Операционный усилитель схема: Операционный усилитель? Это очень просто!

Содержание

принцип работы, схемы и т.д.

Суммирующий усилитель — схема операционного усилителя, у которого выходное напряжение равно сумме его входных напряжений. Суммирующие усилители широко применяются в электронной технике для суммирования нескольких сигналов.

Например, может включаться сигнал тревоги, если суммарная величина двух или более переменных параметров процесса превысит заданное значение.

Поскольку суммирующие усилители имеют два или более входных напряжения, подаваемых на один или оба входных зажима, то такие усилители легко узнаваемы на принципиальных схемах.

Схема суммирующего усилителя
Обратите внимание на основы электричества и на приборы электроники.

Принцип действия суммирующего усилителя

На рисунке выше представлен суммирующий операционный усилитель, имеющий два входных напряжения — Ein1 и Ein2, подаваемых на инвертирующий зажим. Неинвертирующий зажим заземлен. Поскольку входное напряжение подается на инвертирующий вход, этот суммирующий усилитель может быть назван инвертирующим суммирующим усилителем.

Резистор R1 действует как входной резистор для Ein1, а резистор R2 действует как входной резистор для Ein2. Падение напряжения на каждом входе происходит через соответствующий входной резистор.

В целом, выходное напряжение суммирующего усилителя, Eout, равно сумме входных напряжений. Поскольку входные напряжения усилителя подаются на инвертирующий вход, полярность выходного напряжения противоположна полярности суммы входных напряжений. Выходное напряжение по цепи обратной связи поступает на суммирующее соединение, и выходное напряжение формируется через резистор цепи обратной связи Rfb.

Теоретически, число входов, которое может иметь суммирующий усилитель, не ограничено. Независимо от числа входов, выходное напряжение суммирующего усилителя может быть вычислено тем же способом, который использовался для вычисления выходного напряжения инвертирующего суммирующего усилителя с двумя входными напряжениями.

Суммирующий усилитель с тремя входами

Другой вид суммирующих усилителей образует выходное напряжение, представляющее собой среднюю величину его входных напряжений. Для того, чтобы найти среднюю величину входов математически, входы сначала суммируются, затем сумма делится на число входов.

Например, при наличии двух входов их значения сначала суммируются, затем полученная сумма делится на два. Для нахождения средней величины при наличии трех входов эти входы сначала суммируются, затем сумма делится на три.

Иногда в контрольно-измерительной технике используются неинвертирующие суммирующие усилители. В неинвертирующем суммирующем усилителе коэффициент усиления схемы выбирается таким образом, чтобы выходное напряжение было равно сумме входных напряжений.

Неинвертирующий суммирующий усилитель с тремя входными напряжениями

Инвертирующий суммирующий усилитель, используемый для усреднения двух и более входных напряжений, и неинвертирующий суммирующий усилитель представляют собой лишь два из множества вариантов использования схем базовых суммирующих усилителей в электронной контрольно-измерительной технике. Рассмотрение других вариантов их использования не входит в задачи настоящего учебного модуля. Однако прибористы, понимающие основы функционирования суммирующих усилителей, смогут различить другие разновидности схем таких усилителей.

схемы включения, принцип работы. Схема усилителя на операционном усилителе неинвертирующего. Схема усилителя напряжения постоянного тока на операционном усилителе

В статье будет рассмотрена стандартная схема усилителя на операционном усилителе, а также приведены примеры различных режимов работы этого прибора. На сегодняшний день ни одно устройство управления не обходится без использования операционных усилителей. Это поистине универсальные приборы, которые позволяют выполнять различные функции с сигналом. О том, как работает и что конкретно позволяет сделать этот прибор, вы и узнаете далее.

Инвертирующие усилители

Схема инвертирующего усилителя на ОУ достаточно проста, вы ее можете увидеть на изображении. В ее основе находится операционный усилитель (схемы включения его рассмотрены в данной статье). Кроме этого, здесь:

  1. На резисторе R1 падение напряжения присутствует, по своему значению оно такое же, как входное.
  2. На резисторе R2 также имеется падение напряжения — оно такое же, как выходное.

При этом отношение выходного напряжения к сопротивлению R2 равно по значению отношению входного к R1, но обратно ему по знаку. Зная значения сопротивления и напряжения, можно вычислить коэффициент усиления. Для этого необходимо разделить выходное напряжение на входное. При этом операционный усилитель (схемы включения у него могут быть любыми) может иметь одинаковый коэффициент усиления независимо от типа.

Работа обратной связи

Теперь нужно более детально разобрать один ключевой момент – работу обратной связи. Допустим, на входе имеется некоторое напряжение. Для простоты расчетов примем его значение равным 1 В. Допустим также, что R1=10 кОм, R2=100 кОм.

А теперь предположим, что возникла какая-то непредвиденная ситуация, из-за которой на выходе каскада напряжение установилось на значении 0 В. Далее наблюдается интересная картина – два сопротивления начинают работать в паре, совместно они создают из себя делитель напряжения. На выходе инвертирующего каскада оно поддерживается на уровне 0,91 В. При этом ОУ позволяет фиксировать рассогласование по входам, а на выходе происходит уменьшение напряжения. Поэтому очень просто спроектировать схему на операционных усилителях, реализующую функцию усилителя сигнала от датчика, например.

И продолжаться это изменение будет до той самой поры, покуда не установится на выходе значение стабильное в 10 В. Именно в этот миг на входах операционного усилителя потенциалы окажутся равными. И они будут такими же, как потенциал земли. С другой стороны, если на выходе устройства продолжит уменьшаться напряжение, и оно будет меньше, чем -10 В, на входе потенциал станет ниже, нежели у земли. Следствие этого – на выходе начинает увеличиваться напряжение.

У такой схемы имеется большой недостаток – входной импеданс очень маленький, в особенности у усилителей с большим значением коэффициента усиления по напряжению, в том случае, если цепь обратной связи замкнута. А конструкция, рассмотренная дальше, лишена всех этих недостатков.

Неинвертирующий усилитель

На рисунке приведена схема неинвертирующего усилителя на операционном усилителе. Проанализировав ее, можно сделать несколько выводов:

  1. Значение напряжения UA равно входному.
  2. С делителя снимается напряжение UA, которое равно отношению произведения выходного напряжения и R1 к сумме сопротивлений R1 и R2.
  3. В случае, когда UA по значению равен входному напряжению, коэффициент усиления равен отношению выходного напряжения к входному (или же можно к отношению сопротивлений R2 и R1 прибавить единицу).

Называется данная конструкция неинвертирующим усилителем, у него практически бесконечный входной импеданс. Например, для операционных усилителей 411 серии его значение — 1012 Ом, минимум. А для операционных усилителей на биполярных полупроводниковых транзисторах, как правило, свыше 108 Ом. А вот выходной импеданс каскада, равно как и в ранее рассмотренной схеме, очень мал – доли ома. И это нужно учитывать, когда производится расчет схем на операционных усилителях.

Схема усилителя переменного тока

Обе схемы, рассмотренные в статье ранее, работают на постоянном токе. Но вот если в качестве связи источника входного сигнала и усилителя выступает переменный ток, то придется предусматривать заземление для тока на входе устройства. Причем нужно обратить внимание на то, что значение тока крайне мало по величине.

В том случае, когда происходит усиление сигналов переменного тока, необходимо уменьшать коэффициент усиления сигнала постоянного до единицы. В особенности это актуально для случаев, когда коэффициент усиления по напряжению очень большой. Благодаря этому имеется возможность значительно снизить влияние напряжения сдвига, которое приводится к входу устройства.

Второй пример схемы для работы с переменным напряжением

В данной схеме на уровне -3 дБ можно видеть соответствие частоте 17 Гц. На ней у конденсатора импеданс оказывается на уровне двух килоом. Поэтому конденсатор должен быть достаточно большим.

Чтобы построить усилитель переменного тока, необходимо использовать неинвертирующий тип схемы на операционных усилителях. И у него должен быть достаточно большой коэффициент усиления по напряжению. Но вот конденсатор может быть чересчур большим, поэтому лучше всего отказаться от его использования. Правда, придется правильно подобрать напряжение сдвига, приравняв его по значению к нулю. А можно применить Т-образный делитель и увеличить значения сопротивлений обоих резисторов в схеме.

Какую схему предпочтительнее использовать

Большинство разработчиков отдают свое предпочтение неинвертирующим усилителям, так как у них очень высокий импеданс на входе. И пренебрегают схемам инвертирующего типа. Зато у последнего имеется огромное преимущество – он не требователен к самому операционному усилителю, который является его «сердцем».

Кроме того, характеристики, на поверку, у него значительно лучше. И с помощью мнимого заземления можно без особого труда все сигналы комбинировать, причем они не будут оказывать друг на друга какое-то влияние. Может использоваться в конструкциях и схема усилителя постоянного тока на операционном усилителе. Все зависит от потребностей.

И самое последнее – случай, если вся схема, рассмотренная здесь, подключается к стабильному выходу другого операционного усилителя. В этом случае значение импеданса на входе не играет существенной роли – хоть 1 кОм, хоть 10, хоть бесконечность. В этом случае первый каскад всегда выполняет свою функцию по отношению к следующему.

Схема повторителя

Работает повторитель на операционном усилителе аналогично эмиттерному, построенному на биполярном транзисторе. И выполняет аналогичные функции. По сути, это неинвертирующий усилитель, в котором у первого резистора сопротивление бесконечно большое, а у второго равно нулю. При этом коэффициент усиления равен единице.

Имеются специальные типы операционных усилителей, которые используются в технике лишь для схем повторителей. У них значительно лучшие характеристики – как правило, это высокое быстродействие. В качестве примера можно привести такие операционные усилители как OPA633, LM310, TL068. Последний имеет корпус, как у транзистора, а также три вывода. Очень часто такие усилители называют просто буферами. Дело в том, что они обладают свойствами изолятора (очень большой входной импеданс и крайне низкий выходной). Примерно по такому принципу строится и схема усилителя тока на операционном усилителе.

Активный режим работы

По сути, это такой режим работы, при котором выходы и входы операционного усилителя не перегружаются. Если на вход схемы подать очень большой сигнал, то на выходе его просто начнет резать по уровню напряжения коллектора или эмиттера. А вот когда на выходе напряжение фиксируется на уровне среза — на входах ОУ напряжение не меняется. При этом размах не может оказаться большим, нежели напряжение питания усилительного каскада.

Большая часть схем на операционных усилителях рассчитывается таким образом, что этот размах меньше питающего напряжения на 2 В. Но все зависит от того, какая используется конкретно схема усилителя на операционном усилителе. Такое же имеется ограничение на устойчивость источника тока на базе операционного усилителя.

Допустим, есть в источнике с плавающей нагрузкой некое падение по напряжению. В случае если ток имеет нормальное направление движения, можно встретить странную на первый взгляд нагрузку. Например, несколько переполюсованных батарей питания. Такая конструкция может применяться для того, чтобы получить прямой ток заряда.

Некоторые предосторожности

Простой усилитель напряжения на операционном усилителе (схема может быть выбрана любая) можно изготовить буквально «на коленке». Но потребуется учитывать некоторые особенности. Обязательно нужно удостовериться, что обратная связь в схеме отрицательная. Это также говорит о том, что недопустимо путать неинвертирующий и инвертирующий входы усилителя. Кроме того, должна присутствовать цепочка обратной связи для постоянного тока. Иначе операционный усилитель начнет быстро переходить в режим насыщения.

У большинства операционных усилителей входное дифференциальное напряжение очень маленькое по значению. При этом максимальная разность неинвертирующего и инвертирующего входов может ограничиваться значением 5 В при любом подключении источника питания. Если пренебречь данным условием, появятся на входе довольно большие значения токов, которые приведут к тому, что все характеристики схемы ухудшатся.

Самое страшное в этом – физическое разрушение самого операционного усилителя. В результате перестает работать схема усилителя на операционном усилителе полностью.

Следует учитывать

И, конечно же, нужно рассказать о правилах, которые стоит соблюдать, чтобы обеспечить стабильную и долговечную работу операционного усилителя.

Самое главное – ОУ обладает очень высоким коэффициентом усиления по напряжению. И если между входами напряжения изменятся на долю милливольт, на выходе его значение может измениться существенно. Поэтому важно знать: у операционного усилителя выход старается стремиться к тому, чтоб между входами разница напряжений оказалась близка (в идеале равна) к нулю.

Второе правило – потребление тока операционным усилителем крайне малое, буквально наноамперы. Если же на входах установлены полевые транзисторы, то оно исчисляется пикоамперами. Отсюда можно сделать вывод, что входы не потребляют ток, независимо от того, какой используется операционный усилитель, схема — принцип работы остается тем же.

Но не стоит думать, что ОУ действительно постоянно меняет на входах напряжение. Физически это осуществить почти нереально, так как не было бы соответствия со вторым правилом. Благодаря операционному усилителю происходит оценка состояния всех входов. При помощи схемы обратной внешней связи передается напряжение на вход с выхода. Результат – между входами операционного усилителя разница напряжений находится на уровне нуля.

Понятие обратной связи

Это распространенное понятие, и оно уже применяется в широких смыслах во всех областях техники. В любой системе управления имеется обратная связь, которая сравнивает выходной сигнал и заданное значение (эталонное). В зависимости от того, какое значение текущее — происходит корректировка в нужную сторону. Причем системой управления может быть что угодно, даже автомобиль, которые едет по дороге.

Водитель жмет на тормоза, и обратная связь здесь – начало замедления. Проведя аналогию с таким простым примером, можно лучше разобраться с обратной связью в электронных схемах. А отрицательная обратная связь – это если бы при нажимании педали тормоза автомобиль ускорялся.

В электронике обратной связью называют процесс, во время которого происходит передача сигнала с выхода на вход. При этом происходит также погашение сигнала на входе. С одной стороны, это не очень разумная идея, ведь может показаться со стороны, что значительно уменьшится коэффициент усиления. Такие отзывы, кстати, получали основоположники разработки обратной связи в электронике. Но стоит разобраться детальнее в ее влиянии на операционные усилители — практические схемы рассмотреть. И станет ясно, что она и правда немного уменьшает коэффициент усиления, но зато позволяет несколько улучшить остальные параметры:

  1. Сгладить частотные характеристики (приводит их к необходимой).
  2. Позволяет предсказывать поведение усилителя.
  3. Способна устранить нелинейность и искажения сигнала.

Чем глубже обратная связь (речь идет про отрицательную), тем меньшее влияние оказывают на усилитель характеристики с разомкнутой ОС. Результат – все его параметры зависят только от того, какие свойства имеет схема.

Стоит обратить внимание на то, что все операционные усилители работают в режиме с очень глубокой обратной связью. А коэффициент усиления по напряжению (с ее разомкнутой петлей) может достигать даже нескольких миллионов. Поэтому схема усилителя на операционном усилителе крайне требовательна к соблюдению всех параметров по питанию и уровню входного сигнала.

Схемы на основе операционного усилителя

Блог о электронике

Что то часто мне стали задавать вопросы по аналоговой электронике. Никак сессия студентов за яцы взяла? 😉 Ладно, давно пора двинуть небольшой ликбезик. В частности по работе операционных усилителей. Что это, с чем это едят и как это обсчитывать.

Что это
Операционный усилитель это усилок с двумя входами, невье… гхм… большим коэфициентом усиления сигнала и одним выходом. Т.е. у нас Uвых= K*Uвх а К в идеале равно бесконечности. На практике, конечно, там числа поскромней. Скажем 1000000. Но даже такие числа взрывают мозг при попытке их применить напрямую. Поэтому, как в детском саду, одна елочка, две, три, много елочек — у нас тут много усиления 😉 И баста.

А входа два. И один из них прямой, а другой инверсный.

Более того, входы высокоомные. Т.е. их входное сопротивление равно бесконечности в идеальном случае и ОЧЕНЬ много в реальном. Счет там идет на сотни МегаОм, а то и на гигаомы. Т.е. оно замеряет напряжение на входе, но на него влияет минимально. И можно считать, что ток в ОУ не течет.

Напряжение на выходе в таком случае обсчитывается как:

Очевидно, что если на прямом входе напряжение больше чем на инверсном, то на выходе плюс бесконечность. А в обратном случае будет минус бесконечность.

Разумеется в реальной схеме плюс и минус бесконечности не будет, а их замещать будет максимально высокое и максимально низкое напряжение питания усилителя. И у нас получится:

Компаратор

Устройство позволяющее сравнивать два аналоговых сигнала и выносить вердикт — какой из сигналов больше. Уже интересно. Применений ему можно придумать массу. Кстати, тот же компаратор встроен в большую часть микроконтроллеров и как им пользоваться я показывал на примере AVR в статьях про использование аналогового компаратора и про создание на его базе АЦП. Также компаратор замечательно используется для создания всяких ШИМ сигналов.

Но одним компаратором дело не ограничивается, ведь если ввести обратную связь, то из ОУ можно сделать очень многое.

Обратная связь
Если мы сигнал возьмем со выхода и отправим прямиком на вход, то возникнет обратная связь.

Положительная обратная связь
Возьмем и загоним в прямой вход сигнал сразу с выхода.

Что получим? А ничего интересного, процесс пойдет по следующей цепочке событий.

В общем, выход мгновенно свалится в бесконечные минуса, а в реале ляжет на шину отрицательного питания и усе. Поэтому такое включение применяется крайне редко. Например в триггере Шмитта для обеспечения гистерезиса.

Триггер Шмитта
Представим себе компаратор включенный по такой вот схеме и запитанный от +/- 15 вольт:

  • Напряжение U1 больше нуля — на выходе -15 вольт
  • Напряжение U1 меньше нуля — на выходе +15 вольт

А что будет если напряжение будет равно нулю? По идее на выходе должен быть ноль. Но в реальности напряжение НИКОГДА не будет равно нулю. Ведь даже если на один электрон заряд правого перевесит заряд левого, то уже этого достаточно, чтобы на бесконечном усилении вкатить потенциал на выход. И на выходе начнется форменный ад — скачки сигнала то туда, то сюда со скоростью случайных возмущений, наводящихся на входы компаратора.

Для решения этой проблемы вводят гистерезис. Т.е. своего рода зазор между переключениями из одного состояния в другое. Для этого вводят положительную обратную связь, вот так:

Считаем, что на инверсном входе в этот момент +10 вольт. На выходе с ОУ минус 15 вольт. На прямом входе уже не ноль, а небольшая часть выходного напряжения с делителя. Примерно -1.4 вольта Теперь, пока напряжение на инверсном входе не снизится ниже -1.4 вольта выход ОУ не сменит своего напряжения. А как только напряжение станет ниже -1.4, то выход ОУ резко перебросится в +15 и на прямом входе будет уже смещение в +1.4 вольта.

И для того, чтобы сменить напряжение на выходе компаратора сигналу U1 надо будет увеличиться на целых 2.8 вольта, чтобы добраться до верхней планки в +1.4.

Возникает своеобразный зазор где нет чувствительности, между 1.4 и -1.4 вольтами. Ширина зазора регулируется соотношениями резисторов в R1 и R2. Пороговое напряжение высчитывается как Uout/(R1+R2) * R1 Скажем 1 к 100 даст уже +/-0.14 вольт.

Но все же ОУ чаще используют в режиме с отрицательной обратной связью.

Отрицательная обратная связь
Окей, воткнем по другому:

В случае отрицательной обратной связи у ОУ появляется интересное свойство. Он всегда будет пытаться так подогнать свое выходное напряжение, чтобы напряжения на входах были равны, в результате давая нулевую разность.
Пока я в великой книге от товарищей Хоровица и Хилла это не прочитал никак не мог вьехать в работу ОУ. А оказалось все просто.

Повторитель
И получился у нас повторитель. Т.е. на входе U1, на инверсном входе Uout = U1. Ну и получается, что Uout = U1.

Спрашивается нафига нам такое счастье? Можно же было напрямую кинуть провод и не нужен будет никакой ОУ!

Можно, но далеко не всегда. Представим себе такую ситуацию, есть датчик выполненный в виде резистивного делителя:

Нижнее сопротивление меняет свое значение, меняется расклад напряжений выхода с делителя. А нам надо снять с него показания вольтметром. Но у вольтметра есть свое внутреннее сопротивление, пусть большое, но оно будет менять показания с датчика. Более того, если мы не хотим вольтметр, а хотим чтобы лампочка меняла яркость? Лампочку то сюда никак не подключить уже! Поэтому выход буфферизируем операционным усилителем. Его то входное сопротивление огромно и влиять он будет минимально, а выход может обеспечить вполне ощутимый ток (десятки миллиампер, а то и сотни), чего вполне хватит для работы лампочки.
В общем, применений для повторителя найти можно. Особенно в прецезионных аналоговых схемах. Или там где схемотехника одного каскада может влиять на работу другого, чтобы разделить их.

Усилитель
А теперь сделаем финт ушами — возьмем нашу обратную связь и через делитель напряжения подсадим на землю:

Теперь на инверсный вход подается половина выходного напряжения. А усилителю то по прежнему надо уравнять напряжения на своих входах. Что ему придется сделать? Правильно — поднять напряжение на своем выходе вдвое выше прежнего, чтобы компенсировать возникший делитель.

Теперь будет U1 на прямом. На инверсном Uout/2 = U1 или Uout = 2*U1.

Поставим делитель с другим соотношением — ситуация изменится в том же ключе. Чтобы тебе не вертеть в уме формулу делителя напряжения я ее сразу и дам:

Мнемонически запоминается что на что делится очень просто:

Таким образом, можно очень легко умножать аналоговые значения на числа больше 1. А как быть с числами меньше единицы?

Инвертирующий усилитель
Тут поможет только инверсный усилитель. Разница лишь в том, что мы берем и прямой вход коротим на землю.

При этом получается, что входной сигнал идет по цепи резисторов R2, R1 в Uout. При этом прямой вход усилителя засажен на нуль. Вспоминаем повадки ОУ — он постарается любыми правдами и неправдами сделать так, чтобы на его инверсном входе образовалось напряжение равное прямому входу. Т.е. нуль. Единственный вариант это сделать — опустить выходное напряжение ниже нуля настолько, чтобы в точке 1 возник нуль.

Итак. Представим, что Uout=0. Пока равно нулю. А напряжение на входе, например, 10 вольт относительно Uout. Делитель из R1 и R2 поделит его пополам. Таким образом, в точке 1 пять вольт.

Пять вольт не равно нулю и ОУ опускает свой выход до тех пор, пока в точке 1 не будет нуля. Для этого на выходе должно стать (-10) вольт. При этом относительно входа разность будет 20 вольт, а делитель обеспечит нам ровно 0 в точке 1. Получили инвертор.

Но можно же и другие резисторы подобрать, чтобы наш делитель выдавал другие коэффициенты!
В общем, формула коэффициента усиления для такого усилка будет следующей:

Ну и мнемоническая картинка для быстрого запоминания ху из ху.

Вычитающая схема
Однако никто же не мешает подать на прямой вход не ноль, а любое другое напряжение. И тогда усилитель будет пытаться приравнять свой инверсный вход уже к нему. Получается вычитающая схема:

Допустим U2 и U1 будет по 10 вольт. Тогда на 2й точке будет 5 вольт. А выход должен будет стать таким, чтобы на 1й точке стало тоже 5 вольт. То есть нулем. Вот и получается, что 10 вольт минус 10 вольт равняется нуль. Все верно 🙂

Если U1 станет 20 вольт, то выход должен будет опуститься до -10 вольт.
Сами посчитайте — разница между U1 и Uout станет 30 вольт. Ток через резистор R4 будет при этом (U1-Uout)/(R3+R4) = 30/20000 = 0.0015А, а падение напряжения на резисторе R4 составит R4*I4 = 10000*0.0015 = 15 вольт. Вычтем падение в 15 вольт из входных 20 и получим 5 вольт.

Таким образом, наш ОУ прорешал арифметическую задачку из 10 вычел 20, получив -10 вольт.

Более того, в задачке есть коэффициенты, определяемые резисторами. Просто у меня, для простоты, резисторы выбраны одинакового номинала и поэтому все коэффициенты равны единице. А на самом деле, если взять произвольные резисторы, то зависимость выхода от входа будет такой:

Мнемотехника для запоминания формулы расчета коэффициентов такова:
Прям по схеме. Числитель у дроби вверху поэтому складываем верхние резисторы в цепи протекания тока и множим на нижний. Знаменатель внизу, поэтому складываем нижние резисторы и множим на верхний.

Если же вводные резисторы (R4 и R5) равны друг другу. И резистор обратной связи и резистор на землю (R3 и R6) тоже равны друг другу. То формула упрощается до

Таким образом, на одном усилке можно два сигнала сначала вычесть, а потом умножить на константу. Этим, кстати, я воспользовался в схеме реобаса, чтобы привести милливольтный сигнал с датчика температуры к вменяемому виду.

Раз можно вычитать, то можно и суммировать

Тут все просто. Т.к. точка 1 у нас постоянно приводится к 0, то можно считать, что втекающие в нее токи всегда равны U/R, а входящие в узел номер 1 токи суммируются. Соотношение входного резистора и резистора в обратной связи определяет вес входящего тока.

Ветвей может быть сколько угодно, я же нарисовал всего две.

Резисторы на входе (R1, R2) определяют величину тока, а значит общий вес входящего сигнала. Если сделать все резисторы равными, как у меня, то вес будет одинаковым, а коэффициент умножения каждого слагаемого будет равен 1. И Uout = -1(U1+U2)

Сумматор неинвертирующий
Тут все чуток посложней, но похоже.

Причем резисторы в обратной связи должны быть такими, чтобы соблюдалось уравнение R3/R4 = K1+K2

В общем, на операционных усилителях можно творить любую математку, складывать, умножать, делить, считать производные и интегралы. Причем практически мгновенно. На ОУ делают аналоговые вычислительные машины. Одну такую я даже видел на пятом этаже ЮУрГУ — дура размером в пол комнаты. Несколько металлических шкафов. Программа набирается соединением разных блоков проводочками 🙂

Продолжение следует, когда-нибудь 🙂

192 thoughts on “Операционный усилитель”

> с двумя входами. Невье… гхм… большим
А не лучше ли запятую вместо точки?
> Поэтому такое включение не применяется. ОУ сконструирован для отрицательной обратной связи.
Ну ПОС тоже применяют, получая триггер Шмитта. В том же реобасе используется. Так что можно было и его описать)

О, точняк. Про него я чето запамятовал.

Моар спеллчека.
> Например в Триггере Шмидта
1) «Триггер» с малой буквы
2) Согласно вики — таки Шмитта.

Да ну? Я иначе как Шмидт его ни разу не видел.

Шмидт и Шмитт это разные люди 🙂
Один летчиком был, именем другого триггер назван.
Шмидт — это который лейтинант («Дети лейтинанта Шмидта» все помнят),
а триггер он Шмитта.

Неплохо бы написать мануал по выбору усилка. А то их всяких разных уж больно много развелось…

А что там много параметров? Для повседневных нужд тока частота, питающее напряжение, райл2райл или нет. КОрпус еще. Ну а для прецезионных затрахов там свои приколы и я их сам не знаю. Т.к. с аналоговой точной техникой дело имел мало да и не нужно оно особо в быту.

ещё полоса пропускания для переменных сигналов.
в своё время для космических систем в одном месте не нашлось ничего лучше, чем 744уд2 именно по этому параметру, так до сих пор и живём )

Стоило бы чуть-чуть коснуться практики применения ОУ с однополярным питанием (подозреваю что начинающим будет трудновато адаптировать твои рассуждения самостоятельно).
Ещё: привести вариант какой-нить простой схемы (например, http://easyelectronics.ru/img/starters/OPAMPS/5_noinvert.GIF), но добавить конденсатор с намёком что по переменному току сопротивление цепочки будет другое (более того, будет меняться с изменением частоты), а значит можно строить усилители с нелинейной АЧХ.
Ну, и grammar nazi тут подсказывает что «буфер» пришеццо с одной «ф». Тебе прям по всем статьям надо пройтись поиском-заменой, а то режет очень 🙂

Во, как справочник самое то! А то иногда приходится выводить эти формулы по ходу составления схемы, отвлекаясь от обдумывания более важных вещей. Давно хотел себе оформить это в виде листа, прилепленного на стенку 🙂

Я как справочник юзаю статью из Википедии (Применение операционных усилителей). Там базовые схемы и формулы есть.

Да, про вики я забыл. Там иногда тоже нужные вещи пишут

Обратная связь это когда сигнал с выхода поступает опять на вход, но не наоборот!

Странно как…
Столько картинок и ни одного канализационно-водопроводного аналога… 🙂

А если серьёзно — правильно делаешь, что пишешь про аналог. Хоть миром и правит цифрровая электроника, но без аналога у неё будут большие проблемы в «общении» с этим самым миром.

Еще я что-то не заметил (может плохо смотрел) схемы для измерения тока (падение на шунтирующем резисторе) или хотя-бы её описания.

З.Ы. Есть у меня хорошая (на мой взгляд) книжка — «Что нужно знать цифровому разработчику об аналоговой электронике» (авт. Бонни Бэйкер). Довольно хорошо написана (правда местами скучно..). Посмотри на досуге — может добавишь в раздел «книги».

Да будет продолжение где наброшу практики. Вроде того же виртуального нуля, способов питания, ограничений всяких. Применение и так далее.

Книга, кстати, очень удобная. Мне ее подарили на TI Technology day. Просто, доступно, с примерами.

>>Если мы сигнал возьмем со входа и отправим прямиком на выход, то возникнет обратная связь.
Перепутал местами.

>>Uout = -1(R3*U1/R9 + R3*U2/R8)
Индексы не соответствуют картинке!

Прошлая статья открыла цикл статей про строительные кирпичики современной аналоговой электроники – операционные усилители. Было дано определение ОУ и некоторые параметры, также приведена классификация операционных усилителей. Данная статья раскроет такое понятие как идеальный операционный усилитель, и будут приведены основные схемы включения операционного усилителя.

Для сборки радиоэлектронного устройства можно преобрески DIY KIT набор по ссылке.

Идеальный операционный усилитель и его свойства

Так как наш мир не является идеальным, так и идеальных операционных усилителей не существует. Однако параметры современных ОУ находятся на достаточно высоком уровне, поэтому анализ схем с идеальными ОУ даёт результаты, очень близкие к реальным усилителям.

Для понимания работы схем с операционными усилителями вводится ряд допущений, которые приводят реальные операционные усилители к идеальным усилителям. Таких допущений всего пять:

  1. Ток, протекающий через входы ОУ, принимается равным нулю.
  2. Коэффициент усиления ОУ принимается бесконечно большим, то есть выходное напряжение усилителя может достичь любых значений, однако в реальность ограничено напряжением питания.
  3. Разность напряжений между входами идеального ОУ равна нулю, то есть если один из выводов соединён с землёй, то и второй вывод имеет такой же потенциал. Отсюда также следует, что входное сопротивление идеального усилителя бесконечно.
  4. Выходное сопротивление идеального ОУ равно нулю.
  5. Амплитудно-частотная характеристика идеального ОУ является плоской, то есть коэффициент усиления не зависит от частоты входного сигнала.

Близость параметров реального операционного усилителя к идеальным определяет точность, с которой может работать данный ОУ, а также выяснить ценность конкретного операционного усилителя, быстро и правильно сделать выбор подходящего ОУ.

Исходя из вышеописанных допущений, появляется возможность проанализировать и вывести соотношения для основных схем включения операционного усилителя.

Основные схемы включения операционного усилителя

Как указывалось в предыдущей статье, операционные усилители работают только с обратными связями, от вида которой зависит, работает ли операционный усилитель в линейном режиме или в режиме насыщения. Обратная связь с выхода ОУ на его инвертирующий вход обычно приводит к работе ОУ в линейном режиме, а обратная связь с выхода ОУ на его неинвертирующий вход или работа без обратной связи приводит к насыщению усилителя.

Неинвертирующий усилитель

Неинвертирующий усилитель характеризуется тем, что входной сигнал поступает на неинвертирующий вход операционного усилителя. Данная схема включения изображена ниже


Схема включения неинвертирующего усилителя.

Работа данной схемы объясняется следующим образом, с учётом характеристик идеального ОУ. Сигнала поступает на усилитель с бесконечным входным сопротивлением, а напряжение на неинвертирующем входе имеет такое же значение, как и на инвертирующем входе. Ток на выходе операционного усилителя создает на резисторе R2 напряжение, равное входному напряжению.

Таким образом, основные параметры данной схемы описываются следующим соотношением

Отсюда выводится соотношение для коэффициента усиления неинвертирующего усилителя

Таким образом, можно сделать вывод, что на коэффициент усиления влияют только номиналы пассивных компонентов.

Необходимо отметить особый случай, когда сопротивление резистора R2 намного больше R1 (R2 >> R1), тогда коэффициент усиления будет стремиться к единице. В этом случае схема неинвертирующего усилителя превращается в аналоговый буфер или операционный повторитель с единичным коэффициентом передачи, очень большим входным сопротивлением и практически нулевым выходным сопротивлением. Что обеспечивает эффективную развязку входа и выхода.

Инвертирующий усилитель

Инвертирующий усилитель характеризуется тем, что неинвертирующий вход операционного усилителя заземлён (то есть подключен к общему выводу питания). В идеальном ОУ разность напряжений между входами усилителя равна нулю. Поэтому цепь обратной связи должна обеспечивать напряжение на инвертирующем входе также равное нулю. Схема инвертирующего усилителя изображена ниже


Схема инвертирующего усилителя.

Работа схемы объясняется следующим образом. Ток протекающий через инвертирующий вывод в идеальном ОУ равен нулю, поэтому токи протекающие через резисторы R1 и R2 равны между собой и противоположны по направлению, тогда основное соотношение будет иметь вид


Тогда коэффициент усиление данной схемы будет равен

Знак минус в данной формуле указывает на то, что сигнал на выходе схемы инвертирован по отношению к входному сигналу.

Интегратор

Интегратор позволяет реализовать схему, в которой изменение выходного напряжения пропорционально входному сигналу. Схема простейшего интегратора на ОУ показана ниже


Интегратор на операционном усилителе.

Данная схема реализует операцию интегрирования над входным сигналом. Я уже рассматривал схемы интегрирования различных сигналов при помощи интегрирующих RC и RL цепочек. Интегратор реализует аналогичное изменение входного сигнала, однако он имеет ряд преимуществ по сравнению с интегрирующими цепочками. Во-первых, RC и RL цепочки значительно ослабляют входной сигнал, а во-вторых, имеют высокое выходное сопротивление.

Таким образом, основные расчётные соотношения интегратора аналогичны интегрирующим RC и RL цепочкам, а выходное напряжение составит

Интеграторы нашли широкое применение во многих аналоговых устройствах, таких как активные фильтры и системы автоматического регулирования

Дифференциатор

Дифференциатор по своему действию противоположен работе интегратора, то есть выходной сигнал пропорционален скорости изменения входного сигнала. Схема простейшего дифференциатора показана ниже


Дифференциатор на операционном усилителе.

Дифференциатор реализует операцию дифференцирование над входным сигналом и аналогичен действию дифференцирующих RC и RL цепочек, кроме того имеет лучшие параметры по сравнению с RC и RL цепочками: практически не ослабляет входной сигнал и обладает значительно меньшим выходным сопротивлением. Основные расчётные соотношения и реакция на различные импульсы аналогична дифференцирующим цепочкам.

Выходное напряжение составит

Логарифмирующий преобразователь

Одной из схем на операционном усилителе, которые нашли применение, является логарифмирующий преобразователь. В данном схеме используется свойство диода или биполярного транзистора. Схема простейшего логарифмического преобразователя представлена ниже


Логарифмирующий преобразователь.

Данная схема находит применение, прежде всего в качестве компрессора сигналов для увеличения динамического диапазона, а так же для выполнения математических функций.

Рассмотрим принцип работы логарифмического преобразователя. Как известно ток, протекающий через диод, описывается следующим выражением

где IO – обратный ток диода,
е – число е, основание натурального логарифма, e ≈ 2,72,
q – заряд электрона,
U – напряжение на диоде,
k – постоянная Больцмана,
T – температура в градусах Кельвина.

При расчётах можно принимать IO ≈ 10-9 А, kT/q = 25 мВ. Таким образом, входной ток данной схемы составит

тогда выходное напряжение

Простейший логарифмический преобразователь практически не используется, так как имеет ряд серьёзных недостатков:

  1. Высокая чувствительность к температуре.
  2. Диод не обеспечивает достаточной точности преобразования, так как зависимость между падением напряжения и током диода не совсем логарифмическая.

Вследствие этого вместо диодов применяют транзисторы в диодном включении или с заземлённой базой.

Экспоненциальный преобразователь

Схема экспоненциального преобразователь получается из логарифмического преобразователя путём перемены места диода и резистора в схеме. А работа такой схемы так же как и логарифмического преобразователя основана на логарифмической зависимости между падение напряжения на диоде и током протекающим через диод. Схема экспоненциального преобразователя показана ниже


Экспоненциальный преобразователь.

Работа схемы описывается известными выражениями

Таким образом, выходное напряжение составит

Также как и логарифмический преобразователь, простейший экспоненциальный преобразователь с диодом на входе применяют редко, вследствие вышеописанных причин, поэтому вместо диодов на входе используют биполярные транзисторы в диодном включении или с общей базой.

Схемы включения операционных усилителей, описанные выше, не являются исчерпывающими, а лишь только призваны дать основные понятия. Более подробно схемы включения операционных усилителей я рассмотрю в следующих статьях. Всем удачи.

Теория это хорошо, но без практического применения это просто слова.Здесь можно всё сделать своими руками.

Прошлая статья открыла цикл статей про строительные кирпичики современной аналоговой электроники – операционные усилители. Было дано определение ОУ и некоторые параметры, также приведена классификация операционных усилителей. Данная статья раскроет такое понятие как идеальный операционный усилитель, и будут приведены основные схемы включения операционного усилителя.

Для сборки радиоэлектронного устройства можно преобрески DIY KIT набор по ссылке.

Идеальный операционный усилитель и его свойства

Так как наш мир не является идеальным, так и идеальных операционных усилителей не существует. Однако параметры современных ОУ находятся на достаточно высоком уровне, поэтому анализ схем с идеальными ОУ даёт результаты, очень близкие к реальным усилителям.

Для понимания работы схем с операционными усилителями вводится ряд допущений, которые приводят реальные операционные усилители к идеальным усилителям. Таких допущений всего пять:

  1. Ток, протекающий через входы ОУ, принимается равным нулю.
  2. Коэффициент усиления ОУ принимается бесконечно большим, то есть выходное напряжение усилителя может достичь любых значений, однако в реальность ограничено напряжением питания.
  3. Разность напряжений между входами идеального ОУ равна нулю, то есть если один из выводов соединён с землёй, то и второй вывод имеет такой же потенциал. Отсюда также следует, что входное сопротивление идеального усилителя бесконечно.
  4. Выходное сопротивление идеального ОУ равно нулю.
  5. Амплитудно-частотная характеристика идеального ОУ является плоской, то есть коэффициент усиления не зависит от частоты входного сигнала.

Близость параметров реального операционного усилителя к идеальным определяет точность, с которой может работать данный ОУ, а также выяснить ценность конкретного операционного усилителя, быстро и правильно сделать выбор подходящего ОУ.

Исходя из вышеописанных допущений, появляется возможность проанализировать и вывести соотношения для основных схем включения операционного усилителя.

Основные схемы включения операционного усилителя

Как указывалось в предыдущей статье, операционные усилители работают только с обратными связями, от вида которой зависит, работает ли операционный усилитель в линейном режиме или в режиме насыщения. Обратная связь с выхода ОУ на его инвертирующий вход обычно приводит к работе ОУ в линейном режиме, а обратная связь с выхода ОУ на его неинвертирующий вход или работа без обратной связи приводит к насыщению усилителя.

Неинвертирующий усилитель

Неинвертирующий усилитель характеризуется тем, что входной сигнал поступает на неинвертирующий вход операционного усилителя. Данная схема включения изображена ниже


Схема включения неинвертирующего усилителя.

Работа данной схемы объясняется следующим образом, с учётом характеристик идеального ОУ. Сигнала поступает на усилитель с бесконечным входным сопротивлением, а напряжение на неинвертирующем входе имеет такое же значение, как и на инвертирующем входе. Ток на выходе операционного усилителя создает на резисторе R2 напряжение, равное входному напряжению.

Таким образом, основные параметры данной схемы описываются следующим соотношением

Отсюда выводится соотношение для коэффициента усиления неинвертирующего усилителя

Таким образом, можно сделать вывод, что на коэффициент усиления влияют только номиналы пассивных компонентов.

Необходимо отметить особый случай, когда сопротивление резистора R2 намного больше R1 (R2 >> R1), тогда коэффициент усиления будет стремиться к единице. В этом случае схема неинвертирующего усилителя превращается в аналоговый буфер или операционный повторитель с единичным коэффициентом передачи, очень большим входным сопротивлением и практически нулевым выходным сопротивлением. Что обеспечивает эффективную развязку входа и выхода.

Инвертирующий усилитель

Инвертирующий усилитель характеризуется тем, что неинвертирующий вход операционного усилителя заземлён (то есть подключен к общему выводу питания). В идеальном ОУ разность напряжений между входами усилителя равна нулю. Поэтому цепь обратной связи должна обеспечивать напряжение на инвертирующем входе также равное нулю. Схема инвертирующего усилителя изображена ниже


Схема инвертирующего усилителя.

Работа схемы объясняется следующим образом. Ток протекающий через инвертирующий вывод в идеальном ОУ равен нулю, поэтому токи протекающие через резисторы R1 и R2 равны между собой и противоположны по направлению, тогда основное соотношение будет иметь вид


Тогда коэффициент усиление данной схемы будет равен

Знак минус в данной формуле указывает на то, что сигнал на выходе схемы инвертирован по отношению к входному сигналу.

Интегратор

Интегратор позволяет реализовать схему, в которой изменение выходного напряжения пропорционально входному сигналу. Схема простейшего интегратора на ОУ показана ниже


Интегратор на операционном усилителе.

Данная схема реализует операцию интегрирования над входным сигналом. Я уже рассматривал схемы интегрирования различных сигналов при помощи интегрирующих RC и RL цепочек. Интегратор реализует аналогичное изменение входного сигнала, однако он имеет ряд преимуществ по сравнению с интегрирующими цепочками. Во-первых, RC и RL цепочки значительно ослабляют входной сигнал, а во-вторых, имеют высокое выходное сопротивление.

Таким образом, основные расчётные соотношения интегратора аналогичны интегрирующим RC и RL цепочкам, а выходное напряжение составит

Интеграторы нашли широкое применение во многих аналоговых устройствах, таких как активные фильтры и системы автоматического регулирования

Дифференциатор

Дифференциатор по своему действию противоположен работе интегратора, то есть выходной сигнал пропорционален скорости изменения входного сигнала. Схема простейшего дифференциатора показана ниже


Дифференциатор на операционном усилителе.

Дифференциатор реализует операцию дифференцирование над входным сигналом и аналогичен действию дифференцирующих RC и RL цепочек, кроме того имеет лучшие параметры по сравнению с RC и RL цепочками: практически не ослабляет входной сигнал и обладает значительно меньшим выходным сопротивлением. Основные расчётные соотношения и реакция на различные импульсы аналогична дифференцирующим цепочкам.

Выходное напряжение составит

Логарифмирующий преобразователь

Одной из схем на операционном усилителе, которые нашли применение, является логарифмирующий преобразователь. В данном схеме используется свойство диода или биполярного транзистора. Схема простейшего логарифмического преобразователя представлена ниже


Логарифмирующий преобразователь.

Данная схема находит применение, прежде всего в качестве компрессора сигналов для увеличения динамического диапазона, а так же для выполнения математических функций.

Рассмотрим принцип работы логарифмического преобразователя. Как известно ток, протекающий через диод, описывается следующим выражением

где IO – обратный ток диода,
е – число е, основание натурального логарифма, e ≈ 2,72,
q – заряд электрона,
U – напряжение на диоде,
k – постоянная Больцмана,
T – температура в градусах Кельвина.

При расчётах можно принимать IO ≈ 10-9 А, kT/q = 25 мВ. Таким образом, входной ток данной схемы составит

тогда выходное напряжение

Простейший логарифмический преобразователь практически не используется, так как имеет ряд серьёзных недостатков:

  1. Высокая чувствительность к температуре.
  2. Диод не обеспечивает достаточной точности преобразования, так как зависимость между падением напряжения и током диода не совсем логарифмическая.

Вследствие этого вместо диодов применяют транзисторы в диодном включении или с заземлённой базой.

Экспоненциальный преобразователь

Схема экспоненциального преобразователь получается из логарифмического преобразователя путём перемены места диода и резистора в схеме. А работа такой схемы так же как и логарифмического преобразователя основана на логарифмической зависимости между падение напряжения на диоде и током протекающим через диод. Схема экспоненциального преобразователя показана ниже


Экспоненциальный преобразователь.

Работа схемы описывается известными выражениями

Таким образом, выходное напряжение составит

Также как и логарифмический преобразователь, простейший экспоненциальный преобразователь с диодом на входе применяют редко, вследствие вышеописанных причин, поэтому вместо диодов на входе используют биполярные транзисторы в диодном включении или с общей базой.

Схемы включения операционных усилителей, описанные выше, не являются исчерпывающими, а лишь только призваны дать основные понятия. Более подробно схемы включения операционных усилителей я рассмотрю в следующих статьях. Всем удачи.

Теория это хорошо, но без практического применения это просто слова.Здесь можно всё сделать своими руками.

Операционный усилитель: одиночный, сдвоенный или счетверенный?

В статье обсуждаются особенности топологии одиночных, сдвоенных и счетверенных операционных усилителей (ОУ) и влияние конструкции на их параметры. Рассмотрены некоторые виды схем на базе ОУ и показано, в каком случае лучше выбрать одиночный, а в каком — сдвоенный или счетверенный вариант ОУ. Статья представляет собой сокращенный перевод [1].

Очевидным подходом при проектировании схем, где требуется много операционных усилителей, является использование сдвоенных или счетверенных ОУ. Во многих случаях это не влияет на параметры системы, однако для некоторых схем тщательный выбор между одиночными, сдвоенными и счетверенными ОУ, а также правильное размещение этих компонентов на плате могут улучшить характеристики схемы.

Одним их важных положений, выдвинутых еще первым исследователем монолитных ОУ Бобом Уидларом (Bob Widlar), было то, что интегральные схемы следует проектировать на основе согласования параметров компонентов, а не исходя из абсолютных номиналов резисторов или транзисторов. Этот принцип можно применить и при проектировании печатных плат, в которых используется много ОУ.

Действительно ли сдвоенный ОУ — это два ОУ или это один прибор с двумя функциями?

Существует мнение, что сдвоенный ОУ — это два отдельных ОУ, однако есть довольно тонкие различия между монолитной сдвоенной микросхемой и двумя отдельными микросхемами на плате, которые могут вызвать ряд проблем. Поскольку два ОУ расположены рядом на одном кристалле кремния, следует учитывать некоторые электрические и тепловые эффекты при использовании сдвоенного ОУ.

Влияние тепловых эффектов известно более 30 лет [2]. При изменении выходного напряжения ОУ изменяется и тепловое рассеивание, и тепловая волна распространяется по кристаллу по направлению ко входному каскаду, нарушая равновесие на входе и вызывая появление электрического сигнала. Тепловая волна может влиять на обе части сдвоенного ОУ, даже если они электрически разделены.

Наблюдаются также и электрические эффекты. Для уменьшения размера кристалла и, следовательно, стоимости прибора, некоторые узлы схемы, например, цепи смещения и запуска, делают общими для обоих каналов ОУ. Если один канал ОУ выйдет за допустимые пределы условий работы и вызовет отказ схемы смещения, то функционирование другого ОУ также нарушится. Кроме того, при использовании одной пары выводов питания проволочные соединения и некоторые металлизированные проводники на кристалле проводят ток, общий для обоих каналов ОУ. Ток, потребляемый в одной части кристалла, вызовет падение напряжения, степень влияния которого на другой канал ОУ зависит от коэффициента подавления помех по питанию (PSRR), изменяющегося с частотой.

При использовании сдвоенных ОУ имеются свои преимущества и недостатки. Некоторые из преимуществ достаточно очевидны. Во-первых, установка одного корпуса вместо двух снижает стоимость производства системы. Во-вторых, большинство производителей, как правило, предлагает сдвоенные ОУ по более низким ценам, чем два одиночных ОУ. За счет объединения некоторых узлов схемы площадь кристалла сдвоенного ОУ, как правило, меньше, чем удвоенная площадь кристалла одиночного ОУ. Третий момент: время измерения простых приборов, таких как ОУ, которое выполняется на высокоскоростной автоматизированной тестовой системе, ограничено, поэтому стоимость измерения одной функции также меньше. Эти же соображения верны и для стоимости корпуса. Наконец, т.к. два ОУ расположены на пластине очень близко друг к другу, электрические характеристики двух схем, которые обычно не оговорены техническими условиями, тоже очень схожи.

Есть, однако, и некоторые недостатки. При реализации двух или четырех схем в одном корпусе рассеивание мощности увеличивается. Для узкополосных и низковольтовых ОУ (с малым потреблением мощности) это увеличение приводит к незначительному (около 5°C) возрастанию температуры перехода. Для высокоскоростных ОУ, работающих на низкоимпедансную нагрузку, например, на коаксиальный кабель, такое увеличение может быть значительным, достигая едва ли не 30°C. Из-за механических напряжений в кристалле максимальное напряжение смещения для счетверенного ОУ будет выше, чем для сдвоенного или одиночного ОУ. В некоторых случаях сдвоенные ОУ будут иметь более высокое напряжение смещения, чем одиночные ОУ, а счетверенные будут иметь более высокое смещение, чем сдвоенные.

Кроме того, проблему представляют и перекрестные помехи, которые возникают из-за тепловых и электрических эффектов в кристалле. Как уже было сказано, тепловая волна от одного канала ОУ вызывает разбалансировку входного каскада другого канала сдвоенного ОУ. Это проявляется как низкочастотная обратная связь. К тому же, при использовании одного набора выводов питания для микросхемы сопротивление проволочного соединения является общим для всех каналов ОУ, поэтому ток большой нагрузки одной части схемы вызовет падение напряжения на проволочных соединениях. Коэффициент подавления помех по питанию ОУ не является бесконечной величиной, поэтому часть помех будет наводиться на другие части схемы. PSRR уменьшается с увеличением частоты, поэтому помехи проявляются, в основном, на частотах выше 5…10 кГц.

Влияние топологии на характеристики ОУ

Чтобы понять, почему происходят эти эффекты, полезно посмотреть, как устроены одиночные, сдвоенные и счетверенные ОУ.

Входной каскад

Обычно в качестве входного каскада ОУ используется дифференциальная пара. Она может быть выполнена на биполярных транзисторах как npn-, так и pnp-типа или построена на n- или p-канальных MOSFET или же на n- или p-канальных JFET.

Общая проблема для всех вариантов состоит в том, что если температура одного транзистора дифференциальной пары отличается от температуры другого транзистора даже на десятую долю градуса, то каскад будет разбалансирован. При коэффициенте усиления более 100 тыс. это может повлиять на выходное напряжение. Когда выходной каскад рассеивает мощность, тепловая волна перемещается через кристалл ко входному каскаду. Если входной каскад находится сравнительно далеко от выходного, изотермы будут представлять собой почти параллельные линии. Если два входных транзистора расположить таким образом, что волна достигнет обоих транзисторов в одно и то же время, равновесие на входе не нарушится.

Это неплохая идея, но можно предложить и лучшее решение. Если разделить каждый из входных транзисторов на два транзистора и соединить их перекрестно, то тепловая волна будет воздействовать на обе части схемы в меньшей степени, чем если бы транзисторов было только два. Термин «счетверенный ОУ с перекрестным соединением» имеет несколько значений, и это наиболее распространенное из них.

Имеются и другие методы оптимизации топологии кристалла в связи с влиянием в нем напряжений, температурного коэффициента резисторов и других факторов, которые подробно освещены в [3].

Расположение выводов корпуса

В [1] подробно перечислены топологии расположения выводов корпуса, и мы не будем подробно их описывать. Отметим лишь, что оптимальная топология для сдвоенного ОУ не является оптимальной для счетверенного ОУ. Можно, конечно, спроектировать индивидуальные топологии для одиночного, сдвоенного и счетверенного ОУ, но с учетом времени вывода изделия на рынок и стоимости проектирования стандартным подходом является повторное использование существенных частей проекта. Когда в семействе ОУ планируются только одиночные и сдвоенные версии, то обычно оптимизируется топология сдвоенного варианта.

Как-то довольно давно один из производителей создал счетверенный ОУ, который демонстрировал весьма хорошие характеристики. Секрет был в использовании специальной выводной рамки, в которой размещалось два сдвоенных кристалла, т.е. прибор представлял собой гибридное устройство или многокристальный модуль. Это требовало выполнения сборки прибора либо на заводе-изготовителе, либо в компании, специализирующейся на сборке. Конечный процент выхода годных такого прибора приблизительно равен произведению процентов выхода годных отдельных кристаллов. Например, если выход годных кристалла равен 99%, то конечный процент выхода годных прибора был бы равен 0,99 × 0,99 = 98,01%, что вполне допустимо. Если же процент выхода годных кристалла равен 90%, что вполне возможно для приборов с весьма малыми допусками на параметры, то общий выход годных будет равен 0,9 × 0,9 = 81%.

Примеры удачных схем

С учетом сложного взаимодействия между каналами ОУ возникает вопрос: когда имеет смысл использовать согласованные характеристики сдвоенных ОУ? Приходят на ум два довольно распространенных приложения: построение инструментального усилителя, состоящего из трех ОУ, и схема компенсации фазы для критичных приложений. Схема классического инструментального усилителя, состоящего из трех ОУ, показана на рисунке 1.

Рис. 1. Принципиальная схема инструментального усилителя, состоящего из трех ОУ

Как правило, для этого приложения предпочитают использовать счетверенные ОУ, однако заметим, что A1 и A2 могут работать с коэффициентом усиления шума равным пяти, десяти и выше. Это означает, что следует уделить особое внимание напряжению входного смещения и напряжению шума на входе. A3 имеет другие требования, поэтому для него целесообразно использовать другой тип ОУ. A3 обычно работает при значительно меньшем значении коэффициента усиления, и уровень его входного шума по отношению к общему входу инструментального усилителя делится на коэффициент усиления первого каскада, поэтому он менее важен. Наконец, нагрузка для третьего ОУ, в общем случае, больше, чем для первых двух ОУ.

Смещение входного каскада будет зависеть от напряжения смещения операционных усилителей A1 и A2. На рынке имеется немного сдвоенных ОУ, которые имеют гарантированное согласование двух каналов. Даже если согласование не гарантируется, то всегда стараются обеспечить достаточное согласование двух ОУ. Например, максимальный температурный дрейф напряжения смещения AD8599 равен 2,2 мкВ/°C, и хотя согласование не предусмотрено техническими условиями, измерения на случайной выборке из 100 приборов показали максимальную разницу по этому параметру менее 1 мкВ/°C.

При проектировании системы следует учитывать наихудшее сочетание параметров и использовать максимальное значение напряжения смещения Vos, указанное в технической документации для схем в интегральном исполнении. Одним из наиболее важных параметров инструментального усилителя является коэффициент подавления синфазной помехи (CMRR). Согласование ОУ A1 и A2 по CMRR позволяет улучшить общую величину CMRR. Это главная причина, по которой стараются использовать монолитный сдвоенный ОУ для входного каскада в этом приложении.

Нагрузка для A1 и A2 не является большой, однако для A3 нагрузка может быть довольно значительной, поэтому с точки зрения электрических и тепловых факторов лучше использовать монолитный сдвоенный и одиночный ОУ. В пользу этого говорит и возможность более простой разводки. Заметим, что коэффициент подавления синфазной помехи по постоянному и переменному току для выходного каскада существенно зависит от согласования резисторов и паразитных емкостей, что часто игнорируют.

Современный технологический процесс позволяет создать монолитный дифференциальный усилитель с лазерной подгонкой тонкопленочных резисторов (например, AD8271), который стоит меньше и обеспечивает лучшие характеристики, чем дискретный ОУ с четырьмя резисторами с 0,1-% допусками. В зависимости от требуемой величины CMRR на данной частоте, площади на печатной плате, точности системы и тока потребления можно выбрать полный монолитный инструментальный усилитель, например, AD8226.

Мониторинг шин питания

В системе с однополярным питанием сдвиг фазы составляет 45°, когда амплитуда уменьшается на 3 дБ. Расчетные значения фазо- и амплитудно-частотных характеристик приведены в таблице 1. Заметим, что даже на частоте в 100 раз ниже частоты среза сдвиг фазы еще превышает полградуса, а амплитуда немного меньше допустимой величины. Для систем, в которых следует обеспечить высокую точность как по амплитуде, так и по фазе, например, для систем мониторинга линий питания, можно использовать характеристики по переменному току одного канала ОУ для того, чтобы компенсировать фазовую характеристику другого канала ОУ.

Таблица 1. Зависимость сдвига фазы и амплитуды от частота перегиба

Нормализованная частота перегиба

Сдвиг фазы, град.

Амплитуда, дБ

0,001

0,057

-4,34E-6

0,01

0,573

-4,34E-4

0,1

5,71

-0,086

0,5

26,57

-0,969

1(fp)

45

-3,01

2

63,43

-4,77

10

84,29

-20,04

100

89,43

-40,00

Базовая концепция такого подхода показана на рисунке 2. На рисунке 3 изображены фазовые характеристики для обычной однополюсной системы (на графике она обозначена как «нескомпенсированная») и для системы, показанной на рисунке 2 (на графике она обозначена как «скомпенсированная»).

Рис. 2. Схема компенсации фазы на сдвоенном ОУ
Рис. 3. Фазовые характеристики обычной однополюсной системы и схемы с компенсацией фазы, показанной на рисунке 2

Примеры неудачных схем

Счетверенный ОУ в сигнальной цепи

Для сигналов величиной несколько милливольт сигнальная цепь должна иметь малый уровень шума для того, чтобы поддерживать приемлемый уровень общего отношения сигнал-шум. Распределяя коэффициент усиления по цепи и выбирая соответствующий одиночный, сдвоенный или счетверенный ОУ, можно улучшить характеристики и снизить общую стоимость такой схемы. Например, при максимальном входном сигнале равном 50 мВ, 10-В напряжении и 2-кОм резисторе на выходе, потребуется коэффициент усиления равный  200.

Четыре блока сигнальной цепи, показанной на рисунке 4, могут быть сконфигурированы как буфер, инвертирующий суммирующий усилитель с коэффициентом усиления –1 для регулировки смещения всей сигнальной цепи, фильтр Саллена-Кея с коэффициентом усиления 1 или усилительный каскад с коэффициентом усиления 200.

Для реализации общих требований к сигнальной цепи из четырех блоков можно было бы выбрать счетверенный ОУ. Однако это бы-
ло бы плохим решением по нескольким причинам.

1. Для того чтобы получить низкий уровень шума в первом каскаде, необходимо было бы выбрать счетверенный ОУ с малым уровнем шума, например, AD8674.

2. На печатной плате в этом случае возникнет паразитная емкостная связь между выходным и входным каскадами и тепловая связь на кристалле между каналами ОУ.

3. Для последнего каскада потребуется большая величина произведения коэффициента усиления на ширину полосы пропускания.

Лучшим решением (хотя и не единственным) было бы введение большего усиления в начальных каскадах сигнальной цепи. Слишком большое усиление в начальных каскадах может привести к перегрузке промежуточного каскада. Если коэффициент усиления в первом каскаде равен десяти, то вклад собственного шума второго каскада в суммарный шум уменьшается в 10 раз. Поскольку каждый каскад добавляет усиление, то требования к последующему каскаду снижаются.

Таким образом, покупка дорогого счетверенного ОУ с низким уровнем шума и использование его для всех четырех блоков не является столь экономически выгодным решением, как использование сдвоенного ОУ с низким уровнем шума для первых двух каскадов и недорогого сдвоенного ОУ общего назначения для последних двух каскадов.

Усилитель наушников

Даже если было бы возможно создать превосходный сдвоенный ОУ на кремниевом кристалле, имелся бы ряд проблем, связанных с корпусом и печатной платой. Сдвоенные и счетверенные ОУ имеют один общий набор выводов питания, а не два или четыре. Сопротивление проволочного соединения может составлять 50…100 мОм, поэтому использование одного канала сдвоенного ОУ для питания током 100…200 мА наушников
с низким импедансом может вызвать проблемы.

Предполагается, что все символы, обозначающие «землю» на типовой электрической схеме, отражают тот факт, что в этой точке напряжение равно 0 В, но это не совсем верно. В одной точке земляной шины напряжение действительно равно 0 В, но из-за падения напряжения в других точках земляной шины потенциал на самом деле на мкВ выше или ниже 0 В. Из-за того, что проводник печатной платы длиной 1 дюйм может иметь сопротивление 50 мОм, в самых неожиданных местах схемы может возникать дополнительное падение напряжения.

Идеальная схема стереоусилителя наушников на базе двух ОУ теоретически имеет бесконечное разделение каналов. Однако в реальной схеме разделение каналов может не превышать 60 дБ. Дело в том, что проволочные соединения и металлизация на кристалле могут вносить перекрестные помехи, однако основной вклад в ухудшение характеристик схемы вносит проводник печатной платы длиной четверть дюйма, который является общим проводником для нагрузки левого канала и источника сигнала правого канала. Использование двух одиночных ОУ в этом случае позволило бы улучшить характеристики, снизить температуру перехода, повысить надежность и упростить топологию печатной платы усилителя наушников.

Заключение

Для того чтобы получить наилучшие характеристики и снизить стоимость системы, необходимо оценить условия в каждом узле схемы и принять решение об использовании наиболее подходящего ОУ. При автоматизированном монтаже плат и малых размерах корпуса использование одиночных и сдвоенных ОУ вместо счетверенных может не повлиять на общую стоимость системы. Принимая во внимание топологию печатной платы, характеристики системы в диапазоне температур, требуемое разделение каналов, согласование фазы и стоимость, можно выбрать наилучшее сочетание одиночных и сдвоенных ОУ в схеме.

Литература

1. Harry Holt. Op amps: to dual or not to dual?//www.eetimes.com.

2. James Solomon. The Monolithic Op Amp: A Tutorial Study//IEEE JSSC Vol. SC-9, No. 6 Dec.1974.

3. Alan Hastings. Art of A nalog Layout. 2nd Ed//Prentice Hall, 2005.

Типовые схемы применения операционных усилителей

Страница 4 из 7

3. ТИПОВЫЕ СХЕМЫ ПРИМЕНЕНИЯ ОПЕРАЦИОННЫХ УСИЛИТЕЛЕЙ, ИСПОЛЬЗУЕМЫЕ В КАЧЕСТВЕ ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ РЕЛЕ ЗАЩИТЫ
В данном параграфе описывается работа отдельных элементарных звеньев, из которых собираются основные узлы реле защиты. Каждое звено предназначается для осуществления одной из частных операций, присущих данному узлу. В схеме звена может содержаться одна или несколько микросхем, благодаря которым такие звенья относят к активным и называют функциональными элементами.
Наряду с функциональными элементами в схемах реле защиты применяют также звенья, не содержащие интегральных микросхем. В отличие от функциональных элементов такие звенья называют пассивными.

Рис. 8. Отдельные типовые схемы усилителей на реальных ОУ:
а — усилитель-ограничитель; б — сумматор на базе инвертирующего усилителя; б — дифференциальный усилитель
Остановимся на типовых схемах функциональных элементов, используемых в серийных реле защиты. Большинство из них заимствовано из схем, используемых в измерительной технике и промышленной автоматике.
К числу наиболее часто применяемых функциональных элементов следует в первую очередь отнести схемы усилителей, содержащих ОУ. Среди них можно указать уже известные из предыдущего параграфа схемы неинвертирующего и инвертирующего усилителей, изображенные на рис. 5, б, в. Широко применяют также повторители напряжения, показанные на рис. 5, а.
Наряду с ними довольно часто в реле защиты применяют усилители с ограничением уровня выходного напряжения, называемые сокращенно усилителями-ограничителями. Ограничения достигают за счет включения параллельно сопротивлению обратной связи двух встречно включенных стабилитронов (рис. 8, а). При подъеме выходного напряжения более UCT + 0,7 В сопротивление обратной связи шунтируется и рост их прекращается. Здесь UcT — напряжение пробоя стабилитрона, а 0,7 В — падение напряжения на стабилитроне в прямом, диодном направлении.
Часто используют схемы сумматоров напряжения на ОУ. Один из вариантов схемы сумматора с тремя входами, выполненный на основе инвертирующего усилителя, показан на рис. 8, б. На инвертирующий вход подаются складываемые напряжения через индивидуальные резисторы Rl —R3. Выходное напряжение будет пропорционально сумме входных напряжений. Сумматоры обладают малым собственным потреблением и позволяют поднять значение суммы напряжений до желаемого уровня. Они успешно используются в схемах формирователей сигналов, фильтров симметричных составляющих и для сравнения мгновенных или средних значений подаваемых напряжений.
К числу типовых относится также схема дифференциального усилителя, показанная на рис. 8, е.
Таким образом, данная схема обеспечивает усиление разности входных напряжений. Дифференциальный усилитель применяется также в качестве основы для получения схем различных сумматоров-вычитателей.
Рассмотрим еще несколько схем применения серийных ОУ.
Компараторы представляют собой схемы, обеспечивающие сравнение двух входных напряжений. Напряжение на выходе компаратора скачкообразно изменяется, когда одна из сравниваемых величин становится больше другой.
В реле защиты широко используются компараторы, в которых одной входной величиной является опорное напряжение заданного значения, а другой — напряжение, пропорциональное измеряемому напряжению или току, которое поступает от соответствующих датчиков.
Компараторы используются также в качестве нуль-индикаторов. В них один из входов компаратора заземляется и скачкообразное изменение выходного напряжения происходит при переходе измеряемого сигнала через нулевое значение. Одна из типовых схем компаратора показана на рис. 9, а. На вход 1 подается измеряемый сигнал, а на вход 2 — опорное напряжение. Пока измеряемое напряжение меньше опорного, на выходе ОУ держится максимальное выходное напряжение, совпадающее по знаку с опорным. Как только измеряемое напряжение станет больше опорного примерно на величину, равную свойственному данному ОУ напряжению суммирующей точки, выходное напряжение немедленно изменит свой знак на противоположный, сохранив максимальное значение. Диоды VD1 и VD2 защищают входы ОУ от повышенных значений дифференциального напряжения.

Рис. 9. Компаратор на реальных ОУ:
а — однопороговый для однополярных сигналов; б — однопороговый для разнополярных сигналов; в — двухпороговый компаратор; г — инвертирующий триггер Шмитта; д — передаточная характеристика триггера Шмитта
Если нужно ограничить выходное напряжение определенным уровнем, то в цепи обратной связи устанавливают два стабилитрона, включенных встречно.
Другая типовая схема компаратора, называемого еще суммирующим, показана на рис. 9, 6. Компаратор применяется для сравнения разнополярных напряжений, подаваемых на его входы, при этом входные напряжения могут быть весьма большими. Изменение знака выходного напряжения происходит при переходе напряжения, приходящего на инвертирующий вход, через нулевое значение. Описанные компараторы получили наименование однопороговых.
Схема двухпорогового компаратора показана на рис. 9, в. При отсутствии входного сигнала диоды VD1-VD4 открыты за счет протекания по ним тока от источников питания ± 15 В. Потенциалы узлов моста, примыкающих к инвертирующему входу и выходу ОУ, одинаковы, при этом сопротивление в цепи отрицательной обратной связи настолько мало, что коэффициент усиления схемы близок к нулю. Выходное напряжение держится на уровне прямого падения напряжения на диодах VD1-VD4. При появлении входного сигнала по диодам
VD1- VD4 начинают протекать дополнительные токи. Если Е/вх положительно, то эти токи, проходя по диодам VD1 и VD4, будут направлены навстречу току, идущему от источника питания, и будут вычитаться из него, а при протекании этих токов через диоды VD2 и VD3 их направление будет совпадать с током от источника питания, и эти токи сложатся. При некотором значении Е/вх, называемым пороговым, диоды VD1 и VD4 закроются. Это приведет к резкому возрастанию сопротивления обратной связи и соответственно к появлению максимального значения ивых. При отрицательном входном напряжении схема работает аналогично, только знак выходного напряжения будет противоположным. Подбором сопротивлений —R3 можно регулировать уровень порогового напряжения. Рассмотренная схема обладает повышенной помехоустойчивостью.
Триггер Шмитта представляет собой компаратор с одним заземленным входом, заданным опорным напряжением и положительной обратной связью. Благодаря ей изменение знака выходного напряжения и обратный переход в начальное состояние происходит при разных уровнях входного напряжения.
Зависимость С/вых от С/вх приобретает форму прямоугольной петли гистерезиса. Рассмотрим, как работает одна из распространенных схем — инвертирующий триггер Шмитта со смещенной характеристикой, изображенный на рис. 9, г. Для того чтобы срабатывание и возврат триггера происходили при изменениях входного напряжения одного знака, на его инвертирующий вход подается отрицательное напряжение смещения — Е/см.
Рис. 10. Двухполупериодный выпрямитель на реальных ОУ
Для возврата триггера в исходное состояние входное напряжение нужно снизить до значения t/BX Ha4 — UB’X. На рис. 9,д приведена передаточная характеристика такого триггера Шмитта. Она имеет четко выраженный «релейный» характер. Поэтому такие триггеры часто используют в исполнительной части реле. Применяют их также для преобразования синусоидальных напряжений в прямоугольные, особенно при искаженной форме кривой напряжения. Существуют и другие схемы исполнения триггеров Шмитта, на которых мы останавливаться не будем, чтобы не повторяться.
Выпрямители на операционных усилителях применяют в тех случаях, когда нужно обеспечить выпрямление с точным сохранением формы кривой выпрямленного сигнала. В качестве примера рассмотрим одну из часто встречающихся схем.
Двухполупериодный выпрямитель, воспроизводящий с большой точностью каждый из двух полупериодов выпрямленного напряжения переменного тока, показан на рис. 10. Благодаря тому, что диоды VD1 и VD2 включены в цепь обратной связи операционного усилителя А1, падение напряжения на них не сказывается на форме выходного напряжения, что позволяет без искажений выпрямлять напряжения, измеряемые единицами милливольт. Все сопротивления, установленные в схеме, имеют одинаковые значения.

При поступлении на схему положительной полуволны выпрямляемого напряжения на выходе появляется напряжение отрицательного знака того же значения, так как при этом открывается диод VD1, и обратная связь осуществляется через резистор R2. Первый каскад работает как инвертирующий усилитель с К и = 1. Поступая во второй каскад на операционном усилителе А2, у которого неинвертирующий вход находится под потенциалом суммирующей точки А1, близким к нулю, зто напряжение инвертируется. На выходе схемы получается напряжение, совпадающее по знаку и по значению со входным.
Когда на схему приходит отрицательная полуволна измеряемого напряжения, режим обратной связи первого каскада изменяется. Диод VD1 закрывается, открывается диод VD2, и обратная свзяь проходит параллельно через R3 и сумму сопротивлений R2 и R4, объединенных в суммирующей точке А2. Коэффициент усиления первого каскада становится равным R3 (R2 +R4)/Ri (R2 +Rз что при одинако
вых значениях этих сопротивлений составляет 2-1/(1+2) = 2/3. Напряжение на выходе А1 имеет положительный знак и равняется 2/3 входного. Режим второго каскада становится другим. Его инвертирующий вход оказывается связанным с суммирующей точкой А1, имеющей потенциал, близкий к нулю, через резисторы R2 и R4. На неинвертирующий вход А2 приходит положительное напряжение с выхода А1. Второй каскад будет работать в этом случае как неинвертирующий усилитель с коэффициентом усиления 1 +Д5/(К2 + R*)- Так как все резисторы одинаковы, то его значение будет равняться 3/2. Коэффициент усиления схемы для положительных входных напряжений получается равным K\j = 2/3-3/2 = 1. Таким образом, схема обеспечивает выпрямление входных сигналов без искажения как положительных, так и отрицательных полуволн.
Интеграторы, выполненные на ОУ, часто применяются в схемах реле защиты. Они используются при осуществлении различных фильтров, а также в элементах, реагирующих на среднее значение поступающего сигнала.
Интегрирование в геометрическом понятии представляет собой измерение площади, заключенной между двумя перпендикулярами, опущенными в начале и конце отрезка сложной кривой, и ограниченной самой кривой и ее проекцией на ось х. Операция интегрирования
записывается в видегде а и b — координаты начала и конца
проекции отрезка кривой на ось х.
Полной электрической аналогией процесса интегрирования является суммирование мгновенных значений переменного напряжения в заданном интервале времени.
Простейший интегратор на операционном усилителе изображен на рис. 11, а. В электротехнике емкость С измеряется как отношение q/U, где q — электрический заряд. Отсюда q = CU. Ток ic через емкость С определяется как изменение заряда q в единицу времени i с — ~dq/dt. Учитывая сказанное выше, получаем ic = C(dU/dt.).
Полагая, что схема интегратора выполнена на идеальном ОУ, мы можем принять, что напряжение в суммирующей точке UD- 0. Так как неинвертирующий вход заземлен, то и потенциал инвертирующего входа можно считать равным нулю. Током, входящим в инвертирующий вход, можно также пренебречь и считать, что токи через сопротивление R и емкость С одинаковы, т.е. /д = ic.

Рис. 11. Интегратор на ОУ:
а — схема интегратора на идеальном ОУ; б — характеристики интегратора при входном сигнале постоянного значения; в — характеристики интегратора при входном периодическом сигнале прямоугольной формы; г — схема интегратора на реальном ОУ

 

На рис. 11, б, в показано, как выглядят выходные сигналы интегратора при подаче на его входы ступенчатого сигнала и колебаний прямоугольной формы.
При выполнении интегратора на серийных ОУ схема рис. 11, а требует некоторых дополнений. Это вызвано тем, что у реального усилителя может наблюдаться некоторый сдвиг выходного напряжения и имеются токи смещения, под действием которых может происходить заряд емкости при отсутствии входного сигнала. Для исключения влияния этих факторов параллельно емкости С включают резистор обратной связи R2 с большим сопротивлением, а неинвертирующий вход соединяют с нулевой шинкой через резистор R3, значение которого равно сопротивлению параллельно соединенных сопротивлений в цепи инвертирующего входа и в цепи обратной связи, т.е. R3= RlR2/(Rl + R2) (рис. 11, г).

Рис. 12. Дифференциатор на ОУ:
а — принципиальная схема; б — характеристики дифференциатора при входном сигнале треугольной формы; б — характеристики дифференциатора при входном сигнале прямоугольной формы
Ключ К нужен для разряда емкости перед повторным включением интегратора.
В схемах интегратора рекомендуется применять ОУ с большим входным сопротивлением, например К544УД1А. Кроме того, должны применяться добротные конденсаторы с очень малыми токами утечки.
Дифференциаторы — это схемы, напряжение на выходе которых пропорционально скорости изменения входного напряжения. Для этой цели они и используются в схемах реле защиты. Применительно к идеальным ОУ дифференциатор может быть представлен схемой, показанной на рис. 12, а. Так как на входе ОУ стоит емкость С, то входной ток такой схемы равен iBX = С (dUBx/dt), при этом на выходе ОУ получается напряжение £/вых =-iBxR =-CR (dUBX/dt). На рис. 12, б показано, какое получается напряжение на выходе дифференциатора при подаче на его вход треугольного сигнала, а на рис. 12, в приведены аналогичные графики для случая подачи на его вход прямоугольного сигнала. Эту схему применяют сравнительно редко из-за низкой помехоустойчивости, трудно поддающейся устранению.
Активные фильтры довольно часто используются в реле защиты. Они представляют собой функциональные элементы, в которых в качестве частотно-избирательных звеньев используют резисторно-конденсаторные ЛС-цепочки, а в качестве активного звена — операционный усилитель. Благодаря наличию ОУ такие фильтры называют активными.
В отличие от них фильтры, содержащие только резисторы, конденсаторы и индуктивности, называют пассивными. По сравнению с последними активные фильтры имеют меньшие габариты и потребление, особенно при работе на частотах ниже 0,5 МГц.
Из других достоинств активных фильтров следует отметить, что они просты в изготовлении и При настройке, не содержат нелинейных элементов в виде индуктивностей, обеспечивают при необходимости усиление выходного сигнала и хорошее согласование с входными и выходными цепями. Они имеют небольшие размеры и массу. К недостаткам активных фильтров можно отнести необходимость источника питания и ограничение диапазона рабочих частот несколькими мегагерцами. В применении к реле защиты эти недостатки существенного значения не имеют.
Активные фильтры могут использоваться как фильтры нижних частот (ФНЧ), фильтры верхних частот (ФВЧ), полосовые (селективные) фильтры (ПФ, СФ) и заграждающие (режекторные) фильтры (ЗФ, РФ), называемые еще фильтрами-пробками. На рис. 13 показаны примерные амплитудно-частотные характеристики (АЧХ) таких фильтров, представляющие собой зависимость выходного напряжения фильтра f/вых от частоты подаваемого входного напряжения.
На каждой из показанных характеристик фильтров могут быть выделены три определенные полосы частот: полоса пропускания а, где выходное напряжение имеет наибольшее значение, полоса запирания или подавления е, где выходное напряжение доходит до минимума, и промежуточная или переходная полоса б. Последняя — это интервал частот, в пределах которого значение выходного напряжения изменяется от максимального до минимального. Чем уже переходная полоса, тем ближе характеристика фильтра к идеальной. Для ФНЧ первой границей полосы пропускания считается частота, при которой выходное напряжение фильтра становится ниже 0,707 его наибольшего значения в полосе пропускания. Эту частоту называют частотой среза /с. Частотой запирания, иногда называемой частотой подавления или частотой ослабления и являющейся второй границей переходной полосы, считается частота flt при которой значение выходного напряжения спадает ниже 0,3 максимального. Для ФВЧ понятия /с и fx аналогичны.
Для полосовых фильтров характерны граничные частоты полосы пропускания /i и /2 и полосы заграждения //и /2′. Заграждающие фильтры характеризуются полосой запирания в интервале частот от Д до /2, в пределах которой выходное напряжение имеет значение ниже 0,707 выходного напряжения за ее пределами. Средней или рабочей частотой полосовых и заграждающих фильтров считается частота /0 = V/1/2.


Рис. 13. Амплитудно-частотные характеристики активных фильтров
Кроме амплитудно-частотных характеристик для анализа работы фильтров строят также фазо-частотные характеристики (ФЧХ), представляющие собой зависимость угла между векторами входного и выходного напряжений от частоты.
При построении АЧХ и ФЧХ фильтров пользуются обычно полулогарифмической шкалой для осей координат. Это позволяет получать данные об изменении напряжений непосредственно в децибелах. В качестве одного из основных параметров служит величина затухания коэффициента усиления фильтра, выраженная в децибелах при изменении частоты относительно /0 в 2 раза (на октаву) или в 10 раз (на декаду).
В настоящее время разработано много различных схем активных частотных фильтров.
Из большого числа таких схем наиболее приемлемыми для использования в реле защиты оказались активные фильтры второго порядка, в которых содержится два /?С-звена. Такой выбор обусловлен тем, что для обеспечения правильной работы реле требуется, чтобы переходные процессы в фильтрах не вызывали заметных задержек в срабатывании реле, когда возникают условия для его действия. Это возможно, если переходные процессы в отдельных контурах имеют одинаковые постоянные времени. При колебательном характере переходного процесса нужно, чтобы частота колебаний была близка к промышленной. Как показали исследования, приемлемый характер переходного процесса легче достигается в фильтрах второго порядка.
В серийных реле защиты, выпускаемых в настоящее время, применяют активные частотные фильтры второго порядка, собранные по схеме с многопетлевой отрицательной обратной связью (МОС).
На рис. 14 представлены соответственно схемы фильтра нижних частот (рис. 14, а) и полосового фильтра (рис. 14, б) с МОС.
Отношение амплитуды выходного напряжения любого фильтра к амплитуде входного напряжения определяется из выражения, отражающего зависимость этого отношения от частоты подаваемого сигнала. Это выражение называют передаточной функцией фильтра. В общем случае передаточная функция активного частотного фильтра второго

Рис. 14. Схемы активных ЛС-фильтров:
а — ФНЧ второго порядка с МОС; б — ПФ второго порядка с МОС
порядка имеет следующий вид:

где s =/ со, Р (s) — уравнения не выше второго порядка, характерные для данного вида фильтра; Ъх и сх — постоянные числа.
В связи со сложностью теории фильтров при дальнейшем изложении все формулы даются без теоретических выкладок.

Фильтр нижних частот показан на рис. 14, а. Действительно, если частота поданного на фильтр сигнала намного меньше /с, то реактивное сопротивление конденсаторов С1 и С2 значительно превышает сопротивление резисторов R1-R3, при зтом коэффициент усиления фильтра практически равен К =—R2/Ri. По мере увеличения частоты реактивное сопротивление С2 падает, вызывая понижение уровня сигнала, поступающего на вход ОУ. Одновременно снижается и коэффициент усиления за счет уменьшения реактивного сопротивления конденсатора С1 в цепи обратной связи ОУ. При увеличении частоты входного сигнала выше /с этот процесс нарастает. Ширина переходной полосы такого фильтра зависит от подбора установленных в нем резисторов и конденсаторов.

По сравнению с приведенным выше общим выражением для передаточной функции фильтра в нее введена постоянная величина — круговая частота среза со с. Коэффициент Ьг и Ci — это постоянные числа, от значения которых зависит форма АЧХ фильтра данного типа. Так, амплитудно-частотная характеристика ФНЧ, имеющая форму, подобную показанной на рис. 13, имеет значение Ьг = у/Т= 1,412214 и сл =1. Такой фильтр относится к фильтрам типа Баттерворта (по фамилии автора, разработавшего теорию этих фильтров). Затухание UByix/ в переходной полосе у описываемого фильтра в 2 раза больше, чем у простейшего ФНЧ, и равно 12 дБ на октаву или 40 дБ на декаду.
В серийных реле фильтры типа Баттерворта применяются редко из-за сравнительно широкой переходной полосы. В них обычно используют фильтры типа Чебышева, являющегося автором теории фильтров этого типа. АЧХ этих фильтров в полосе пропускания имеют чередующиеся подъемы и спады, число которых зависит от порядка фильтра. Их еще называют равноволновыми фильтрами. 
В заключение остановимся на схеме элемента задержки, выполненного на ОУ (рис. 17, а). На вход схемы поступает сигнал с выхода предыдущего каскада, выполненного также на ОУ. В исходном состоянии этот сигнал имеет максимальное отрицательное значение. Диод VD открыт, и на конденсаторе С удерживается такое же напряжение. На верхнем графике рис. 17, б показано изменение падения напряжения на зарядном сопротивлении R2, начиная с момента перемены знака напряжения на выходе предыдущего каскада. Этот момент соответствует началу перезаряда конденсатора С, когда на нем еще удержи-
вается исходное отрицательное напряжение. Перезаряд конденсатора идет с постоянной времени, определяемой произведением R2C. Когда напряжение на конденсаторе перейдет через нулевое значение, знак дифференциального сигнала на входе ОУ изменится, и его выходное напряжение скачком приобретет максимальное положительное значение, что соответствует срабатыванию элемента задержки. Так как это действие происходит на линейной части характеристики перезаряда конденсатора С, разброс во времени срабатывания элемента получается очень небольшим и этим обеспечивается высокая точность его работы. Сопротивление резистора R1 берется небольшим, так как он служит только для ограничения тока разряда конденсатора, не вызывая заметного увеличения времени возврата элемента.
Отметим, что описанные схемы охватывают только наиболее часто встречающиеся варианты использования типовых схем применения ОУ в реле защиты.
С учетом рассмотренных схем можно облегчить себе восприятие других схем, не попавших в данную книгу. Более подробно схемы с ОУ, используемые в релейной защите, рассматриваются в [5, 7 и 8].

Операционный усилитель. Основные схемы включения.

  1. Инвертирующие включение.

При включении операционного усилителя по инвертирующей схеме, напряжение на его выходе будет меняться в противофазе со входным напряжением.

  1. Неинвертирующее включение

Тут все также просто. Напряжение подается непосредственно на неинвертирующий вход. На инвертирующий вход подводится обратная связь. Напряжение на инвертирующем входе будет:

  1. Дифференциальное включение

Если , то

  1. Повторитель напряжения (буферный усилитель)

Используется в цепях с большой нагрузкой. Также, с его помощью можно решить задачку с согласованием импедансов, если в схеме есть нежелательные делители напряжения.

  1. Операционный усилитель. Реализация источника тока.

  1. Источник тока на ОУ с заземлённой нагрузкой

Выходной ток измеряется по падению напряжения на резисторе R1. Выходное напряжение ОУ устанавливается таким, что падение напряжения на резисторе R1 оказывается равным величине входного напряжения.

, получили из первого закона Кирхгофа.

Приравняв к 0, получим условие независимости выходного тока от напряжения на нагрузке: .

Теперь выражение для выходного тока источника будет иметь вид:

Выполняя точную подстройку R3, можно добиться бесконечного выходного сопротивления источника тока на низких частотах при реальных характеристиках операционного усилителя. Недостаток схемы, однако, состоит в том, что внутреннее сопротивление Rи управляющего источника напряжения U1 входит в выражение (8) (оно добавляется к сопротивлению резистора, подключенного ко входу схемы). К тому же, ток управляющего источника напряжения зависит от сопротивления нагрузки. В результате полная балансировка источника невозможна, если Rи , как, например, у стабилитронов, зависит от тока.

  1. Этого недостатка не имеет приведённая схема. Здесь входной резистор присоединен к виртуальному нулю. Другое достоинство этой схемы состоит в отсутствии синфазного сигнала. Для расчета выходного тока в этой схеме используем следующее соотношение:

Получим выражение по законам Кирхгофа: .

Из которого следует, что выходной ток не будет зависеть от выходного напряжения, если выполняется условие:

  1. Источник тока на ОУ

, если

  1. Влияние емкостной нагрузки на работу оу, схемы компенсации.

Емкостная нагрузка часто преподносит проблемы в работу электронной схемы — уменьшается полоса выходного сигнала и скорость его нарастания. Неизбежность управления усилителем емкостной нагрузкой в некоторых схемах может приводить к перегрузке, перерегулированию (звону) и, иногда, возбуждению. Эффекты становятся более ощутимыми при управлении значительной емкостной нагрузкой. Однако эти проблемы могут возникать даже в низкочастотных прецизионных схемах и схемах, работающих на постоянном токе.

Операционный усилитель в большей степени подвержен нестабильности, когда он работает как буфер с единичным коэффициентом усиления, поскольку в этом случае в цепи обратной связи не происходит ослабления сигнала, передаваемого с выхода на вход.

  1. Компенсация внутри петли обратной связи

Распространённый способ коррекции, который часто называют внутри петлевой коррекцией. Небольшое последовательно включенное сопротивление отделяет выход усилителя от , а небольшая ёмкость введена в контур обратной связи, обеспечивая развязку от на выскоих частотых.

Перерисуем обратную часть схему.

Оба конденсатора, и , на постоянном токе представляют собой цепи, а на выскоих частотах их можно считать накоротко замкнутыми. Помня об этом, применим рассуждения к каждому конденсатору в отдельности. Рассмотрим два случая:

  1. Сопротивление равно нулю, и . Полюс и нуль частотной характеристики определяются элементами , и следующим образом:

— частота полюса

— частота нуля

  1. Конденсатор отсутствует. Полюс и нуль определяются элементом следующим образом:

— частота полюса, частота нуля

Приравняв полюс из случая 1 к нулю из случай 2, а полюс из случая 2 – к нулю из случая 1, мы получим следующие два уравнени:

Формула для содержит компонент , который является коэффициентом усиления схемы при замкнутой цепи обратной связи и определяется как . Как установлено экспериментально, этот компонент должен быть включен в формулу для расчета . Значения элементов, расчитанных по этим двум формулам, позволяют скомпенсировать любой операционный усилитель, работающий на любую емкостную нагрузку. Несмотря на то, что этот способ помогает предотвратить колебательные процессы при использовании емкостной нагрузки, он чрезмерно уменьшает полосу сигнала при замкнутой цепи обратной связи, которая больше уже не определяется операционным усилителем, а внешними компонентами и как

  1. Компенсация вне петли обратной связи

Наиболее простой способ компенсации усилителя при работе на емкостную нагрузку — использование резистора, включенного последовательно с выходным сигналом.

Этот метод достаточно эффективен. Однако, он существенно ухудшает динамические характеристики схемы. Основная функция резистора , располагающегося между выходом ОУ и нагрузкой, состоит в изолировании выхода усилителя и цепи обратной связи от нагрузочной емкости. С точки зрения функционирования, на передаточной характеристике цепи обратной связи образуется нуль, уменьшающий фазовый сдвиг на высоких частотах.

Для обеспечения хорошей стабильности значение должно быть таковым, чтобы добавляемый нуль располагался, по крайней мере, на декаду ниже точки пересечения частотной характеристики ОУ с характеристикой буфера с единичным коэффициентом усиления. При его выборе необходимо учитывать выходной импеданс используемого усилителя; значения сопротивления от 5 до 50 Ом зачастую достаточно для предотвращения нестабильности.

  1. Компенсация с использованием демпфера

Для низковольтных приложений, когда требуется максимальный уровень выходного сигнала, близкий к уровням напряжения питания, рекомендуется метод компенсации нестабильности с использованием демпфирующей цепи. Эта цепь представляет собой последовательное соединение резистора и конденсатора и подключается между выходом усилителя и общим проводом .

В зависимости от значения емкости нагрузки, разработчики электронных схем обычно используют эмпирические методы для определения корректных значений и . Принцип подбора значений компонентов демпфирующей цепи состоит в следующем: сначала определяется значение частоты звона (или самовозбуждения) без подключения демпфера, затем экспериментально подбирается значение так, чтобы уменьшить амплитуду напряжения звона до приемлемого значения, после чего вычисляется значение так, чтобы точка излома частотной характеристики соответствовала примерно частоты звона , т.е. .

Значения компонентов демпфирующей цепи также могут быть определены экспериментально с помощью осциллографа. При идеальном подборе и положительные и отрицательные выбросы отклика на воздействие импульсным сигналом минимальны.

  1. Ёмкость на входе

Емкость на входных выводах операционного усилителя также может приводить к неустойчивости работы схемы. Популярным применением ОУ, при котором к его входу может подключаться значительная емкость, является схема активного фильтра. В этом случае в некоторых схемах между входами ОУ может располагаться большая емкость (часто включенная последовательно с резистором), использующаяся для уменьшения высокочастотного шума. Однако, при некорректных значениях компонентов этой цепи в схеме может возникать звон и даже самовозбуждение.

Для избавления от нестабильности, связанной с емкостью , параллельно резистору обратной связи должен быть подключен конденсатор , формирующий нуль, согласованный с полюсом . Этот конденсатор уменьшает рассогласование скоростей изменения коэффициентов усиления и, поэтому, увеличивает запас по фазе. Для запаса по фазе 90° значение емкости конденсатора:

  1. Запас по фазе

Часто желательно использование фильтрации входного сигнала ОУ, подключая емкость к общему (земляному) проводу, для уменьшения наведенных высокочастотных помех. Такое подключение фильтрующего конденсатора имеет схожий эффект воздействия на динамические характеристики усилителя, как и увеличение паразитной емкости. Поскольку не все реальные ОУ обладают одинаковым поведением, некоторые из них допускают подключение меньшей емкости к входу, чем другие. И во многих случаях в качестве компенсации в цепь обратной связи вводится конденсатор . Для дальнейшего уменьшения наводимых радиочастотных помех последовательно с входом включается резистор небольшого сопротивления, образующий совместно с входной емкостью фильтр низких частот. На рисунке показан приближенный подход к решению, при реализации которого, тем не менее, будет трудно избавиться от нестабильности.

http://www.elart.narod.ru/articles/article24/article24.htm

Инвертирующий Операционный Усилитель | Основы электроакустики

Усилители на ОУ используют отрицательную обратную связь (ООС), поэтому есть несколько простых правил, которые определяют поведение такого усилителя. Следует воспользоваться тремя упрощающими предположениями о свойствах ОУ: коэффициент усиления ОУ без обратной связи и входное сопротивления бесконечно велики, выходное сопротивление равно нулю.

         При анализе следует помнить, что большой коэффициент усиления по напряжению ОУ приводит к тому, что изменение напряжения между входами на несколько долей милливольта вызывает изменение выходного напряжения в пределах его полного диапазона. Из этого следует первое правило: ОУ усиливает разность напряжения между входами и за счет внешней схемы ООС передает напряжение с выхода на вход таким образом, что разность напряжений между входами практически равна нулю.

         Входное сопротивление различных типов ОУ находится в пределах от мегаом до тысяч мегаом, входные токи – от долей наноампер до пикоампер. Это дает основание сформулировать второе правило: входы операционного усилителя токов не потребляют. Эти правила дают достаточную основу для анализа схем на ОУ. Схема инвертирующего усилителя на ОУ приведена на рис. 

Рис. Инвертирующий усилитель на ОУ

         Анализируя эту схему с учетом сформулированных выше правил, можно показать, что при заземленном неинвертирующем входе ОУ напряжение на инвертирующем входе также равно нулю. Это означает, что падение напряжения на резисторе RОС равно UВЫХ, а падение напряжения на резисторе R1 равно UВХ. Если входные токи ОУ равны нулю, то UВЫХ / RОС = –UВХ / R1,   коэффициент усиления по напряжению  КU = UВЫХ / UВХ = –RОС / R1.            Знак «минус» показывает, что выходной сигнал инвертирован относительно входного (сдвинут на 180º).

         Данная схема является усилителем постоянного тока         В этой схеме реализована параллельная ООС по напряжению, поскольку сигнал ООС оказывается включенным не последовательно с входным сигналом, а подается параллельно с ним на один и тот же вход.

Как известно, параллельная ООС уменьшает входное сопротивление усилителя. В схеме потенциал точки соединения R1 и RОС всегда равен нулю, а эта точка называется «виртуальный ноль» (мнимая земля). Следовательно, входное сопротивление схемы RВХ = R1.            Выходное сопротивление схемы мало и равно долям ома.     Таким образом, недостатком схемы является малое входное сопротивление, особенно для усилителей с большим коэффициентом усиления по напряжению, в которых резистор R1, как правило, бывает небольшим.    Достоинством схемы является малое значение синфазного напряжения, практически равного нулю. Тот факт, что коэффициент усиления определяется всего лишь соотношением двух сопротивлений, делает применение инвертирующего усилителя очень гибким.

Практическое использование усилителей на ОУ имеет ряд особенностей. ОУ должен находиться в активном режиме, его входы и выходы не должны быть перегружены. Например, если подать на вход усилителя чересчур большой сигнал, то это приведет к тому, что выходной сигнал станет равным напряжению насыщения (обычно его величина меньше напряжения питания на 2 В). 

В схеме ОУ обязательно должны быть предусмотрена цепь обратной связи по постоянному току, в противном случае ОУ обязательно попадет в режим насыщения.  Многие ОУ имеют довольно малое предельно допустимое дифференциальное входное напряжение. Максимальная разность напряжений между инвертирующим и неинвертирующим входами может быть ограничена величиной 5 В для любой полярности напряжения. Если пренебречь этим условием, то возникнут большие входные токи.

Из-за наличия входного напряжения смещения, при нулевом напряжении на входе напряжение на выходе равно UВЫХ=KUUСМ. Для усилителя, имеющего коэффициент усиления, равный 100 и входное напряжение смещения 2 мВ, выходное напряжение смещения может достигать значения ±0,2 В. Для решения этой проблемы нужно использовать цепи внешней коррекции нуля (используя ОУ с такими возможностями), выбирать ОУ с малым значением смещения. Если усиление постоянного тока не нужно, то можно использовать разделительные емкости в последовательной цепи передачи входного и выходного сигнала.

Если в инвертирующем усилителе один из входов заземлен, то даже при условии идеальной настройки (UСМ = 0), на выходе усилителя будет присутствовать отличное от нуля выходное напряжение. Это связано с тем, что входной ток смещения IВХсоздает падение напряжения на резисторах, которое затем усиливается схемой усилителя. В этой схеме сопротивление со стороны инвертирующего входа определяется резисторами R1║RОС, но ток смещения воспринимается как входной сигнал, подобный току, текущему через R1, а поэтому он порождает смещение выхода UСМ = IСМRОС.Для уменьшения ошибок, вызванных входным током смещения, используют включение дополнительного резистора между неинвертирующим входом и общим проводом. Величина этого резистора должна быть равна R2 = R1║RОС. Для приведенного примера R1 = 10кОм, RОС= 100кОм, R2 = 9,1 кОм.

Рис. Усилитель на ОУ с компенсационным резистором 

         С целью уменьшения токов смещения и их температурных дрейфов в практических схемах входные сопротивления имеют типичное значение от 1 до 100 кОм.

         К резисторам обратной связи предъявляется два противоположных требования. Резисторы обратной связи должны быть достаточно большими, тогда они не будут существенно нагружать выход, вместе с тем, если они будут слишком большими, то входной ток смещения будет порождать ощутимые сдвиги. Кроме того, высокое сопротивление в цепи обратной связи повышает восприимчивость схемы к влиянию внешних наводок и увеличивает влияние паразитной емкости. Для ОУ общего назначения обычно выбирают резисторы цепей ООС с сопротивлением от 2 до 100 кОм. Из этого следует, что практическое значение максимального коэффициента усиления инвертирующего усилителя равно 100.

Анализ схем общего рабочего усилителя

со схемами

Введение

Операционный усилитель — это, по сути, трехконтактное устройство, состоящее из двух высокоомных входов. Благодаря своим благоприятным характеристикам он используется для различных целей в разных схемах. Кроме того, что такое идеальный операционный усилитель? Идеальные операционные усилители не требуют питания, имеют бесконечный входной импеданс, неограниченную полосу усиления и скорость нарастания, не имеют входного тока смещения и входного смещения.У них неограниченное соблюдение напряжения.

В электронных схемах операционный усилитель может быть неинвертирующим усилителем, фазовращателем, переключателем шкалы, сумматором или суммирующим усилителем, дифференциальным усилителем, дифференциатором, интегратором, преобразователем напряжения в ток, преобразователем тока в напряжение, логарифмическим усилителем, полуволновым выпрямителем. , Пиковый детектор, компаратор напряжения и т. Д.

Например, схема операционного усилителя буферизует датчик и позволяет разрабатывать схемы усиления или ослабления. Выходной сигнал датчика нелинейный.Схема инвертирующего операционного усилителя дает более линейный выходной сигнал, чем схема неинвертирующего операционного усилителя.

Схема операционного усилителя

Рис. 1. Схема инвертирующего усилителя

Рис. 2. Схема инвертирующего усилителя с высоким входным сопротивлением

Рис. 3. Схема быстродействующего инвертирующего усилителя с высоким входным сопротивлением

Рис. 4. Схема неинвертирующего усилителя

Рис 5.Схема неинвертирующего усилителя переменного тока

Рис. 6. Схема дифференциального усилителя

Рис. 7. Схема усилителя быстрого суммирования с низким входным током

Рис. 8. Схема инвертирующего суммирующего усилителя

Рис. 9. Схема неинвертирующего суммирующего усилителя

Рис. 10. Операционный усилитель как быстрый интегратор

Рис 11.Как преобразователь тока в напряжение

Рис. 12. Детектор быстрого перехода через ноль

Рис. 13. Как детектор пиков с малым дрейфом

Рис. 14. Цепь регулировки напряжения смещения для повторителей напряжения

Рис. 15. Как генератор низкочастотных синусоидальных сигналов с квадратурным выходом

Рис. 16. Прецизионный источник тока с операционным усилителем

Рис 17.Схема прецизионного зажима с использованием ОУ

Рис. 18. Как множитель отрицательной емкости

Рис. 19. Как аналоговый умножитель

Рис. 20. В качестве широтно-импульсного модулятора (ШИМ)

Рис 21. Активный фильтр верхних частот

Рис. 22. Как активный фильтр нижних частот

Рис. 23. Как усилитель фотодиода

Рис 24.Схема усилителя для пьезоэлектрического преобразователя

Рис. 25. Усилитель монитора тока

Золотые правила операционного усилителя

Приведенный выше список может быть неполным. Если вы заинтересованы, пожалуйста, оставьте сообщение. Операционные усилители имеют множество функций, разные комбинации в схеме будут иметь разные эффекты, но они являются золотыми правилами схем операционных усилителей:
1) Бесконечное усиление разомкнутого контура
2) Отсутствие тока, протекающего через оба входа
3) Разница потенциалов между входными контактами — ноль.

Рекомендуемая литература

Уравнения рабочего усилителя

для проектирования схем
Неинвертирующие усилители и инвертирующие усилители
Операционный усилитель с высоким входным сопротивлением и низким выходным сопротивлением

Общие схемы операционных усилителей — EDN

Операционные усилители (обычно называемые операционными усилителями) являются стандартным строительным блоком для проектирования электронных схем. Сегодня эти устройства изготавливаются в виде небольших интегральных схем, но концепция началась давно с использования электронных ламп.Существует патент 1946 года на раннее использование концепций операционных усилителей (ссылка 1), хотя в то время это название не использовалось. Раггазинни часто приписывают введение термина «операционный усилитель» в 1947 г. (Ссылка 2).

Я познакомился с операционными усилителями еще в 20 веке, когда проходил лабораторный курс по аналоговым вычислениям в колледже. Аналоговая схема использовалась для моделирования систем путем подключения суммирующих усилителей, дифференциаторов и интеграторов через сложные патч-панели. Аналоговые вычисления постепенно исчезали, их вытесняли цифровые компьютеры, поэтому я не могу сказать, что получил много от вычислительной части класса.Тем не менее, я многое узнал о схемах операционных усилителей и системах управления, которые все еще ценны сегодня.

Идеальный операционный усилитель
Чтобы понять основные функции операционного усилителя, мы используем концепцию «идеального операционного усилителя». Идеальный операционный усилитель — это источник напряжения, управляемый напряжением, как показано на рис. , рис. 1 , со следующими атрибутами:

  1. Бесконечное усиление (A v ) и бесконечная полоса пропускания
  2. Нулевое выходное сопротивление
  3. Бесконечное входное сопротивление (нулевой входной ток)

Рисунок 1 Идеальный операционный усилитель — это управляемый напряжением источник напряжения с бесконечным входным сопротивлением и нулевым выходным сопротивлением.

Обычно включается важный четвертый атрибут, но он действителен только в том случае, если к операционному усилителю применяется отрицательная обратная связь:

  1. Нулевое напряжение между двумя входами

Если вам интересно, как этот операционный усилитель получает свою мощность, есть два подключения источника питания (положительное и отрицательное) для устройства, которые часто игнорируются при обсуждении схемы (но абсолютно необходимы при подключении реальной схемы). Обычно подается двухполюсное питание с напряжением +/- 15 В, которое поддерживает нормальный размах сигнала.

Самое замечательное в операционных усилителях заключается в том, что для многих некритичных приложений характеристики операционных усилителей (усиление, полоса пропускания, импеданс и т. Д.) Настолько хороши по сравнению с требованиями схемы, что они действительно действуют как идеальные операционные усилители. Их легко проектировать, и они стали важным строительным блоком для электронных систем.

Неинвертирующий усилитель
Первая распространенная конфигурация операционного усилителя, которую мы рассмотрим, — это неинвертирующий усилитель (, рис. 2, ).Я всегда удивляюсь, почему мы не называем эту конфигурацию «обычным усилителем» или, может быть, просто «усилителем».

Рисунок 2 В неинвертирующем усилителе используются два резистора для обеспечения отрицательной обратной связи с операционным усилителем.

В этой конфигурации мы видим, что у нас есть обратная связь от выхода к инвертирующему входу. Эта отрицательная обратная связь означает, что активирован атрибут # 4, и два входа всегда будут иметь нулевое напряжение на них (т. Е. Они находятся под одинаковым напряжением).Поскольку на входы не может протекать ток, напряжение на неинвертирующем входе определяется делителем напряжения, образованным R 1 и R 2 .

Перестановка для получения усиления усилителя,

Обратите внимание, что коэффициент усиления схемы не зависит от коэффициента усиления операционного усилителя. Мы предполагаем, что если коэффициент усиления операционного усилителя составляет , действительно большой , то к неинвертирующему входу будет применено достаточно обратной связи для получения желаемой функции.

Давайте проверим это предположение о том, что между двумя входами операционного усилителя имеется нулевое напряжение. Предположим, что неинвертирующий вход на несколько милливольт выше, чем инвертирующий вход. Огромный коэффициент усиления по напряжению операционного усилителя приведет к увеличению выходного сигнала, что приведет к обратной связи через резисторный делитель на инвертирующий вход . Повышенное напряжение на инвертирующем входе приведет к уменьшению выходного сигнала операционного усилителя до тех пор, пока оба входа не будут иметь одинаковое напряжение. Таким образом, высокий коэффициент усиления операционного усилителя плюс отрицательная обратная связь позволяют сохранять входные напряжения одинаковыми.

Буферные усилители
Особым случаем неинвертирующего усилителя является буферный усилитель (также называемый усилителем с единичным усилением или повторителем напряжения), имеющий коэффициент усиления по напряжению, равный единице (, рис. 3, ). Это эквивалентно установлению нулевого R 2 и бесконечного R 1 в конфигурации неинвертирующего усилителя. Опять же, применяется отрицательная обратная связь, так что напряжение между входами операционного усилителя равно нулю. Это делает хороший буферный усилитель с бесконечным импедансом на входе и нулевым импедансом на выходе.По крайней мере, в идеале.

Рисунок 3 Буферный усилитель обеспечивает неограниченное входное сопротивление и нулевое выходное сопротивление.

Инвертирующий усилитель
Другой распространенной схемой операционного усилителя является инвертирующий усилитель (, рис. 4, ). Как следует из названия, выходное напряжение усиливается с полярностью, противоположной входной.

Рисунок 4 Инвертирующий усилитель выдает отрицательное значение на входе, масштабируемое соотношением двух резисторов.

Эта схема анализируется с учетом того, что на обоих входах операционного усилителя будет 0 В. Неинвертирующий вход соединен с землей, а инвертирующий вход будет получать такое же напряжение через обратную связь через резисторы. Также отметим, что ток () протекает через оба резистора, поскольку на инвертирующий вход операционного усилителя ток не поступает.

Перестановка для получения усиления усилителя,

Знак минус в усилении важен и должен учитываться при применении схемы.В некоторых ситуациях это может не иметь значения, вам просто может потребоваться усилить входной сигнал без учета изменения полярности. В других случаях полярность может быть критичной, и ваш сигнал может оказаться перевернутым.

Дифференциальный усилитель
Инвертирующий усилитель и неинвертирующий усилитель можно объединить в дифференциальный усилитель (также называемый дифференциальным усилителем), как показано на Рис. 5 .

Рисунок 5 Дифференциальный усилитель вырабатывает выходное напряжение, которое представляет собой разницу между двумя входами.

Применяя суперпозицию, мы можем объединить уравнения усиления инвертирующей и неинвертирующей конфигураций усилителя.

При замене v 1 на v в коэффициент инвертирования остается неизменным:

Вход v 2 имеет дополнительный делитель напряжения, состоящий из R 3 и R 4 , поэтому уравнение усиления принимает следующий вид:

Объединение двух уравнений дает:

Если мы установим R 1 = R 3 и R 2 = R 4 , уравнение сведется к:

Мы предполагали, что у нас идеальные операционные усилители, но ничего не сказали о резисторах.Коэффициент усиления этих схем будет зависеть от фактических значений резисторов и, следовательно, их допусков. Это особенно верно в отношении дифференциального усилителя, где мы полагаемся на согласованные значения резисторов.

Эти общие схемы операционных усилителей полезны для усиления различных аналоговых сигналов. Идеальная модель операционного усилителя помогает нам понять, как работают эти схемы. Для получения более подробной информации о схемах операционных усилителей обратитесь к превосходным материалам в ссылках 3 и 4 ниже.

Боб Витте — президент компании Signal Blue LLC, занимающейся консалтингом в области технологий.

Список литературы

  1. «Суммирующий усилитель», патент США № 2401779, Карл Д. Шварцель, младший, июнь 1946 г.
  2. «Анализ проблем динамики с помощью электронных схем», Джон Р. Рагаццини, Роберт Х. Рэндалл, Фредерик А. Рассел, Труды I.R.E, май 1947 г.
  3. Справочник по применению операционных усилителей, Брюс Картер и Томас Р. Браун, Texas Instruments, сентябрь 2016 г.
  4. Операционные усилители для всех, Рон Манчини, Texas Instruments, август 2002 г.

Статьи по теме :

Практические рекомендации по операционному усилителю

| Операционные усилители

Настоящие операционные усилители имеют некоторые недостатки по сравнению с «идеальной» моделью.Настоящее устройство отличается от идеального усилителя разности сигналов. Один минус один не может быть нулем. У него может быть смещение, как у аналогового измерителя, которое не обнулено. Входы могут потреблять ток. Характеристики могут изменяться с возрастом и температурой. Усиление может уменьшаться на высоких частотах, а фаза может сдвигаться от входа к выходу. Эти недостатки могут не вызывать заметных ошибок в одних приложениях и неприемлемых ошибок в других. В некоторых случаях эти ошибки можно компенсировать. Иногда требуется более качественное и более дорогое устройство.

Синфазное усиление

Как указывалось ранее, идеальный дифференциальный усилитель только усиливает разность напряжений между двумя своими входами. Если два входа дифференциального усилителя должны быть закорочены вместе (тем самым обеспечивая нулевую разность потенциалов между ними), выходное напряжение не должно измениться ни при какой величине напряжения, приложенного между этими двумя закороченными входами и землей:

Напряжение, которое является общим между любым из входов и землей, как в данном случае «V common-mode », называется синфазным напряжением .При изменении этого общего напряжения выходное напряжение идеального дифференциального усилителя должно оставаться абсолютно стабильным (без изменения выходного сигнала при любом произвольном изменении синфазного входа). Это переводится в коэффициент усиления синфазного напряжения, равный нулю.

Операционный усилитель, будучи дифференциальным усилителем с высоким дифференциальным усилением, в идеале также должен иметь нулевое синфазное усиление. Однако в реальной жизни этого добиться нелегко. Таким образом, синфазные напряжения неизменно будут оказывать некоторое влияние на выходное напряжение операционного усилителя.

Производительность реального операционного усилителя в этом отношении чаще всего измеряется с точки зрения его дифференциального усиления по напряжению (насколько он усиливает разницу между двумя входными напряжениями) по сравнению с его синфазным усилением по напряжению (насколько он усиливает обычное напряжение). режим напряжения). Отношение первого ко второму называется коэффициентом отклонения синфазного сигнала , сокращенно CMRR:

.

Идеальный операционный усилитель с нулевым синфазным усилением имел бы бесконечный CMRR. Реальные операционные усилители имеют высокий CMRR, вездесущий 741 имеет что-то около 70 дБ, что составляет чуть более 3000 с точки зрения отношения.

Поскольку коэффициент подавления синфазного сигнала в типичном операционном усилителе очень высок, синфазное усиление обычно не вызывает большого беспокойства в схемах, где операционный усилитель используется с отрицательной обратной связью. Если синфазное входное напряжение схемы усилителя внезапно изменится, что приведет к соответствующему изменению на выходе из-за синфазного усиления, это изменение на выходе будет быстро скорректировано как отрицательная обратная связь и дифференциальное усиление ( намного больше, чем коэффициент усиления синфазного сигнала) работал, чтобы вернуть систему в равновесие.Конечно, на выходе можно увидеть изменение, но оно будет намного меньше, чем вы могли бы ожидать.

Однако следует помнить о синфазном усилении в схемах дифференциальных операционных усилителей, таких как инструментальные усилители. За пределами герметичного корпуса операционного усилителя и чрезвычайно высокого дифференциального усиления мы можем обнаружить синфазное усиление, вызванное дисбалансом номиналов резисторов. Чтобы продемонстрировать это, мы запустим SPICE-анализ инструментального усилителя с закороченными вместе входами (без дифференциального напряжения), наложив синфазное напряжение, чтобы увидеть, что произойдет.Сначала мы проведем анализ выходного напряжения идеально сбалансированной цепи. Следует ожидать, что выходное напряжение не изменится при изменении синфазного напряжения:

инструментальный усилитель v1 1 0 rin1 1 0 9e12 rjump 1 4 1e-12 rin2 4 0 9e12 e1 3 0 1 2 999k e2 6 0 4 5 999k e3 9 0 8 7 999k rload 9 0 10k r1 2 3 10k rgain 2 5 10k r2 5 6 10k r3 3 7 10k r4 7 9 10k r5 6 8 10k r6 8 0 10k .dc v1 0 10 1 .print dc v (9) .end 
v1 v (9) 0.000E + 00 0.000E + 00 1.000E + 00 1.355E-16 2.000E + 00 2.710E-16 3.000E + 00 0.000E + 00 Как видите, выходное напряжение v (9) 4.000E + 00 5.421E-16 практически не меняется при обычном -режим 5.000E + 00 0.000E + 00 входное напряжение (v1), которое изменяется от 0 6.000E + 00 0.000E + 00 до 10 вольт. 7.000E + 00 0.000E + 00 8.000E + 00 1.084E-15 9.000E + 00 -1.084E-15 1.000E + 01 0.000E + 00 

За исключением очень небольших отклонений (на самом деле из-за причуд SPICE, а не реального поведения схемы), выход остается стабильным там, где он должен быть: при 0 вольт, с нулевым дифференциалом входного напряжения.Однако давайте внесем в схему дисбаланс резисторов, увеличив значение R 5 с 10 000 Ом до 10 500 Ом, и посмотрим, что произойдет (список соединений для краткости опущен — единственное, что изменилось, это значение R 5). ):

v1 v (9) 0.000E + 00 0.000E + 00 1.000E + 00 -2.439E-02 2.000E + 00 -4.878E-02 3.000E + 00 -7.317E-02 На этот раз мы видим значительное изменение 4.000E + 00 -9.756E-02 (от 0 до 0,2439 вольт) в выходном напряжении 5.000E + 00 -1.220E-01 в качестве синфазного входного напряжения 6.000E + 00 -1.463E-01 от 0 до 10 вольт, как и раньше. 7.000E + 00 -1.707E-01 8.000E + 00 -1.951E-01 9.000E + 00 -2.195E-01 1.000E + 01 -2.439E-01 

Наш дифференциал входного напряжения по-прежнему равен нулю, но выходное напряжение значительно изменяется при изменении синфазного напряжения. Это указывает на синфазное усиление, чего мы пытаемся избежать. Более того, это наше собственное усиление синфазного сигнала, не имеющее ничего общего с недостатками самих операционных усилителей. При сильно регулируемом дифференциальном усилении (фактически равном 3 в этой конкретной схеме) и отсутствии отрицательной обратной связи вне схемы, это синфазное усиление не будет проверяться в приложении сигнала прибора.

Есть только один способ скорректировать это синфазное усиление — сбалансировать все значения резисторов. При проектировании инструментального усилителя из дискретных компонентов (вместо того, чтобы покупать один в интегрированном корпусе), разумно предусмотреть некоторые средства выполнения точной настройки по крайней мере одного из четырех резисторов, подключенных к конечному операционному усилителю, чтобы иметь возможность « обрезать ”любое такое усиление синфазного сигнала. Предоставление средств «подгонки» резисторной сети также имеет дополнительные преимущества.Предположим, что все номиналы резисторов в точности такие, какими должны быть, но синфазное усиление существует из-за несовершенства одного из операционных усилителей. С помощью регулировки сопротивление можно уменьшить, чтобы компенсировать это нежелательное усиление.

Одной из особенностей некоторых моделей операционных усилителей является то, что выход с фиксацией положения обычно вызван превышением синфазным входным напряжением допустимых пределов. Если синфазное напряжение выходит за пределы, указанные производителем, выход может внезапно «защелкнуться» в высоком режиме (насыщаться при полном выходном напряжении).В операционных усилителях с JFET-входом фиксация может произойти, если синфазное входное напряжение слишком близко к отрицательному напряжению шины питания. Например, в операционном усилителе TL082 это происходит, когда синфазное входное напряжение находится в пределах 0,7 В от отрицательного напряжения шины питания. Такая ситуация может легко возникнуть в схеме с однополярным питанием, где отрицательная шина питания заземлена (0 вольт), а входной сигнал может свободно колебаться до 0 вольт.

Блокировка также может быть вызвана синфазным входным напряжением , превышающим напряжение шины питания, отрицательное или положительное.Как правило, вы никогда не должны допускать, чтобы входное напряжение поднималось выше положительного напряжения шины питания или опускалось ниже отрицательного напряжения шины питания, даже если рассматриваемый операционный усилитель защищен от защелкивания (как 741 и 1458 моделей операционных усилителей). По крайней мере, поведение операционного усилителя может стать непредсказуемым. В худшем случае тип фиксации, вызванный входным напряжением, превышающим напряжения источника питания, может быть разрушительным для операционного усилителя.

Хотя может показаться, что этой проблемы легко избежать, ее вероятность более вероятна, чем вы думаете.Рассмотрим случай схемы операционного усилителя при включении питания. Если схема получает полное напряжение входного сигнала до того, как ее собственный источник питания успеет зарядить конденсаторы фильтра, синфазное входное напряжение может легко превысить напряжения шины питания на короткое время. Если операционный усилитель получает напряжение сигнала от цепи, питаемой от другого источника питания, и его собственный источник питания выходит из строя, напряжение (я) сигнала может превышать напряжения шины питания на неопределенное время!

Напряжение смещения

Другой практической проблемой, связанной с производительностью операционного усилителя, является смещение напряжения .То есть эффект наличия выходного напряжения, отличного от нуля вольт, когда две входные клеммы закорочены вместе. Помните, что операционные усилители — это прежде всего дифференциальные усилители: они должны усиливать разницу в напряжении между двумя входными соединениями и ничего более. Когда эта разница входного напряжения составляет ровно ноль вольт, мы (в идеале) ожидаем, что на выходе будет ровно ноль вольт. Однако в реальном мире такое случается редко. Даже если рассматриваемый операционный усилитель имеет нулевое синфазное усиление (бесконечный CMRR), выходное напряжение может отличаться от нуля, когда оба входа закорочены вместе.Это отклонение от нуля называется смещением .

Идеальный операционный усилитель выдавал бы ровно ноль вольт, если бы оба входа были закорочены вместе и заземлены. Однако большинство имеющихся в продаже операционных усилителей будут доводить свои выходы до уровня насыщения, либо отрицательного, либо положительного. В показанном выше примере выходное напряжение насыщено положительным значением 14,7 В, что немного меньше + В (+15 В) из-за положительного предела насыщения этого конкретного операционного усилителя. Поскольку смещение в этом операционном усилителе приводит выход к точке полного насыщения, невозможно определить, сколько смещения напряжения присутствует на выходе.Если бы разделенный источник питания + V / -V имел достаточно высокое напряжение, кто знает, возможно, из-за эффекта смещения выходное напряжение могло бы составить несколько сотен вольт в одну или другую сторону!

По этой причине напряжение смещения обычно выражается в терминах эквивалентной величины входного перепада напряжения , вызывающего этот эффект. Другими словами, мы представляем себе, что операционный усилитель идеален (никакого смещения), и небольшое напряжение подается последовательно с одним из входов, чтобы заставить выходное напряжение в ту или иную сторону от нуля.Поскольку дифференциальное усиление операционного усилителя настолько велико, показатель «входное напряжение смещения» не должен быть большим, чтобы учесть то, что мы видим с закороченными входами:

Напряжение смещения будет иметь тенденцию вносить небольшие ошибки в любую схему операционного усилителя. Так как же нам это компенсировать? В отличие от синфазного усиления, производитель обычно предусматривает обрезку смещения корпусного операционного усилителя. Обычно две дополнительные клеммы на корпусе операционного усилителя зарезервированы для подключения внешнего «подстроечного» потенциометра.Эти точки подключения помечены как смещение нуля и используются в общем случае:

В одиночных операционных усилителях, таких как 741 и 3130, нулевыми точками подключения смещения являются контакты 1 и 5 на 8-контактном корпусе DIP. Другие модели операционных усилителей могут иметь соединения нулевого смещения, расположенные на других выводах, и / или требовать немного отличающейся конфигурации соединения подстроечного потенциометра. Некоторые операционные усилители вообще не имеют нулевых выводов со смещением! За подробностями обращайтесь к спецификациям производителя.

Ток смещения

Входы операционного усилителя имеют чрезвычайно высокий входной импеданс. То есть входные токи, входящие или выходящие из двух соединений входных сигналов операционного усилителя, чрезвычайно малы. Для большинства целей анализа схем операционных усилителей мы рассматриваем их так, как будто их вообще не существует. Мы анализируем схему так, как если бы на входе или выходе из входных соединений был абсолютно нулевой ток. Однако эта идиллическая картина не совсем верна. Операционные усилители, особенно операционные усилители с биполярными транзисторными входами, должны пропускать через свои входные соединения некоторое количество тока, чтобы их внутренние цепи были правильно смещены.Эти токи, по логике, называются токами смещения . При определенных условиях токи смещения операционного усилителя могут быть проблематичными. Следующая схема иллюстрирует одно из таких проблемных состояний:

На первый взгляд, видимых проблем с этой схемой мы не видим. Термопара, генерирующая небольшое напряжение, пропорциональное температуре (на самом деле, напряжение, пропорциональное разнице температуры между измерительным спаем и «эталонным» спаем, образующимся, когда провода термопары из сплава соединяются с медными проводами, ведущими к операционному усилителю. ) управляет операционным усилителем либо положительно, либо отрицательно.Другими словами, это своего рода схема компаратора, сравнивающая температуру между концевым спаем термопары и опорным спаем (рядом с операционным усилителем). Проблема заключается в следующем: проволочная петля, образованная термопарой, не обеспечивает путь для обоих входных токов смещения, потому что оба тока смещения пытаются пройти одинаковым путем (либо в операционный усилитель, либо из него).

Чтобы эта схема работала должным образом, мы должны заземлить один из входных проводов, тем самым обеспечивая путь к земле (или от нее) для обоих токов:

Не обязательно очевидная проблема, но вполне реальная!

Другой способ, которым входные токи смещения могут вызвать проблемы, — это падение нежелательных напряжений на сопротивлениях цепи.Возьмем, к примеру, эту схему:

Мы ожидаем, что схема повторителя напряжения, подобная приведенной выше, будет точно воспроизводить входное напряжение на выходе. Но как насчет сопротивления, включенного последовательно с источником входного напряжения? Если через неинвертирующий (+) вход вообще есть какой-либо ток смещения, он упадет на некоторое напряжение на R в , таким образом, напряжение на неинвертирующем входе станет неравным фактическому значению V в . Токи смещения обычно находятся в диапазоне микроампер, поэтому падение напряжения на R в не будет очень большим, если только R в не будет очень большим.Одним из примеров применения, в котором входное сопротивление (R в ) будет очень большим, является сопротивление электродов датчика pH, где один электрод содержит проницаемый для ионов стеклянный барьер (очень плохой проводник с сопротивлением в миллионы Ом. ).

Если бы мы на самом деле создавали схему операционного усилителя для измерения напряжения pH-электрода, мы, вероятно, хотели бы использовать входной операционный усилитель на полевых транзисторах или МОП-транзисторах (IGFET) вместо одного, построенного на биполярных транзисторах (для меньшего входного тока смещения).Но даже в этом случае небольшие токи смещения могут вызвать ошибки измерения, поэтому мы должны найти способ их смягчить за счет хорошей конструкции.

Один из способов сделать это основан на предположении, что два входных тока смещения будут одинаковыми. В действительности они часто близки к тому, чтобы быть одинаковыми, разница между ними называется входным током смещения . Если они одинаковы, то мы сможем нейтрализовать влияние падения напряжения на входном сопротивлении, вставив такое же сопротивление последовательно с другим входом, например:

С добавлением дополнительного сопротивления в схему выходное напряжение будет ближе к V в , чем раньше, даже если есть некоторое смещение между двумя входными токами.

Как для инвертирующих, так и для неинвертирующих схем усилителя, резистор компенсации тока смещения подключается последовательно с неинвертирующим (+) входом для компенсации падений напряжения смещения в цепи делителя:

В любом случае значение компенсирующего резистора определяется путем вычисления значения параллельного сопротивления R 1 и R 2 . Почему значение параллельных эквивалентно 1 рэнд и 2 рэнд? При использовании теоремы суперпозиции для определения того, какое падение напряжения будет произведено инвертирующим (-) входным током смещения, мы рассматриваем ток смещения, как если бы он исходил от источника тока внутри операционного усилителя, и замыкали накоротко все источники напряжения. (V из и V из ).Это дает два параллельных пути для тока смещения (через R 1 и через R 2 , оба на землю). Мы хотим дублировать влияние тока смещения на неинвертирующий (+) вход, поэтому значение резистора, которое мы выбираем для последовательного включения с этим входом, должно быть равно R 1 параллельно с R 2 .

Связанная проблема, с которой иногда сталкиваются студенты, которые только учатся строить схемы операционного усилителя, вызвана отсутствием общего заземляющего соединения с источником питания. обязательным условием для правильной работы операционного усилителя является то, чтобы некоторые клеммы источника питания постоянного тока были общими для «заземляющего» соединения входного сигнала (сигналов). Это обеспечивает полный путь для токов смещения, тока (-ов) обратной связи и для тока нагрузки (выходного). Возьмем, к примеру, эту иллюстрацию схемы, показывающую правильно заземленный источник питания:

Здесь стрелками обозначен путь прохождения электронов через батареи источника питания, как для питания внутренней схемы операционного усилителя («потенциометр» внутри него, который контролирует выходное напряжение), так и для питания контура обратной связи резисторов R 1 и R 2 .Предположим, однако, что заземление для этого «раздельного» источника питания постоянного тока необходимо удалить. Эффект от этого огромен:

Электроны не могут входить или выходить из выходной клеммы операционного усилителя, поскольку путь к источнику питания является «тупиковым». Таким образом, электроны не проходят через заземление слева от R 1 , ни через контур обратной связи. Это фактически делает операционный усилитель бесполезным: он не может поддерживать ток ни через контур обратной связи, ни через заземленную нагрузку, поскольку нет соединения ни от одной точки источника питания с землей.

Токи смещения также останавливаются, потому что они зависят от пути к источнику питания и обратно к входному источнику через землю. На следующей диаграмме показаны токи смещения (только), когда они проходят через входные клеммы операционного усилителя, через базовые клеммы входных транзисторов и, в конечном итоге, через клеммы источника питания и обратно на землю.

Без заземления на источнике питания токи смещения не будут иметь полного пути для цепи, и они остановятся.Поскольку транзисторы с биполярным переходом являются устройствами с управлением по току, это также делает бесполезным входной каскад операционного усилителя, поскольку оба входных транзистора будут принудительно отключены из-за полного отсутствия тока базы.

ОБЗОР:

  • Входы операционных усилителей обычно проводят очень небольшие токи, называемые токами смещения , необходимые для правильного смещения первого каскада транзисторного усилителя, внутреннего по отношению к схеме операционных усилителей. Токи смещения малы (в диапазоне микроампер), но достаточно велики, чтобы вызывать проблемы в некоторых приложениях.
  • Токи смещения на обоих входах должны иметь путь для прохождения либо к одной из «шин» источника питания, либо к земле. Недостаточно просто иметь токопроводящий путь от одного входа к другому.
  • Чтобы отменить любые напряжения смещения, вызванные током смещения, протекающим через сопротивления, просто добавьте эквивалентное сопротивление последовательно с другим входом операционного усилителя (называемым компенсирующим резистором ). Эта корректирующая мера основана на предположении, что два входных тока смещения будут равны.
  • Любое неравенство между токами смещения в операционном усилителе составляет то, что называется входным током смещения .
  • Для правильной работы операционного усилителя важно, чтобы на каком-то выводе источника питания было заземление, чтобы сформировать полные пути для токов смещения, тока (ов) обратной связи и тока нагрузки.

Выколотка

Будучи полупроводниковыми приборами, операционные усилители могут незначительно изменять свое поведение при изменении рабочей температуры. Любые изменения производительности операционного усилителя в зависимости от температуры подпадают под категорию дрейфа операционного усилителя .Параметры дрейфа могут быть указаны для токов смещения, напряжения смещения и т.п. Обратитесь к листу технических данных производителя, чтобы узнать подробности о каждом конкретном операционном усилителе.

Чтобы свести к минимуму дрейф операционного усилителя, мы можем выбрать операционный усилитель с минимальным дрейфом, и / или мы можем сделать все возможное, чтобы поддерживать рабочую температуру как можно более стабильной. Последнее действие может включать обеспечение некоторой формы контроля температуры внутри оборудования, в котором находится операционный усилитель (операционные усилители). Это не так странно, как может показаться на первый взгляд.Например, иногда известно, что в стандартных прецизионных генераторах опорного напряжения используются «печи» для поддержания их чувствительных компонентов (таких как стабилитроны) при постоянной температуре. Если требуется чрезвычайно высокая точность по сравнению с обычными факторами стоимости и гибкости, возможно, стоит обратить внимание на этот вариант.

ОБЗОР:

  • Операционные усилители, будучи полупроводниковыми приборами, чувствительны к колебаниям температуры. Любые отклонения в характеристиках усилителя, вызванные изменениями температуры, известны как дрейф .Дрейф лучше всего минимизировать с помощью контроля температуры окружающей среды.

Частотная характеристика

Обладая невероятно высоким коэффициентом усиления по дифференциальному напряжению, операционные усилители являются первыми кандидатами на явление, известное как колебание обратной связи . Вы, вероятно, слышали эквивалентный звуковой эффект, когда громкость (усиление) на громкоговорителе или другой системе микрофонного усилителя была слишком высокой: этот высокий визг, возникающий из-за звуковой волны, «возвращающейся» через микрофон, чтобы снова усилиться. .Схема операционного усилителя может демонстрировать тот же эффект, при этом обратная связь происходит электрически, а не на слух.

Пример этого можно увидеть в операционном усилителе 3130, если он подключен как повторитель напряжения с минимальным количеством проводных соединений (два входа, выход и подключения источника питания). Выход этого операционного усилителя будет автоколебательным из-за его высокого коэффициента усиления, независимо от входного напряжения. Для борьбы с этим небольшой компенсационный конденсатор должен быть подключен к двум специально предусмотренным клеммам на операционном усилителе.Конденсатор обеспечивает путь с высоким импедансом для возникновения отрицательной обратной связи в схеме операционного усилителя, уменьшая, таким образом, усиление переменного тока и подавляя нежелательные колебания. Если операционный усилитель используется для усиления высокочастотных сигналов, этот компенсационный конденсатор может не понадобиться, но он абсолютно необходим для работы с сигналами постоянного или низкочастотного переменного тока.

Некоторые операционные усилители, такие как модель 741, имеют встроенный компенсационный конденсатор, чтобы свести к минимуму потребность во внешних компонентах. Эта улучшенная простота не обходится без затрат: из-за наличия конденсатора внутри операционного усилителя отрицательная обратная связь имеет тенденцию усиливаться с увеличением рабочей частоты (реактивное сопротивление этого конденсатора уменьшается с увеличением частоты).В результате дифференциальное усиление по напряжению операционного усилителя уменьшается с увеличением частоты: он становится менее эффективным усилителем на более высоких частотах.

Производители операционных усилителей опубликуют кривые частотных характеристик для своих продуктов. Поскольку достаточно высокий дифференциальный коэффициент усиления абсолютно необходим для хорошей работы обратной связи в схемах операционного усилителя, коэффициент усиления / частотная характеристика операционного усилителя эффективно ограничивает его «полосу пропускания». Разработчик схемы должен учитывать это, если необходимо поддерживать хорошие характеристики в требуемом диапазоне частот сигнала.

ОБЗОР:

  • Из-за емкости операционных усилителей их дифференциальное усиление по напряжению имеет тенденцию к уменьшению с увеличением входной частоты. Кривые АЧХ для операционных усилителей можно получить у производителя.

Фазовый сдвиг от входа к выходу

Чтобы проиллюстрировать фазовый сдвиг от входа к выходу операционного усилителя (ОУ), OPA227 был протестирован в нашей лаборатории. OPA227 имеет типичную неинвертирующую конфигурацию (рисунок ниже).

OPA227 Неинвертирующий каскад

Конфигурация схемы требует усиления сигнала 34 В / В или 50 дБ. Входное возбуждение при Vsrc было установлено на 10 мВпик и три интересующие частоты: 2,2 кГц, 22 кГц и 220 МГц. На рисунке ниже показаны зависимости коэффициента усиления и фазы OPA227 от частоты в разомкнутом контуре.

A График зависимости V и Φ от частоты

Чтобы помочь предсказать фазовый сдвиг замкнутого контура от входа к выходу, мы можем использовать коэффициент усиления разомкнутого контура и фазовую кривую.Поскольку конфигурация схемы требует усиления с обратной связью, или 1 / β, 50 дБ, кривая усиления с обратной связью пересекает кривую усиления без обратной связи примерно на 22 кГц. После этого пересечения кривая усиления с обратной связью спадается на типичных 20 дБ / декаду для усилителей с обратной связью по напряжению и следует кривой усиления без обратной связи.

На самом деле здесь работает отрицательная обратная связь от замкнутого контура, изменяющая отклик разомкнутого контура. Замыкание контура с помощью отрицательной обратной связи устанавливает полюс замкнутого контура на частоте 22 кГц.Подобно доминирующему полюсу на фазовой кривой разомкнутого контура, мы ожидаем сдвига фазы в ответе замкнутого контура. Какой сдвиг фазы мы увидим?

Поскольку новый полюс теперь находится на частоте 22 кГц, это также точка -3 дБ, поскольку полюс снова начинает скатываться по замкнутому контуру со скоростью 20 дБ за декаду, как указано ранее. Как и в случае любого полюса в базовой теории управления, фазовый сдвиг начинается на одну декаду по частоте перед полюсом и заканчивается на 90 o фазового сдвига на одну декаду по частоте после полюса.Так что же это предсказывает ответ замкнутого контура в нашей схеме?

Это будет предсказывать фазовый сдвиг, начиная с 2,2 кГц, с 45 o фазового сдвига в точке -3 дБ на 22 кГц и, наконец, заканчивая 90 o фазовым сдвигом на 220 кГц. Три рисунка, показанные ниже, представляют собой снимки осциллографа на частотах, представляющих интерес для нашей схемы OPA227. Рисунок ниже настроен на 2,2 кГц, и заметного фазового сдвига нет. Рисунок ниже установлен для 220 кГц, и записывается 45 o фазового сдвига.Наконец, на рисунке ниже установлено значение 220 МГц, и записано ожидаемое значение фазового сдвига 90 . Графики были сняты с помощью волнообразного серфера LeCroy 44x. На последнем графике осциллографа использовался зонд x1 с триггером, установленным на отклонение HF.

OPA227 Av = 50 дБ при 2,2 кГц

OPA227 Av = 50 дБ при 22 кГц

OPA227 Av = 50 дБ при 220 кГц

СВЯЗАННЫЕ РАБОЧИЕ ЛИСТЫ:

Инвертирующий усилитель операционного усилителя

— Схема рабочего усилителя »Примечания по электронике

Схема операционного усилителя для инвертирующего усилителя обеспечивает высокую производительность с легко вычисляемыми значениями и множеством опций для источника питания, связи по переменному току и тому подобного.


Учебное пособие по операционному усилителю Включает:
Введение Сводка схем Инвертирующий усилитель Суммирующий усилитель Неинвертирующий усилитель Усилитель с регулируемым усилением Активный фильтр высоких частот Активный фильтр нижних частот Полосовой фильтр Режекторный фильтр Компаратор Триггер Шмитта Мультивибратор Бистабильный Интегратор Дифференциатор Генератор моста Вина Генератор фазового сдвига


Схема инвертирующего усилителя ОУ очень проста в разработке и может быть реализована с очень ограниченным количеством дополнительных электронных компонентов.

В своей простейшей форме инвертирующий усилитель на операционном усилителе требует только использования двух дополнительных резисторов, которые должны быть включены в процесс проектирования электронной схемы. Это делает схему очень простой и легкой в ​​реализации, при этом обеспечивая очень высокий уровень производительности.

Этот инвертирующий усилитель может также использоваться в качестве виртуального заземляющего смесителя или суммирующего усилителя, но также стоит отметить, что входное сопротивление этой схемы операционного усилителя не такое высокое, как у инвертирующего формата.В качестве суммирующего усилителя эта схема операционного усилителя находит множество применений в аудиомикшерах, а также во многих других конструкциях электронных схем, где напряжения необходимо суммировать.

Для многих людей инвертирующий усилитель на операционном усилителе является их любимой формой схемы усилителя с простым процессом проектирования схемы и высоким уровнем производительности.


Схема инвертирующего усилителя ОУ

Базовая схема инвертирующего операционного усилителя довольно проста и требует всего лишь нескольких электронных компонентов, помимо самой интегральной схемы операционного усилителя.

Очевидно, что схема основана на операционном усилителе, который представляет собой дифференциальный усилитель с двумя входами: инвертирующим и неинвертирующим.

Схема состоит из резистора, соединяющего входной терминал с инвертирующим входом схемы, и другого резистора, подключенного от выхода к инвертирующему входу операционного усилителя. Неинвертирующий вход подключен к земле.

Базовая схема инвертирующего операционного усилителя

В этой схеме операционного усилителя обратная связь определяется резистором от выхода к инвертирующему входу и общим сопротивлением от инвертирующего входа к земле, т.е.е. входной резистор, а также сопротивление источника сигнала.

Инвертирующий усилитель усиления

Одной из основных характеристик схемы инвертирующего усилителя является общий коэффициент усиления, который она обеспечивает. Подсчитать это довольно просто.

Коэффициент усиления этой схемы операционного усилителя легко определить. Коэффициент усиления по напряжению Av фактически представляет собой выходное напряжение (Vout), деленное на входное напряжение (Vin), то есть во сколько раз выходное напряжение превышает входное.

Также легко определить уравнение для усиления напряжения. Поскольку вход операционного усилителя не потребляет ток, это означает, что ток, протекающий через резисторы R1 и R2, одинаков. Используя закон Ома, Vout / R2 = -Vin / R1. Следовательно, коэффициент усиления по напряжению схемы Av можно принять как

Где:
Av = усиление по напряжению
R2 — значение резистора обратной связи
R1 — значение входного резистора

Например, усилитель, требующий десятикратного усиления, можно построить, сделав R2 47 кОм и R1 4.7 кОм, так как соотношение между двумя резисторами равно десяти. В равной степени такое же усиление можно получить, используя резистор 33 кОм для R2 и резистор 3,3 кОм для R1.

Хотя для R1 и R2 можно выбрать практически любой набор значений, ключ к фактическому выбору часто основан на других аспектах, таких как входное сопротивление, как мы увидим ниже, а также на поддержании значений резисторов в разумных пределах, как подробно описано в разделе подсказок и подсказок ниже.

Входное сопротивление инвертирующего усилителя

Часто необходимо знать входное сопротивление цепи, и в данном случае инвертирующего усилителя.Схема с низким входным сопротивлением может загружать выход предыдущей схемы и может вызвать такие эффекты, как изменение частотной характеристики, если разделительные конденсаторы невелики.

Определить входной импеданс цепи инвертирующего операционного усилителя очень просто. Это просто значение входного резистора R1.

Объяснение виртуального заземления инвертирующего усилителя

Легко понять, почему входной импеданс схемы усилителя равен R1.

Неинвертирующий вход подключен к земле и, следовательно, имеет потенциал земли.

Коэффициент усиления операционного усилителя очень высок, это означает, что для выходов в пределах напряжения на шине, то есть для аналогового усилителя, разница напряжений между инвертирующим и неинвертирующим входами должна быть очень маленькой. Поскольку неинвертирующий вход находится на земле, инвертирующий вход должен быть практически на земле. По этой причине схему иногда называют усилителем виртуального заземления.

Инвертирующий усилитель ОУ с микросхемами ОУ

Советы и рекомендации по проектированию инвертирующего усилителя ОУ

Инвертирующий усилитель на операционном усилителе очень легко спроектировать, но, как и в случае с любой другой конструкцией, есть несколько советов, которые могут быть полезны.

  • Не делайте R2 слишком высоким: Хотя входное сопротивление операционных усилителей велико, в любой схеме операционного усилителя всегда лучше убедиться, что значение R2 не выбрано слишком большим, иначе другая схема эффекты могут загрузить его, и значение усиления может оказаться не таким, как ожидается.Часто имеет смысл держать значение R2 ниже 100 кОм в качестве приблизительного практического правила.
  • Не делайте R1 слишком низким: Также разумно не делать значение R1 слишком низким в этой схеме операционного усилителя. Помните, что он определяет входное сопротивление цепи инвертирующего усилителя. Если переменный ток связывает входную цепь, значение конденсатора последовательной связи необходимо выбрать так, чтобы его реактивное сопротивление было достаточно низким при самых низких необходимых частотах. Уменьшение значения R1 увеличивает емкость требуемого конденсатора.Кроме того, слишком низкое значение R1 увеличивает нагрузку на предыдущем этапе.
  • Запомните полосу пропускания: Хотя операционные усилители имеют высокое значение усиления, оно начинает падать с увеличением частоты. Даже при наличии обратной связи в инвертирующем усилителе необходимо учитывать произведение коэффициента усиления на полосу пропускания. Не пытайтесь получить слишком большое усиление от схемы одноступенчатого операционного усилителя, иначе может пострадать частотная характеристика.

Это всего лишь три совета по проектированию схемы инвертирующего усилителя на операционном усилителе, которые были признаны полезными на протяжении многих лет.Основная идея состоит в том, чтобы непредвзято относиться к вещам, которые могут произойти в цепи при необычных обстоятельствах. Это также помогает не растягивать схему схемы слишком далеко, ожидая слишком многого от одного каскада. Помните о советах и ​​этих моментах при проектировании схемы, чтобы избежать проблем в дальнейшем.

Инвертирующий усилитель несимметричного режима

Обычно схема операционного усилителя будет работать от дифференциальных источников питания, например + 12В и -12В. Это вполне приемлемо во многих приложениях, но во многих конструкциях электронных схем может быть доступен только один источник питания.

В этих условиях относительно легко реализовать так называемую несимметричную версию схемы операционного усилителя инвертирующего усилителя — в ней используются только одно питание и земля.

Инвертирующий усилитель на ОУ с односторонним источником питания

Версия схемы ОУ с одним источником напряжения для схемы инвертирующего усилителя использует больше компонентов по сравнению с версией с двумя направляющими, но конструкция элементов усилителя остается той же.

Фактически создается промежуточная точка для неинвертирующего входа.Таким образом, операционный усилитель работает в тех же условиях, что и при работе от двойного источника питания.

Несколько моментов, на которые следует обратить внимание при проектировании электронной схемы:

  • Точка половинного питания: Точка, равная половине напряжения питания, устанавливается для подключения к неинвертирующему входу. Это создается цепочкой делителя потенциала, состоящей из резисторов R3 и R4. Ввиду высокого входного импеданса операционного усилителя можно использовать значения примерно 47 кОм — ток, требуемый на входе операционного усилителя, будет небольшим, и эти значения подходят для большинства операционных усилителей.Если значения выбраны слишком высокими, импеданс инвертирующего входа может смещать напряжение.
  • Развязка: Питание половинной шины требует развязки на землю, потому что инвертирующий вход должен выступать в качестве сигнальной земли, но при этом поддерживается на уровне половинного напряжения питания. Емкость конденсатора C1 выбирается таким образом, чтобы его сопротивление было таким же, как сопротивление резисторов R3 и R4, включенных параллельно на самой низкой требуемой частоте — это дает точку -3 дБ на этой частоте.Если ниже этого значения требуется полностью ровный отклик, следует использовать конденсатор большего размера.

    При наличии резисторов с относительно высоким номиналом для R3 и R4 емкость конденсатора не должна быть слишком высокой, чтобы можно было получить низкое значение для точки низкочастотного разрыва.

  • Выбор напряжения половинной шины: Напряжение половинной шины выбирается таким, чтобы оно составляло около 50% от напряжения шины. Таким образом, схема обеспечит максимальное колебание выходного напряжения вверх и вниз без ограничения.

    Необходимо следить за тем, чтобы общее напряжение на шине было достаточным для правильной работы операционного усилителя — сверьтесь с таблицей данных, чтобы убедиться, что выбранное значение шины приемлемо для выбранного операционного усилителя.

  • Схема подключения: Инвертирующий усилитель операционного усилителя с несимметричным шлейфом напряжения требует, чтобы входы были связаны по переменному току. Конденсаторы C2 и C3 следует выбирать так, чтобы пропускать самые низкие частоты сигнала без чрезмерного затухания.

    Эти конденсаторы следует выбирать так, чтобы их полное сопротивление соответствовало сопротивлению цепи при минимальной требуемой частоте. Это делает эту точку точкой -3 дБ для каждой из этих цепей.

    Помните, что входное сопротивление для схемы может быть таким же, как у R2, если предположить, что схема управляется источником с низким импедансом. Для выходной цепи можно предположить, что операционный усилитель имеет нулевой импеданс для этого расчета, и, следовательно, сопротивление или импеданс выходной цепи соответствует предполагаемой нагрузке.

Вариант схемы операционного усилителя с несимметричной рейкой находит применение, где доступна только одна шина питания. Часто цепи, работающие от батарейных источников питания, имеют только один источник питания, и это решение часто используется в этих приложениях.

Есть некоторые операционные усилители, которые предназначены для работы в несимметричном режиме, но этот подход может быть принят для доступных операционных усилителей.

Операционный усилитель — это дифференциальный усилитель, поэтому имеется два входа: для инвертирующего усилителя отрицательная обратная связь с выхода и входной сигнал подаются на инвертирующий вход, а неинвертирующий вход заземляется.

Схема операционного усилителя для инвертирующего усилителя предлагает множество преимуществ, включая относительно низкий входной импеданс, низкий выходной импеданс и требуемый уровень усиления (в пределах ОУ и требуемого усиления всей схемы. очень мало электронных компонентов для создания высокопроизводительной схемы.

Другие схемы и схемотехника:
Основы операционных усилителей Схемы операционных усилителей Цепи питания Конструкция транзистора Транзистор Дарлингтона Транзисторные схемы Схемы на полевых транзисторах Условные обозначения схем
Вернуться в меню «Конструкция схемы».. .

Операционный усилитель — Основы операционного усилителя, идеальный рабочий операционный усилитель, инвертирующий, неинвертирующий операционный усилитель

Введение в операционные усилители

В этом посте будут проанализированы основы операционного усилителя (обычно обозначаемого как операционный усилитель) вместе с его блок-схемой, базовой структурой, символом, типами и подробным объяснением типичного операционного усилителя.

Что такое операционный усилитель (ОУ)?

Операционный усилитель — это многокаскадный усилитель с отрицательной обратной связью с прямым подключением и высоким коэффициентом усиления, который имеет один или несколько дифференциальных усилителей и завершен преобразователем уровня и выходным каскадом.В операционном усилителе предусмотрена шунтирующая обратная связь по напряжению для получения стабилизированного усиления по напряжению. Операционные усилители доступны в виде интегральных схем (ИС) .

Основное применение операционного усилителя — усиление входных сигналов переменного и постоянного тока. Первоначально он использовался для основных математических операций, таких как сложение, вычитание, умножение, дифференцирование и интегрирование. В настоящее время применение операционных усилителей варьируется от усиления сигналов постоянного и переменного тока до использования в активных фильтрах, генераторах, компараторах, регуляторах напряжения, контрольно-измерительных приборах и системах управления, генераторах импульсов, генераторах прямоугольных импульсов и многих других электронных схемах.Для разработки всех этих схем операционные усилители производятся со встроенными транзисторами, диодами, конденсаторами и резисторами, что делает их чрезвычайно компактными, многозадачными, недорогими, высоконадежными и термостабильными интегральными схемами. Он также спроектирован таким образом, что внешние характеристики могут быть изменены путем добавления внешних компонентов, таких как конденсаторы и резисторы. Таким образом, он может выступать в качестве полноценного усилителя с различными характеристиками.

Блок-схема операционного усилителя (ОУ)

Блок-схема многокаскадного операционного усилителя приведена ниже.

Блок-схема операционного усилителя (ОУ)

Операционный усилитель начинается с дифференциального каскада усилителя, который работает в дифференциальном режиме. Таким образом, входы отмечены «+» и «-». Положительный знак соответствует неинвертирующему входу, а отрицательный — инвертирующему входу. Неинвертирующий вход — это сигнал переменного тока (или постоянного тока), подаваемый на дифференциальный усилитель, который создает такую ​​же полярность сигнала на выходе операционного усилителя. Вход инвертирующего сигнала — это сигнал переменного (или постоянного) тока, подаваемый на дифференциальный усилитель.Это дает сигнал на выходе, сдвинутый по фазе на 180 градусов.

Инвертирующий и неинвертирующий входы подаются на входной каскад, который представляет собой дифференциальный усилитель с двойным входом и балансным выходом. На этом этапе обеспечивается коэффициент усиления по напряжению, необходимый для усилителя, вместе с входным сопротивлением операционного усилителя. Выход начального каскада подается на промежуточный каскад, который управляется выходом входного каскада. В этом каскаде используется прямая связь, которая делает постоянное напряжение на выходе промежуточного каскада выше потенциала земли.Следовательно, уровень постоянного тока на его выходе должен быть понижен до 0 В по отношению к земле. Для этого используется ступень сдвига уровня, где обычно применяется эмиттерный повторитель с источником постоянного тока. Затем сигнал со смещенным уровнем подается на выходной каскад, где двухтактный усилитель увеличивает размах выходного напряжения сигнала, а также увеличивает пропускную способность операционного усилителя по току.

Обозначение операционного усилителя (ОУ)

Схематическое обозначение операционного усилителя показано ниже.

Обозначение операционного усилителя (операционного усилителя)

Показанный выше символ является наиболее широко используемым символом операционного усилителя для всех электронных схем.

В1 (Вольт) — неинвертирующее входное напряжение.

V2 (Volts) — инвертирование входного напряжения.

V0 (Вольт) — Выходное напряжение

Характеристики операционных усилителей (ОУ)

1. Высокое входное сопротивление — более 100 кОм.

2. Низкая мощность — менее 100 Ом.

3. Усилитель сигналов с диапазоном частот от 0 Гц до 1 МГц.

4. Низкое напряжение смещения и низкий ток смещения.

5. Очень высокое усиление напряжения — около 2,00,000.

Схемы базового операционного усилителя

Как объяснялось ранее, дифференциальные схемы являются одной из основных схем, используемых в операционных усилителях. Мы уже объясняли дифференциальный усилитель и его работу в более раннем посте. Вы можете проверить ссылки здесь — Дифференциальный усилитель .

Ниже показана схема дифференциального усилителя, модифицированная для использования операционного усилителя. Это составляет основную схему операционного усилителя и объясняет входные характеристики типичной ИС операционного усилителя.

Схема базового операционного усилителя (ОУ)

Базовая конфигурация схемы изображена выше. Предусмотрены два транзистора Q1 и Q2, в которых вход подается на базу обоих транзисторов. Оба транзисторных эмиттера подключены к общему эмиттеру RE, так что на два входных сигнала влияет один или оба входных сигнала.Два напряжения питания VCC и VEE подключены как к коллекторам, так и к эмиттерам QI и Q2. На принципиальной схеме нет указания общей точки заземления. Следует понимать, что противоположные точки источников как положительного, так и отрицательного напряжения соединены с землей.

Когда входной сигнал в точке 1 (V1) увеличивается, эмиттерный ток транзистора Q1 увеличивается и, таким образом, вызывает повышение напряжения на вершине сопротивления эмиттера RE. Таким образом, уменьшается напряжение база-эмиттер VBE транзистора Q2.Таким образом, когда VBE Q2 уменьшается, в транзисторе Q2 протекает меньше тока, что приводит к падению напряжения на сопротивлении коллектора RC и увеличению выходного напряжения VOUT, поскольку это разница между напряжением питания коллектора VCC и падением напряжения. в сопротивлении коллектора RC (ICRC). Это подводит нас к выводу, что будет увеличение выходного напряжения при увеличении входного напряжения V1. Вот почему V1 считается неинвертирующим входом. Vout находится в фазе с V1.

В другой момент, когда напряжение V2 увеличивается, ток коллектора Q2 увеличивается и уступает место падению напряжения на сопротивлении коллектора и, следовательно, уменьшенному выходному напряжению VOUT. Вот почему V2 считается инвертирующим входом. VOUT сдвинут по фазе на 180 градусов с V2.

Основное введение в операционный усилитель uA741 уже было дано. Перейдите по ссылке ниже.

Введение в операционный усилитель uA 741

В статье в основном описывается, что такое операционный усилитель., символ операционного усилителя, концепция инвертирующего и неинвертирующего входа и многое другое. Он также описывает популярность 741 IC среди различных типов операционных усилителей, доступных на рынке. Также объясняются особенности операционного усилителя и необходимость двойного источника питания для ИС. Вы можете больше узнать о стиле упаковки и назначении выводов операционного усилителя, а также о различных номиналах идеального операционного усилителя 741 IC. Некоторые из основных приложений операционного усилителя перечислены ниже. Ознакомьтесь с подробным описанием, перейдя по основным ссылкам.

Компаратор операционных усилителей

В статье показана принципиальная схема и работа операционного усилителя в качестве компаратора. В основном есть два типа компараторов. Один — это схема инвертирующего компаратора, а другой — неинвертирующий компаратор. Оба они поясняются аккуратными формами сигналов, а также представлены различные применения схемы.

Триггер Шмитта с ОУ

Применение операционного усилителя в качестве быстродействующего детектора уровня рабочего напряжения показано в этой основной статье с помощью принципиальной схемы и соответствующей формы сигнала.Точная работа схемы также объясняется уравнениями для различных опорных напряжений, когда выход положительно насыщен и отрицательно насыщен. Различные характеристики триггера Шмитта также объясняются вместе с его UTP и LTP.

Астабильный мультивибратор с ОУ

Работа операционного усилителя в качестве генератора прямоугольных импульсов объясняется с помощью принципиальной схемы и формы сигнала. Также приводится уравнение выходного напряжения и уравнение заряда конденсатора.Также объясняется причина, по которой схема называется «автономным мультивибратором».

Моностабильный мультивибратор

В этом посте объясняются основы импульсного генератора. Принципиальная схема и форма сигнала проиллюстрированы в статье вместе с условиями установившегося режима и уравнениями напряжения конденсатора.

Детектор перехода через ноль

Это прикладная форма схемы компаратора операционного усилителя. Здесь опорное напряжение обнулено.Детектор перехода через ноль, использующий инвертирующий компаратор операционного усилителя, поясняется принципиальной схемой и формой сигнала.

Делитель напряжения с ОУ

Схема делителя напряжения подключена к неинвертирующему входу операционного усилителя. Схема подробно описана в исходном посте.

7. Схемы с операционными усилителями — документация VISIR 2.0

Благодаря удаленной лаборатории Analog Electronics также можно испытать более сложные схемы, включая интегральные схемы.В них перечислены некоторые примеры, которые могут быть реализованы с использованием операционных усилителей, в частности U741, схема которого представлена ​​на рисунке ниже:

Рис. 7.1 Микросхема UA741

7.1. Конфигурация неинвертирующего операционного усилителя

На рис. 7.1.1 представлена ​​электронная схема операционного усилителя UA741, работающего как неинверторный усилитель. Чтобы проверить эффект усиления, можно изменить сопротивление, помещенное в ответвление обратной связи, чтобы принять значения, показанные на рис.7.3.1.

Рис. 7.1.1 Операционный усилитель, работающий как неинверторный усилитель

Рис. 7.1.2 Реализация операционного усилителя, работающего как неинверторный усилитель, на 100кОм | Скачать схему

Помните, что функциональный генератор генерирует сигнал двойной амплитуды, который задает его на своей передней панели. Если вам нужна другая конфигурация, дайте нам знать.

Очень важно: для правильной работы подайте в цепь напряжение +15 В -15 В постоянного тока.

7.2. Инвертирующий усилитель

Рис.В разделе 7.2.1 показана электронная схема операционного усилителя UA741, работающего как инверторный усилитель. Чтобы проверить эффект усиления, можно изменить сопротивление, помещенное в ответвление обратной связи, до значений, показанных на рис. 7.3.1.

Рис. 7.2.1 Операционный усилитель, работающий как инверторный усилитель

Рис. 7.2.2 Реализация операционного усилителя, работающего как инверторный усилитель, на 100кОм | Скачать схему

7.3. Схема дифференциатора ОУ

Рис. 7.3.1 Схема дифференциатора операционного усилителя

Рис.7.3.2 Реализация схемы дифференциатора операционного усилителя при сопротивлении R = 100 кОм и треугольном входном сигнале | Скачать схему

7.4. Схема интегратора ОУ

На следующем рисунке показан UA741, работающий как интеграторный усилитель. Как и в предыдущих схемах, резистор, подключенный к ветви обратной связи, может принимать значения, показанные на рис. 7.4.1.

Рис. 7.4.1 Схема интегратора операционного усилителя

Рис. 7.4.2 Реализация схемы интегратора операционного усилителя, R = 100 кОм и квадратный входной сигнал | Скачать схему

7.5. Схема компаратора ОУ

На следующем рисунке показан UA741, работающий в качестве компаратора. Как и в предыдущих схемах, резистор, подключенный к ветви обратной связи, может принимать значения, показанные на рис. 7.5.1.

Рис. 7.5.1 Схема компаратора операционного усилителя

Рис. 7.5.2 Реализация схемы компаратора ОУ | Скачать схему

Вот и все об операционных усилителях. Продолжить в схемах с транзисторами.

Схема усилителя

или операционный усилитель (операционный усилитель) на корабле

Схема усилителя или операционного усилителя (операционного усилителя) обычно используется в схемах автоматизации, управления и других электронных схемах для морских приложений.

Применяемый входной сигнал обычно представляет собой сигнал напряжения или тока. Назначение усилителя — создать выходной сигнал, больший, чем входной.

Использование схемы усилителя

Как следует из названия, цель усилителя или операционного усилителя состоит в том, чтобы усилить или увеличить входной сигнал для создания выходного сигнала, который намного больше, чем входной, с формой волны, аналогичной входной.

Основным изменением выходного сигнала будет увеличение уровня мощности.Эта дополнительная мощность обеспечивается внешним напряжением постоянного тока. Выходной сигнал управляется входным сигналом в усилителе.

В электронных компонентах, которые являются компактными, усилители слабого сигнала обычно используются в качестве устройств, поскольку они способны повышать относительно небольшой входной сигнал до большей величины. Например, от датчика, такого как фотоустройство, в гораздо больший выходной сигнал для управления реле, лампой или громкоговорителем.

Несколько устройств на корабле можно найти схему усилителя:
  • Используется для усиления звуковых сигналов (динамик, УКВ, звуковая система Судовой гудок)
  • Используется как регулятор напряжения и тока
  • Используется как аналого-цифровой преобразователь и наоборот
  • Используется как сервоусилитель в двигателе
  • Выходной сигнал усилителя поступает на реле в цепи
  • .
  • Используется в гирокомпасе
  • Используется в машинном отделении, палубе и других сигнализациях
  • Используется в различных датчиках
  • Применяется в системах электрозащиты

Различные электронные схемы классифицируются как усилители, от операционных усилителей и усилителей малых сигналов до больших сигналов и усилителей мощности.

Усилитель можно классифицировать в зависимости от: —

  • по величине входного сигнала
  • в физической конфигурации
  • о том, как он обрабатывает входной сигнал, то есть взаимосвязь между входным сигналом и током, протекающим в нагрузке.

Большая часть электрической и электронной схемы содержит усилительное устройство, такое как транзистор, полевой транзистор или операционный усилитель, который имеет два входных контакта и два выходных контакта (заземление является общим) с выходным сигналом, намного превышающим входного сигнала, так как он был «усилен».

Работа цепи усилителя

Вход усилителя состоит из дифференциального входного напряжения V + вход и V-вход, и эта разница в напряжении усиливается для получения большого выходного сигнала. Следовательно, уравнение операционного усилителя можно представить как

V o / p = [(V +) — (V-)] x A o / l

Где A o / l — коэффициент усиления усилителя без обратной связи.

В операционном усилителе величина A o / l огромна, что дает большой выходной сигнал даже при небольшом входном дифференциале.

Операционный усилитель — это трехконтактное устройство, состоящее из двух высокоомных входов; один называется инвертирующим входом и отмечен знаком минус или минус (-), а другой называется неинвертирующим входом и отмечен знаком плюс или плюс (+).

Идеальный усилитель

Теперь мы можем определить характеристики идеального усилителя из нашего обсуждения выше в отношении его усиления, то есть усиления по напряжению:

  • Коэффициент усиления усилителя (A) должен оставаться постоянным при изменении значений входного сигнала.
  • Частота не влияет на усиление. В одинаковом количестве должны усиливаться сигналы всех частот.
  • Коэффициент усиления усилителя не должен добавлять шум к выходному сигналу. Он должен удалить любой шум, который уже существует во входном сигнале.
  • Коэффициент усиления усилителя не должен зависеть от изменений температуры, что обеспечивает отличную температурную стабильность.
  • Коэффициент усиления усилителя должен оставаться стабильным в течение длительного времени.

Характеристики идеального операционного усилителя или операционного усилителя

«Идеальный: или совершенный операционный усилитель (ОУ)» — это устройство с определенными уникальными характеристиками, такими как бесконечное усиление без обратной связи Ao, бесконечное входное сопротивление Rin, нулевое выходное сопротивление Rout, неограниченная полоса пропускания от 0 до ∞ и смещения нуля ( выход равен нулю, когда вход равен нулю).

Имеет высокий коэффициент усиления на выходе.

Обладает высоким входным и низким выходным сопротивлением

Полоса пропускания находится в очень высоком диапазоне.

Получить идеальную технику или схему невозможно. Потери энергии в приборе всегда присутствуют, но выбор усилителя, близкого к идеальному, обеспечит наилучшие рабочие характеристики в электрической / электронной схеме, в которой он установлен.

Заявление об ограничении ответственности: Мнения авторов, выраженные в этой статье, не обязательно отражают точку зрения Marine Insight. Данные и диаграммы, если они используются в статье, были получены из доступной информации и не были подтверждены каким-либо установленным законом органом. Автор и компания «Марин Инсайт» не заявляют об их точности и не берут на себя ответственность за них. Взгляды представляют собой только мнения и не представляют собой каких-либо руководящих принципов или рекомендаций относительно какого-либо курса действий, которым должен следовать читатель.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.