Неинвертирующий операционный усилитель схема. Операционные усилители: 10 базовых схем включения и их применение

Какие основные схемы включения операционных усилителей существуют. Как рассчитать параметры неинвертирующего усилителя. В чем отличие инвертирующего усилителя от неинвертирующего. Для чего нужен повторитель напряжения на операционном усилителе. Как работает инвертирующий сумматор.

Неинвертирующий усилитель: простая и эффективная схема усиления сигнала

Неинвертирующий усилитель — одна из наиболее распространенных схем включения операционного усилителя. В этой конфигурации входной сигнал подается на неинвертирующий вход, а цепь отрицательной обратной связи замыкается на инвертирующий вход.

Основные особенности неинвертирующего усилителя:

• Выходной сигнал находится в фазе с входным
• Высокое входное сопротивление
• Коэффициент усиления всегда больше единицы
• Простота расчета коэффициента усиления

Коэффициент усиления неинвертирующего усилителя определяется соотношением резисторов в цепи обратной связи:

K = 1 + R2/R1

Где R1 и R2 — резисторы в цепи обратной связи.

Повторитель напряжения: буфер с единичным усилением

Повторитель напряжения или буфер — это частный случай неинвертирующего усилителя с коэффициентом усиления равным единице. Схема повторителя крайне проста — выход напрямую соединен с инвертирующим входом.

Основные применения повторителя напряжения:

• Согласование высокоомного источника сигнала с низкоомной нагрузкой
• Буферизация сигнала между каскадами
• Развязка источника сигнала от нагрузки

Повторитель обладает очень высоким входным сопротивлением и низким выходным, что позволяет передавать сигнал без искажений и потерь. При этом выходной сигнал в точности повторяет входной.

Инвертирующий усилитель: особенности применения и расчета

В схеме инвертирующего усилителя входной сигнал подается на инвертирующий вход через резистор R1, а неинвертирующий вход заземляется. Цепь отрицательной обратной связи образована резистором R2.

Ключевые отличия инвертирующего усилителя:

• Выходной сигнал находится в противофазе с входным
• Входное сопротивление равно R1
• Коэффициент усиления может быть меньше единицы

Коэффициент усиления инвертирующего усилителя определяется как:

K = -R2/R1

Знак минус означает инверсию фазы выходного сигнала относительно входного.

Дифференциальный усилитель: измерение разности сигналов

Дифференциальный усилитель позволяет измерять разность двух сигналов, поданных на его входы. Эта схема широко применяется для усиления сигналов с датчиков, подавления синфазных помех и в измерительных приборах.

Основные преимущества дифференциального включения:

• Усиление разности сигналов
• Подавление синфазных помех
• Высокий коэффициент ослабления синфазного сигнала

При равных резисторах в плечах схемы коэффициент усиления дифференциального сигнала равен:

K = R2/R1

Где R2 — резистор обратной связи, R1 — входной резистор.

Инвертирующий сумматор: сложение нескольких сигналов

Инвертирующий сумматор позволяет складывать несколько входных сигналов с разными весовыми коэффициентами. Эта схема полезна при необходимости объединения нескольких источников сигнала.

Особенности инвертирующего сумматора:

• Возможность суммирования нескольких сигналов
• Настройка весовых коэффициентов входов
• Инверсия суммарного сигнала

Выходное напряжение сумматора определяется выражением:

Uвых = -(R/R1*U1 + R/R2*U2 + … + R/Rn*Un)

Где R — резистор обратной связи, Rn и Un — входные резисторы и напряжения соответственно.

Источник тока на операционном усилителе

Операционный усилитель может быть использован для построения стабильного источника тока. Такие схемы применяются для питания светодиодов, заряда аккумуляторов и в других случаях, когда требуется стабильный ток через нагрузку.

Преимущества источника тока на ОУ:

• Высокая стабильность выходного тока
• Простота реализации
• Возможность управления током внешним напряжением

В простейшем случае ток через нагрузку определяется выражением:

I = Uоп / R

Где Uоп — опорное напряжение, R — токозадающий резистор.

Интегратор на операционном усилителе

Интегратор выполняет математическую операцию интегрирования входного сигнала. Такие схемы применяются в аналоговых вычислителях, системах управления и обработки сигналов.

Ключевые особенности интегратора:

• Выходное напряжение пропорционально интегралу входного
• Фазовый сдвиг 90 градусов между входом и выходом
• Частотно-зависимое усиление

Передаточная функция идеального интегратора:

K(s) = -1 / (sRC)

Где R и C — резистор и конденсатор в цепи обратной связи.

Компаратор на операционном усилителе

Компаратор сравнивает два входных напряжения и выдает логический сигнал в зависимости от результата сравнения. Это базовый элемент для построения АЦП, систем защиты и контроля.

Основные характеристики компаратора:

• Высокое быстродействие
• Возможность работы с малыми сигналами
• Четкое переключение выходного состояния

Выходное напряжение компаратора определяется соотношением входных напряжений:

Uвых = +Uпит, если U+ > U-

Uвых = -Uпит, если U+ < U-

Где U+ и U- — напряжения на неинвертирующем и инвертирующем входах соответственно.

Фильтры на операционных усилителях

Операционные усилители широко применяются для построения активных фильтров различных типов — ФНЧ, ФВЧ, полосовых и режекторных. Активные фильтры обладают рядом преимуществ перед пассивными RC-цепями.

Достоинства активных фильтров:

• Возможность усиления сигнала
• Высокая крутизна спада АЧХ
• Независимая настройка частоты среза и добротности

Частота среза фильтра первого порядка определяется как:

f = 1 / (2πRC)

Где R и C — резистор и конденсатор в цепи обратной связи.

Неинвертирующий усилитель на ОУ | Практическая электроника

Схема неинвертирующего усилителя на ОУ

Неинвертирующий усилитель является базовой схемой с ОУ. Выглядит он до боли просто:

В этой схеме сигнал подается на НЕинвертирующий вход ОУ.

Итак, для того, чтобы понять принцип работы этой схемы, запомните самое важное правило, которое используется для анализа схем с ОУ: выходное напряжение ОУ стремится к тому, чтобы разность напряжения между его входами была равна нулю.

Принцип работы неинвертирующего усилителя на ОУ

Итак, давайте инвертирующий вход обозначим, буквой A:

Следуя главному правилу ОУ, получаем, что напряжение на инвертирующем входе равняется входному напряжению:

U_A=U_{вх .}   U_A снимается с делителя напряжения, который образован резисторами R1 и R2. Следовательно:

U_A = U_вых R1/(R1+R2)

Так как U_A=U_вх , получаем что U_вх = U_вых R1/(R1+R2).

Коэффициент усиления по напряжению высчитывается как K_U = U_вых /U_вх.

Подставляем сюда ранее полученные значения и получаем, что

K_U = 1+R2/R1.

Как работает неинвертирующий усилитель на ОУ на примере

Это также можно легко проверить с помощью программы Proteus. Схема будет выглядеть вот так:

Давайте рассчитаем коэффициент усиления K_U.  K_U = 1+R2/R1=1+90к/10к=10. Значит, наш усилитель должен ровно в 10 раз увеличивать входной сигнал. Давайте проверим, так ли это. Подаем на неинвертирующий вход синусоиду с частотой в 1кГц и смотрим, что имеем на выходе. Для этого нам потребуется виртуальный осциллограф:

Входной сигнал – это желтая осциллограмма, а выходной сигнал – это розовая осциллограмма:

Как вы видите, входной сигнал усилился ровно в 10 раз. Фаза выходного сигнала осталась такой же. Поэтому такой усилитель называют НЕинвертирующим.

Но, как говорится, есть одно “НО”. На самом же деле в реальном ОУ имеются конструктивные недостатки. Так как Proteus старается эмулировать компоненты, приближенные к реальным, давайте рассмотрим амплитудно-частотную характеристику (АЧХ), а также фазо-частотную характеристику (ФЧХ) нашего операционника LM358.

АЧХ и ФЧХ неинвертирующего усилителя на LM358

На практике, для того, чтобы снять АЧХ, нам надо на вход нашего усилителя подать частоту от 0 Герц и до какого-то конечного значения, а на выходе в это время следить за изменением амплитуды сигнала. В Proteus все это делается с помощью функции Frequency Responce:

По оси Y у нас коэффициент усиления, а по оси Х – частота. Как вы могли заметить, коэффициент усиления почти не изменялся до частоты 10 кГц, потом стал стремительно падать с ростом частоты. На частоте в 1МегаГерц коэффициент усиления был равен единице. Этот параметр в ОУ называется частотой единичного усиления и обозначается как f_1.

То есть по сути на этой частоте усилитель не усиливает сигнал. Что подали на вход, то и вышло на выходе.

[quads id=1]

В проектировании усилителей важен такой параметр, как граничная частота среза f_гр . Для того, чтобы ее вычислить, нам надо знать коэффициент усиления на частоте K_гр:

K_гр= K_Uo / √2 либо = K_Uo х 0,707 , где  K_Uo  – это коэффициент усиления на частоте в 0 Герц (постоянный ток).

Если смотреть на АЧХ, мы увидим, что на нулевой частоте (на постоянном токе) у нас коэффициент усиления равен 10. Вычисляем K_гр.

K_гр = 10 х 0,707 = 7,07

Теперь проводим горизонтальную линию на уровне 7,07 и смотрим пересечение с графиком. У меня получилось около 104 кГц. Строить усилитель с частотой среза, более, чем f_гр не имеет смысла, так как в этом случае выходной сигнал усилителя будет сильно затухать.

Также очень просто определить граничную частоту, если построить график в децибелах. Граничная частота будет находиться на уровне  K_Uo-3dB. То есть в нашем случае на уровне в 17dB. Как вы видите, в этом случае мы также получили частоту среза в 104 кГц.

Ну ладно, с частотой среза вроде бы разобрались. Теперь нам важен такой параметр, как ФЧХ. В нашем случае мы вроде бы как получили НЕинвертирующий усилитель. То есть сдвиг фаз между входным и выходным сигналом должен быть равен нулю. Но  как поведет себя усилитель на высоких частотах (ВЧ)?

Берем такой же диапазон частот от 0 и до 100 МГц и смотрим на ФЧХ:

Как вы видите, до частоты в 1 кГц неинвертирующий усилитель действительно работает как надо. То есть входной и выходной сигнал двигаются синфазно. Но после частоты в 1 кГц, мы видим, что фаза выходного сигнала начинает отставать. На частоте в 100 кГц она уже отстает примерно на 40 градусов.

Для наглядности АЧХ и ФЧХ можно разместить на одном графике:

Также в схемах  с  неинвертирующим  усилителем  часто  вводят  компенсирующий резистор R_K .

Он определяется по формуле:

и служит для того, чтобы обеспечить равенство сопротивлений между каждым из входов и землей. Более подробно мы это разберем в следующей статье.

При участии Jeer

4.05. Неинвертирующий усилитель

Операционные усилители

Основные схемы включения операционных усилителей

Рассмотрим схему на рис. 4.5. Анализ ее крайне прост: U_A = U_вх. Напряжение U_A снимается с делителя напряжения: U_A = U_выхR₁/(R₁ + R₂). Если U_A = U_вх, то коэффициент усиления = U_вых/U_вх = 1 + R₂/R₁. Это неинвертирующий усилитель. В приближении, которым мы воспользуемся, входной импеданс этого усилителя бесконечен (для ОУ типа 411 он составляет 10¹² Ом и больше, для ОУ на биполярных транзисторах обычно превышает 10⁸ Ом). Выходной импеданс, как и в предыдущем случае, равен долям ома. Если, как в случае с инвертирующим усилителем, мы внимательно рассмотрим поведение схемы при изменении напряжения на входах, то увидим, что она работает, как обещано.

Рис. 4.5.

Эта схема также представляет собой усилитель постоянного тока. Если источник сигнала и усилитель связаны между собой по переменному току, то для входного тока (очень небольшого по величине) нужно предусмотреть заземление, как показано на рис. 4.6. Для представленных на схеме величин компонентов коэффициент усиления по напряжению равен 10, а точке — 3 дБ соответствует частота 16 Гц.

Рис. 4.6.

Усилитель переменного тока. Если усиливаются только сигналы переменного тока, то можно уменьшить коэффициент усиления для сигналов постоянного тока до единицы, особенно если усилитель обладает большим коэффициентом усиления по напряжению. Это позволяет уменьшить влияние всегда существующего конечного «приведенного ко входу напряжения сдвига». Для схемы, представленной на рис. 4.7, точке — 3 дБ соответствует частота 17 Гц; на этой частоте импеданс конденсатора равен 2,0 кОм. Обратите внимание, что конденсатор должен быть большим. Если для построения усилителя переменного тока использовать неинвертирующий усилитель с большим усилением, то конденсатор может оказаться чрезмерно большим. В этом случае лучше обойтись без конденсатора и настроить напряжение сдвига так, чтобы оно было равно нулю (этот вопрос мы рассмотрим позже в разд. 4.12). Можно воспользоваться другим методом — увеличить сопротивления резисторов R₁ и R₂ и использовать Т-образную схему делителя (разд. 4.18).

Несмотря на высокий входной импеданс, к которому всегда стремятся разработчики, схеме неинвертируюпдего усилите тя не всегда отдают предпочтение перед схемой инвертирующего усилителя. Как мы увидим в дальнейшем, инвертирующий усилитель не предъявляет столь высоких требований к ОУ и, следовательно, обладает несколько лучшими характеристиками. Кроме того, благодаря мнимому заземлению удобно комбинировать сигналы без их взаимного влияния друг на друга. И наконец, если рассматриваемая схема подключена к выходу (стабильному) другого ОУ, то величина входного импеданса для вас безразлична — это может быть 10 кОм или бесконечность, так как в любом случае предыдущий каскад будет выполнять свои функции по отношению к последующему.

Рис. 4.7.

Калейдоскоп схем на операционных усилителях

10 схем на (почти) все случаи жизни

Всем привет!
В последнее время я по большей части ушел в цифровую и, отчасти, в силовую электронику и схемы на операционных усилителях использую нечасто. В связи с этим, повинуясь неуклонному закону полураспада памяти, мои знания об операционных усилителях стали постепенно тускнеть, и каждый раз, когда все-таки надо было использовать ту или иную схему с их участием, мне приходилось гуглить ее расчет или искать его в книгах. Это оказалось не очень удобно, поэтому я решил написать своего рода шпаргалку, в которой отразил наиболее часто используемые схемы на операционных усилителях, приведя их расчет, а также результаты моделирования в LTSpice.

Введение

В рамках данной статьи будет рассмотрено десять широко используемых схем на операционных усилителя. При написании данной статьи я исходил из того, что читатель знает, что такое операционный усилитель и хотя бы в общих чертах представляет, как он работает. Также предполагается, что ему известны базовые вещи теории электрических цепей, такие как закон Ома или расчет делителя напряжения.
Не следует воспринимать эту статью как законченное руководство по применению операционных усилителей в любых ситуациях. Для большого количества задач, действительно, этих схем может быть достаточно, однако в сложных проектах всегда может потребоваться что-то нестандартное.

1. Неинвертирующий усилитель

Неинвертирующий усилитель – наверное, наиболее часто встречающаяся схема включения операционного усилителя, она приведена на рисунке ниже.
В этой схеме усиливаемый сигнал подается на неинвертирующий вход операционного усилителя, а сигнал с выхода через делитель напряжения попадает на инвертирующий вход.
Расчет этой схемы прост, он строится исходя из того, что операционный усилитель, охваченный петлей обратной связи, отрабатывает входное воздействие таким образом, чтобы напряжение на инвертирующем входе было равно напряжению на неинвертирующем:

Из этой формулы легко получается коэффициент усиления неинвертирующего усилителя:

Рассчитаем и промоделируем неинвертирующий усилитель со следующими параметрами:

• Операционный усилитель LT1803
• Коэффициент усиления
• Частота входного сигнала
• Амплитуда входного сигнала
• Постоянна составляющая входного сигнала

Выберем из ряда Е96 и . Тогда коэффициент усиления будет равен

Результат моделирования данной схемы приведен на рисунке (картинка кликабельна):
Давайте теперь рассмотрим граничные случаи этого усилителя. Допустим, величина сопротивления резистора . При этом мы получим, что коэффициент усиления будет стремиться к бесконечности. На самом деле, конечно, это хоть и очень большая, но все-таки конечная величина, она обычно приводится в документации на микросхему конкретного операционного усилителя. С другой стороны, величина выходного напряжения реального операционного усилителя даже при бесконечно большом коэффициенте усиления не может быть бесконечно большой: она ограничена напряжением питания микросхемы. На практике она зачастую даже несколько меньше, за исключением некоторых типов усилителей, которые отмечены как rail-to-rail. Но в любом случае не рекомендуется загонять операционные усилители в предельные состояния: это приводит к насыщению их внутренних выходных каскадов, нелинейным искажениям и перегрузкам микросхемы. Поэтому данный предельный случай не несет какой-то практической пользы.
Гораздо больший интерес представляет собой другой предельный случай, когда величина сопротивления . Его мы рассмотрим в следующем разделе.

2. Повторитель

Как уже говорилось ранее, включение операционного усилителя по схеме повторителя – это предельный случай неинвертирующего усилителя, когда один из резисторов имеет нулевое сопротивление. Схема повторителя приведена на рисунке ниже.
Как видно из формулы, приведенной в прошлом разделе, коэффициент передачи для повторителя равен единице, то есть выходной сигнал в точности повторяет входной. Зачем же вообще нужен операционный усилитель в таком случае? Он выступает в роли буфера, обладая высоким входным сопротивлением и маленьким выходным. Когда это бывает нужно? Допустим, мы имеем какой-то источник сигнала с большим выходным сопротивлением и хотим этот сигнал без искажения передать на относительно низкоомную разгрузку. Если мы это сделаем напрямую, без каких бы то ни было буферов, то неизбежно потеряем какую-то часть сигнала. Убедимся в этом с помощью моделирования схемы со следующими основными параметрами:

• Выходное сопротивление источника сигнала 10 кОм
• Сопротивление нагрузки 1 кОм
• Частота входного сигнала
• Амплитуда входного сигнала
• Постоянна составляющая входного сигнала

Моделирования будем проводить для двух случаев: в первом случае пусть источник сигнала работает на нагрузку через повторитель, а во втором случае — напрямую.
Результаты моделирования приведены на рисунке ниже (картинка кликабельна): на верхней осциллограмме выходной и входной сигналы в точности совпадают друг с другом, тогда как на нижней сигнал на выходе в несколько раз меньше по амплитуде относительно сигнала на входе.
Вместо повторителя на операционном усилителе можно также использовать и эмиттерный повторитель на транзисторе, не забывая, однако, про присущие ему ограничения.

3. Инвертирующий усилитель (классическая схема)

В схеме инвертирующего усилителя входной сигнал подается на инвертирующий вывод микросхемы, на него же заведена и обратная связь. Неинвертирующий вход при этом подключается к земле (иногда к источнику смещения). Типовая схема инвертирующего усилителя приведена на рисунке ниже.
Для входной цепи инвертирующего усилителя можно записать следующее выражение:

Где — напряжение на инвертирующем входе операционного усилителя.
Поскольку операционный усилитель, охваченный петлей обратной связи, стремится выровнять напряжения на своих входах, то , и при заземленном неинвертирующем входе получаем

Отсюда коэффициент усиления инвертирующего усилителя равен

По инвертирующему усилителю можно сделать следующие выводы:

1. Инвертирующий усилитель инвертирует сигнал. Это значит, что необходимо применение двухполярного питания.
2. Величина модуля коэффициента усиления инвертирующего усилителя равна отношению резисторов цепи обратной связи. При равенстве номиналов двух резисторов коэффициент усиления равен -1, т.е. инвертирующий усилитель работает просто как инвертор сигнала.
3. Величина входного сопротивления инвертирующего усилителя равна величине резистора R1. Это важно, потому что при маленьких значениях R1 может сильно нагружаться предыдущий каскад.

Для примера рассчитаем инвертирующий усилитель со следующими параметрами:

• Операционный усилитель LT1803
• Коэффициент усиления
• Частота входного сигнала
• Амплитуда входного сигнала
• Постоянна составляющая входного сигнала

В качестве резисторов в цепи обратной связи выберем резисторы номиналами и : их отношение как раз равно десяти.
Результаты моделирования усилителя приведены на рисунке (картинка кликабельна).
Как видим, выходной сигнал в 10 раз больше по амплитуде, чем входной, и при этом проинвертирован.
Входное сопротивление данной схемы равно . А что будет, если источник сигнала будет иметь значительное выходное сопротивление, допустим, эти же 10 кОм? Результат моделирования этого случая представлен на рисунке ниже (картинка кликабельна).
Амплитуда выходного сигнала просела в два раза по сравнению с предыдущим случаем! Очевидно, что это все из-за того, что выходное сопротивление генератора в этом случае равно входному сопротивлению инвертирующего усилителя. Таким образом, стоит всегда помнить про эту особенность инвертирующего усилителя. Как же быть, если все-таки требуется обеспечить работу источника сигнала с высоким выходным сопротивлением на инвертирующий усилитель? В теории надо увеличивать сопротивление R1. Однако одновременно с эти будет расти и сопротивление R2. Если мы хотим обеспечить входное сопротивление схемы в 500 кОм при коэффициенте усиления 10, резистор R2 должен иметь сопротивление в 5 МОм! Такие большие номиналы сопротивлений применять не рекомендуется: схема будет очень чувствительной к наводкам, пыли и флюсу на печатной плате. Есть ли какие-то выходы из этой ситуации? На самом деле да. Можно, например, использовать буфер-повторитель, который мы рассмотрели в прошлом разделе. А можно еще применить схему с Т-образным мостом в обратной связи, про нее поговорим в следующем разделе.

4. Инвертирующий усилитель с Т-образным мостом в цепи ОС

Схема инвертирующего усилителя с Т-образным мостом в цепи обратной связи приведена на рисунке ниже.
Коэффициент усиления этой схемы равен

Рассчитаем усилитель со следующими параметрами:
Расчет показывает, что следящие номиналы резисторов должны сформировать усилитель с Т-образным мостом, отвечающий заявленным требованиям:

Результаты моделирования схемы усилителя приведены на рисунке ниже (картинка кликабельна).
Попробуем теперь подключить источник с выходным сопротивлением 10 кОм, как мы это сделали в предыдущем разделе. Получим такую картинку (кликабельно):
Выходной сигнал практически не изменился по амплитуде по сравнению с предыдущим моделированием, и это ни в какое сравнение не идет с тем, насколько он проседал в схеме простого инвертирующего усилителя без Т-моста. Кроме того, как мы видим, эта схема позволяет обойтись без мегаомных резисторов даже при больших коэффициентах усиления и значительном входном сопротивлении.

5. Инвертирующий усилитель в схемах с однополярным питанием

Схемы с однополярным питанием распространены гораздо больше, чем схемы с двухполярным. Вместе с тем, как мы выяснили в прошлых двух разделах, при использовании схемы инвертирующего усилителя у нас меняется знак выходного напряжения, что влечет за собой обязательное применение двухполярного источника питания. Можно ли как-то обойти это ограничение и использовать инвертирующий усилитель в схемах с однополярным питанием? На самом деле можно, для этого надо на неинвертирующий вход усилителя подать напряжение смещения как показано на рисунке ниже Примечание

Позиционные обозначения R1 и R2 показаны условно. Они одни и те же для разных резисторов на схеме, что, конечно, невозможно для реальной схемы, однако допускается на рисунке для подчеркивания того, что эти резисторы имеют одинаковые номиналы.

Расчет этой схемы строится все на том же принципе равенства напряжений на инвертирующем и неинвертирующем входах усилителя. Ток через цепочку резисторов R1-R2 инвертирующего плеча равен

Отсюда напряжения на инвертирующем входе равно

Напряжение на неинвертирующем входе равно

Исходя из принципа равенства напряжения на инвертирующем и неинвертирующем входах получаем

Таким образом, напряжение на выходе операционного усилителя равно

Отсюда делаем вывод, что для корректной работы напряжения смещения должно быть больше максимального входного напряжения с учетом подаваемого на вход напряжения смещения.
Промоделируем схему инвертирующего усилителя со следующими параметрами:
Результаты моделирования приведены на рисунке ниже (картинка кликабельна)
Как видим, мы получили усиленный в 10 раз инвертированный сигнал, при этом сигнал проинвертировался, однако, не залез в отрицательную область.

6. Инвертирующий сумматор

Операционный усилитель можно использовать для суммирования различных сигналов. С помощью резисторов можно задавать «вес» каждого из сигнала в общей сумме. Схема инвертирующего сумматора приведена на рисунке ниже.
Расчет инвертирующего сумматора очень прост и основывается на принципе суперпозиции: суммарный выходной сигнал равен сумме отдельных составляющих:

Рассчитаем и произведем моделирование инвертирующего сумматора со следующими параметрами:
Для обеспечения требуемых «весов» , и выберем сведущие номиналы резисторов из ряда Е96:

Результат моделирования приведен на рисунке ниже (картинка кликабельна).
Видим, что выходной сигнал проинвертирован и усилен в соответствии с выражением, приведенным выше. Однако стоит всегда помнить, что приведенное выше выражение верно для постоянных напряжений (либо же мгновенных значений переменного сигнала). Если же сдвинуть сигналы по фазе или если они будут обладать разной частотой, то результат будет совершенно другим. Аналитически его можно рассчитать, воспользовавшись формулами преобразования тригонометрических выражений (в случае, если мы имеем дело с синусоидальными сигналами). В качестве примера на рисунке ниже приведен результат моделирования инвертирующего сумматора для случая сдвинутых по фазе входных сигналов (изображение кликабельно).
Как видим, итоговый сигнал не превышает по амплитуде сигнал , а также имеет в начальной части артефакты, вызванные постепенным появлениями сигналов на входах.
Необходимо также помнить, что инвертирующий сумматор – по сути все тот же инвертирующий усилитель, и его входное сопротивление определяется величиной резистора в цепи обратной связи, поэтому его надо аккуратно применять в случаях, если источник сигнала имеет большое выходное сопротивление.

7. Дифференциальный усилитель

Дифференциальный усилитель предназначен для усиления разности сигналов, поступающих на его входы. Такое включение усилителей широко используется, например, для усиления сигнала с резистора-шунта-датчика тока. Что немаловажно, операционный усилитель в таком включении помимо, собственно, усиления сигнала, давит синфазную помеху.
Схема дифференциального усилителя приведена на рисунке.

Для дифференциального усилителя можно записать следующие выражения:

Решая эту систему уравнений, получаем

Если мы примем, что

то данное выражение упрощается и преобразуется в

Таким образом, коэффициент усиления дифференциального сигнала определяется отношением R2 к R1.
Эта формула (да и сама схема включения дифференциального усилителя) очень похожа на рассмотренный ранее случай инвертирующего усилителя в схеме с однополярным питанием. Действительно, все так и есть: схема инвертирующего усилителя с однополярным питанием и напряжением смещения есть частный случай дифференциального усилителя, просто в ней на один из входов подается не какой-то переменный сигнал, а постоянное напряжение.
Произведем моделирование схемы со следующими параметрами:
Результаты моделирования приведены на рисунке ниже (изображение кликабельно).
Как видим, разница между сигналами и в 5 мВ оказалась усиленной в 50 раз и стала 250 мВ.
Посмотрим теперь, как дифференциальный усилитель давит синфазную помеху. Для этого подключим к сигналам и общий генератор белого шума и произведем моделирование, его результаты представлены на рисунке (картинка кликабельна).
На верхней осциллограмме приведены сигналы и с добавленной помехой: самого сигнала уже даже не видно за шумами. На нижней осциллограмме приведен результат работы дифференциального усилителя. Поскольку помеха одна и та же для инвертирующего и неинвертирующего входа, дифференциальный усилитель ее убирает, и в результате мы имеем чистый сигнал, не отличающийся от случая без помехи. Однако стоит все же помнить, что способность операционного усилителя давить синфазную помеху не бесконечна, данный параметр обычно приводится в документации на операционный усилитель. Кроме того, нельзя забывать и про величину входного сопротивления дифференциального усилителя со стороны инвертирующего входа: оно по-прежнему может быть невелико.

8. Источник тока

Операционный усилитель при определенном включении может работать как источник тока. Источник тока поддерживает постоянный ток вне зависимости от величины сопротивления нагрузки (в идеальном источнике нагрузка может быть вообще любая, в реальном – не больше какой-либо величины, пропорциональной максимально возможному напряжению, которое может сформировать на ней источник тока). Возможно как минимум две схемы источника тока на операционном усилителе: с плавающей нагрузкой и с заземленной нагрузкой. Схема источника тока с плавающей нагрузкой предельно проста и приведена на рисунке ниже
Как видим, на неинвертирующий вход подается опорное напряжение, а в роли нагрузки выступает один из элементов обратной связи. Величина тока при этом определяется следующим выражением

Однако все-таки чаще требуется, чтобы нагрузка была заземлена. В этому случае схема немного усложняется: потребуется дополнительный транзистор. Для этих целей лучше брать полевой транзистор: у биполярного транзистора токи коллектора и эмиттера немного отличаются из-за тока базы, что приведет к менее стабильной работе источника тока. Схема источника тока на операционном усилителе с заземленной нагрузкой приведена на рисунке ниже
Величина тока рассчитывается так:

Произведем расчет и моделирование источника тока со следующими параметрами:

• Операционный усилитель LT1803
• Величина силы тока
• Величина сопротивления нагрузки

Для обеспечения заданных характеристик подойдут следующие номиналы сопротивлений резисторов:

Результат моделирования источника тока с заданными параметрами представлен на рисунке ниже (изображение кликабельно).
На рисунке приведено два графика. Верхний график показывает величину тока через сопротивление нагрузки, и она равна 10 мА. Нижний график показывает напряжение на нагрузке, оно равно 100 мВ. Попробуем теперь изменить сопротивление нагрузки: вместо 10 Ом возьмем 100 Ом и промоделируем (изображение кликабельно):
Как мы видим, через нагрузку течет все тот же самый ток в 10 мА: операционный усилитель отработал изменение нагрузки, повысив на ней напряжение, оно теперь стало равным 1 В. Но в реальности операционный усилитель не сможет поднимать напряжение бесконечно: оно ограничено напряжением источника питания (а зачастую еще и несколько меньше него). Что же будет, если задать сопротивление нагрузки слишком высоким? По сути, источник тока перестает работать. На рисунке ниже пример моделирования источника с сопротивление нагрузки в 1 кОм (изображение кликабельно).
Согласно графику, ток через нагрузку теперь уже никакие не 10 мА, а всего лишь 4 мА. При дальнейшем повышении сопротивления нагрузки ток будет все меньше и меньше.
Дополнительно по приведенным схемам источников тока на операционных усилителях надо отметить, что стабильность выходного тока в них зависит от стабильности напряжения , в связи с этим оно должно быть хорошо стабилизированным. Существуют более сложные схемы, которые позволяют уйти от этой зависимости, но в рамках данной статьи мы их рассматривать не будем.

9. Интегратор на операционном усилителе

Думаю, что все читатели знакомы с классической схемой интегратора на RC-цепочке:
Эта схема чрезвычайно широко используется на практике, однако имеет в себе один серьезный недостаток: выходное сопротивление этой схемы велико и, как следствие, входной сигнал может существенно ослабляться. Для устранения этого недостатка возможно использование операционного усилителя.
Простейшая схема интегратора на операционном усилителе, встречающаяся во всех учебниках, приведена на рисунке ниже.
Как видно из рисунка — это инвертирующий интегратор, т.е. помимо интегрирования сигнала, он меняет также и его полярность. Следует отметить, что это требуется далеко не всегда. Еще один серьезный недостаток этой схемы — конденсатор интегратора накапливает в себе заряд, который надо как-то сбрасывать. Для этого можно либо применять резистор, включенный параллельно с конденсатором (однако необходимо учитывать также его влияние на итоговый сигнал), либо же сбрасывать заряд с помощью полевого транзистора, открывая его в нужные моменты времени. По этой причине я решил рассмотреть более подробно другую схему интегратора с использованием операционного усилителя, которая, на мой взгляд, заслуживает больший практический интерес:
Как видно из рисунка, эта схема представляет собой классический интегратор на RC-цепочке, к которому добавлен повторитель на операционном усилителе: с помощью него решается проблема выходного сопротивления.
Интегратор можно также рассматривать как фильтр нижних частот. Частота среза АЧХ фильтра высчитывается по формуле

Тут стоит обратить внимание на один очень важный момент. Надо всегда помнить, что частота среза, рассчитанная выше, верна только для RC-цепочки и не учитывает частотных свойств самого операционного усилителя. Частотными свойствами операционного усилителя можно пренебречь, если мы попадаем в его рабочий диапазон частот, но если мы вдруг выйдем за него, то итоговая частотная характеристика схемы будет совсем не такой, как мы ожидали. Грубо говоря, если у нас RC-цепочка настроена на 1 МГц, а операционный усилитель позволяет работать до 100 МГц – все хорошо. Но если у нас цепочка на 10 МГц, а операционный усилитель работает до 1 МГц – все плохо.
В качестве примера рассчитаем ФНЧ со следующими параметрами частотой среза АЧХ в 1 МГц. Для такой частоты можно выбрать

• Частота среза АЧХ
• Операционный усилитель LT1803 (Максимальная частота 85 МГц)

Для заданной частоты среза АЧХ подойдут следующие номиналы сопротивления и емкости RC-цепочки:

Результат моделирования приведен на рисунке ниже (изображение кликабельно). На этом рисунке показаны две частотные характеристики: отдельно для RC-цепочки (красная линия) и для всей схемы целиком (RC-цепочка+операционный усилитель, зеленая линия).
Как видно из рисунка, красная и зеленая линии сначала совпадают, а начиная с определенной частоты зеленая идет вниз гораздо круче. Это как раз и объясняется тем, что на частотные свойства схемы начинает оказывать влияние уже сам операционный усилитель.
Ну и поскольку все-таки мы рассматриваем интегратор, то на следующем рисунке (кликабельно) приведена классическая картинка из учебников: интегрирование прямоугольных импульсов. Параметры интегратора те же, какие были в предыдущем моделировании частотной характеристики.

10. Дифференциатор на операционном усилителе

Схема простейшего дифференциатора на RC-цепочке известна ничуть не меньше, чем схема интегратора:
Эта схема имеет все тот же недостаток, связанный с высоким выходным сопротивлением, и для его устранения можно аналогичным образом применить операционный усилитель. Схема инвертирующего дифференциатора получается из схемы инвертирующего интегратора путем замены конденсаторов на резисторы и резисторов на конденсаторы, она приведена на рисунке ниже.

Однако и в этом случае более подробно рассмотрим другую схему, состоящую из классического дифференциатора на RC-цепочке и повторителя на операционном усилителе:

Если интегратор мы рассматривали как простейший фильтр нижних частот, то дифференциатор наоборот – фильтр верхних частот. Частота среза АЧХ считается все по той же формуле

В случае дифференциатора также нельзя забывать про частотные свойства самого операционного усилителя: здесь они выражены даже более ярко, чем в случае с интегратором. Как мы уже убедились в прошлом разделе, начиная с определенной частоты операционный усилитель работает как фильтр нижних частот, тогда как дифференциатор – это фильтр верхних частот. Вместе они будут работать как полосовой фильтр.
В качестве примера рассчитаем ФВЧ с частотой среза АЧХ равной тем же 1 МГц. Для такой частоты можно выбрать все те же номиналы компонентов, которые были в случае ФНЧ:

Результат моделирования приведен на рисунке ниже (картинка кликабельна). На этом рисунке показаны две частотные характеристики: отдельно для RC-цепочки (красная линия) и для всей схемы целиком (RC-цепочка + операционный усилитель, зеленая линия).
Как видно из рисунка, красная и зеленая линии сначала совпадают, а начиная с определенной частоты, зеленая линия идет резко вниз, тогда как красная линия, отражающая работу непосредственно самой RC-цепочки, горизонтальна.
Работа дифференциатор при подаче на его вход прямоугольных импульсов приведена на рисунке ниже (изображение кликабельно).

Заключение

В данной статье мы рассмотрели десять наиболее часто встречающихся схем на операционных усилителях. Операционный усилитель – мощный инструмент в умелых руках, и количество схем, которые можно создать с его помощью, конечно, многократно превосходит то, что было рассмотрено, однако, надеюсь, данный материал будет кому-то полезен и поможет более уверенно использовать этот компонент в своих разработках. Полезные ссылки

1. Хоровиц П., Хилл У. Искусство схемотехники: — Изд. 2-е. — М.: Издательство БИНОМ — 2014. — 704 с
2. Картер Б., Манчини Р. Операционные усилители для всех — М.: Издательский дом «Додэка — XXI» — 2011. — 509 с
3. LT1803

1.7.   Схемы включения операционных усилителей

Дифференциальное включение ОУ

На рис. 1.13 приведена схема дифференциального включения ОУ. Найдем зависимость выходного напряжения ОУ от входных напряжений. Вследствие свойства 1 идеального операционного усилителя (он обладает высоким коэффициентом усиления по напряжению) разность потенциалов между его входами p и n равна нулю.

Соотношение между входным напряжением U₁ и напряжением U_P между неинвертирующим входом и общей шиной определяется коэффициентом деления делителя на резисторах R₃ и R₄:

.               (1.1)

Поскольку напряжение между инвертирующим входом и общей шиной U_N = U_P, ток I₁ определится из соотношения:

.              (1.2)

Вследствие свойства 3 идеального ОУ (обладает малыми входными токами) I₁ = I₂. Выходное напряжение усилителя в таком случае равно:

U_ВЫХ = U_P – I₁R₂                                                   (1.3)

Подставив выражения (1.1) и (1.2) в выражение (1.3), получим:

.                                       (1.4)

При выполнении соотношения R₁R₄ = R₂R₃,

U_ВЫХ = (U₁ – U₂)R₂ / R₁                                       (1.5)

Нетрудно убедиться, что соотношения (1.4), (1.5) справедливы и в случае, если вместо резисторов R₁ и R₂ включены двухполюсники, содержащие в общем случае конденсаторы и катушки индуктивности, с операторным входным сопротивлением, соответственно, Z₁(s) и Z₂(s).

Инвертирующее включение ОУ

При инвертирующем включении неинвертирующий вход ОУ соединяется с общей шиной (рис. 1.14). В этом случае:

.             (1.6)

Таким образом, выходное напряжение усилителя в инвертирующем включении находится в противофазе по отношению к входному. Коэффициент усиления входного сигнала по напряжению этой схемы в зависимости от соотношения сопротивлений резисторов может быть как больше, так и меньше единицы.

Найдем входное сопротивление схемы. Поскольку напряжение на неинвертирующем входе относительно общей шины равно нулю, согласно свойству 1 идеального ОУ входной ток схемы равен:

I₁ = U₂ / R₁.

Следовательно, входное сопротивление схемы R_ВХ = R₁. Поскольку напряжение на неинвертирующем входе усилителя равно нулю, а согласно свойству 1 идеального ОУ разность потенциалов между его входами равна нулю, то инвертирующий вход в этой схеме иногда называют виртуальным (т.е. воображаемым) нулем.

Неинвертирующее включение ОУ

При неинвертирующем включении входной сигнал подается на неинвертирующий вход ОУ, а на инвертирующий вход через делитель на резисторах R₁ и R₂ поступает сигнал с выхода усилителя (рис. 1.15). Здесь коэффициент усиления схемы (K) найдем, положив в выражении (1.4) U₂ = 0, R₃ = 0, R₄ бесконечно велико. Получим:

.              (1.7)

Как видно из выражения (1.7), здесь выходной сигнал синфазен входному. Ко

эффициент усиления по напряжению не может быть меньше единицы. В предельном случае, если выход ОУ накоротко соединен с инвертирующим входом, этот коэффициент равен единице. Такие схемы называют неинвертирующими повторителями, и изготавливают серийно в виде отдельных интегральных микросхем (ИМС) по нескольку усилителей в одном корпусе. Входное сопротивление этой схемы в идеале – бесконечно. Ниже будет показано, что у повторителя на реальном операционном усилителе это сопротивление конечно, хотя и весьма велико.

Входное сопротивление схемы

Благодаря наличию обратной связи к сопротивлению r_Д (рис. 1.16) приложено очень малое напряжение:

,

где  – коэффициент передачи делителя в цепи обратной связи.

rono.ru/wp-content/image_post/micrshema/pic16_3.gif> Таким образом, через это сопротивление протекает только ток, равный  U₁/r_Д(1 + β K_U). Поэтому дифференциальное входное сопротивление, благодаря действию обратной связи, умножается на коэффициент 1+ K_Uβ. Согласно рис. 1.16, для результирующего входного сопротивления схемы имеем:

R_ВХ =  r_Д(1 + K_U β) || r_ВХ.

Эта величина даже для операционных усилителей с биполярными транзисторами на входах превышает 10⁹ Ом. Следует, однако, помнить, что речь идет исключительно о дифференциальной величине. Это значит, что изменения входного тока малы, тогда как среднее значение входного тока может принимать несравненно большие значения.

Выходное сопротивление схемы

Реальные операционные усилители довольно далеки от идеала в отношении выходного сопротивления. Так, рассмотренный ОУ типа µА741 (см. рис. 1.16) имеет r_ВЫХ порядка 1 кОм. Оно, правда, в значительной степени уменьшается применением отрицательной обратной связи по напряжению. Снижение выходного напряжения схемы, вызванное падением напряжения на r_ВЫХ при подключении нагрузки, передается на n-вход усилителя через делитель напряжения R₁, R₂. Возникающее при этом увеличение дифференциального напряжения компенсирует изменение выходного напряжения. Выходное сопротивление операционного усилителя, не охваченного обратной связью, определяется из выражения:

.

Для усилителя, охваченного обратной связью, в соответствии со схемой (см. рис. 1.16, полученная формула принимает вид:

.                                                (1.8)

При работе усилителя, охваченного обратной связью, значение U_Д не остается постоянным, а изменяется на величину:

dU_Д = – dU_Д = – β dU_ВЫХ.                                       (1.9)

Для усилителя с линейной передаточной характеристикой изменение выходного напряжения составляет:

dU_ВЫХ = K_UdU_Д – r_ВЫХ dI_ВЫХ.

Значением тока, ответвляющегося в делитель напряжения обратной связи в данном случае можно пренебречь. Подставив в последнее выражение величину dU_Д из выражения (1.9) с учетом выражения (1.8), получим искомый результат:

.

Если, например, β = 0,1, что соответствует усилению входного сигнала в 10 раз, а K_U =10⁵ , то выходное сопротивление усилителя µА741 снизится с 1 кОм до 0,1 Ом. Все изложенное справедливо в пределах полосы пропускания усилителя (f_П), которая для µА741 составляет всего только 10 Гц. На более высоких частотах выходное сопротивление ОУ с обратной связью будет увеличиваться,  так как  величина |K_U| с ростом частоты будет уменьшаться со скоростью 20 дБ на декаду (см. рис. 1.12). При этом оно приобретает индуктивный характер и на частотах более f_Т становится равным выходному сопротивлению усилителя без обратной связи.

Предупреждение частых ошибок при разработке схем с ОУ и ИУ

Отсутствует цепь для отвода тока смещения при связи по переменному току

Одна из наиболее распространенных ошибок при применении связи по переменному току в схемах с операционными или инструментальными усилителями — это отсутствие цепи постоянного тока для стекания тока смещения. На рис. 1 включение последовательно с неинвертирующим входом (+) ОУ конденсатора для связи по переменному току является простым способом не пропустить постоянную составляющую, имеющуюся во входном напряжении (V_IN). Это особенно полезно для схем с большим усилением, где даже небольшое постоянное напряжение на входе может ограничить динамический диапазон или вызвать насыщение выхода. Однако емкостная связь на высокоомном входе приведет к неприятностям, если не обеспечить цепь постоянному току, текущему в неинвертирующий вход или из него.

Рис. 1. Неработоспособная схема на ОУ со связью по переменному току

В такой схеме входные токи смещения будут течь через разделительный конденсатор, заряжая его, пока синфазное напряжение на входе не достигнет максимально допустимого значения или пока выход не достигнет предельного напряжения. В зависимости от направления входного тока смещения конденсатор будет заряжаться или до положительного, или до отрицательного напряжения питания. Напряжение смещения усиливается коэффициентом усиления при замкнутой ОС по постоянному току.

Этот процесс может занять длительное время. Например, усилитель с полевыми транзисторами на входе с током смещения 1 пА с конденсатором развязки 0,1 мкФ будет заряжаться со скоростью I/C 10^–12/10^–7 = 10 мкВ/с или 600 мкВ в минуту. Если коэффициент усиления равен 100, выходное напряжение будет меняться на 0,06 В в минуту. Таким образом, испытания в лаборатории (с помощью осциллографа с входом по переменному току) могут не выявить эту проблему, и схема будет работоспособна в течение нескольких часов. Разумеется, очень важно не допустить подобной проблемы.

На рис. 2 показано решение этой весьма распространенной задачи. Для обеспечения цепи протекания тока смещения здесь вход ОУ соединен с «землей» с помощью резистора. Для минимизации входных напряжений смещения, вызванных токами смещения, которые отслеживают друг друга в биполярных ОУ, сопротивление резистора R1 выбирают равным сопротивлению параллельно включенных R2 и R3.

Рис. 2. Правильный подход к обеспечению связи по переменному току входа ОУ при работе с двухполярным питанием

Однако отметим, что данный резистор будет всегда привносить в схему некоторый шум, так что должен быть компромисс между входным импедансом схемы, требуемой емкостью входного развязывающего конденсатора, и тепловым шумом, добавляемым резистором. Типичные значения сопротивления резистора лежат в диапазоне от 100 кОм до 1 МОм.

Аналогичная проблема может иметь место и в схеме с инструментальным усилителем. На рис. 3 показана схема с ИУ с двумя разделительными конденсаторами, не обеспечивающая цепь для протекания входного тока смещения. Эта проблема обычна для инструментальных усилителей, работающих как в схеме с двухполярным питанием (рис. 3a), так и в схеме с одним источником питания (рис. 3б).

Рис. 3. Примеры неработоспособных схем со связью по переменному току на ИУ:
а) двухполярный источник питания;
б) однополярный источник питания

Подобная проблема может возникнуть и при трансформаторной связи, как на рис. 4, если нет цепи для постоянного тока на «землю» на стороне вторичной обмотки трансформатора.

Рис. 4. Неработоспособная схема с трансформаторной связью на ИУ

Простые решения этих проблем показаны на рис. 5 и 6. Здесь между каждым входом и «землей» добавлены высокоомные резисторы R_A и R_B. Это простое и практичное решение для схем на ИУ с двухполярным питанием.

Рис. 5. Высокоомный резистор между каждым входом и общим проводом необходим для пути возврата тока смещения на «землю»:
a) двухполярное питание;
б) однополярное питание

 

Рис. 6. Правильный способ трансформаторной связи со входами ИУ

Эти резисторы обеспечивают путь для стекания входного тока смещения на «землю». В схеме с двухполярным источником питания (рис. 5a) теперь оба входа связаны по постоянному току с «землей». В схеме с однополярным питанием на рис. 5б оба входа соединены или с «землей» (при V_CM, подключенной к «земле»), или с напряжением смещения, обычно равным половине максимального размаха входного напряжения.

Точно такой принцип может быть использован для входов с трансформаторной связью (рис. 6), за исключением случая, когда обмотка трансформатора имеет среднюю точку. Средняя точка трансформатора может быть соединена с «землей» или с V_CM.

В этих схемах погрешность в виде небольшого напряжения смещения нуля возникает из-за несовпадения номиналов входных резисторов или несовпадения входных токов смещения. Для минимизации таких погрешностей между двумя резисторами можно подключить третий резистор с величиной сопротивления около 1/10 сопротивления этих двух (но больше, чем дифференциальное сопротивление источника), таким образом шунтируя эти резисторы.

 

Подача опорного напряжения на ОУ, ИУ и АЦП

На рис. 7 приведена схема с однополярным питанием, в которой напряжение на несимметричный вход аналого-цифрового преобразователя (АЦП) подается с инструментального усилителя. Опорное напряжение усилителя обеспечивает напряжение смещения, соответствующее нулевому дифференциальному входному напряжению, а опорное напряжение АЦП обеспечивает коэффициент масштабирования. Для снижения внеполосного шума между выходом ИУ и входом АЦП часто применяется простой сглаживающий RC-фильтр нижних частот. Разработчики часто соблазняются простыми решениями — например, для подачи опорного напряжения на ИУ и АЦП применяют резистивные делители вместо низкоомного источника. Для некоторых ИУ это может послужить причиной появления погрешности.

Рис. 7. Типичная схема подачи сигнала с ИУ на АЦП с однополярным питанием

 

 

Корректная подача опорного напряжения в ИУ

Часто полагают, что вход для подачи опорного напряжения высокоомный (поскольку это вход). Так, разработчики могут соблазниться подключить высокоомный источник, например резистивный делитель, к выводу ИУ для опорного напряжения. С некоторыми типами инструментальных усилителей это может привести к значительным погрешностям (рис. 8).

Рис. 8. Неправильное использование простого делителя напряжения для непосредственной подачи опорного напряжения в инструментальный усилитель из трех ОУ

Например, в конструкции популярного ИУ применено три ОУ, соединенных, как показано выше. Общий коэффициент усиления равен:

где R₂/R₁ = R₄/R₃.

Коэффициент передачи для входа опорного напряжения равен единице (при подаче напряжения от источника с низким импедансом). Однако в рассматриваемом случае вывод опорного напряжения ИУ подключен к простому делителю напряжения на резисторах. Это приводит к разбалансу схемы вычитания и нарушает коэффициент деления делителя напряжения. В свою очередь, это снижает коэффициент подавления синфазного сигнала в ИУ и точность его коэффициента усиления. Однако если бы внутренний резистор R4 был нам доступен, то при снижении его сопротивления на величину, равную параллельному соединению двух резисторов делителя напряжения (здесь 50 кОм), схема вела бы себя так, будто к изначальному сопротивлению резистора R4 подключен низкоомный источник, равный (в данном примере) половине напряжения питания, и точность схемы вычитания была бы сохранена.

Этот подход невозможен, если ИУ — интегральная схема в закрытом корпусе. Еще одна проблема заключается в том, что температурные коэффициенты сопротивления (ТКС) внешних резисторов делителя отличаются от ТКС резистора R4 и других резисторов схемы вычитания. И, наконец, такой подход не позволяет регулировать значение опорного напряжения. Если, с другой стороны, попытаться использовать в делителе напряжения низкоомные резисторы, чтобы влияние их добавленного сопротивления было бы пренебрежимо малым, то ток потребления от источника питания и рассеиваемая мощность схемы увеличатся. В любом случае, такой метод «грубой силы» не приносит успеха.

На рис. 9 показано лучшее решение — применение буфера на ОУ с малым потреблением энергии между делителем напряжения и входом опорного напряжения ИУ. Это ликвидирует необходимость подбора сопротивления и проблему резисторов с разными ТКС, а также дает возможность легко регулировать опорное напряжение.

Рис. 9. Подача опорного напряжения на ИУ с низкоимпедансного выхода ОУ

 

 

Сохранение коэффициента ослабления отклонений напряжения источника питания (КОНИП) при формировании опорного напряжения для усилителей делителями из напряжения источника питания

Часто при анализе не учитывается тот факт, что любой шум, импульсные помехи и дрейф напряжения источника питания V_S, подаваемого на вход опорного напряжения напрямую, добавляются к выходному напряжению, ослабленные только коэффициентом деления делителя. Практические решения включают в себя развязывание конденсаторами, фильтрацию и, возможно, даже генерацию опорного напряжения прецизионными интегральными схемами, например ADR121, вместо ответвления напряжения V_S.

Этот анализ особенно важен, когда разрабатываемые схемы содержат и операционные, и инструментальные усилители. Методика ослабления отклонений питающего напряжения применяется для того, чтобы изолировать усилитель от помех, шумов и других кратковременных изменений напряжения, присутствующих на шине питания. Это важно, потому что многие практические схемы содержат, подключаются или существуют в окружении далеко не идеальных источников напряжений питания. Кроме того, существующие на шинах питания переменные составляющие могут проникнуть в схему, усилиться и при нормальных условиях возбуждать паразитные колебания.

Современные операционные и инструментальные усилители обеспечивают значительное ослабление низкочастотных отклонений напряжения источника питания. У разработчиков это считается как бы само собой разумеющимся. Многие современные ОУ и ИУ имеют в спецификациях значение КОНИП 80 и даже более 100 дБ, что ослабляет действие флуктуаций напряжения питания от 10 000 до 100 000 раз. Даже весьма умеренный КОНИП в 40 дБ ослабляет влияние флуктуаций питания на усилитель в 100 раз. Тем не менее, высокочастотные блокировочные конденсаторы (которые изображены на рис. 1–7) всегда желательны, и часто без них не обойтись.

Когда разработчики применяют простой резистивный делитель сшины питания и буфер на ОУ для подачи на вход опорного напряжения ИУ, все флуктуации напряжения источника питания проходят через эту схему с небольшим ослаблением и непосредственно добавляются к выходному уровню ИУ. Таким образом, пока не обеспечена низкочастотная фильтрация, высокое значение КОНИП интегральной схемы не дает существенных преимуществ.

На рис. 10 к делителю напряжения добавлен конденсатор, отфильтровывающий флуктуации напряжения питания в выходном напряжении и позволяющий сохранить значение КОНИП.

Рис. 10. Развязывание цепи опорного сигнала для сохранения КОНИП

Полюс –3 дБ этого фильтра устанавливается сопротивлением параллельно включенных R1/R2 и емкости конденсатора C1. Частота этого полюса должна быть примерно в 10 раз ниже, чем самая низкая частота сигнала.

При параметрах компонентов, приведенных на рисунке, спад –3 дБ будет на частоте 0,03 Гц. Конденсатор с маленькой емкостью (0,01 мкФ), включенный параллельно R3, минимизирует шумы резистора.

Фильтру для заряда после включения требуется время. При приведенных номиналах время заряда составляет 10–15 с (несколько постоянных времени фильтра, T = R₃C_ƒ = 5 c).

В схеме на рис. 11 предложены дальнейшие улучшения. Здесь буфер на ОУ работает как активный фильтр, что позволяет применить конденсаторы с меньшими емкостями для тех же значений развязывания источника питания. Кроме того, активный фильтр можно сделать высокодобротным, что уменьшит время включения.

Рис. 11. Подача опорного напряжения на вход ИУ с выхода ОУ, включенного в качестве активного фильтра

Результаты испытаний

С указанными на схеме номиналами элементов и при источнике питания 12 В на входе ИУ было обеспечено 6 В опорного отфильтрованного напряжения. При коэффициенте усиления ИУ, равном единице, питающее напряжение 12 В было промодулировано синусоидальным сигналом с размахом 1 В с разными частотами. При этих условиях, при снижении частоты примерно до 8 Гц на экране осциллографа не наблюдалось переменного сигнала на опорном напряжении и на выходе ИУ. При небольших уровнях сигнала на входе ИУ измеренный диапазон напряжений питания для этой схемы составил от 4 до 25 В и более. Время включения схемы примерно 2 с.

 

Развязывание напряжения питания схем на ОУ с однополярным питанием

Чтобы работать с положительными и отрицательными полуволнами переменного сигнала, схемам на ОУ с однополярным питанием требуется синфазное смещение входа. При использовании для реализации такого смещения шины питания, для сохранения значения КОНИП требуется соответствующее развязывание.

Обычной и неправильной практикой для смещения неинвертирующего входа на уровень VS/2 является применение резистивного делителя 100/100 кОм с развязывающим конденсатором емкостью 0,1 мкФ. При таких номиналах элементов развязывание напряжения источника питания недостаточно, так как частота полюса составляет всего 32 Гц. Часто возникает нестабильность схемы (низкочастотная генерация типа «шум мотора»), особенно при работе на индуктивную нагрузку.

Рис. 12. Неинвертирующий усилитель с однополярным питанием с правильным развязыванием источника питания. Коэффициент усиления на средних частотах равен 1+R2/R1

На рис. 12 (неинвертирующая схема) и рис. 13 (инвертирующая схема) показаны улучшенные схемы для получения развязанного напряжения смещения V_S/2. В обеих схемах смещение подведено к неинвертирующему входу, обратная связь приводит инвертирующий вход к той же величине смещения, и единичный коэффициент усиления на постоянном токе смещает оба входа на одинаковое напряжение. Развязывающий конденсатор C1 понижает коэффициент усиления ниже частоты BW3 до единицы.

 

Рис. 13. Инвертирующий усилитель с однополярным питанием с правильным развязыванием источника питания. Коэффициент усиления на средних частотах равен – R2/R1

При использовании делителя 100/100 кОм хорошим эмпирическим правилом является применение конденсатора C2 с емкостью не менее 10 мкФ для получения спада на –3 дБ на частоте 0,3 Гц. Значение емкости 100 мкФ (полюс на частоте 0,03 Гц) достаточно практически для всех схем.

Карта сайта — Мордовский государственный университет им. Н.П. Огарева

Array ( [0] => Array ( [TEXT] => Университет [LINK] => /ru/university/ [SELECTED] => [PERMISSION] => R [ADDITIONAL_LINKS] => Array ( ) [ITEM_TYPE] => D [ITEM_INDEX] => 0 [PARAMS] => Array ( ) [DEPTH_LEVEL] => 1 [IS_PARENT] => ) [1] => Array ( [TEXT] => Образование [LINK] => /ru/education/ [SELECTED] => [PERMISSION] => R [ADDITIONAL_LINKS] => Array ( ) [ITEM_TYPE] => D [ITEM_INDEX] => 1 [PARAMS] => Array ( ) [DEPTH_LEVEL] => 1 [IS_PARENT] => ) [2] => Array ( [TEXT] => Наука и инновации [LINK] => /ru/sci/ [SELECTED] => [PERMISSION] => R [ADDITIONAL_LINKS] => Array ( ) [ITEM_TYPE] => D [ITEM_INDEX] => 2 [PARAMS] => Array ( ) [DEPTH_LEVEL] => 1 [IS_PARENT] => ) [3] => Array ( [TEXT] => Международные связи [LINK] => /ru/international/ [SELECTED] => [PERMISSION] => R [ADDITIONAL_LINKS] => Array ( ) [ITEM_TYPE] => D [ITEM_INDEX] => 3 [PARAMS] => Array ( ) [DEPTH_LEVEL] => 1 [IS_PARENT] => ) [4] => Array ( [TEXT] => Студенту [LINK] => /ru/student/ [SELECTED] => [PERMISSION] => R [ADDITIONAL_LINKS] => Array ( ) [ITEM_TYPE] => D [ITEM_INDEX] => 4 [PARAMS] => Array ( ) [DEPTH_LEVEL] => 1 [IS_PARENT] => ) [5] => Array ( [TEXT] => Абитуриенту [LINK] => /ru/abiturs/ [SELECTED] => [PERMISSION] => R [ADDITIONAL_LINKS] => Array ( ) [ITEM_TYPE] => D [ITEM_INDEX] => 5 [PARAMS] => Array ( ) [DEPTH_LEVEL] => 1 [IS_PARENT] => ) [6] => Array ( [TEXT] => Документы [LINK] => /ru/university/documentation/ [SELECTED] => [PERMISSION] => R [ADDITIONAL_LINKS] => Array ( ) [ITEM_TYPE] => D [ITEM_INDEX] => 6 [PARAMS] => Array ( ) [DEPTH_LEVEL] => 1 [IS_PARENT] => ) [7] => Array ( [TEXT] => Страница ректора [LINK] => /ru/rector/ [SELECTED] => [PERMISSION] => R [ADDITIONAL_LINKS] => Array ( ) [ITEM_TYPE] => D [ITEM_INDEX] => 7 [PARAMS] => Array ( ) [DEPTH_LEVEL] => 1 [IS_PARENT] => ) )

Неинвертирующий усилитель на основе операционного усилителя

Рассмотрим схему неинвертирующего усилителя (

рис. 2.27), где имеет место последовательная отрицательная связь по напряжению.

Вначале выполним анализ схемы, используя принятые допущения, а затем выполним анализ на основе выражений, полученных для усилителя с указанной обратной связью.

В соответствии с ранее принятыми допущениями входные токи ОУ равны нулю, т. е. i₋ = i₊ = 0 и, следовательно, i₁ = i₂.

Предположим, что операционный усилитель работает в режиме усиления, тогда u диф = 0. На основании второго закона Кирхгофа получаем

u_R 1 = − u вх u_R 2 = u вх − u вых

Далее имеем следующие выражения:

i 1 · R 1 = − u вх i₂ · R₂ = u вх − u вых i₁ = − u вх / R_1 2 = u  вх − u ых  / R₂ − u вх / R₁ = u вх − u вых / R₂ u вх · ( 1 / R₁ + 1 / R₂ ) = u вых / R₂ u вых = u вх · ( R₁ + R₂ ) / R₁ u вых = u вх · ( 1 + R₂ / R₁ )

Таким образом, неинвертирующий усилитель характеризуется коэффициентом усиления по напряжению

К_и = 1 + R 2 / R 1

Васильев Дмитрий Петрович

Профессор электротехники СПбГПУ

Задать вопрос

Воспользуемся общим выражением для коэффициента усиления усилителя, охваченного последовательной отрицательной обратной связью по напряжению. Предположим, что используется входной сигнал низкой частоты, и поэтому будем использовать вещественные коэффициенты К, β и Ки.ос. В соответствии с общим выражением

К_и.ос = К / ( 1 + К · β ) При К → ∞ К_и.ос = 1 / β

Коэффициент β, как можно заметить из рис. 2.27, определяется выражением

β = R 1 / ( R 1 + R 2 )

Таким образом, при К → ∞ К_и.ос = 1 + R 2 / R 1 что совпадает с результатом, полученным на основании используемых допущений.

Пусть, например, R₁ = 2 кОм, R₂ = 4 кОм и u вх = 2 В. Тогда u вых = 2 · [ 1 + 4 · 10³ / ( 2 · 10³ ) ] = 6 В

Обратимся к общим выражениям для входного и выходного сопротивлений. Предполагая, что усилитель работает на низкой частоте, используем вещественные сопротивления R_вх, R_вх.ос , R_вых , R_вых.ос . Получаем, что входное сопротивление рассматриваемого усилителя

R_вх.ос = R_вх · [ 1 + К · R 1 / ( R 1+ R 2 ) ] причем при К → ∞ R_вх.ос → ∞ Аналогично R_вых.ос = R_вых / [ 1 + К · R 1 / ( R 1 + R 2 ) ]

Очевидно, при К → ∞ R_вых → 0. Заметим, что полученное выражение совпадает с приведенным выше выражением для усилителя с параллельной отрицательной обратной связью.

На входах операционного усилителя, использующегося в неинвертирующем усилителе, имеется синфазный сигнал, равный напряжению u вх . Это недостаток такого усилителя. В инвертирующем усилителе синфазный сигнал отсутствует.

Работа и применение неинвертирующих операционных усилителей

В электронике усилитель — это схема, которая принимает входной сигнал и выдает неискаженную большую версию сигнала на выходе. В этом руководстве мы узнаем о важной конфигурации операционного усилителя, называемой неинвертирующим усилителем. В неинвертирующих операционных усилителях вход подается на неинвертирующий терминал, а выход находится в фазе с входом.

Введение

Операционный усилитель или более известный как операционный усилитель — это, по сути, многокаскадный дифференциальный усилитель с высоким коэффициентом усиления, который можно использовать несколькими способами.Две важные схемы типичного операционного усилителя:

• Инвертирующий усилитель
• Неинвертирующий усилитель

Неинвертирующий усилитель представляет собой конфигурацию схемы операционного усилителя, которая производит усиленный выходной сигнал и этот выходной сигнал неинвертирующего усилителя. инвертирующий операционный усилитель синфазен с приложенным входным сигналом.

Другими словами, неинвертирующий усилитель ведет себя как цепь повторителя напряжения. Неинвертирующий усилитель также использует соединение с отрицательной обратной связью, но вместо того, чтобы подавать весь выходной сигнал на вход, только часть напряжения выходного сигнала возвращается в качестве входа на инвертирующий входной терминал операционного усилителя.

Высокий входной импеданс и низкий выходной импеданс неинвертирующего усилителя делают схему идеальной для приложений с буферизацией импеданса.

Схема идеального неинвертирующего усилителя

Принципиальная схема идеального неинвертирующего усилителя показана на рисунке ниже.

Из схемы видно, что R ₂ (R _f на рисунке выше) и R ₁ (R ₁ на рисунке выше) действуют как делитель потенциала для на инвертирующий вход подается выходное напряжение и напряжение на резисторе R ₁ .

Когда неинвертирующий вход подключен к земле, т. Е. V _IN = 0, напряжение на инвертирующей входной клемме также должно быть на уровне земли; в противном случае любая разница напряжений между входными клеммами будет усилена, чтобы переместить инвертирующую входную клемму обратно на уровень земли (входы операционного усилителя всегда будут иметь одинаковое напряжение).

Поскольку клемма инвертирующего входа находится на уровне земли, соединение резисторов R ₁ и R ₂ также должно быть на уровне земли.Это означает, что падение напряжения на R ₁ будет равно нулю. В результате ток, протекающий через R ₁ и R ₂ , должен быть равен нулю. Таким образом, на R ₂ наблюдается нулевое падение напряжения, и, следовательно, выходное напряжение равно входному напряжению, которое составляет 0 В.

Когда положительный входной сигнал подается на неинвертирующую входную клемму, выходное напряжение будет сдвигаться, чтобы инвертирующая входная клемма оставалась равной приложенному входному напряжению.Следовательно, на резисторе R ₁ ,

VR ₁ = V _IN = V _OUT R ₁ / (R ₁ + R ₂ )

появится напряжение обратной связи. Коэффициент усиления по напряжению неинвертирующего операционного усилителя

Из приведенного выше уравнения из V _IN через V _OUT коэффициент усиления по напряжению с обратной связью неинвертирующего усилителя A _CL можно рассчитать как:

A _CL = V _OUT / V _IN

= (R ₁ + R ₂ ) / R ₁

A _CL = 1 + (R ₂ / R ₁ )

или A _CL = 1 + (R _f / R ₁ )

Приведенное выше уравнение усиления положительное, что означает, что выходной сигнал будет синфазным с приложенным входным сигналом.Коэффициент усиления по напряжению с обратной связью неинвертирующего усилителя определяется соотношением резисторов R ₁ и R ₂ , используемых в цепи.

На практике неинвертирующие усилители будут иметь резистор, включенный последовательно с источником входного напряжения, чтобы поддерживать входной ток одинаковым на обоих входных клеммах.

Виртуальное короткое замыкание

В неинвертирующем усилителе существует виртуальное короткое замыкание между двумя входными клеммами. Виртуальное короткое замыкание — это короткое замыкание по напряжению, но разрыв по току.Виртуальное короткое замыкание использует два свойства идеального операционного усилителя:

• Поскольку R _IN бесконечен, входной ток на обоих выводах равен нулю.
• Поскольку коэффициент усиления разомкнутого контура A _OL бесконечен, разность напряжений (В ₁ — В ₂ ) всегда равна нулю.

Хотя виртуальное короткое замыкание является идеальным приближением, оно дает точные значения при использовании с сильной отрицательной обратной связью. Пока операционный усилитель работает в линейной области (не насыщенной, положительно или отрицательно), коэффициент усиления по напряжению без обратной связи приближается к бесконечности, и между двумя входными клеммами существует виртуальное короткое замыкание.

Из-за виртуального короткого замыкания инвертирующее входное напряжение следует за неинвертирующим входным напряжением. Если неинвертирующее входное напряжение увеличивается или уменьшается, инвертирующее входное напряжение немедленно увеличивается или уменьшается до того же значения. Это действие часто называют «начальной загрузкой».

Входное сопротивление неинвертирующего усилителя

Входное сопротивление схемы операционного усилителя определяется как:

Z _IN = (1 + A _OL β) Z _i

Где, A _OL — коэффициент усиления разомкнутого контура операционного усилителя

Zi — входной импеданс операционного усилителя без какой-либо обратной связи

β — коэффициент обратной связи

Для неинвертирующего усилителя коэффициент обратной связи задается как:

β = R ₂ / (R ₁ + R ₂ )

β = 1 / A _CL

Следовательно, для схемы неинвертирующего усилителя входное сопротивление определяется уравнением,

Z _IN = {1 + (A _OL / A _CL )} Zi

Выходное сопротивление неинвертирующего усилителя

Выходное сопротивление операционного усилителя выражается как:

Z _ВЫХОД = Z ₀ / (1+ A _OL β)

Sinc e, β = 1 / A _CL для неинвертирующего усилителя, полное сопротивление задается как,

Z _OUT = Z ₀ / {1 + (A _OL / A _CL )}

Схема повторителя напряжения

Повторитель напряжения — одно из самых простых применений операционного усилителя, где выходное напряжение точно такое же, как входное напряжение, приложенное к цепи.Другими словами, коэффициент усиления цепи повторителя напряжения равен единице.

Выход операционного усилителя напрямую подключен к инвертирующей входной клемме, а входное напряжение подается на неинвертирующую входную клемму. Повторитель напряжения, как и неинвертирующий усилитель, имеет очень высокий входной импеданс и очень низкий выходной импеданс. Принципиальная схема повторителя напряжения показана на рисунке ниже.

Можно видеть, что приведенная выше конфигурация аналогична схеме неинвертирующего усилителя, за исключением того, что здесь не используются резисторы.Коэффициент усиления неинвертирующего усилителя определяется как:

A _CL = 1 + (R ₂ / R ₁ )

В повторителе напряжения резистор R ₂ равен нулю и R ₁ бесконечно. Таким образом, усиление повторителя напряжения будет равно 1. Следовательно, повторитель напряжения также широко известен как буфер усиления единства.

Повторитель напряжения или буферная схема с единичным усилением обычно используется для изоляции различных цепей, т. Е. Для отделения одного каскада схемы от другого, а также используется в приложениях согласования импеданса.

На практике выходное напряжение повторителя напряжения не будет в точности равным приложенному входному напряжению, и будет небольшая разница. Это различие связано с высоким внутренним усилением по напряжению операционного усилителя.

ПРИМЕЧАНИЕ: Коэффициент усиления по напряжению в разомкнутом контуре операционного усилителя бесконечен, а коэффициент усиления по напряжению в замкнутом контуре повторителя напряжения равен единице. Это означает, что, тщательно выбирая компоненты обратной связи, мы можем точно контролировать коэффициент усиления неинвертирующего усилителя.

Пример неинвертирующего усилителя

Для неинвертирующего усилителя, показанного на рисунке ниже, рассчитайте следующее:

i) Коэффициент усиления усилителя, A _CL

ii) Выходное напряжение, В _O

iii) Ток через нагрузочный резистор I _L .

iv) Выходной ток I _O .

ПРИМЕЧАНИЕ: Узел A находится на неинвертирующем выводе операционного усилителя, а узел B находится на инвертирующем выводе (который также является точкой делителя напряжения).Эти узлы не показаны на изображении выше.

Ответ) Потенциал в узле B равен V _IN и из-за виртуального короткого замыкания

V _A = V _B = V _IN = 0,8 V

Ток I1 задается как

I ₁ = В _A / R ₁ = 0,8 В / 10 кОм

I ₁ = 80 мкА

Поскольку входной ток операционного усилителя равен нулю, должен течь тот же I ₁ через резистор R _ф .

i) Коэффициент усиления неинвертирующего усилителя,

A _CL = 1 + (R _f / R ₁ ) = 1 + (20 кОм / 10 кОм)

A _CL = 3

ii) Выходное напряжение,

В _O = A _CL * В _IN = 3 * 0,8 В

В _O = 2,4 В

iii) Ток через нагрузочный резистор

I _L = V _O / R _L = 2,4 / (2 * 10 ³ Ом)

I _L = 1.2 мА

iv) Выходной ток,

Из закона тока Кирхгофа (KCL), I _O = I ₁ + I _L

I _O = 80 мкА + 1,2 мА

I _O = 1,28 мА

Сводка по неинвертирующему усилителю

• Неинвертирующий усилитель использует соединение с отрицательной обратной связью с делителем напряжения.
• Коэффициент усиления по напряжению всегда больше единицы.
• Коэффициент усиления по напряжению положительный, что указывает на то, что для входа переменного тока выход синфазен с входным сигналом, а для входа постоянного тока полярность выхода такая же, как полярность входа.
• Коэффициент усиления по напряжению неинвертирующего операционного усилителя зависит только от номиналов резистора и не зависит от коэффициента усиления без обратной связи операционного усилителя.
• Желаемый прирост напряжения может быть получен путем выбора соответствующих номиналов резисторов.

Заключение

Простое руководство по неинвертирующим операционным усилителям. Вы узнали схему идеального неинвертирующего усилителя, коэффициент усиления по напряжению, входное и выходное сопротивление, применение повторителя напряжения и пример схемы со всеми важными расчетами.

Основы инвертирующего и неинвертирующего усилителя

«Идеальный» или совершенный операционный усилитель — это устройство с определенными особыми характеристиками, такими как бесконечное усиление без обратной связи, бесконечное входное сопротивление, нулевое выходное сопротивление, бесконечная полоса пропускания и смещение нуля. Операционные усилители широко используются для преобразования сигналов или выполнения математических операций, поскольку они почти идеальны для усиления постоянного тока. По сути, это устройство усиления напряжения, используемое с компонентами внешней обратной связи, такими как резисторы и конденсаторы, между его выходными и входными клеммами.Операционный усилитель представляет собой трехконтактное устройство, состоящее из двух входов с высоким импедансом, один из которых называется инвертирующим входом (-), а другой — неинвертирующим входом (+). Третий вывод представляет собой выходной порт операционного усилителя, который может как потреблять, так и передавать как напряжение, так и ток.

Отрицательный отзыв

Хотя, с одной стороны, операционные усилители предлагают очень высокое усиление, это делает усилитель нестабильным и трудным для управления. Часть этого усиления можно потерять, подключив резистор через усилитель от выходной клеммы обратно к инвертирующей входной клемме для управления конечным коэффициентом усиления усилителя.Это обычно известно как отрицательная обратная связь и обеспечивает более стабильный операционный усилитель.

Отрицательная обратная связь — это процесс подачи части выходного сигнала обратно на вход. Но чтобы сделать обратную связь отрицательной, она подается на отрицательный или «инвертирующий вход» терминала операционного усилителя с помощью резистора. Этот эффект производит замкнутый контур, приводящий к усилению замкнутого контура. Инвертирующий усилитель с обратной связью использует отрицательную обратную связь для точного управления общим коэффициентом усиления усилителя, но вызывает уменьшение усиления усилителя.

Инвертирующий усилитель

В схеме инвертирующего усилителя инвертирующий вход операционного усилителя принимает обратную связь с выхода усилителя. Предполагая, что операционный усилитель идеален и применяя концепцию виртуального короткого замыкания на входных клеммах операционного усилителя, напряжение на инвертирующей клемме равно неинвертирующей клемме. Неинвертирующий вход операционного усилителя заземлен. Поскольку коэффициент усиления самого операционного усилителя очень высок, а выходной сигнал усилителя составляет всего несколько вольт, это означает, что разница между двумя входными клеммами чрезвычайно мала, и ее можно игнорировать.Поскольку неинвертирующий вход операционного усилителя удерживается под потенциалом земли, это означает, что инвертирующий вход должен фактически иметь потенциал земли.

Применяя KCL в инвертирующем узле, мы можем вычислить усиление напряжения,

Коэффициент усиления напряжения (A) =

_{В на выходе} / В _{на входе} = — R _f / R _{на входе}

Неинвертирующий усилитель

Неинвертирующий усилитель — это такой усилитель, в котором выход находится в фазе по отношению к входу.Обратная связь применяется на инвертирующем входе. Однако теперь вход применяется к неинвертирующему входу. Выход представляет собой неинвертированную (с точки зрения фазы) усиленную версию входа. Коэффициент усиления схемы неинвертирующего усилителя для операционного усилителя определить легко. Расчет основан на том факте, что напряжение на обоих входах одинаково. Это происходит из-за того, что усиление усилителя чрезвычайно велико. Если выход схемы остается в пределах шины питания усилителя, то деление выходного напряжения на коэффициент усиления означает, что между двумя входами практически нет разницы.

Коэффициент усиления по напряжению можно рассчитать, применив KCL в инвертирующем узле.

Коэффициент усиления напряжения (A) =

_{В на выходе} / В _{на входе} = (1+ R _f / R _{на входе} )

---

Хотите запачкать руки? Ознакомьтесь с некоторыми типовыми вопросами

Эта статья была впервые написана 7 ноября 2017 г. и обновлена ​​4 апреля 2019 г.

Буферный и неинвертирующий операционный усилитель

Буферный усилитель с единичным усилением реализован с использованием операционного усилителя в конфигурации с отрицательной обратной связью.Выход подключен к своему инвертирующему входу, а источник сигнала подключен к неинвертирующему входу. Хотя его коэффициент усиления по напряжению равен 1 или единице, он имеет высокое усиление по току, высокое входное сопротивление и низкое выходное сопротивление. Он используется, чтобы избежать загрузки источника сигнала.

Выходное напряжение операционного усилителя определяется уравнением: \ begin {уравнение} V_ {out} = {A_ {OL} \, (V _ {\! +} — V _ {\! -})} \ end {уравнение} где V + — напряжение на неинвертирующем выводе, V- — напряжение на инвертирующем выводе, а A _OL — коэффициент усиления без обратной связи усилителя.

Переставьте уравнение \ begin {уравнение} {V_ {out} \ over A_ {OL}} = V _ {\! +} — V _ {\! -} \ end {уравнение}

Если предположить, что A _OL равно ∞, \ begin {уравнение} V_- = V_ + \ end {уравнение} Только для схем операционных усилителей с отрицательной обратной связью мы используем уравнение 3, чтобы упростить анализ схем.

Для этого буферного усилителя, используя уравнение 3, при осмотре можно получить \ begin {уравнение} V_ {выход} = V_- = V_ + = V_ {дюйм} \ end {уравнение} и получить коэффициент усиления буферного усилителя операционного усилителя \ begin {уравнение} V_ {out} = V_ {in} \ end {уравнение}

Неинвертирующий операционный усилитель обеспечивает усиление по напряжению.Буферный усилитель можно рассматривать как частный случай этого усилителя с Rf = 0 и Rg = ∞.

Если мы подадим входной ток на инвертирующий вход I- = 0 и подадим KVL на петли Vout, Rf и Rg \ begin {уравнение} V_- = {V_ {out}} {{R_g} \ over {R_f + R_g}} \ end {уравнение} Применяя уравнение 3, \ begin {уравнение} V_ {in} = V_ + = V_- = {V_ {out}} {{R_g} \ over {R_f + R_g}} \ end {уравнение} Измените уравнение, чтобы получить коэффициент усиления неинвертирующего усилителя операционного усилителя. \ begin {уравнение} V_ {out} = (1 + {{R_f} \ over {R_g}}) {V_ {in}} \ end {уравнение}

Поскольку доходы от рекламы падают, несмотря на рост числа посетителей, нам нужна ваша помощь в поддержании и улучшении этого сайта, что требует времени, денег и тяжелого труда.Благодаря щедрости наших посетителей, которые давали ранее, вы можете использовать этот сайт бесплатно.

Если вы получили пользу от этого сайта и можете, пожалуйста, отдать 10 долларов через Paypal . Это позволит нам продолжаем в будущее. Это займет всего минуту. Спасибо!

Я хочу дать!

© 2021 Emant Pte Ltd Co., рег. № 200210155R | Условия использования | Конфиденциальность | О нас

Неинвертирующий OPAMP — Лаборатория электроники.com

Введение

Сигнал напряжения, подаваемый на операционный усилитель, может подаваться либо на его неинвертирующий вход (+), либо на инвертирующий вход (-). Эти различные конфигурации просто известны как — неинвертирующий операционный усилитель, и — инвертирующий операционный усилитель . В этом руководстве мы сосредоточимся на неинвертирующей конфигурации и представим ее подробности.

Обзор неинвертирующего операционного усилителя будет дан в первом разделе в рамках концепции идеального усилителя.

Во втором разделе обсуждаются реальные неинвертирующие конфигурации, мы демонстрируем уравнения, описывающие усиление и входные / выходные импедансы.

Наконец, в последнем разделе приведены примеры схем, основанных на неинвертирующих конфигурациях.

Идеальный неинвертирующий операционный усилитель

Цель этого раздела — правильно продемонстрировать и объяснить идеальные характеристики неинвертирующей конфигурации , такие как ее входное / выходное сопротивление и усиление.Схематическое представление идеального неинвертирующего операционного усилителя приведено ниже на рис. 1 .

Обратите внимание, что символ «∞» подчеркивает тот факт, что операционный усилитель здесь считается идеальным. Мы настоятельно рекомендуем читателю обратиться к учебному пособию «Основы операционных усилителей» для этого раздела.

рис 1: Идеальная схема неинвертирующего операционного усилителя

В этой идеальной модели входной импеданс определяется вкладом сопротивления, соединяющего инвертирующий и неинвертирующий входы (R _i на рис. 3 , ) и резисторы R ₁ и R ₂ , бесконечно.Более того, для идеальной схемы предполагается, что R _i будет бесконечным, как следствие, никакие токи не могут попасть в операционный усилитель через любой вход из-за наличия разомкнутой цепи.

Это наблюдение также можно резюмировать, сказав, что узел, соединяющий инвертирующий вход и сопротивления R ₁ и R ₂ , представляет собой виртуальное короткое замыкание . По этой же причине весь ток обратной связи через R ₁ (I) также обнаруживается через R ₂ .

Для идеальной модели равенство V ₊ = V _— = V _в обеспечивается тем, что дифференциальный сигнал V ₊ -V _— может быть равен только 0 для получения конечного выхода V _out при умножении на бесконечное усиление разомкнутого контура.

Мы можем видеть ветви, подключенные к инвертирующему входу, действующему как цепь делителя напряжения:

рис 2: Инвертирующие ветви в виде схемы делителя напряжения

Согласно формуле делителя напряжения, мы можем выразить инвертирующее напряжение V _— как функцию выходного напряжения и сопротивлений:

уравнение 1: Формула делителя напряжения для V _—

Поскольку V _— = V _в , после некоторого упрощения, мы доказываем выражение коэффициента усиления в замкнутом контуре A _CL идеальной неинвертирующей конфигурации:

уравнение 2: Коэффициент усиления в замкнутом контуре идеального неинвертирующего операционного усилителя

Мы можем отметить, что идеальное усиление, представленное в уравнении 2 , строго положительно и превышает 1, что означает, что выходной сигнал усиливается и находится в фазе с входной сигнал .

Настоящий неинвертирующий операционный усилитель

В реальной схеме операционного усилителя входное (Z _в ) и выходное (Z _из ) импедансы не идеализированы, чтобы быть равными соответственно + ∞ и 0 Ом. Вместо этого входной импеданс имеет высокое , но конечное значение , выходное сопротивление имеет низкое, но ненулевое значение .

Неинвертирующая конфигурация остается той же, что и показанная на , рис. 1 .

рис 3: Внутренняя эквивалентная схема реального операционного усилителя

Обратите внимание, что Ri и Ro могут быть описаны как соответственно входное и выходное сопротивление операционного усилителя без какой-либо цепи обратной связи (конфигурация с разомкнутым контуром).

Коэффициент усиления с обратной связью

Для неинвертирующей конфигурации Уравнение 1 все еще применяется для V _— , более того, у нас V ₊ = V _в . Однако, поскольку слабый ток может течь от неинвертирующего входа к инвертирующему входу, напряжения больше не равны: В ₊ 28 В _— .

Также необходимо напомнить, что входы V ₊ и V _— связаны с выходом через формулу усиления без обратной связи:

уравнение 3: Формула усиления разомкнутого контура

Уравнения для V ₊ и V _— могут быть введены в Уравнение 3 .После перегруппировки членов «V _из » с одной стороны уравнения и членов «V _в » с другой, мы получим:

Наконец, коэффициент усиления замкнутого контура A _CL для реальной неинвертирующей конфигурации задается формулой Уравнение 4 :

уравнение 4: Коэффициент усиления с обратной связью реальной неинвертирующей конфигурации

Для реальной конфигурации коэффициент усиления зависит не только от номиналов резистора, но и от коэффициента усиления без обратной связи

Интересно отметить, что если мы считаем операционный усилитель идеальным (A _OL → + ∞), знаменатель упрощается до одного члена: A _OL R ₂ / (R ₁ + R ₂ ).Как следствие, Уравнение 4 упрощается обратно до Уравнение 2 .

Выходное сопротивление

Начнем с предположения равенства токов на сопротивлениях: I _R1 = I _{R 2} . Даже если для реальных операционных усилителей на инвертирующий вход поступает небольшой ток утечки, он на несколько порядков меньше тока обратной связи.

Ток I ₀ на R ₀ (см. Рисунок 3 ) может быть выражен как функция падения напряжения на R ₀ и того же значения импеданса R ₀ :

Так как V _— описывается уравнением , выходной ток I _out может быть выражен как сумма I ₀ и тока, протекающего в ветви обратной связи, определяемой V _out / (R ₁ + R ₂ ):

Наконец, после преобразования уравнения для получения отношения Z _out = V _out / I _out , мы можем записать выражение выходного импеданса для реальной неинвертирующей конфигурации:

уравнение 5: Выражение выходного сопротивления для реальной неинвертирующей конфигурации

Мы можем отметить, что в случае идеального операционного усилителя, то есть когда A _OL → + ∞, мы действительно наблюдаем Z _из → 0.

Упрощенная версия выражения Z _out дается следующим Уравнение 6 :

уравнение 6: Упрощенное выражение выходного сопротивления для реальной неинвертирующей конфигурации

Член β известен как коэффициент обратной связи и определяется соотношением R ₁ / (R ₁ + R ₂ ). В этой упрощенной версии мы все еще можем видеть, что Z _из → 0 для идеальной ситуации с операционным усилителем.

Входное сопротивление

Входной импеданс неинвертирующей конфигурации может быть определен соотношением V ₊ / I _в (см. , рис. 3, ).Для входного контура мы можем записать закон напряжения Кирхгофа, такой как В ₊ -В _в + I _R2 R ₂ = 0 , где I _R2 является током через резистор R ₂ .

Можно показать, что выражение входного импеданса также можно записать как функцию коэффициента обратной связи:

уравнение 7: Выражение входного импеданса для реальной неинвертирующей конфигурации

Опять же, когда удовлетворяется идеальная ситуация (A _OL → + ∞), мы обнаруживаем, что Z _в → + ∞, как указано в первом разделе .

Примеры неинвертирующих операционных усилителей

Буферные схемы

Самыми простыми конструкциями для неинвертирующих конфигураций являются буферы, которые были описаны в предыдущем учебном пособии «Строительные блоки операционного усилителя». В этой конфигурации R ₁ = 0 и R ₂ → + ∞, как мы можем представить в Рисунок 4 ниже:

Рис. 4: Буферная схема

Этот буфер (или повторитель напряжения) имеет единичное усиление и не инвертирует выходной сигнал, что означает, что V _{на выходе} = V _на .Его высокий входной импеданс и низкий выходной импеданс очень полезны для согласования нагрузки между цепями и делают буфер идеальным источником напряжения .

Пример

Мы рассматриваем реальную неинвертирующую схему конфигурации, приведенную на рисунке Рисунок 5 :

рис. 5: Пример реальной неинвертирующей конфигурации

Резисторы, входное значение и коэффициент усиления в разомкнутом контуре даны, например:

• R ₁ = 10 кОм
• R ₂ = 2 кОм
• R _L = 1 кОм
• В _дюйм = 1 В
• A _OL = 10 ⁵

Прежде всего, мы можем вычислить значение коэффициента усиления с обратной связью A _CL .Используя уравнение , мы получаем A _CL = 5,99 , а Уравнение 2 дает A _CL = 6 . Мы можем отметить, что оба значения очень похожи, поскольку A _OL является высоким. Типичные значения A _OL для реальных операционных усилителей находятся в диапазоне от 2 × 10 ⁴ до 2 × 10 ⁵ , что достаточно высоко, чтобы всегда считать Уравнение 2 действительным.

Исходя из этого значения, мы можем просто сказать, что выходное напряжение равно В, _{на выходе} = A _CL × В _в = 6 В.

Токи I _R1 (через R ₁ ) и I _{R 2} (через R ₂ ) примерно равны, если учесть, что ток утечки на инвертирующем входе намного ниже, чем ток обратной связи. . Из-за виртуального короткого замыкания, существующего в узле N, V ​​ _N = V _в , и поэтому мы имеем I _R1 = I _R2 = V _в / R ₂ = 0,5 мА.

Поскольку ток I _L через выходную нагрузку равен V _out / R _L = 6 мА , мы можем определить выходной ток благодаря закону тока Кирхгофа: I _out = Я _L + Я _R1 = 6.5 мА .

Наконец, мы также можем указать выходное сопротивление как Z _{на выходе} = V _{на выходе} / I _{на выходе} = 920 Ом .

Заключение

Когда входной сигнал подается на контакт «+», операционный усилитель находится в неинвертирующей конфигурации . Дизайн и основные свойства этой конфигурации представлены в первом разделе, где представлена ​​ее идеальная модель.

Во втором разделе представлены реальные неинвертирующие операционные усилители.Из-за паразитных явлений, присущих их конструкции, их свойства меняются, выражение усиления замкнутого контура, входного и выходного импедансов отличается. Однако упрощенная версия этих формул, которые описывают идеальную модель, действительно может быть восстановлена, если мы установим коэффициент усиления разомкнутого контура равным бесконечности.

Примеры реальных конфигураций показаны в последнем разделе, мы представляем, как рассчитать основные характеристики конфигурации, зная номинал резисторов и входное напряжение.

Основы работы усилителя

с 6 примерами схем

Операционные усилители, широко известные как операционные усилители, являются наиболее распространенным типом строительных блоков в аналоговой электронике. Операционные усилители используются для выполнения всех задач в области электроники — для создания усилителей мощности, чувствительных предусилителей, логарифмических усилителей, RC-генераторов, генерирующих синусоидальные, треугольные и прямоугольные сигналы, LC-генераторов, фильтров с большой крутизной кривой и многого другого.

СИМВОЛ OPAMP Пара с длинным хвостом — основа для операционного усилителя

Операционный усилитель имеет два входа: инвертирующий терминал (обозначен знаком «-») и неинвертирующий терминал (отмечен знаком «+»).И имеет единственный выход. Первый вход называется инвертирующим, потому что выходное напряжение обратно пропорционально напряжению, приложенному на инвертирующем входе, умноженному на коэффициент усиления схемы усилителя. Если мы подадим сигнал на неинвертирующий вход, мы получим тот же сигнал на выходе, умноженный на усиление.

Отрицательная обратная связь в операционном усилителе

В большинстве схем операционных усилителей используется отрицательная обратная связь, чтобы ограничить идеальный бесконечный коэффициент усиления операционного усилителя до желаемого значения. При отрицательной обратной связи выходной сигнал, который сдвинут по фазе на 180 ° по отношению к входу, подается обратно на тот же вход, обычно с помощью некоторой сети делителей.Это напряжение обратной связи с выхода, которое всегда имеет обратную полярность, чем входное напряжение, «подтягивает» фактический вход и делает общее входное напряжение меньше, чем напряжение, которое было фактически приложено на входе.

Отрицательная обратная связь в операционном усилителе

Эта обратная связь позволяет в значительной степени контролировать усиление операционного усилителя, так что коэффициент усиления схемы, использующей отрицательную обратную связь, определяется не коэффициентом усиления используемого устройства (операционный усилитель или транзистор), а самой обратной связью (до тех пор, пока усиление, определяемое обратной связью, значительно ниже, чем усиление используемого устройства).

Параметры операционного усилителя

Идеальный операционный усилитель имеет бесконечное усиление без обратной связи (разомкнутый контур), нулевой шум, бесконечное входное сопротивление, нулевое выходное сопротивление, бесконечную скорость нарастания и бесконечную полосу пропускания.

Обычные операционные усилители, такие как легендарные LM741 или LM358, LM324 (LM358 в квадрате) и BA4558, имеют коэффициент усиления разомкнутого контура около 100000, пропускную способность с единичным усилением около 1 МГц и входное сопротивление Ом. около 1 МОм.

Параметры шума сильно различаются от операционного усилителя к операционному усилителю. Типичные эквивалентные параметры входного шума с полосой пропускания 20 кГц, как в аудиосхемах (напряжение шума зависит от полосы пропускания, чем выше ширина полосы, тем выше шум), ниже 7 мкВ (50 нВ / √ Гц), LM741 имеет 2,9 мкВ (20 нВ). / √Гц), BA4558 имеет 1,7 мкВ (12 нВ / √Гц) и даже 0,64 мкВ (4,5 нВ / √Гц) для μPC4570C.

ПРИМЕЧАНИЕ. Параметры шума могут быть измерены либо в мкВ в желаемой полосе пропускания, либо в нВ / √Гц, что представляет собой нановольт шума на входе, деленный на квадратный корень из ширины полосы.

Скорость нарастания — это скорость, с которой операционные усилители могут изменять свои выходные сигналы. Он измеряется в В / мкс или как быстро может увеличиваться выходное напряжение за одну микросекунду. LM358 имеет скорость нарастания около 0,55 В / мкс.

Существует 3 основных конфигурации усилителя операционных усилителей с отрицательной обратной связью:

• Усилитель с разомкнутым контуром (компаратор / дифференциатор)
• Неинвертирующий усилитель. Буфер единичного усиления (повторитель напряжения)
• Инвертирующий усилитель

Усилитель без обратной связи

Этот тип усилителя является особенным, поскольку для ограничения усиления не используется отрицательная обратная связь.Сигнал может быть подан на любой вход, но другой вход должен быть заземлен. Если сигнал слабый, скажем, 10 мкВ, и наш операционный усилитель имеет коэффициент усиления без обратной связи 100 000, выходной сигнал будет 1 В.

Конфигурация операционных усилителей с открытым контуром

Такое усиление редко требуется само по себе, оно также дает возможность возникновения паразитных колебаний. Если параметр усиления разомкнутого контура не контролируется жестко во время производства, операционные усилители одного типа могут давать разное усиление разомкнутого контура.Усилитель без обратной связи может также использоваться в качестве аналогового компаратора. Фактически, компараторы — это в основном операционные усилители с другим названием.

Неинвертирующий усилитель

Неинвертирующий усилитель использует отрицательную обратную связь для уменьшения коэффициента усиления до необходимого значения. Таким образом, коэффициент усиления схемы определяется не коэффициентом усиления в разомкнутом контуре операционного усилителя, а набором резисторов обратной связи, что обеспечивает большую гибкость. Входной сигнал подается прямо на положительный вход усилителя, в результате чего входное сопротивление практически равно входному сопротивлению операционного усилителя на звуковых частотах.

Неинвертирующий усилитель

Отрицательная обратная связь и, следовательно, усиление (Av) задаются соотношением резисторов R1 и R2 и всегда больше или равны единице.

Формула усиления для неинвертирующего усилителя

Буфер единичного усиления (повторитель напряжения) Буфер единичного усиления с использованием операционного усилителя

Особым случаем неинвертирующего усилителя является буфер единичного усиления, где вместо цепи обратной связи отрицательный вход подключается непосредственно к выходу.Это приводит к тому, что коэффициент усиления по напряжению равен единице (равен единице, A _v = 1). Эта конфигурация используется в активных звуковых фильтрах, операционных усилителях для наушников и везде, где требуется буферный каскад с высоким входным импедансом. Эту схему можно сравнить с конфигурацией транзисторного усилителя с общим коллектором.

Инвертирующий усилитель

Инвертирующий усилитель отличается от неинвертирующего усилителя гораздо более низким входным импедансом (равным значению R1), а выходной сигнал в инвертирующем усилителе инвертируется по отношению к входному сигналу.Если сигнал 1 В постоянного тока подается на инвертирующий усилитель с коэффициентом усиления 10, мы получаем на выходе сигнал -10 В постоянного тока. Для сигналов переменного тока процесс аналогичен, но можно сказать, что сигнал сдвинулся на 180 °, как в усилителе с общим эмиттером.

Схема инвертирующего операционного усилителя

Отрицательная обратная связь и, следовательно, усиление (Av) устанавливаются соотношением резисторов R2 и R1. Инвертирующая конфигурация допускает усиление как выше, так и ниже единицы.

Формула усиления для инвертирующего усилителя

Как и в других схемах операционного усилителя, напряжения на обоих входах оказываются одинаковыми (из-за свойств операционного усилителя).Следовательно, если положительный вход заземлен, отрицательный вход также будет заземлен или на 0 вольт. Теперь напряжение обратной связи с выхода объединяется с входным напряжением, и, поскольку эти напряжения имеют противоположную полярность, результирующее напряжение равно нулю вольт, что объясняет низкий входной импеданс.

Разница между неинвертирующим и инвертирующим усилителями Разница между инвертирующим и неинвертирующим усилителями

В целом, как инвертирующие, так и неинвертирующие усилители могут обеспечить хорошие характеристики, единственная разница заключается во входном сопротивлении.Низкое входное сопротивление инвертирующего усилителя полезно там, где требуется заданное входное сопротивление, например, в системах, в которых используются линии передачи с заданным сопротивлением или LC-фильтры.

Неинвертирующий усилитель полезен там, где необходим высокий входной импеданс, например, в каскадах, следующих за активными фильтрами, генераторами, усилителями звука, усилителями постоянного тока, используемыми в вольтметрах и т. Д. Еще одним преимуществом инвертирующего усилителя является то, что коэффициент усиления может быть ниже. чем один, в отличие от неинвертирующего усилителя, у которого коэффициент усиления всегда больше единицы.

На всех схемах, представленных выше, показаны только резисторы обратной связи. Может возникнуть соблазн подумать, что это все, что вам нужно, чтобы операционный усилитель работал от одного источника питания, например, от одной батареи 9 В или 5 В от USB.

Операционный усилитель с однополярным питанием

Это не сработает, поскольку положительный (+) и отрицательный (-) входы никоим образом не смещены. Операционные усилители должны быть смещены так же, как транзисторы, когда они используют одинарный источник питания вместо двойного (также известного как биполярный) положительного и отрицательного источника питания (вот почему LM741 имеет V + и V-, а не только V + и GND).Чтобы смещать их правильно, вам необходимо подключить резистор 100 кОм к источнику питания и еще 100 кОм к земле (если вы используете полевой транзистор или операционный усилитель с высоким входным сопротивлением, вы можете использовать два резистора 1 МОм). Если между выходом и входом подключен резистор, он будет смещать вход, поскольку напряжение постоянного тока на выходе операционного усилителя составляет примерно половину напряжения питания (4,5 В для источника питания 9 В), и это напряжение смещает усилитель.

Особым случаем является LM324, это операционный усилитель с однополярным питанием, что означает, что входы уже смещены и не нуждаются в каких-либо внешних резисторах, хотя в цепях переменного тока требуются конденсаторы, чтобы предотвратить присутствие этих напряжений смещения постоянного тока на входах. и выходы и в любом месте, где они не должны быть, а также там, где внешние резисторы обратной связи могут повлиять на смещение.

Неинвертирующий усилитель постоянного тока

Цель: эту схему можно использовать для повышения селективности вашего мультиметра при измерении малых напряжений постоянного тока.

СХЕМА:

Схема неинвертирующего усилителя постоянного тока

НЕОБХОДИМЫЕ КОМПОНЕНТЫ:

РЕЗИСТОРЫ	ИС OPAMP
R1 — 1к R2 — 10к R3 — 10 тыс.	U — LM741, TL081, TL071 или любой операционный усилитель, предназначенный для применения в усилителях постоянного тока.

Работа неинвертирующего усилителя постоянного тока:

В этой схеме используется операционный усилитель LM741 BJT, но использование TL081 и 2,2 МОм может улучшить входное сопротивление примерно с 100 кОм до 1 МОм. Он имеет регулируемое усиление, которое может быть установлено на 10, для облегчения считывания выходного напряжения (1 мВ дает 10 мВ вместо 11 мВ для усиления 11 с резисторами 10 кОм и 100 кОм).

R1 — это элемент управления нулевым смещением — это триммер, который должен быть установлен на значение, поэтому напряжение на инвертирующем и неинвертирующем входе должно быть одинаковым.

R2 и R3 устанавливают коэффициент усиления, и он должен быть установлен на 10, чтобы было легче считывать напряжение. Его легко можно поставить с двумя батареями на 9 В, что делает его портативным.

Цепь инвертирующего звукового предусилителя

Цель: Эта схема может действовать как предусилитель звука, либо сама по себе, либо как часть большего звукового усилителя.

СХЕМА:

Инвертирующая схема предусилителя звука

НЕОБХОДИМЫЕ КОМПОНЕНТЫ:

РЕЗИСТОР	КОНДЕНСАТОР	Микросхема операционного усилителя
R1 — 100 тыс. R2 — 100 тыс. R3 — 10 тыс. R4 — 100 тыс.	C1 — 100 нФ C2 — 10 мкФ C3 — 100 нФ C4 — 470 мкФ при использовании телефона, 100 мкФ в противном случае	U — LM741, TL081, TL071, LM358, BA4558 или любой другой обычный операционный усилитель, может работать даже усилитель мощности, такой как TDA2030.

Работа инвертирующего предварительного усилителя звука:

Эта схема имеет усиление звука 10 и входное сопротивление 10 кОм. Его можно использовать в качестве предусилителя звука, отдельно или как часть более крупного аудиоусилителя. Его также можно использовать для управления парой наушников 32 Ом на 5 мВт или парой наушников с высоким сопротивлением 200 Ом на 40 мВт при питании 9 В и управлении с достаточно сильным сигналом. Такая низкая выходная мощность обусловлена ​​тем, что максимальный выходной ток LM741 составляет 25 мА, что типично для большинства операционных усилителей.Операционные усилители большей мощности дадут гораздо более высокую выходную мощность.

R1 и R2 смещают положительный вход (большинство операционных усилителей не могут работать с одним источником питания без смещения), C1 заземляет положительный вход для сигналов переменного тока (в инвертирующей конфигурации возможный вход должен быть заземлен для сигнала).

R3 и R4 обеспечивают отрицательную обратную связь, ограничивая коэффициент усиления до 10, кроме обратной связи R4 обеспечивают смещение к отрицательному входу, а R3 устанавливает входное сопротивление усилителя.

C3 развязывает блок питания от шума и пульсаций, его следует размещать как можно ближе к микросхеме усилителя.C4 пропускает через него только сигнал переменного тока, предотвращая прохождение любого напряжения постоянного тока на выходе операционного усилителя в динамик.

Схема предусилителя электретного микрофона

Цель: эту схему можно использовать для усиления очень слабого сигнала (<10 мВ) электретного микрофона перед выходом на выход динамика.

СХЕМА:

Схема предусилителя электретного микрофона

НЕОБХОДИМЫЕ КОМПОНЕНТЫ:

РЕЗИСТОР	КОНДЕНСАТОР	Микросхема операционного усилителя
R1 — 10 тыс. R2 — 220 кОм R3 — 220 кОм R4 — подстроечный резистор 100 кОм R5 — 2.2к	C1 — 100 нФ C2 — 4,7 мкФ C3 — 100 нФ C4 — 100 мкФ C5 — 470 мкФ для наушников, 1000 мкФ для 8 Ом, 2200 мкФ для 4 Ом	U — BA4558, RC4558, LM741, TL081, TL071, LM358 или любой другой обычный операционный усилитель.

Работа цепи предусилителя электретного микрофона:

Коэффициент усиления по напряжению в этой цепи регулируется с помощью R4 от примерно 45 до 1.Вы можете заменить R4 резистором с заданным значением, если вы знаете требуемое усиление, но оно должно быть меньше 220 кОм.

R1 смещает электретный микрофон (M, из-за характера электретных микрофонов на них необходимо подавать питание, так как внутри них находится полевой транзистор).

C1 предотвращает влияние напряжения смещения постоянного тока из-за низкого сопротивления микрофона, в то время как R2 и R3 смещают положительный вход операционного усилителя. C3 фильтрует и развязывает источник напряжения и предотвращает паразитные колебания, R4 обеспечивает смещение на отрицательном входе, в то время как R4 и R5 вместе устанавливают отрицательную обратную связь и, следовательно, усиление.

C2 предотвращает влияние резистора R5 на смещение постоянного тока, поскольку его низкое сопротивление снижает отрицательное входное смещение с половины напряжения питания до долей вольта. C4 блокирует постоянное напряжение на выходе усилителя и пропускает только усиленный микрофонный сигнал переменного тока.

Схема усилителя мощности звука класса AB

Цель: Эта простая схема представляет собой законченный аудиоусилитель, который может дать серьезную выходную мощность.

СХЕМА:

Полная схема усилителя мощности звука класса AB

НЕОБХОДИМЫЕ КОМПОНЕНТЫ:

РЕЗИСТОР	КОНДЕНСАТОР	Микросхема операционного усилителя
R1 — 47 кОм логарифмический (B) R2 — 220 кОм R3 — 220 кОм R4 — 100 кОм R5 — 470	C1 — 100 нФ C2 — 47 мкФ C3– 1000 мкФ C4 — 100 нФ C5 — 470 мкФ для наушников, 1000 мкФ для 8 Ом, 2200 мкФ для 4 Ом	Q1, Q2 — Оба транзистора совпадают (примерно одинаковый hFE) U (IC) — Лучшие операционные усилители TL082 / TL072 и другие операционные усилители с высокой скоростью нарастания напряжения для наименьших искажений, BA4558 или любые операционные усилители 4558 также будут работать, LM358 будет работать, но с гораздо худшими высокочастотными характеристиками (искажение выше 5 кГц).Распиновка у всех одинаковая.

Рабочий класс AB Схема усилителя мощности звука:

В этой схеме используется двойной операционный усилитель, первая секция — это предусилитель с коэффициентом усиления около 200, вторая используется как драйвер с единичным усилением, который управляет силовыми транзисторами Q1 и Q2.

Очень сильная отрицательная обратная связь гарантирует, что звук не будет искажен.

R1 — регулятор громкости, R2 и R3 смещают положительный вход первого операционного усилителя.R4 и R5 устанавливают усиление предусилителя, при этом R4 также смещает отрицательный вход, C2 блокирует постоянный ток, в противном случае напряжение смещения постоянного тока будет уменьшено R4 и R5, действующими как делитель напряжения, и усилитель не будет работать. C3 и C4 развязывают питание от шума и гула 50 Гц. C5 блокирует постоянный ток и пропускает только усиленный аудиосигнал переменного тока на динамик.

Используемые транзисторы в зависимости от требуемой выходной мощности:

• 2N3904 и 2N3906 для 50 мВт при 4 Ом и 100 мВт при 8 Ом (питание 5–9 В),
• BD139 и BD140 для 4 Вт при 4 Ом и 7 Вт при 8 Ом (12 В)
• TIP120, TIP125 до 20 Вт при 4 Ом и 12 Вт при 8 Ом (12 В, больше при 24 В)

Активный фильтр нижних частот, 3000 Гц для радиосвязи:

Цель: Эта схема действует как фильтр нижних частот 3000 Гц и усилитель.

СХЕМА:

Активный фильтр нижних частот, 3000 Гц для радиосвязи

НЕОБХОДИМЫЕ КОМПОНЕНТЫ:

РЕЗИСТОР	КОНДЕНСАТОРЫ	Микросхема операционного усилителя
R1 — 22 кОм R2 — 10 кОм R3 — 100 кОм R4 — 100 кОм R5 — 47 кОм R6 — 4.7кОм	C1 — 2,2 нФ C2 — 100 нФ C3– 10 нФ C4 — 100 нФ C5 — 100 нФ	Opamp Ic (U) — BA4558, RC4558, TL082, TL072, LM358 или любой другой обычный двойной операционный усилитель.

Работа усилителя с активным фильтром нижних частот 3000 Гц:

Первый операционный усилитель формирует активный фильтр Саллена-Ки с гораздо большей производительностью, чем простой RC-фильтр (5 дБ / 1 кГц против 1.Спад на 6 дБ / кГц выше макс. частота). Второй операционный усилитель обеспечивает усиление около 11 и может использоваться для подключения пары наушников (с сопротивлением более 10 Ом) или другого каскада звукового усилителя. После каскада активного фильтра необходим усилитель, потому что, если на фильтр будет загружена нагрузка с низким импедансом, характеристики фильтра значительно ухудшатся.

R1, R2, C1 и C3- устанавливает отрицательную обратную связь, частоту среза и добротность (насколько резкий фильтр) фильтра.C2 предотвращает попадание постоянного напряжения на вход.

R3 и R4 смещают положительный вход фильтра, отрицательный вход смещается от выхода фильтра (на выходе половина напряжения питания, что идеально для смещения входа).

R5 и R6 обеспечивают отрицательную обратную связь и устанавливают коэффициент усиления (), C4 блокирует поток постоянного тока через R6, который может изменить отрицательное входное смещение. Положительный вход не имеет резисторов смещения, потому что он смещен выходом первого операционного усилителя (выход операционного усилителя обычно имеет половину напряжения питания, как раз то, что нам нужно для смещения входа).

C5 разъединяет источник питания и предотвращает паразитные колебания, тогда как C6 позволяет отфильтрованному усиленному входному сигналу на выход, одновременно предотвращая любое смещение постоянного тока.

Осциллятор релаксации

Цель: построить схему релаксационного генератора с использованием LM741. Релаксационный генератор представляет собой очень простую схему генератора, которая дает высокую выходную амплитуду с прямоугольной формой волны.

СХЕМА:

Схема осциллятора релаксации с использованием операционного усилителя

НЕОБХОДИМЫЕ КОМПОНЕНТЫ:

РЕЗИСТОРЫ	КОНДЕНСАТОРЫ	Микросхема операционного усилителя
R1 — 22 кОм R2 — 22 кОм R3 — 47 кОм логарифмический (B)	C1 — 10 мкФ C2 — 100 нФ C3 — 100 нФ C4 — зависит от необходимой частоты C5 — 100 мкФ C6 — 100 нФ	Opamp IC (U) — LM741, TL081, TL071, LM358, BA4558 или любой другой обычный операционный усилитель.Высокоскоростные и высокочастотные типы, такие как TL081, TL071, предпочтительнее 100 кГц.

Работа цепи генератора релаксации:

Релаксационный генератор представляет собой очень простую схему генератора, которая дает высокую выходную амплитуду с прямоугольной формой волны. С потенциометром 47 кОм он может работать от долей Гц до сотен кГц, при этом изменяются только значения C4, в зависимости от желаемого диапазона частот.Частота колебаний определяется по следующей формуле: где f в герцах, R в омах и C в фарадах.

Формула частоты генератора операционного усилителя

В отличие от всех других схем, генераторы используют положительную обратную связь, здесь она применяется от выхода к положительному входу, аналогично тому, как отрицательная обратная связь используется в неинвертирующих усилителях.

R1 и R2 обеспечивают положительную обратную связь, C2 и C1 предотвращают прохождение постоянного тока через R1 на землю, а также предотвращают действие R1 и R2 в качестве делителя напряжения для положительного входа — это может вызвать недостаточное смещение входа (вместо получения половины напряжение питания, которое ему нужно, он получит, потому что R1 и R2 делят напряжение пополам, и у нас уже есть половина питания на выходах), и операционный усилитель может работать неправильно.

Имеется конденсатор емкостью 100 нФ (C2), подключенный параллельно к C1, поскольку электролитические конденсаторы плохо работают на частотах выше 20 кГц — это предотвращает искажение прямоугольной волны на высоких частотах. C3 отделяет источник питания от помех, вызванных генератором, и предотвращает высокочастотный «звон» на выходной прямоугольной волне и паразитные колебания на частотах, отличных от той, которую мы хотим генерировать.

C4 и R3 определяют частоту колебаний, при этом R3 также смещает отрицательный вход операционного усилителя.C5 и C6 передают сгенерированный сигнал, останавливая постоянное напряжение на выходе. Как и в случае с конденсаторами C1 и C2, использование конденсатора емкостью 100 нФ параллельно с электролитическим конденсатором улучшает частотную характеристику. Этот генератор не дает идеальной прямоугольной волны с идеальным рабочим циклом 50% — если требуется идеальный рабочий цикл 50%, R2 следует заменить потенциометром / триммером 22k или 10k.

ИСТОЧНИКИ:

Дуглас Селф — «Электроника для винила»

Стэн Гибилиско и Саймон Монк — «Научитесь электричеству и электронике, шестое издание», McGraw-Hill Education, 2016, ISBN 978-1-25-958553-1

Несколько авторов — «Poradnik Radioamatora, Wydanie other zmienione», WKŁ, Варшава, 1983, ISBN 83-206-0307-2

Электроника-заметки.com

Википедия

Техас-инструменты (1)

Техас-инструменты (2)

Sim.okawa-denshi

CircuitDigest

Электроника-Учебники

Нравится:

Нравится Загрузка …

Связанные

Операционный усилитель

: основы, типы и применение | Статья

.

СТАТЬЯ

Получайте ценные ресурсы прямо на свой почтовый ящик — рассылается раз в месяц

Мы ценим вашу конфиденциальность

Что такое операционный усилитель?

Операционный усилитель (ОУ) — это блок аналоговой схемы, который принимает входное дифференциальное напряжение и выдает несимметричный выходной сигнал напряжения.

Операционные усилители

обычно имеют три терминала: два входа с высоким сопротивлением и выходной порт с низким сопротивлением. Инвертирующий вход обозначается знаком минус (-), а неинвертирующий вход использует положительный знак (+). Операционные усилители работают для усиления разности напряжений между входами, что полезно для множества аналоговых функций, включая цепочку сигналов, питание и приложения управления.

Классификация операционных усилителей

Существует четыре способа классификации операционных усилителей:

• Усилители напряжения принимают напряжение и создают напряжение на выходе.
• Усилители тока получают токовый вход и выдают токовый выход.
• Усилители крутизны преобразуют входное напряжение в выходной ток.
• Трансрезистивные усилители преобразуют входной ток и выдают выходное напряжение.

Поскольку большинство операционных усилителей используются для усиления напряжения, в этой статье основное внимание будет уделено усилителям напряжения.

Операционные усилители

: основные характеристики и параметры

Операционные усилители (см. Рисунок 1) имеют много различных важных характеристик и параметров.Эти характеристики более подробно описаны ниже.

Рисунок 1: Схема операционного усилителя

Коэффициент усиления без обратной связи

Коэффициент усиления без обратной связи: коэффициент усиления без обратной связи («A» на рис. 1 , ) операционного усилителя является мерой усиления, достигаемого при отсутствии обратной связи в схеме. Это означает, что цепь обратной связи или петля открыта. Коэффициент усиления без обратной связи часто должен быть чрезвычайно большим (10 000+), чтобы быть полезным сам по себе, за исключением компараторов напряжения.

Компараторы

напряжения сравнивают напряжения на входных клеммах. Даже при небольших перепадах напряжения компараторы напряжения могут направлять выходной сигнал либо на положительную, либо на отрицательную шины. Высокие коэффициенты усиления без обратной связи полезны в конфигурациях с обратной связью, поскольку они обеспечивают стабильное поведение схемы при изменении температуры, процесса и сигнала.

Входное сопротивление

Другой важной характеристикой операционных усилителей является то, что они обычно имеют высокий входной импеданс («Z _IN » на рис. 1 ).Входное сопротивление измеряется между отрицательной и положительной входными клеммами, и его идеальное значение равно бесконечности, что минимизирует нагрузку на источник. (На самом деле происходит небольшая утечка тока.) Размещение схемы вокруг операционного усилителя может значительно изменить эффективное входное сопротивление источника, поэтому внешние компоненты и контуры обратной связи должны быть тщательно настроены. Важно отметить, что входное сопротивление определяется не только входным сопротивлением постоянному току. Входная емкость также может влиять на поведение схемы, поэтому это также необходимо учитывать.

Выходное сопротивление

Операционный усилитель в идеале должен иметь нулевой выходной импеданс («Z _OUT » на рис. 1 ). Однако выходное сопротивление обычно имеет небольшое значение, которое определяет величину тока, который он может выдавать, и насколько хорошо он может работать в качестве буфера напряжения.

Частотная характеристика и полоса пропускания (BW)

Идеальный операционный усилитель должен иметь бесконечную полосу пропускания (BW) и поддерживать высокий коэффициент усиления независимо от частоты сигнала.Однако все операционные усилители имеют конечную полосу пропускания, обычно называемую «точкой -3 дБ», где коэффициент усиления начинает падать с увеличением частоты. Затем коэффициент усиления усилителя уменьшается со скоростью -20 дБ / декаду, а частота увеличивается. Операционные усилители с более высокой полосой пропускания обладают улучшенными характеристиками, поскольку они поддерживают более высокий коэффициент усиления на более высоких частотах; однако этот более высокий выигрыш приводит к большему энергопотреблению или увеличению стоимости.

Рисунок 2: Кривая частотной характеристики разомкнутого контура операционного усилителя

Продукт усиления полосы пропускания (GBP)

Как следует из названия, GBP — это произведение коэффициента усиления и полосы пропускания усилителя.GBP является постоянной величиной на кривой, и ее можно рассчитать с помощью уравнения (1):

$$ GBP = Прирост x Полоса пропускания = A x BW $$

GBP измеряется в точке частоты, в которой коэффициент усиления операционного усилителя достигает единицы. Это полезно, потому что позволяет пользователю рассчитать коэффициент усиления разомкнутого контура устройства на разных частотах. GBP операционного усилителя обычно является мерой его полезности и производительности, поскольку операционные усилители с более высоким коэффициентом полезного действия могут использоваться для достижения лучших характеристик на более высоких частотах.

Это основные параметры, которые следует учитывать при выборе операционного усилителя в вашей конструкции, но есть много других факторов, которые могут повлиять на вашу конструкцию, в зависимости от приложения и требований к производительности. Другие общие параметры включают входное напряжение смещения, шум, ток покоя и напряжения питания.

Отрицательная обратная связь и усиление с обратной связью

В операционном усилителе отрицательная обратная связь реализуется путем подачи части выходного сигнала через внешний резистор обратной связи и обратно на инвертирующий вход (см. Рисунок 3) .

Рисунок 3: Отрицательная обратная связь с инвертирующим операционным усилителем

Отрицательная обратная связь используется для стабилизации усиления. Используя отрицательную обратную связь, коэффициент усиления с обратной связью можно определить с помощью внешних компонентов обратной связи, которые могут иметь более высокую точность по сравнению с внутренними компонентами операционного усилителя. Это связано с тем, что внутренние компоненты операционного усилителя могут существенно отличаться из-за технологических сдвигов, изменений температуры, изменения напряжения и других факторов. Коэффициент усиления с обратной связью можно рассчитать с помощью уравнения (2) :

$$ \ frac {V_ {OUT}} {V_ {IN}} = \ frac 1 f $$

Операционные усилители: преимущества и ограничения

Использование операционного усилителя дает множество преимуществ.Операционные усилители часто имеют форму ИС и широко доступны с бесчисленным количеством выбираемых уровней производительности для удовлетворения потребностей любого приложения. Операционные усилители имеют широкий спектр применения и, как таковые, являются ключевым строительным блоком во многих аналоговых приложениях, включая конструкции фильтров, буферы напряжения, схемы компараторов и многие другие. Кроме того, большинство компаний предоставляют поддержку моделирования, такую ​​как модели PSPICE, чтобы дизайнеры проверяли свои проекты операционных усилителей перед созданием реальных проектов.

Ограничения на использование операционных усилителей включают тот факт, что они являются аналоговыми схемами, и требуют, чтобы разработчик понимал основы аналоговой обработки, такие как нагрузка, частотная характеристика и стабильность. Нет ничего необычного в том, чтобы спроектировать, казалось бы, простую схему операционного усилителя, только чтобы включить ее и обнаружить, что она колеблется. Из-за некоторых ключевых параметров, обсужденных ранее, разработчик должен понимать, как эти параметры влияют на его дизайн, что обычно означает, что разработчик должен иметь опыт аналогового проектирования от среднего до высокого.

Топологии конфигурации операционных усилителей

Существует несколько различных схем операционного усилителя, каждая из которых отличается по функциям. Ниже описаны наиболее распространенные топологии.

Повторитель напряжения

Самая простая схема операционного усилителя — повторитель напряжения (см. Рисунок 4) . Эта схема обычно не требует внешних компонентов и обеспечивает высокий входной импеданс и низкий выходной импеданс, что делает ее полезным буфером.Поскольку входное и выходное напряжение равны, изменения на входе вызывают эквивалентные изменения выходного напряжения.

$$ V_ {OUT} = V_ {IN} $$

Рисунок 4: Повторитель напряжения

Наиболее распространенными операционными усилителями, используемыми в электронных устройствах, являются усилители напряжения, которые увеличивают величину выходного напряжения. Инвертирующая и неинвертирующая конфигурации — две наиболее распространенные конфигурации усилителей. Обе эти топологии являются замкнутыми (это означает, что существует обратная связь от выхода к входным клеммам), и, таким образом, коэффициент усиления по напряжению устанавливается соотношением двух резисторов.

Инвертирующий операционный усилитель

В инвертирующих операционных усилителях операционный усилитель заставляет отрицательную клемму равняться положительной клемме, которая обычно является землей. Следовательно, входной ток определяется соотношением V _IN / R1 (см. Рисунок 5) .

Рисунок 5: Инвертирующий операционный усилитель

В этой конфигурации такой же ток течет через R2 к выходу. В идеале ток не течет на отрицательную клемму операционного усилителя из-за высокого значения Z _IN .Ток, протекающий от отрицательной клеммы через R2, создает инвертированную полярность напряжения по отношению к V _IN . Вот почему эти операционные усилители имеют инвертирующую конфигурацию. Обратите внимание, что выход операционного усилителя может качаться только между положительным и отрицательным питанием, поэтому для создания отрицательного выходного напряжения требуется операционный усилитель с отрицательной шиной питания. V _OUT можно рассчитать по формуле (3) :

$$ V_ {OUT} = — \ left ({R_2} \ over {R_1} \ right) x V_ {IN} $$

Неинвертирующий операционный усилитель

В схеме неинвертирующего усилителя входной сигнал от источника подключается к неинвертирующей (+) клемме (см. Рисунок 6) .

Рисунок 6: Неинвертирующий операционный усилитель

Операционный усилитель вынуждает инвертирующее (-) напряжение на клеммах равняться входному напряжению, что создает ток через резисторы обратной связи. Выходное напряжение всегда находится в фазе с входным напряжением, поэтому эта топология известна как неинвертирующая. Обратите внимание, что с неинвертирующим усилителем коэффициент усиления по напряжению всегда больше 1, что не всегда имеет место в инвертирующих конфигурациях. VOUT можно рассчитать с помощью уравнения (4) :

$$ V_ {OUT} = \ left (1 + \ frac {{R_2}} {R_1} \ right) x V_ {IN} $$

Компаратор напряжения

Компаратор напряжения операционного усилителя сравнивает входное напряжение и подает выход на шину питания того входа, который выше.Эта конфигурация считается работой без обратной связи, потому что нет обратной связи. Компараторы напряжения работают намного быстрее, чем топологии с обратной связью, описанные выше (см. Рисунок 7) .

Рисунок 7: Компаратор напряжения

Как выбрать операционный усилитель для вашего приложения

В разделе ниже обсуждаются некоторые соображения при выборе подходящего операционного усилителя для вашего приложения.

Во-первых, выберите операционный усилитель, который может поддерживать ожидаемый диапазон рабочих напряжений.Эту информацию можно получить, посмотрев на напряжение источника питания усилителя. Напряжение питания, вероятно, будет либо V _DD (+), либо заземлением (одинарное питание), либо усилитель может поддерживать как положительное, так и отрицательное напряжение. Отрицательное питание полезно, если выход должен поддерживать отрицательное напряжение.

Во-вторых, рассмотрим GBP усилителя. Если ваше приложение должно поддерживать более высокие частоты или требует более высокой производительности и уменьшения искажений, подумайте об операционных усилителях с более высоким коэффициентом полезного действия.

Следует также учитывать энергопотребление, поскольку для некоторых приложений может потребоваться работа с низким энергопотреблением. Рекомендуемые требования к питанию обычно можно найти в техническом описании детали и обычно указаны как ток питания и потребляемая мощность. Потребляемая мощность также может быть оценена как произведение тока и напряжения питания. Как правило, операционные усилители с более низкими токами питания имеют меньшее значение GBP и соответствуют более низким характеристикам схемы.

Для приложений, требующих более высокой точности, разработчик должен уделять особое внимание входному напряжению смещения усилителя, поскольку это напряжение приводит к смещению выходного напряжения усилителя.

Сводка

Операционные усилители широко используются во многих аналоговых и силовых приложениях. Преимущества использования операционного усилителя заключаются в том, что они, как правило, широко понятны, хорошо документированы и поддерживаются, а также довольно просты в использовании и внедрении. Операционные усилители полезны для многих приложений, таких как буферы напряжения, создание аналоговых фильтров и пороговых детекторов. Обладая более глубоким пониманием ключевых параметров и распространенных топологий, связанных с операционными усилителями, вы можете приступить к их внедрению в свои схемы.

_________________________

Вы нашли это интересным? Получайте ценные ресурсы прямо на свой почтовый ящик — рассылайте их раз в месяц!

Получить техническую поддержку

Разница между инвертирующим и неинвертирующим усилителями (со сравнительной таблицей)

Две основные классификации операционных усилителей — это инвертирующие и неинвертирующие усилители. Ключевое различие между инвертирующим и неинвертирующим усилителями состоит в том, что инвертирующий усилитель — это тот, который выдает усиленный выходной сигнал, который не совпадает по фазе с подаваемым входом.Напротив, неинвертирующий усилитель, который усиливает уровень входного сигнала без изменения фазы сигнала на выходе.

Что такое операционный усилитель?

Операционные усилители считаются основным компонентом аналоговых электронных схем. Это линейное устройство, которое используется для усиления сигнала постоянного тока. Таким образом, он используется для преобразования сигнала, фильтрации и выполнения таких операций, как сложение, вычитание, интегрирование и т. Д. Различные компоненты, такие как резистор, конденсатор и т. Д.присутствуют между входными и выходными клеммами усилителя и используются для усиления уровня напряжения подаваемого сигнала.

Это трехконтактное устройство , имеющее два входа и одну выходную клемму. Из двух входных клемм один является инвертирующим, а другой — неинвертирующим.

В этой статье дается представление о различных факторах различия между инвертирующими и неинвертирующими усилителями.

Содержание: инвертирующий против неинвертирующего усилителя

1. Таблица сравнения
2. Определение
3. Ключевые отличия
4. Заключение

Сравнительная таблица

Основа для сравнения	Инвертирующий усилитель	Неинвертирующий усилитель
Basic	Обеспечивает усиленный сигнал, который не совпадает по фазе с подаваемым входом.	Он предназначен для обеспечения усиленного сигнала, совпадающего по фазе с сигналом, присутствующим на входе.
Разность фаз между входом и выходом	180 °	0 °
Вход	Применяется на отрицательной входной клемме	Обеспечивается на положительной входной клемме
Достигнутый выход	Инвертированный по своей природе	Неинвертированный по своей природе
Выражается как	Отрицательная полярность	Положительная полярность
Коэффициент усиления усилителя	Отношение сопротивлений.	Сумма 1 с соотношением сопротивлений.
Заземление	Положительная входная клемма заземлена	Отрицательная входная клемма заземлена
Полярность усиления	Отрицательная	Положительная

Определение инвертирующего усилителя

Тип операционного усилителя, который предназначен для генерации сигнала на выходе, который на 180 ° не совпадает по фазе с приложенным входом, известен как инвертирующий усилитель .Это означает, что если фаза подаваемого входного сигнала положительная, то усиленный сигнал будет иметь отрицательную фазу. Аналогично для сигнала с отрицательной фазой фаза на выходе будет положительной.

Считается одной из самых простых и широко используемых конфигураций операционного усилителя . На рисунке ниже представлена ​​схема инвертирующего усилителя:

Здесь из вышеприведенного рисунка ясно, что обратная связь предоставляется операционному усилителю, чтобы обеспечить работу схемы с обратной связью.Для точной работы схемы на нее предусмотрена отрицательная обратная связь. Таким образом, чтобы иметь схему с обратной связью, вход, а также сигнал обратной связи с выхода подается на инвертирующий вывод операционного усилителя.

Для указанной выше сети коэффициент усиления равен:

Определение неинвертирующего усилителя

Усилитель, который выдает усиленный сигнал на выходе, имеющий фазу, аналогичную фазе на подаваемом входе, известен как неинвертирующий усилитель .Это просто означает, что для входного сигнала с положительной фазой выходной сигнал также будет положительным. То же самое касается входа с отрицательной фазой.

На рисунке ниже представлена ​​схема неинвертирующего усилителя:

В этом случае, чтобы на выходе была та же фаза, что и на входе, входной сигнал подается на неинвертирующий вывод усилителя. Но здесь также должна быть предусмотрена отрицательная обратная связь, таким образом, сигнал обратной связи подается на инвертирующий вывод операционного усилителя.Коэффициент усиления с обратной связью неинвертирующего усилителя определяется как:

Здесь следует отметить, что усилитель с инвертирующей конфигурацией можно преобразовать в неинвертирующий, просто изменив предусмотренные входные соединения.

Ключевые различия между инвертирующим и неинвертирующим усилителями

1. Ключевой фактор различия между инвертирующим и неинвертирующим усилителями делается на основе фазового соотношения, существующего между входом и выходом.В случае инвертирующего усилителя выход не совпадает по фазе с входом. В то время как для неинвертирующего усилителя вход и выход находятся в одной фазе.
2. Входной сигнал инвертирующего усилителя подается на отрицательный вывод операционного усилителя. Напротив, вход в случае неинвертирующего усилителя обеспечивается на положительном выводе.
3. Коэффициент усиления инвертирующего усилителя равен отношению сопротивлений. В отличие от этого, коэффициент усиления неинвертирующего усилителя складывается из 1 и отношения сопротивлений.