

В этой схеме при uвх > uC диод открыт, замкнута обратная связь и uвых = uC = uвх . При uвх < uC диод закрывается, обратная связь размыкается, выход DA1 оказывается в отрицательном насыщении, а конденсатор хранит значение напряжения, равное предыдущему пиковому значению.

Длительность хранения заряда конденсатором определяется утечками тока через

-изолятор конденсатора;

-обратно смещенный диод;

-входную цепь второго операционного усилителя.

4

Среди перечисленных цепей наиболее сильной утечкой обладает обрат- но смещенный диод. Для компенсации этой утечки тока применяют следя- щую положительную обратную связь (рис. 8).

Рис. 8

В этой схеме при uвх < uC напряжение u2 поддерживается равным на- пряжению uC . При этом условии ток через диод VD2 не протекает.

Светомузыка на операционных усилителях

Скорее всего, вы и без меня это прекрасно знаете, но давайте все же проясним. Светомузыкой (или цветомузыкой) называют устройство, которое заставляет разноцветные огоньки от ламп или светодиодов мигать в такт музыке. Что из этого следует? То, что это устройство - отличный хобби-проект на выходные. Это как совместить приятное с полезным и потом еще раз с приятным.

Есть разные подходы к созданию светомузыкальных устройств. Например, можно сделать автомат, который включает лампы в заранее описанной последовательности. Или можно сделать примитивную схему на одном транзисторе, реагирующую на амплитуду входного сигнала (громкость музыки). Но чаще всего радиолюбители видят светомузыку как анализатор спектра. Как раз последний вариант и рассмотрим (также в форме видео).

Устройство, которое я собрал, построено на операционных усилителях LM358. Полностью аналоговая схема. Это непохоже на то, что я обычно собирал, и для меня этот проект был интересным "учебным упражнением". Он начался с чужой схемы (автор Collin Cunningham), найденной на сайте jameco. Общая структура у нее была вполне понятной уже с первого взгляда. Но подробностей и расчетов там не было, а сопровождающее видео лишь коротко объясняло то, что я и без него понял. Так что план работ нарисовался такой: сначала провести анализ исходной схемы, затем модифицировать под свои требования, потом "бег по граблям" (т.е. отладка собранного), ну и под конец - черкануть эту статейку.

Вот то, что получилось у меня:

Результат во многом похож на исходник, структура такая же - входной буфер, затем активные фильтры с ключами на выходе. Основные изменения - это добавление защиты от обратной полярности (переполюсовки) питания, и усиление выхода по току, поскольку я задумывал подключать к каждому каналу по светодиодной ленте длиной до 2 метров. Еще поменял некоторые номиналы, и убрал потенциоментры подстройки чувствительности каналов.

А теперь давайте разбираться, как схема работает и какие элементы на что влияют.

Через разъем J2 на устройство подается питание, конденсатор C2 его как бы фильтрует, а элементы R1, D1 и Q1 - это защита от переполюсовки на N-канальном полевом транзисторе. R1 ограничивает ток заряда затвора. D1 - необязательный стабилитрон на 12 В для случаев, когда напряжение питания или скачки в нем могут превысить максимальное VGS транзистора.

Такая схема защиты много где рассматривалась, есть статьи и на английском, и на русском. Если питание подать наоборот, то транзистор Q1 закрыт и ток через устройство не идет. Если питание подать в правильной полярности, то в первые моменты после включения ток пойдет через паразитный диод MOSFET-а, и потенциал на истоке (source) будет чуть выше минуса/земли - примерно на 0.7 вольта (падение на паразитном диоде). Получается, что VGS (gate-source) становится близким к напряжению питания, и если для данного транзистора этого достаточно, то он открывается, и весь ток начинает идти через канал вместо паразитного диода. Конечно, можно было обойтись одним диодом, но способ с полевиком лучше, особенно при больших токах или батерейном питании. Сопротивление открытого канала полевика R

DS(on) составляет несколько миллиом (mΩ), благодаря чему на полевике меньше падает напряжение и, следовательно, он меньше греется.

Разъемы J1 и J3 - это аудиовход и сквозной аудиовыход, можно спокойно менять местами. Сигнал берется только из одного канала (левого), но левый и правый каналы у большинства песен похожи, так что решение вполне адекватное. Ко входу я обычно подключаю телефон или плеер, а к выходу - компьютерные колонки или наушники (у меня со стороны светомузыки разъем WF с шагом 2.54 мм, но это на вкус и цвет). Клеммник J4 предназначен для подключения обычных 12-вольтовых светодиодных лент. Одна из клемм - напряжение питания, общее для всех лент, остальные три клеммы - выходы нижних ключей (коллекторы). Но не будем забегать вперед, вернемся в левую часть схемы.

C1, R4, RV1, R5 и U1A образуют входной буфер. Как я понимаю, перед ним стоят две задачи. Первая - усилить входной сигнал, потому что мы имеем дело с размахом в десятки милливольт на входе, и то если врубить погромче. Вторая - спрятать входные импедансы фильтров от проигрывателя, почему я и назвал эту часть буфером. Резисторы R4, RV1 и R5 задают коэффициент усиления. Конденсатор C1 изолирует по постоянному току выход проигрывателя и вход буфера. Если ставите на место C1 электролитический кондер, то ставьте его плюсом к R4.

Чем больше номинал C1, тем лучше будут проходить низкие частоты, но бесконечно его увеличивать нет смысла, разумно выбрать что-нибудь в пределах 0.1..10 мкФ.

Операционник U1A включен как инвертирующий усилитель переменного напряжения (AC-coupled). Инвертирующий усилитель имеет низкое входное сопротивление (здесь примерно равное R4), и еще переворачивает сигнал относительно напряжения на неинвертирующем входе. Тут может возникнуть вопрос: разве не лучше поставить неинвертирующий усилитель? Оказалось, что нет. В инвертирующем усилке все-таки есть пара привлекательных вещей. Во-первых, его проще переделать под переменное напряжение - нужно буквально добавить один конденсатор на входе, в то время как неинвертирующуему обвес нужен чуток побогаче. Во-вторых, в аудио входе низкое (в разумных пределах) входное сопротивление может быть достоинством, потому что оно грузит и давит помехи. Ну а что касается инверсии сигнала, то она в нашем случае никак не мешает - тут нам важна только частота.

Практика показала, что большой коэффицент усиления здесь не нужен. В исходной схеме с номиналами 1 МОм и 47 кОм коэффициент усиления был чуть больше 20 (опустим минус). У меня светомузыка отлично работала при усилении всего лишь в 2..3 раза. Если сделать коэффициент усиления слишком большим и включить музыку на большой громкости, то светомузыка "уйдет в перегруз" и каналы будут постоянно светиться.

Для работы инвертирующего усилителя нужна средняя точка, смещение или опора - кому как больше нравится. За эту часть отвечают R2, R3, C3 и U1B. Резисторы R2 и R3 образуют делитель, который и задает напряжение средней точки. Конденсатор C3, конечно же, поставлен для фильтрации высокочастотных помех. Операционник U1B включен как повторитель, и все, кому нужно это напряжение смещения, получают его с выхода U1B (цепь GNDREF). Не обязательно делить напряжение питания ровно пополам - смещение может быть любым, в разумных пределах.

Когда U1A получает напряжение смещения, по логике работы инвертирующего усилителя входной сигнал (между C1 и R4) должен подняться на то же напряжение смещения. Поэтому я и сказал ставить C1 плюсом к R4, если он полярный - на эти грабли я уже наступил. При обратном включении электролитический конденсатор имеет большую утечку, то есть у него проклевываются свойства резистора, из-за которых я словил интересный эффект в виде нежелательной постоянной составляющей. Вход смещался чуть ниже средней точки, в усилителе эта ошибка умножалась на минус много и выход улетал в космос. Прежде чем я нашел источник ошибки, я какое-то время умудрялся обходить эту проблему, пропорционально уменьшив R4 и R5, а так же понизив коэффициент усиления и среднюю точку (чем она ниже, тем сложнее выходу "дотянуться до потолка").

Сигнал с выхода буфера проходит через конденсатор C4, который убирает из него постоянную составляющую (если она там как-то появилась), и попадает на входы трех активных полосовых фильтров, благодаря которым светомузыка реагирует на ноты разной высоты. R6, R9, C5, C6 и U2A составляют фильтр на 3 кГц, так же есть фильтры на 670 и 140 Гц. Все три имеют одинаковую топологию, которая называется Infinite Gain Multiple Feedback (IGMF), или Multiple Feedback Bandpass (MFB). Как и многие другие активные фильтры, по сути это инвертирующие усилители с частотно-зависимой обратной связью. Можно было поставить фильтры и с другой топологией, но у IGMF-фильтров есть интересное свойство - очень узкая полоса пропускания с ярко выраженным пиком на центральной частоте.

 

Частоту фильтра можно посчитать по несложной формуле. Но учтите, что у этого фильтра есть другие занимательные характеристики - ширина полосы пропускания и коэффициент усиления на центральной частоте. Замена одного резистора в готовом фильтре влияет на все три характеристики одновременно, что ограничивает возможности перенастройки.

Говоря о перенастройке, следует кое-что упомянуть. В некоторых источниках IGMF-фильтр изображается с дополнительным резистором на землю, который ставится после первого резистора на входе. В исходной схеме это был резистор номиналом 680 Ом, который ставился в каждом канале. Основная функция этого резистора - изменить в некоторых пределах центральную частоту, при этом не сильно влияя на другие параметры. Ставить его не обязательно, фильтр работает и без него. На практике, с ним у меня получилось даже хуже - когда я выключал музыку, канал высокой частоты (4.8 кГц) превращался в генератор. По этой причине я и не добавил лишние резисторы в конечную схему и ВЧ-канал у меня получился настроенным на 3 кГц. Предолагаемая причина этого явления - превышение параметра Gain Bandwidth Product (GBWP) у LM358. С текущими номиналами все три фильтра имеют очень большой коэффициент усиления на рабочих частотах - 280 раз. Если умножить 280 на 4.8 кГц, то результат будет немного больше, чем GBWP из даташита. Но это не значит, что LM358 нужно выкидывать - если нужны частоты выше, то попробуйте перерасчитать фильтры, чтобы коэффицент усиления у них был меньше, а скомпенсировать это можно увеличением усиления на входном буфере.

Дальше фильтры должны как-то управлять ключами. Если бы база транзистора была подключена к фильтру просто через один резистор, то каналы горели бы почти всегда, потому что выход фильтра поднят относительно минуса питания на уровень средней точки. Поэтому в этой схеме все сделано немного по-другому.

В высокочастотном канале перед базой транзистора стоят C11, D2, R12, C14, R15, R20, в других каналах схема аналогичная. Конденсатор C11 убирает постоянную составляющую. Диод D2 срезает нижнюю половину сигнала, а еще он вместе с конденсатором C14 образует пиковый детектор - это такая схема, которая запоминает максимальный уровень напряжения. Когда вход пикового детектора начинает падать, оно становится ниже, чем на кондесаторе С14. Диод D2 становится обратно смещеным и ток не пропускает, так что из C14 заряд может утекать только в одну сторону - в базу. Ну ладно, на самом деле он еще может разряжаться на R15 - этот резистор с большим сопротивлением специально добавлен, чтобы канал светомузыки не горел слишком долго после того, как музыка закончилась.

Тот факт, что диод D2 не пропускает ток, создает некоторые проблемы для разделительного кондесатора C11 - он заряжается в одну сторону, но не может разрядиться в другую, из-за чего переменный сигнал смещается вниз. Для частичного решения этой проблемы в схеме стоит резистор R12 - благодаря нему какой-никакой обратный ток все же может идти через кондесатор. Смещение уменьшится, но не исчезнет, потому что сопротивление 39 кОм все равно довольно сильно ограничивает этот обратный ток.

Смещение будет меньше, если уменьшить сопротивление на пути обратного тока или вообще поставить диод. Но возможно, это повлечет другие изменения в схеме или как-то изменит поведение светомузыки - я пока об этом не задумывался. На данный момент я просто сделал как в исходной схеме и оставил 39 кОм.

Осталось сказать только про R20 - понятно, что он должен ограничивать ток базы. Однако, в исходной схеме никакого резистора последовательно с базой не было, так что может он и не нужен. Я поставил его как предосторожность, ну и чтоб посадочное место на плате было для экспериментов.

Тут возникает вопрос: какой ток пойдет через базу транзистора? Резистора базы в исходной схеме не было, но есть еще кондесатор C11, который включен последовательно. Он имеет импеданс, зависящий от частоты, а частота для конкретного фильтра известна. Но есть еще нюанс в виде пикового детектора.

В общем, тут я решил, что лучше обратиться к помощи qucs и посмотреть на поведение схемы в динамике. В моем понимании картина сложилась следующая:

  • Когда на входе нарастающий сигнал, а конденсатор пикового детектора не заряжен, диод смещен в прямом направлении и через него идет ток - часть в кондер, часть в базу. В такие моменты база получает всплески примерно по 5-20 мА.
  • Когда входной сигнал спадает, диод закрыт и база транзистора поджирает из конденсатора. Ток при этом гораздо меньше, потому что переход база-эмиттер - тоже как бы диод, а напряжения на конденсаторе в такие моменты уже не хватает, чтобы полноценно этот диод открыть.
  • Постепенные "проседания" следующих порций тока на графике связаны с недоразрядом разделительного кондесатора через резистор 39 кОм (который R12), что явно не помогает транзистору открываться в полную силу.

На модели у меня получилось так, что при установившемся сигнале с фильтра (когда конденсатору уже не надо сильно перезаряжаться) средний ток через базу будет порядка 0.1 мА. Если предположим, что бета транзистора равна 100, то средний ток коллектора будет 0.01 А. Отрезки светодиодных лент, которые я собирался подключать, потребляют от 0.35 до 0.7 А. Неувязочка получается...

В таких условиях на место выходного ключа напрашивается составной транзистор Дарлингтона. Здесь он собран из Q2, Q5 и R21. На место самого мощного в паре (Q5) я поставил первый попавшийся NPN с максимальным IC=1A. В моем случае это BCX55/56. Недостаток составного транзистора в виде увеличенного напряжения база-эмиттер (VBE) слишком сильно здесь мешать не будет - благодаря большому напряжению питания и огромному коэффициенту усиления фильтров пиковому детектору все еще достаются кусочки сигнала, с которыми можно работать.

Последний фрагмент, который осталось рассмотреть - неиспользованный операционник U2B. LM358 включает в себя по 2 операционника на корпус, мне понадобилось 5. Лишние операционники принято включать как повторитель какого-либо напряжения, чтобы их входы не болтались в воздухе и чтобы сошедший с ума операционник не влиял на работу своего соседа по кристаллу. Обычно я сажаю неинвертирующий вход на землю (и в этот раз тоже), но вообще в схемах с однополярным питанием более правильно будет сажать его на середину питания или другое напряжение, которое вписывается в Common Mode Voltage Range.

Итоги

В результате собранная мной светомузыка работает вполне так красиво, мне нравится. Нужно только выставить громкость и усиление в разумных пределах, ну и учитывать особенности музыки, которую вы собираетесь слушать. Наиболее зрелищные результаты я получил на чиптюне и электронике. С металом получается менее динамично, но это ожидаемо - звук в этом жанре обычно очень плотный, спектр такой, что фильтры практически всегда найдут, на что среагировать. В итоге от метала каналы горят практически постоянно.

Еще забавный факт, что практически в любой песне, которую я включал, светомузыка успешно находила басы и верхние частоты, но средний канал срабатывал не везде и не всегда. Если будете собирать что-то похожее, попробуйте добавить больше каналов или рассчитать фильтры на другие частоты. Также можно попробовать вернуть потенциометры перед фильтрами, которые были в исходной схеме, но убраны в моей.

Все, экскурсию по схеме можно считать завершенной. Буду рад, если эта статья смогла помочь вам разобраться в каких-то частях этой схемы или если вам было интересно сравнить свои догадки с моими.

Операционный усилитель / компаратор для цепи детектора переменного тока

Я пытаюсь завершить схему текущего детектора. Это дополнение к статье Как построить схему датчика переменного тока для ESP-01 GPIO . Путем поиска в Google и исследований я получил следующую схему, которую пытаюсь смоделировать в LTSpice:

Для простоты я использовал V1, который представляет собой напряжение, представляющее ток, который будет протекать через трансформатор тока, то есть нагрузочный резистор. LM358 должен работать как компаратор, в то время как D1 / C2 / R4 используются как пиковый детектор, чтобы поддерживать достаточно высокое напряжение для включения МОП-транзистора при наличии тока. Но, как видно из переходного отклика выше, LM358 явно не подходит для этой задачи. Выходной сигнал LM358 обеспечивает значительное падение напряжения и заканчивается на уровне 1,7–1,8 В, что слишком мало для надежной проводки МОП-транзистора. Насколько я понимаю некоторые объяснения в сети, LM358 не является операционным усилителем rail to rail, к моему удивлению, он действительно ведет себя в соответствии с этой моделью и не подходит для этой цели. Похоже, LM324 ведет себя точно так же.

Я стараюсь использовать несколько компараторов в качестве альтернативы, например LM393. Проблема, которую я обнаружил с компараторами, заключается в том, что для некоторых из них требуется источник отрицательного напряжения V- вместе с V + - они не работали через заземление V-. Вторая проблема, которую я обнаружил, заключается в том, что для правильной работы некоторых из них требуется внешний подтягивающий резистор на выходе. Но это не может работать должным образом для этой схемы, по крайней мере, я не знаю, как это сделать. Как только я наконец нашел один компаратор, который подходит для этой цели - TLV3501, я заметил, что в моем местном электронном магазине его нет. Альтернатива LT1720, которая работала в симуляции, также мне не доступна. Некоторые из них дороги из-за такого простого дизайна.

Нужно ли мне менять схему или покупать операционный усилитель получше? Нужен ли мне повод для рельсового ОУ? Входное напряжение должно быть синусоидально 50 Гц, с амплитудой не ниже 100 мВ. Единственное ограничение для этого компонента, которое я вижу, это то, что оно должно быть от шины к шине, т.е. выходное напряжение должно быть близко к V +.

Операционный усилитель | Как работает операционный усилитель?

Операционный усилитель

Изображение на обложке: Бруно Гилли / ESO, Арка Млечного Пути, CC BY 4.0

Вопросы для обсуждения

Структуры, выводы и схемы

Схема операционного усилителя

На схеме операционного усилителя отмечены входы, выходы и подключения напряжения насыщения. Это система без обратной связи. На изображении ниже представлена ​​схема операционного усилителя.

Распиновка операционного усилителя

Обычно типичные микросхемы операционных усилителей имеют восемь контактов. Семь являются функциональными, а один вывод предназначен для вывода. Требуется четыре входа; 2 из них предназначены для инвертирующего терминала и неинвертирующего терминала, а остальные 2 - для положительного и отрицательного напряжения насыщения. Распиновка IC741 приведена выше.

Схема операционного усилителя

На изображении ниже схематично показан операционный усилитель.

Как мы видим на изображении, операционный усилитель состоит из транзисторов и резисторов. Входное сопротивление велико из-за пары Дарлингтона NPN-транзисторов. Есть два каскада дифференциального усиления, и выходной сигнал снимается с несимметричного эмиттерного повторителя. Транзисторы Т1 и Т2 идентичны, как и Т3 и Т4.

 

Типы и применение

Приложения для операционных усилителей | ОУ использует

Операционные усилители - один из важнейших элементов схемотехники в электронике. Они используются в разных местах. Некоторые из примеров -

Буфер единичного усиления, генератор фазового сдвига, повторитель тока на напряжение, повторитель напряжения на повторитель тока, суммирующий усилитель, интегратор, дифференциатор, полуволновой выпрямитель, пиковый детектор и т. Д. Есть еще много применений операционного усилителя. Почти каждое электронное устройство имеет операционный усилитель.

Операционный усилитель с фильтром высоких частот

Фильтр высоких частот может быть построен с использованием схемы RC-фильтра и обычного операционного усилителя. Сочетание пассивного RC-фильтра с функциями операционного усилителя как активный фильтр высоких частот. Для схемы требуется инвертирующий или неинвертирующий терминальный режим операционного усилителя. На изображении ниже представлена ​​схема операционного усилителя с фильтром высоких частот.

Полосовой фильтр операционного усилителя

Полосовой фильтр пропускает сигнал только указанного диапазона частот. Этот фильтр отфильтровывает другие составляющие частот. Для изготовления таких фильтров используются операционные усилители. Схема спроектирована путем каскадного соединения фильтра верхних частот с операционным усилителем, а затем - фильтром нижних частот.

Вычитающий операционный усилитель

Операционный усилитель с вычитанием усиливает разницу между двумя входными напряжениями и выдает их на выходе. Он выполняет операцию вычитания, в отличие от суммирующего усилителя, который складывает входные напряжения. Вот почему он известен как вычитающий операционный усилитель.

Сумматор операционного усилителя

Сумматор операционного усилителя или суммирующий усилитель - это усилитель, который усиливает сумму входных напряжений и выдает их на выходе. Он выполняет операции суммирования или сложения, в отличие от дифференциального усилителя, который выполняет операции вычитания. Принципиальная схема приведена выше.

Операционный усилитель Unity Gain

Операционный усилитель с единичным усилением, схема повторителя напряжения или буферная схема - это специально разработанная модель неинвертирующего усилителя. Соблюдайте приведенную выше схему неинвертирующего усилителя. Если бы мы сделали нулевое сопротивление обратной связи и бесконечное сопротивление инвертирующего вывода, коэффициент усиления усилителя был бы равен единице. Вот почему эта схема известна как операционный усилитель с единичным усилением или буфер с единичным усилением. Этот буфер используется для согласования импеданса.

Генератор операционного усилителя

Также можно создать генератор с помощью операционного усилителя. На приведенном ниже изображении представлена ​​принципиальная схема RC-генератора с фазовым сдвигом.

После некоторых общих расчетов мы обнаружили, что частота колебаний равна f = 1 / (2πRC - / 6), а коэффициент усиления по напряжению Av = -29 для устойчивых колебаний.

Аудио операционный усилитель

Операционные усилители широко используются при обработке звука и микшерах звука. Операционный усилитель может усиливать слабые голосовые сигналы. На рынке доступно несколько типов операционных усилителей звука. Некоторые из них - LT1115, UA741 и др.

Сдвигатель уровня операционного усилителя

В операционном усилителе с одним источником питания операционный усилитель может сдвигать уровень сигнала, привязанного к земле. Сдвигатель уровня может переводить логические сигналы с одного уровня на другой. Иногда необходимо преобразовать положительный сигнал в отрицательный в допустимый диапазон для аналого-цифрового преобразователя с одним источником питания.

Делитель напряжения операционного усилителя

Операционные усилители также используются в качестве делителя напряжения. Операционный усилитель используется для изготовления делителей напряжения, поскольку использование операционного усилителя может увеличить коэффициент усиления системы.

Операционный усилитель с однополярным питанием

Операционный усилитель с однополярным питанием - это такой особый операционный усилитель с одной клеммой питания. Клемма питания обычно + Vcc. Таким образом, выход находится между диапазоном + Vcc и землей (GND) для входного сигнала.

Операционный усилитель высокого напряжения

Усилитель высокого напряжения обычно используется для усиления входного сигнала до выходного сигнала высокого напряжения. Он может обеспечить прирост мощности при комбинациях напряжения и тока. Некоторые из приложений для операционных усилителей высокого напряжения: струйные принтеры, ультразвуковые преобразователи, счетчики Гейгера, биомедицинские тесты и т. Д.

Для детального анализа цепей… Нажмите здесь!

Различные виды IC

45588 операционный усилитель

Это еще одна интегральная схема, работающая на операционном усилителе. Это высокопроизводительная восьмиконтактная ИС, не нуждающаяся в каких-либо компонентах внешнего частотного компенсатора. Некоторые из других моделей - CF158MT, AN45588, LA6458 и др.

lm358 операционный усилитель

lm358 - это еще один тип ИС, состоящий из пары операционных усилителей. Это микросхема с низким энергопотреблением, первая разработанная компанией National Semiconductor.

ua741 операционный усилитель

Это еще один тип ИС, в состав которого входит операционный усилитель. Он имеет восемь контактов. Максимальное напряжение питания составляет + 18 В, а максимальное дифференциальное входное напряжение + 15 В. CMMR составляет 90 дБ. UA 741 используется в аудиоприложениях, музыкальных плеерах.

Lm324 операционный усилитель

Lm324 - это специально созданная ИС, которая может функционировать как усилитель, компаратор, выпрямитель и т. Д. Эта ИС имеет 14 контактов, что соответствует четырем операционным усилителям. Он имеет широкую полосу пропускания около 1 МГц и коэффициент усиления 100 дБ. Они применяются в различных областях робототехники, осцилляторов и т. Д.

Ne5532 операционный усилитель

Еще одна микросхема операционного усилителя - ne5532. Это высокопроизводительный усилитель с отличным напряжением постоянного и переменного тока. Он имеет низкий уровень шума, максимальную полосу качания выходного сигнала и высокую скорость нарастания напряжения. Различные вариации этого типа микросхем - NE5532A, SA55332 и др.

Важные параметры, правила, уравнения

Анализ схемы операционного усилителя

Анализ схемы операционного усилителя показывает функциональность каждой части операционного усилителя и то, как они соединены или взаимосвязаны для обеспечения выходного тракта. Анализ схемы операционного усилителя можно разделить на два типа:

  1. анализ разомкнутой цепи
  2. анализ замкнутой цепи.

Анализ схемы без обратной связи анализирует систему без системы обратной связи, а анализ схемы с обратной связью - это анализ схемы с системой обратной связи.

Концепция виртуального заземления, высокого входного импеданса и бесконечного усиления необходимы для анализа схемы операционного усилителя.

Золотые правила операционных усилителей

Один разработчик операционных усилителей всегда должен помнить о некоторых важных правилах. Они есть -

  1. Операционный усилитель обеспечивает бесконечное усиление.
  2. Входные сопротивления высокие.
  3. Вначале через операционный усилитель не течет ток.
  4. Напряжение смещения регулируется так, чтобы оно стало нулевым.

Формулы операционного усилителя

Для операционного усилителя нет жестких и быстрых формул. Есть несколько типов операционных усилителей, и у них есть свои конкретные уравнения и формулы. Like - формулы для вывода неинвертирующего ОУ: V0 = [1 + (Rf / R1)] * Vin и формулы для вывода инвертирующего ОУ: V0 = - (Rf / R1) * Vin

Входное сопротивление операционного усилителя

Входное сопротивление велико из-за пары Дарлингтона NPN-транзисторов. Для идеального операционного усилителя входное сопротивление бесконечно. Из-за высокого входного импеданса можно предположить, что на начальном этапе ток протекает через обратную связь. Обычно значения находятся в диапазоне от 1 мегаом до 10 тераом.

Выходное сопротивление операционного усилителя

Выходное сопротивление опорных устройств операционного усилителя относительно импеданса, обеспечиваемого операционным усилителем на выходном каскаде. Идеал имеет выходное сопротивление 0 Ом. Схема выходного драйвера вызывает выходное сопротивление операционного усилителя.

Коэффициент усиления операционного усилителя без обратной связи

Коэффициент усиления разомкнутого контура операционного усилителя - это коэффициент усиления устройства, когда с ним не связана обратная связь. Для идеального операционного усилителя коэффициент усиления без обратной связи бесконечен. Типичное усиление без обратной связи типичного операционного усилителя составляет около 100 дБ.

Напряжение смещения операционного усилителя

Напряжение смещения операционного усилителя определяется как дифференциальное напряжение постоянного тока между входными клеммами. Для идеального операционного усилителя напряжение смещения равно нулю. Но для практического операционного усилителя внешнее напряжение подается на операционный усилитель.

Скорость нарастания операционного усилителя

Скорость нарастания операционного усилителя - это скорость изменения выходного сигнала при скачкообразном изменении входного сигнала. Это параметр для измерения производительности. Единица измерения скорости нарастания - В / мс. Для идеального операционного усилителя скорость нарастания напряжения равна нулю. Это означает, что изменение ввода немедленно отразится на выходе. Для типичного практического операционного усилителя значение скорости нарастания составляет 10 В / мкс.

Полоса пропускания операционного усилителя

Полоса пропускания усилителя - это диапазон частот, выше которого коэффициент усиления усилителя превышает 3 дБ. Для усилителя 741 МГц усилитель с обратной связью составляет 1 МГц.

Источник тока операционного усилителя

Внешний источник тока с операционным усилителем обеспечивает ток, не зависящий от сопротивления нагрузки. А так как мы ранее заземлили схему, нет шансов обнажить два соединения.

Передаточные функции операционного усилителя

Получить передаточные функции операционного усилителя можно, если операционные усилители представлены на классической блок-схеме с обратной связью. Используя процесс наложения, можно получить передаточную функцию. Передаточную функцию для неинвертирующего терминала можно записать как R1 / (R1 + Rf).

Насыщенность операционного усилителя

Есть две входные клеммы, которые принимают положительное и отрицательное напряжение насыщения. Теперь, когда операционный усилитель находится в режиме насыщения, это означает, что на выходе операционного усилителя присутствует любое напряжение насыщения, поступающее от источника питания.

Как работает операционный усилитель?

Операционный усилитель обычно проходит три стадии работы. Первый - дифференциальный входной каскад с более высоким входным сопротивлением, каскад усиления на втором каскаде и двухтактный выходной каскад с меньшим выходным сопротивлением.

Что делает операционный усилитель?

Операционный усилитель или операционный усилитель - это электронное устройство, которое выполняет определенные математические операции и усиливает входной сигнал.

О судипте Рой

Я энтузиаст электроники и в настоящее время занимаюсь электроникой и коммуникациями.
Я очень заинтересован в изучении современных технологий, таких как искусственный интеллект и машинное обучение.
Мои статьи посвящены предоставлению точных и обновленных данных всем учащимся.
Мне доставляет огромное удовольствие помогать кому-то в получении знаний.

Подключимся через LinkedIn - https://www.linkedin.com/in/sr-sudipta/

Светодиодный индикатор уровня сигнала. Двухканальный пиковый индикатор уровня


Радиоконструктор пришел в пакетике:

Детали:


Плата односторонняя, без металлизации, сделано качественно, паять легко, обозначения деталей и номиналы обозначены:


По фото видно, что плата отличается от платы, отображенной на лоте продавца - есть разъем J3

Инструкция и схема:

Схема в большом разрешении



Спаял. Вот что получилось:


За пайку не ругайте - 27 лет ничего на печатках не паял. Первый опыт.
Лишних деталей в комплекте нет.

Когда паял выяснились три непонятки.
1. Не понятно, зачем тут разъем-перемычка J3? В комплекте конструктора нет ни разъема, ни перемычки. При включении как-то непонятно работают только половина светодиодов (красные и ниже). Запаял (закоротил) контакты J3
2. Резистор R9. На распечатке указан 560 Ом. В наборе - 2.2 кОм. Я из старых запасов поставил резистор МЛТ, как указанно в схеме - 560 Ом. Подумал, что китайцы перепутали что-то. При включении постоянно горели два нижних желтых светодиода - D1,D2. Перепаял резистор - взял из набора резистор в 2.2 кОм - стало работать как нужно.

Изменение в схеме - правильный резистор


3. Если загорается крайний красный светодиод и горит постоянно - то градусов до 60 начинает греться резистор R5. Странно.

Питание схемы - 9-12 Вольт. Подал 12 В на питание. Все работает нормально. Подстроечным резистором можно выставить максимально отображаемый уровень сигнала. Минимальный уровень, если подавать на устройство сигнал напряжением 1.9 Вольт:


Отсюда вывод -при штатном напряжении питания 9-12 Вольт индикатор лучше подключать к выходам УНЧ, а не после предварительного усилителя или на вход УНЧ после регулятора громкости.

Шкала свечения светодиодов - логарифмическая. Как индикатор разряда аккумулятора использовать не получится. Если подключить выход с наушников сотового телефона на максимальной громкости на вход, то горят максимум 6 желтых светодиодов.

Дальше решил поэкспериментировать с уменьшением напряжения питания. Вывод - чем меньше напряжение питания - тем чувствительнее устройство. Работало нормально от 5 в - красные светодиоды в этом случае горели и от сотового телефона. Если уменьшить напряжение до 3 вольт, светодиоды тускло горят, но не мигают. Видимо это предел. Так что я бы не запитывал от напряжения, меньше 5 вольт.

Вывод: простой, интересный радиоконструктор. Можно оборудовать им какой-нибудь самодельный УНЧ. Минусы - неудобное крепление платы - только одно крепежное отверстие. Плата (из-за панельки и микросхемы) получается достаточно высокая. Если поставить параллельно две платы, то расстояние между светодиодами обоих каналов будет достаточно большое.

Планирую купить +24 Добавить в избранное Обзор понравился +37 +62

Не секрет, что звучание системы во многом зависит от уровня сигнала на ее участках. Контролируя сигнал на переходных участках схемы, мы можем судить о работе различных функциональных блоков: коэффициенте усиления, вносимых искажениях и т.д. Так же бывают случаи, когда результирующий сигнал просто не возможно услышать. В тех случаях, когда не возможно контролировать сигнал на слух, применяются различного рода индикаторы уровня.
Для наблюдения могут использоваться как стрелочные приборы, так и специальные устройства, обеспечивающие работу «столбцовых» индикаторов. Итак, рассмотрим их работу более подробно.

1 Шкальные индикаторы
1.1 Простейший шкальный индикатор.

Этот вид индикаторов наиболее прост из всех существующих. Шкальный индикатор состоит из стрелочного прибора и делителя. Упрощенная схема индикатора приведена на рис.1 .

В качестве измерителей чаще всего используются микроамперметры с током полного отклонения 100 – 500мкА. Такие приборы рассчитаны на постоянный ток, поэтому для их работы звуковой сигнал необходимо выпрямить диодом. Резистор предназначен для преобразования напряжения в ток. Собственно говоря, прибор измеряет ток, проходящий через резистор. Рассчитывается элементарно, по закону Ома (был такой. Георгий Семеныч Ом) для участка цепи. При этом нужно учесть, что напряжение после диода будет в 2 раза меньше. Марка диода не важна, так что подойдет любой, работающий на частоте больше 20кГц. Итак, расчет: R = 0.5U/I
где: R – сопротивление резистора (Ом)
U - Максимальное измеряемое напряжение (В)
I – ток полного отклонения индикатора (А)

Гораздо удобнее оценивать уровень сигнала, задав ему некоторую инерционность. Т.е. индикатор показывает среднее значение уровня. Этого легко добиться, подключив параллельно прибору электролитический конденсатор, однако следует учесть, что при этом напряжение на приборе увеличится в (корень из 2) раз. Такой индикатор может быть использован для измерения выходной мощности усилителя. Что же делать, если уровня измеряемого сигнала не хватает, что бы «расшевелить» прибор? В этом случае на помощь приходят такие парни, как транзистор и операционный усилитель (далее ОУ).

Если можно измерить ток через резистор, то можно измерить и коллекторный ток транзистора. Для этого нам понадобится сам транзистор и коллекторная нагрузка (тот же самый резистор). Схема шкального индикатора на транзисторе приведена на рис.2


Рис.2

Здесь тоже все просто. Транзистор усиливает сигнал по току, а в остальном все работает так же. Коллекторный ток транзистора должен превышать ток полного отклонения прибора как минимум в 2 раза (так оно спокойнее и для транзистора, и для Вас), т.е. если ток полного отклонения 100 мкА, то коллекторный ток должен быть не менее 200мкА. Собственно говоря, это актуально для миллиамперметров, т.к. через самый слабый транзистор «со свистом» пролетает 50 мА. Теперь смотрим справочник и находим в нем коэффициент передачи по току h 21э. Вычисляем входной ток: I b = I k /h 21Э где:
I b – входной ток

R1 вычисляется по закону Ома для участка цепи: R=U e /I k где:
R – сопротивление R1
U e – напряжение питания
I k – ток полного отклонения = ток коллектора

R2 предназначен для подавления напряжения на базе. Подбирая его нужно добиться максимальной чувствительности при минимальном отклонении стрелки в отсутствии сигнала. R3 регулирует чувствительность и его сопротивление, практически, не критично.

Бывают случаи, когда сигнал требуется усилить не только по току, но и по напряжению. В этом случае схема индикатора дополняется каскадом с ОЭ. Такой индикатор применен, например, в магнитофоне "Комета 212". Его схема приведена на рис.3


Рис.3

Такие индикаторы обладают высокой чувствительностью и входным сопротивлением, следовательно, вносят минимум изменений в измеряемый сигнал. Один из способов использования ОУ – преобразователь «напряжение – ток» приведен на рис.4.


Рис.4

Такой индикатор обладает меньшим входным сопротивлением, зато весьма прост в расчетах и изготовлении. Вычислим сопротивление R1: R=U s /I max где:
R – сопротивление входного резистора
U s – Максимальный уровень сигнала
I max – ток полного отклонения

Диоды выбираются по тому же критерию, как и в других схемах.


Если уровень сигнала низок и (или) требуется высокое входное сопротивление, можно воспользоваться повторителем. Его схема приведена на рис.5.


Рис.5

Для уверенной работы диодов, выходное напряжение рекомендуется поднять до 2-3 В. Итак в расчетах отталкиваемся от выходного напряжения ОУ. Первым делом выясним нужный нам коэффициент усиления: К= U вых /U вх. Теперь вычислим резисторы R1 и R2: K=1+(R2/R1)
В выборе номиналов ограничений, казалось бы, нет, но R1 не рекомендуется ставить меньше 1кОм. Теперь вычислим R3: R=U o /I где:
R – сопротивление R3
U o – выходное напряжение ОУ
I – ток полного отклонения

2 Пиковые (светодиодные) индикаторы

2.1 Аналоговый индикатор

Пожалуй, наиболее популярный вид индикаторов в настоящее время. Начнем с простейших. На рис.6 приведена схема индикатора «сигнал/пик» на основе компаратора. Рассмотрим принцип действия. Порог срабатывания задан опорным напряжением, которое устанавливается на инвертирующем входе ОУ делителем R1R2. Когда сигнал на прямом входе превышает опорное напряжение, на выходе ОУ появляется +U п, открывается VT1 и загорается VD2. Когда сигнал ниже опорного напряжения, на выходе ОУ действует –U п. В этом случае открыт VT2 и светится VD2. Теперь рассчитаем это чудо. Начнем с компаратора. Для начала выберем напряжение срабатывания (опорное напряжение) и резистор R2 в пределах 3 – 68 кОм. Вычислим ток в источнике опорного напряжения I att =U оп /R б где:
I att – ток через R2 (током инвертирующего входа можно пренебречь)
U оп – опорное напряжение
R б – сопротивление R2


Рис.6

Теперь вычислим R1. R1=(U e -U оп)/ I att где:
U e – напряжение источника питания
U оп – опорное напряжение (напряжение срабатывания)
I att – ток через R2

Ограничительный резистор R6 подбирается по формуле R1=U e / I LED где:
R – сопротивление R6
U e – напряжение питания
I LED – прямой ток светодиода (рекомендуется выбрать в пределах 5 – 15 мА)
Компенсирующие резисторы R4, R5 выбираются по справочнику и соответствуют минимальному сопротивлению нагрузки для выбранного ОУ.

Начнем с индикатора предельного уровня с одним светодиодом (рис.7 ). В основе этого индикатора лежит триггер Шмитта. Как известно триггер Шмитта обладает некоторым гистерезисом т.е. порог срабатывания отличается от порога отпускания. Разность этих порогов (ширина петли гистерезиса) определяется отношением R2 к R1 т.к. триггер Шмитта представляет собой усилитель с положительной обратной связью. Ограничительный резистор R4 вычисляется по тому же принципу, что и в предыдущей схеме. Ограничительный резистор в цепи базы рассчитывается исходя из нагрузочной способности ЛЭ. Для КМОП (рекомендуется именно КМОП-логика) выходной ток составляет примерно 1,5 мА. Для начала вычислим входной ток транзисторного каскада: I b =I LED /h 21Э где:


Рис.7

I b – входной ток транзисторного каскада
I LED – прямой ток светодиода (рекомендуется выставить 5 – 15 мА)
h 21Э – коэффициент передачи тока

Если входной ток не превышает нагрузочную способность ЛЭ можно обойтись без R3, в противном случае его можно рассчитать по формуле: R=(E/I b)-Z где:
R – R3
E – напряжение питания
I b – входной ток
Z – входное сопротивление каскада

Для измерения сигнала «столбиком» можно собрать многоуровневый индикатор (рис.8 ). Такой индикатор прост, но его чувствительность мала и годится только для измерения сигналов от 3-х вольт и выше. Пороги срабатывания ЛЭ устанавливаются подстроечными резисторами. В индикаторе использованы элементы ТТЛ, в случае применения КМОП, на выходе каждого ЛЭ следует установить усилительный каскад.


Рис.8

Наиболее простой вариант изготовления оных. Некоторые схемы приведены на рис.9


Рис.9

Так же можно использовать и другие усилители индикации. Схемы включения к ним можно спросить в магазине или у Яндекса.

3. Пиковые (люминесцентные) индикаторы

В свое время применялись в отечественной технике, сейчас широко применяются в музыкальных центрах. Такие индикаторы весьма сложны в изготовлении (включают в себя специализированные микросхемы и микроконтроллеры) и в подключении (требуют нескольких источников питания). Я не рекомендую использовать их в любительской технике.

Список радиоэлементов
Обозначение Тип Номинал Количество Примечание Магазин Мой блокнот
1.1 Простейший шкальный индикатор
VD1 Диод 1 В блокнот
R1 Резистор 1 В блокнот
PA1 Mикроамперметр 1 В блокнот
Рис.2
VT1 Транзистор 1 В блокнот
VD1 Диод 1 В блокнот
R1 Резистор 1 В блокнот
R2 Резистор 1 В блокнот
R3 Переменный резистор 10 кОм 1 В блокнот
РА1 Mикроамперметр 1 В блокнот
Рис.3
VT1, VT2 Биполярный транзистор

КТ315А

2 В блокнот
VD1 Диод

Д9Е

1 В блокнот
С1 10 мкФ 1 В блокнот
С2 Электролитический конденсатор 1 мкФ 1 В блокнот
R1 Резистор

750 Ом

1 В блокнот
R2 Резистор

6.8 кОм

1 В блокнот
R3, R5 Резистор

100 кОм

2 В блокнот
R4 Подстроечный резистор 47 кОм 1 В блокнот
R6 Резистор

22 кОм

1 В блокнот
РА1 Mикроамперметр 1 В блокнот
Рис.4
ОУ 1 В блокнот
Диодный мост 1 В блокнот
R1 Резистор 1 В блокнот
РА1 Mикроамперметр 1 В блокнот
Рис.5
ОУ 1 В блокнот
Диодный мост 1 В блокнот
R1 Резистор 1 В блокнот
R2 Резистор 1 В блокнот
R3 Резистор 1 В блокнот
PA1 Mикроамперметр 1 В блокнот
2.1 Аналоговый индикатор
Рис.6
ОУ 1 В блокнот
VT1 Транзистор N-P-N 1 В блокнот
VT2 Транзистор P-N-P 1 В блокнот
VD1 Диод 1 В блокнот
R1, R2 Резистор 2 В блокнот
R3 Подстроечный резистор 1 В блокнот
R4, R5 Резистор 2 В блокнот
R6 Резистор 1 В блокнот
HL1, VD2 Светодиод 2 В блокнот
Рис.7
DD1 Логическая ИС 1 В блокнот
VT1 Транзистор N-P-N 1 В блокнот
R1 Резистор 1 В блокнот
R2 Резистор 1 В блокнот
R3 Резистор 1 В блокнот
R4 Резистор 1 В блокнот
HL1 Светодиод 1 В блокнот
Рис.8
DD1 Логическая ИС 1 В блокнот
R1-R4 Резистор 4 В блокнот
R5-R8 Подстроечный резистор 4 В блокнот
HL1-HL4 Светодиод 4 В блокнот
Рис.9
Микросхема A277D 1 В блокнот
Электролитический конденсатор 100 мкФ 1 В блокнот
Переменный резистор 10 кОм 1 В блокнот
Резистор

1 кОм

1 В блокнот
Резистор

56 кОм

1 В блокнот
Резистор

13 кОм

1 В блокнот
Резистор

12 кОм

1 В блокнот
Светодиод 12

Приблизительно год назад загорелся идеей собрать преобразователь напряжения 12-220 вольт. Для реализации понадобился трансформатор. Поиски привели в гараж, где был найден усилитель Солнцева, собранный мною лет 20 назад. Просто извлечь трансформатор и таким образом уничтожить усилитель не поднялась рука. Родилась идея его реанимировать. В процессе оживления усилителя многое подверглось изменениям. В том числе индикатор выходной мощности. Схема прежнего индикатора была громоздкой, собрана на К155ЛА3 и т.д. Найти ее не помог даже интернет. Зато была найдена другая очень простая, но от того не менее эффективная схема индикатора выходной мощности.

Схема LED индикатора

Данная схема достаточно хорошо описана на просторах интернета. Здесь лишь вкратце расскажу (перескажу) о ее работе. Индикатор выходной мощности собран на микросхеме LM3915. Десять светодиодов подключены к мощным выходам компараторов микросхемы. Выходной ток компараторов стабилизирован, поэтому отпадает необходимость в гасящих резисторах. Напряжение питания микросхемы может находиться в пределах 6...20 В. Индикатор реагирует на мгновенные значения звукового напряжения. У микросхемы делитель рассчитан так, что включение каждого последующего светодиода происходит при увеличении напряжения входного сигнала в v2 раз (на 3 дБ), что удобно для контроля мощности УМЗЧ.

Сигнал снимается непосредственно с нагрузки - акустической системы УМЗЧ - через делитель R*/10k. Указанный на схеме ряд мощностей 0,2-0,4-0,8-1,6-3-6-12-25-50-100 Вт соответствует действительности, если сопротивление резистора R*=5,6 кОм для Rн=2 Ом, R*= 10 кОм для Rн=4 Ом, R*= 18 кОм для Rн=8 Ом и R*=30 кОм для Rн=16 Ом. LM3915 дает возможность легко менять режимы индикации. Достаточно лишь подать на вывод 9 ИМС LM3915 напряжение, и она перейдет с одного режима индикации в другой. Для этого служат контакты 1 и 2. Если их соединить, то ИМС перейдет в режим индикации "Светящийся столбик", если оставить свободными - "Бегущая точка". Если индикатор будет эксплуатироваться с УМЗЧ с иной максимальной выходной мощностью, то нужно подобрать лишь сопротивление резистора R*, чтобы светодиод, подключенный к выводу 10 ИМС, светился при максимальной мощности УМЗЧ.

Как видите, схема проста и не требует сложной настройки. Благодаря широкому диапазону питающих напряжений для ее работы использовал одно плечо импульсного двухполярного блок питания УМЗЧ +15 вольт. На входе сигнала вместо подбора отдельных резисторов R* установил переменное сопротивление номиналом 20 кОм, что сделало индикатор универсальным для акустики разного сопротивления.

Для смены режимов индикации предусмотрел установку перемычки или кнопки с фиксацией. В финале замкнул перемычкой.

Самодельный блок пиковой индикации стереофонического сигнала своими руками, схема простого пикового индикатора. Пиковые индикаторы аудиосигналов показывают факт превышения уровнемсигнала ЗЧ некоторого предварительно заданного значения.

Здесь приводится описание пикового светодиодного индикатора на основе микросхемы CD4093. Отечественным аналогом которой является К561ТЛ1. Микросхема содержит четыре логических элемента «2И-Не» с эффектом триггеров Шмитта. В данной схеме входы каждого из элементов соединены между собой, поэтому элементы работают как инверторы - триггеры Шмитта.

Принципиальная схема

Выходные сигналы стереоканалов от выхода УНЧ поступают через конденсаторы С1 и С2 на входы элементов D1.1 и D1.2, соответственно. На входы этих элементов через резисторы R2 и R3 поступает постоянное напряжение смещения от подстроечного резистора R1.

На входах логических элементов постоянное напряжение смещение складывается с переменной составляющей аудиосигнала. Задача резистора R1 в том, чтобы выставить оптимальное напряжение смещения, при котором будет необходимая чувствительность индикатора, то есть, этим резистором задается тот самый пиковый порог.

Рис. 1. Принципиальная схема самодельного пикового индикатора.

Состояние на выходах элементов D1.1 и D1.2 будет меняться только тогда, когда будет превышен этот порог, выставленэтой схемы преобразуется в импульсы логического уровня, которые через диоды VD1 и VD2 заряжают конденсаторы С3 и С4. Эти схемы из диодов VD1,VD2, конденсаторов С3,С4 и резисторов R4,R6 работают как детекторы.

И напряжение на конденсаторах С3 и С4 увеличивается. Особенно это важно, так как пиковый момент входного сигнала может быть не длительным. А напряжение в виде заряда удерживается этими конденсаторами, потому что они быстро заряжаются через диоды и медленно разряжаются через резисторы.

Как только напряжение на С3 или С4 достигает порога переключения триггера Шмитта (D1.3 или D1.4, соответственно), на выходе D1.3 или D1.4 появляется логический ноль, который приводит к зажиганию светодиода HL1 или HL2. Соответствующий светодиод, или если стереосигнал хорошо сбалансирован, оба светодиода вспыхивают и горят не меньше времени, требующегося на разрядку С3 или С4 через R4 или R6.

Детали и налаживание

Светодиоды - любые индикаторные, например, АЛ307. Налаживание - подстройкой резистора R1 по порогу срабатывания.

Индикаторы звуковых сигналов. Часть вторая.

Часть 2. Дискретные измерители.

Вот и пришло время выполнять обещанное. В этой части статьи будут рассмотрены приборы фиксирующие только два состояние уровня сигнала: он есть , или его нет .

1. Пиковые индикаторы.

Свою родословную этот тип индикаторов ведёт от времён повсеместного распространения магнитной записи. Там основное назначение устройства было в регистрации превышении максимального уровня записи - "0" dB. Чуть позднее, такой тип индикаторов стали применять в усилителях мощности, и некоторых акустических системах. В усилителях, пиковый индикатор сигнализировал о превышении лимитированного уровня сигнала (клип-детектор, или, проще говоря, регистратор ограничения сигнала), а в АС он сигнализировал о превышении подводимой мощности. Так что такому детектору найдётся место и в наши дни.
Логика работы пикового детектора проста до неприличия: пока сигнал на входе не превышает некоторого значения, светодиод на выходе устройства не горит. Как только величина переменного напряжения превысит установленный уровень - светодиод вспыхивает. Остаётся только выставить этот уровень, и пиковый детектор готов к работе.
На данный момент существует огромное количество схемных реализаций таких устройств. Для начала рассмотрим самый простейший, показанный на рис1.

Как видно из схемы, всё построено на одном транзисторе. Выпрямленное диодом VD1 и "сглаженное" на конденсаторе С1 переменное напряжение подаётся на базу транзистора VT1. Если это напряжение ниже напряжения на эмиттере, то транзистор закрыт и светодиод не светится. При превышении входного напряжения на базе более 4 вольт, транзистор открывается и светодиод зажигается. Отсюда следует, что напряжение открытия транзистора можно выбирать, подбирая стабилитрон VD2. Кстати, стабилизирующую цепь R3,VD2 можно заменить на обычный резистивный делитель, однако в этом случае снизится стабильность показания устройства, поскольку опорное напряжение будет немного "плавать". В любом случае, общее сопротивление этого делителя рекомендую брать в пределах 0,3 - 2 кОм. Сопротивлением R2 производят окончательную калибровку индикатора.
На рисунке 2 представлен ещё один из простейших индикаторов. Он по своим параметрам аналогичен первому, но собран на двух логических инверторах КМОП - логики. Порог срабатывания устройства, определяется внутренним устройством микросхемы и составляет для К561ЛН1 около 2 вольт. В исходном состоянии, при уровне входного сигнала менее порогового на входе первого инвертора присутствует логический ноль. Следовательно на выходе инверторов так же будет ноль, а R6 будет замкнут на "землю". Светодиод VD5 гореть не будет. При превышении входного сигнала пороговый уровень, инверторы переключаться, на выходе появиться высокий уровень и светодиод загорится.
Преимущества приведённых схем - их простота и при невысоких требованиях к точности измерения они вполне работоспособны. Основной недостаток - "не чёткое" срабатывание светодиода, выражающееся в изменении яркости, при приближении уровня входного напряжения к порогу срабатывания. Для частичного устранения этого недостатка в схеме, представленной на рисунке 2, последовательно применены два инвертора.

Дальнейшим улучшением схемы с транзисторами, стала схема, представленная на рисунке 3. Видим, что введён ещё один транзистор VT2 и резистор R7. Собственно, он-то и должен устранить нечёткость срабатывания предыдущего устройства. В момент переключения, когда транзистор VT2 начинает открываться, его коллекторный ток течёт в два направления: на светодиод, и на базу транзистора VT1 через резистор R7. Это ускоряет перевод транзистора VT1 в насыщение и соответственно уменьшает время переключения.
Более совершенное устройство представлено на рисунке 4. Пиковый детектор построен на основе компаратора- устройства сравнения сигнала и отличается небольшим количеством навесных элементов. Работает индикатор следующим образом: на входы компаратора, инвертирующий и не инвертирующий, подаются два напряжения. На инвертирующий - опорное, задаваемое делителями R11, R12, а на не инвертирующий-полученое с детектора. Пока напряжение на не инвертируемом входе не превышает величины опорного напряжения (напряжение на инвертирующем входе), компаратор находиться в выключенном состоянии. То есть на выходе ОУ присутствует низкий уровень, индикатор LED2 не светится. Как только напряжения на входе сравняются (напряжение на не инвертируемом входе сравняется с опорным), компаратор скачкообразно "переключиться". На выходе появиться высокий уровень и через светодиод потечёт ток. Хороша ли эта схема? Да, очень даже не плоха, но имеет свои особенности.
1. Двуполярное питание. Может создать некоторые затруднения при реализации в устройствах с "однополярным" питанием. Но.
2. Двуполярное питание позволяет эффективно сравнивать сигналы вблизи "нулевого" уровня. То есть мы получаем устройство с очень большим диапазоном измерения.
Опять же, в следствии применения двуполярного питания, выходное напряжение ОУ скачкообразно изменяется от +Uпитания до -Uпитания. Это не всегда удобно. Именно по этому на рисунке последовательно со светодиодом установлен диод VD2. Его назначение - защищать светодиод от изменения полярности включения, в то время, когда с выхода ОУ на светодиод поступает отрицательное напряжение.

Принципиально не важно, на какой вход подавать опорное и контролирующее напряжение. Зеркально измениться только логика работы светодиода.

Околовсякое: Как отмечалось выше, в силу большого диапазона измерения, по этой схеме можно сделать "индикатор тишины" ("индикатор паузы"). Светодиод будет гореть, когда сигнал есть, и гаснуть, когда сигнал пропадет. Какая от этого польза? Ну, например, компаратор, в качестве датчика, можно подключить к устройству с выдержкой времени, а оно, в свою очередь, отключит усилитель от сети.

Повысить качественные характеристики и надёжность можно, если применить в качестве компаратора не операционный усилитель, а специализированный прибор. Самый распространённой и доступной, из советских микросхем подобного рода, была К554 СА3А. Это прибор, изначально расчитан на применение в качестве компаратора. По внутренней схемотехники схож по устройству с операционным усилителем, однако отличается от него, в основном, наличием дополнительного каскада на выходе для сопряжения уровней выхода компаратора с уровнями логического "0" и "1" цифровых устройств (ТТЛ и КМОП-логики). Физически, выходной каскад представляет собою транзистор, позволяющий включить его по схеме с общим эмиттером (с коллекторной нагрузкой), так и по схеме эмиттерного повторителя. Желающие поподробней ознакомиться с этим прибором пусть почитают литературу, от себя же ещё добавлю об одной особенности: этот прибор может питаться как от двуполярного питания, с сохранением всех выигрышей такого включения, так и от однополярного питания. Что, несомненно, добавляет плюсов этому прибору. К сожалению, при однополярном питании нижний предел сравнивающих сигналов начинается не от "нуля", а от 0,5V. Это немного снижает диапазон измерений, однако в большинстве случаев, в этом и нет необходимости.

В заключении рассмотрим пиковый детектор построенный на специализированной микросхеме К157ХП1.
Основные технические данные микросхемы:

Напряжение питания

Потребляемый ток

Выходной ток на индикаторы

Выходное опорное напряжение

Порог срабатывания системы АРУЗ

Выходной ток системы АРУЗ

Рассеиваемая мощность

Напряжение срабатывания дискриминатора

Микросхема разрабатывалась в линейке предназначенной для аппаратуры магнитной записи, однако с успехом может применятся и как отдельное устройство. Внутри корпуса содержится три функционально не зависимых узла: два пиковых дискриминатора с усилителями токов светодиода и узел вырабатывающий напряжение для управления элементами АРУЗ. Последний, разумеется нам не нужен.
На рисунке 5 представлена принципиальная схема пикового детектора, построенного на основе К157ХП1.

Как видно, схема очень проста и содержит минимальное количество деталей. Единственное о чём можно сказать, это об электролитических конденсаторах. Их ёмкость определяет постоянную времени индикации.
Следующим шагом в развитии пиковых индикаторов стало увеличение числа контролируемых уровней. В дополнение к основному индикатору стали устанавливать ещё один (реже два). Их назначение - сигнализировать о приближении величины к пороговому значению. Обычно диапазон устанавливался в пределах -3 - -6 dB. Установленные в акустических системах, такие индикаторы индицировали о подводимой мощности. Конструктивно, такие приборы представляли собой несколько схем, подключенных к одной измеряемой точке. Каждая ячейка такого индикатора калибруется на соответствующее значение напряжения или мощности.

Последующим развитием рассмотренных выше схем, явились дискретные индикаторы уровня. Они уже позволили контролировать весь звуковой диапазон. На данный момент, это наиболее совершенные устройства, и мы рассмотрим их в следующей статье.

Вопросы, как обычно, складываем .

Как вам эта статья?

Открытое образование - Аналоговая схемотехника

Курс посвящен изучению основ аналоговой схемотехники и содержит следующие основные разделы: введение, пассивные линейные цепи в синусоидальном режиме, усилители на биполярных транзисторах, применение биполярных транзисторов в стабилизаторах напряжения и в источниках стабильного тока, характеристики и применение полевых транзисторов, операционные усилители и их применение, усилители мощности на транзисторах, заключение.

Курс включает:

  • тематические видеолекции;
  • многовариантные тестовые задания на оценку;
  • итоговое контрольное тестирование.

Курс рассчитан на 15 недель изучения. Недельная учебная нагрузка обучающихся по курсу составляет 5 часов. Общая трудоемкость курса – 4 зачетных единицы.

Курс рассчитан на бакалавров 3-го года обучения, освоивших базовые курсы физики, математики, информационных технологий, компонентов электронной техники. 

Может быть использован для последующей подготовки магистров и специалистов в области цифровой схемотехники и микропроцессорной техники.

ТЕМА 1. ПАССИВНЫЕ И АКТИВНЫЕ ДВУХПОЛЮСНИКИ И ЧЕТЫРЕХПОЛЮСНИКИ

Сигналы
Пассивные и активные линейные двухполюсники
Пассивные нелинейные двухполюсники
Однозвенный и двухзвенный RC – фильтр нижних частот
Однозвенный и двухзвенный RC – фильтр верхних частот
Полосовой фильтр, фильтр Вина

ТЕМА 2. ТРАНЗИСТОРЫ

Типы транзисторов. Условное графическое обозначение транзисторов
Параметры биполярного транзистора
Семейство статических характеристик биполярного транзистора
Режимы работы биполярного транзистора
Усилители на биполярных транзисторах с общим эмиттером
Усилители на биполярных транзисторах с общим коллектором
Составной транзистор (схема Дарлингтона)
Усилители на биполярных транзисторах с общей базой
Источники питания
Стабилизатор напряжения с биполярным транзистором
Защита стабилизатора напряжения с биполярным транзистором от короткого замыкания в нагрузке
Источники стабильного тока на биполярных транзисторах
Частотные свойства транзисторных усилителей на биполярных транзисторах
Соединение транзисторных усилителей на биполярных транзисторах
Транзисторные ключи
Полевой транзистор с управляющим pn-переходом (JFET)
Полевые транзисторы с изолированным затвором (MOSFET)

ТЕМА 3. ОПЕРАЦИОННЫЕ УСИЛИТЕЛИ

Синфазная помеха и обратная связь
Идеальный операционный усилитель (ОУ)
Неинвертирующий усилитель на ОУ, повторитель
Инвертирующий усилитель на ОУ
Повышение входного сопротивления инвертирующего усилителя на ОУ
Сумматор на ОУ
Дифференциальный усилитель на ОУ
Инструментальный усилитель
Особенности питания ОУ. Работа ОУ с однополярным питанием
Стабилизаторы напряжения и тока с использованием ОУ
Преобразователи тока в напряжение на ОУ. Усилитель тока фотодиода на ОУ
Активные фильтры на ОУ
Активные одно и двухполупериодный выпрямители на ОУ
Пиковый детектор на ОУ
Логарифмический усилитель на ОУ
Интегратор на ОУ
ГЛИН на транзисторе и ГЛИН с источником стабильного тока на транзисторе
ГЛИН на интеграторе
Компаратор напряжения и его применение
Компаратор с гистерезисом (триггер Шмитта) и его применение
Генератор прямоугольных импульсов на компараторе
Генератор треугольных импульсов

ТЕМА 4. УСИЛИТЕЛИ МОЩНОСТИ

Параметры усилителей мощности
Типы усилителей мощности
Усилитель мощности A класса
Усилитель мощности B класса
Усилитель мощности АВ класса
Усилитель мощности С класса
Широтно-импульсная модуляция. Усилитель мощности D класса

 

В результате освоения курса, обучающийся способен:

  • Знать и понимать элементную базу аналоговой электроники; методы расчета усилителей, стабилизаторов постоянного напряжения и тока
  • Уметь анализировать воздействие сигналов на линейные и нелинейные цепи; рассчитывать усилители и стабилизаторы; синтезировать аналоговые устройства на основе данных об их функциональном назначении, электрических параметрах и условиях эксплуатации
  • Владеть современными методами расчета, моделирования и проектирования электронных устройств на основе аналоговой элементной базы; навыками оформления принципиальных электрических схем в соответствии с действующими стандартами.

ОПК-1. Способен использовать положения, законы и методы естественных наук и математики для решения задач инженерной деятельности

ОПК-2. Способен самостоятельно проводить экспериментальные исследования и использовать основные приемы обработки и представления полученных данных

Схема базового пикового детектора

и схема пикового детектора на основе LM741

Цепь пикового детектора используется для определения пиковой амплитуды в быстро меняющейся форме сигнала. Пиковые детекторы обычно используются в приложениях для измерения звука, чтобы найти максимальный уровень звука в определенной области или месте, что помогает определить максимальный уровень громкости в этом месте. Таким образом, существует ряд приложений, в которых используется схема пикового детектора. Для базовой схемы пикового детектора нам даже не нужны сложные электронные компоненты.Схема простого пикового детектора может быть построена с использованием диода и конденсатора.

Схема базового пикового детектора

Базовая схема детектора пиковых значений - это последовательное соединение диода и конденсатора. В нашей схеме мы подаем синусоидальный сигнал от понижающего трансформатора 220 В на понижающий трансформатор на 6 В. Диод помещен в состояние прямого смещения, и для вывода пробник осциллографа подключен между диодом и конденсатором.Ниже представлена ​​схема базовой схемы детектора пиков .

В положительном полупериоде сигнала диод будет смещен в прямом направлении и позволяет току проходить через него. В то же время конденсатор начинает заряжаться до пикового значения входного сигнала, пока диод не останется смещенным в прямом направлении.

Теперь, в отрицательном полупериоде сигнала , диод смещается в обратном направлении, и в это время конденсатор сохраняет пиковое значение предыдущего полупериода.Следовательно, это называется пиковым детектором, и форма выходного сигнала будет выглядеть, как на изображении, приведенном ниже,

Практически выход берется через некоторую нагрузку, подключенную к цепи. Таким образом, при уменьшении входного сигнала конденсатор начинает разряжаться через нагрузку R L . Для удержания заряда и замедления разрядки конденсатора выберите нагрузку R L очень высокого значения.

Выход схемы будет определен как

  V  OUT  = V  IN  - V  D   

Где V IN - это напряжение входного сигнала, а V D - это падение напряжения на диоде.Здесь, в форме выходного сигнала, вы можете видеть, что пик смещен вниз из-за падения напряжения на диоде в цепи. Таким образом, это падение напряжения на диоде снижает эффективность схемы, и для улучшения конструкции в дальнейшем мы будем использовать операционный усилитель.

Для обнаружения отрицательного пика входного сигнала подключите диод в обратном положении.

Схема пикового детектора на базе ОУ Схема пикового детектора

на базе ОУ представляет собой модификацию основной схемы пикового детектора, используемой для устранения падения напряжения на диоде.Когда подаваемый сигнал входного напряжения превышает пороговое напряжение диода, диод смещается в прямом направлении и действует как замкнутый переключатель. Здесь диод подключен к обратной связи, и, следовательно, схема работает как буферная схема. Таким образом, любой входной сигнал, подаваемый на положительный вывод операционного усилителя, будет поступать на выходной вывод.

Необходимые материалы
  • Осциллограф
  • LM741- ИС операционного усилителя
  • Диод - 1N4007
  • Резистор (10к) - 3шт.
  • Конденсатор (4,7 мкФ) - 1 шт.
  • Макет
  • Прыгающие провода

Принципиальная схема

Работа схемы пикового детектора на базе ОУ

В первом положительном полупериоде выход операционного усилителя ВЫСОКИЙ, поэтому диод смещен в прямом направлении. В то же время конденсатор заряжается до максимального пикового значения входного сигнала. Здесь схема работает как буферная схема повторителя напряжения .

В первом отрицательном полупериоде на выходе операционного усилителя низкий уровень, поэтому диод будет смещен в обратном направлении. Следовательно, пока диод снова не смещается в прямом направлении, конденсатор сохраняет пиковое значение входного сигнала. В этом состоянии обратного смещения диода операционный усилитель находится в состоянии разомкнутого контура и переходит в насыщение, поэтому конденсатор начинает разряжаться в R L . Вот почему вы увидите убывающую крутизну отрицательного цикла сигнала.

Форма выходного сигнала схемы пикового детектора на базе ОУ приведена ниже:

Применение нового прецизионного ОУ

% PDF-1.4 % 1 0 obj> поток application / pdf Применение нового прецизионного операционного усилителя

  • Примечания по применению
  • Texas Instruments, Incorporated [SNOA818,0]
  • iText 2.1.7 от 1T3XTSNOA8182011-12-08T00: 33: 28.000Z2011-12-08T00: 33: 28.000Z конечный поток эндобдж 2 0 obj> / ProcSet [/ PDF / Text / ImageB / ImageC / ImageI] / Font >>> / MediaBox [0 0 540 720] / Contents [7 0 R 8 0 R 9 0 R 10 0 R] / Type / Страница / Родитель 11 0 R >> эндобдж 3 0 obj> поток

    Основные сведения об операционных усилителях в электронике Обзор

    Введение

    Операционный усилитель , или сокращенно ОУ, по сути, представляет собой устройство усиления напряжения, предназначенное для использования с внешними компонентами обратной связи, такими как резисторы и конденсаторы, между его выходными и входными клеммами.

    Узнайте больше о наиболее распространенных основах работы с операционными усилителями, необходимых знаниях при выборе и использовании операционного усилителя в электронике. Мы можем завершить наш раздел и взглянуть на основы операционных усилителей со следующими свойствами и вопросами.

    Основы операционных усилителей: схемы операционных усилителей

    Каталог


    Показатели качества усилителя

    Это важный метод улучшения полосы пропускания, искажений и управления усилением.

    Это отношение изменения напряжения на выходе усилителя к изменению напряжения на входе, когда вход и выход усилителя разомкнуты.

    Это отношение коэффициента усиления усилителя дифференциального сигнала напряжения к коэффициенту усиления синфазного сигнала напряжения.

    Это эквивалентный токовый шум, приложенный параллельно ко входу бесшумного усилителя.

    Это относится к току нагрузки на выходе операционного усилителя. Обычно это функция: входной овердрайв, корреляция между выходным напряжением и источником питания, температура, характеристики источника и стока будут разными.

    Это фазовый сдвиг между выходом той же частоты и инвертирующим входом в разомкнутой цепи.

    Это отношение изменения выходного напряжения к изменению входного напряжения.

    Он может установить сопротивление усиления операционного усилителя (встроенного в шаблон), а усиление может быть установлено на +1, +2 или -1 с помощью простых внешних подключений.

    Это напряжение между коллектором и эмиттером транзистора в условиях насыщения. В насыщенном состоянии эмиттер-база и коллектор-база смещены в прямом направлении, так что напряжение между коллектор-эмиттер очень низкое.

    Это относится ко времени, необходимому для изменения выходного напряжения с 10% от его конечного значения до 90% от его конечного значения.

    Это относится к частоте, на которой коэффициент усиления без обратной связи усилителя равен единице. Если частотная характеристика операционного усилителя имеет однополюсный спад, полоса пропускания с единичным усилением равна 1UGBW.

    Напряжение «ВЫКЛ» строба - это минимальное напряжение в строб-импульсе, которое гарантированно не мешает работе компаратора.

    Это относится к среднему значению тока, потребляемого двумя входными контактами.Кроме того, входной ток также обычно называют током смещения.

    Это произведение ширины полосы усилителя и коэффициента усиления, при котором полоса пропускания измеряется.

    Это отношение изменения выходного напряжения к изменению входного напряжения. Этот параметр обычно указывается при большом выходном напряжении, меньшем, чем максимальное выходное напряжение, которое является типичным значением в условиях постоянного тока.

    Это относится к средней скорости изменения напряжения смещения из-за изменений температуры перехода в заданном диапазоне температур.

    Это относится к высокому выходному напряжению постоянного тока компаратора, которое создает высокий выходной ток. И это обычно связано с тотемным полюсом или двухтактным выходом компаратора.

    Это относится к максимальному выходному положительному току, создаваемому при двухтактном выходном состоянии компаратора.

    Когда чистый синусоидальный сигнал поступает в операционный усилитель как Vin (w) = Vpsin (wt) :

    Входное гармоническое искажение: Vout (w) a1Vpsin (wt) + a2Vpsin (wt) +... + anVpsin (nwt)

    Выражение THD: THD (%) = [sqrt (a2xa2 + a3xa3 + ... + тревога) / a1] x100

    Это относится к отношению изменения синфазного входного напряжения к изменению входного тока на инвертирующей или неинвертирующей клемме.

    Относится к низкому выходному напряжению постоянного тока. Выходной привод представляет собой сток с низким напряжением. Эта спецификация обычно связана с общим полюсом или двухтактным выходом компаратора.

    Использование КМОП-усилителя в качестве выходного драйвера, хотя схема работает хорошо, но требует экранированного кабеля длиной 1 м, а колебания операционного усилителя составляют около 1 МГц при отсутствии входного сигнала.Если укоротить кабель до 10 см, колебания будут стабильными.

    Некоторые операционные усилители не подходят для непосредственного управления емкостными нагрузками, такими как длинные экранированные кабели, которые представляют собой емкостную нагрузку. Вдобавок коаксиальные кабели имеют емкость около 60-100 пФ на метр.

    Относится к нежелательным паразитным сигналам, генерируемым на выходе усилителя из-за нелинейности сигнальной линии. Когда входной сигнал является синусоидальным, эти паразитные сигналы будут отображаться как целые числа входной частоты (например, вторая гармоника, третья гармоника).

    Это означает, что ток поступает на выход компаратора (на выходе устанавливается высокий уровень). Часто появляется на выходе из открытого коллектора и открытого стока.

    Относится к отношению изменения входного напряжения смещения к изменению напряжения источника питания, PSRR (дБ) = 20log10 (DVOS / DVS)

    Это относится к тому, как приближается фазовая характеристика с обратной связью операционного усилителя и следует линейной зависимости между изменением фазы и частотой в определенной полосе частот.

    Это относится к частоте, когда значение небольшой выходной амплитуды сигнала усилителя с обратной связью уменьшается до 3 дБ.

    Это типичное значение диапазона напряжения на входе, которое определяет производительность усилителя.

    Он описывает напряжение источника питания, необходимое для работы операционного усилителя.

    Относится к самому высокому отрицательному выходному току компаратора.

    Это относится к максимальному размаху размаха выходного напряжения при определенной нагрузке и напряжении источника питания.

    Это относится к технологии, используемой в усилителях с обратной связью по току, выходной сигнал которых отражает значение входного тока на инвертирующий вход (функция трансимпедансного усиления). В некоторых аспектах эта топология имеет эксплуатационные преимущества перед традиционной обратной связью по напряжению.

    Это относится к усилителю с высоким входным сопротивлением, низким выходным сопротивлением и фиксированным коэффициентом усиления +1. Его типичные приложения используются для изоляции, увеличения выходной мощности, емкостной нагрузки и т. Д., Кроме того, нет необходимости устанавливать сопротивление усиления.

    Это отношение изменения выходного напряжения к изменению входного напряжения после добавления обратной связи и входной сети. Обычно это значение устанавливается с использованием внешнего сопротивления.

    Синфазный диапазон, также известный как диапазон входного напряжения, является мерой диапазона входных напряжений, которые могут принимать входные контакты операционного усилителя. Эта спецификация обычно относится к амплитуде источника питания.

    Это относится к идеальному последовательному выходному сопротивлению идеального операционного усилителя при отсутствии импеданса, который является приблизительным выходным сопротивлением операционного усилителя, измеренным в условиях переменного тока.

    Относится к переходной характеристике замкнутой системы усилителя в условиях слабого сигнала (обычно менее 100 мВ).

    Если задан переходный или прямоугольный входной сигнал, величина изменения выходного сигнала усилителя от одного уровня к другому. Типичные значения представляют собой средние значения, измеренные при изменении общего выходного напряжения от 10% до 90%.

    Это временной интервал, когда функция входного шага производит выход от начального значения до логического порогового напряжения.

    Это относится к частоте, на которой коэффициент усиления ОУ с обратной связью по напряжению равен 1 (0 дБ). Для идеального операционного усилителя произведение коэффициента усиления и ширины полосы одинаково.

    Это относится к выходной мощности основной частоты, которая равна значению мощности основной частоты в указанном компоненте искажения (2-я, 3-я или 3-я интермодуляция).

    Это относится к текущей разнице между двумя входами.

    Это означает, что определенная величина входного ступенчатого напряжения превышает минимальное входное напряжение привода, необходимое компаратору для перехода с одного логического уровня на противоположный логический уровень.

    Дифференциальное усиление относится к изменению входного и выходного усиления, а дифференциальная фаза относится к изменению фазы на входном каскаде. Это видеоизмерения и стандартные измерения в области вещания для измерения относительных изменений в интерпретации согласованности видеосигнала.

    Метод, используемый в традиционных операционных усилителях, где часть выходного напряжения возвращается на вход, а разница напряжений между двумя входами усиливается операционным усилителем.

    «А» - знак выигрыша. Буква «V», написанная ниже, обозначает усиление напряжения, а буква «ol», также написанная ниже, является сокращением для разомкнутого контура. Коэффициент усиления по напряжению без обратной связи относится к коэффициенту усиления (Vout / Vin) усилителя без обратной связи. Из-за наличия напряжения смещения эти ошибки необходимо компенсировать.

    Это относится к напряжению, которое вызывает изменение выходного состояния компаратора при превышении входного напряжения смещения.

    Это значение последовательного сопротивления на выходе идеального операционного усилителя с нулевым выходным сопротивлением, измеренное в условиях постоянного тока.

    Это относится к объему усилений, «резко возрастающих» и «быстро уменьшающихся» в заданном диапазоне ширины полосы, измеряемого в децибелах (дБ), который влияет на характеристики наиболее важных параметров, таких как запас по фазе, запас по усилению и усиление с обратной связью.

    Это относится к средней скорости изменения тока отклонения из-за изменений температуры перехода в заданном диапазоне температур.

    Это отношение входного переменного напряжения к входному переменному току.

    Относится к эквивалентному шуму напряжения последовательно с бесшумным усилителем.

    Это произведение напряжения ошибки постоянного тока между входами и коэффициента усиления с обратной связью, поскольку неидеальный баланс между входным каскадом и выходом вызван напряжением ошибки постоянного тока на входных клеммах.

    Коэффициент усиления без обратной связи, когда фаза между инвертирующим входом и выходом пересекает ноль на определенной частоте.

    Это относится к току, необходимому от источника питания к ненагруженному усилителю и к источнику питания в средней точке выхода.

    Это относится ко времени между начальным значением входной ступенчатой ​​функции и выходным напряжением, достигающим указанного диапазона ошибок.Полоса ошибок относится к проценту от общего изменения напряжения.

    Это отношение изменения входного напряжения к изменению входного тока.

    Вопросы и ответы

    Q 1: В чем разница между усилителем с обратной связью по напряжению и усилителем с обратной связью по току?

    A : Внутренние схемы этих двух операционных усилителей различны. Операционный усилитель с обратной связью по напряжению ограничен внутренней конструкцией и имеет только очень низкий входной ток смещения, но нет внутреннего ограничения на дифференциальное входное напряжение, поскольку оно ограничивается только тогда, когда требуется внешняя обратная связь.Напротив, для усилителя с обратной связью по току его дифференциальное входное напряжение зависит от внутренней конструкции, но оно не ограничивает входной ток смещения, поэтому оно ограничивается только тогда, когда требуется внешняя обратная связь.

    Q 2: В чем разница между открытым и закрытым контурами?

    A : Коэффициент усиления разомкнутого контура фактически является внутренним усилением операционного усилителя без обратной связи и обычно принимает любое значение от 1000 до 10000. Коэффициент усиления замкнутого контура - это усиление всей схемы, которое равно усилению разомкнутого контура, деленному на 1 плюс усиление контура (коэффициент улучшения).Фактически, усиление операционного усилителя при отсутствии обратной связи - это усиление разомкнутого контура, а усиление, когда рассматривается обратная связь, - это усиление замкнутого контура.

    Q 3: Если операционный усилитель имеет идеальные характеристики по переменному току, график Боде (частотная характеристика) является униполярной системой. Какова скорость проскальзывания усиления в дБ / декаду?

    A : В униполярной системе усиление падает (или уменьшается) на 20 дБ / декаду, что составляет 6 дБ / октаву. Это реагирует на любой одиночный полюс, а также подходит для простого RC-фильтра или идеального операционного усилителя.Однако, поскольку операционные усилители имеют больше высокочастотных полюсов, фазовый сдвиг начнет увеличиваться по мере приближения частоты к частоте единичного усиления операционного усилителя.

    Q 4: В чем разница между полосой пропускания с единичным усилением, произведением на ширину полосы усиления (GBP) и частотой -3 дБ?

    A : Многие операционные усилители имеют коэффициент уменьшения усиления без обратной связи -20 дБ / декаду, когда частота стабильна. В любой момент во время фазы снижения GBW является постоянным.Если работа операционного усилителя с единичным усилением стабильна, то ширина полосы единичного усиления или частота, на которой усиление разомкнутого контура равно 1, обычно равна GBP. Кроме того, величина GBP не равна ширине полосы единичного усиления (обычно превышает ее). Частота -3 дБ - это мера полосы пропускания операционного усилителя, когда он работает в замкнутом контуре. Точка -3 дБ - это частота, при которой коэффициент усиления всей замкнутой системы падает на 3 дБ. Частота единичного усиления для приложений с обратной связью может быть рассчитана с использованием BW = GBP / Av.Применяемая частота -3 дБ и полоса пропускания с единичным усилением зависят от настройки усиления обратной связи, размаха выходного сигнала, нагрузки и схемы схемы.

    Q 5: Почему некоторые усилители создают колебания при емкостной нагрузке?

    A : Выходное сопротивление операционного усилителя и емкость емкостной нагрузки могут образовывать колебания между сопротивлением и емкостью. Также они формируют колебания R-C на выходном каскаде, что приводит к дополнительному запаздыванию фазы в сигнале обратной связи.КМОП-усилители имеют высокий выходной импеданс, который приводит к приближению электродов или понижению частоты единичного усиления операционного усилителя. Дополнительная фазовая задержка электродов ослабит запас по фазе операционного усилителя. Общая фазовая задержка усилителя приводит к увеличению фазового угла частоты единичного усиления более чем на 180 градусов, что приводит к увеличению общего фазового сдвига обратной связи в единичном усилении до превышает 180 градусов. Кроме того, выходной импеданс КМОП-усилителя составляет от 100 до 500, что приводит к относительно низкой полюсной частоте.Между тем, выходной импеданс высокоскоростного биполярного операционного усилителя находится в диапазоне от 1 до 100, что приводит к тому, что полюсная частота намного выше, чем у КМОП операционного усилителя, так что полюс далеко от единичного усиления. частота устройства. Привод КМОП-усилителя к емкостной нагрузке можно улучшить, разместив на выходе выходной резистор и внешний конденсатор положительной обратной связи.

    Q 6: Если выход операционного усилителя остается рядом с шиной напряжения, то есть выходной шиной, в чем причина?

    A : Операционные усилители можно использовать разными способами.Сложность состоит в том, чтобы держать его подальше от «рельсов». Если вход превышает диапазон входного напряжения, выход обычно находится рядом с шиной напряжения питания. Теоретически, если выходное напряжение превышает фактическое напряжение питания, и подается более высокое напряжение питания, операционный усилитель снова перейдет на выход шины. Если обратная связь отсутствует или полярность обратной связи неправильная, операционный усилитель снова переключается на выход шины. В то же время, если неинвертирующий вход выше, чем отрицательный инвертирующий вход, операционный усилитель также переходит на выход шины.Следует проанализировать применение операционного усилителя, чтобы убедиться, что используемое напряжение источника питания имеет правильный вход и коэффициент усиления, чтобы при нормальной работе его входное напряжение находилось в пределах номинального значения, а выходное напряжение - в пределах нормального диапазона.

    Q 7: В чем разница между синфазным напряжением и диапазоном входного напряжения операционного усилителя?

    A : Синфазное напряжение означает, что на оба входа одновременно подается одно напряжение.Диапазон входного напряжения - это диапазон напряжений, которые могут быть приняты входными контактами. Необходимо помнить, что операционный усилитель должен подавлять синфазное напряжение и усиливать разницу только между двумя входными контактами.

    Q 8: Модель SPICE биполярного операционного усилителя работает хорошо, но модель SPICE операционного усилителя CMOS не работает. Есть ли необходимость устанавливать SPICE?

    A : Чтобы ввести соответствующий ток смещения в модель, модель SPICE, применяемая к операционному усилителю CMOS, должна установить для параметра GMIN по умолчанию наибольшее значение пакета SPICE.

    Q 9: В чем разница между выходным током усилителя и током короткого замыкания?

    A : Ток короткого замыкания - это ток, генерируемый устройством, если выход подключен непосредственно к линии питания. Это указывает на то, что выходной ток ограничен в зависимости от конструкции устройства. Тем не менее, ток короткого замыкания не отражает истинную мощность привода.Из-за характеристик полного сопротивления выходного каскада максимальный выходной ток определяется размахом выходного напряжения под нагрузкой. На первый взгляд, чем меньше нагрузка, тем больше размах выходного сигнала; чем больше нагрузка, тем меньше размах выходного сигнала.

    Q 10: Как проверить стабильность схемы операционного усилителя?

    A : Проверьте стабильность контура управления, например, импульсную нагрузку и соответствующие изменения выходного напряжения.Импульсная нагрузка может быть током нагрузки с импульсным или ступенчатым изменением, так что выход схемы операционного усилителя должен быть подключен к последовательной цепи R-C. Чем больше колебание или вибрация контура, тем хуже стабильность контура.

    Q 11: Есть ли хорошие способы минимизировать шум при усилении сигнала постоянного тока низкого уровня?

    A : Для получения высокого отношения сигнал / шум схема должна быть хорошо спроектирована. Это включает в себя выбор наилучшей ширины полосы усилителя и знание импеданса входного сигнала.Если источник входного сигнала имеет достаточно высокий импеданс, нет смысла выбирать усилитель шума с низким напряжением, который имеет высокий ток шума.

    Q 12: Как следует разработать низкочастотный (<1 Гц) дифференциатор, чтобы минимизировать выходной шум?

    A : Единственная причина того, что выход дифференциатора содержит шум, - это большое усиление и шум на входе. Традиционный дифференциатор использует Rs-C последовательно на входе и Rf-Cf параллельно рядом с операционным усилителем.Нет необходимости пробовать больше Rs или Cf, чтобы минимизировать шум. Шум на выходе, исходящий от дифференциатора, не означает, что он вреден, потому что он также усиливает полезные сигналы. Кроме того, при отключении контура дифференциальный выходной шум может быть полезным и стабилизирует контур. Если выход дифференциатора достаточно шумный или имеет слишком много входного шума, проанализируйте, какие из них являются реальными источниками.

    Q 13: Как защитить вход усилителя от превышения или уменьшения напряжения питания?

    A : Необходимо либо ограничить вход устройства, либо ограничить входной ток устройства, либо, в идеале, сделать и то, и другое.Самый простой способ - выбрать токоограничивающий резистор для ограничения этого тока. Выбор основан на том факте, что ток, генерируемый входом схемы при максимальном входном напряжении, меньше максимального номинального тока входного контакта. Обычно эффективен резистор от 1 кОм до 100 кОм, включенный последовательно с этим входным выводом. Однако, поскольку сигнал обычно подключается непосредственно к неинвертирующему входному выводу, неинвертирующий усилитель может нуждаться в защитном резисторе, подключенном к этому выводу. Для цепей с высоким импедансом можно использовать большой резистор и / или диод с низким током утечки.

    Q 14: В чем разница между усилителем с одним источником питания и усилителем с двумя источниками питания?

    A : Нет никакой разницы в реальной схеме, компоновке и характеристиках усилителя. Когда операционный усилитель обозначается как двойной источник питания, выходная нагрузка обычно относится к земле (GND), в то время как операционный усилитель с одним источником питания обычно относится к средней точке напряжения одного источника, и обычно указывается, что он работает от более низкое напряжение, но это необязательное требование.Таким образом, независимо от того, питается ли операционный усилитель от одного источника питания 5 В и заземления (GND) или от +2,5 и -2,5 В, они ничем не отличаются.

    Ⅳ Применение: LM358 Classic Circuits

    В этом видео будут показаны 5 лучших проектов в области электроники с использованием OP-AMP LM358

    LM358 включает в себя два независимых сдвоенных операционных усилителя с высоким коэффициентом усиления и внутренней частотной компенсацией. Он подходит для работы от одного источника питания с широким диапазоном напряжений питания.Он также подходит для работы с двумя источниками питания. Приложения LM358 включают усилители датчиков, модули усиления постоянного тока и все другие операционные усилители, которые могут получать питание от одного источника питания. Классические схемы LM358 выглядят следующим образом:

    Рис. 1. Активный RC-фильтр нижних частот, связанный по постоянному току


    Рисунок 2. Драйвер светодиода


    Рисунок 3. Схема управления транзисторно-транзисторной логикой (TTL)


    Рисунок 4.Активный полосовой RC-фильтр


    Рис. 5. Осциллятор Squareware


    Рисунок 6. Компаратор гистерезиса


    Рисунок 7. Активный полосовой фильтр


    Рисунок 8. Драйвер лампы


    Рис. 9. Монитор тока


    Рис. 10. Детектор малых дрейфовых пиков


    Рисунок 11. Повторитель напряжения


    Рисунок 12.Периферийная схема усилителя мощности


    Рисунок 13. Генератор, управляемый напряжением VCO


    Рисунок 14. Фиксированный источник тока


    Рисунок 15. Генератор импульсов


    Рис. 16. Неинвертирующий усилитель со связью по переменному току


    Рис. 17. Инвертирующий усилитель со связью по переменному току


    Рисунок 18. Инструментальный усилитель с регулируемым усилением


    Рисунок 19.Усилитель постоянного тока


    Рисунок 20. Генератор импульсов


    Рисунок 21. Мостовой усилитель тока


    Рисунок 22. Дифференциальный входной сигнал


    Рисунок 23. Дифференциальный усилитель постоянного тока

    Часто задаваемые вопросы об операционных усилителях. Основы

    1. Что такое основы ОУ для чайников?
    Операционный усилитель - это сверхчувствительная схема электронного усилителя, предназначенная для усиления разницы двух входных напряжений.Таким образом, операционный усилитель имеет два входа и один выход. ... Для большинства операционных усилителей требуется источник питания как с положительным, так и с отрицательным напряжением, обычно от 6 до 18 В.

    2. Каково основное использование операционного усилителя?
    Операционный усилитель - это интегральная схема, которая может усиливать слабые электрические сигналы. Операционный усилитель имеет два входных контакта и один выходной контакт. Его основная роль заключается в усилении и выводе разности напряжений между двумя входными контактами.

    3.Что такое операционный усилитель и его виды?
    Операционный усилитель (ОУ) - это блок аналоговой схемы, который принимает входное дифференциальное напряжение и выдает несимметричный выход напряжения. Операционные усилители обычно имеют три терминала: два входа с высоким сопротивлением и выходной порт с низким сопротивлением.

    4. Для какой цели используется операционный усилитель?
    Как следует из названия, цель усилителя или операционного усилителя состоит в том, чтобы усилить или увеличить входной сигнал для создания выходного сигнала, который намного больше, чем входной, с формой волны, аналогичной входной.Основным изменением выходного сигнала будет увеличение уровня мощности.

    5. Что означает насыщение операционного усилителя?
    Первоначальный ответ: Что происходит, когда операционный усилитель насыщается? это означает, что усиление или усиление настолько велико, что выходной сигнал с заданным входным сигналом становится настолько большим, что выходит за пределы диапазона соответствия источника питания операционного усилителя. Проще говоря, если у вас есть операционный усилитель с шинами питания +/- 15 В.

    6 уникальных схем операционных усилителей

    9 декабря 2019 г., | Предоставлено Avnet

    Электронные схемы эволюционировали от дискретных схем до высокоинтегрированных схем (ИС) на одном кристалле, что позволило высокотехнологичным аналоговым и цифровым системам сэкономить место и затраты.Операционный усилитель (ОУ) - одна из таких интегральных схем, сыгравшая звездную роль в аналоговых конструкциях. Сегодняшний операционный усилитель - это не просто операционный усилитель, он объединяет множество функций, упрощающих разработку аналоговых схем. Однако они не решают всех проблем. И операционные усилители, и дискретные устройства имеют свои преимущества и недостатки.

    Дискретные схемы

    Усилитель является строительным блоком большинства аналоговых схем, повышающих напряжение, мощность или ток любого сигнала.Транзистор - жизненно важный компонент дискретных схем. Комбинация нескольких транзисторов, а также активных и пассивных компонентов, таких как резисторы и конденсаторы, используется для создания аналоговых логических функций. Такие аналоговые логические функции используются для извлечения желаемых выходных данных, состоящих из математических функций. Они созданы для таких приложений, как усилители звука, логические схемы, компараторы, операционные усилители и переключатели от входов. Цепи обеспечивают высокую потребляемую мощность и обеспечивают высокую выходную мощность; Параметр Circuit достигается за счет изменения компонентов и их значений.Помогает то, что они стабильны при колебаниях температуры.

    Для сборки и подключения всех отдельных дискретных компонентов требуется больше времени и больше места. Замена вышедшей из строя детали в существующей схеме может быть сложной. Поскольку для соединения элементов используется процесс пайки, дискретные резисторы страдают от меньшей надежности, меньшей точности усиления, подавления синфазного сигнала (CMR), дрейфа смещения и дрейфа усиления. Помимо этих факторов, резисторам также мешает высокотемпературный коэффициент и низкая точность.Все это приводит к значительным ошибкам схемы. Чтобы преодолеть такие проблемы, связанные с дискретными цепями, были разработаны операционные усилители, которые не занимают места, обеспечивают надежность и точность

    Операционные усилители (интегральная схема)

    Операционный усилитель представляет собой простую интегральную схему с постоянным током, работающую как усилитель напряжения. Дифференциальный выход операционного усилителя дает два входа с противоположной полярностью и один выход с высоким коэффициентом усиления. Типичная функция усилителя, построенная с использованием нескольких транзисторов и пассивных компонентов, теперь заменена одной ИС, описываемой характеристиками клемм и несколькими подключенными внешними компонентами.Операционный усилитель находит широкое применение в зависимости от подключения отдельных контактов. Результирующая схема может быть компаратором, разностным усилителем, пиковым детектором, инвертирующим усилителем, неинвертирующим усилителем и аналого-цифровым преобразователем.

    Операционный усилитель на интегральной схеме меньше по размеру. Это стало возможным, поскольку на одном кристалле изготовлено несколько сложных схем, что упрощает конструкцию. Повышается производительность. Меньшее количество соединений обеспечивает превосходную надежность. ИС потребляет мощность в незначительных количествах, а отсутствие эффекта емкости увеличивает скорость работы.

    Операционные усилители

    - это не решение всех прикладных проблем. Ограничения по теплоотдаче и размеру делают невозможным использование любого операционного усилителя на базе микросхемы аудиотранзистора высочайшего качества для усилителей звука класса А. Близость компонентов, интегрированных в операционный усилитель, затрудняет передачу аудиосигналов, где слабый сигнал будет поглощен шумом электромагнитных помех. Конечно, высококачественный аудиоусилитель имеет меньше места или ограничений по стоимости, и, следовательно, выходной каскад класса A, оснащенный линейным источником питания и специальным трансформатором, обеспечивает великолепное качество звука.

    Когда принимается во внимание класс характеристик операционных усилителей, было обнаружено, что усилители мощности класса D доминируют в этой нише. Помимо качества звука, при проектировании учитывается энергоэффективность, бюджет и даже размер. Усилители класса D были изготовлены для портативных аудиоприложений с низким энергопотреблением.

    Операционные усилители

    играют различные роли в оптимизации работы схем. Идеальный операционный усилитель, если он вообще существует, имел бы бесконечное усиление, нулевое выходное сопротивление и бесконечное входное сопротивление.Он должен обладать бесконечной частотной характеристикой, не должен вносить никаких шумов и не должен иметь искажений. Ни один операционный усилитель не может удовлетворить такие высокие требования.

    В продаже имеется множество операционных усилителей. Специализированные операционные усилители предпочтительнее обычных продуктов, если требуется лучшая производительность. Важно выбрать правильный, чтобы удовлетворить разнообразные потребности приложения.

    Следующие примеры применения показывают, как операционные усилители IC преодолевают множество недостатков дискретных схем за счет правильного использования:

    • Характеристики ошибки постоянного тока операционного усилителя и их влияние на высокоточные приложения

    Входные токи смещения и входные токи смещения являются двумя критическими характеристиками во многих приложениях для прецизионных усилителей.Оба влияют на выход через емкостную и резистивную обратную связь. Коэффициент подавления синфазного сигнала (CMRR) в любом типичном операционном усилителе снижает точность за счет введения входного напряжения смещения. Высокий CMRR является обязательным во время минутных случаев входного сигнала (например, когда сигнал находится в диапазоне мВ).

    Коэффициент отклонения источника питания (PSRR) играет ключевую роль, когда дело доходит до инициирования любого дополнительного входного напряжения смещения в качестве реакции на изменения напряжения источника питания. Входной импеданс операционного усилителя образует настоящий делитель напряжения, поскольку усилитель управляется импедансом источника и вносит ошибку усиления.Разработчики, чтобы справиться с такими ситуациями, должны выбрать операционный усилитель с высоким CMRR, PSRR и низким отношением скорости к мощности. Другими требованиями являются низкий входной ток смещения и низкое входное напряжение смещения.

    IC Op Amp MAX 44260 имеет высокоомный входной каскад CMOS со специальной структурой ESD, обеспечивающей низкие входные токи смещения при низких входных синфазных напряжениях. Он идеально подходит для таких требовательных приложений, как драйверы АЦП последовательного приближения от 12 до 14 разрядов, где необходимы входы или выходы rail-to-rail и пониженный шум в децибелах.Дополнительная экономия энергии достигается за счет режима выключения при быстром включении питания. Это значительно снижает ток покоя, когда устройство остается в нерабочем состоянии. Другой операционный усилитель MAX9620 IC имеет дрейф нуля и низкую мощность наряду с низким входным напряжением смещения. В таких устройствах используется новый метод автоматического обнуления, который обеспечивает точность при минимальной мощности. Малошумящий зарядный насос помогает операционному усилителю реализовать на входе производительность по схеме «rail-to-rail».

    Внутренняя шина позволяет операционному усилителю достигать истинных выходных и входных сигналов Rail-to-Rail, добиваться линейности и обеспечивать выдающиеся CMRR и PSRR.Еще один операционный усилитель MAX4238 обеспечивает точность и сверхнизкое смещение или дрейф за счет использования методов автокорреляции обнуления. Такое низкое смещение, подавление шума 1 / f и быстрое время установления операционного усилителя делают такие устройства лучшими для буферов АЦП.

    • Реализация полнополупериодного выпрямителя с операционными усилителями с однополярным питанием.

    Для двухполупериодного выпрямителя в идеале необходимы два операционных усилителя с двойным источником питания, поскольку последний должен изменять биполярное выходное напряжение, которое может становиться положительным или отрицательным в ответ на нормальный диапазон входных сигналов.

    Микросхема ОУ MAX44267 имеет однополярный и двойной ОУ с нулевым выходом для реализации двухполупериодного выпрямителя с одной шиной питания. Отрицательное питание требуется, поскольку двойной операционный усилитель со встроенной интегральной схемой в одном из усилителей может генерировать отрицательное напряжение, в -0,5 раза превышающее входное. Внешний диод и конденсаторы уменьшают шум накачки заряда и низкий уровень сигналов утечки. Усилитель работает от одного источника питания от + 4,5В до + 15В. Эта архитектура устраняет необходимость в любой отрицательной шине питания, что позволяет сэкономить на размере и стоимости системы.

    • Реализация линеаризации моста Уитстона.

    Цепи, собранные из недорогих, точных дискретных деталей с переменным сопротивлением, выполняют основную часть задач проектирования. Конструкторы, работающие с высокоточными системами, следуют соглашению принимать во внимание присущую элементу RTD нелинейность, а также мост Уитстона. Передняя часть должна быть тщательно откалибрована, одновременно линеаризуя интерфейсную часть, расположенную сбоку от микроконтроллера.В некоторых случаях линейность 0,6% неприемлема.

    Операционный усилитель

    не только устраняет присущую мосту нелинейность, но также контролирует элемент датчика температуры, нелинейность RTD и использование схемы двойного операционного усилителя для создания линеаризованного выхода моста. Схема, однако, нуждается в положительном и отрицательном питании усилителей, что дает удвоенный диапазон качания. Дополнительным преимуществом является характеристика подавления синфазного сигнала, поскольку второй усилитель комфортно работает при напряжении около 0 В.


    Рис.1: Внутренняя структура IC MAX 44267

    В этом сценарии усилитель MAX44267 работает от одного источника питания и, таким образом, может выдавать биполярные напряжения.В отличие от других усилителей с однополярным питанием, которым требуется высота над землей, операционный усилитель предлагает нулевой выходной сигнал, что делает его идеальным для мостовых датчиков. Операционный усилитель IC MAX44267, как показано на рисунке 1, интегрирован со схемой накачки заряда, сдвоенными операционными усилителями и схемой смещения. Дополнительным преимуществом является уменьшение площади и стоимости платы.

    • Высоковольтный прецизионный усилитель с датчиком тока для базовой станции.

    Эти усилители, в зависимости от современной технологии, могут быть смещены максимум до 50 или 60 В.В таких приложениях необходимы двойные операционные усилители для измерения тока. Первый операционный усилитель снижает напряжение, а второй операционный усилитель устанавливает усиление. Минимизация ошибки усиления требует использования высоковольтного полевого транзистора с р-каналом при подаче тока через внешний резистор.

    Интегрированная микросхема MAX4428 с двухканальным усилителем измерения тока на стороне высокого напряжения и полевым транзистором с р-каналом высокого напряжения включает в себя функции, минимизирующие ошибку усиления, а также входное синфазное напряжение в диапазоне от 2,7 В до 76 В с небольшой полосой пропускания сигнала 80 кГц. .Это идеально подходит для взаимодействия с АЦП последовательного приближения для систем сбора многоканальных мультиплексированных данных. Мониторинг тока на стороне высокого напряжения не влияет на путь заземления конкретной измеряемой нагрузки, что делает операционный усилитель полезным в широком диапазоне высоковольтных систем.

    • Цепь защиты входов АЦП от перенапряжений.

    Входы АЦП страдают, когда шины управляющего усилителя значительно превышают максимальный входной диапазон АЦП. Наиболее распространенным является использование диодов Шоттки для ограничения выхода усилителя.Такие диоды обладают емкостью, ток утечки ограничивает полосу пропускания и способствует искажению.


    Рис 2: Внутренняя функциональная схема IC MAX 4428

    Эффективным методом сохранения емкости и постоянного тока утечки является поддержание напряжения на защитных диодах на уровне 0 В. Это делается с помощью испытанного и испытанного метода защиты драйвера дифференциального операционного усилителя, что приводит к смещению 0 В через защитные диоды во время нормальной работы усилителя. В случае перенапряжения диоды проводят ток короткого замыкания на землю.Однако такой метод дискретной защиты требует большего пространства, а также контроля и действия тока утечки. Усилитель также должен иметь двойной источник питания.

    Проблемы с перенапряжением можно устранить, используя шину одинарного питания усилителя. Микросхема защиты сигналов операционного усилителя MAX 4505 в сочетании с переключателями MOSFET обеспечивает схему обнаружения перенапряжения. Операционный усилитель IC состоит из одного устройства защиты сигнальной линии с защищенным от сбоев входом и возможностью управления сигналами Rail-to-Rail.В случае неисправности входная клемма преобразуется в разомкнутую цепь, и источник утечки тока в наноамперах. Операционный усилитель экранирует как униполярные, так и биполярные аналоговые сигналы.

    • Аналоговые схемы в носимых устройствах, например в смарт-часах и средствах мониторинга состояния здоровья.

    При разработке таких уникальных устройств возникают различные проблемы, в том числе одна, которая утверждает, что устройство должно быть крошечным, чтобы его можно было носить на запястье, с эффективным мониторингом состояния заряда (SOC) и состоянием батареи, не влияющим на их SOC.Инструмент должен иметь низкое энергопотребление и большой объем памяти, пониженный уровень шума источника питания и аналоговый сигнал.

    Если происходит какое-либо событие, эти схемы предупреждают микроконтроллер, что схемы с низким энергопотреблением должны постоянно контролировать жизненно важные функции системы. Выходное напряжение ниже требуемого означает, что аккумулятор разряжен и требует зарядки. Компаратор Op Amp может использоваться для контроля напряжения батареи.

    Различные аккумуляторные батареи имеют неодинаковый химический состав.Такие различия определяют термостабильность аккумуляторных элементов, срок их службы и удельную мощность аккумуляторных элементов. Решение требует крошечных компонентов и микросхем. MAX6778 можно использовать как самый маленький. Помогает то, что точный аккумулятор контролирует максимальный срок службы портативного оборудования. Точность 1% позволяет батарее разряжаться дольше, чем обычно, что отодвигает замену.

    Гистерезис устраняет дребезг на выходе, иногда связанный с мониторами напряжения батареи, как правило, в результате шума входного напряжения.Микросхема MAX4257 оснащена малошумящими операционными усилителями с низким уровнем искажений, обеспечивающими выходы с прямой связью и с однополярным питанием. Искажения операционного усилителя чрезвычайно низки, в тандеме с плотностью входного напряжения и шума, а также низкой плотностью входного тока и шума.

    Патент США № 4,721,919. Мостовой усилитель класса G с однополярным питанием

    Mullins; Джеймс Б.

    Sigler; Роберт М.

    Пункты формулы

    Варианты осуществления изобретения, в которых заявлено исключительное свойство или привилегия, определены следующим образом:

    1.Мостовой усилитель звука, содержащий в комбинации:

    первый и второй униполярные источники питания при первом и втором напряжениях соответственно, причем второе напряжение больше первого;

    - делитель напряжения, запитываемый через первое средство однонаправленного тока от первого униполярного источника питания, причем делитель напряжения имеет выходы полного и половинного напряжения;

    первый и второй усилители, имеющие выходы с подключенной к ним нагрузкой и отдельные диапазоны выходного напряжения, определяемые полным выходным напряжением делителя напряжения, первый и второй усилители получают рабочее напряжение постоянного тока от выход половинного напряжения делителя напряжения;

    средство входного усилителя, приспособленное для приема сигнала входного напряжения для усиления и дополнительно имеющее дифференциальные выходы с выходными диапазонами, определяемыми полным выходным напряжением делителя напряжения и подключенными в противофазе к входы первого и второго усилителей, входной усилитель означает получение рабочего напряжения постоянного тока с выхода половинного напряжения делителя напряжения;

    - пиковый детектор, реагирующий на выходные сигналы первого и второго усилителей, чтобы генерировать пиковое напряжение, изменяющееся в большую сторону;

    повторитель напряжения, имеющий диапазон выходного напряжения, определяемый вторым источником питания и реагирующий на выходной сигнал пикового детектора, для поддержания собственного выходного напряжения на заранее определенном уровне выше пикового напряжения; и

    второй однонаправленный ток означает подключение выхода повторителя напряжения к выходу полного напряжения делителя напряжения в конфигурации с наивысшим выигрышем с первым униполярным источником питания, при этом второе однонаправленное средство тока является эффективен при прямом смещении для подачи тока от второго униполярного источника питания, благодаря чему работа моста класса G обеспечивается без искажений от униполярных источников питания.

    2. Мостовой усилитель звуковой частоты по п.1, в котором:

    пиковый детектор содержит диоды, соединяющие выходы каждого из первого и второго усилителей с входом повторителя напряжения;

    второе средство однонаправленного тока содержит транзистор, имеющий базу, подключенную к выходу повторителя напряжения, коллектор, подключенный ко второму униполярному источнику питания, и эмиттер, подключенный к выходу полного напряжения напряжения. делитель, транзистор с напряжением V.sub.be, который увеличивается с током, проходящим через него; и

    повторитель напряжения включает в себя элементы схемы, эффективные для поддержания его выходного напряжения выше пикового напряжения на заранее определенное напряжение, по меньшей мере равное падению на диоде одного из диодов плюс максимальное значение V be транзистора, посредством чего транзистор получает питание, достаточное для полного питания первого и второго усилителей током от второго униполярного источника питания при максимальных колебаниях выходного напряжения на нагрузке.

    3.Мостовой аудиоусилитель по п. 2, в котором элементы схемы содержат операционный усилитель с неинвертирующим входом, снабженным выходом пикового детектора, и выходом, подключенным с отрицательной обратной связью к инвертирующему входу. через переход база-эмиттер первого дополнительного транзистора, включенного последовательно с умножителем Vbe, умножитель Vbe содержит второй дополнительный транзистор, имеющий коллектор, соединенный с эмиттером первого дополнительного транзистора, эмиттер, подключенный к инвертирующему входу операционного усилителя, и резисторы через переходы база-эмиттер и коллектор-база, причем первый дополнительный транзистор имеет коллектор, подключенный ко второму источнику питания, и токовые приемники, соединяющие инвертирующий и неинвертирующий входы операционного усилителя на массу.


    Описание

    ПРЕДПОСЫЛКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ

    Это изобретение относится к мостовому усилителю, в частности к мостовому усилителю большой мощности, подходящему для использования в автомобильных системах воспроизведения музыки.

    Спрос на усилители мощности звука с большей выходной мощностью постоянно растет. Однако, когда такие усилители настроены так, чтобы избежать ограничения динамических крайних значений музыкального сигнала, средняя мощность в 10-20 раз меньше, чем требуется для максимальной мгновенной мощности.Кроме того, усилитель, используемый в системе воспроизведения музыки в автомобиле, часто должен помещаться в очень ограниченном пространстве, что, как следствие, ограничивает размер радиаторов и, следовательно, среднее рассеивание мощности. Для того, чтобы Если включить в автомобильную музыкальную систему усилитель высокой мощности, то будет предпочтительна более эффективная конфигурация усилителя, чем типичный класс B или AB.

    Усилитель класса G обеспечивает эффективную работу, необходимую для минимизации требований к теплоотводу в усилителе большой мощности.В усилителе класса G первое фиксированное напряжение питания используется на выходной секции до тех пор, пока выходное напряжение пытается подняться выше напряжения, несколько ниже первого фиксированного напряжения питания, после чего включается второй источник питания с более высоким напряжением по мере необходимости, чтобы следовать усиленному сигналу и позволять выходному напряжению увеличиваться. Превосходная эффективность Усилители класса G по сравнению с классом B были описаны в литературе, например, в статье Sampei, Ohashi, Ohta and Inoue, IEEE «Высочайшая эффективность и высококачественный аудиоусилитель с использованием МОП-транзисторов в режиме работы класса G». Сделки по бытовой электронике Vol.CE-24 (3), стр. 300-306, август 1978 г. Усилители класса G использовались в основном в домашних условиях, поскольку в них обычно используются как положительные, так и отрицательные источники питания на два напряжения. Такие блоки питания легко получить через трансформаторы из дома 115 вольт переменного тока; но низковольтное однополярное питание автомобиля постоянным током представляет проблему. Мостовые усилители класса G продолжают оставаться привлекательными для приложений большой мощности в небольших помещениях, однако из-за их более низкого содержания компонентов, а также их более высокой эффективности.Таким образом, желателен мостовой усилитель класса G, способный работать от униполярных источников питания.

    СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

    Усилитель по настоящему изобретению смещает обычные первый и второй усилители с выходами, подключенными к нагрузке в мостовой конфигурации, от делителя напряжения, питаемого через первое средство однонаправленного тока от первого униполярного источника питания. при первом напряжении делитель напряжения имеет выход полного напряжения для определения диапазона выходного сигнала первого и второго усилителей и выход половинного напряжения для обеспечения рабочего напряжения постоянного тока для первого и второго усилителей.К этому добавляется пиковый детектор, повторитель напряжения и входной усилитель со специальным смещением.

    Пиковый детектор соединяет выходы первого и второго усилителей в конфигурации с максимальным выигрышем на входе повторителя напряжения, выходной диапазон которого определяется вторым униполярным источником питания при большем напряжении, чем первый. и который поддерживает на собственном выходе заданное напряжение выше более высокого из выходов первого и второго усилителей. Выход повторителя подключен через второе однонаправленное средство тока к выходу полного напряжения делитель напряжения в самой высокой конфигурации выигрывает у первого униполярного источника питания и, кроме того, эффективен при прямом смещении для подачи тока от второго униполярного источника питания.

    Входной усилитель имеет диапазон выходного напряжения, определяемый полным выходным напряжением делителя напряжения и рабочим напряжением постоянного тока, полученным на выходе половинного напряжения делителя напряжения. Дифференциальные выходы подключены к противофаза ко входам первого и второго усилителей.

    Мостовой усилитель класса G в соответствии с настоящим изобретением, таким образом, питает делитель напряжения, который определяет выходные диапазоны компонентного усилителя и рабочие напряжения постоянного тока, от первого источника, за исключением случаев, когда выходная мощность превышает заданное значение. напряжение, после чего он переключает ток от второго источника питания и позволяет напряжению, подаваемому на делитель напряжения, увеличиваться по мере необходимости, чтобы выходное напряжение увеличивалось выше этого заранее определенного напряжения и позволяло работать на постоянном токе. напряжение должно увеличиваться по мере необходимости, чтобы избежать искажений на нагрузке, даже когда выходные сигналы отдельных первого и второго усилителей искажаются из-за отсутствия источников питания с противоположной полярностью.Будут очевидны дальнейшие детали и преимущества. из прилагаемых чертежей и последующего описания предпочтительного варианта осуществления.

    РЕЗЮМЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

    РИС. 1 - принципиальная схема усилителя согласно изобретению.

    РИС. 2 показывает несколько графиков зависимости напряжения от времени, которые иллюстрируют выходной сигнал усилителя, показанного на фиг. 1.

    ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНОГО ВАРИАНТА ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ

    Ссылаясь на фиг. 1, мостовой усилитель включает в себя первый операционный усилитель (операционный усилитель) 10 и второй операционный усилитель 11, выходы которых подключены через нагрузку 12, которая обычно является звуковой катушкой динамика.Операционные усилители 10 и 11 принимают рабочие мощность для определения их диапазонов выходного напряжения от точки, отмеченной на чертеже V R, которая находится наверху делителя напряжения, содержащего два последовательно соединенных резистора 13 и 15. Другой конец нижнего резистора 15 заземлен; и верхний резистор 13 имеет другой конец, подключенный к катоду диода Шоттки 16, анод которого подключен к униполярному источнику питания с напряжением V B. Резисторы 13 и 15 имеют одинаковое сопротивление, поэтому их переход отмечен буквой V.sub.R / 2, формирует выход половинного напряжения, в то время как переход, обозначенный VR, формирует выход полного напряжения делителя напряжения.

    Выход половинного напряжения V R / 2 делителя напряжения подключен к неинвертирующему входу операционного усилителя 14, выход которого соединен с его инвертирующим входом, чтобы сформировать повторитель единичного напряжения. Операционный усилитель с повторителем напряжения 14 обеспечивает дополнительные мощность привода, необходимая для поддержания рабочего уровня постоянного тока других операционных усилителей в цепи. Выход ОУ 14, при напряжении В.sub.R / 2, через резистор 20 подключен к инвертирующему входу ОУ 10 и через резистор 21 к неинвертирующему входу операционного усилителя 10. Аналогичным образом, он подключен через резистор 22 к инвертирующему входу операционного усилителя 11 и через резистор 23 к неинвертирующему входу операционного усилителя 11. Таким образом, постоянный ток работает или находится в состоянии покоя. напряжение операционных усилителей 10 и 11 - это VR / 2. Резисторы отрицательной обратной связи 25 и 26 подключены к операционным усилителям 10 и 11 соответственно. Таким образом, операционные усилители 10 и 11 подключены и смещены как мостовой усилитель с операционным усилителем 10, имеющим выходное напряжение V.sub.a и операционный усилитель 11, имеющий выходное напряжение Vb. Каждое из напряжений Va и Vb имеет максимальный перепад напряжения между напряжениями несколько выше уровня земли и несколько ниже VR. Если на неинвертирующие входы операционных усилителей 10 подаются разнофазные напряжения входного сигнала. и 11 с источником напряжения V B, сигналы усиливаются и прикладываются к нагрузке 12 в противофазе, так что максимальное напряжение на нагрузке почти вдвое превышает VR при типичной работе мостового усилителя.

    Для повышения эффективности усилителя в музыкальных приложениях, например, в автомобильном радиоприемнике, добавляется дополнительное устройство для обеспечения работы класса G, в котором сигналы меньшей амплитуды усиливаются и передаются на нагрузку 12 в пределах пределы размаха напряжения менее 2-х В.sub.B, но более крупные сигналы переключаются на источник более высокого напряжения, чтобы позволить питающему ОУ 10 и 11 напряжению питания увеличиваться в течение их продолжительности, чтобы следовать за усиленным входом и производить большее напряжение. размах напряжения без клиппирования. Униполярный источник питания с большим напряжением обозначается V 2B и имеет более высокое напряжение, чем V B, обычно в два раза выше. Напряжение V 2B может быть получено через устройство преобразователя напряжения от источника питания V B или от источника полностью отдельная поставка. В случае транспортного средства, имеющего источник питания 12/24 В, напряжение V.sub B и V 2B доступны при определенных напряжениях от источников питания 12 и 24 вольт.

    Пиковый детектор содержит диод 30, имеющий анод, подключенный к выходу операционного усилителя 10, и диод 31, имеющий анод, подключенный к выходу операционного усилителя 11, при этом катоды диодов 30 и 31 соединены вместе. Более высокий из выходов ОУ 10 и 11 проходит через пиковый детектор на повторитель напряжения, содержащий ОУ 33, имеющий неинвертирующий вход, подключенный к катодам диодов 30 и 31, причем ОУ 33 питается от источника V.под 2B для диапазона выходного напряжения это напряжение. Выход операционного усилителя 33 подключен к базе NPN-транзистора 35, имеющего коллектор, подключенный к источнику питания V 2B, и эмиттер, подключенный к коллектору NPN-транзистора 36. К транзистору 36 подключен резистор 37. через его переход коллектор-база и резистор 38, подключенный через его переход база-эмиттер; и его эмиттер соединен с отрицательной обратной связью с инвертирующим входом операционного усилителя 33. Выход операционного усилителя 33 дополнительно подключен к базе NPN. транзистор 40, коллектор которого подключен к источнику питания V.суб. 2В и эмиттер, подключенный к спайу диода 16 и резистора 13.

    Желательно, чтобы транзистор 40 был включен для подачи тока от источника питания V 2B, отслеживая при этом более высокое из V a и V b до того, как последний станет несколько ниже V B. Для этого предусмотрено смещение вверх для вывода следящий операционный усилитель 33. Транзистор 36, резистор 37 и резистор 38 составляют умножитель Vbe в цепи отрицательной обратной связи следящего операционного усилителя 33. Поскольку резистор 38 подключен через переход база-эмиттер транзистора 36, и ток базы из транзистор 36 пренебрежимо мал по сравнению с током через резисторы 37 и 38, полное напряжение на резисторах 37 и 38 равно отношению сопротивлений резисторов 37 и 38, умноженному на V.sub.be транзистора 36, напряжение регулируется значение сопротивления резистора 37. Подразумеваются стоки 70 и 71 тока на землю от неинвертирующих и инвертирующих входов операционного усилителя 33, которые в стандартной биполярной технологии поддерживают равные токи относительно земли из этих точек. Следовательно напряжение на выходе операционного усилителя 33 равно большему из V a или V b минус падение диода на диоде 30 или 31 плюс напряжение на транзисторе 36, определяемое отношением сопротивлений резисторов 37 и 38 плюс V.sub.be транзистора 35. Пока это напряжение минус V be транзистора 40 не превышает V B минус падение диода на диоде 16, транзистор 40 будет оставаться выключенным, а V R будет определяться напряжением V. sub.B. Однако, когда выходное напряжение операционного усилителя 33 увеличивается достаточно, чтобы смещать в прямом направлении переход база-эмиттер транзистора 40, транзистор 40 включится, и V R будет следовать за пиком более высокого из напряжений V a и V b. Таким образом, выход будет действовать как усилитель класса G, используя источник питания меньшего напряжения для небольших выходов и включение источника питания с более высоким напряжением только по мере необходимости для более высоких выходных напряжений.Напряжение смещения выбирается таким образом, чтобы второй униполярный источник питания включался задолго до выхода усилителя. достигает уровня ниже V B, при котором операционные усилители 10 или 11 будут сжиматься.

    В конструкции повторителя напряжения важна разница между выходным напряжением операционного усилителя 33 и пиковым напряжением от первого и второго усилителей. Начиная с пикового напряжения, наблюдается падение диода с диода 30 или 31, независимо от того, какой из них активен, увеличение из-за ОУ 33 и падение V на транзисторе 40 доходит до V.sub.R. В контуре обратной связи операционного усилителя 33 падение V be на транзисторе 38 будет компенсировать падение на диоде 30 или 31, если оба являются NPN. Если Для 30 и 31 необходимо использовать диод PNP, компенсация не будет точной. Падение Vbe на транзисторе 35 будет компенсировать падение напряжения на транзисторе 40 при эквивалентных уровнях тока. Однако при высоких выходах усилителя в режиме работы класса G транзисторный 40 будет проводить гораздо больший ток, чем транзистор 35, и, следовательно, будет иметь более высокое значение Vbe.Резистор 37 поэтому регулируется для компенсации этого более высокого V be транзистора 40 при его максимальных уровнях тока и небольшого несоответствия между падение напряжения на диоде 30 или 31, так что выход операционного усилителя 33 будет превышать пиковое напряжение, по крайней мере, на величину, достаточно большую, чтобы включить транзистор 40 в достаточной степени для обеспечения требуемых максимальных уровней выходного тока. Желательно минимизировать Однако превышение разницы напряжений сверх того, что является абсолютно необходимым, поскольку более высокая разность напряжений имеет тенденцию уменьшать выигрыш в эффективности, что и является целью схемы.На практике с источником питания 12/24 В и типичными устройствами типичная разница или пороговое напряжение около 2 вольт. Таким образом, работа класса G начнется примерно на 2 В ниже V B. Если источники тока 70 и 71 сделаны зависимыми от падения V be на транзисторе 40 или от V R, однако этот порог напряжение может быть снижено примерно до 1 вольт с последующим дальнейшим повышением эффективности усилителя.

    Однако существует дополнительное ограничение схемы, необходимое для предотвращения грубых искажений при включении более высокого напряжения из-за отсутствия отрицательных источников питания.Входной усилитель должен иметь рабочую точку постоянного тока или покоя. от выхода половинного напряжения делителя напряжения V R / 2, так что рабочая точка постоянного тока увеличивается вдвое меньшей, чем V R, по мере включения источника более высокого напряжения. Следовательно, вход содержит пара операционных усилителей 50 и 51 с питанием от V R для определения диапазонов выходного напряжения и обеспечивается рабочее напряжение постоянного тока V R / 2. Неинвертирующий вход операционного усилителя 50 и инвертирующий вход операционного усилителя 51 через входной резистор 53 подключены к выходу операционного усилителя 14.Входное напряжение Vin может подаваться на неинвертирующий вход операционного усилителя 51 и через входной резистор 52 на инвертирующий вход операционного усилителя 50. Операционные усилители 50 и 51 имеют отрицательную обратную связь через резисторы. 56 и 57 соответственно; а выходы операционных усилителей 50 и 51 подключены к неинвертирующим входам операционных усилителей 10 и 11 соответственно через конденсаторы 58 и 60 соответственно.

    Характеристики усилителя согласно настоящему изобретению показаны на кривых на фиг.2. На этих кривых входная синусоида имеет достаточную амплитуду, чтобы вызвать переключение источника питания на более высокое напряжение источника питания V 2B для большинства кривые. Видно, что как Va, так и Vb ограничены с одной стороны, поскольку нет отрицательного напряжения питания, которое могло бы увеличиваться в отрицательном направлении. Однако из-за смещения входного усилителя согласно изобретению напряжение на нагрузка Va -Vb представляет собой неискаженную синусоидальную волну, следующую за входом.

    * * * * *

    % PDF-1.5 % 8464 0 объект> эндобдж xref 8464 235 0000000016 00000 н. 0000013251 00000 п. 0000005104 00000 п. 0000013422 00000 п. 0000016621 00000 п. 0000016650 00000 п. 0000017467 00000 п. 0000017821 00000 п. 0000018568 00000 п. 0000018804 00000 п. 0000018842 00000 п. 0000019024 00000 н. 0000019203 00000 п. 0000019681 00000 п. 0000020127 00000 н. 0000020595 00000 п. 0000020977 00000 п. 0000021139 00000 п. 0000021506 00000 п. 0000021719 00000 п. 0000022195 00000 п. 0000022763 00000 п. 0000037150 00000 п. 0000051523 00000 п. 0000064634 00000 п. 0000078209 00000 п. 0000092019 00000 п. 0000104197 00000 н. 0000116184 00000 н. 0000127651 00000 н. 0000139187 00000 н. 0000151641 00000 н. 0000163773 00000 н. 0000175466 00000 н. 0000187451 00000 н. 0000198859 00000 н. 0000209291 00000 н. 0000221264 00000 н. 0000222740 00000 н. 0000223137 00000 н. 0000229958 00000 н. 0000243198 00000 н. 0000255311 00000 н. 0000267842 00000 н. 0000280969 00000 н. 0000294456 00000 п. 0000308083 00000 н. 0000321263 00000 н. 0000334832 00000 н. 0000348350 00000 н. 0000362137 00000 п. 0000375973 00000 п. 0000389573 00000 п. 0000403041 00000 н. 0000416511 00000 н. 0000426429 00000 н. 0000435845 00000 н. 0000445824 00000 н. 0000455907 00000 н. 0000466258 00000 н. 0000476562 00000 н. 0000487219 00000 н. 0000497111 00000 п. 0000507567 00000 н. 0000518777 00000 н. 0000528778 00000 н. 0000540297 00000 н. 0000540774 00000 н. 0000541591 00000 н. 0000542408 00000 п. 0000543225 00000 н. 0000544042 00000 н. 0000544859 00000 н. 0000545676 00000 н. 0000546493 00000 н. 0000547310 00000 н. 0000556925 00000 н. 0000557742 00000 н. 0000557764 00000 н. 0000558581 00000 н. 0000558604 00000 н. 0000559421 00000 н. 0000559444 00000 н. 0000560261 00000 п. 0000571012 00000 н. 0000571829 00000 н. 0000571851 00000 н. 0000572668 00000 н. 0000572691 00000 н. 0000573508 00000 н. 0000573531 00000 н. 0000574332 00000 н. 0000575149 00000 н. 0000575316 00000 н. 0000576133 00000 н. 0000576950 00000 н. 0000577767 00000 н. 0000578584 00000 н. 0000579401 00000 н. 0000580218 00000 н. 0000581035 00000 н. 0000581852 00000 н. 0000582669 00000 н. 0000583486 00000 н. 0000584303 00000 н. 0000585120 00000 н. 0000585937 00000 н. 0000586754 00000 н. 0000587571 00000 н. 0000588388 00000 н. 0000589205 00000 н. 00005

    00000 н. 00005

    00000 н. 0000591656 00000 н. 0000592473 00000 н. 0000593290 00000 н. 0000594107 00000 н. 0000594924 00000 н. 0000595741 00000 н. 0000596558 00000 н. 0000597375 00000 н. 0000598192 00000 п. 0000598214 00000 п. 0000598237 00000 п. 0000598259 00000 н. 0000606086 00000 н. 0000606327 00000 н. 0000606614 00000 н. 0000607431 00000 н. 0000608996 00000 н. 0000609813 00000 н. 0000610140 00000 п. 0000614317 00000 н. 0000615134 00000 н. 0000623229 00000 н. 0000624046 00000 н. 0000636218 00000 п. 0000637035 00000 п. 0000651991 00000 н. 0000652808 00000 н. 0000670032 00000 н. 0000670849 00000 н. 0000691186 00000 п. 0000692003 00000 п. 0000712371 00000 н. 0000713188 00000 н. 0000733815 00000 н. 0000734632 00000 н. 0000755839 00000 н. 0000756656 00000 н. 0000777876 00000 н. 0000778693 00000 п. 0000799242 00000 н. 0000800059 00000 н. 0000820443 00000 н. 0000821260 00000 н. 0000842030 00000 н. 0000842847 00000 н. 0000864589 00000 н. 0000865406 00000 п. 0000887181 00000 н. 0000887998 00000 н. 00000 00000 н. 0000

    7 00000 п. 0000931701 00000 п. 0000932518 00000 н. 0000952784 00000 н. 0000953601 00000 п. 0000973614 00000 н. 0000974431 00000 н. 0000994087 00000 н. 0000994904 00000 н. 0001015426 00000 п. 0001016243 00000 п. 0001035876 00000 п. 0001036693 00000 п. 0001056006 00000 п. 0001056823 00000 п. 0001077218 00000 п. 0001078035 00000 п. 0001097205 00000 п. 0001098022 00000 п. 0001117071 00000 п. 0001117888 00000 п. 0001137102 00000 п. 0001137919 00000 п. 0001157516 00000 п. 0001158333 00000 п. 0001178719 00000 п. 0001179536 00000 п. 0001201197 00000 п. 0001202014 00000 n 0001224371 00000 п. 0001225188 00000 п. 0001248376 00000 п. 0001249193 00000 п. 0001272618 00000 п. 0001273435 00000 п. 0001297088 00000 н. 0001297905 00000 н. 0001320409 00000 п. 0001321226 00000 п. 0001344036 00000 п. 0001344853 00000 п. 0001365613 00000 п. 0001366430 00000 п. 0001385760 00000 п. 0001386577 00000 п. 0001406082 00000 п. 0001406899 00000 п. 0001426749 00000 п. 0001427566 00000 п. 0001445162 00000 п. 0001445979 00000 п. 0001464304 00000 п. 0001465121 00000 п. 0001483614 00000 п. 0001484431 00000 п. 0001501848 00000 п. 0001502665 00000 п. 0001516773 00000 п. 0001517590 00000 п. 0001525736 00000 н. 0001526553 00000 п. 0001529552 00000 п. 0001530369 00000 п. 0001531187 00000 п. 0001532004 00000 п. 0001532390 00000 н. 0001533207 00000 п. 0001533525 00000 п. 0001534342 00000 п. 0001534619 00000 п. 0001535436 00000 п. 0000012958 00000 п. трейлер ] >> startxref 0 %% EOF 8466 0 obj> поток x [iX ׶_

    Выбор и применение операционных усилителей высокого напряжения

    Для многих приложений требуются операционные усилители (операционные усилители), которые могут работать при высоких напряжениях (от 60 до 100 В) из-за характера их входного сигнала или характеристик выходной нагрузки.Эти приложения включают пьезодрайверы в струйных и 3D-принтерах, а также ультразвуковые преобразователи и другое медицинское оборудование, драйверы ATE и источники электрического поля.

    Это нетипичные операционные усилители, так как они должны соответствовать требованиям по скорости нарастания напряжения в условиях нерезистивных (индуктивных, емкостных) нагрузок, требуют жестко регулируемого источника питания и - как только напряжение превышает 60 В, - разработчик запускает в строгие и требовательные нормативные требования. В зависимости от области применения также могут быть высокие токи, приводящие к проблемам управления температурным режимом.

    Для решения этих проблем доступны стандартные монолитные и гибридные операционные усилители высокого напряжения, основанные на специальных процессах. Однако они требуют особого внимания при их выборе, проектировании и компоновке, чтобы последовательно и безопасно соответствовать целям проектирования системы. В этой статье будет рассмотрено использование операционных усилителей с более высоким напряжением (> 100 В) в их уникальных (но удивительно распространенных) приложениях, а также способы их успешного применения.

    Зачем нужно высокое напряжение?

    Типичные приложения для операционных усилителей высокого напряжения многочисленны и разнообразны.Большинство из них требуют как более высоких напряжений, так и точного управления, поскольку они разрабатывают версию своего входного сигнала с более низким напряжением с повышенным напряжением. В большинстве случаев это не сигналы включения / выключения высокого напряжения, поэтому необходим линейный усилитель, а не более простая функция переключения высокого напряжения. Некоторые из этих приложений, для которых часто требуется биполярный выход, включают:

    • Пьезодрайверы в струйных принтерах, ультразвуковых преобразователях и точных дозирующих клапанах
    • Драйверы для автоматического испытательного оборудования (ATE), используемые для полной проверки других ИС, гибридных устройств и модулей
    • Научные приборы, такие как счетчики Гейгера
    • Высокоинтенсивные лазерные диоды для автомобильных систем обнаружения и определения дальности (LiDAR)
    • Создание электрических полей, часто используемых в биомедицинских испытаниях жидкостей

    Многие из этих систем работают, по крайней мере частично, при более высоких напряжениях, но имеют токи от низких до умеренных (от 10 до 100 мА), и поэтому не являются «высокой мощностью» в обычном понимании.В результате основное внимание при проектировании уделяется контролю и подаче необходимого напряжения, чем управлению генерируемым теплом.

    Например, операционный усилитель, подающий 100 В при 100 мА на нагрузку, представляет собой скромную потребность в 10 Вт от источника питания (плюс некоторая дополнительная мощность для внутренних потерь, обычно от 20% до 30%). Хотя это, конечно, не «микромощный» сценарий, он не обязательно является сложным и с точки зрения теплового режима, поскольку большая часть этих 10 Вт идет на нагрузку и поэтому не рассеивается электронными компонентами.Тем не менее, рассеяние тепла - это то, что всегда необходимо учитывать при разработке дизайна.

    Более уместно для усиления высокого напряжения с помощью операционного усилителя, вот некоторые общие проблемы, с которыми сталкивается разработчик:

    • Выбор и применение подходящего ОУ
    • Оптимизация работы высоковольтного устройства
    • Обеспечение высоковольтных шин постоянного тока для операционного усилителя, которые могут быть такими же, как питание нагрузки.
    • Обеспечение безопасности высокого напряжения и соблюдение нормативных требований при проектировании и строительстве

    Выбор и применение ОУ

    Операционный усилитель высокого напряжения - это не то же самое, что традиционный усилитель.Как правило, усилитель обеспечивает усиление мощности при некоторой комбинации напряжения и тока и обычно в резистивной нагрузке. Напротив, операционный усилитель настроен на увеличение напряжения при подаче на нагрузку до указанного максимального тока. Кроме того, операционный усилитель может быть сконфигурирован для фиксированного или регулируемого усиления и использоваться в различных топологиях в дополнение к «простому» блоку усиления по напряжению.

    Исторически сложилось так, что большинство процессов ИС, используемых для линейных функций, таких как операционные усилители, ограничивались максимумом около 50 В.Чтобы создать операционный усилитель с более высоким напряжением, разработчики добавили на выходе внешние дискретные высоковольтные транзисторы, которые работают как усилители напряжения. Показано использование прецизионного операционного усилителя с полевым транзистором LT1055 компании Analog Devices в схеме с дополнительными бустерными транзисторами для обеспечения напряжения ± 120 В (рисунок 1).

    Рис. 1. Один из подходов к созданию выходов операционного усилителя с более высоким напряжением - это добавление дополнительных усилительных транзисторов к базовому устройству, такому как Analog Devices LT1055 , чтобы воспользоваться преимуществами входных характеристик операционного усилителя; эта конструкция обеспечивает выходное напряжение ± 120 В.(Источник изображения: Analog Devices)

    Хотя это работает, у него есть недостаток, заключающийся в более сложной и дорогостоящей спецификации по сравнению с одной только ИС, а также в неизбежных проблемах с компоновкой. Также сложно достичь и поддерживать симметричные характеристики между положительными и отрицательными колебаниями выходного сигнала, одновременно минимизируя искажения через точку пересечения нуля. Эти проблемы обычно являются результатом несовпадения компонентов (в первую очередь транзисторов NPN и PNP) и дисбаланса в физической схеме.

    Выбор операционного усилителя высокого напряжения начинается с оценки параметров, аналогичных параметрам любого операционного усилителя, хотя конкретные числа, конечно, будут отличаться. Процесс несколько упрощен, поскольку предложений с высоким напряжением относительно меньше. При проектировании учитываются три основные области:

    1. Факторами высшего уровня являются выходное напряжение, выходной ток, полоса пропускания, скорость нарастания напряжения, а также униполярные и биполярные характеристики.
    2. Другими проблемами являются ограничения скорости нарастания и типа нагрузки, а также ошибки дрейфа, связанные с температурой, которые могут отображаться в форме выходного сигнала.
    3. Наконец, есть вопросы защиты от тепловой перегрузки, избыточного тока и других проблем, которые затрагивают все усилители

    Преодоление ограничений

    Разработчики должны оценить, какие из имеющихся высоковольтных операционных усилителей не только соответствуют обязательным критериям №1, но и имеют достаточно низкие характеристики ошибок, чтобы соответствовать требованиям, а также предлагают достаточную встроенную защиту или могут быть оснащены внешней защитой, например, по току. ограничение.

    Адаптация характеристик устройства, которое почти соответствует всем требованиям, требует здравого смысла. Например, иногда «лучший» из доступных операционных усилителей все еще не справляется с одним фактором, таким как нестабильность при управлении емкостной нагрузкой, или достаточный выходной ток, или чрезмерный дрейф, связанный с температурой. Разработчик должен выбрать между поиском другого операционного усилителя, который может иметь другой недостаток, или выбрать лучший, а затем увеличить его производительность.

    Некоторые примеры иллюстрируют это затруднительное положение:

    Емкостные нагрузки: ADHV4702-1 от Analog Devices представляет собой прецизионный высоковольтный операционный усилитель (рис. 2).Устройство может работать от двух симметричных источников питания ± 110 В, асимметричных источников питания или от одного источника питания +220 В и может выдавать выходные сигналы от ± 12 В до ± 110 В при токе до 20 мА.

    Его усиление без обратной связи 170 децибел (дБ) (A OL ) является ключевым фактором его высоких характеристик. Он может легко управлять умеренными емкостными нагрузками, но по мере увеличения этой нагрузки полюса его передаточной функции будут смещаться, что приведет к возникновению пика на выходе и возможной нестабильности из-за уменьшения запаса по фазе.

    Разработчики операционных усилителей придумали решение этой проблемы. Добавление последовательного резистора между выходом и выводом C Load позволяет ему управлять нагрузками более 1 микрофарада (мкФ) (Рисунок 2).

    Рисунок 2: Размещение последовательного резистора (R S ) между выходом усилителя и C НАГРУЗКА позволяет ADHV4702-1 управлять емкостными нагрузками более 1 мкФ. (Источник изображения: Analog Devices)

    Однако добавление этого резистора может вызвать небольшой пик нагрузки (рисунок 3).

    Рисунок 3: R S в сравнении с C НАГРУЗКА для максимального пика 2 дБ для схемы на Рисунке 2 при единичном усилении, напряжении питания ± 110 В и V OUT = 100 В p-p . (Источник изображения: Analog Devices)

    Если даже 2 дБ является чрезмерной пиковой нагрузкой для приложения, ADHV4702-1 поддерживает внешнюю компенсацию через конденсатор, расположенный между его компенсационным контактом и землей. Правильно подобрав резистор и конденсатор, можно обеспечить стабильность емкостных нагрузок с почти ровным откликом во всей полосе пропускания (рис. 4).

    Рисунок 4: Амплитудно-частотная характеристика слабого сигнала в зависимости от внешней компенсации для ADHV4702-1 при единичном усилении, напряжение питания ± 110 В, В OUT = 100 В pp , R f = 0 Ом и C COMP = 5,6 пикофарад (пФ). (Источник изображения: Analog Devices)

    Привод с увеличенным выходным током: Операционный усилитель OPA454AIDDAR от Texas Instruments обеспечивает от одного источника питания от 10 до 100 В соответственно от ± 5 В до ± 50 В. Это вдвое меньше номинального выходного напряжения, чем у ADHV4702-1 (100 В против 200 В), но у него более чем в 2 раза больше тока привода (50 мА против 20 мА).Однако этого количества дополнительного тока источника / стока может быть недостаточно для некоторых нагрузок, особенно если нагрузка включает в себя параллельные нагрузки меньшего размера.

    Есть два варианта решения этой проблемы для OPA454. Во-первых, два (или более) OPA454AIDDAR можно подключить параллельно (рисунок 5).

    Рисунок 5: Параллельное подключение двух операционных усилителей OPA454AIDDAR линейно увеличит их допустимый выходной ток. (Источник изображения: Texas Instruments)

    Усилитель A1 действует как главный усилитель и может быть сконфигурирован для любой конфигурации операционного усилителя, а не только как базовый блок усиления.Усилитель A2, который может быть как одним, так и несколькими, является подчиненным. Он сконфигурирован как буфер с единичным усилением, который отслеживает выход A1 при добавлении дополнительного управляющего тока.

    Альтернативой для получения большего тока, чем может обеспечить один усилитель или несколько ведомых устройств, является использование внешних повышающих транзисторов выходного тока (рисунок 6).

    Рис. 6. Альтернативой параллельному размещению устройств OPA454 является использование внешних выходных транзисторов. Это позволяет добиться еще более высокого выходного тока.Здесь они увеличивают выходной ток до уровня более 1 А. (Источник изображения: Texas Instruments)

    Используя показанные транзисторы, конфигурация может обеспечить ток более 1 А. Однако, в отличие от использования дополнительных операционных усилителей OPA454, пара дополнительных транзисторов может не обеспечивать необходимый уровень характеристик без искажений и линейности. Если требуется более высокий ток и транзисторы являются предпочтительным решением, могут потребоваться согласованные комплементарные пары транзисторов PNP / NPN.

    Температурный коэффициент (tempco) и дрейф: Как и все аналоговые компоненты, tempco влияет на производительность и точность, а температурный дрейф смещения входа (dV OS / dT) станет частью усиленного выхода.Для OPA454 характеристики dV OS / dT довольно низкие: ± 1,6 мкВ / ° C (тип.) И ± 10 мкВ / ° C (максимум) в указанном диапазоне температур окружающей среды от –40 ° C до + 85 °. С.

    Если это число слишком велико, добавление так называемого операционного усилителя с нулевым дрейфом в качестве предусилителя перед высоковольтным OPA454 уменьшит общий дрейф (рисунок 7). При использовании Texas Instruments OPA735 в качестве предусилителя с нулевым дрейфом временный дрейф высоковольтного усилителя может быть сохранен на уровне 0,05 мкВ / ° C (максимум) первой ступени, что дает коэффициент уменьшения 200.

    Рис. 7. Добавление операционного усилителя OPA735 с почти нулевым дрейфом во входной тракт OPA454 приводит к двухкаскадной цепи высокого напряжения с очень низким температурным дрейфом входного смещения. (Источник изображения: Texas Instruments)

    Тепловые проблемы и защита

    Даже при том, что уровни тока могут быть скромными, внутреннее рассеивание из-за более высоких напряжений может быть проблемой, согласно уравнению мощность = напряжение × ток. Тепловое моделирование необходимо, начиная с основного уравнения температуры перехода: T J = T A + (P D × Θ JA ), где T J - температура перехода, T A - температура окружающей среды, P D - рассеиваемая мощность, а Θ JA - тепловое сопротивление корпуса окружающей среде.Последнее определяется методами монтажа и окружающей средой, включая теплоотвод, воздушный поток и медь печатной платы.

    Признавая важность и наличие выделяемого тепла, такие ИС, как OPA454 и ADHV4702-1, включают схему теплового отключения. Например, схема в OPA454 запускает автоматическое тепловое отключение, когда выход переходит в состояние высокого импеданса, когда его внутренняя температура устройства достигает 150 ° C. Он остается в тепловом отключении до тех пор, пока не остынет до 130 ° C, после чего включается.Этот гистерезис предотвращает включение / выключение колебаний выхода около теплового предела.

    Пределы рассеяния зависят не только от статической выходной мощности, но также зависят от рабочей частоты и скорости нарастания напряжения, что может привести к чрезмерному нагреву выходного каскада. Очень важно изучить графики безопасной рабочей области (SOA) для любого такого привода, начиная со статической SOA ADHV4702-1 (рисунок 8).

    Рисунок 8: Критически важно изучить графики безопасной рабочей области (SOA).DC SOA ADHV4702-1 представлен областью под кривыми при температуре окружающей среды 25–85 ° C, с коэффициентом усиления 20 В и напряжением питания ± 110 В. (Источник изображения: Analog Devices)

    Динамическая SOA также вызывает беспокойство. ADHV4702-1 имеет внутреннюю схему повышения скорости нарастания для достижения полосы пропускания слабого сигнала 19 мегагерц (МГц) и скорости нарастания напряжения 74 В / микросекунду (мкс), но эта схема повышения может потреблять большее количество тока в зависимости от сигнала. По этой причине с ADHV4702-1 можно использовать внешние диоды для ограничения его дифференциального входного напряжения (рисунок 9).

    Рисунок 9: Внешние диоды на входе ADHV4702-1 будут защищать устройство от теплового воздействия высокого тока цепи усилителя, ограничивая его дифференциальное входное напряжение. (Источник изображения: Analog Devices)

    Это защищает усилитель при динамической работе, но ограничивает скорость нарастания и большую ширину полосы сигнала, тем самым ограничивая ток, создаваемый схемой повышения нарастания, и снижает внутреннее рассеивание мощности (рис. 10).

    Рисунок 10: Динамический SOA при температуре окружающей среды 25 ° C и 85 ° C, с ограничивающими диодами и без них, в тех же условиях, что и статический SOA.(Источник изображения: Analog Devices)

    Не все высоковольтные драйверы включают тепловую защиту, поскольку широкий SOA делает внутреннюю схему слишком ограничивающей. Например, PA52 от Apex Microtechnology - это высоковольтный усилитель высокой мощности, который может выдавать до 40 А (непрерывный) / 80 А (пиковый) при скорости нарастания 50 В / мкс при однополярном или биполярном размахе напряжения 200 V. Поскольку уровни рассеяния могут быть очень высокими, диаграмма SOA этого устройства является критическим элементом в конструкции системы, охватывая как постоянный, так и импульсный режимы (рисунок 11).

    Рисунок 11: SOA для высоковольтного (± 100 В), сильноточного (80/40 А) усилителя, такого как PA52 от Apex Microtechnology, варьируется в широком диапазоне в зависимости от того, работает ли он в установившемся режиме или импульсный режим. (Источник изображения: Apex Microtechnology)

    Для PA52 разработчики, скорее всего, захотят добавить внешний резистор измерения тока на стороне высокого напряжения между выходом и нагрузкой для измерения выходного тока и, таким образом, оценки мощности. Размер этого резистора всегда является компромиссом между высоким значением сопротивления и более низким значением сопротивления.Более высокое сопротивление обеспечивает больший сигнал и более высокое отношение сигнал / шум (SNR), в то время как более низкое сопротивление сводит к минимуму саморассеяние резистора и снижение выдаваемой выходной мощности.

    Хорошей отправной точкой является выбор такого номинала резистора, чтобы развиваемое на нем напряжение составляло 100 мВ при максимальном токе нагрузки. Кроме того, чувствительная схема должна быть совместима с высокими синфазными напряжениями (CMV). В большинстве случаев изолированная цепь считывания является необходимостью по нескольким причинам: целостность воспринимаемого сигнала, защита остальной схемы и безопасность пользователя.

    Вопросы снабжения и регулирования

    Усилитель высокого напряжения - это гораздо больше, чем просто схема и спецификация, так как особенности его физического расположения становятся критическими. Для цепей, работающих выше примерно 60 В, существуют проблемы и стандарты безопасности (фактическое значение зависит от конечного приложения и страны / региона). Для этих конструкций с более высоким напряжением пользователи должны решить, как отделить более высокие напряжения от более низких, более безопасных. Это может включать одно или несколько механических средств, таких как барьеры, блокировки, изоляция или промежутки.

    Кроме того, компоновка должна соответствовать нормативным требованиям в отношении минимальных размеров пути утечки и зазоров для компонентов и дорожек на печатной плате, чтобы исключить возникновение дуги и пробоя. Эти размеры зависят от напряжения и ожидаемой рабочей среды (влажность и пыль по сравнению с чистой сухой средой). Возможно, имеет смысл использовать консультанта, который является экспертом в этих областях, поскольку стандарты сложны со многими тонкостями, в то время как формальный процесс утверждения требует как анализа макета проекта, конструкции, материалов, размеров и материалов, так и доказательства. модель для теста.

    В принципе, источник питания переменного / постоянного или постоянного / постоянного напряжения низкого и высокого напряжения прост и может быть построен с использованием двухполупериодного выпрямителя (для переменного тока) вместе со схемой умножителя напряжения, состоящей из диодов и конденсаторов. Однако при проектировании источников высокого напряжения возникает множество практических вопросов, таких как обеспечение правильного номинального напряжения этих пассивных устройств.

    Равномерное размещение предложения - проблема. В приложениях, которые имеют только источник низкого напряжения (порядка десятков вольт или меньше), может иметь смысл проложить провода более низкого напряжения к заблокированному умножителю напряжения, расположенному рядом с функциями операционного усилителя высокого напряжения.Однако потребление тока при более низком напряжении означает дополнительное падение сопротивления тока (IR) и потери мощности I 2 R в этих проводах, что может перевесить преимущества разделения. Другой вариант - проложить высоковольтные провода на расстояние, таким образом уменьшая потери, но добавляя к безопасности и нормативным ограничениям.

    Решение "производить против покупки"

    Независимо от размещения, если команда разработчиков не обладает знаниями и опытом, обычно имеет смысл купить источник высокого напряжения, а не пытаться спроектировать и построить его.С этими расходными материалами связано много проблем, и получить сертификат сложно. Блок питания делает гораздо больше, чем просто принимает входное напряжение и преобразует его в желаемый выходной сигнал:

    • Должен быть точным и стабильным
    • Он должен соответствовать требованиям к характеристикам пульсаций и переходных процессов
    • Он должен включать различные функции защиты и отключения.
    • Он должен соответствовать стандартам EMI
    • Может также потребоваться гальваническая развязка

    Существует множество доступных источников питания с более высоким напряжением, от слаботочных моделей до тех, которые могут выдавать несколько ампер и более.Например, FS02-15 от подразделения EMCO High Voltage компании XP Power представляет собой изолированный модуль высокого напряжения, установленный на плате компьютера (Рисунок 12). Он имеет размеры 2,25 дюйма в длину, 1,1 дюйма в ширину и высоту 0,5 дюйма (57 мм (мм) x 28,5 мм x 12,7 мм), работает от источника постоянного тока 15 В и обеспечивает напряжение 200 В (± 100 В) при токе 50 мА. Модуль отвечает всем требованиям к производительности и нормативным требованиям, а также включает в себя функции, которые теперь являются стандартными и ожидаются в полнофункциональной поставке.

    Рисунок 12: Стандартные источники питания, такие как FS02-15 от XP Power, которые обеспечивают ± 100 В при 50 мА от шины питания 12 В, устраняют конструктивные и нормативные проблемы, связанные с безопасным обеспечением изолированного питания для высоких операционные усилители напряжения.

    Добавить комментарий

    Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *