Схема включения операционного усилителя
Схема каскада с инвертирующим включением ОУ изображена на рис. Зависимость выходного напряжения И вых от входного U вх для инвертирующей схемы. Это влияние и есть проявление отрицательной обратной связи. Рассмотрим схему неинвертирующего усилителя рис. Коэффициент усиления с обратной связью K равный отношению выходного напряжения к ЭДС источника сигнала составит,.
Поиск данных по Вашему запросу:
Схемы, справочники, даташиты:
Прайс-листы, цены:
Обсуждения, статьи, мануалы:
Дождитесь окончания поиска во всех базах.
По завершению появится ссылка для доступа к найденным материалам.
Операционные усилители
Операционный усилитель — это электронный усилитель напряжения с высоким коэффициентом усиления, имеющий дифференциальный вход и обычно один выход. Напряжение на выходе может превышать разность напряжений на входах в сотни или даже тысячи раз. Своё начало операционные усилители ведут от аналоговых компьютеров, где они применялись во многих линейных, нелинейных и частото-зависимых схемах.
Параметры схем с операционными усилителями определяются только внешними компонентами, а так же небольшой температурной зависимостью или разбросом параметров при их производстве, что делает операционные усилители очень популярными элементами при конструировании электронных схем.
Операционные усилители являются наиболее востребованными приборами среди современных электронных компонент, они находят своё применение в потребительской электронике, применяются индустрии и в научных приборах. Многие стандартные микросхемы операционных усилителей стоят всего несколько центов. Но некоторые модели гибридных или интегрированных операционных усилителей со специальными характеристиками, выпускаемые мелкими партиями, могут стоить более сотни долларов.
Операционные усилители обычно выпускаются как отдельные компоненты, а так же они могут являться элементами более сложных электронных схем. Операционный усилитель является разновидностью дифференциального усилителя.
Другими разновидностями дифференциального усилителя являются:. Невзирая на различное обозначение, их функция остаётся одной и той же — обеспечение дополнительной энергии для усиления сигнала.
Часто на схемах эти выводы не изображают, чтобы не загромождать чертёж, и их наличие либо указывается отдельно, либо должно быть ясно из схемы. Условные обозначения на схеме для операционного усилителя, изображённого на рисунке справа, следующие:.
Напряжение на выходе операционного усилителя определяется формулой. Операционный усилитель без отрицательной обратной связи компаратор. Это называется насыщение усилителя. Величина коэффициента усиления A OL имеет технологический разброс, поэтому не стоит использовать один операционный усилитель в качестве дифференциального усилителя, рекомендуется применять схему из трёх усилителей.
Без отрицательной обратной связи, и возможно при наличии положительной обратной связи, операционный усилитель будет работать как компаратор. Если инвертирующий вход соединить с общим проводом нулевым потенциалом напрямую или через резистор, а напряжение V in , поданное на неинвертирующий вход будет положительным, то выходное напряжение будет максимально положительным. Если подать на вход отрицательное напряжение V in , то на выходе напряжение будет максимально отрицательным.
Поскольку с выхода на входы обратная связь отсутствует, то такая схема с разомкнутой цепью обратной связи будет работать как компаратор, коэффициент усиления схемы будет равен коэффициенту усиления операционного усилителя A OL. Операционный усилитель с отрицательной обратной связью неинвертирующий усилитель. Для того, что бы работа операционного усилителя была предсказуемой, применяется отрицательная обратная связь, которая устанавливается путём подачи части напряжения с выхода усилителя на его инвертирующий вход.
Эта замкнутая цепь обратной связи существенно снижает усиление усилителя. При использовании отрицательной обратной связи общее усиление схемы значительно больше зависит от параметров цепи обратной связи, чем от параметров операционного усилителя.
Если цепь обратной связи содержит компоненты с относительно стабильными параметрами, то изменения параметров операционного усилителя существенно не влияют на характеристики схемы.
Передаточная характеристика схемы с операционным усилителем определяется математически передаточной функцией. Проектирование схем с заданной передаточной функцией с операционными усилителями относится к области радиоэлектроники. Передаточная функция является важным фактором в большинстве схем, использующих операционные усилители, например, в аналоговых компьютерах. Высокое входное сопротивление входов и низкое выходное сопротивление выхода является так же полезной особенностью операционных усилителей.
Например, если к неинвертирующему усилителю добавить отрицательную обратную связь см. Равновесие восстановится тогда, когда напряжение на выходе V out станет достаточным для того, что бы изменить напряжение на инвертирующем входе до напряжения V in. Так как резисторы R f и R g образуют цепь обратной связи, подключённой от выхода ко входу, то получается схема с замкнутой петлёй обратной связи.
Подставляя слагаемые в формулу, можно легко определить усиление схемы этого типа. Эквивалентная схема операционного усилителя в которой смоделированы некоторые неидеальные резистивные параметры. Идеальный операционный усилитель может работать при любых входных напряжениях и имеет следующие свойства:. Первое правило применимо к операционному усилителю, включённому в схему с замкнутой петлёй отрицательной обратной связи.Эти правила обычно применяются для анализа и проектирования схем с операционными усилителями в первом приближении. На практике ни одно из идеальных свойств не может быть полностью достигнуто, поэтому приходится идти на различные компромиссы. В зависимости от желаемых параметров, при моделировании реального операционного усилителя учитывают некоторые неидеальности, используя эквивалентные цепи из резисторов и конденсаторов в его модели. Разработчик может заложить эти нежелательные, но реальные эффекты в общую характеристику проектируемой схемы.
Влияние одних параметров может быть пренебрежительно мало, а другие параметры могут налагать ограничение на общие характеристики схемы. В отличии от идеального, реальный операционный усилитель имеет неидеальность различных параметров.
Усиление операционного усилителя, рассчитанное по постоянному току, неприменимо для высоких частот. При проектировании схем с операционными усилителями, рассчитанными на работу с высокой частотой, следует руководствоваться более сложными соображениями.
Современные операционные усилители с полевыми и МОП — транзисторами по своим характеристикам приближаются гораздо ближе к идеальным операционным усилителям, чем модели с биполярными транзисторами, когда важно входное сопротивление и входные токи смещения. Операционные усилители с биполярными транзисторами лучше использовать тогда, когда требуется меньшее входное напряжение смещения и часто меньшие собственные шумы.
Операционные усилители с полевыми и МОП — транзисторами, в схемах с ограниченной полосой пропускания, работающие при комнатной температуре, обычно имеют лучшие характеристики. Хотя дизайн разных моделей микросхем от разных производителей может варьироваться, все операционные усилители имеют в основном схожую внутреннюю структуру, которая состоит из трёх каскадов:. Микросхемы операционных усилителей обычно имеют умеренную сложность.
Типичным примером является широко распространённая микросхема операционного усилителя советский аналог — КУД7 , разработанная компанией «Fairchild Semiconductor» после предыдущей модели — LM Базовая архитектура усилителя такая же, как и у модели. В качестве входного каскада используется дифференциальный усилитель со сложной схемой смещения, активной нагрузкой которого является токовое зеркало.
Дифференциальный усилитель реализован на двухступенчатом каскаде, удовлетворяющем противоречивые требования. Первая ступень состоит из n-p-n эмиттерных повторителей на транзисторах Q1 и Q2, что позволяет получить высокое входное сопротивление. Вторая ступень основана на p-n-p транзисторах Q3 и Q4, включённых по схеме с общей базой, что позволяет избавиться от вредного действия эффекта Миллера , сдвинуть уровень напряжения вниз и обеспечить достаточное усиление по напряжению для работы следующего каскада — усилителя класса «А».
Применение p-n-p транзисторов так же помогает увеличить напряжение пробоя V бэ переходы база-эмиттер n-p-n транзисторов Q1 и Q2 имеют напряжение пробоя около 7 вольт, а напряжение пробоя p-n-p транзисторов Q3 и Q4 составляет около 50 вольт. На эмиттеры классического дифференциального каскада с эмиттерными связями подаётся напряжение смещения от источника стабильного тока. Цепь отрицательной обратной связи вынуждает транзисторы работать как стабилизаторы напряжения, заставляя их изменять напряжение V бе таким образом, что бы ток мог протекать через переход коллектор-эмиттер.
Сигналы с эмиттеров транзисторов Q1, Q2 поступают на эмиттеры транзисторов Q3, Q4. Их коллекторы разделены и они не могут использоваться для подачи тока покоя от источника стабильного тока, так как они сами функционируют, как источники тока. Следовательно, ток покоя можно подать только на базы, соединив их с источником тока. Что бы избежать зависимости от коэффициента передачи постоянного тока транзисторов, применяется отрицательная обратная связь.
Для этого весь ток покоя отражается токовым зеркалом, выполненным на транзисторах Q8, Q9, а сигнал отрицательной обратной связи снимается с коллектора транзистора Q9. Это вынуждает транзисторы Q1-Q4 изменить их напряжения база-эмиттер V бе так, что бы через них протекал требуемый ток покоя. Для получения токов смещения баз обычно используется источник питания отрицательного напряжения. Эти токи идут из общего провода в базы транзисторов. Но для получения максимально большого входного импеданса петли базового смещения не замкнуты внутри между базой и общим проводом, так как предполагается, что эти цепи будут замкнуты через выходное сопротивление источника сигнала на землю.
Так что источник сигнала должен быть гальванически соединён с общим проводом, что бы через него могли протекать токи смещения, а так же он должен иметь достаточно низкое сопротивление десятки или сотни килоом , что бы на нём не было бы существенного падения напряжения. В противном же случае можно подключить резисторы между базами транзисторов Q1, Q2 и общим проводом.
Величина тока покоя установлена резистором сопротивлением 39 кОм, который является общим для обоих токовых зеркал QQ13 и QQ Этот ток используется как образцовый для других токов смещения схемы. Транзисторы Q10, Q11 образуют источник тока Видлара , в котором через резистор сопротивлением 5 кОм протекает небольшая часть тока коллектора I ref транзистора Q Этот небольшой коллекторный ток, текущий через коллектор транзистора Q10 является опорным током баз для транзисторов Q3 и Q4, а так же для коллектора транзистора Q9.
С помощью отрицательной обратной связи токовое зеркало на транзисторах Q8 и Q9 пытается сделать ток на коллекторе транзистора Q9 равный току коллекторов транзисторов Q3 и Q4. Следовательно общий базовый ток транзисторов Q3 и Q4 это ток такого же порядка как и токи входов микросхемы является небольшой частью слабого тока транзистора Q Таким образом ток покоя устанавливается токовым зеркалом на транзисторах Q10, Q11 без использования токовой отрицательной обратной связи.
Эта токовая обратная связь только стабилизирует напряжение коллектора транзистора Q9 и базы транзисторов Q3, Q4. Кроме того, цепь обратной связи так же изолирует остальную часть схемы от синфазных сигналов путём установления напряжения базы транзисторов Q3, Q4 строго на уровне на 2V BE ниже, чем наибольшее из обоих входных напряжений. Дифференциальный усилитель, образованный транзисторами Q1—Q4, соединён с активной нагрузкой на основе улучшенного токового зеркала на транзисторах Q Q7, которое преобразует токи входного дифференциального сигнала в напряжение, причём здесь для формирования этого напряжения используются оба входных сигнала, что даёт существенный прирост в усилении.
Это достигается путём сложения входных сигналов с помощью токовых зеркал, в данном случае коллектор транзистора Q5 соединён с коллектором транзистора Q3 левый выход дифференциального усилителя , а выход токового зеркала — коллектор транзистора Q6 соединён к правому выходу дифференциального усилителя — коллектору транзистора Q4.
Транзистор Q7 увеличивает точность работы токового зеркала путём уменьшения отбираемого тока от транзистора Q3 для управления базами транзисторов Q5 и Q6. Напряжения источников сигналов, подаваемых на входы, проходят через две «диодных» цепочки, образованных переходами база-эмиттер транзисторов Q1, Q3 и Q2, Q4, к месту соединения баз транзисторов Q3, Q4. Если входные напряжения немного изменятся напряжение на одном входе увеличится, а на другом уменьшится , то напряжение на базах транзисторов Q3, Q4 почти не изменится, так же общий ток баз останется без изменений.
Произойдёт только перераспределение токов между базами транзисторов Q3, Q4, общий ток покоя останется тем же самым, токи коллекторов перераспределятся в тех же пропорциях, что и базовые токи. Токовое зеркало произведёт инвертирование коллекторного тока, сигнал вернётся обратно на базу транзистора Q4. В точке соединения транзисторов Q4 и Q6 токи транзисторов Q3 и Q4 вычитаются.
Эти токи противофазны в данном случае в случае дифференциального сигнала. В схеме с разомкнутой петлёй обратной связи напряжение, полученное в точке соединения транзисторов Q4 и Q6 определяется результатом вычитания токов и общим сопротивлением схемы параллельно включённые сопротивления коллекторов транзисторов Q4 и Q6. Так как для сигнальных токов эти сопротивления являются высокими транзисторы Q4 и Q6 ведут себя как генераторы токов , то при разомкнутой петле обратной связи коэффициент усиления этого каскада будет очень высоким.
Иначе говоря, можно представить транзистор Q6 как копию транзистора Q3, а комбинацию транзисторов Q4 и Q6 можно представить как регулируемый делитель напряжения, состоящий из двух резисторов, управляемых напряжением. Для дифференциальных входных сигналов сопротивления этих резисторов будут сильно изменяться в противоположных направлениях, но общее сопротивление делителя напряжения останется неизменным как у потенциометра с подвижным контактом.
В результате ток не изменяется, но происходит сильное изменение напряжения в средней точке. Так как сопротивления изменяются в равной степени, но в противоположных направлениях, то результирующее изменение напряжения будет в два раза больше одиночных изменений напряжений. Базовые токи на входах не нулевые, и поэтому эффективное входное сопротивление операционного усилителя равно примерно 2 мОм. Выводы «установка нуля» могут быть использованы для подключения внешних резисторов параллельно внутренним резисторам сопротивлением 1 кОм здесь обычно подключают потенциометр для балансировки токов транзисторов Q5, Q6, таким образом косвенно регулируют сигнал на выходе при подаче на входы нулевых сигналов.
Если входные напряжения изменяются синхронно, то отрицательная обратная связь вынуждает напряжение на базах транзисторов Q3, Q4 повторять со смещением, равным удвоенному падению напряжения на переходах база-эмиттер транзисторов вариации входных напряжений. Выходной транзистор Q10 токового зеркала Q10, Q11 поддерживает общий ток, протекающий через транзисторы Q8, Q9, постоянным и независимым от изменений напряжения.
Операционный усилитель
Для этого понадобится немного: собственно операционный усилитель, блок питания с напряжением 9…25В, несколько резисторов, пара светодиодов и вольтметр цифровой мультиметр. Из светодиодов и резисторов собирается простейший логический пробник, как показано на рисунке 1. С помощью такого пробника состояние выхода испытываемого операционного усилителя становится наглядным и понятным. Рисунок 1.
Соответственно, такое включение операционного усилителя называется инвертирующим. На базе это схемы можно собрать фильтр.
Схема операционного усилителя
Идеальный операционный усилитель является дифференциальным усилителем постоянного тока УПТ с двумя входами инвертирующим и неинвертирующим и одним выходом. Кроме них любой ОУ должен иметь питающие выводы. Поэтому минимум пять выводов имеются в почти любом операционном усилителе. В настоящее время ОУ изготавливаются, обычно, в виде монолитных интегральных микросборок и по своим габаритом и стоимости практически не отличаются от отдельно взятого биполярного транзистора. Благодаря практически идеальным свойствам ОУ реализация различных схем на их базе оказывается значительно легче, чем на отдельных транзисторах. Понимание принципа работы ОУ важный шаг в становлении профессионального инженера электронщика Вот эти принципы работы ОУ мы и расскажем вам в рамках данной статьи. В водной части материала рассмотрим работу операционного усилителя буквально почти что на пальцах, практически не используя формул, разве, что кроме закона Ома , который обязан знать и понимать даже начинающий электронщик. Допустим, операционный усилитель рассматриваемый нами имеет характеристики и параметры близкие к идеальным значениям, тогда проанализируем его сигнал на выходе, в зависимости от различных сигналов подаваемых на его входы. Все современные операционные усилители имеет огромный коэффициент усиления, от и больше Но правда кроме самих первых разработок, но их уже сложно найти.
Основные схемы включения ОУ
Операционный усилитель ОУ ; англ. В настоящее время ОУ получили широкое применение, как в виде отдельных чипов, так и в виде функциональных блоков в составе более сложных интегральных схем. Такая популярность обусловлена тем, что ОУ является универсальным блоком с характеристиками, близкими к идеальным, на основе которого можно построить множество различных электронных узлов. Операционный усилитель изначально был спроектирован для выполнения математических операций отсюда его название , путём использования напряжения как аналоговой величины. Однако идеальный ОУ является многофункциональным схемотехническим решением, он имеет множество применений помимо математических операций.
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.
Операционные усилители — проблема выбора
Дорога в десять тысяч ли начинается с первого шага. Дело было вечером, делать было нечего… И так вдруг захотелось спаять что-нибудь. Этакое… Электронное!.. Спаять — так спаять. Компьютер имеется, Интернет подключен. Выбираем схему.
Операционный усилитель принцип работы для чайников
Все устройства с ОУ можно условно разделить на три разновидности. К первой разновидности относятся схемы с глубокими отрицательными обратными связями. Ко второй — устройства, в которых ОУ используются без обратной связи. К третьей — схемы на ОУ с положительной обратной связью. Наибольшее распространение получили устройства первой разновидности. На принципах и особенностях их схемной организации остановимся в первую очередь.
Усложнение схем операционных усилителей (современные операционные усилители . Основные схемы включения операционного усилителя.
Об операционных усилителях (ОУ)
Рассмотрим сначала AD Слово инструментальный говорит о его лучших характеристиках по сравнению с обычным ОУ. Какой резистор, какому коэффициенту усиления соответствует — смотрим в даташите. Питание ОУ AD — двуполярное.
Схемы операционных усилителей
ВИДЕО ПО ТЕМЕ: Урок 308. Транзистор. Усилитель на транзистореОперационные усилители являются одними из основных компонентов в современных аналоговых электронных устройствах. Благодаря простоте расчетов и отличным параметрам, операционные усилители легки в применении. Их также называют дифференциальными усилителями, так как они способны усилить разность входных напряжений. Особенно популярно использование операционных усилителей в звуковой технике, для усиления звучания музыкальных колонок.
Передаточная функция трансимпедансного операционного усилителя ТИОУ представляет собой зависимость выходного напряжения от входного тока и имеет размерность сопротивления. Когда к входу ОУ с обратной связью по напряжению подключен источник тока, например фотодиод в обратную связь в этом случае включает резистор с большим сопротивлением , ОУ также можно считать ТИОУ.
Операционный усилитель — это интегральная схема, предназначенная для усиления слабого сигнала. Операционные усилители часто используются в различных аудио-устройствах. Например, если вы решите спаять усилитель для высокоомных наушников, вам наверняка понадобится операционный усилитель. Звучит, как что-то полезное. Так давайте же разберемся, как работать с этим хозяйством, на примере конкретного чипа NE Рассмотрим такую задачу.
Операционный усилитель ОУ ; англ. В настоящее время ОУ получили широкое применение, как в виде отдельных чипов, так и в виде функциональных блоков в составе более сложных интегральных схем. Такая популярность обусловлена тем, что ОУ является универсальным блоком с характеристиками, близкими к идеальным, на основе которого можно построить множество различных электронных узлов. Операционный усилитель изначально был спроектирован для выполнения математических операций отсюда его название , путём использования напряжения как аналоговой величины.
|
Новостная лента
На сайте представлены примеры программирования, которые будут полезны как для опытного разработчика схем на микроконтроллерах, так и для новичка. Особо рассматривается программирование микроконтроллеров для начинающих пользователей. Программные примеры программирования разбиты на различные разделы. Основную массу составляют примеры программирования микроконтроллеров avr и микроконтроллеров microchip. Пользователю предлагается познакомиться с различными примерами программирования и различными средами программирования: MicroLab, AVRStudio, MikroC, FloweCode. Представлены схемы на микроконтроллерах ведущих производителей: PIC и AVR. Рассматривается огромное количество схем для начинающих разработчиков. Если Вы начинающий радиолюбитель, то для Вас мы приготовили раздел микроконтроллеры для начинающих. Современные микроконтроллеры относятся к классу микропроцессорных устройств. В основе принципа действия таких элементов лежит исполнение последовательного потока команд, называемого программой. Микроконтроллер получает программные команды в виде отдельных машинных кодов. Известно, что для создания и отладки программ, машинные коды подходят плохо, так как трудно воспринимаются человеком. Этот факт привел к появлению различных языков программирования и огромного количества различных компиляторов. В основе языков программирования микроконтроллеров лежат классические языки для компьютеров. Единственным отличием становится ориентированность на работу со встроенными периферийными устройствами. Архитектура микроконтроллеров требует, например, наличия битово-ориентированных команд. Последние выполняют работу с отдельными линиями портов ввода/вывода или флагами регистров. Подобные команды отсутствуют в большинстве крупных архитектур. Например, ядро ARM, активно применяемое в микроконтроллерах, не содержит битовых команд, вследствие чего разработчикам пришлось создавать специальные методы битового доступа.
Примеры программирования микроконтроллеров будут представлены на хорошо всем известном языке Си. А перед тем как постигать азы программирования микроконтроллеров и схемотехнику устройств на микроконтроллерах, авторам предлагается ещё раз вспомнить основы микропроцессорной техники, основы электроники, полупроводниковую электронику, аналоговую и цифровую схемотехнику, а так же азы аналогового и цифрового представления сигнала. Для тех, кому хочется получить новые знания в области современного программирования, можно будет познакомиться с графическим языком программирования LabView. Выбор языка программирования зависит от множества факторов. В первую очередь, типо решаемых задач и необходимым качеством кода. Если Вы ведёте разработку малых по объёму и несложных программ, то можно использовать практически любой язык. Для компактного кода подойдет Ассемблер, а если ставятся серьезные задачи, то альтернативы С/С++ практически нет. Также необходимо учитывать доступность компилятора. В итоге самым универсальным решением можно назвать связку Ассемблера и C/C++. Для простого освоения языков, можно воспользоваться примерами программ для микроконтроллера. Использование примеров программирования упростит и ускорит процесс освоения программирования микроконтроллеров. Схемы на микроконтроллерах позволят начинающим разработчикам освоить тонкости проектирования, моделирования и программирования микроконтроллеров. |
|||
Напряжение на выходе операционного усилителя
Практическое применение операционных усилителей.Часть первая.
Автор:
Опубликовано 01.01.1970
Всем привет.
В этой статье мы обсудим некоторые аспекты практического применения операционных усилителей в повседневной жизни радиолюбителя.
Не растекаясь мыслею по древу и не вдаваясь в дремучие теоретические основы работы вышеозначенного усилителя, давайте все же обозначим некоторые основные термины и понятия, с которыми нам предстоит столкнуться в дальнейшем.
Итак – операционный усилитель. Далее будем называть его ОУ, а то очень лень писать каждый раз полностью.
На принципиальных схемах, чаще всего, он обозначается следующим образом:
На рисунке обозначены три самых главных вывода ОУ – два входа и выход. Разумеется, есть еще выводы питания и иногда выводы частотной коррекции, хотя последнее встречается все реже – у большинства современных ОУ она встроенная. Два входа ОУ – Инвертирующий и Неинвертирующий названы так по присущим им свойствам. Если подать сигнал на Инвертирующий вход, то на выходе мы получим инвертированный сигнал, то бишь сдвинутый по фазе на 180 градусов – зеркальный; если же подать сигнал на Неинвертирующий вход, то на выходе мы получим фазово не измененный сигнал.
Так же как и основных выводов, основных свойств ОУ тоже три – можно назвать их ТриО (или ООО – кому как нравится): Очень высокое сопротивление входа, Очень высокий коэффициент усиления (10000 и более), Очень низкое сопротивление выхода. Еще один очень важный параметр ОУ называется скорость нарастания напряжения на выходе (slew rate на буржуинском). Обозначает он фактически быстродействие данного ОУ – как быстро он сможет изменить напряжение на выходе при изменение оного на входе.
Измеряется этот параметр в вольтах в секунду (В/сек).
Этот параметр важен прежде всего для товарищей, конструирующих УЗЧ, поскольку, если ОУ недостаточно быстрый, то он не будет успевать за входным напряжением на высоких частотах и возникнут изрядные нелинейные искажения. У большинства современных ОУ общего назначения скорость нарастания сигнала от 10В/мксек и выше. У быстродействующих ОУ этот параметр может достигать значения 1000В/мксек.
Оценить – подходит ли тот или иной ОУ для ваших целей по скорости нарастания сигнала можно по формуле:
где, fmax – частота синусоидального сигнала, Vmax – скорость нарастания сигнала, Uвых – максимальное выходное напряжение.
Ну да не будем больше тянуть кота за хвост – приступим к главной задаче этого опуса – куда, собственно, эти клевые штуки можно воткнуть и что из этого можно получить.
Первая схема включения ОУ – инвертирующий усилитель.
Наиболее популярная и часто встречающаяся схема усилителя на ОУ. Входной сигнал подается на инвертирующий вход, а неинвертирующий вход подключается к общему проводу.
Коэффициент усиления определяется соотношением резисторов R1 и R2 и считается по формуле:
Почему «минус»? Потому что, как мы помним, в инвертирующем усилителе фаза выходного сигнала «зеркальна» фазе входного.
Входное сопротивление определяется резистором R1. Ежели его сопротивление, например 100кОм, то и входное сопротивление усилителя будет 100кОм.
Следующая схема – инвертирующий усилитель с повышенным входным сопротивлением.
Предыдущая схема всем хороша, за исключением одного нюанса – соотношение входного сопротивления и коэффициента усиления может не подойти для реализации какого-либо специфического проекта. Ведь что получается – допустим, нам нужен усилитель с К=100. Тогда, исходя из того, что значения резисторов должны быть в разумных пределах берем R2=1Мом, а R1=10кОм. То есть, входное сопротивление усилителя будет равным 10 кОм, что в некоторых случаях недостаточно.
В этих самых случая можно применить следующую схему:
В данном случае, коэффициент усиления считается по следующей формуле:
То есть, при том же коэффициенте усиление сопротивление R1 можно увеличить, а значит и повысить входное сопротивление усилителя.
Едем дальше – неинвертирующий усилитель.
Выглядит он следующим образом:
Коэффициент усиления определяется так:
В данном случае, как видите, никаких минусов нет – фаза сигнала на входе и на выходе совпадает.
Основное отличие от инвертирующего усилителя заключается в повышенном входном сопротивлении, которое может достигать 10Мом и выше.
Если при реализации данной схемы в практических конструкциях, необходимо предусмотреть развязку с предыдущими каскадами по постоянному току – установить разделительный конденсатор, то нужно между входом ОУ и общим проводом включить резистор сопротивлением около 100кОм, как показано на рисунке.
Если этого не сделать, то ОУ перевозбудится и ничего дельного вы от него не получите. Ну кроме половины питания на выходе.
Усилитель с изменяемым коэффициентом усиления.
Примем R1=R2=R3=R. И введем некую переменную А, которая может принимать значения от 1 до 0 в зависимости от поворота движка переменного резистора R3.
Тогда коэффициент усиления можно определить так:
K=2A-1
Входное сопротивление практически не зависит от положения движка переменного резистора.
Так, с усилителями разобрались – дальше у нас по плану – фильтры.
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!
У реальных операционных усилителей по сравнению с «идеальной» моделью есть некоторые недостатки. Реальное устройство отличается от идеального дифференциального усилителя. У него может быть смещение как у аналогового измерительного устройства, которое не обнуляется. Входы могут потреблять ток. Характеристики могут дрейфовать с возрастом и температурой. Эти недостатки могут привести к незначительным ошибкам в одних приложениях и недопустимым ошибкам в других приложениях. В некоторых случаях эти ошибки могут быть компенсированы. Иногда требуется более высокое качество и более дорогостоящее устройство.
Напряжение смещения
Другой практической проблемой для производительности операционного усилителя является смещение напряжения. То есть влияние наличия выходного напряжения на величину, отличную от нуля, когда два входных вывода закорочены вместе. Помните, что операционные усилители – это, прежде всего, дифференциальные усилители: они должны усиливать разность напряжений между двумя входными выводами и не более того. Когда разность входных напряжений точно равна нулю, мы (в идеале) ожидаем, что на выходе будет точно нулевое напряжение. Однако в реальном мире это случается редко. Даже если рассматриваемый операционный усилитель имеет нулевой коэффициент усиления синфазного сигнала (бесконечный CMRR), выходное напряжение может быть не равным нулю, когда оба входа закорочены вместе. Это отклонение называется смещением выходного уровня операционного усилителя.
Смещение выходного напряжения операционного усилителя
Идеальный операционный усилитель выдает ровно ноль вольт, когда оба входа закорочены вместе и соединены с землей. Тем не менее, большинство стандартных операционных усилителей будут сдвигать свое выходное напряжение в сторону уровня насыщения, либо отрицательного, либо положительного. В приведенном выше примере выходное напряжение насыщается при значении положительных 14,7 вольт, чуть меньше, чем +V (+15 вольт) из-за предела положительного насыщения этого конкретного операционного усилителя. Поскольку смещение приводит выходное напряжение к точке полного насыщения, нельзя сказать, какое смещение напряжения присутствует на выходе. Если раздельный источник питания +V/-V был достаточно высокого напряжения, кто знает, может быть, выходное напряжение составляло бы несколько сотен вольт из-за влияния смещения!
По этой причине напряжение смещения обычно выражается через эквивалентную величину дифференциального входного напряжения, создающего этот эффект. Другими словами, мы предполагаем, что операционный усилитель является идеальным (без смещения вовсе), и небольшое напряжение прикладывается последовательно с одним из входов, чтобы заставить выходное напряжение в ту или иную сторону отойти от нуля. Поскольку дифференциальные коэффициенты усиления операционных усилителей настолько велики, значение «входного напряжения смещения» необязательно должно учитывать то, что мы видим с закороченными входами:
Входное напряжение смещения
Напряжение смещения будет приводить к небольшим ошибкам в любой схеме на операционных усилителях. Итак, как мы компенсируем его? В отличие от синфазного коэффициента усиления, производители обычно предусматривают средства устранения смещения в корпусных операционных усилителях. Обычно два дополнительных вывода на корпусе операционного усилителя зарезервированы для подключения внешнего «подстроечного» потенциометра. Эти выводы обозначаются как смещение нуля и используются следующим обобщенным образом:
Схема смещения нуля операционного усилителя
На одиночных операционных усилителях, таких как 741 и 3130, выводы смещения нуля – это выводы 1 и 5 на 8-выводном DIP корпусе. Другие модели операционных усилителей могут использовать другие выводы для смещения нуля и/или потребовать немного отличающиеся схемы подключения подстроечного потенциометра. Некоторые операционные усилители вообще не предоставляют выводов смещения нуля! Подробности смотрите в технических описаниях от производителей.
Ток смещения
Входы операционного усилителя имеют чрезвычайно высокие импедансы. То есть входные токи, поступающие или выходящие из двух входных сигнальных выводов операционного усилителя, чрезвычайно малы. Для большинства целей анализа схем на операционном усилителе мы относимся к ним так, как будто их вообще нет. Мы анализируем схему, как если бы ток, входящий или выходящий из входных выводов, был равен абсолютному нулю.
Однако эта идиллическая картина не совсем верна. Операционные усилители, особенно операционные усилители с биполярными транзисторами на входах, должны пропускать некоторый ток через свои входные выводы, чтобы их внутренние схемы были правильно смещены. Эти токи, логично, называются токами смещения. При определенных условиях токи смещения операционного усилителя могут вызывать проблемы. Следующая схема иллюстрирует одно из этих проблемных условий:
Усиление сигнала с термопары
На первый взгляд мы не видим никаких явных проблем с этой схемой. Термопара, создающая небольшое напряжение, пропорциональное температуре (на самом деле, напряжение пропорционально разнице температур между измерительным переходом и «опорным» переходом, сформированным при соединении проводов сплава термопары с медными проводами, ведущими к операционному усилителю), управляет операционным усилителем либо в положительную, либо в отрицательную сторону. Другими словами, это своего рода схема компаратора, сравнивающая температуру между переходом на конце термопары и опорным переходом (около операционного усилителя). Проблема заключается в следующем: проводная петля, образованная термопарой, не обеспечивает путь для обоих входных токов смещения, поскольку оба тока пытаются идти одним и тем же путем (либо в операционный усилитель, либо из него).
Эта схема компаратора не будет работать
Чтобы эта схема работала должным образом, мы должны соединить с землей один из входных проводов, таким образом обеспечивая путь к (или из) точке земли для обоих токов:
Эта схема компаратора будет работать
Эта проблема необязательно очевидна, но очень реальна!
Входные токи смещения могут вызвать проблемы другим способом: нежелательные падения напряжения на сопротивлениях схемы. Возьмем для примера следующую схему:
Влияние входного тока смещения на работу повторителя напряжения
Мы ожидаем, что схема повторителя напряжения, такая как приведенная выше, точно воспроизводит на выходе входное напряжение. Но что насчет сопротивления последовательно с источником входного напряжения? Если есть какой-либо ток смещения через неинвертирующий (+) вход, он вызовет некоторое падение напряжения на Rвх, таким образом, напряжение на неинвертирующем входе будет не соответствовать фактическому значению Vвх. Токи смещения обычно находятся в диапазоне микроамперов, поэтому падение напряжения на Rвх будет не очень большим. Одним из примеров приложения, где входное сопротивление (Rвх) может быть очень большим, является то, которое имеет электроды pH-пробника, где один электрод содержит ионно-проницаемый стеклянный барьер (очень плохой проводник с сопротивлением в миллионы ом).
Если бы мы на самом деле строили схему на операционном усилителе для измерения напряжения на pH электроде, мы бы, вероятно, захотели использовать операционный усилитель с входами на полевых (FET или MOSFET, IGFET) транзисторах, вместо операционного усилителя с входами на биполярных транзисторах (для уменьшения входного тока смещения). Но даже тогда, могут оставаться небольшие токи смещения, которые могут вызывать ошибки измерений, поэтому мы должны найти какой-то способ уменьшить их с помощью хорошего проектирования.
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 током входного смещения. Если они одинаковы, тогда мы должны иметь возможность убрать влияние падения напряжения на входном сопротивлении, вставив сопротивление равной величины последовательно с другим входом, например:
Устранение влияния падения напряжения на входном сопротивлении
При добавлении в схему дополнительного сопротивления выходное напряжение будет ближе к Vвх, чем раньше, даже если есть некоторое смещение между этими двумя входными токами.
И для схемы инвертирующего усилителя, и для схемы неинвертирующего усилителя компенсирующий резистор помещается последовательно с неинвертирующим (+) входом, чтобы компенсировать падения напряжения в цепи делителя из-за тока смещения.
Установка компенсирующего резистора в схему неинвертирующего усилителя Установка компенсирующего резистора в схему инвертирующего усилителя
В любом случае значение компенсирующего резистора определяется путем вычисления параллельного сопротивления R1 и R2. Почему значение равно параллельному эквиваленту R1 и R2? При использовании теоремы суперпозиции для определения того, насколько большое падение напряжения будет создаваться током смещения инвертирующего (-) входа, мы рассматриваем ток смещения, как если бы он исходил от источника тока внутри ОУ и закорачивал все источники напряжения (Vвх и Vвых). Это дает два параллельных пути для тока смещения (через R1 и через R2, оба на землю). Мы хотим дублировать эффект тока смещения на неинвертирующем (+) входе, поэтому значение резистора, которое мы выбираем для вставки последовательно с этим входом, должно быть равно R1 параллельно с R2.
Связанная с этим проблема, которую иногда испытывают учащиеся при изучении построения схем на операционных усилителях, вызвана отсутствием соединения источника питания с общей землей. Для правильной работы ОУ необходимо, чтобы какой-либо вывод источника питания постоянного напряжения был общим с точкой «земли» входного сигнала(ов). Это обеспечивает полный путь для токов смещения, тока(ов) обратной связи, а также для (выходного) тока нагрузки. Возьмем для примера следующую схему, показывающую источник питания, правильно соединенный с землей:
Отрицательная обратная связь с делителем напряжения на примере модели операционного усилителя
Здесь стрелки обозначают путь протекания токов через батареи источника питания, как для питания внутренних схем операционного усилителя («потенциометр» внутри него, который управляет выходным напряжением), так и для питания петли обратной связи из резисторов R1 и R2. Предположим, что точка земли этого «раздельного» источника питания постоянного напряжения была удалена. Эффект от этого будет огромен:
Отрицательная обратная связь с делителем напряжения на примере модели операционного усилителя. Средняя точка земли у источника питания удалена.
Соединение источника питания с землей обязательно для работы схемы!
Никакие электроны не могут протекать в или из выходного вывода операционного усилителя, потому что путь к источнику питания заканчивается «тупиком». Таким образом, никакие электроны не протекают ни через точку земли слева от R1, ни через петлю обратной связи. Это фактически делает операционный усилитель бесполезным: он не может ни поддерживать ток через петлю обратной связи, ни через соединенную с землей нагрузку, поскольку нет никакого соединения какой-либо точки источника питания с землей.
Токи смещения также останавливаются, поскольку они полагаются на путь к источнику питания и обратно к входному источнику через землю. На следующем рисунке показаны токи смещения (только), когда они проходят через входные выводы операционного усилителя, через выводы баз входных транзисторов и, в конечном счете, через вывод(ы) источника питания и обратно на землю.
Пути протекания входных токов смещения в схеме на операционном усилителе.
Пути протекания токов смещения показаны через источник питания
Без опорной точки земли на источнике питания токи смещения не будут иметь полного пути в схеме, и они будут остановлены. Поскольку биполярные транзисторы являются устройствами, управляемыми током, это также делает бесполезным входной каскад операционного усилителя, так как оба входных транзистора будут вынуждены уйти в режим отсечки из-за полного отсутствия тока базы.
Резюме
- Входы операционного усилителя обычно проводят очень малые токи, называемые токами смещения, и необходимые для правильного смещения первого транзисторного усилительного каскада в схеме операционного усилителя. Токи смещения не большие по величине (в диапазоне микроампер), но достаточно большие, чтобы вызывать проблемы в некоторых приложениях.
- Токи смещения на обоих входах должны иметь пути для протекания к одной из «шин» источника питания или к земле. Недостаточно просто обеспечить проводящий путь от одного входа к другому.
- Чтобы устранить любые напряжения смещения, вызванные током смещения, протекающим через сопротивления, просто добавьте эквивалентное сопротивление последовательно с другим входом операционного усилителя (так называемое компенсирующее сопротивление). 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 током входного смещения.
- Для правильной работы операционного усилителя важно, чтобы на каком-либо выводе источника питания была опорная точка земли, чтобы сформировать полные пути для токов смещения, тока обратной связи и тока нагрузки.
Дрейф
Будучи полупроводниковыми устройствами, операционные усилители подвергаются незначительным изменениям в поведении при изменениях рабочей температуры. Любые изменения в производительности ОУ, связанные с температурой, относятся к категории дрейфа операционного усилителя. Параметры дрейфа могут быть указаны для токов смещения, напряжения смещения и т.п.. Для более подробной информации смотрите техническое описание на конкретный операционный усилитель от производителя.
Чтобы свести дрейф операционного усилителя к минимуму, мы можем выбрать операционный усилитель, имеющий минимальный дрейф, и/или мы можем сделать всё возможное, чтобы поддерживать рабочую температуру как можно более стабильной. Последнее действие может включать в себя обеспечение некоторой формы управления температурой для внутренней части оборудования, в которой размещается операционный усилитель(и). Это не так странно, как может показаться на первый взгляд. Известно, что, например, в стандартных лабораторных опорных генераторах точного напряжения иногда используются «печи» (термостаты) для поддержания чувствительных компонентов (таких как стабилитроны) при постоянной температуре. Если требуется высокая точность при обычных факторах стоимости и гибкости, это может быть вариант, на который стоит обратить внимание.
Резюме
Операционные усилители, будучи полупроводниковыми устройствами, подвержены изменениям температуры. Любые изменения в производительности усилителя, возникающие в результате изменения температуры, известны как дрейф. Дрейф лучше всего минимизировать с помощью управления температурой окружающей среды.
Руководство по использованию операционных усилителей | hardware
В этой статье опубликовано руководство по использованию операционных усилителей (ОУ), перевод апноута [1] от Texas Instruments. Приведенные здесь схемы показывают универсальность ОУ для различных полезных приложений. В каждой секции дана дополнительная информация о часто встречающихся ошибках в применении ОУ.
Общая польза от ОУ вытекает из того, что его поведение как усилителя обеспечивается характеристиками отрицательной (или положительной, что бывает реже) обратной связи с выхода на вход. При этом свойства такого усилителя могут быть известны заранее и описаны математически. Чтобы опеспечить максимальное соответствие заданной характеристике, ОУ должен обладать бесконечным входным сопротивлением, нулевым выходным сопротивлением, бесконечным коэффициентом усиления при разомкнутой петле обратной связи. К сожалению, цена таких ОУ также будет стремиться к бесконечности. Однако интенсивные разработки в области схемотехники интегральных ОУ привели к тому, их характеристики достаточно хорошо приблизились к идеальным при приемлемой конечной стоимости. Цены на лучшие современные ОУ стали сравнимы с ценами на транзисторы пятилетней давности.
Приложения для ОУ в этой статье приведены в порядке возрастания сложностей, в 5 категориях: простой усилитель, операционный усилитель, преобразующий усилитель, активные фильтры и генераторы, источники питания. Интегральные ОУ, показанные на схемах, чаще всего имеют встроенную частотную компенсацию, так что компоненты стабилизации устойчивой работы не показаны. Однако определенные виды ОУ могут использоваться в некоторых схемах для достижения большей рабочей скорости, что будет показано в тексте. Определения параметров усилителя приведены в Приложении.
[Инвертирующий усилитель]
Рис. 1. Инвертирующий усилитель на ОУ.
R2
VOUT = — · VIN
R1
R3 = R1 || R2
Коэффициент усиления схемы, показанной на рис. 1, зависит от соотношения R2/R1 в цепочке обратной связи ОУ. Входное сопротивление схему равно R1. Полоса пропускания равна частоте единичного усиления, поделенной на единицу плюс коэффициент усиления при замкнутом контуре обратной связи.
fср,ОС = fср,безОС · (1 + АНЧ · β)
Здесь:
fср,ОС частота среза с обратной связью
fср,безОС частота среза без обратной связи
АНЧ коэффициент усиления на низкой частоте без обратной связи
β коэффициент обратной связи
Единственное замечание, которое надо учитывать — сопротивление R3 должно быть выбрано равным сопротивлению параллельно соединенных R1 и R2. Это необходимо для минимизации ошибки напряжения смещения из-за входных токов ОУ. Напряжение смещения на выходе будет равно коэффициенту усиления при замкнутой обратной связи, умноженному на разницу напряжений между входами ОУ (разница вызвана разницей входных токов ОУ).
Напряжение смещения на входе ОУ состоит из двух компонентов, эти компоненты идентифицируются параметрами ОУ: входное напряжение смещения и входной ток смещения. Входное напряжение смещение фиксировано для определенного экземпляра ОУ, но составляющая смещения, вызванная входными токами ОУ, зависит от используемой схемы включения. Для обеспечения минимального напряжения смещения усилителя без схемы корректировки смещения, сопротивление источника сигнала по обоим входам ОУ должно быть одинаковым. В этом случае максимальное напряжение смещения будет алгебраической суммой входного напряжения смещения усилителя и падения напряжения на сопротивлении источника сигнала из-за тока смещения. Напряжение смещения усилителя является определяющим фактором ошибки смещения для низких сопротивлений источника сигнала, а ток смещения является определяющим фактором ошибки смещения при высоких сопротивлениях источника сигнала.
При условиях применения, когда сопротивление источника сигнала большое, напряжение смещения на выходе усилителя может быть подстроено значением R3 и использованием изменения падения напряжения на R3 в качестве подстройки напряжения смещения по входу.
Смещение на выходе ОУ не имеет значения в приложениях, где нет прохождения постоянной составляющей (усиливается только составляющая AC). В этом случае нужно только учесть, что смещение на выходе не уменьшит максимально возможный размах уровня от пика до пика на выходе усилителя.
Частотная характеристика усиления и цепочка обратной связи должны обеспечивать устойчивость усилителя (отсутствие самовозбуждения). Чтобы обеспечить это условие, сдвиг фазы через усилитель и цепочку обратной связи никогда не должен превышать 180° для любой частоты, при которой коэффициент усиления ОУ и его цепи обратной связи больше единицы. на практике фазовый сдвиг не должен приближаться к 180°, поскольку это будет ситуация условной стабильности. Очевидно, что самый критический случай возникает, когда ослабление цепочки обратной связи равно нулю.
Усилители, не имеющие внутренней компенсации АЧХ, могут использоваться для достижения повышенных рабочих параметров в схемах, где используется высокое ослабление в цепи обратной связи. Например, LM101 может работать с единичным коэффициентом усиления по схеме инвертирующего усилителя с компенсирующим конденсатором 15 пФ, поскольку у цепочка обратной связи имеет ослабление 6 dB, в то время как в не инвертирующем включении требуется емкость 30 пФ, где цепочка обратной связи имеет нулевое ослабление. Поскольку скорость изменения сигнала на выходе усилителя зависит от компенсации, скорость LM101 в инвертирующем включении будет в 2 раза выше, чем в неинвертирующем включении, и усиление с инверсией на 10 каскадах в даст скорость в 11 раз большую, чем 10 каскадов с неинвертирующим включением на единичном усилении. Обычно находят допустимый компромисс между стабильностью и полосой пропускания — чем больше емкость компенсации, тем выше стабильность, но уже полоса пропускания, и наоборот.
Описанные здесь напряжение смещения, ток смещения и стабильность относятся к большинству случаев применения ОУ, и поэтому к этим факторам мы будем возвращаться в последующих секциях.
[Не инвертирующий усилитель]
Рис. 2. Не инвертирующий усилитель на ОУ.
R1 + R2
VOUT = ——— · VIN
R1
R1 || R2 = RSOURCE для минимальной ошибки смещения из-за входного тока.
Рис. 2 показывает не инвертирующую схему, обладающую высоким входным сопротивлением. Эта схема дает усиление, равное соотношению суммы R1 и R2 к R1, и полосу пропускания 3 dB с обратной связью, равной частоте единичного усиления, поделенной на усиление с обратной связью.
Главное отличие между этой схемой и схемой инвертирующего усилителя в том, что сигнал на выходе не инвертирован, и входное сопротивление очень высокое, и равно дифференциальному входному импедансу, умноженному на усиление цепи обратной связи (соотношению усиления без обратной связи и усиления с обратной связью). В приложениях, где необходимо усиливать постоянную составляющую, входное сопротивление обычно не имеет значение, поскольку входной ток и его напряжение падает на сопротивлении источника сигнала.
Замечания по использованию те же самые, что и для инвертирующего усилителя, с одним исключением. Выход усилителя перейдет в насыщение, если вход оставить не подключенным. Это может быть важно, если усилитель должен переключаться от одного источника сигнала к другому. Компромисс компенсации, который обсуждался для инвертирующего усилителя, также действителен и для этого включения ОУ.
[Буфер с единичным усилением]
Рис. 3. Буферный каскад с коэффициентом передачи 1.
VOUT = VIN
R1 = RSOURCE для минимальной ошибки смещения из-за входного тока
У этой схемы самое большое входное сопротивление по сравнению с любой схемой на ОУ. Входное сопротивление равно дифференциальному входному, умноженному на коэффициент усиления без обратной связи, параллельно с входным сопротивлением не дифференциального режима. Ошибка усиления этой схемы равна обратной величине коэффициента усиления без обратной связи или подавления синфазного сигнала, в зависимости от того, что меньше.
Входной импеданс — вводящая в заблуждение концепция в буфере с единичным усилением при работе на постоянном токе (DC). Ток смещения для усилителя будет подаваться через сопротивление источника сигнала, и будет вызывать ошибку на входе усилителя из-за падения напряжения на сопротивлении источника сигнала. Поскольку тут как раз такой случай, то для буфера с единичным усилением при работе с источником сигнала с высоким сопротивлением должен быть выбран ОУ с низким смещением, такой как Lh2026.
При работе с такими схемами следует иметь в виду 3 момента: для стабильности усилитель должен иметь компенсацию АЧХ при работе с единичным усилением, диапазон изменения сигнала на выходе может быть ограничен диапазоном недифференциального напряжения на входах, и некоторые ОУ склонны к состоянию защелкивания, когда превышен допустимый уровень синфазного напряжения на входах. ОУ LM107 может без всяких подобных проблем работать как буфер с единичным усилением; или если нужна повышенная скорость, может быть выбран LM102.
[Суммирующий усилитель]
Рис. 4. Суммирующий усилитель на ОУ.
VOUT = — R4 · (V1/R1 + V2/R2 + V3/R3)
R5 = R1 || R2 || R3 || R4 для минимальной ошибки смещения из-за входного тока.
На рис. 4 показан частный случай инвертирующего усилителя — суммирующий усилитель. На его выходе получается инвертированная сумма всех входных сигналов. Усиление по каждому входу этой схемы равно отношению соответствующего входного резистора (R1, R2 или R3) и R4. Полоса пропускания усилителя может быть вычислена так же, как и для инвертирующего усилителя по схеме рис. 1, при этом входным резистором нужно считать сопротивление параллельно включенных R1, R2 и R3. Соображения по проектированию те же, что и для инвертирующего усилителя. Если используется не скомпенсированный усилитель, то компенсация вычисляется на основе полосы пропускания, как обсуждалось выше в секции инвертирующего усилителя.
Достоинство этой схемы в том, что при суммировании входные сигналы не влияют друг на друга, и такие операции, как суммирование и взвешенное усреднение, реализуются очень легко.
[Усилитель разности]
Рис. 5. Разностный усилитель на ОУ.
R1 + R2 R4 R2
VOUT = (———) · —- · V2 — — · V1
R3 + R4 R1 R1
Для R1=R3 и R2=R4:
R2
VOUT = — · (V2 — V1)
R1
R1 || R2 = R3 || R4 для минимальной ошибки смещения из-за входного тока.
Разностный усилитель (рис. 5) является дополнением суммирующего усилителя, и позволяет вычитать друг из друга 2 сигнала или, как частный случай, подавлять сигнал, общий для двух входов. Эта схема полезна в качестве вычислительного усилителя при осуществлении дифференциального преобразования в не дифференциальное, или чтобы вырезать не дифференциальный сигнал.
Полоса пропускания вычисляется аналогично инвертирующему усилителю, однако входное сопротивление несколько сложнее. Входной импеданс для двух входов не обязательно одинаковый; сопротивление инвертирующего входа такое же, как для инвертирующего усилителя на рис. 1 (равно R1) и сопротивление не инвертирующего входа равно сумме сопротивлений R3 и R4. Коэффициент усиления для любого входа равен соотношению R1 и R2 для специального случая схемы, когда R1 = R3 и R2 = R4. Компенсация должна быть выбрана согласно необходимой полосе пропускания усилителя.
Для применения этой схемы следует соблюдать осторожность, поскольку входные импедансы не равны для обеспечения минимальной ошибки смещения из-за входного тока.
[Дифференциатор]
Рис. 6. Дифференциатор на ОУ.
d
VOUT = — R1C1 —- (VIN)
dt
R1 = R2 для минимальной ошибки смещения из-за входного тока.
Дифференциатор показан на рис. 6 и, как гласит его имя, он используется для математической операции дифференцирования. Показанная схема не является практической, потому что она является истинным дифференциатором и чрезвычайно восприимчива к высокочастотному шуму, поскольку усиление по переменному току (AC) возрастает со скоростью 6 dB на октаву. Кроме того, цепочка обратной связи дифференциатора R1C1, работает для входа как RC-фильтр низкой частоты, который вносит в контур обратной связи сдвиг фазы 90°, и может вызывать проблемы стабильности даже с усилителем, который скомпенсирован для единичного усиления. Практическая схема дифференциатора показана на рис. 7.
Рис. 7. Практическая реализация дифференциатора на ОУ.
fc = 1 / (2PI·R2·C1)
fh = 1 / (2PI·R1·C1) = 1 / (2PI·R2·C2)
fc < fn < fu
Здесь fc средняя частота полосы пропускания, fh верхняя частота полосы пропускания, fu частота единичного усиления.
Проблемы стабильности и шума на схеме 7 скорректированы добавлением двух компонентов R1 и C2. Они формируют высокочастотный откат 6 dB на октаву в цепи обратной связи, и R1C1 формируют 6 dB на октаву откат в цепи обратной связи. Это дает общее снижение чувствительности по высоким частотам 12 dB на октаву и снижает шум усилителя. Дополнительно R1C1 и R2C2 формируют такую цепь обратной связи, которая, если работа идет на частоте ниже единичного коэффициента усиления, предоставляют опережение фазы 90° для компенсации запаздывания фазы 90° цепочки R2C1, что предотвращает нестабильность обратной связи. График коэффициента усиления в зависимости от частоты показан на рис. 8.
Рис. 8. АЧХ дифференциатора по схеме рис. 7.
[Интегратор]
Рис. 9. Интегратор на ОУ.
1 t2
VOUT = ——∫ VIN dt
R1C1 t1
fc = 1 / (2PI·R1·C1)
R1 = R2 для минимальной ошибки смещения из-за входного тока.
Схема на рис. 9 выполняет математическую операцию интегрирования. Эта схема в сущности является ФНЧ с АЧХ крутизной 6 dB на октаву. График амплитудно-частотной характеристики показан на рис. 10.
Рис. 10. АЧХ интегратора.
Схема интегратора должна быть снабжена внешним способом установки начальных условий, что показано на рис. 9 как переключатель S1. Когда S1 находится в позиции 1, ОУ сконфигурирован как усилитель с единичным коэффициентом усиления, и конденсатор C1 разряжен, что устанавливает начальное условие в ноль вольт. Когда S1 в положении 2, ОУ сконфигурирован как интегратор, и его выход будет меняться в соответствии с постоянной времени интеграла от входного напряжения.
В разработке для этой схемы есть два замечания: усилитель должен быть скомпенсирован для единичного усиления, и R2 должен быть равен R1, чтобы обеспечить условие минимальной ошибки смещения из-за входного тока ОУ.
[ФНЧ]
Рис. 11. Фильтр низкой частоты на ОУ.
fL = 1 / (2PI·R1·C1)
fc = 1 / (2PI·R3·C1)
AL = R3/R1
Здесь fc частота среза, fL частота полосы пропускания, AL усиление в полосе пропускания.
Схема простого ФНЧ показана на рис. 11. У этой схемы спад характеристик составляет 6 dB на октаву после точки снижения на 3 dB, определяемой частотой среза fc. Усиление на частотах ниже fc определяется соотношением резисторов R3 и R1. Схему можно считать AC-интегратором для частот выше fc; однако отклик в домене времени является откликом одиночной RC-цепочки, а не интегралом. График зависимости усиления от частоты, показанный на рис. 12, показывает разницу между ФНЧ и интегратором.
Рис. 12. АЧХ фильтра низкой частоты на ОУ.
R2 должен быть выбран равным комбинации параллельно включенных R1 и R3, чтобы минимизировать ошибку смещения из-за входного тока ОУ. Усилитель должен быть скомпенсирован для единичного усиления, или должен использоваться ОУ с внутренней компенсацией.
[Преобразователь ток-напряжение]
С помощью ОУ можно измерять ток двумя способами. Уровень тока может быть преобразован в уровень напряжения с помощью резистора, и затем усилен, либо ток может быть инжектирован напрямую в узел суммирования ОУ. Преобразование в напряжение может быть нежелательно по двум причинам: во-первых, импеданс, добавляемый в измеряемую цепь протекания тока, вводит ошибку; во-вторых, также усиливается напряжение смещения усилителя, и как следствие теряется точность измерения. Использование преобразователя ток-напряжение на ОУ решает эти проблемы.
Рис. 13. Преобразователь ток-напряжение на ОУ.
VOUT = IIN · R1
Преобразователь ток-напряжение показан на рис. 13. Входной ток передается напрямую в узел суммирования, и выходное напряжение усилителя меняется таким образом, чтобы таким же током через резистор R1 скомпенсировать входной ток. Коэффициент преобразования в этой схеме равен R1 вольт на ампер. Ошибка преобразования в этой схеме равна только току смещения Ibias, который алгебраически складывается с током IIN.
Основная схема рис. 13 полезна для многих применений, не только для измерения тока. Это показано на примере усилителя фотоэлемента в следующей секции.
Единственное конструктивное ограничение — коэффициент преобразования должен быть выбран с учетом минимизации ошибки смещения из-за входного тока ОУ, и поскольку усиление по напряжению и сопротивление источника сигнала часто являются не определенными (как в случае фотоэлементов) усилитель должен быть скомпесирован для единичного усиления.
Рис. 14. Усилитель для фоторезистора.
[Усилители фотодатчиков]
Усилители для фоторезистора, фотодиода и фотоэлемента показаны соответственно на рис. 14, 15 и 16.
Рис. 15. Усилитель сигнала фотодиода.
VOUT = R1 · ID
Все фотоэлементы показывают некоторую зависимость напряжения как для скорости, так и линейности. Очевидно, что ток через фоторезистор (см. рис. 14) не будет демонстрировать точную пропорциональность между падающим светом, если напряжение на его выводах может меняться в зависимости от его сопротивления. Несколько менее очевидным является тот факт, что ток утечки фотодиода (рис. 15) и внутренние потери фотоэлемента (рис. 16) также являются функциями напряжения на их выводах. Преобразователь ток-напряжение красиво устраняет проблемы линейности путем фиксации напряжения на выводах фотодатчика: либо фиксации нуля в случае фотоэлемента, либо фиксации напряжения смещения в случае фоторезистора или фотодиода.
Рис. 16. Усилитель сигнала фотоэлемента.
VOUT = ICELL · R1
Скорость фотодетектора оптимизирована путем его работы на фиксированную нагрузку с низким сопротивлением. Доступные в настоящее время фотодетекторы показывают время отклика порядка микросекунд на нагрузке с нулевым сопротивлением. Фоторезисторы, даже медленные, работают существенно быстрее при низких сопротивлениях нагрузки.
Сопротивление обратной связи R1 зависит от чувствительности фотодатчика, и должен быть выбран либо для обеспечения максимального динамического диапазона, либо для желаемого коэффициента передачи (чувствительности). Наличие R2 зависит от назначения схемы: в случае фотоэлементов или фотодиодов он не нужен, а в случае фоторезистора он должен быть выбран из соображений минимизации ошибки смещения в рабочем диапазоне.
[Прецезионный источник тока]
Точный источник тока показан на рис. 17 (для втекающего тока) и 18 (для вытекающего тока).
Рис. 17. Стабилизатор втекающего тока.
IO = VIN/R1
VIN ≥ 0V
Рис. 18. Стабилизатор вытекающего тока.
IO = VIN/R1
VIN ≤ 0V
Применять эти схемы следует с осторожностью. Соответствие напряжения стабилизатора вытекающего тока расширяется от BVCER внешнего транзистора до приблизительно на 1V более отрицательного напряжения, чем VIN. Соответствие для стабилизатора втекающего тока такое же, но в положительном направлении.
Сопротивление этих генераторов тока бесконечное для малых токов, и это соблюбается до тех пор, пока VIN iмного больше, чем VOS, и IO много больше, чем ток смещения Ibias.
Стабилизаторы тока, показанные на рис. 17 и 18, используют транзисторы FET для управления выходным биполярным транзистором. Вместо этого можно использовать соединение Дарлингтона в случаях, когда выходной ток большой, и ток базы транзистора Дарлингтона не приводит к значимой ошибке.
Используемые ОУ должны быть скомпенсированы для единичного усиления, и может потребоваться дополнительная компенсация в зависимости от реактивного сопротивления нагрузки и параметров внешнего транзистора.
[Управляемые источники опорного напряжения]
Схемы настраиваемых источников напряжения показаны на рисунках 19, 20, 21 и 22. Пары из показанных схем имеют разные области применения. Основное отличие состоит в том, что схемы на рис. 19 и 20 показывают источник напряжения, у которого напряжение больше, чем напряжение опорного диода Зенера (стабилитрона), в то время как рис. 21 и 22 показывают источник напряжения, у которого напряжение меньше, чем напряжение опорного стабилитрона. Рисунки показывают также положительные и отрицательные источники напряжения.
Рис. 19. Источник положительного опорного напряжения.
Рис. 20. Источник отрицательного опорного напряжения.
Приложения схем на рис. 19 и 20, где нужна высокая точность напряжения с малой зависимостью от температуры, требуют ограничения диапазона подстройки VOUT. В этом случае может быть выбран R1 для предоставления оптимального тока через стабилитрон, при котором его температурный коэффициент минимальный. Поскольку IZ не зависит от V+, температурный коэффициент стабилитрона не будет зависеть от V+.
Рис. 21. Источник положительного опорного напряжения.
Рис. 22. Источник отрицательного опорного напряжения.
Схемы на рис. 21 и 22 подойдут для приложений высокой температурной стабильности, если V+ довольно постоянное, поскольку IZ зависит от V+. R1, R2, R3 и R4 выбираются так, чтобы обеспечить IZ для минимального температурного коэффициента стабилитрона, и для минимизации ошибок смещения из-за входного тока ОУ Ibias.
Все показанные схемы должны быть скомпенсированы для единичного усиления или, если ожидаются нагрузки с большой емкостью, компенсация АЧХ должна быть соответственно расширена. Выходной шум может быть уменьшен применением блокировочных конденсаторов на входе усилителя.
Показанные схемы используют однополярный источник питания, что требует выбора напряжения смещения усилителя и допустимого для него синфазного напряжения. Если трудно обеспечить требования к обеспечению нужного диапазона синфазного напряжения для применяемого ОУ, то может использоваться двуполярный источник питания. Lh201 может использоваться с одним напряжением питания с диапазоном синфазного напряжения от источника питания V+ до примерно 2V источника питания V−.
[Стабилизированный сбросом усилитель]
Усилитель, показанный на рис. 23, это форма усилителя, стабилизированного прерывателем. Усилитель работает с петлей обратной связи, обеспечивающей единичное усиление.
Рис. 23. Усилитель, стабилизированный сбросом.
Такая схема полезна для устранения ошибок из-за напряжения смещения и тока смещения. Выход этой схемы представляет собой импульс, амплитуда которого равна VIN. Работу схемы можно понять, рассмотрев два состояния переключателя S1. Когда S1 находится в положении 2, усилитель сконфигурирован для единичного усиления, и напряжение на выходе будет равно сумме входного напряжения смещения и падения напряжения на R2 из-за входного тока смещения. Напряжение на инверсном входе будет равно входному напряжению смещения. Конденсатор C1 будет заряжаться через R1 до суммы входного напряжения смещения и VIN. Когда C1 зарядился, ток не будет течь через сопротивление источника сигнала и R1, так что нет ошибки из-за входного сопротивления. Затем S1 переключается в положение 1. Напряжение, сохраненное на C1, вставляется между выходом и инверсным входом усилителя, и выходное напряжение усилителя меняется на VIN, чтобы скомпенсировать входное напряжение и напряжение смещения входа. Тогда выход поменяется с (VOS + IbiasR2) на (VIN + IbiasR2), поскольку S1 переключился из положения 2 в положение 1. Ток смещения усилителя подается через R2 с выхода усилителя или с C2, когда S1 находится в положении 2 и положении 1 соответственно. R3 служит для уменьшения смещения на выходе усилителя, если усилитель должен иметь максимальный линейный диапазон, или если желательно использовать усилитель на постоянном токе (DC).
Дополнительное достоинстов этой схемы в том, что входное сопротивление достигает бесконечности, когда C1 достигает полного заряда, что устранаяет ошибки из-за сопротивления источника сигнала. Время, которое схема должна удерживаться в положении 2, должно быть достаточно большим по отношению к времени заряда C1, чтобы достичь максимальной точности.
ОУ должен быть скомпенсирован для единичного усиления, и может потребоваться дополнительная компенсация из-за сдвига фазы на R2 из-за C1 и входной емкости усилителя. Поскольку эта схема обычно используется на очень низких скоростях переключения, скорость нарастания выходного сигнал не является критичной и перекомпенсация АЧХ не снижает точность.
[Аналоговый умножитель]
На рис. 24 показан простой вариант реализации аналогового умножителя. Эта схема решает многие проблемы, связанные со схемой log-antilog усилителей, и предоставляет трехквадрантное аналоговое умножение, относительно не чувствительное к изменениям температуры, и на которое не влияют ошибки тока смещения, чем обычно подвержено большинство умножителей.
Рис. 24. Аналоговый умножитель.
V-
R5 = R1 · (—-)
10
V1 > 0
VOUT = (V1 · V2) / 10
Работу схемы можно понять, если рассматривать A2 как усилитель с управляемым коэффициентом усиления, который усиливает V2. Усиление A2 зависит от от соотношения сопротивлений PC2 и R5, и рассматривать A1 как управляющий усилитель, который устанавливает сопротивление PC2 как функцию V1. Как можно увидеть, VOUT зависит от V1 и V2.
Управляющий усилитель A1 подает ток на лампу L1. Когда присутствует входное напряжение V1, яркость L1 автоматически регулируется таким образом, пока не будет равным 0 напряжение в точке соединения R1 и PC1, т. е. пока ток через PC1 от источника питания V- не станет равным току через R1 от входного напряжения V1. Поскольку уровень отрицательного источника питания V- фиксирован, регулировка стремится сделать сопротивление PC1 пропорционально R1, и с коэффициентом соотношения V1 к V−. L1 также светит на PC2, и если фоторезисторы одинаковые, то у PC2 будет сопротивление такое же, как у PC1.
A2, усилитель с управляемым коэффициентом усиления, работает как инвертирующий усилитель, усиление которого равно соотношению сопротивлений PC2 и R5. Если R5 выбран соответственно результату перемножения R1 и V−, то VOUT просто становится результатом перемножения V1 и V2. R5 можно менять в степенях 10, чтобы предоставить требуемый коэффициент передачи для выхода.
PC1 и PC2 должны по параметрам соответствовать друг другу, чтобы обеспечивать минимальную зависимость от температуры. Небольшие несоответствия могут быть скомпенсированы изменением R5, как корректировки коэффициента масштабирования. Фоторезисторы должны получать одинаковое освещение от L1, удобный метод для реализации этого — установка фоторезисторов в отверстия алюминиевой коробки, в которой посередине находится лампа. Такой способ монтажа предоставляет возможность регулирования расстояния от лампы до фоторезисторов, и одновременно создает тепловой мост между двумя фоторезисторами, чтобы снизить различие их температур. Такая техника может быть расширена для использования FET-транзисторов или других устройств, чтобы обеспечить удовлетворению специальных требований к сопротивлению или рабочему окружению.
Показанная схема дает инвертированный результат, равный одной десятой от результата перемножения уровня двух аналоговых входов. На входе V1 должны быть положительные значения напряжения, однако V2 может принимать как положительные, так и отрицательные напряжения. Скорость работы схемы ограничена постоянной времени зажигания лампы.
R2 и R4 выбираются из соображений минимизации ошибки смещения из-за входного тока, как было описано выше в секции усилителя фотодатчика. R3 добавлен для снижения импульса тока при первом включении лампы L1.
[Двуполупериодный выпрямитель и усредняющий фильтр]
Схема, показанная на рис. 25, является сердцем усредняющего, калиброванного вольтметра СКЗ переменного тока (rms calibrated AC voltmeter). Схема работает как выпрямитель и усредняющий фильтр. Удаление C2 отключает функцию усреднения, и предоставляет точный двуполупериодный выпрямитель, и удаление C1 предоставляет генератор абсолютного значения.
Рис. 25. Выпрямитель полного периода и усредняющий фильтр (измеритель СКЗ).
Понять работу схемы можно, отслеживая распространение сигнала для отрицательного и положительного полупериодов сигнала. Для отрицательных сигналов выход A1 фиксируется на +0.7V диодом D1, и отключается от точки суммирования A2 диодом D2. Тогда A2 работает как простой инвертор с единичным усилением с входным резистором R1 и резистором обратной связи R2, предоставляя положительный выходной сигнал.
Для положительного сигнала A1 работает как обычный усилитель, подключенный к точке суммирования A2 через резистор R5. Тогда A1 работает как простой инвертер с единичным усилением с входным резистором R3 и резистором обратной связи R5. На точность усиления A1 диод D2 не влияет, поскольку он не находится в цепи обратной связи. Положительный ток заходит в точку суммирования A2 через резистор R1, и отрицательный ток течет от точки точки суммирования A2 через резистор R5. Поскольку напряжения на R1 и R5 одинаковые и противоположные, и R5 равен половине R1, результирующий входной ток в точке суммирования A2 равен и противоположен току через R1 и усилитель A2 работает как суммирующий инвертор с единичным усилением, снова давая положительный выходной уровень.
Схема становится усредняющим фильтром, когда C2 соединяется параллельно R2. Тогда работа A2 становится аналогичной работе простого ФНЧ, описанного выше. Постоянная времени R2C2 должна быть выбрана значительно больше длительности периода измеряемого сигнала, который должен быть усреднен.
Конденсатор C1 может быть удален, если схема используется как генератор абсолютного значения сигнала (учитывающий постоянную составляющую). Когда это так, на выходе схемы будет положительное абсолютное значение от входного напряжения.
Выбранные ОУ должны быть скомпенсированы для единичного усиления, и R6 и R7 должны быть выбраны по соображениям минимизации ошибки смещения из-за входного тока.
[Генератор синуса]
Стабилизированный по амплитуде генератор синусоидального сигнала показан на рис. 26. Эта схема производит чистый синусоидальный сигнал вплоть до низких частот со схемотехникой минимальной сложности. Важное достоинство этой схемы — исключается традиционный регулятор амплитуды на основе лампы с вольфрамовой нитью накаливания, вместе с её постоянной времени и проблемами линейности. Дополнительно устраняются проблемы надежности, связанные с лампой.
Генератор на мосте Вина широко используется благодаря факту, что фаза прохождения напряжения от последовательной цепочки моста до места соединения последовательной цепочки и параллельной цепочки становится нулевой при определенной частоте. Тогда если мост Вина использовать как элемент положительной обратной связи в усилителе, то генерация возникнет на той частоте, где сдвиг фазы будет нулевым. Реализована также дополнительная отрицательная обратная связь, чтобы стабилизировать частоту колебаний и снизить гармонические искажения.
Рис. 26. Генератор синусообразного сигнала на мосте Вина.
Схема, показанная здесь, отличается от классической только схемой стабилизации отрицательной обратной связи. Отрицательные пики сигнала, которые превышают −8.25V, приводят к открыванию D1 и D2, заряжая C4. Заряд, сохраняемый в C4, дает смещение для Q1, который определяет коэффициент усиления ОУ. C3 это разделительный конденсатор, прозрачный для рабочей низкой частоты цепочки обратной связи, он предотвращает попадание напряжения смещения и ошибку токов смещения, которые были бы умножены на коэффициент усиления ОУ.
Искажения схемы определяются усилением ОУ при разомкнутой петле обратной связи и временем отклика фильтра отрицательной обратной связи R5 и C4. Здесь нужно соблюсти определенный компромисс между уровнем искажения сигнала на выходе и постоянной времени стабилизации амплитуды. R4 выбирается для подстройки петли обратной связи для ситуации, когда FET работает на малых отрицательных уровнях смещения затвора. Показанные номиналы деталей подойдут для оптимальной реализации генератора общего назначения.
[Генератор треугольника]
Генератор сигнала треугольной формы с постоянной амплитудой показан на рис. 27. Эта схема представляет сигнал треугольной формы с регулируемой частотой, амплитуда которого не зависит от частоты.
Рис. 27. Генератор сигнала треугольной формы.
Генератор представляет собой интегратор в качестве генератора склонов сигнала и пороговый детектор с гистерезисом в качестве схемы сброса. Интегратор был описан в предыдущей секции и не требует дополнительных объяснений. Пороговый детектор подобен триггеру Шмитта тем, что представляет собой защелку с большой мертвой зоной. Эта функция реализована использованием положительной обратной связи вокруг операционного усилителя. Когда выход усилителя находится в положительном или отрицательном состоянии насыщения, цепочка положительной обратной связи предоставляет напряжение для не инвертирующего входа, которое определяется ослаблением контура обратной связи и напряжением насыщения усилителя. Чтобы усилитель менял состояния, напряжение на входе усилителя должно менять полярность на величину, превышающую входное напряжение смещения усилителя. Когда это происходит, усилитель насыщается в противоположном направлении, и остается в этом состоянии, пока напряжение не его входах снова не поменяется на обратное. Понять функционирование всей схемы полностью можно путем оценки поведения выхода порогового детектора в положительном состоянии. Положительное напряжение насыщения детектора подается на суммирующую цепь интегратора через комбинацию R3 и R4, вызывая протекание тока I+.
Затем интегратор генерирует отрицательный склон сигнал со скоростью I+/C1 вольт на секунду, пока его выход не станет равным по уровню точке отрицательного порога детектора. Тогда пороговый детектор меняет состояние своего выхода на отрицательное, и выдает отрицательный ток I− на суммирующую цепь интегратора. Теперь генератор формирует положительный склон сигнала со скоростью I−/C1 вольт на секунду, пока его выход не станет по уровню равным точке положительного порога детектора. Детектор снова меняет состояние своего выхода, и цикл повторяется.
Частота сигнала треугольной формы определяется номиналами R3, R4 и C1, напряжениями положительного и отрицательного насыщения усилителя A1. Амплитуда определяется соотношением R5 и комбинации R1 и R2, и уровнями порогов детектора. Скорости нарастания и спада склонов сигнала одинаковые, и положительные и отрицательные пики одинаковые, если к детектора одинаковые пороги для положительного и отрицательного напряжений насыщения. Форма сигнала на выходе может быть смещена относительно земли, если инвертирующий вход порогового детектора A1 смещен по отношению к земле.
Генератора может быть спроектирован не зависящим от температуры и напряжения питания, если детектор построен на основе совпадающих по напряжению диодов Зенера (стабилитронов), как показано на рис. 28.
Рис. 28. Пороговый детектор с регулируемым выходом.
Интегратор должен быть скомпенсирован по единичному усилению, и детектор может быть скомпенсирован, если сопротивление источника питания вызывает его колебания во время переходного процесса. Ток в интегратор должен быть намного больше, чем ток смещения Ibias для обеспечения максимальной симметрии, и напряжение смещения должно быть достаточно мало по отношению к пиковому напряжению на VOUT.
[Схема слежения для регулируемого источника питания]
Двухполярный источник питания с согласованными напряжениями показан на рис. 29. Этот источник питания очень подходит для питания системы на операционных усилителях, поскольку положительное о отрицательное напряжения отслеживаются согласованно, устраняя синфазные сигналы в напряжении питания. Дополнительно требуется только один источник опорного напряжения и минимум дополнительных пассивных компонентов.
Рис. 29. Трекинг источника питания.
Примечание: выходное напряжение может меняться от ±5V до ±35V. Отрицательный выход отслеживает уровень на положительном выходе с коэффициентом соотношения R6 к R7.
Работу этого источника питания можно разобрать для начала по положительному регулятору напряжения. Положительный регулятор сравнивает напряжение на потенциометре R4 и источником опорного напряжения на D2. Разность между этими двумя напряжениями является входным напряжением для усилителя, и поскольку R3, R4 и R5 формируют петлю отрицательной обратной связи, выходное напряжение усилителя меняется таким образом, чтобы минимизировать эту разность. Ток для опорного напряжения подается с выхода усилителя, чтобы увеличить регулирующую способность по питанию. Это позволяет регулятору работать от источника питания с большими пульсациями (провалами) напряжения. Регулирование опорного тока по такому методу требует отдельного источника тока для запуска источника питания. Резистор R1 и диод D1 предоставляют такой ток запуска. D1 отсоединяет цепочку опорного напряжения от выхода усилителя во время первоначального запуска, и R1 предоставляет стартовый ток от нерегулируемого источника питания. После запуска низкое сопротивление усилителя снижает изменения тока опорного источника через резистор R1.
Регулятор отрицательного напряжения это просто инвертор с единичным коэффициентом усиления с входным резистором R6 и резистором обратной связи R7.
Усилители должны быть скомпенсированы для работы в режиме единичного усиления.
Описанный источник питания может быть промодулирован инжектированием тока в движок R4. В этом случае изменения выходного напряжения будут одинаковые и противоположные на положительном и отрицательном выходах. Источник питания может управляться заменой D1, D2, R1 и R2 изменяемыми опорными напряжениями.
[Программируемый лабораторный источник питания]
Полная схема источника питания показана на рис. 32, у которого программируются положительное и отрицательное плечи напряжения. Секция регулятора источника питания состоит из двух повторителей напряжения, на вход которых подается падение напряжения источника прецизионного тока на опорном резисторе.
Рис. 30. Маломощный источник питания для проверки микросхем (a).
Рис. 31. Маломощный источник питания для проверки микросхем (b).
Рис. 32. Маломощный источник питания для проверки микросхем (c).
Программируемая чувствительность положительного и отрицательного источников составляет 1V/1000Ω для резисторов R6 и R12 соответственно. Выходное напряжение положительного регулятора может меняться примерно в диапазоне от +2V до +38V относительно земли, и выходное напряжение отрицательного регулятора может меняться в диапазоне от −38V до 0V относительно земли. Поскольку используются ОУ LM107, то источники питания в наследство от них получают защиту от короткого замыкания на выходе. Эта функция ограничения тока также обеспечивает защиту тестируемой схемы.
Для этого приложения могут использоваться ОУ с внутренней компенсацией, если ожидается низкая емкостная нагрузка. Если же ожидается высокая емкостная нагрузка, то должен использоваться ОУ с внешней компенсацией АЧХ и выполнена его соответствующая дополнительная компенсация для обеспечения стабильности. Шум по питанию может быть уменьшен блокировочными конденсаторами на землю номиналом в диапазоне от 0.1 до 1.0 μF.
[Приложение: используемая терминология]
Входное напряжение смещения (Input Offset Voltage): это напряжение, которое должно быть приложено между входными выводами через два одинаковых сопротивления, чтобы на выходе ОУ получилось нулевое напряжение.
Входной ток смещения (Input Offset Current): разность токов двух входных выводов, при которых на выходе ОУ нулевое напряжение.
Входной ток смещения (Input Bias Current): среднее значение двух входных токов.
Диапазон входного напряжения (Input Voltage Range): диапазон напряжений на входных выводах, для которых ОУ продолжает работать со своими заявленными параметрами.
Коэффициент подавления синфазного сигнала (Common Mode Rejection Ratio): отношение входного напряжения к пиковому изменению входного напряжения смещения в этом диапазоне.
Входное сопротивление (Input Resistance): соотношение изменения входного напряжения к изменению входного тока на любом из входов, когда другой вход заземлен.
Ток потребления (Supply Current): ток, необходимый для предоставления от источника питания, чтобы ОУ работал без нагрузки и с нулевым выходным напряжением.
Изменение выходного напряжения (Output Voltage Swing): пиковое выходное напряжение относительно нуля, которое может быть получено без входа в насыщение.
Усиление на большом сигнале (Large-Signal Voltage Gain): отношение изменения выходного напряжения к изменению входного напряжения, которое необходимо для приведения выходного напряжения от нуля к этому напряжению.
Подавление помех по питанию (Power Supply Rejection): соотношение изменения входного напряжения смещения к изменению напряжения источника питания.
Скорость изменения сигнала (Slew Rate): ограниченная внутренними характеристиками скорость изменения напряжения на выходе ОУ при подаче на его вход ступенчатого перепада напряжения с высокой амплитудой.
1. D.C. Amplifier Stabilized for Zero and Gain; Williams, Tapley, and Clark; AIEE Transactions, Vol. 67, 1948.
2. Active Network Synthesis; K. L. Su, McGraw-Hill Book Co., Inc., New York, New York.
3. Analog Computation; A. S. Jackson, McGraw-Hill Book Co., Inc., New York, New York.
4. A Palimpsest on the Electronic Analog Art; H. M. Paynter, Editor. Published by George A. Philbrick Researches, Inc., Boston, Mass.
5. Drift Compensation Techniques for Integrated D.C. Amplifiers; R. J. Widlar, EDN, June 10, 1968.
6. A Fast Integrated Voltage Follower With Low Input Current; R. J. Widlar, Microelectronics, Vol. 1 No. 7, June 1968.
[Ссылки]
1. AN-20 An Applications Guide for Op Amps site:ti.com.
2. Отрицательная обратная связь, часть 2: снижение чувствительности к коэффициенту усиления и увеличение полосы пропускания site:radioprog.ru.
3. Filter Design Tool site:ti.com.
Общая электротехника и электроника (Электротехника и электроника)
Jump to… Jump to…ОбъявленияВидеоконференцияВопрос — ответOnline чатО науках «Электротехника» и «Электроника»Цель, задачи и результаты освоения дисциплиныСодержание дисциплиныМесто учебной дисциплины в структуре ОПОП ВОМетодика обучения студентов очной/заочной формы обученияАттестация по дисциплинеЧто нужно сделать чтобы получить оценку?Рекомендуемая литература по дисциплине «Общая электротехника и электроника»Лазута И.В. Реброва И.А. Основы электротехники и электроники. Учебное пособие. 2018Лазута И.В. Реброва И.А. Расчет и анализ электрических цепей и устройств. Учебно-методическое пособие. 2019Лазута И.В. Реброва И.А. Электротехника. Лабораторный практикум. 2017Стандарты и правилаЛитература для расширенного изучения дисциплиныПрограмма для чтения PDF и DJVUАнализ и расчёт цепей постоянного токаАнализ и расчёт линейных цепей однофазного синусоидального токаАнализ трёхфазных электрических цепейАнализ и расчёт магнитных цепейТрансформаторыЭлементная база современных электронных устройствИсточники вторичного электропитанияЛампочка в цепи постоянного токаЛампочка в цепи переменного токаКатушка в цепи постоянного токаКатушка в цепи переменного токаКонденсатор в цепи постоянного токаКонденсатор в цепи переменного токаДиод в цепи постоянного токаДиод в цепи переменного токаПараллельный колебательный контур в цепи переменного токаРезонанс токов в параллельном колебательном контуреТрансформаторДвухполупериодная мостовая выпрямительная схемаМостовая выпрямительная схема с фильтром и стабилизаторомЗагрузка ЛР №1. Измерение электрических величинЗагрузка ЛР №2. Разветвлённая цепь постоянного токаЗагрузка ЛР №1. Характеристика диодаЗагрузка ЛР №2. Характеристики транзистораЗагрузка ЛР №3. Неуправляемые выпрямителиЗагрузка ЛР №4. Управляемые выпрямители и регулятор токаВведение в Electronics WorkbenchУказания к лабораторным/практическим работам в Electronics WorkbenchЗагрузка EWB. Характеристика диодаЗагрузка EWB. Характеристики транзистораЗагрузка EWB. Неуправляемые выпрямителиЗагрузка EWB. Регулятор переменного токаЗагрузка EWB. Усилитель низких частотЗагрузка РГР по ЭлектроникеО расчётно-графической работеЗадания на РГРВыполнение расчётно-графической работыОформление расчётно-графической работыТитульный лист и примеры оформления задач РГРЗагрузка 1-й задачи РГРЗагрузка 2-й задачи РГРЗагрузка 3-й задачи РГРО контрольной работеЗадания на КРЗВыполнение контрольной работыОформление контрольной работыТитульный лист и примеры оформления задач КРЗЗагрузка КРЗВопросы к экзамену по дисциплине «Электротехника, электроника и схемотехника»Вопросы к экзамену по дисциплине Электротехника и электроника
Переключающие сопротивления в ОУ
Существует два типа конструкций усилителей с переключаемым коэффициентом усиления: те, которые имеют значительные сигнальные токи, протекающие через переключатель, и те, которые не имеют. Стандартные аналоговые переключатели, такие как семейство DG от Intersil и др., имеют следующие недостатки:
Сопротивление переключателя зависит от абсолютного напряжения сигнала — это модулирует усиление вашей схемы и добавляет искажения.
Сопротивление переключателя можно в лучшем случае компенсировать в 10 раз, используя в качестве эталона другой переключатель на том же кристалле.Сопротивление переключателей обычно совпадает в пределах 10%, а отслеживание температуры должно быть одинаковым на одном кристалле.
Итак, решение состоит в том, чтобы избежать всего этого. Это позволяет вам также использовать потенциально гораздо более дешевые коммутаторы.
имитация этой схемы — схема создана с помощью CircuitLab
Это помогает следующим образом:
Входы операционного усилителя имеют высокий импеданс, поэтому через переключатель не протекает ток.
Переключатель пропускает токи смещения/смещения операционного усилителя. Если вы хотите компенсировать это, оставьте SW3 из того же пакета последовательно с плюсовым входом. Этот переключатель будет постоянно замкнут. Если операционный усилитель имеет очень низкий ток смещения, вы можете удалить SW3. Некоторые операционные усилители имеют декоррелированные токи «смещения», и для наименьшего шума не следует использовать ненужное сопротивление источника на «другом» входе. В даташите это указано.
Все переключатели «видят» постоянное напряжение на положительном входе операционного усилителя, поэтому их сопротивление не модулируется сигналом.
Конечно, ничего бесплатного не бывает. Коэффициент усиления операционного усилителя без обратной связи уменьшается, так как он видит более низкое сопротивление нагрузки на выходе — все делители усиления загружают выход параллельно.
Разумный выбор U1 позволяет поддерживать удовлетворительную производительность при использовании нескольких коммутаторов. Если вам нужно большее усиление, вынесите из него обычные целые числа и разделите усиление между двумя каскадами. В любом случае это необходимо для поддержания пропускной способности системы или для контроля шума за счет отсутствия необходимости иметь чрезмерную полосу пропускания при низком усилении.
C1 в целом хорошая идея, но ее следует выбирать так, чтобы ее эффекты были далеко от полосы пропускания. Вы не хотите, чтобы переменное сопротивление переключателя искажало ваш сигнал.
операционный усилитель — использование операционного усилителя в качестве переключателя звука (двойное питание +-12 В)
Даже олдскульные схемы, такие как CD4051, CD4052, CD4053 и их современные родственники 74HC, имеют интересную особенность: цитата из NXP 74HC4053…
- Широкий диапазон аналоговых входных напряжений от -5 В до +5 В
- Преобразование логического уровня: для включения логики 5 В для связи с аналоговыми сигналами +/-5 В
У них есть выводы для +5В, -5В и GND, последний используется в качестве эталона для логических уровней.Однако 4066 этого не делает. И не все 74HC4053 (я проверял несколько производителей, NXP/Toshiba/ON делают это, но TI, кажется, нет).
Эти чипы очень недорогие.
Когда переключатель выключен, в цепи остается только емкость от входа до выхода. Это означает, что характеристика перекрестных помех будет зависеть от импеданса относительно земли всего, что находится после переключателя. Если переключатель питает входной операционный усилитель FET напрямую (очень высокий входной импеданс), небольшое количество тока, протекающего через емкость в выключенном состоянии, приведет к утечке большого количества сигнала.
Решение состоит в том, чтобы использовать 74HC4053 с переключателями SPDT и соединить один из полюсов переключателя с землей. Таким образом, либо переключатель пропускает сигнал на следующий операционный усилитель, либо соединяет вход операционного усилителя с землей. В последнем случае утечка через емкость выключенного переключателя замыкается на землю включенным переключателем.
Необходимое значение — «изоляция в выключенном состоянии», рис. 17 в этой таблице данных. На 100кГц это -90дБ, но нагрузочный резистор после выключателя 600Ом.Если мы используем переключатель как SPDT и замкнем неиспользуемый вход на GND через сопротивление переключателя 60 Ом, это будет в 10 раз лучше, ir. на 20 дБ лучше. Вполне нормально.
Сопротивление переключателя в положении ON зависит от входного напряжения. Однако это имеет значение только в том случае, если через переключатель протекает ток. Например, в классическом случае 4066, используемого в качестве входного переключателя, за которым следует потенциометр громкости, искажение будет зависеть от отношения изменения сопротивления в открытом состоянии в зависимости от напряжения к сопротивлению потенциометра. Если он питает вход операционного усилителя напрямую, ток будет течь только через паразитные емкости и, таким образом, будет крошечным.Также обратите внимание на форму зависимости сопротивления в открытом состоянии от входного напряжения. Он имеет резкие колебания примерно на 2 В от направляющих (высокие искажения), но центральная часть кривой гладкая (низкие искажения). Если ваш сигнал +/- 2 В с шинами +/- 5 В, вы избежите покачиваний высокого порядка.
Паразитные емкости также зависят от входного напряжения (как и у всех кремниевых конденсаторов). Поскольку переключатели представляют собой полевые транзисторы, мы рассматриваем емкость Cgs+Cgd, которая отводит часть входного тока на затворы, а затем в схему драйвера.Это создает искажение, которое увеличивается с высоким импедансом источника, но здесь это неизвестно.
При сравнении переключателей по искажениям и перекрестным помехам всегда помните, что они зависят от нагрузочного резистора!
В любом случае. Если вы хотите дешево, 74HC4053 кажется трудно превзойти.
Кроме того, следите за вашими операционными усилителями rail-to-rail: если они имеют двойные входные каскады (необходимые для ввода rail-to-rail), искажения будут увеличиваться при высоких уровнях сигнала, когда один из двух входных каскадов отключается.Также такие вещи, как усиление разомкнутого контура и линейность, имеют тенденцию падать, когда выход приближается к рельсам. Так что немного запаса не помешает. Потеря динамического диапазона на 1-2 дБ не так уж и страшна, если искажения ниже.
РЕДАКТИРОВАТЬ
Я откопал старую статью elektor о предусилителе, в котором использовались CMOS-переключатели. Поскольку искажения возникают из-за емкости, зависящей от напряжения, и сопротивления в открытом состоянии, я сказал, что буду следить за тем, чтобы через переключатель не протекал ток, установив операционный усилитель сразу после него, но Elektor использует противоположный метод:
.имитация этой схемы — схема создана с помощью CircuitLab
Когда SW1 замкнут, обратная связь операционного усилителя поддерживает напряжение на SW1 равным нулю, что подавляет эффекты и искажения, зависящие от напряжения.Когда SW1 разомкнут, а SW2 замкнут, вход закорочен для максимальной изоляции. Недостатком является то, что входное сопротивление составляет R2, поэтому в зависимости от вашего приложения вы можете выбрать довольно высокое значение. Однако, если операционный усилитель имеет вход JFET, у него нет шума входного тока, что делает его меньшей проблемой.
Поскольку вы планируете большой тираж, думаю, лучше всего будет потратить время на прототипирование обоих и измерение искажений. Мне будет интересен результат!
6 уникальных схем операционных усилителей
9 декабря 2019 г. | Предоставлено АвнетСхемы электроники эволюционировали от дискретных схем до высокоинтегрированных схем (ИС) на одном кристалле, что позволило использовать передовые аналоговые и цифровые системы, экономя место и стоимость.Операционный усилитель (ОУ) — одна из таких интегральных схем, сыгравшая выдающуюся роль в аналоговых устройствах. Современный операционный усилитель — это не просто операционный усилитель, он объединяет множество функций, упрощающих проектирование аналоговых устройств. Однако они не являются решением всех проблем. И операционные усилители, и дискретные имеют свои преимущества и недостатки.
Дискретные схемы
Усилитель является строительным блоком большинства аналоговых схем, повышающих напряжение, мощность или ток любого сигнала.Транзистор является жизненно важным компонентом дискретных схем. Комбинация нескольких транзисторов, а также активных и пассивных компонентов, таких как резисторы и конденсаторы, используется для создания функций аналоговой логики. Такие аналоговые логические функции используются для извлечения желаемых выходных данных, состоящих из математических функций. Они получены для специально разработанных приложений, таких как аудиоусилители, логические схемы, компараторы, операционные усилители и переключатели с входов. Схемы управляют высокой входной мощностью и обеспечивают высокую выходную мощность; Параметр Circuit достигается за счет изменения компонентов и их значений.Помогает то, что они стабильны при колебаниях температуры.
Для сборки и подключения всех отдельных дискретных компонентов требуется больше времени и больше места. Замена неисправной детали в существующей цепи может быть затруднена. Поскольку для соединения элементов используется процесс пайки, дискретные резисторы страдают меньшей надежностью, меньшей точностью усиления, подавлением синфазного сигнала (CMR), дрейфом смещения и дрейфом усиления. Помимо этих факторов, резисторам также мешают высокий температурный коэффициент и низкая точность.Все это способствует значительным ошибкам схемы. Для преодоления таких проблем, связанных с дискретными схемами, были разработаны операционные усилители, которые позволили преодолеть пространство, надежность и точность
.Операционные усилители (интегральная схема)
Операционный усилитель представляет собой просто интегральную схему со связью по постоянному току, работающую как усилитель напряжения. Дифференциальный выход операционного усилителя дает два входа с противоположной полярностью и один выход с высоким коэффициентом усиления. Типичная функция усилителя, построенная с использованием нескольких транзисторов и пассивных компонентов, теперь заменена одной ИС, описываемой характеристиками выводов и несколькими подключенными внешними компонентами.Операционный усилитель находит широкое применение в зависимости от соединения отдельных контактов. Результирующая схема может быть компаратором, дифференциальным усилителем, пиковым детектором, инвертирующим усилителем, неинвертирующим усилителем и аналого-цифровым преобразователем.
Операционный усилитель с интегральной схемой меньше по размеру. Это стало возможным, поскольку на одном чипе изготовлено несколько сложных схем, что упрощает конструкцию. Производительность повышается. Меньшее количество соединений обеспечивает превосходную надежность. Микросхемы потребляют энергию в ничтожных количествах, а отсутствие емкостного эффекта увеличивает скорость работы.
Операционные усилителине являются решением всех прикладных проблем. Ограничения по рассеиванию тепла и размеру делают невозможным использование любого операционного усилителя на ИС с высококачественным аудиотранзистором для аудиоусилителей класса А. Близость компонентов, встроенных в операционный усилитель, затрудняет передачу звуковых сигналов, где деликатный сигнал будет поглощен шумом электромагнитных помех. Конечно, высококачественный аудиоусилитель имеет меньше ограничений по пространству или стоимости, и, следовательно, выходной каскад класса А, оснащенный линейным источником питания и специальным трансформатором, обеспечивает блестящее качество звука.
При учете класса характеристик операционных усилителей было обнаружено, что в этой нише преобладают усилители мощности класса D. Помимо качества звука, при проектировании учитываются энергоэффективность, бюджет и даже размер. Усилители класса D были изготовлены для маломощных портативных аудиоприложений.
Операционные усилителииграют различные роли в оптимизации работы схемы. Идеальный операционный усилитель, если он вообще существует, должен иметь бесконечный коэффициент усиления, нулевой выходной импеданс и бесконечный входной импеданс.Он должен иметь бесконечную частотную характеристику, не вносить шума и не иметь искажений. Ни один операционный усилитель не может удовлетворить такие строгие требования.
В продаже имеются различные операционные усилители. Специализированные операционные усилители предпочтительнее обычных продуктов, если требуется более высокая производительность. Очень важно выбрать правильный, чтобы удовлетворить разнообразные потребности приложения.
В следующих примерах применения показано, как операционные усилители на ИС преодолевают множество недостатков дискретных схем при правильном использовании:
- Характеристики ошибки по постоянному току операционного усилителя и их влияние на высокоточные приложения
Входные токи смещения и входные токи смещения являются двумя важными характеристиками во многих прецизионных усилителях.Оба влияют на выход через емкостную и резистивную обратную связь. Коэффициент ослабления синфазного сигнала (CMRR) в любых типичных операционных усилителях снижает точность из-за введения входного напряжения смещения. Высокий CMRR является обязательным при мельчайших случаях входного сигнала (например, когда сигнал находится в диапазоне мВ).
Коэффициент ослабления источника питания (PSRR) играет ключевую роль, когда речь идет об инициировании любого дополнительного входного напряжения смещения в качестве реакции на колебания напряжения источника питания. Входной импеданс операционного усилителя образует настоящий делитель напряжения, при этом усилитель управляется импедансом источника и вносит погрешность усиления.Разработчики, чтобы справиться с такими ситуациями, должны выбрать операционный усилитель с высоким CMRR, PSRR и низким отношением скорости к мощности. Другими требованиями являются низкий входной ток смещения и низкое входное напряжение смещения.
Операционный усилитель на ИС MAX 44260 имеет высокоимпедансный входной КМОП-каскад со специальной структурой ESD, обеспечивающей низкие входные токи смещения при низких входных синфазных напряжениях. Он идеально подходит для ресурсоемких приложений, таких как 12–14-разрядные драйверы АЦП последовательного приближения, где обязательными являются входы или выходы «rail-to-rail» и сниженный шум в децибелах.Дальнейшая экономия энергии достигается за счет режима быстрого отключения при включении питания. Это значительно снижает ток покоя, когда устройство не работает. Другой операционный усилитель MAX9620 IC имеет нулевой дрейф и малое энергопотребление, а также низкое входное напряжение смещения. В таких устройствах используется новый метод автоматической установки нуля, обеспечивающий точность при минимальной мощности. Малошумный подкачивающий насос помогает операционному усилителю реализовать на входе характеристики «от рельса к рельсу».
Внутренняя шина позволяет операционному усилителю достигать истинного уровня выходных и входных сигналов от шины к шине, получать линейность и обеспечивать выдающиеся коэффициенты CMRR и PSRR.Еще один операционный усилитель MAX4238 обеспечивает точность и сверхнизкое смещение или дрейф благодаря использованию методов автоматической корреляции нуля. Такое низкое смещение, шумоподавление 1/f и малое время установления операционного усилителя делают такие устройства лучшими для буферов АЦП.
- Реализация двухполупериодного выпрямителя с операционными усилителями с однополярным питанием.
Двухполупериодный выпрямитель в идеале нуждается в двух операционных усилителях с двойным источником питания, так как последний должен колебать биполярное выходное напряжение, которое может быть положительным или отрицательным в зависимости от нормального диапазона входных сигналов.
ИС операционного усилителя MAX44267 имеет однополярный и двойной операционный усилитель с выходным сигналом истинного нуля для реализации двухполупериодного выпрямителя с одной шиной питания. Требуется отрицательное питание, так как двойной операционный усилитель со встроенной ИС в одном из усилителей может собирать отрицательное напряжение, в 0,5 раза превышающее входное напряжение. Внешний диод и конденсаторы уменьшают шум накачки заряда и низкие сигналы утечки. Усилитель работает от одного источника питания от +4,5В до +15В. Эта архитектура устраняет необходимость в любой отрицательной шине питания, тем самым экономя размер и стоимость системы.
- Внедрение линеаризации Уитстона – Мост
Схемы, собранные из недорогих, точных дискретных деталей с переменным сопротивлением, выполняют большую часть предварительных задач проектирования. Разработчики, работающие с высокоточными системами, следуют соглашению об учете присущей элементу RTD нелинейности, а также моста Уитстона. Внешний интерфейс необходимо тщательно откалибровать, одновременно линеаризируя внешний интерфейс, расположенный сбоку от микроконтроллера.В некоторых случаях линейная зависимость 0,6% неприемлема.
Операционный усилитель не только устраняет присущую мосту нелинейность, но также контролирует элемент датчика температуры, нелинейность резистивного датчика температуры и использование схемы сдвоенного операционного усилителя для создания линеаризованного выходного сигнала моста. Схема, однако, нуждается в положительном и отрицательном питании к усилителям, что дает удвоенный диапазон качания. Дополнительным преимуществом является подавление синфазных помех, поскольку второй усилитель комфортно работает при напряжении около 0 В.
Рис. 1: Внутренняя структура IC MAX 44267
В этом сценарии предполагается, что усилитель MAX44267 работает от одного источника питания и, таким образом, может выводить биполярные напряжения.В отличие от других усилителей с однополярным питанием, которым требуется запас по высоте над землей, операционный усилитель предлагает нулевой выходной сигнал, что делает его идеальным для мостовых датчиков. Операционный усилитель IC MAX44267, показанный на рис. 1, интегрирован со схемой подкачки заряда, сдвоенными операционными усилителями и схемой смещения. Дополнительным преимуществом является сокращение места на плате и стоимости.
- Высоковольтный и высокоточный усилитель тока для системы базовой станции.
Эти усилители, в зависимости от современной технологии, могут быть смещены максимум до 50В или 60В.В таких приложениях сдвоенные операционные усилители необходимы для измерения тока. Первый операционный усилитель уменьшает напряжение, а второй операционный усилитель устанавливает коэффициент усиления. Минимизация ошибки усиления требует использования высоковольтного p-канального полевого транзистора при подаче тока через внешний резистор.
Встроенная микросхема MAX4428 с двухканальным токоизмерительным усилителем на стороне высокого напряжения и высоковольтным полевым транзистором с p-каналом включает в себя функции, минимизирующие ошибку усиления, а также входное синфазное напряжение в диапазоне от 2,7 В до 76 В с узкой полосой пропускания сигнала 80 кГц. .Это идеально подходит для взаимодействия с АЦП SAR для многоканальных мультиплексированных систем сбора данных. Мониторинг тока верхней стороны не влияет на путь заземления конкретной измеряемой нагрузки, что делает операционный усилитель полезным в широком диапазоне высоковольтных систем.
- Схема защиты входов АЦП от перенапряжения.
Входы АЦП страдают, когда напряжение на шинах усилителя возбуждения значительно превышает максимальный входной диапазон АЦП. Наиболее распространенным является использование диодов Шоттки для фиксации выходного сигнала усилителя.Такие диоды раскрывают емкость, ток утечки ограничивает полосу пропускания и способствует искажению.
Рис. 2. Внутренняя функциональная схема IC MAX 4428.Эффективным методом сохранения емкости и постоянного тока утечки является поддержание напряжения на уровне 0 В на защитных диодах. Это достигается с помощью проверенной технологии защиты драйвера дифференциального операционного усилителя, что приводит к смещению 0 В на защитных диодах во время нормальной работы усилителя. В случае перенапряжения диоды проводят ток короткого замыкания на землю.Однако такой метод дискретной защиты требует большего пространства, а также контроля и действия по току утечки. Усилитель также должен иметь двойной источник питания.
Проблема перенапряжения может быть устранена путем использования шины однополярного питания усилителя. ИС операционного усилителя MAX 4505 Signal Protector в сочетании с переключателями MOSFET обеспечивает схему обнаружения перенапряжения. Операционный усилитель на ИС состоит из одного устройства защиты сигнальной линии, имеющего вход с защитой от сбоев и возможность управления сигналом Rail-to-Rail.В случае неисправности входная клемма превращается в разомкнутую цепь, и источник пропускает ток в наноамперах. Операционный усилитель экранирует как однополярные, так и биполярные аналоговые сигналы.
- Аналоговые схемы в носимых устройствах, таких как мониторинг здоровья и смарт-часы.
Разработка таких уникальных устройств ставит различные задачи, в том числе ту, которая утверждает, что устройство должно быть крошечным, чтобы его можно было носить на запястье, с эффективным контролем состояния заряда (SOC) и работоспособностью батареи, не влияющей на их SOC.Прибор должен иметь низкое энергопотребление и большой объем памяти, уменьшенный шум источника питания и аналоговый сигнал.
При возникновении какого-либо события эти схемы предупреждают микроконтроллер о том, что маломощные схемы должны постоянно контролировать жизненно важные функции системы. Выходное напряжение ниже требуемого означает, что батарея разряжена и нуждается в зарядке. Операционный усилитель компаратора можно использовать для контроля напряжения батареи.
Различные аккумуляторы имеют неодинаковый химический состав.Такие различия определяют термическую стабильность аккумуляторных элементов, срок службы и конкретную мощность аккумуляторных элементов. Решение требует крошечных компонентов и ИС. MAX6778 можно использовать как самую маленькую. Помогает то, что точные мониторы батареи обеспечивают максимальный срок службы портативного оборудования. Точность 1% позволяет батарее разряжаться больше, чем обычно, отодвигая замену.
Гистерезис устраняет дрожание выходного сигнала, иногда связанное с мониторами напряжения батареи, как правило, в результате шума входного напряжения.Микросхема MAX4257 имеет малошумящие операционные усилители с малым уровнем искажений, обеспечивающие выходной сигнал «rail-to-rail» и работающий от однополярного питания. Искажения операционного усилителя чрезвычайно низки в сочетании с низкой плотностью входного напряжения и шума, а также низкой плотностью входного тока и шума.
библиотека содержимого avnet/статьи/схемы дискретных операционных усилителей 6 уникальных схем операционных усилителейОперационный усилитель с переключателем усиления
Много раз необходимо переключить коэффициент усиления операционного усилителя, преобразовав инвертирующий каскад в неинвертирующий или наоборот.
Это полезно во внешних интерфейсах, аналоговых преобразователях сигналов, модуляторах, прерывателях и почти обязательно в аудиосистемах, где пользователь может запросить инверсию фазы сигнала для каждого канала.
В системах со смешанными сигналами каскады КМОП с тремя состояниями могут использоваться в качестве переключателя усиления. Как мы увидим, при разработке чисто дискретных аналоговых транзисторов JFET являются предпочтительным выбором.
Усиление переключается путем перенаправления сигналов вокруг усилителя, изменяя поведение обратной связи с обратной связью.
Для работы в качестве инвертирующего каскада обычно используется топология виртуальной земли. В этой конфигурации положительный вход усилителя напрямую соединен с землей. Действие обратной связи обеспечит 0 В на отрицательном входе и, как следствие, выходное напряжение всегда будет колебаться в противоположную сторону.
Если разомкнуть положительное заземление входа и подать туда копию входного сигнала, коэффициент усиления изменится на положительный. Теперь, когда положительный вход видит входной сигнал, операционный усилитель изменяет выход в том же направлении, что и вход, чтобы обеспечить равенство отрицательного и положительного входов.
Использование полевого транзистора JFET в качестве двухпозиционного переключателя позволяет осуществлять переход между конфигурациями. Положительный вход воспринимает входной сигнал через резистор, а транзистор используется для заземления положительного входа, когда требуется отрицательное усиление.
Транзистор можно включать и выключать, подавая отрицательное напряжение на его затвор. Когда на затворе 0 В, канал JFET будет иметь более низкое возможное сопротивление, практически заземляя положительный вход, поскольку сигнал поступает от резистора.
Отрицательное напряжение на затворе приведет к отсечке канала, отключению земли, что позволит операционному усилителю работать в режиме положительного усиления.
Поскольку сопротивление канала JFET постоянно модулируется напряжением затвора, коэффициент усиления операционного усилителя также будет плавно изменяться при изменении напряжения. Это позволяет работать в качестве аналогового регулятора усиления в AGC и ALC (автоматический регулятор усиления и автоматический регулятор уровня).
В этом видео на YouTube я показал, как эту схему можно использовать в качестве модулятора или прерывателя, используя модулирующий сигнал на затворе JFET.Важно отметить, что размах выходного перехода будет ограничен скоростью нарастания операционного усилителя.
Dark Active Switch Circuit 741 Opamp — Electronics Projects Circuits
со схемой LDR продолжают работать как диммер. Схема, четыре резистора, операционный усилитель, два потенциометра, LDR, переключающий транзистор и состоит из лампы. Цепь, значение резистора R1 ARD прямо пропорционально… Electronics Projects, Dark active Switch Circuit 741 Opamp «проекты аналоговых схем, проекты простых схем», Дата 21.06.2014
со схемой LDR продолжают работать как диммер.Схема, четыре резистора, операционный усилитель, два потенциометра, LDR, переключающий транзистор и состоит из лампы. Схема, номинал резистора R1 АРД прямо пропорциональна внутреннему сопротивлению 6-12В, работает как делитель напряжения.
Ldr1 в зависимости от внутреннего сопротивления , потенциометр RV1 ldr1 падает на задачу по степени точности для количества используемого света. RV1 подлежит делителю напряжения. Следовательно, сопротивление резистора LDR1 и R1, деленное на значение материала, деленное на значение сопротивления RV1, постоянно сравнивается с U1.Здесь потенциометр RV1 6V и что ldr1 слишком темный Предполагая, что внутреннее сопротивление ldr1 будет выше инвертирующего входа U1 по напряжению, 6V значение близко или немного больше, чем принимает значение от выхода U1 (741 ОУ). быть положительным напряжением.
При срабатывании от L1 Q1 до R3 включается освещение. Излучающий свет L1 при некотором уменьшении внутреннего сопротивления ldr1 будет наблюдаться, что это привлечет выход операционного усилителя к 0V, и транзистор T1 будет разрезан, L1 начнет мигать.Единственное, что следует учитывать, это то, что, если предположить, что сопротивление R4 на выходе ОУ от постоянного напряжения транзистора Q1 будет обеспокоено, пойти на убой будет затруднительно. Сопротивление R4, напряжение шасси транзистора Q1 будет нарисовано на овале. Потенциометр RV2 741 OpAmp изменит коэффициент усиления и будет реагировать на него. Если сопротивление потенциометра RV2 велико, то операционный усилитель, работающий как компаратор, будет работать как усилитель, пока мало.
741 Распиновка операционного усилителя
Схема биполярного операционного усилителя смещения
Схема биполярного операционного усилителя смещения:Цепь биполярного операционного усилителя со смещением — Как и другие электронные устройства, операционные усилители должны иметь правильное смещение, если они хотят работать должным образом.Как уже говорилось, входы операционного усилителя — это выводы базы транзисторов в дифференциальном усилителе. Базовые токи должны протекать через эти клеммы, чтобы транзисторы работали. Следовательно, входные клеммы должны быть напрямую подключены к подходящим источникам напряжения смещения постоянного тока.
Наиболее подходящий уровень напряжения смещения постоянного тока для входов схемы биполярного операционного усилителя со смещением находится примерно посередине между + и – напряжениями питания. Одна из двух входных клемм обычно каким-либо образом подключается к выходу операционного усилителя, чтобы облегчить отрицательную обратную связь.Если используется питание +/-, другой вход может быть смещен непосредственно на землю через источник сигнала [см. рис. 14-4]. Базовый ток I B1 поступает на неинвертирующий вход операционного усилителя через источник сигнала, а I B2 течет с выхода на инвертирующий вход, как показано на рисунке.
На рис. 14-5 показана ситуация, когда один вход подключен через резистор R 1 к земле, а другой через резистор R 2 подключен к выходу операционного усилителя.Снова ток базы для транзисторов входного каскада течет на обе входные клеммы. R 1 и R 2 должны иметь одинаковые значения сопротивлений, чтобы падения напряжения I B1 R 1 и I B2 R 2 были примерно равны. Любая разница в этих двух падениях напряжения проявляется как входное постоянное напряжение операционного усилителя, которое может быть усилено для создания смещения постоянного тока на выходе.
Если в схеме на рис.14-5, то очень маленькое входное сопротивление (R 1 Ом) будет подаваться на источник сигнала с конденсаторной связью [см. рис. 14-5]. С другой стороны, если R 1 и R 2 очень велики, падения напряжения I B1 R 1 и I B2 R 2 могут быть смехотворно большими. Допустимое максимальное падение напряжения на этих резисторах должно быть намного меньше типичного уровня V BE для перехода база-эмиттер с прямым смещением.
На рис. 14-6 показан делитель напряжения (R 1 и R 2 ), обеспечивающий уровень смещения входных клемм от напряжения питания.Ток делителя напряжения I 2 следует выбирать так, чтобы он был намного больше, чем входной ток смещения. Это делается для того, чтобы I B имел незначительное значение, выбранное как
.Тогда R 1 и R 2 просто рассчитываются как V R1 / I 2 и V R2 / I 2 соответственно.
Резистор R 3 на рис. 14-6 должен быть выбран примерно равным R 1 ||R 2 , чтобы свести к минимуму любую разницу между I B1 (R 1 ||R 2 ) и I B1 R 3 , который может вести себя как входное напряжение постоянного тока.
Однополярное напряжение питания может использоваться со схемой биполярного операционного усилителя со смещением. Например, модель 741 может использовать питание +30 В (как показано на рис. 14-8) вместо питания ±15 В. Резисторы R 1 и R 2 обычно выбирают для установки V B = V CC /2.
Результирующее выходное смещение может быть уменьшено или устранено в схеме, показанной на рис. 14-6, путем настройки одного из резисторов. Аналогично, если R 3 на рис.14-8 — переменный резистор, его можно регулировать для уменьшения выходного напряжения смещения ОУ. Этот процесс называется обнулением смещения напряжения .
На рис. 14-9 показан другой метод обнуления смещения напряжения с помощью операционного усилителя 741. Потенциометр на 10 кОм подключается к входному каскаду дифференциального усилителя через клеммы 1 и 5, как показано на рисунке. Когда подвижный контакт подключен к -V EE , потенциометр можно отрегулировать, чтобы обнулить выходное напряжение смещения.
Операционные усилители Biasing BIFET:Входной ток смещения для операционного усилителя BIFET обычно составляет 50 пА, что намного меньше, чем для операционного усилителя Bioplar. Таким образом, уже обсуждавшийся метод выбора резистора смещения будет давать очень высокие номиналы резисторов. Это нежелательно, поскольку электрические заряды могут накапливаться на затворах полевого транзистора и, таким образом, делать уровни смещения нестабильными. Кроме того, паразитная емкость становится более эффективной при использовании резисторов смещения с большим сопротивлением, что может привести к нежелательным колебаниям цепи.Для борьбы с этими эффектами наибольший резистор в цепи смещения операционного усилителя BIFET обычно не должен превышать 1 МОм.
Автоматическая схема ночного освещения на операционном усилителе с использованием IC-741
Представьте, что вам нужно включать и выключать каждый день. Это хорошо? Вы можете сэкономить время и сделать это с комфортом с помощью этой схемы автоматического выключателя ночного освещения.
Почему это особенное? Прежде чем я хотел бы использовать транзистор в качестве базы. А теперь давайте посмотрим на схему переключателя датчика освещенности с использованием LDR и IC 741.
Тоже очень просто. По моим ощущениям, он обладает большей чувствительностью, чем транзисторы, и с очень высокой точностью.
Как это работаетЯ назвал этот проект по-другому, Схема ночного переключения с использованием LDR.
Что такое LDR? Мы используем компонент детектора света, мы часто используем фоторезистор или LDR = светозависимый резистор — это переменное сопротивление в зависимости от света.
Связанный: Простая схема Светоактивируемого реле с печатной платой
Эта схема, которую мы используем, LDR действует как приемник света от солнечного света.Изменение сопротивления любых электронных компонентов по мере необходимости.
Тогда давайте посмотрим на схему как Рисунок 1 . Транзистор-Q1 будет действовать как переключатель. Используя LDR в качестве датчика освещенности.
При попадании света на фоторезистор-LDR. Это более низкое сопротивление LDR. Далее, Транзистор не будет проводить ток. Итак, реле не работает.
Рисунок 1: Базовая схема автоматического ночного освещения с использованием LDR для управления освещением.
Но когда нет света.Сопротивление LDR выше. Это заставляет базовый ток течь в транзистор. Затем он проводит ток. Итак, это вызывает работу RY1 и яркость свечения лампы.
Проблемы с медленно работающими транзисторами
Но есть проблемы, что в темноте сопротивление LDR растет. Ток базы Q1 растет, напряжение на выводах C и E транзистора Q1 также уменьшается.
Постепенно увеличивает напряжение на катушке реле. Затем контакты реле вибрируют, а искры корродируют быстрее и в конце концов выходят из строя.
Когда полностью темный LDR имеет высокое сопротивление, ток базы течет слишком сильно. Затем напряжение на выводах C и E транзистора становится слишком низким.
Это приводит к повышению напряжения на катушке реле. Затем полностью втяните контакт.
Рекомендуем: Схема автоматического ночного освещения с использованием SCR
Резюме ! Схема выше не должна использоваться, потому что реле вибрирует при изменении условий.Мы не должны отчаиваться. Смотрите схему ниже, есть хорошие решения.
Свет операционного усилителя с использованием триггера Шмитта
Эту проблему можно решить с помощью схемы триггера Шмитта. Что, он имеет выход быстро меняется. Схема триггера Шмитта имеет как транзистор, так и операционный усилитель.
Но мы выбираем ОУ, IC-741. Потому что он дешевый и простой в использовании. См. полную принципиальную схему типа . Рисунок 2 .
Вот несколько статей по теме, которые вы можете прочитать:
Рисунок 2: Полная схема автоматического выключателя ночного освещения с использованием триггера Шмитта 741.
Читать дальше: Схема простого детектора уровня напряжения с использованием LM741
Несмотря на то, что многие устройства, но постепенно легко понять.
Что еще?
R1, LDR и R2 соединены вместе как цепь делителя напряжения. Который мы получим напряжение через R2 во входное напряжение IC1.
На контакте 2 неинвертирующий тип.
Этот контакт имеет особенность, если напряжение больше.Но на выходе IC1 будет низкое напряжение. Это наоборот.
Но контакт 3 неинвертирующий.
Его особенность в том, что чем больше напряжение, тем больше выходное напряжение.
И, когда низкое напряжение на входе приведет к низкому напряжению на выходе.
Предположим, что в дневное время на LDR1 падает свет, так как LDR1 имеет низкое сопротивление.
И, напряжение R2 повышается, потому что входной контакт 2 IC1 находится под высоким напряжением. Но его выход (контакт 6) ниже, чем указано выше.
Это также приводит к снижению напряжения на резисторе R4. Который подается обратно на контакт 3. Таким образом, выходное напряжение на контакте 6 также ниже.
Таким образом падение напряжения на R4 еще ниже. Таким образом, это делает входное напряжение на контакте 3 еще более низким. Это событие изменилось очень быстро.
До тех пор, пока выходное напряжение на контакте 6 не станет самым низким около 1 вольта.
Так как мы используем сигнал положительного питания IC1. Оформление имеет несколько напряжений на выходе.
Итак, мы добавляем R5, чтобы ограничить ток Q1 не слишком большим током.А D1-D3 снижает напряжение до смещения Q1. В данном случае снижает напряжение примерно до 1,8В с помощью 3-х диодов.
Таким образом, несмотря на то, что выход IC1 находится в состоянии низкого уровня, этого недостаточно для включения Q1, что приводит к тому, что RY1 не втягивается.
Когда солнце садится.
Свет не светит на LDR1. Он имеет высокое сопротивление, что снижает падение напряжения на резисторе R2.
Входное напряжение на выводе 2 микросхемы IC1 меньше. Напряжение на контакте 6 намного выше, поэтому напряжение на резисторе R4 также возрастает.
На контакте 3 IC1 также есть напряжение.
Затем выход на контакте 6 требует большего напряжения, что приводит к увеличению напряжения на резисторе R4. И напряжение на выводе 3 тоже повышается.
Таким образом, выходное напряжение составляет состояние «1» или 11 вольт. Для смещения Q1 включен. И реле втягивается, то контакт замыкает ток на нагрузку или яркость свечения внешней лампы.
Не только это!
- Конденсатор С1 служит для устранения помех.
- D4 предотвращает обратное напряжение, вызванное катушкой реле, чтобы не повредить Q1 или внешние компоненты.
- Т1, Д5, Д6. и C2 — блок питания постоянного тока, установленный в этом проекте.
Читайте также: Читайте также: Узнать контроллер света и температуры и температуры, используя 741 OP-AMP
0.25W Резисторы, толерантность: 5%
R1, R4 : 100K ¼W 5%
R2: 50K, Потенциометр = 1 шт.
R3: 330K ¼ Вт 5%
R5: 4,7K ¼ Вт 5%
Конденсаторы
C1: 0,01 мкФ 50 В Керамические конденсаторы = 1 шт.
C2: электролитические конденсаторы 470 мкФ 16 В = 1 шт.
Полупроводники
D1-D3: 1N4148 или 1N914, 0,75 А 200 В Диод = 1 шт.
D4-D6: 1N4001, 1A 50V Диод = 1 шт.
IC1: LM741, 8 DIP, ИС операционного усилителя = 1 шт.
Q1: BC337 или BC549, транзистор NPN = 1 шт.
Прочее
LDR1: Фоторезистор
RY1: Релейный контакт 12 В постоянного тока
T1: Трансформатор 220 В, выход 12-CT-12 В, 100 мА = 1 шт.
Читай дальше:
Потому что ты важен для меня.Конечно, моя статья не полная. Итак, вы можете прочитать ниже. Я надеюсь, что вы больше улучшить.
Другое PCB Коробка универсальная Провода Розетка 8 пин.
Как собрать и установитьПоскольку в этом проекте используется несколько деталей, мы можем построить их на перфорированной доске или универсальной доске. В моем случае используется печатная плата и проводка всех компонентов, как .
Они могут заменить блок питания, указанный на принципиальной схеме, включающий D5, D6, C2 и T1.
Подключаем нагрузку или лампу к реле как Рисунок 5
Друзья, которые живут в США.
