Схемы включения оу с однополярным питанием: Особенности применения ОУ при однополярном питании

Особенности применения ОУ при однополярном питании

Тенденции применения электронных компонентов направлены на снижение энергопотребления и стоимости, поэтому в современных изделиях используется однополярное питание, и с каждым годом значения питающих напряжений уменьшаются. В статье рассмотрены основные проблемы, с которыми сталкивается разработчик при использовании операционных усилителей в схемах с однополярным питанием.

Хотя симметричное двуполярное питание является оптимальным для операционных усилителей (ОУ), во многих случаях (жесткие требования к потреблению электроэнергии) необходимо или желательно использовать однополярное электропитание. Например, бортовая сеть в автомобильном и морском оборудовании — однополярная. Да и в оборудовании, где ранее традиционно использовалось двуполярное питание, все чаще применяется встроенный однополярный источник электроэнергии с питающим напряжением 5 или 12 В постоянного тока. Системы с однополярным электропитанием для обработки аналоговых сигналов имеют общие для таких решений дополнительные свойства, вызванные необходимостью использования компонентов для смещения аналогового сигнала на каждой стадии обработки.

Если смещение аналогового сигнала не продумано, а тем более не выполнено, то возникает множество проблем, в том числе — нестабильность работы операционных усилителей.

 

Проблемы, возникающие при смещении с помощью резисторов

Применение ОУ с однополярным питанием связано с проблемами, которые обычно не встречаются при использовании двуполярного питания. Главная из них возникает тогда, когда входной сигнал является двуполярным относительно общего уровня («земли»). В системе с однополярным питанием этот уровень совпадает с уровнем отрицательного источника питания в традиционных решениях. Поэтому в этом случае нулевой уровень входного сигнала не может соответствовать «земле» и должен находиться между «землей» и уровнем питающего напряжения. Основное преимущество систем с двуполярным питанием состоит в том, что их общее соединение («земля») является устойчивым, низкоомным нулевым уровнем для входного сигнала. При этом положительное и отрицательное напряжения питания могут быть несимметричными. При однополярном питании с помощью схем смещения создается уровень нулевого сигнала, обычно лежащий в середине диапазона питающего напряжения.

Чтобы использовать усилитель эффективно, то есть получить с его выхода максимальный сигнал без ограничения, входной сигнал должен быть смещен на середину выходного диапазона, или, что одно и то же, на уровень половины питающего напряжения. Наиболее эффективный способ — использование линейного стабилизатора, как показано на рисунке 6. Однако наиболее популярная схема смещения — резистивный делитель напряжения питания. Хотя этот способ наиболее прост, при его использовании возникает ряд проблем.

Используя рисунок 1, рассмотрим некоторые из них. На этом рисунке изображена классическая схема неинвертирующего усилителя переменного тока. Входной сигнал с помощью емкостной связи подается на вход усилителя. Средний уровень входного сигнала смещен на величину V

S/2 с помощью резисторного делителя R_A—R_B. В полосе пропускания данный усилитель имеет коэффициент усиления К_У = 1 + R2/R1. Паразитное усиление постоянного сигнала сведено к единице с помощью емкостной обратной связи цепочкой R1C1, соединенной с нулевым уровнем («землей»). Поэтому уровень постоянной составляющей равен напряжению смещения. Этим самым мы избегаем возникновения искажений из-за усиления напряжения смещения. Обратная связь обеспечивает коэффициент усиления, равный 1 + R2/R1 для высокочастотных сигналов и равный единице — для постоянной составляющей и низкочастотных сигналов с частотами подавления f = 1/(2πR1C1) и f = 1/[2π(R1 + R2)C1], а также вносит фазовый сдвиг во входную и выходную цепи.

Эта схема имеет серьезные ограни чения применения. Во-первых, невозможно использовать такое важное свойство операционных усилителей, как подавление синфазного сигнала. Поскольку любое изменение питающего напряжения моментально отразится на напряжении смещения, равном VS/2, установленным резисторным делителем, любой шум, присутствующий в шине питания, будет усилен наряду с сигналом (за исключением самых низких частот). Так, при К

У = 100 пульсации напряжением 20 мВ от электросети могут быть усилены до напряжения более 1 В (в зависимости от параметров компонентов схемы).

Еще хуже, что при мощной нагрузке усилитель становится нестабильным в работе. Плохие стабилизация и фильтрация в источнике питания приводят к тому, что на шинах питания появляется значительный уровень сигнала. При работе усилителя, включенного по неинвертирующей схеме, этот сигнал поступает на вход усилителя через схему смещения, как было рассмотрено ранее, и усилитель самовозбуждается.

Оптимизация расположения компонентов на печатной плате, установка большого количества блокирующих конденсаторов, правильная разводка заземляющих шин и соединение их в одной точке, соответствующее проектирование шин питания уменьшают наводки и повышают стабильность схемы, но не исключают рассмотренных проблем. Поэтому далее будет предложено несколько решений, помогающих избежать трудностей в использовании усилителей при включении по схеме с однополярным электропитанием.

 

Развязка схемы смещения

Чтобы снизить влияние нестабильности напряжения питания, можно зашунтировать схему смещения по переменному току и добавить отдельный резистор для входного сигнала, как показано на рисунке 2. Конденсатор C2 обеспечивает фильтрацию пульсаций шины питания, тем самым восстанавливая способность ОУ ослаблять синфазные сигналы и влияние напряжения питания. Резистор R_IN, который заменяет в этой схеме входное сопротивление R_A/2 для сигналов переменного тока, обеспечивает передачу постоянного смещения на неинвертирующий вход усилителя.

Сопротивления резисторов R_A и R_B должно быть минимальными, насколько это позволяют ограничения по энергопотреблению. В данном случае выбрано значение 100 кОм, чтобы уменьшить потребляемый ток в схемах с батарейным питанием. Выбор величины шунтирующего конденсатора также требует внимания. С делителем напряжения R_A/R_B (100 кОм/100 кОм) и С2 = 0,1 мкФ частота среза по уровню –3 дБ фильтра высоких частот (ФВЧ), образованного параллельно соединенными резисторами R_A и R_B и конденсатором С2, равна 1/[2π(R_A/2)C2] = 32 Гц. Хотя это усовершенствование схемы, приведенной на рисунке 1, позволило подавить синфазные помехи с частотами выше 32 Гц, более низкочастотные сигналы сохранили обратную связь по шине питания усилителя. Поэтому при реализации такой схемы необходимо использовать конденсаторы большой емкости.

На практике емкость конденсатора C2 требуется увеличить до таких значений, при которых резисторный делитель схемы смещения эффективно шунтировался бы для всех частот в полосе пропускания усилителя. Хорошим правилом для расчета частоты среза ФВЧ, образованного R

A, R_B и C2, является выбор значения, равного 1/10 от наименьшего из значений частот среза RC-цепочек R_INC_IN и R1C1.

Коэффициент усиления по постоянному току остается равным единице. Даже в этом случае должны учитываться входные токи. RIN с последовательно соединенным делителем напряжения R_A/R_B значительно повышают входное сопротивление на неинвертирующем входе операционного усилителя. Поддержание смещения выходного сигнала на уровне половины напряжения питания при использовании обычных усилителей с обратной связью по напряжению, которые имеют симметричные сбалансированные входы, достигается правильным выбором величины резистора обратной связи R2.

В зависимости от напряжения питания значения резисторов, которые обеспечивают разумный компромисс между увеличением тока потребления или увеличением зависимости параметров усилителя от изменений входного тока, должны быть порядка 100 кОм для питающего напряжения 12…15 В, снижены до 42 кОм для питания 5 В и до 27 кОм — для 3,3 В.

В высокочастотных усилителях (особенно с обратной связью по току) следует использовать низкоомный делитель и резистор обратной связи, для того чтобы сохранить широкую полосу пропускания при наличии паразитной емкости. Для операционных усилителей, таких как AD811, разработанных для обработки видеосигналов, оптимально подходит значение резистора R2, равное около 1 кОм. Поэтому схемы с такими ОУ требуют использования намного меньших значений резисторов R_A и R_B в делителе напряжения (и большую емкость шунтирующего конденсатора C2).

Из-за малого входного тока необходимость согласования резисторов на входах современных усилителей с полевыми транзисторами во входных каскадах не так важна, если усилитель не будет работать в широком температурном диапазоне. Иначе такое согласование необходимо.

Схема на рисунке 3 показывает, как реализуется смещение и шунтирование цепи смещения для инвертирующего усилителя.

Смещение с помощью резисторного делителя дешево и обеспечивает постоянный средний уровень выходного сигнала, равный половине величины напряжения питания, но подавление синфазного сигнала операционным усилителем зависит от постоянной времени RC-цепочки, образованной делителем R_A/R_B и конденсатором C2. Необходимо использовать в качестве С2 конденсатор такой емкости, которая обеспечивает по крайней мере в 10 раз большее значение постоянной времени RC-цепи R_A/R_B – C2, чем у R_INC_IN и R1C1. Это гарантирует достаточное подавление синфазного сигнала. С резисторами R_A и R_B, равными 100 кОм, величина конденсатора C2 может оставаться довольно небольшой, если не требуется работа усилителя на очень низких частотах.

 

Смещение при помощи стабилитрона

Более эффективный способ обеспечить необходимое смещение при однополярном питании — это использование стабилитрона, как показано на рисунке 4. В этой схеме резистор R_Z обеспечивает необходимый рабочий ток стабилитрона. Конденсатор CN шунтирует вход операционного усилителя от шума стабилитрона.

Стабилитрон должен иметь напряжение стабилизации, близкое к половине напряжения питания. Резистор R_Z должен обеспечивать достаточно большой ток, позволяющий стабилитрону работать в устойчивом режиме и, тем самым, обеспечивать минимальную погрешность стабилизации. С другой стороны, важно минимизировать энергопотребление (и тепловые потери). Поскольку входной ток операционного усилителя незначителен, то наиболее оптимален выбор стабилитрона малой мощности. Стабилитрон мощностью 250 мВт является оптимальным, но и наиболее распространенные 500-мВт стабилитроны также приемлемы. Оптимальный рабочий ток — около 0,5 мА для 250-мВт и около 5 мА — для 500-мВт стабилитронов.

Схема на рисунке 4 обеспечивает низкоомный опорный уровень и устраняет влияние нестабильности питающего напряжения на вход усилителя. Преимущества существенны, но стоимость и энергопотребление увеличиваются, да и средний уровень напряжения на выходе усилителя будет соответствовать выходному напряжению стабилитрона и может отличаться от V_S/2. Если это отличие окажется существенным, то при больших выходных сигналах будет происходить асимметричное ограничение. Входные токи смещения также должны быть согласованы. Резисторы R_IN и R2 должны быть равными, чтобы при прохождении через них входного тока разница падения напряжения на них не приводила к появлению ошибки смещения.

Рисунок 5 показывает схему инвертирующего усилителя со смещением уровня входного сигнала стабилитроном.

В таблице 1 перечислены стабилитроны нескольких типов, которые могут быть выбраны в зависимости от напряжения питания для обеспечения необходимого смещения. Значение R_Z в таблице выбрано исходя из обеспечения стабилитронов током 5 или 0,5 мА для схем, показанных на рисунках 4 и 5. Для уменьшения шума (ошибки стабилизации) может быть выбран и больший ток; его максимальную величину следует выяснить в техническом описании стабилитрона.

 

Смещение с помощью линейного стабилизатора

Для операционных усилителей с однополярным питанием 3,3 В требуется смещение напряжения 1,65 В. Однако напряжение стабилизации выпускаемых стабилитронов — не ниже 2,4 В. Хотя существуют источники опорного напряжения AD589 и AD1580 с напряжением 1,225 В, которые могут использоваться подобно стабилитронам, но они не обеспечивают смещение на половину напряжения питания. Самый простой способ обеспечить смещение входного сигнала на произвольную величину — это использовать линейный стабилизатор напряжения, например ADP667 или ADP3367, как показано на рисунке 6. Выходное напряжение линейного стабилизатора может быть установлено в пределах от 1,3 В до 16 В, и это обеспечит низкоомное смещение для операционного усилителя с однополярным напряжением питания от 2,6 В до 16,5 В.

 

Связь по постоянному току при однополярном питании

Пока была обсуждена только связь операционного усилителя по переменному току. Хотя при использовании входных и выходных конденсаторов связи большой емкости усилитель может работать с сигналами с частотами значительно ниже 1 Гц, в некоторых случаях требуется истинная связь по постоянному току. Схемные решения, которые обеспечивают низкоомное постоянное напряжение смещения, типа стабилитронов и линейных стабилизаторов, обсуждаемых выше, могут использоваться, чтобы создавать напряжение «среднего уровня».

Альтернативно схеме смещения, построенной на резистивном делителе, показанной на рисунках 1 и 3, для создания низкоомной искусственной «земли» может использоваться буферный операционный усилитель, как показано на рисунке 7. Если для питания используется низковольтная батарея, скажем 3,3 В, ОУ должен иметь возможность работать с сигналами, равными размаху напряжения питания — rail-to-rail. Кроме того, ОУ также должен быть способен обеспечить большой положительный или отрицательный выходной ток. Конденсатор C2 шунтирует делитель напряжения, чтобы уменьшить шумы резисторов. На эту схему не влияет нестабильность электропитания, потому что общий уровень («земля») всегда находится на уровне половины напряжения питания.

 

Проблемы задержки включения

В заключение необходимо рассмотреть еще одну проблему — время включения усилителя. Оно приблизительно будет зависеть от постоянной времени RC-цепочки, используемой в самом низкочастотном фильтре.

В пассивных схемах смещения, рассмотренных здесь, требуется, чтобы постоянная времени RC цепочки, состоящей из параллельно соединенных резисторов R_A и R_B и С2, была в 10 раз больше, чем постоянные времени входной и выходной цепей. Длительная постоянная времени помогает удерживать схему смещения во «включающемся» состоянии по отношению к входным и выходным цепям усилителя, обеспечивая постепенное нарастание среднего уровня выходного сигнала от 0 В до половины напряжения питания без скачков до уровня напряжения питания. Главное требование, чтобы частота среза схемы смещения на уровне 3 дБ была меньше в десять раз, чем наименьшая из частот среза R1C1 и R_LOAD/C_OUT. Например, в схеме на рисунке 2 для полосы пропускания начиная с 10 Гц и коэффициента усиления, равного 10, емкость конденсатора C2 должна быть равна 3 мкФ, что обеспечит частоту среза по уровню 3 дБ, равную 1 Гц.

С резисторами R_A и R_B = 100 кОм сопротивление в RC-цепочке (параллельное соединение) будет равно 50 кОм, и при C2 = 3 мкФ постоянная времени будет равна 0,15 с. Таким образом, средний уровень выходного сигнала усилителя достигнет величины половины напряжения питания приблизительно за 0,2…0,3 с… Между тем, входные и выходные RC-цепи установятся в десять раз быстрее.

В устройствах, где время включения может оказаться чрезмерно длительным, предпочтительнее использовать схемы смещения на стабилитронах или линейных стабилизаторах.

Предупреждение частых ошибок при разработке схем с ОУ и ИУ

Отсутствует цепь для отвода тока смещения при связи по переменному току

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Рис. 4. Неработоспособная схема с трансформаторной связью на ИУ

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

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

 

Рис. 6. Правильный способ трансформаторной связи со входами ИУ

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

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

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

 

Подача опорного напряжения на ОУ, ИУ и АЦП

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

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

 

 

Корректная подача опорного напряжения в ИУ

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

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

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

где R₂/R₁ = R₄/R₃.

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

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

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

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

 

 

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

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

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

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

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

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

Рис. 10. Развязывание цепи опорного сигнала для сохранения КОНИП

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

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

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

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

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

Результаты испытаний

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

 

Развязывание напряжения питания схем на ОУ с однополярным питанием

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

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

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

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

 

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

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

Схемы включения оу с однополярным питанием

Однополярный или двуполярный источник питания?

Хотя схемы с операционными усилителями выгодно применять при питании от симметричного двуполярного источника, существует множество практических приложений, в которых, по соображениям экономичности или другим, необходима или желательна работа от источника питания с одной полярностью. Например, батарейная система питания автомобильного или судового оборудования обеспечивает только одну полярность. Даже такое оборудование с сетевым питанием, как компьютеры, может иметь только однополярный источник питания, формирующий для системы постоянное напряжение 5 или 12 В. При обработке аналоговых сигналов характерной чертой схемотехники с однополярным питанием оказывается необходимость применения дополнительных компонентов в каждом каскаде для формирования соответствующего смещения напряжения сигнала. Если это тщательно не продумать и не реализовать, возможно возникновение неустойчивости и других проблем.

Типичные проблемы при формировании смещения резисторами

Устройствам на операционных усилителях с однополярным питанием свойственны проблемы, обычно не встречающиеся в схемах с симметричным питанием. Главная из них заключается в том, что если необходимо обеспечить возможность смещения сигнала, как в положительную, так и в отрицательную сторону относительно напряжения некоторой общей шины, то уровень этого напряжения должен быть установлен между потенциалами шин питания. Основное преимущество использования двух источников питания состоит в том, что их общая точка является стабильной, низкоимпедансной шиной с нулевым потенциалом. Напряжения питания обеих полярностей обычно равны и противоположны по знаку, но эти условия не являются обязательными. При однополярном питании средняя точка источника должна быть создана искусственно введением дополнительных цепей смещения для поддержания постоянной составляющей сигнала на целесообразном уровне половины напряжения питания.

Поскольку при больших уровнях выходного сигнала обычно желательна симметричность ограничения, смещение как правило устанавливается в середине номинального диапазона выходного напряжения усилителя или, для простоты, на уровне половины напряжения питания. Наиболее эффективным способом достижения этого является применение стабилизатора, однако чаще используется деление напряжения питания двумя резисторами. Очевидная простота этого способа не исключает его недостатки.

Поясним некоторые конструктивные недостатки схемы неинвертирующего усилителя переменного тока на рис. 1. Сигнал поступает на вход и снимается с выхода через конденсаторы. Постоянная составляющая на входе с емкостной развязкой смещена до уровня V_S/2 делителем R_A – R_B, а коэффициент усиления в полосе пропускания составляет G = 1 + R2/R1. «Шумовое усиление» по постоянному току снижено до единичного конденсаторной развязкой цепи обратной связи от общей шины, тогда нуль АЧХ устанавливается элементами R1 и C1, а постоянная составляющая выходного напряжения равна напряжению смещения. Это устраняет искажения, вызванные ненужным усилением постоянной составляющей дифференциального входного напряжения усилителя. Коэффициент усиления усилителя с обратной связью снижается от (1 + R2/R1) на высокой частоте до единичного на постоянном токе, значения частот среза составляют f = 1/2R1C1 и f = 1/2(R1+R2)C1, дополнительный сдвиг по фазе суммируется со сдвигами, возникающими во входных и выходных цепях.

Рисунок 1. Схема потенциально неустойчивого операционного усилителя с однополярным питанием

Эта простая схема имеет также другие серь╦зные ограничения. Во-первых, свойство операционного усилителя подавлять изменения питающего напряжения оказывается бесполезным, поскольку любое отклонение напряжения питания непосредственно влияет на напряжение смещения V_S/2, установленное резистивным делителем. Хотя это не созда╦т проблем на постоянном токе, любой синфазный шум, присутствующий на выводах источника питания, будет усилен вместе с входным сигналом (кроме самых низких частот). При коэффициенте усиления 100 фоновая пульсация в 20 мВ на 60 Гц будет усилена до уровня 1 В на выходе.

Хуже того, в схемах, где операционный усилитель должен отдавать большие выходные токи в нагрузку, может возникнуть неустойчивость. Если источник питания не будет хорошо стабилизирован (и блокирован конденсаторами), на шине питания могут появиться значительные напряжения наводок от сигнала. Поскольку имеется цепь связи неинвертирующего входа операционного усилителя и шины питания, то эти наводки поступят снова на вход усилителя, зачастую с таким сдвигом фазы, который вызовет низкочастотную генерацию типа «моторный шум» или самовозбуждение другого вида.

Вместо чрезвычайно тщательной компоновки платы, блокирования большим количеством конденсаторов выводов источника питания, звездообразной разводки проводников заземления и корректной разводки проводников питания на печатной плате, что снизит наводки и обеспечит устойчивость схемы, целесообразнее внести изменения в схему для улучшения подавления наводок от источника питания. Несколько таких способов предложено здесь.

Развязка цепи формирования смещения от питания

Одним из возможных решений будет блокировка конденсатором делителя напряжения смещения и использование дополнительного резистора, что привед╦т к изменению схемы, как показано на рис. 2. Для восстановления подавления переменной наводки от источника питания средняя точка делителя напряжения теперь блокирована для сигнала переменного тока конденсатором C2. Резистор R_BX, заменяющий R_A/2 в качестве входного сопротивления для переменного сигнала, кроме того служит для прохождения входного тока неинвертирующего входа.

Рисунок 2. Цепь формирования смещения операционного усилителя с однополярным питанием и развязкой

Номиналы R_A и R_B, конечно, должны быть возможно меньшими; выбор значений 100 кОм обусловлен стремлением минимизировать потребляемый ток, что может оказаться желательным в устройствах с батарейным питанием. Величину блокирующего конденсатора также следует выбирать осмотрительно. При номиналах делителя напряжения R_A = R_B = 100 кОм и значении ╦мкости C2 0,1 мкФ или около того, ширина полосы пропускания этой цепи по уровню -3 дБ, определяемая параллельным соединением R_A, R_B и С2, окажется равной 1/2p(R_A/2)C2 = 32 Гц. Несмотря на лучшие характеристики, чем в схеме на рис. 1, подавление синфазной помехи на частотах ниже 32 Гц снижается, что может вызвать существенную обратную связь через источник питания на низких частотах. В результате необходим конденсатор большего номинала во избежание самовозбуждения с генерацией типа «моторный шум» и других проявлений неустойчивости.

Практический подход состоит в увеличении номинала конденсатора C2 настолько, чтобы он эффективно блокировал делитель напряжения на всех частотах в пределах полосы пропускания схемы. Согласно хорошему эмпирическому правилу, соответствующий полюс АЧХ следует располагать в 10 раз ниже частоты среза входного сигнала по уровню -3 дБ, которая определяется постоянными времени R_BXC_BX и R1C1.

Коэффициент усиления по постоянному току по-прежнему составляет единицу. Даже в этом случае следует учитывать входные токи операционного усилителя. Резистор R_BX вместе с делителем напряжения R_A/R_B вносит значительное сопротивление, последовательно включенное с выводом неинвертирующего входа операционного усилителя. Чтобы сохранить потенциал выхода операционного усилителя близким к половине напряжения питания при использовании обычных операционных усилителей с обратной связью по напряжению, имеющих симметричные входы, необходимо сбалансировать схему выбором величины R2.

В зависимости от напряжения питания, типовые значения, составляющие разумный компромисс между повышенным потреблением тока и повышенной восприимчивостью к входному току усилителя, составят от 100 кОм при однополярном питании 15 или 12 В, до 42 кОм при питании 5 В и 27 кОм для 3,3 В.

Для усилителей, предназначенных для высокочастотных устройств (особенно для усилителей с обратной связью по току), следует использовать малые сопротивления на входе и в цепи обратной связи, чтобы обеспечить нужную полосу пропускания в присутствии паразитных емкостей. Операционный усилитель типа AD811, который был разработан для быстродействующих видеоустройств, будет в общем случае иметь оптимальные характеристики при использовании резистора R2 = 1 кОм. Поэтому в устройствах таких типов следует использовать значительно меньшие номиналы резисторов в делителе напряжения R_A/R_B (и большие блокировочные ╦мкости) для снижения влияния входного тока на смещение и во избежание неустойчивости на низких частотах.

В устройствах на современных операционных усилителях с полевыми транзисторами на входе, благодаря их малому входному току, потребность в симметрии резисторов входов не столь велика, если только схема не предназначена для работы в очень широком диапазоне температур. В таких случаях симметризация сопротивлений во входных цепях усилителей по-прежнему оста╦тся разумной мерой предосторожности.

Рис. 3 показывает одну из возможных реализаций цепей смещения и блокировки в схеме инвертирующего усилителя.

Рисунок 3. Схема усилителя с однополярным питанием и развязкой цепи смещения

Методика формирования смещения резистивным делителем дешева и обеспечивает равенство постоянного выходного напряжения операционного усилителя значению V_S/2, но подавление операционным усилителем синфазных помех по-прежнему зависит от постоянной времени RC-цепи, образованной R_A и конденсатором C2. Использование номинала C2, обеспечивающего по крайней мере 10-кратное превышение значения постоянной времени входной RC-цепи (R1/C1 и R_BX/C_BX), поможет обеспечить разумный коэффициент подавления синфазных помех. Для резисторов R_A и R_B по 100 кОм реальные значения C2 могут оставаться довольно малыми, если полоса среза цепи не слишком низка.

Формирование смещения стабилитроном

Более эффективный способ создания необходимого смещения V_S/2 при работе с однополярным питанием состоит в использовании стабилизатора на стабилитроне, как изображено на рис. 4. Здесь ток через стабилитрон определяет резистор R_Z. Конденсатор C_N препятствует проникновению шума стабилитрона на вход операционного усилителя.

Рисунок 4. Неинвертирующий усилитель с однополярным питанием с формированием смещения стабилитроном

Следует выбирать стабилитрон с рабочим напряжением, близким к V_S/2. Резистор R_Z должен быть выбран так, чтобы создать достаточно большой ток для работы стабилитрона при устойчивом номинальном напряжении и обеспечить низкий выходной шум стабилитрона. Кроме того, также важно снизить потребляемую мощность (и нагрев), и избегать повреждения стабилитрона. Поскольку от источника опорного напряжения вход операционного усилителя потребляет небольшой ток, желательно выбирать маломощный диод. Лучше использовать прибор с номинальной мощностью 250 мВт, но также приемлемы шире распростран╦нные разновидности на 500 мВт. Оптимальный ток стабилитрона различен у разных изготовителей, но практические значения I_Z от 500 мкА (для устройства 250 мВт) и до 5 мА (для устройства 500 мВт) обычно считаются хорошим компромиссом для такого применения.

В пределах рабочего диапазона стабилитрона, схема на рис. 4 по существу обеспечивает низкое значение внутреннего сопротивления источника опорного напряжения, которое позволяет использовать подавление синфазных помех источника питания операционным усилителем. Выгоды существенны, но за это приходится платить: большее потребление мощности, постоянное выходное напряжение операционного усилителя определяются напряжением стабилитрона, а не V_S/2. В случае существенного снижения напряжения источника питания, при больших амплитудах может происходить асимметричное ограничение. Кроме того, по-прежнему следует учитывать влияние входных токов. Резисторы R_BX и R2 должны быть близки к тем же самым значениям, чтобы исключить возникновение существенной ошибки напряжения смещения из-за входных токов.

На рис. 5 показана схема инвертирующего усилителя с использованием того же самого способа смещения стабилитроном.

Рисунок 5. Инвертирующий усилитель с однополярным питанием с формированием смещения стабилитроном

В таблице приведены параметры некоторых стабилитронов, которые могут быть выбраны для создания напряжения смещения, приблизительно равного половине напряжения питания при различных уровнях напряжения питания. Для удобства номиналы R_Z подобраны так, чтобы обеспечить токи диодов 5 и 0,5 мА на схемах 4 и 5. Для снижения шума схемы, оптимальный ток стабилитрона может быть подобран по рекомендациям изготовителя.

Таблица 1. Предлагаемые наименования стабилитронов (номенклатура Motorola) и номиналы RZ для применения в сх. по рис. 4 и 5

Напряжение питания, В	Опорное напряжение, В	Наименование диода	Ток стабилитрона, мА	Значение RZ, Ом
15	7,5	1N4100	0,5	15000
15	7,5	1N4693	5	1500
12	6,2	1N4627	0,5	11500
12	6,2	1N4691	5	1150
9	4,3	1N4623	0,5	9310
9	4,3	1N4687	5	931
5	2,4	1N4617	0,5	5230
5	2,7	1N4682	5	464

Формирование смещения операционного усилителя с использованием линейного стабилизатора напряжения

Для схем с операционными усилителями, работающих при стандартном напряжении 3,3 В, необходимо напряжение смещения 1,65 В. Обычно доступны стабилитроны только свыше 2,4 В, хотя аналогично стабилитронам могут использоваться параллельные стабилизаторы с выходным напряжением, пропорциональным ширине запрещ╦нной зоны (bandgap), на 1,225 В типа AD589 и AD1580, чтобы сформировать фиксированное, но не половинное относительно питания напряжение с низким выходным сопротивлением. Простейшим способом формирования произвольных значений напряжения смещения с низким выходным сопротивлением (например V_S/2) будет применение линейного регулятора напряжения, например, ADM663A или ADM666A, как изображено на рис. 6. Его выходное напряжение может быть установлено от 1,3 до 16 В, что да╦т возможность формировать напряжения смещения с низким выходным сопротивлением для однополярного питания от 2 до 16,5 В.

Рисунок 6. Схема формирования смещения операционного усилителя с однополярным питанием с использованием линейного регулятора напряжения

Схемы усилителей постоянного тока с однополярным питанием

До сих пор обсуждались только схемы операционных усилителей переменного тока. При применении входных и выходных конденсаторов подходящих больших номиналов схема переменного тока может работать на частотах значительно ниже 1 Гц, однако в некоторых устройствах требуются усилители постоянного тока. Формирующие постоянные напряжения с низким выходным сопротивлением схемы, например, обсуждаемые выше стабилитроны и регуляторы, могут использоваться для формирования напряжения «виртуальной земли».

В качестве альтернативы, резисторы смещения до V_S/2 на рис. 1 – 3 могут быть буферизованы операционным усилителем для формирования цепи «виртуального заземления» с низким выходным сопротивлением, как изображено на рис. 7. Если источником питания является низковольтная батарея, к примеру 3,3 В, то необходим операционный усилитель типа rail-to-rail, имеющий допустимый размах входных и выходных сигналов, близкий к уровням питания, который способен эффективно работать во вс╦м диапазоне питающих напряжений. Операционный усилитель также должен быть способен создавать положительный или отрицательный выходной ток, достаточно большой для выполнения требований обеспечения тока в нагрузке основной схемы. Конденсатор C2 шунтирует делитель напряжения, чтобы снизить шум резисторов. В этой схеме не требуется подавление синфазных наводок из напряжения питания, поскольку общий вывод в ней («виртуальная земля») всегда имеет потенциал половины напряжения питания.

Рисунок 7. Использование операционного усилителя в схеме формирования «виртуальной земли» для батарейных устройств, работающих с сигналами постоянного тока

Проблемы, связанные с переходными процессамипри включении схем

В заключение следует рассмотреть вопросы оценки времени переходных процессов при включении схем. Ориентировочно время переходного процесса будет зависеть от постоянной времени RC-цепочки используемого фильтра с самой низкой частотой среза.

Во всех отображ╦нных здесь схемах с пассивным смещением следует обеспечить превышение постоянной времени цепи делителя напряжения R_AIIR?_B-C2 в 10 и более раз относительно постоянных времени цепей входа или выхода. Это должно упростить расч╦т схем (так как на полосу пропускания по входу влияют до тр╦х полюсов разных RC-фильтров). Эта наибольшая постоянная времени также обеспечивает «включение» цепи смещения после входных и выходных цепей операционного усилителя, позволяя таким образом постепенное нарастание выходного напряжения операционного усилителя от нуля до V_S/2, без выброса к напряжению шины положительного питания. Требуемая частота среза по уровню -3 дБ составляет 1/10 часть таковой для R1/C1 и R_НАГР/C_ВЫХ. Например, на рис. 2 при полосе пропускания цепи 10 Гц и коэффициенте усиления 10, C2 номиналом 3 мкФ обеспечит частоту среза по уровню -3 дБ в 1 Гц.

При R_AIIR_B = 50000 Ом, конденсатор 3 мкФ обеспечивает постоянную времени RC-цепи в 0,15 секунды. Поэтому на выходе операционного усилителя потребуется приблизительно от 0,2 до 0,3 с для установления напряжения достаточно близко к V_S/2. Тем временем, входные и выходные RC-цепи перезарядятся в десять раз быстрее.

В устройствах, где время переходных процессов схемы может оказаться чрезмерно большим, лучшим выбором может оказаться способ формирования смещения стабилитроном или активный способ.

Перевод сделан при содействии фирмы AUTEX Ltd. (АВТЭКС)

Рубрикатор

События

Наши новости

Новости

Подписка на новости

Опрос

Нужны ли комментарии к статьям? Комментировали бы вы?

Реклама

Китчин Чарльз

По сравнению с усилителями, собранными на дискретных полупроводниковых элементах, операционные и инструментальные усилители (ОУ и ИУ) предоставляют разработчику большие удобства. Опубликовано огромное количество остроумных, полезных и привлекательных схем. Но очень часто схема, смонтированная поспешно, без учета некоторых основных требований, не работает как положено. В этой статье рассмотрено несколько наиболее характерных ошибок в применении этих устройств и предложены практические решения.

Отсутствует цепь для отвода тока смещения при связи по переменному току

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Подача опорного напряжения на ОУ, ИУ и АЦП

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

Корректная подача опорного напряжения в ИУ

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Результаты испытаний

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

Развязывание напряжения питания схем на ОУ с однополярным питанием

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

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

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

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

Другие статьи по данной теме:

Если Вы заметили какие-либо неточности в статье (отсутствующие рисунки, таблицы, недостоверную информацию и т.п.), просьба сообщить нам об этом. Пожалуйста укажите ссылку на страницу и описание проблемы.

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 U_вых= K*U_вх 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 U_out = U₁. Ну и получается, что U_out = 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 U_out/2 = U₁ или U_out = 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 U_out. 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 U_out=0. Пока равно нулю. А напряжение на входе, например, 10 вольт относительно U_out. 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 U_out станет 30 вольт. Ток через резистор R4 будет при этом (U₁-U_out)/(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 U_out = -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 🙂

191 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!

Схемы питания операционных усилителей | HomeElectronics

Всем доброго времени суток! Продолжаем тему операционных усилителей. В последних двух статьях я несколько отвлёкся от основной темы и рассказывал про обратную связь, но как я уже говорил в одной из предыдущих статей, что без обратной связи невозможно вести повествование про операционные усилители.

В данной статье я начну рассказывать о применении операционных усилителей в линейных схемах.

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

Работа ОУ от двухполярного источника питания

Как указывалось в одной из предыдущих статей, в основе операционного усилителя лежит дифференциальный каскад на транзисторах, для питания которого требуется источник питания с двумя напряжениями – положительным и отрицательным. Причем оба эти напряжения должны быт одинаковы: например, +5 и -5 В, +12 и -12 В. Типовая схема подключения ОУ к источнику питания приведена ниже

Типовая схема питания ОУ.

Типовая схема питания ОУ состоит из следующих элементов: конденсаторов С1, С2, защитный диодов VD1, VD2 и двухполярного источника питания +Uпит, -Uпит. Защитные диоды VD1 и VD2 являются необязательными элементами схемы, но рекомендуются для всех источников питания, где есть возможность случайно перепутать выводы питания.

Конденсаторы С1 и С2 обеспечивают развязку шин питания по переменному току и должны подключаться как можно ближе к выводам микросхемы. Данные конденсаторы должны иметь ёмкость порядка 0,001 – 0,1 мкФ.

Так как современные ОУ имеют достаточно большое усиление на высоких частотах, то довольно часто возникает паразитная обратная связь по цепям питания усилителя. Поэтому довольно часто в дополнение к развязывающим конденсаторам С1 и С2 в цепях питания ОУ часто подключают конденсаторы непосредственно к шинам питания, что улучшает стабильность усилителей.

Работа ОУ от однополярного источника питания

В обычных условиях схема включения ОУ предусматривает двухполярное питание, однако в современной портативной аппаратуре с батарейным питанием это представляется не совсем удобным. Вследствие этого применяют схемы однополярного питания ОУ с введение в схему цепи дополнительного смещения.

В линейном усилителе соотношение между входным U_BX и выходным U_BbIX напряжением имеет следующую функциональную зависимость, которая представляет собой уравнение прямой и называется передаточной характеристикой

где k – крутизна усилителя

b – смещение выходного напряжения.

Поэтому, в зависимости от коэффициентов k и b, возможно четыре варианта передаточных характеристик линейного усилителя

Для нахождения коэффициентов k и b в уравнении прямой линии необходимо задаться параметрами двух точек на этой прямой, в случае линейного усилителя – параметрами входного и выходного напряжения в двух точках, чаще всего крайних.

В качестве примера найдём коэффициенты k и b в следующем случае: на входе линейного усилителя сигнал от датчика может изменяться в пределах от 0,3 до 0,7 В, а с выхода усилителя на аналого-цифровой преобразователь должен поступать сигнал в диапазоне от 1 до 6 В. Для определения уравнения линейного усилителя мы имеем две точки А1(U_BbIX1; U_BX1) = (1; 0,3) и А2(6; 0,7), поэтому составим систему уравнений

Решив данную систему, получим следующие значения коэффициентов k = 7 и b = 1,1. В итоге передаточная характеристика линейного усилителя будет иметь следующий вид

Для каждого вида передаточной характеристики существует своя схема реализации цепей смещения, рассмотрим их подробнее.

Схема цепей смещения в усилителях типа U

_BbIX = kU_BX + b

Схема, реализующая передаточную характеристику вида U_BbIX = kU_BX + b, представлена на рисунке ниже

Схема усилителя с передаточной характеристикой типа U_BbIX = kU_BX + b.

Данная схема представляет собой неинвертирующий сумматор и состоит из развязывающих конденсаторов С1 и С2 имеющих ёмкость порядка 0,001 – 0,1 мкФ, резисторов R1, R2, R3 и R4 и самого ОУ DA1 в неинвертирующей схеме. Передаточная характеристика данной схемы описывается следующим выражением

тогда коэффициенты k и b будут определяться следующими выражениями

Расчёт усилителя с характеристикой типа U

_BbIX = kU_BX + b

Для примера рассчитаем элементы усилителя со следующими параметрами: входное напряжение U_BX = 0,1…1 В, выходное напряжение U_BЫX = 1…5 В, напряжение питания U_ПИТ = 6 В, в качестве источника смещения используется напряжение питания U_CM = U_ПИТ = 6 В.

1. Определим тип передаточной характеристики. Определяем коэффициенты k и b

   Решив данную систему, получим k = 4,44 и b = 0,556, тогда передаточная характеристика будет иметь следующий вид

2. Рассчитаем номиналы резисторов R1 и R2, решив следующую систему уравнений относительно (R3 + R4) / R3

   Подставив значения коэффициентов k, b и U_CM получим следующее уравнение

   Величина резистора R1 обычно выбирается в пределах от 1 до 10 кОм, так как резистор R1 определяет входное сопротивление усилителя и его следует увеличивать, чтобы исключить перегрузку источника сигнала.

   Выберем R1 = 10 кОм, тогда R2 = 47,91 * 10 = 479,1 кОм. Примем R2 = 470 кОм.

3. Рассчитаем величины сопротивлений R3 и R4

   Величина резистора, также как и R1 выбирается в пределах 1 … 10 кОм, поэтому примем R3 = 10 кОм, R4 = 10 * 3,53 = 35,3 кОм. Примем R4 = 36 кОм.

Схема цепей смещения в усилителях типа U

_BbIX = kU_BX – b

Схема усилителя передаточная характеристика, которого имеет вид U_BbIX = kU_BX – b представлена ниже

Схема усилителя с передаточной характеристикой типа U_BbIX = kU_BX – b

Передаточная характеристика данной схемы представлена следующим выражением

В данном случае коэффициенты k и b будут определяться следующими выражениями

Расчёт усилителя с характеристикой типа U

_BbIX = kU_BX — b

Для примера рассчитаем усилитель со следующими параметрами: входное напряжение U_BX = 0,3…0,7 В, выходное напряжение U_BЫX = 1…5 В, напряжение питания U_ПИТ = 6 В, в качестве источника смещения используется напряжение питания U_CM = U_ПИТ = 6 В.

1. Рассчитаем коэффициенты передаточной характеристики

   Решив данную систему уравнений, получим k = 10 и b = -2.

   Тогда переходная характеристика данного усилителя будет иметь вид

2. Рассчитаем сопротивление резисторов R3 и R В данной схеме сопротивление резистора R3 должно быть значительно больше эквивалентного сопротивления параллельных резисторов R1 || R2. Поэтому коэффициент k можно выразить следующим приближённым выражением

   Примем сопротивление резистора R3 = 10 кОм, тогда R4 = 90 кОм.

3. Рассчитаем сопротивление резисторов и R

   Так как R3 >> R1 || R2 примем R2 = 0,75 кОм, тогда R1 = 26*0,75=19,5 кОм. Примет R1 = 20 кОм.

   Таким образом, передаточная характеристика усилителя будет иметь вид U_BbIX = 10U_BX — 2 при следующих номиналах элементов: R1 = 20 кОм, R2 = 0,75 кОм, R3 = 10 кОм, R4 = 90 кОм.

Схема цепей смещения в усилителях типа U

_BbIX = – kU_BX + b

Третий случай питания ОУ от однополярного источника имеет передаточную характеристику вида U_BbIX = – kU_BX + b. Схемное решение для данного случая представлено ниже

Схема усилителя с передаточной характеристикой вида UBbIX = – kUBX + b.

Данная схема состоит из ОУ DA1, развязывающих конденсаторов C1 и C2, резисторов R1, R2, R3, R4 и представляет собой дифференциальный или разностный усилитель.

С учётом элементов схемы можно передаточная характеристика будет иметь вид

Тогда коэффициенты k и b можно представить следующими выражениями

Расчёт усилителя с характеристикой вида U

_BbIX = – kU_BX + b

В качестве примера рассчитаем усилитель, который должен иметь следующие параметры: диапазон входного напряжения U_BX = -0,1 … -1 В, диапазон выходного напряжения U_BЫX = 1 … 5 В, напряжение смещение берётся от напряжения питания U_CM = U_ПИТ = 6 В.

1. Определим коэффициенты передаточной характеристики k и b, для этого составим и решим систему линейных уравнений

   Решив данную систему, получаем k = — 4,44 и b = 0,556, тогда переходная характеристика данной схемы усилителя будет иметь вид

2. Определим сопротивление резисторов R1 и R4

   Примем R1 = 10 кОм, тогда R4 = 4,44 * 10 = 44,4 кОм. Примем R4 = 43 кОм

3. Рассчитаем сопротивление резисторов и R3

   Примем R3 = 1кОм, тогда R2 = 56,19 * 1 = 56,19 кОм. Примем R2 = 56 кОм.

Схема цепей смещения в усилителях типа U

_BbIX = – kU_BX – b

Последний, четвёртый случай ОУ с однополярным питанием и переходной характеристикой вида U_BbIX = – kU_BX – b имеет схему представленную на рисунке ниже

Схема усилителя с передаточной характеристикой вида UBbIX = – kUBX — b

Данная схема представляет собой инвертирующий сумматор и состоит из ОУ DA1, развязывающего конденсатора С1, резисторов R1, R2 и R3. С учётом элементов схемы передаточная характеристика будет иметь вид

Тогда коэффициенты k и b можно представить в следующем виде

Расчёт усилителя с переходной характеристикой вида U

_BbIX = – kU_BX – b

Для примера рассчитаем усилитель реализующий переходную характеристику вида U_BbIX = – kU_BX — b. В качестве начальных условий примем следующие параметры схемы: диапазон входного напряжения U_BX = -0,2 … -0,8 В, диапазон выходного напряжения U_BЫX = 1 … 5 В, напряжение смещение берётся от напряжения питания U_CM = U_ПИТ = 6 В.

1. Рассчитаем коэффициенты k и b, для этого решим систему линейных уравнений

   Решив данную систему, получим k = – 6,67 и b = — 0,334. Тогда переходная характеристика будет иметь вид

2. Определим величину сопротивления R1 и R3

   Примем R1 = 10 кОм, тогда R3 = 6,67 * 10 = 66,7 кОм. Примем R3 = 68 кОм.

3. Определим величину сопротивления R2

   Примем R2 = 200 кОм.

Вместо заключения

Разработка схем на ОУ с однополярным питанием несколько сложнее, чем при использовании двухполярного источника питания, однако воспользовавшись расчетами, приведёнными в данной статье, хорошие результаты не заставят себя ждать.

Довольно часто необходимо построить схемы с несколькими входами, дополнительными требованиями по подавлению помех и так далее, но описанные схемы расчёта могут быть использованы и здесь.

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

Мостовые усилители для приложений с однополярным источником питания

Добавлено 19 декабря 2019 в 19:40

Сохранить или поделиться

В данной статье описывается схема мостового усилителя и объясняется, почему она особенно удобна, когда у вас нет источника отрицательного напряжения.

Вспомогательная информация

Почему однополярный источник питания?

Существует несколько различных терминов, используемых для обозначения системы, в которой разработчик имеет доступ к шинам положительного и отрицательного напряжения: двуполярное, симметричное, с двойным источником питания, с раздельными источниками питания. Как бы вы ни хотели их назвать, они мне нравятся; аналоговые схемы являются более простыми и (на мой взгляд) более математически связными, когда уровень сигнала может опускаться фактически ниже уровня земли.

Однако неизбежный факт заключается в том, что система с двойным источником питания обычно является персоной нон-грата в мире современной электроники. Причина этого достаточно проста: для создания источника отрицательного напряжения требуются дополнительные схемы, что означает больше времени проектирования, более высокую стоимость и большие размеры печатной платы; таким образом, если системные требования могут быть каким-то образом выполнены без обращения к отрицательной шине питания, тем лучше. Альтернативой дополнительной схеме является вторая батарея; помимо того, что этот подход применим только к оборудованию с питанием от батарей, он всё же увеличивает стоимость и громоздкость, которые могут быть устранены с помощью продуманной схемы с однополярным источником питания.

Примечание. Не существует закона, утверждающего, что система с двойным источником питания должна иметь положительное и отрицательное напряжения питания, которые равны по величине (то есть симметричны). Однако симметричные источники питания являются нормой для схем усилителей, и обсуждение систем с двойными источниками питания или с раздельными источниками питания может включать предположение, что напряжения питания являются симметричными.

Мостовой усилитель

Одной вещью, которая может быть трудной в среде с однополярным источником питания, является формирование выходных сигналов переменного тока высокой мощности. Давайте посмотрим на схему, которая может помочь с этой задачей:

Рисунок 1 – Мостовой усилитель

Как видите, входной сигнал подается на две схемы на операционных усилителях, одна неинвертирующая, другая инвертирующая; резисторы выбираются таким образом, чтобы оба усилителя имели одинаковую величину коэффициента усиления. Нагрузка подключена между выходами двух усилителей; обратите внимание, что нагрузка «плавающая», то есть она не имеет прямого соединения с узлом земли. Как вы, наверное, уже поняли, мостовой усилитель приводит к увеличению напряжения на нагрузке в два раза:

Рисунок 2 – Мостовой усилитель приводит к увеличению напряжения на нагрузке в два раза

Показанный здесь стандартный мостовой усилитель не является схемой с однополярным источником питания. Оба операционных усилителя имеют входной вывод, который привязан к земле; таким образом, входной синусоидальный сигнал с привязкой к земле потребовал бы от обоих операционных усилителей формирование отрицательных выходных напряжений, и это, конечно, совершенно невозможно, когда вывод отрицательного питания операционного усилителя подключен к земле.

Версия с однополярным источником питания

Следующая схема адаптирует схему мостового усилителя к использованию однополярного источника питания:

Рисунок 3 – Мостовой усилитель с однополярным питанием

Важная особенность схемы на операционном усилителе с однополярным источником питания – это напряжение смещения, которое задает опорный уровень, равный половине напряжения питания (так же, как потенциал земли служит в качестве опорного уровня среднего напряжения питания в системах с двойным источником питания). Напряжение смещения не обязательно должно быть равно половине напряжения питания, но оно обычно выбирается таким при работе с синусоидальными сигналами, поскольку смещение, равное половине напряжения питания гарантирует, что выходной сигнал имеет одинаковые возможности раскачиваться и в «положительную», и в «отрицательную» стороны («положительная» значит выше напряжения смещения, а «отрицательная» значит ниже напряжения смещения).

Существуют различные способы смещения в схемах на операционном усилителе с однополярным источником питания. На мой взгляд, самый простой подход показан на схеме, приведенной выше: вы конфигурируете схему как инвертирующий усилитель и прикладываете V_смещ к положительному входу. Вот почему мостовой усилитель с однополярным источником питания использует два инвертирующих усилителя, тогда как стандартный мостовой усилитель использует неинвертирующий усилитель и инвертирующий усилитель.

Смещение неинвертирующего усилителя неудобно – независимо от того, применяете ли вы смещение к положительному или отрицательному входу, взаимосвязь между напряжением смещения и выходным напряжением является более сложной по сравнению с инвертирующей схемой. Кроме того, если для формирования напряжения смещения вы используете резистивный делитель, резисторы в неинвертирующем усилителе взаимодействуют с резисторами в делителе и тем самым делают вашу жизнь еще более сложной, чем она уже есть. Инвертирующая схема позволяет подключать напряжение смещения непосредственно к высокоимпедансному входному выводу операционного усилителя, и, таким образом, вы можете использовать резистивный делитель без опасений:

Рисунок 4 – Организация смещения в мостовой схеме с однополярным питанием

Наконец, вы, вероятно, заметили, что на вход одного из операционных усилителей подается не сам входной сигнал, а выходной сигнал другого операционного усилителя. Весь смысл мостового усилителя состоит в том, чтобы генерировать как инвертированный, так и неинвертированный выходной сигнал, и, таким образом, каскадное включение усилителей является простым решением проблемы наличия двух инвертирующих усилителей.

Больше напряжения → больше мощности

Есть два важных преимущества, связанных с мостовым усилителем.2 \times \frac{1}{R}\]

Таким образом, мощность пропорциональна квадрату пикового напряжения. Мостовая схема удваивает напряжение на нагрузке; следовательно, она обеспечивает увеличение мощности, передаваемой нагрузке, в четыре раза. Возможно, вы задаетесь вопросом – почему мы не можем просто использовать один операционный усилитель и увеличить коэффициент усиления, чтобы получить большее напряжение? Зачем беспокоиться о мостовой схеме? Это хорошие вопросы, и ответ на них следующий: мостовой усилитель обеспечивает P_нагр, превышающую в четыре раза максимальную мощность, которую вы можете достичь при заданном напряжении питания. Другими словами, мостовой усилитель особенно полезен, когда вы пытаетесь получить как можно больше мощности от вашей шины питания.

В этот век низковольтных систем вы можете обнаружить, что напряжение питания является ограничивающим фактором того, какую мощность вы можете подавать на нагрузку. Предположим, что сопротивление нагрузки является фиксированным, поэтому вы не можете увеличить мощность, уменьшив R_нагр, и давайте также предположим, что у вас имеется достаточный уровень тока, доступный от вашего источника питания. В этом случае ваш источник питания 3,3 В сдерживает вас – вы могли бы легко подать больше мощности, если бы у вас было немного большее напряжение питания. Ну, вот тут-то и появляется мостовой усилитель: та же шина напряжения, но в четыре раза большая мощность.

Не требуется конденсатор связи

Моя любимая особенность мостового усилителя заключается в том, что он позволяет устранить постоянное напряжение смещения без устранения постоянного напряжения смещения… или что-то типа того. Допустим, у вас есть динамик, который вам необходимо подключить к вашей схеме с однополярным источником питания. Все аудиосигналы имеют смещение по постоянному напряжению, которое удерживает отрицательные участки синусоиды выше уровня земли. Но сигнал, который мы посылаем на динамик, должен быть чистым переменным напряжением; постоянное напряжение смещения в аудиосигнале уменьшает динамический диапазон и способствует искажению. Эта проблема часто решается с помощью конденсатора, блокирующего постоянный ток (также называемого разделительного конденсатора), но у этого подхода есть недостатки: во-первых, конденсатор может быть достаточно большим (часто сотни микрофарад), чтобы избежать ослабления низкочастотных составляющих сигнала; во-вторых, вам нужно беспокоиться о переходных эффектах, связанных с зарядом или разрядом разделительного конденсатора, таких как артефакты типа «щелчков» и «хлопков», которые мешают воспроизведению звука.

К счастью, если у вас есть мостовой усилитель, то отпадает необходимость в разделительном конденсаторе. Дополнительная особенность инвертированных и неинвертированных сигналов такова, что постоянное напряжение смещения одного сигнала может компенсировать постоянное напряжение смещения другого:

Рисунок 5 – Компенсация напряжения смещения

Заключение

Мы рассмотрели стандартный мостовой усилитель, а также вариант, совместимый с однополярным источником питания, и обсудили два основных преимущества, предлагаемых мостовой схемой. Как один из моих профессоров однажды сказал в связи с какой-то математической концепцией, которую я не могу вспомнить, сложите ее и держите в кармане; мостовой усилитель может оказаться весьма полезным, когда вам будет необходимо подавать значительный уровень мощности сигнала переменного напряжения от низковольтной системы или системы с однополярным источником питания.

Оригинал статьи:

Теги

Аудиосистема с однополярным источником питанияАудиоусилительМостовой усилительНапряжение смещенияНапряжение смещения операционного усилителяОперационный усилитель с однополярным источником питанияОУ (операционный усилитель)Системы с однополярным источником питанияУсилитель

Сохранить или поделиться

Лм 358 микросхема – LM358 DataSheet на русском, описание и схема включения

Говоря операционный усилитель, я зачастую подразумеваю LM358. Так как если нету каких-то особых требований к быстродействию, очень широкому диапазону напряжений или большой рассеиваемой мощности, то LM358 хороший выбор.

Какие же характеристики LM358 принесли ему такую популярность:

• низкая стоимость;
• никаких дополнительных цепей компенсации;
• одно или двуполярное питание;
• широкий диапазон напряжений питания от 3 до 32 В;
• Максимальная скорость нарастания выходного сигнала: 0,6 В/мкс;
• Ток потребления: 0,7 мА;
• Низкое входное напряжение смещения: 0,2 мВ.

LM358 цоколевка

Так как LM358 имеет в своем составе два операционных усилителя, у каждого по два входа и один выход (6 — выводов) и два контакта нужны для питания, то всего получается 8 контактов.

LM358 корпусируются как в корпуса для объемного монтажа (LM358N — DIP8), так и в корпуса для поверхностного монтажа (LM358D — SO8). Есть и металлокерамическое исполнение для особо тяжелых условий работы. Я применял LM358 только для поверхностного монтажа – просто и удобно паять.

Аналоги LM358

Полные аналоги LM358 от разных производителей NE532, OP04, OP221, OP290, OP295, OPA2237, TA75358P, UPC358C. Для LM358D — KIA358F, NE532D, TA75358CF, UPC358G.

Вместе с LM358 выпускается большое количество похожих операционных усилителей. Например LM158, LM258, LM2409 имеют аналогичные характеристики, но разный температурный диапазон работы.

Тип	Минимальная температура, °C	Максимальная температура, °C	Диапазон питающих напряжений, В
LM158	-55	125	от 3(±1,5) до 32(±16)
LM258	-25	85	от 3(±1,5) до 32(±16)
LM358	0	70	от 3(±1,5) до 32(±16)
LM358	-40	85	от 3(±1,5) до 26(±13)

Если диапазона 0..70 градусов не хватает, то стоит применить LM2409, однако следует учитывать что у неё диапазон питания уже:

Кстати если нужен только один операционный усилитель в компактном 5 выводном корпусе SOT23-5 то вполне можно применить LM321, LMV321 (аналоги AD8541, OP191, OPA337). Наоборот, если нужно большое количество рядом расположенных операционных усилителей, то можно применить счетверенные LM324 в 14 выводном корпусе. Можно вполне сэкономить пространство и конденсаторы по цепям питания.

Описание операционного усилителя LM358

Область применения — в качестве усилительного преобразователя, в схемах преобразования постоянного напряжения, и во всех стандартных схемах, где используются операционные усилители, как с однополярным питающим напряжением, так и двухполярным.

Технические характеристики LM358

• Однополярное питание: от 3 В до 32 В.
• Двухполярное питание: ± 1,5 до ± 16 В.
• Ток потребления: 0,7 мА.
• Входное напряжение смещения: 3 мВ.
• Дифференциальное входное напряжение: 32 В.
• Синфазный входной ток: 20 нА.
• Дифференциальный входной ток: 2 нА.
• Дифференциальный коэффициент усиления по напряжению: 100 дБ.
• Размах выходного напряжения: от 0 В до VCC — 1,5 В.
• Коэффициент гармонических искажений: 0,02%.
• Максимальная скорость нарастания выходного сигнала: 0,6 В/мкс.
• Частота единичного усиления (с температурной компенсацией): 1,0 МГц.
• Максимальная рассеиваемая мощность: 830 мВт.
• Диапазон рабочих температур: 0…70 гр.С.

Габаритные размеры и назначения выводов LM358 (LM358N)

LM358 схема включения: дифференциальный усилитель

Эта схема дифференциального усилителя с высоким входным сопротивление, может применятся для измерения напряжении источников с высоким внутренним сопротивлением. При условии, что R1/R2=R4/R3, выходное напряжение можно рассчитать как: Uвых = (1+R4/R3)(Uвх1 – Uвх2). Коэффициент усиления соответственно будет равен: (1+R4/R3). Для R1 = R2 = R3 = R4 = 100 кОм, коэффициент усиления будет равен 2.

описание, схема включения и как должна работать в составе различных устройств

Операционный усилитель LM358 стал одним из самых популярных типов компонентов аналоговой электроники. Этот небольшой компонент может быть использован в самых разнообразных схемах, осуществляющих усиление сигналов, в различных генераторах, АЦП и прочих полезных устройствах.

Все радиоэлектронные компоненты следует разделять по мощности, диапазону рабочих частот, напряжению питания и прочим параметрам. А операционный усилитель LM358 относится к среднему классу устройств, которые получили самую широкую сферу применения для конструирования различных устройств: приборы контроля температуры, аналоговые преобразователи, промежуточные усилители и прочие полезные схемы.

Описание микросхемы LM358

Подтверждением высокой популярности микросхемы являются ее рабочие характеристики, позволяющие создавать много различных устройств. К основным показательным характеристикам компонента следует отнести нижеследующие.

Приемлемые рабочие параметры: в микросхеме предусмотрено одно и двухполюсное питание, широкий диапазон напряжений питания от 3 до 32 В, приемлемая скорость нарастания выходного сигнала, равная всего 0,6 В/мкс. Также микросхема потребляет всего 0,7 мА, а напряжение смещения составит всего 0,2мВ.

Описание выводов

Микросхема реализована в стандартных корпусах DIP, SO и имеет 8 выводов для подключения к цепям питания и формирования сигналов. Два из них (4,

используются в качестве выводов двухполярного и однополярного питания в зависимости от типа источника или конструкции готового устройства. Входы микросхемы 2, 3 и 5, 6. Выходы 1 и 7.

В схеме операционного усилителя имеются 2 ячейки со стандартной топологией выводов и без цепей коррекции. Поэтому для реализации более сложных и технологичных устройств потребуется предусматривать дополнительные схемы преобразования сигналов.

Микросхема является популярной и используется в бытовых приборах, эксплуатируемых при нормальных условиях, и в особых с повышенной или пониженной температурой окружающей среды, высокой влажностью и прочими неблагоприятными факторами. Для этого интегральный элемент выпускается в различных корпусах.

Аналоги микросхемы

Являясь средним по параметрам, операционный усилитель LM358 имеет аналоги по техническим характеристикам. Компонент без буквы может быть заменен на OP295, OPA2237, TA75358P, UPC358C, NE532, OP04, OP221, OP290. А для замены LM358D потребуется использовать KIA358F, NE532D, TA75358CF, UPC358G. Интегральная микросхема выпускается в серии с другими компонентами, которые имеют отличия лишь в температурном диапазоне, предназначенные для работы в суровых условиях.

Встречаются операционные усилители с максимальной температурой до 125 градусов и с минимальной до 55. Из-за чего сильно разнится и стоимость устройства в различных магазинах.

К серии микросхем относятся LM138, LM258, LM458. Подбирая альтернативные аналоговые элементы для применения в устройствах важно учитывать рабочий температурный диапазон. Например, если LM358 с пределом от 0 до 70 градусов недостаточно, то можно использовать более приспособленные к суровым условиям LM2409. Также довольно часто для изготовления различных устройств требуется не 2 ячейки, а 1, тем более, если место в корпусе готового изделия ограничено. Одними из самых подходящих для использования при конструировании небольших устройств являются ОУ LM321, LMV321, у которых также есть аналоги AD8541, OP191, OPA337.

Особенности включения

Существует много схем подключения операционного усилителя LM358 в зависимости от необходимых требований и выполняемых функций, которые будут к ним предъявлены при эксплуатации:

• неинвертирующий усилитель;
• преобразователь ток-напряжение;
• преобразователь напряжение-ток;
• дифференциальный усилитель с пропорциональным коэффициентом усиления без регулировки;
• дифференциальный усилитель с интегральной схемой регулирования коэффициента;
• схема контроля тока;
• преобразователь напряжение-частота.

Популярные схемы на lm358

Существуют различные устройства, собранные на LM358 N , выполняющие определенные функции. При этом это могут быть всевозможные усилители как УМЗЧ, так и в промежуточных цепях измерений различных сигналов, усилитель термопары LM358, сравнивающие схемы, аналого-цифровые преобразователи и прочее.

Неинвертирующий усилитель и источник опорного напряжения

Это самые популярные типы схем подключения, применяемые во многих устройствах для выполнения различных функций. В схеме неинвертирующего усилителя выходное напряжения будет равно произведению входного на пропорциональный коэффициент усиления, сформированный отношением двух сопротивлений, включенных в инвертирующую цепь.

Схема источника опорного напряжения пользуется высокой популярностью благодаря своим высоким практическим характеристикам и стабильности работы в различных режимах. Схема отлично удерживает необходимый уровень выходного напряжения. Она получила применение для построения надежных и высококачественных источников питания, аналоговых преобразователей сигналов, в устройствах измерения различных физических величин.

Генератор синусоидальных сигналов

Одной из самых качественных схем синусоидальных генераторов является устройство на мосте Вина. При корректном подборе компонентов генератор вырабатывает импульсы в широком диапазоне частот с высокой стабильностью. Также микросхема LM 358 часто используется для реализации генератора прямоугольных импульсов различной скважности и длительности. При этом сигнал является стабильным и высококачественным.

Усилитель

Основным применением микросхемы LM358 являются усилители и различная усилительная аппаратура. Что обеспечивается за счет особенностей включения, выбора прочих компонентов. Такая схема применяется, например, для реализации усилителя термопары.

Усилитель термопары на LM358

Очень часто в жизни радиолюбителя требуется осуществлять контроль температуры каких-либо устройств. Например, на жале паяльника. Обычным градусником это не сделаешь, тем более, когда необходимо изготовить автоматическую схему регулирования. Для этого можно использоваться ОУ LM 358. Эта микросхема имеется малый тепловой дрейф нуля, поэтому относится к высокоточным. Поэтому она активно используется многими разработчиками для изготовления паяльных станций, прочих в устройствах.

Схема позволяет измерять температуру в широком диапазоне от 0 до 1000 оС с достаточно высокой точностью до 0,02 оС. Термопара изготовлена из сплава на основе никеля: хромаля, алюмеля. Второй тип металла имеет более светлый цвет и меньше подвержен к намагничиванию, хромаль темнее, магнитится лучше. К особенностям схемы стоит отнести наличие кремниевого диода, который должен быть размещен как можно ближе к термопаре. Термоэлектрическая пара хромаль-алюмель при нагреве становится дополнительным источником ЭДС, что может внести существенные коррективы на основные измерения.

Простая схема регулятора тока

Схема включает кремниевый диод. Напряжения перехода с него используется как источник опорного сигнала, поступающий через ограничивающий резистор на неинвертирующий вход микросхемы. Для регулировки тока стабилизации схемы использован дополнительный резистор, подключенный к отрицательному выводу источника питания, к неивертирующему входу МС.

Схема состоит из нескольких компонентов:

• Резистора, подпирающего ОУ минусовым выводом и сопротивлением 0,8 Ом.
• Резистивного делителя напряжения, состоящего из 3 сопротивлений с диодом, выступающего источником опорного напряжения.

Резистор номиналом 82 кОм подключен к минусу источника и положительному входу МС. Опорное напряжение формируется делителем, состоящим из резистора 2,4 кОм и диода в прямом включении. После чего ток ограничивается резистором 380 кОм. ОУ управляет биполярным транзистором, эмиттер которого подключен непосредственно к инвертирующему входу МС, образовав отрицательную глубокую связь. Резистор R 1 выступает измерительным шунтом. Опорное напряжение формируется при помощи делителя, состоящего из диода VD 1 и резистора R 4.

В представленной схеме при условии использования резистора R 2 сопротивлением 82 кОм ток стабилизации в нагрузке составляет 74мА при входном напряжении 5В. А при увеличении входного напряжения до 15В ток увеличивается до 81мА. Таким образом, при изменении напряжения в 3 раза ток изменился не более, чем на 10%.

Зарядное устройство на LM 358

С использованием ОУ LM 358 часто изготавливают зарядные устройства с высокой стабилизацией и контролем выходного напряжения. Как пример, можно рассмотреть зарядное устройство для Li — ion с питанием от USB . Эта схема представляет собой автоматический регулятор тока. То есть, при повышении напряжения на аккумуляторе зарядный ток падает. А при полном заряде АКБ схема прекращает работать, полностью закрывая транзистор.

instrument.guru

LM358 схема включения: дифференциальный усилитель с регулируемым коэффициентом усиления

Стоит отметить, что предыдущая схема не позволяет подстраивать коэффициент усиления, так как требует одновременного изменения двух резисторов. Если необходимо иметь возможность регулировки коэффициента усиления в дифференциальном усилителе, то можно воспользоваться схемой на трех операционных усилителях. В данной схеме подстройка коэффициента усиления осуществляется за счет регулировки резистора R2. Для этой схемы нужно соблюсти условия равенства значений сопротивлений резисторов: R1 = R3 и R4 = R5 = R6 = R7. Тогда коэффициент усиления будет равен: (1+2*R1/R2). Uвых = (1+2*R1/R2)(Uвх1 – Uвх2).

LM358 и LM358N datasheet, описание, схема включения

Самый популярный двухканальный операционный усилитель LM358, LM358N. Операционник относится к серии LM158, LM158A, LM258, LM258A, LM2904, LM2904V. Имеет множество схем включения, аналогов и datasheet.

Микросхемы LM358 и LM358N идентичны по параметрам и отличаются только корпусом.

Вам будут интересны даташиты и характеристики других ИМС LM317T, TL431, LM494. Они применяются совместно с импульсными стабилизаторами и блоках питания.

Характеристики, описание

Питание ИМС может быть однополярным от 3 до 32В. Операционный усилитель стабильно работает на стандартных 3,3В. Двухполярное питание от 1,5 до 16 Вольт. При указанной температуре 0° до 70° характеристики остаются в пределах нормы. Если количество градусов выйдет за эти пределы, то появится отклонение параметров.

Многих интересует описание на русском LM328N, но даташит большой, основная часть понятна и без перевода. Чтобы вы не искали LM358 datasheet на русском, составил таблицу основных параметров.

Несколько популярных datasheet для скачивания:

Таблица характеристик.

Параметр	LM358, LM358N
Питание, вольт	3-32В
Биполярное питание	±1,5В до ±16В
Потребляемый ток	0,7мА
Напряжение смещения по входу	3мВ
Ток смещения компенсации по входу	2нА
Входной ток смещение	20нА
Скорость нарастания на выходе	0,3 В/мсек
Ток на выходе	30 — 40мА
Максимальная частота	0,7 до 1,1 МГц
Коэффициент дифференциального усиления	100дБ
Рабочая температура	0° до 70°

Микросхемы различных производителей могут иметь разные параметры, но всё в пределах нормы. Единственное может сильно отличаться максимальная частота у одних она 0,7МГц, у других до 1,1МГц. Вариантов использования ИМС накопилось очень много, только в документации их около 20 штук. Радиолюбители расширили это количество более 70 схем.

Типовой функционал из datasheet на русском:

1. компараторы;
2. активные RC фильтры;
3. светодиодный драйвер;
4. суммирующий усилитель постоянного тока;
5. генератор импульсов и пульсаций;
6. низковольтный детектор пикового напряжения;
7. полосовой активный фильтр;
8. для усиливания с фотодиода ;
9. инвертирующий и не инвертирующий усилитель;
10. симметричный усилитель;
11. стабилизатор тока;
12. инвертирующий усилитель переменного тока;
13. дифференциальный усилитель постоянного тока;
14. мостовой усилитель тока.

Цоколёвка, распиновка

Аналог

..
Большая популярность определяет и большое количество аналогов LM358 LM358N. В зависимости от производителя характеристики могут немного меняться, но всё в пределах допуска. Перед заменой проверьте электрические характеристики у изготовителя, вдруг вам не подойдёт. Схемы включения аналогичны. Аналогов более 30 штук, покажу первую дюжину полностью схожих:по параметрам:

1. КР1040УД1
2. КР1053УД2
3. КР1401УД5
4. GL358
5. NE532
6. OP295
7. OP290
8. OP221
9. OPA2237
10. TA75358P
11. UPC1251C
12. UPC358C

Типовые схемы включения

Пришлось просмотреть несколько спецификаций от разных фабрик, чтобы найти самый полноценный. Большинство короткие и малоинформативные. Чтобы было максимально понятно, как работают схемы включения LM358 и LM358N, ознакомитесь с типовым включением.

Светодиодный драйвер для светодиода

Datasheet, даташит LM358 LM358N

Сфера применения, указанная производителями:

1. блюрэй плееры и домашние кинотеатры;
2. химические и газовые сенсоры;
3. ДВД рекордеры и плееры;
4. цифровые мультиметры;
5. сенсор температуры;
6. системы управления двигателями;
7. осциллографы;
8. генераторы;
9. системы определения массы.

Описание характеристик LM358N

led-obzor.ru

LM358 схема включения: монитор тока

Еще одна интересная схема позволяющая измерять ток в питающем проводе и состоящая из шунта R1, операционного усилителя npn – транзистора и двух резисторов.

• DA1 – LM358;
• R1 – 0,1 Ом;
• R2 – 100 Ом;
• R3 – 1 кОм.

Напряжение питания операционного усилителя должно быть минимум на 2 В, выше напряжения нагрузки.

Операционные усилители с однополярным питанием: примеры применения

11 февраля 2020

учёт ресурсовавтоматизацияуниверсальное применениеMicrochipстатьяинтегральные микросхемы

Бонни Бейкер (Microchip Technology)

Ведущий инженер Microchip рассказывает о схемах базовых функциональных узлов на операционных усилителях (ОУ), типовых схемах систем управления на их базе и типичных ошибках при проектировании устройств на ОУ.

Операционный усилитель (ОУ) представляет собой основной после транзистора функциональный элемент для построения аналоговых схем. С помощью ОУ легко реализуются такие базовые функции как усиление сигнала, изоляция нагрузки, инвертирование сигнала, смещение уровня, сложение и/или вычитание сигналов. Также на базе ОУ можно реализовать и более сложные схемы, такие как инструментальные усилители, преобразователи тока в напряжение и фильтры. Независимо от сложности схемы собственно операционного усилителя, знание основных принципов его работы позволит сэкономить много времени на начальных этапах проектирования.

В курсе изучения операционных усилителей дается множество важной и полезной информации. Однако при этом часто упускают из виду вопросы, касающиеся практического применения ОУ. Так, при проектировании схем с операционными усилителями разработчики постоянно забывают о такой «мелочи» как блокировочные конденсаторы по питанию. С теоретической точки зрения эти компоненты не нужны. В то же время при отсутствии блокировочного конденсатора схема усилителя может возбудиться и в ней возникнут колебания, чего в теории быть не должно. Если же при проектировании схемы использовались только готовые решения из книг, эта проблема может оказаться трудноразрешимой.

Данное руководство состоит из трех частей. В первой части рассматриваются схемы базовых функциональных узлов на ОУ вместе с уравнениями для их расчета. Эти схемы были выбраны с учетом их применимости во встраиваемых системах.

Во второй части руководства рассматриваются более сложные аналоговые схемы для встраиваемых систем управления, построенные с использованием базовых функциональных узлов.

В третьей части руководства приведены наиболее распространенные ошибки, которые допускаются при проектировании схем на ОУ с однополярным питанием. Данный перечень ошибок – результат многолетней работы множества разработчиков по поиску неисправностей в аналоговых схемах. Большей части этих ошибок можно избежать, если применить рекомендации, приведенные в данной статье.

Основные принципы работы операционных усилителей

Операционный усилитель – это такой же «кирпичик» для построения аналоговых схем, как логический элемент – для цифровых. При помощи операционных усилителей мы можем кардинально изменять аналоговые сигналы, подобно тому как с помощью инверторов и логических элементов И/ИЛИ мы изменяем цифровые сигналы. В этой части мы рассмотрим такие базовые функциональные узлы на ОУ как повторитель напряжения, неинвертирующий и инвертирующий усилители, расщепитель питания (формирователь искусственной средней точки), дифференциальный и суммирующий усилители, а также преобразователь тока в напряжение.

Повторитель напряжения

Начнем с самой простой схемы – схемы буферного усилителя (рисунок 1). Буферный усилитель применяется для управления большими нагрузками для согласования входных/выходных сопротивлений или для развязки силовых цепей и чувствительных прецизионных схем.

Рис. 1. Буферный усилитель (повторитель напряжения)

Буферный усилитель, показанный на рисунке 1, может быть реализован на любом ОУ с однополярным питанием, устойчиво работающем при единичном коэффициенте усиления. В этой схеме, как и во всех схемах с ОУ, должен присутствовать блокировочный конденсатор по питанию. Для усилителей с однополярным питанием, работающих в полосе частот от нуля до единиц мегагерц, как правило, достаточно конденсатора емкостью 1 мкФ. Если полоса частот усилителя составляет десятки мегагерц, может потребоваться конденсатор меньшей емкости. В этом случае обычно используют конденсатор емкостью 0,1 мкФ. При отсутствии блокировочного конденсатора или при неправильном выборе его емкости операционный усилитель может самовозбудиться.

Коэффициент усиления схемы, приведенной на рисунке 1, равен +1 В/В. Обратите внимание, что хотя усиление всей схемы положительно, цепь обратной связи с выхода усилителя подключена к инвертирующему входу. Полагать, будто бы схема на ОУ, имеющая положительное усиление, требует наличия положительной обратной связи – очень распространенное заблуждение. Если мы охватим ОУ положительной обратной связью, то на выходе усилителя, скорее всего, установится уровень одной из шин питания.

Данная схема обеспечивает хорошую линейность в пределах всей полосы пропускания усилителя. Однако существуют и определенные ограничения – уровень синфазного сигнала на входе и размах выходного сигнала не должны выходить за определенные границы. Указанные ограничения обсуждаются в разделе «Подводные камни проектирования схем с ОУ».

Если эта схема предназначена для управления мощной нагрузкой, то примененный ОУ должен обеспечивать необходимый уровень выходного тока. Также данная схема может применяться для управления емкостной нагрузкой. Следует отметить, что далеко не каждый ОУ способен сохранять устойчивость при работе на емкостную нагрузку. Если усилитель рассчитан на управление емкостной нагрузкой, то в его документации это будет явно указано. С другой стороны, если ОУ не может работать на емкостную нагрузку, то в его документации это, как правило, особо не оговаривается.

Кроме того, буферный усилитель используется для решения задачи согласования входного и выходного сопротивлений. Это может потребоваться в том случае, если источник аналогового сигнала имеет достаточно высокое выходное сопротивление по сравнению со входным сопротивлением схемы. При прямом подключении источника к схеме уровень сигнала уменьшится из-за падения напряжения на делителе, образованном выходным сопротивлением источника и выходным сопротивлением схемы. Буферный усилитель прекрасно решает эту проблему. Входное сопротивление неинвертирующего входа КМОП ОУ может достигать значения 1013 Ом. В то же время выходное сопротивление буферного усилителя обычно не превышает 10 Ом.

Еще один вариант использования буферного усилителя – изоляция чувствительной прецизионной схемы от источника тепла, как показано на рисунке 2. Представьте, что схема, к которой подключен буферный усилитель, усиливает сигнал величиной 100 мкВ.

Рис. 2. Развязка нагрузки с использованием буферного усилителя

Усиление подобных сигналов – непростая задача, независимо от требуемой точности. При таких прецизионных измерениях из-за изменения выходного тока схемы усилителя может легко возникнуть погрешность. Увеличение тока нагрузки вызывает саморазогрев кристалла, что в свою очередь приводит к росту напряжения смещения. В таких ситуациях для управления мощной нагрузкой лучше использовать отдельный аналоговый буфер, а входным каскадам оставить только прецизионные измерения.

Усиление аналоговых сигналов

Буфер позволяет решить многие проблемы, связанные с передачей аналогового сигнала, однако на практике часто возникает необходимость усиления сигнала. Для этого можно использовать усилители двух типов. В усилителе первого типа, схема которого приведена на рисунке 3, сигнал не инвертируется. Этот вариант усилителя очень удобен для схем с однополярным питанием, в которых отрицательные сигналы, как правило, отсутствуют.

Рис. 3. Неинвертирующий усилитель на ОУ

Примечание. Когда в данной публикации говорится об однополярном питании, то подразумевается, что отрицательный вывод питания операционного усилителя соединен с общим проводом, а положительный вывод питания подключен к линии +5 В. Все рассуждения в этой статье можно экстраполировать и на другие значения напряжения питания, если напряжение однополярного источника превышает 5 В или же если используется двуполярное питание.

В данном случае входной сигнал подается на высокоимпедансный неинвертирующий вход операционного усилителя. Выходное напряжение данной схемы определяется по формуле 1:

$$V_{OUT}=\left(1+\frac{R_{2}}{R_{1}} \right)\times V_{IN}\qquad{\mathrm{(}}{1}{\mathrm{)}}$$

В схемах с однополярным питанием значение сопротивления резистора R2, как правило, берется не менее 2 кОм. Сопротивление резистора R1 выбирается исходя из требуемого значения коэффициента усиления с учетом уровня шумов операционного усилителя и входного напряжения смещения, указанных в технической документации на ОУ. Стоит отметить, что данная схема имеет некоторые ограничения, касающиеся величины входного и выходного сигналов. Так, напряжение на неинвертирующем входе ОУ не должно превышать максимально допустимого для данного ОУ значения синфазного напряжения. Размах выходного сигнала ОУ также ограничен; допустимый диапазон указывается в технической документации на усилитель. Как правило, большая часть ошибок возникает из-за ограничения слишком большого выходного сигнала усилителя, а не из-за слабого сигнала на входе. При возникновении ограничения выходного сигнала коэффициент усиления схемы следует уменьшить.

Схема инвертирующего усилителя приведена на рисунке 4. Эта схема усиливает и инвертирует сигнал, поданный на входной резистор (R1). Выходное напряжение этой схемы определяется по формуле 2:

$$V_{OUT}=-\left(\frac{R_{2}}{R_{1}} \right)\times V_{IN}+\left(1+\frac{R_{2}}{R_{1}} \right)\times V_{BIAS}\qquad{\mathrm{(}}{2}{\mathrm{)}}$$

Рис. 4. Инвертирующий усилитель на ОУ

Сопротивления резисторов R1 и R2 выбираются из тех же соображений, что и для схемы неинвертирующего усилителя, приведенной на рисунке 3.

При использовании этой схемы в условиях однополярного питания легко допустить ошибку. Пусть, к примеру, R2 равен 10 кОм, R1 равен 1 кОм, VBIAS равно 0 В, а напряжение на входном резисторе R1 равно 100 мВ. В этом случае выходное напряжение, казалось бы, должно быть равно -1 В. Однако это значение выходит за границы диапазона выходного напряжения ОУ, поэтому на выходе ОУ установится минимально возможное положительное напряжение.

Для решения этой проблемы следует добавить в схему источник напряжения смещения VBIAS. Вернемся к предыдущему примеру. Если бы мы подали на вход VBIAS напряжение 225 мВ, то выходной сигнал оказался бы смещен на 2,475 В. Соответственно, вместо отрицательного напряжения на выходе ОУ было бы напряжение 2,475 В – 1 В = 1,475 В. Как правило, схемы рассчитывают таким образом, чтобы среднее значение выходного напряжения ОУ было равно половине напряжения питания VDD/2.

Схемы с однополярным питанием и расщепители питания

Как было показано на примере схемы инвертирующего усилителя (рисунок 4), при однополярном питании часто требуется смещать уровень сигнала, чтобы он оставался в пределах диапазона, определенного потенциалами выводов питания. Такое смещение можно обеспечить с использованием одного ОУ и нескольких пассивных элементов, как показано на рисунке 5. Во многих случаях эту схему можно реализовать на обычном буферном усилителе без конденсаторов частотной коррекции. В других ситуациях, например, при использовании этой схемы в качестве источника опорного напряжения аналого-цифрового преобразователя (АЦП), ее нагрузка будет динамически изменяться. В подобных приложениях напряжение смещения должно оставаться неизменным, иначе может возникнуть ошибка преобразования.

Рис. 5. Расщепитель питания на одном операционном усилителе. Данная схема особенно полезна при однополярном питании

Неизменное напряжение смещения можно легко сформировать, используя делитель напряжения (R3 и R4) или источник опорного напряжения с последующей буферизацией посредством ОУ. Выходное напряжение схемы, приведенной на рисунке 5, определяется по формуле 3:

$$V_{OUT}=V_{DD}\times \left(\frac{R_{4}}{R_{3}+R_{4}} \right)\qquad{\mathrm{(}}{3}{\mathrm{)}}$$

Схема, представленная на рисунке 5, имеет дополнительную цепь коррекции, обеспечивающую работу на большую емкостную нагрузку C1. Такая большая емкость используется потому, что имеет очень маленькое сопротивление переменному току по входу опорного напряжения АЦП. Этот конденсатор сглаживает кратковременные скачки тока, которые обязательно присутствуют на входе опорного напряжения АЦП.

Дифференциальный (разностный) усилитель

Дифференциальный усилитель представляет собой сочетание неинвертирующего и инвертирующего усилителей (рисунки 3 и 4). Схема дифференциального усилителя приведена на рисунке 6.

Рис. 6. Дифференциальный усилитель на ОУ

Выходное напряжение этой схемы определяется по формуле 4:

$$V_{OUT}=\left(V_{1}-V_{2} \right)\times \left(\frac{R_{2}}{R_{1}} \right)+V_{REF}\qquad{\mathrm{(}}{4}{\mathrm{)}}$$

Данная схема будет усиливать разность двух сигналов с хорошей точностью с условием, что выходное сопротивлении источников этих сигналов мало. Если выходные сопротивления этих источников окажутся большими по сравнению с сопротивлением R1, то уровень сигнала на входах ОУ снизится из-за влияния делителя напряжения, созданного выходным сопротивлением источника и входными резисторами дифференциального усилителя. Помимо этого, погрешности могут создавать различные значения выходных сопротивлений источников сигналов. Коэффициент усиления данной схемы может превышать или равняться единице.

Суммирующий усилитель

Суммирующие усилители (рисунок 7) используются, когда необходимо объединить несколько сигналов путем их сложения или вычитания. Дифференциальный усилитель, обрабатывающий только два сигнала, представляет собой частный случай суммирующего усилителя.

Рис. 7. Суммирующий усилитель на ОУ

Выходное напряжение этой схемы определяется по формуле 5:

$$V_{OUT}=\left(V_{1}+V_{2}-V_{3}-V_{4} \right)\times \left(\frac{R_{2}}{R_{1}} \right)\qquad{\mathrm{(}}{5}{\mathrm{)}}$$

На инвертирующий и неинвертирующий входы ОУ в этой схеме можно подавать любое равное количество сигналов через резисторы с одинаковым сопротивлением.

Преобразователь тока в напряжение

Операционный усилитель может применяться для преобразования токового сигнала от датчика, такого как фотодиод, в напряжение. Для этого в цепь обратной связи включается единственный резистор и (опционально) конденсатор, как показано на рисунке 8.

Свет, попадая на фотодиод, вызывает протекание через него обратного тока. При использовании операционного усилителя, изготовленного по технологии КМОП, который обладает высоким входным сопротивлением, весь ток фотодиода (ID1) будет течь по цепи с наименьшим сопротивлением – через резистор обратной связи R2. А благодаря очень малому входному току смещения КМОП-усилителей (обычно менее 200 пА), обусловленная им погрешность также будет невелика. Неинвертирующий вход операционного усилителя подключен к общему проводу, то есть все сигналы в схеме отсчитываются относительно общего провода. Обе схемы будут работать только в том случае, если ОУ допускает подачу на свои входы нулевого синфазного напряжения.

На рисунке 8 приведены две схемы. Верхняя схема обеспечивает измерение освещенности с высокой точностью. В ней напряжение на фотодиоде близко к нулю и равно напряжению смещения операционного усилителя. При такой конфигурации основным источником тока, протекающего через резистор R2, является воздействие света на фотодиод.

Рис. 8. Преобразователь тока в напряжение на ОУ и одном резисторе: схема (а) измерения освещенности обеспечивает повышенную точность, а схема (б) обладает повышенным быстродействием

Схема измерения освещенности, изображенная в нижней части рисунка 8, обеспечивает более высокое быстродействие. Это достигается путем смещения фотодиода в обратном направлении, в результате чего уменьшается его паразитная емкость. Недостатком данной схемы является увеличенная погрешность по постоянному току из-за большого обратного тока фотодиода.

Однополярное питание операционных усилителей

Если за точку отсчета будет принят положительный полюс батарейки а измеряющий щуп был подключен к минусу то любой вольтметр нам покажет В. Теория это хорошо, но без практического применения это просто слова. Схемы включения операционных усилителей, описанные выше, не являются исчерпывающими, а лишь только призваны дать основные понятия. При превышении напряжения на входе величины основного опорного напряжения, на выходе получается наибольшее напряжение, которое равно положительному питающему напряжению.

Поэтому интегратор может действовать в качестве активного фильтра низких частот.

И в результате мы получаем К сожалению инвертирующий усилитель обладает одним явным недостатком — низким входным сопротивлением, которое равняется резистору R1.

Как следует из схемы на рис.

Скорее она связана с неприятностями, так как в схеме с отрицательной ОС на высокой частоте могут возникать достаточно большие сдвиги по фазе, приводящие к возникновению положительной ОС и нежелательным автоколебаниям. Усилитель с единичным коэффициентом усиления называют иногда буфером, так как он обладает изолирующими свойствами большим входным импедансом и малым выходным.

Более подробно смещение ОУ при однополярном питании рассматривается в [1]. Сигнала поступает на усилитель с бесконечным входным сопротивлением, а напряжение на неинвертирующем входе имеет такое же значение, как и на инвертирующем входе.

Здесь было бы уместно вспомнить транзистор включенный по схеме с ОЭ. В современной измерительной аппаратуре в качестве линейных усилителей используются операционные усилители. Электроника от простого к сложному. Урок 8. Первые схемы на оу. (PCBWay)

Применение базовых схем

Инструментальный усилитель

Инструментальные усилители находят применение в самых разных областях: от медицинского оборудования до промышленных контроллеров. Инструментальный усилитель аналогичен дифференциальному усилителю в том смысле, что он тоже вычитает один аналоговый сигнал из другого, однако его входной каскад построен совершенно иначе. Классическая схема инструментального усилителя на трех ОУ приведена на рисунке 9.

Рис. 9. Инструментальный усилитель на трех ОУ

В этой схеме оба входных сигнала поступают на высокоомные неинвертирующие входы операционных усилителей. Поэтому, в отличие от дифференциального усилителя, данную схему можно использовать в случае, если выходные сопротивления источников сигналов велики и/или различаются. Коэффициент усиления входного каскада определяется сопротивлением резистора RG.

Второй каскад представляет собой обычный дифференциальный усилитель. Этот каскад подавляет синфазное напряжение входных сигналов и вычитает один сигнал из другого. Выходные сопротивления источников сигналов, поступающих на вход дифференциального усилителя, малы, имеют одинаковое значение и их легко контролировать.

Напряжение смещения дифференциального каскада измерительного усилителя можно изменять в широких пределах. В схемах с однополярным питанием напряжение смещения обычно выбирается равным половине напряжения питания. Для формирования напряжения смещения можно использовать расщепитель питания, схема которого приведена на рисунке 5. Выходное напряжение инструментального усилителя определяется по формуле 6:

$$V_{OUT}=\left(V_{1}-V_{2} \right)\times \left(1+\frac{2R_{2}}{R_{G}} \right)\times \left(\frac{R_{4}}{R_{3}} \right)+V_{REF}\qquad{\mathrm{(}}{6}{\mathrm{)}}$$

Другая схема инструментального усилителя показана на рисунке 10. В этой схеме оба ОУ служат для изоляции нагрузки и усиления сигнала. Кроме того, второй ОУ работает как дифференциальный усилитель.

Рис. 10. Инструментальный усилитель на двух ОУ. Эта схема лучше всего подходит, если нужно обеспечить высокий коэффициент усиления (более 3 В/В)

На первый ОУ можно подать напряжение смещения. Как правило, в схемах с однополярным питанием напряжение смещения выбирают равным половине напряжения питания. Выходное напряжение этой схемы определяется по формуле 7:

$$V_{OUT}=\left(V_{1}-V_{2} \right)\times \left(1+\frac{R_{1}}{R_{2}}+\frac{2R_{1}}{R_{G}} \right)+V_{REF}\qquad{\mathrm{(}}{7}{\mathrm{)}}$$

Плавающий источник тока

Плавающий источник тока может пригодиться для задания тока, протекающего через элемент с изменяющимся сопротивлением, например, резистивного термодатчика (RTD). Схема, приведенная на рисунке 11, представляет собой источник тока величиной 1 мА для RTD-датчика, хотя можно установить и любое другое значение тока.

Рис. 11. Плавающий источник тока, построенный на двух ОУ и прецизионном источнике опорного напряжения

В этой схеме из-за наличия резистора R1 напряжение VREF уменьшается на величину VR1. Соответственно, напряжение на неинвертирующем входе верхнего в схеме ОУ равно VREF – VR1. Это напряжение после усиления в два раза дает на выходе ОУ напряжение, равное 2 × (VREF – VR1). При этом выходное напряжение нижнего ОУ схемы составляет VREF – 2 × VR1. Вычитая выходное напряжение верхнего ОУ из напряжения на неинвертирующем входе нижнего ОУ, получаем:

2(VREF – VR1) – (VREF – 2VR1), что равно VREF.

Величина тока, формируемого данной схемой, определяется по формуле 8:

$$I_{OUT}=\frac{V_{REF}}{R_{L}}\qquad{\mathrm{(}}{8}{\mathrm{)}}$$

Фильтры

На входе любого АЦП крайне желательно наличие полосового или низкочастотного фильтра, позволяющего удалить нежелательные составляющие сигнала. Фильтр нижних частот, схема которого приведена на рисунке 12, имеет два полюса, которые можно сконфигурировать таким образом, чтобы получить фильтр Баттерворта. Фильтры Баттерворта имеют плоскую АЧХ в полосе пропускания и хорошие характеристики в целом.

Рис. 12. Активные фильтры нижних частот с двумя полюсами легко реализовать на одном операционном усилителе

С другой стороны, на переходной характеристике фильтра этого типа присутствует небольшой выброс, а также звон. Это может быть проблемой, а может и не быть – все зависит от требований конкретного приложения. Коэффициент усиления этого фильтра определяется сопротивлением резисторов R3 и R4.

Обратите внимание на сходство уравнений для вычисления коэффициента усиления данного фильтра и неинвертирующего усилителя, показанного на рисунке 3.

Фильтры этого типа также называют антиалиасинговыми, если они используются для устранения составляющих сигнала, частота которых превышает половину частоты Найквиста конкретной дискретной системы. Таким образом, из спектра сигнала удаляются высокочастотные помехи, которые в противном случае наложились бы на полезный сигнал.

Коэффициент усиления по постоянному току схемы, приведенной на рисунке 12, определяется по формуле 9:

$$\frac{V_{OUT}}{V_{IN}}=\left(1+\frac{R_{4}}{R_{3}} \right)\qquad{\mathrm{(}}{9}{\mathrm{)}}$$

Полосовой фильтр, схема которого приведена на рисунке 13, имеет частотную характеристику с одним нулем и двумя полюсами и предназначен для обработки речевых сигналов. Фильтр высоких частот первого порядка реализован на конденсаторе C1 и резисторах R1 и R2, соединенных параллельно. Обратите внимание, что резисторы R1 и R2 также образуют делитель, формирующий на неинвертирующих входах операционных усилителей напряжение смещения. Это обеспечивает работу обеих ОУ в линейной области. На втором операционном усилителе U2 и компонентах R3, R4, C3 и C4 реализован фильтр низких частот второго порядка.

Рис. 13. Полосовой фильтр можно реализовать на двух ОУ: первый ОУ будет работать как фильтр верхних частот, а второй – как фильтр нижних частот

Этот фильтр подавляет высокочастотные помехи, которые в противном случае могли бы наложиться на полезный сигнал при аналого-цифровом преобразовании. Выходное напряжение данной схемы определяется по формуле 10:

$$V_{OUT}=V_{IN}\times \left(\frac{R_{3}}{R_{4}} \right)\times \left(\frac{R_{2}}{R_{1}+R_{2}} \right)\qquad{\mathrm{(}}{10}{\mathrm{)}}$$

Для получения дополнительной информации о фильтрах нижних частот ознакомьтесь с руководством по применению AN699 «Anti-Aliasing Analog Filters for Data Acquisitions Systems» («Антиалиасинговые аналоговые фильтры для систем сбора данных»).

Соединяем все вместе

Схема, приведенная на рисунке 14, реализует законченное устройство измерения температуры с однополярным питанием. В этой схеме применены четыре операционных усилителя и 12-разрядный аналого-цифровой преобразователь. В качестве датчика температуры используется RTD-датчик, который требует возбуждения током. Этот ток формируется плавающим источником тока, схема которого была приведена на рисунке 11. Усилительный каскад и антиалиасинговый фильтр реализованы по схеме, приведенной на рисунке 13.

Рис. 14. Законченная схема с однополярным питанием для измерения температуры

Сигнал с RTD-датчика поступает на усилительный каскад, который представляет собой комбинацию инвертирующего и неинвертируюшего усилителей.

С выхода этого усилительного каскада сигнал поступает на фильтр нижних частот второго порядка с коэффициентом усиления 6 В/В. Такое усиление было выбрано в соответствии со входным диапазоном аналого-цифрового преобразователя. Полагая, что частота дискретизации АЦП, также известная как частота Найквиста, равна 75 кГц, частота среза антиалиасингового фильтра (U4) была задана равной 10 кГц. Такой полосы пропускания фильтра достаточно для эффективного подавления составляющих сигнала с частотами, меньшими чем половина частоты Найквиста. В качестве аналого-цифрового преобразователя используется 12-битный АЦП последовательного приближения, выход которого подключен к микроконтроллеру PIC12C509.

Всего один биполярный транзистор

Самая простая схема для буферизации выходного тока операционного усилителя выглядит так:

Рисунок 1 – Схема для буферизации выходного тока операционного усилителя на биполярном транзисторе

А вот соответствующая схема LTspice:

Рисунок 2 – Схема для буферизации выходного тока операционного усилителя на биполярном транзисторе в LTspice

Давайте получим четкое понимание идеи этой схемы, прежде чем двигаться дальше. Входной сигнал подается на неинвертирующий вход операционного усилителя, а выход ОУ подключается непосредственно к базе биполярного транзистора. Операционный усилитель и биполярный транзистор могут использовать один и тот же положительный источник питания, но в этом случае мы предполагаем, что доступны два напряжения – источник питания 5 В для маломощных, малошумящих схем и 12 В для мощной части проекта. Значение резистора нагрузки очень низкое, поэтому выходные напряжения более 200 мВ, приложенные непосредственно к нагрузке, потребуют большего выходного тока, чем может обеспечить LT6203. Транзистор, выбранный в схеме LTspice, может работать с токами около 1000 мА, что означает, что он подходит для напряжений на нагрузке до 5 В.

Ключевым моментом этой схемы является соединение обратной связи. Помните «виртуальное короткое замыкание»: при анализе операционного усилителя в схеме с отрицательной обратной связью мы можем предположить, что напряжение на неинвертирующем входе равно напряжению на инвертирующем входе. Уже одно это говорит нам о том, что выходное напряжение (то есть напряжение на нагрузке) будет равно входному напряжению. Но давайте пойдем немного глубже, чтобы убедиться, что мы действительно понимаем, что происходит; виртуальное короткое замыкание – это своего рода суеверие, которое может отвлечь нас от реальной работы операционного усилителя. Операционный усилитель умножает дифференциальное входное напряжение на очень большой коэффициент усиления. Таким образом, с отрицательной обратной связью операционный усилитель быстро достигает равновесия, потому что большие изменения выходного напряжения уменьшают дифференциальное напряжение, которое вызывает эти самые выходные изменения. В этом состоянии равновесия выход стабилизируется при любом напряжении, что устраняет разницу между напряжениями на инвертирующем и неинвертирующем входах – иными словами, операционный усилитель автоматически регулирует свой выходной сигнал любым способом, необходимым для того, чтобы Vвх– было равно Vвх+.

В контексте этой схемы буферизации выходного сигнала операционный усилитель автоматически генерирует любое выходное напряжение, необходимое для того, чтобы сделать напряжение эмиттера биполярного транзистора равным входному напряжению. Подумайте, насколько сложно это было бы в ситуации разомкнутой петли – каким-то образом необходимо было бы рассчитать соотношение между входным и выходным сигналами усилителя, чтобы компенсировать падение напряжения база-эмиттер биполярного транзистора, которое не является ни линейным, ни предсказуемым. Но с операционным усилителем и некоторой отрицательной связью проблема становится тривиальной.

Давайте подкрепим это понимание идеи парой симуляций. Первая не очень захватывающая; она просто подтверждает, что выходное напряжение следует за входным напряжением (график входного напряжения Vin скрыт под графиком выходного напряжения Vout):

Рисунок 3 – График входного и выходного напряжений схемы

На следующем графике показано, что должно быть на выходном выводе операционного усилителя, чтобы обеспечить нужное напряжение на нагрузке.

Рисунок 4 – График входного напряжения схемы, выходного напряжения операционного усилителя и выходного напряжения схемы

Подводные камни проектирования схем с ОУ

В этой части руководства перечислены типичные проблемы, связанные с работой операционных усилителей, установленных на печатную плату. Эти проблемы разбиты на четыре категории:

• общие советы;
• входные каскады;
• ширина полосы пропускания ОУ;
• ОУ класса «rail-to-rail» при однополярном питании.

Общие советы

• Соблюдайте осторожность при выборе напряжений, подаваемых на выводы питания ОУ. Не превышайте значений, указанных в спецификации на операционный усилитель, и, в то же время, не делайте их слишком маленькими. Высокие значения напряжений приведут к повреждению компонента, а низкие не смогут обеспечить требуемое смещение транзисторов на кристалле ОУ, необходимое для нормальной работы усилителя.
• Убедитесь, что отрицательный вывод питания (обычно – земля) действительно подключен к шине с низким потенциалом. Кроме того, убедитесь, что источник положительного напряжения действительно обеспечивает требуемое напряжение относительно отрицательного вывода питания ОУ. Для проверки подключите вольтметр между отрицательным и положительным выводами питания ОУ.
• Тщательно проверьте земляную шину, особенно при наличии на плате цифровых узлов. Хорошо продумайте трассировку земляной шины. Если схема содержит много цифровых цепей, подумайте над использованием отдельных слоев земли и питания. Очень сложно, а зачастую просто невозможно убрать из аналогового сигнала помехи, вызванные работой цифровых компонентов.
• Развязывайте цепи питания операционных усилителей с помощью блокировочных конденсаторов, располагая их как можно ближе к ОУ. Для КМОП-усилителей обычно рекомендуется использовать конденсаторы емкостью 0,1 мкФ. Также выполните развязку самого источника питания с помощью конденсатора емкостью 10 мкФ.
• Используйте короткие проводники на входах ОУ. Если вы применяете для макетирования беспаечные макетные платы, то имейте в виду, что они могут стать причиной появления в схеме паразитных шумов и колебаний. Можно надеяться, что эти проблемы не возникнут при реализации схемы на печатной плате.
• Операционные усилители чувствительны к статическому электричеству. Если микросхема будет повреждена, то ОУ либо просто перестанет работать, либо возникнут непонятные погрешности (например, изменится напряжение смещения или входной ток смещения), которые со временем будут только увеличиваться.

Входные каскады

• Учитывайте диапазон входных напряжений вашего ОУ. Если напряжение на любом из входов усилителя выйдет за допустимые пределы, то на выходе, скорее всего, установится напряжение одной из шин питания.
• Если ваша схема имеет большой коэффициент усиления, не забывайте о напряжении смещения ОУ. Это напряжение усиливается вместе с полезным сигналом и может «забить» полезный сигнал на выходе усилителя.
• Не используйте ОУ со входами типа «rail-to-rail», если в этом нет прямой необходимости. Заметим, что такие ОУ обычно требуются только для буферных усилителей и, в некоторых случаях, для реализации инструментальных усилителей. Если схема имеет усиление, то ограничение выходного сигнала в любом случае наступит до возникновения проблем со входом.

Ширина полосы пропускания ОУ

• Учитывайте ширину полосы пропускания ОУ. Если у вас реализован усилитель с коэффициентом усиления 10, а величина выходного сигнала переменного тока намного меньше ожидаемой, то вам, возможно, следует подыскать усилитель с более широкой полосой пропускания.
• Для обеспечения устойчивости ОУ обычно достаточно установить конденсатор параллельно резистору в цепи обратной связи усилителя. Но это помогает не всегда. Если усилитель теряет устойчивость, быстрый ее расчет укажет проблему и, возможно, подскажет пути ее решения.

ОУ класса «rail-to-rail» при однополярном питании

• Операционный усилитель способен отдавать в нагрузку ограниченный ток.
• Емкостная нагрузка опасна для ОУ. Убедитесь, что используемый усилитель рассчитан на нагрузки, имеющиеся в вашей схеме.
• Большая редкость, когда операционный усилитель с однополярным питанием действительно обеспечивает полный размах выходного напряжения. На практике предельные значения выходного напряжения большинства таких усилителей отличаются от напряжения каждой из шин питания на 50…200 мВ. Проверьте это по технической документации на ваш усилитель.

Просто, но без «защиты от дурака»

При такой надежной и понятной схеме всегда существует риск самоуспокоения. Вот некоторые потенциальные проблемы, которые вы должны иметь в виду:

1. Это очевидно, но убедитесь, что биполярный транзистор может справиться с вашим током нагрузки. Например, транзистор 2N2222, который вы найдете среди своих запчастей, вероятно, рассчитан только на постоянный ток коллектора 800 мА.
2. Это не так очевидно: не превышаете ли вы максимальную рассеиваемую мощность транзистора? Эта проблема особенно неуловима, потому что это то, что вы можете не заметить в симуляции – например, симуляции, выполненные в этой статье, как-то не предупредили нас о том, что мы сжигали транзистор 2SCR293P. Максимальная рассеиваемая мощность для этого компонента с «каждым выводом, установленным на опорной земле» (я не совсем уверен, что это значит) составляет 0,5 Вт. В нашей схеме, если Vвых = 3 В, ток через нагрузку будет равен (3 В) / (5 Ом) = 600 мА, а напряжение коллектор-эмиттер на транзисторе составляет 12 В — 3 В = 9 В. Таким образом, рассеиваемая мощность составляет около (600 мА) × (9 В) = 5,4 Вт. Хотя ток коллектора находится в пределах допустимого диапазона, мы превысили максимальную мощность в 10 раз! Вы можете исправить это, используя более низкое напряжение питания, если это возможно, и после этого вам нужно выбрать более мощный транзистор.
3. Когда биполярный транзистор работает в активной области, ток, текущий через базу, приблизительно равен току нагрузки, деленному на коэффициент бета, иначе известный как hFE или коэффициент усиления по току. Таким образом, операционный усилитель все еще должен подавать некоторый ток, и вы можете столкнуться с проблемами, если у вас будет высокий ток нагрузки в сочетании с относительно слабым выходным каскадом операционного усилителя. Например, если ваш ток нагрузки составляет 2500 мА, и вы используете транзистор с hFE = 100, вам потребуется ток базы около 25 мА; а некоторые операционные усилители не способны его обеспечить.
4. Имейте в виду, что выходное напряжение операционного усилителя примерно на 0,7–0,9 В выше напряжения нагрузки. Это необходимо учитывать при выборе напряжения питания операционного усилителя. Например, допустим, вам необходимо напряжение нагрузки в диапазоне от 0 до 4 В. Подходит ли вам напряжение питания 5 В? Возможно, нет: напряжение базы может доходить до 4,9 В; и если размах выходного сигнала операционного усилителя ограничен положительной шиной минус 0,8 В, у вас будут проблемы.
5. Биполярный транзистор начинает входить в режим насыщения, когда напряжение базы превышает напряжение коллектора примерно на 0,5 В, а поскольку напряжение базы примерно на 0,7–0,9 В выше напряжения нагрузки, напряжение коллектора биполярного транзистора (которое в этой схеме такое же, как напряжение питания) должно быть как минимум на (0,9 В – 0,5 В) = 0,4 В выше, чем максимально необходимое напряжение нагрузки. (Эти числа приблизительны и будут варьироваться в зависимости от условий эксплуатации и электрических характеристик транзистора.) Насыщение биполярного транзистора приведет к выравниванию напряжения нагрузки, прежде чем оно достигнет напряжения питания транзистора.

Литература

1. Sergio Franco, “Design with Operational Amplifiers and Analog Integrated Circuits”, McGrawHill, 2001
2. Thomas Frederiksen, “Intuitive Operational Amplifiers: From Electron to Op Amp”, McGraw Hill, 1988
3. Jim Williams, “Analog Circuit Design”, Butterworth-Heinemann, 1991
4. Bonnie Baker, “AN699 – Anti-aliasing Analog Filters for Data Acquisition Systems”, Microchip Technology Inc., DS00699, 1999
5. Bonnie Baker, “AN722 – Operational Amplifier Topologies and DC Specifications”, Microchip Technology Inc., DS00722, 1999
6. Bonnie Baker, “AN723 – Operational Amplifier AC Specifications and Applications”, Microchip Technology Inc., DS00723, 2000

Оригинал статьи

Перевел Андрей Евстифеев по заказу АО КОМПЭЛ

•••

Как избежать проблем с нестабильностью операционных усилителей в приложениях с однополярным питанием

Одиночное или двойное питание?

Несмотря на то, что выгодно реализовать схемы операционного усилителя со сбалансированным двойным источником питания, существует множество практических приложений, где из соображений энергосбережения или по другим причинам работа с однополярным питанием необходима или желательна. Например, аккумуляторная батарея в автомобильном и судостроительном оборудовании обеспечивает только одну полярность. Даже оборудование с питанием от сети, такое как компьютеры, может иметь только однополярный встроенный источник питания, обеспечивающий для системы +5 В или +12 В постоянного тока.При обработке аналоговых сигналов общей чертой работы с однополярным питанием является необходимость в дополнительных компонентах на каждом этапе для соответствующего смещения сигнала. Если это не будет тщательно продумано и выполнено, могут возникнуть нестабильность и другие проблемы.

Распространенные проблемы с подмагничиванием резистора

Приложениям с ОУ с однополярным питанием присущи проблемы, которые обычно не встречаются в схемах с двойным питанием. Основная проблема заключается в том, что если сигнал должен качаться как положительным, так и отрицательным по отношению к «общему», это опорное напряжение нулевого сигнала должно быть на фиксированном уровне между шинами питания.Основным преимуществом двойных источников питания является то, что их общее соединение обеспечивает стабильное нулевое опорное напряжение с низким импедансом. Два напряжения питания обычно равны и противоположны (и часто отслеживаются), но это не абсолютная необходимость. При одном источнике питания такой узел должен быть создан искусственно путем введения дополнительных схем для обеспечения некоторой формы смещения, чтобы поддерживать общий сигнал при соответствующем среднем напряжении питания.

Поскольку обычно желательно, чтобы большие выходные значения ограничивались симметрично, смещение обычно устанавливается в средней точке номинального выходного диапазона усилителя или (для удобства) на половине напряжения питания.Самый эффективный способ добиться этого — использовать регулятор, как показано на рисунке 6; однако популярный метод заключается в снятии напряжения питания с помощью пары резисторов. Несмотря на кажущуюся простоту, с этим есть проблемы.

Для иллюстрации проблемы схема на рис. 1, имеющая несколько конструктивных недостатков, представляет собой неинвертирующий усилитель со связью по переменному току. Сигнал имеет емкостную связь на входе и выходе. Средний уровень входного сигнала со связью по переменному току смещен до V _s /2 парой делителей R _A -R _B , а внутриполосное усиление составляет G = 1 + R2 / R1.«Усиление шума» постоянного тока уменьшается до единицы за счет емкостной связи обратной связи с нулем, установленным R1 и C1, так что уровень постоянного тока на выходе равен напряжению смещения. Это позволяет избежать искажений из-за чрезмерного усиления входного напряжения смещения усилителя. Коэффициент усиления усилителя с обратной связью снижается от (1 + R2 / R1) на высокой частоте до единицы при постоянном токе с частотами излома при f = 1 / [2π R1 C1] и f = 1 / [2π (R1 + R2) C1. ], вводя фазовые сдвиги, которые добавляют к сдвигам, связанным со схемами связи входов и выходов.

Рис. 1. Потенциально нестабильная схема операционного усилителя с однополярным питанием.

Эта простая схема имеет дополнительные потенциально серьезные ограничения. Во-первых, присущая операционному усилителю способность подавлять колебания напряжения питания бесполезна, поскольку любое изменение напряжения питания напрямую изменяет напряжение смещения V _s /2, устанавливаемое резистивным делителем. Хотя это не представляет проблемы при постоянном токе, любой синфазный шум, появляющийся на клеммах источника питания, будет усилен вместе с входным сигналом (за исключением самых низких частот).При усилении 100 20 милливольт пульсации 60 Гц и гул на выходе будут усилены до уровня 1 вольт.

Еще хуже, нестабильность может возникнуть в схемах, где операционный усилитель должен обеспечивать большие выходные токи в нагрузке. Если источник питания не отрегулирован (и не обойден), на линии питания будут появляться значительные сигнальные напряжения. Поскольку неинвертирующий вход операционного усилителя напрямую связан с питающей линией, эти сигналы будут подаваться непосредственно обратно в операционный усилитель, часто в фазовом соотношении, которое будет вызывать «мотор-лодку» или другие формы колебаний.

Хотя использование чрезвычайно тщательной компоновки, байпаса источника питания с несколькими конденсаторами, заземления звездой и печатной платы «силовой плоскости» — все это помогает снизить уровень шума и поддерживать стабильность схемы, лучше внести изменения в конструкцию схемы, которые улучшат отказ источника питания. Здесь предлагается несколько.

Отсоединение сети смещения от источника питания

Один из шагов к решению — обойти делитель напряжения смещения и предоставить отдельный входной возвратный резистор, модифицируя схему, как показано на рисунке 2.Теперь точка ответвления на делителе напряжения блокируется для сигналов переменного тока конденсатором C2, чтобы восстановить подавление подачи переменного тока. Резистор Rin, который заменяет Ra / 2 в качестве входного сопротивления схемы для сигналов переменного тока, также обеспечивает обратный путь постоянного тока для входа +.

Рис. 2. Изолированная схема смещения операционного усилителя с однополярным питанием.

Разумеется, значения R _A и R _B должны быть как можно более низкими; Выбранные здесь значения 100 кОм предназначены для экономии тока питания, как это может быть сделано в приложениях с батарейным питанием.Также следует тщательно выбирать номинал байпасного конденсатора. С делителем напряжения 100 кОм / 100 кОм для R _A и R _B и значением емкости 0,1 мкФ или аналогичным значением для C2 полоса пропускания -3 дБ для импеданса этой сети устанавливается параллельной комбинацией R _A , R _B и C2, равно 1 / [2π (R _A /2) C2] = 32 Гц. Хотя это улучшение по сравнению с рисунком 1, подавление синфазного сигнала падает ниже 32 Гц, обеспечивая значительную обратную связь через источник питания на низких частотах сигнала.Для этого требуется конденсатор большего размера, чтобы избежать «катания на лодке» и других проявлений нестабильности.

Практический подход заключается в увеличении емкости конденсатора C2. так что он достаточно велик, чтобы эффективно обходить делитель напряжения на всех частотах в полосе пропускания схемы. Хорошее практическое правило — установить этот полюс на одну десятую ширины входной полосы по уровню –3 дБ, установленной в R _IN / C _IN и R ₁ / C ₁ .

Коэффициент усиления усилителя на постоянном токе по-прежнему равен единице.Даже в этом случае необходимо учитывать входные токи смещения операционного усилителя. R _IN , последовательно с делителем напряжения R _A / R _B , добавляет значительное сопротивление последовательно с положительной входной клеммой операционного усилителя. Поддержание выхода операционного усилителя близко к среднему источнику питания с использованием обычных операционных усилителей с обратной связью по напряжению, которые имеют симметричные симметричные входы, может быть достигнуто путем балансировки этого сопротивления путем выбора R2.

В зависимости от напряжения питания типичные значения, обеспечивающие разумный компромисс между повышенным током питания и повышенной чувствительностью к току смещения усилителя, варьируются от 100 кОм для одиночных источников питания + 15 В или + 12 В до 42 кОм для питание 5 В и 27 кОм для 3.3 В.

Усилители

, предназначенные для высокочастотных приложений (особенно типов с обратной связью по току), должны использовать низкое входное сопротивление и сопротивление обратной связи для сохранения полосы пропускания при наличии паразитной емкости. Операционный усилитель, такой как AD811, который был разработан для приложений скорости видео, обычно будет иметь оптимальную производительность при использовании резистора 1 кОм для R2. Следовательно, в этих типах приложений необходимо использовать резисторы гораздо меньшего номинала в делителе напряжения R _A / R _B (и более высокие байпасные емкости), чтобы минимизировать входной ток смещения и избежать нестабильности на низких частотах.

Из-за их низкого тока смещения потребность в балансировочных входных резисторах не так велика в приложениях с современными операционными усилителями на полевых транзисторах, если только схема не должна работать в очень широком диапазоне температур. В этом случае балансировка сопротивления на входных клеммах операционного усилителя по-прежнему является разумной мерой предосторожности.

На рисунке 3 показано, как смещение и шунтирование могут применяться в случае инвертирующего усилителя.

Рисунок 3. Схема инвертирующего усилителя с развязкой и однополярным питанием.

Метод смещения резистивного делителя недорогой и поддерживает выходное напряжение постоянного тока операционного усилителя на уровне V _S /2, но подавление синфазного сигнала операционного усилителя по-прежнему зависит от постоянной времени RC, формируемой R _A || R _B и конденсатор C2. Использование значения C2, которое обеспечивает как минимум 10-кратную постоянную времени RC входной цепи RC-связи (R1 / C1 и R _в / C _в ), поможет обеспечить разумный коэффициент подавления синфазного сигнала. С резисторами 100 кОм для R _A и R _B практические значения C2 могут быть довольно небольшими, если полоса пропускания схемы не слишком мала.

Смещение стабилитрона

Более эффективным способом обеспечения необходимого смещения V _S /2 для работы с однополярным питанием является использование стабилитрона, такого как показанный на рисунке 4. Здесь ток подается на стабилитрон через резистор R. Конденсатор. C _N помогает уменьшить генерируемый стабилитроном шум на входе операционного усилителя.

Рис. 4. Неинвертирующий усилитель с однополярным питанием и смещением на стабилитроне.

Следует выбрать стабилитрон с рабочим напряжением, близким к В _S /2.Резистор R _Z должен быть выбран так, чтобы обеспечить достаточно высокий ток для работы стабилитрона при его стабильном номинальном напряжении и поддерживать низкий уровень шума на выходе стабилитрона. Тем не менее, также важно минимизировать энергопотребление (и нагрев) и избежать повреждения стабилитрона. Поскольку вход операционного усилителя потребляет небольшой ток от эталона, рекомендуется выбрать маломощный диод. Лучше всего устройство с номинальной мощностью 250 мВт, но приемлемы и более распространенные типы мощностью 500 мВт. Идеальный ток стабилитрона варьируется от каждого производителя, но практические уровни I _z от 500 мкА (устройство на 250 мВт) до 5 мА (устройство на 500 мВт) обычно являются хорошим компромиссом для этого приложения.

В рабочих пределах стабилитрона схема на рис. 4 в основном обеспечивает низкий импеданс опорного уровня, который восстанавливает отказ источника питания операционного усилителя. Преимущества существенны, но есть цена: потребляется больше энергии, а выход постоянного тока операционного усилителя фиксируется напряжением стабилитрона, а не на уровне V _S /2. Если напряжение источника питания существенно упадет, на больших сигналах может произойти асимметричное ограничение. Также необходимо учитывать входные токи смещения.Резисторы R _{, IN} и R2 должны иметь одинаковое значение, чтобы входные токи смещения не создавали существенную ошибку напряжения смещения.

На рисунке 5 показана схема инвертирующего усилителя, использующая тот же метод смещения стабилитрона.

Рис. 5. Инвертирующий усилитель с однополярным питанием, использующий смещение стабилитрона.

В таблице 1 показаны некоторые распространенные типы стабилитронов, которые можно выбрать для обеспечения половинного смещения питания для различных уровней напряжения питания. Для удобства предусмотрены практические значения R _Z , обеспечивающие 5 мА и 0.Токи устройства 5 мА в цепях 4 и 5. Для снижения шума в цепи оптимальный ток стабилитрона можно выбрать, обратившись к паспорту производителя.

Таблица 1. Предлагаемые номера деталей стабилитронов (типы Motorola) и значения Rz для использования на рисунках 4 и 5.

Напряжение питания	Ссылка Напряжение	Диод Тип	Стабилитрон Ток	Rz Значение Ом
+ 15В	7.5В	1N4100	0,5 мА	15к
+ 15В	7,5 В	1N4693	5 мА	1,5к
+ 12В	6,2 В	1N4627	0,5 мА	11.5к
+ 12В	6,2 В	1N4691	5 мА	1,15к
+ 9В	4,3 В	1N4623	0,5 мА	9.31k
+ 9В	4,3 В	1N4687	5 мА	931
+ 5В	2.4В	1N4617	0,5 мА	5.23k
+ 5В	2,7 В	1N4682	5 мА	464

Смещение операционного усилителя с использованием линейного регулятора напряжения

Для схем операционных усилителей, работающих от стандарта + 3,3 В, необходимо напряжение смещения + 1,65 В.Стабилитроны обычно доступны только до +2,4 В, хотя шунтирующие регуляторы шириной запрещенной зоны AD589 и AD1580 с напряжением 1,225 В можно использовать, как и стабилитроны, для обеспечения фиксированного, хотя и не центрированного, напряжения при низком импедансе. Самый простой способ обеспечить произвольные значения напряжения смещения при низком импедансе (например, V _S /2) — использовать линейный стабилизатор напряжения, такой как ADM663A или ADM666A, как показано на рисунке 6. Его выход можно регулировать. от 1,3 до 16 В и обеспечит низкоомное смещение для однополярных напряжений от 2 В до 16.5 В.

Рис. 6. Схема смещения с однополярным питанием операционного усилителя с использованием линейного регулятора напряжения.

Цепи одинарного питания со связью по постоянному току

До сих пор обсуждались только схемы операционных усилителей со связью по переменному току. Несмотря на то, что при использовании подходящих больших входных и выходных конденсаторов связи, цепь, связанная по переменному току, может работать на частотах значительно ниже 1 Гц, для некоторых приложений требуется настоящая связь по входу и выходу постоянного тока. Цепи, которые обеспечивают постоянное постоянное напряжение при низком импедансе, такие как стабилитроны и регуляторы, описанные выше, могут использоваться для обеспечения напряжения «нулевого уровня».

В качестве альтернативы резисторы смещения V _S /2, показанные на рисунках 1–3, могут быть буферизованы операционным усилителем для создания низкоомной цепи «фантомного заземления», как показано на рисунке 7. Если источником питания является низковольтная батарея. источник, скажем + 3,3 В, операционный усилитель должен быть устройством типа «rail-to-rail», способным эффективно работать во всем диапазоне напряжений питания. Операционный усилитель также должен иметь возможность подавать положительный или отрицательный выходной ток, достаточный для удовлетворения требований нагрузки главной цепи.Конденсатор C2 идет в обход делителя напряжения, чтобы уменьшить шум резистора. Эта схема не должна обеспечивать отказ от источника питания, потому что она всегда будет управлять общей клеммой («землей») при половинном напряжении питания.

Рис. 7. Использование операционного усилителя для обеспечения «фантомного заземления» для приложений с прямым подключением с батарейным питанием.

Проблемы со временем включения цепи

Еще один последний вопрос, который необходимо учитывать, — это время включения цепи. Приблизительное время включения будет зависеть от постоянной времени RC используемого фильтра с самой низкой полосой пропускания.

Все схемы с пассивным смещением, показанные здесь, должны требовать, чтобы цепь делителя напряжения R _A || R _B -C2 имела постоянную времени в 10 раз больше, чем постоянная времени входной или выходной цепи. Это сделано для упрощения схемы (поскольку входную полосу пропускания задают до трех разных полюсов RC). Эта длительная постоянная времени также помогает удерживать цепь смещения от «включения» перед входными и выходными цепями операционного усилителя, тем самым позволяя выходному сигналу операционного усилителя постепенно повышаться от нуля вольт до V _S /2, не приводя к напряжению. положительная подающая шина.Требуемая частота излома 3 дБ составляет 1/10 от частоты R1C1 и R _{, нагрузка} C _{на выходе} . Например: на рисунке 2 для полосы пропускания цепи 10 Гц и коэффициента усиления 10 значение C2, равное 3 мкФ, обеспечивает полосу пропускания 3 дБ, равную 1 Гц.

С R _A || R _B = 50 000 Ом конденсатор емкостью 3 мкФ обеспечивает постоянную времени RC 0,15 секунды. Таким образом, выходу операционного усилителя потребуется от 0,2 до 0,3 секунды, чтобы он стал достаточно близким к V _S /2. Между тем, входные и выходные RC-цепи будут заряжаться в десять раз быстрее.

В приложениях, где время включения схемы может стать чрезмерно большим, лучше выбрать стабилитрон или метод активного смещения.

Компромиссы дизайна для ОУ с однополярным питанием

Аннотация: Тенденция к низковольтным системам с однополярным питанием подпитывается попытками разработчиков сбалансировать зачастую противоречивые цели меньшего размера и стоимости продукта и увеличения срока службы батареи и повышения производительности системы. Эта тенденция может быть полезной для потребителей, но она усложняет задачу выбора подходящего операционного усилителя для конкретного приложения.

Работа с однополярным питанием обычно является синонимом работы при низком напряжении, а переход от ± 15 В или ± 5 В к одиночной шине питания 5 В или 3 В уменьшает доступный диапазон сигнала. Следовательно, гораздо более важными становятся синфазный входной диапазон, размах выходного напряжения, CMRR, шум и другие ограничения операционного усилителя. Как и во всем инженерном деле, вам часто приходится жертвовать одним аспектом производительности системы, чтобы улучшить другой. Следующее обсуждение компромиссов между операционными усилителями с однополярным питанием также объясняет, чем эти низковольтные усилители отличаются от своих предшественников с более высоким напряжением.

Проблемы с входным каскадом

Диапазон входного синфазного напряжения — одна из первых проблем, которую разработчик должен учитывать при выборе операционного усилителя с однополярным питанием. Первый импульс — устранить эту проблему, указав возможность ввода Rail-to-Rail. Однако за истинное железнодорожное сообщение должны быть уплачены определенные штрафы.

Большинство низковольтных операционных усилителей Maxim имеют диапазоны входных синфазных напряжений, которые включают отрицательную шину питания (, таблица 1, ), но только некоторые допускают входы, которые также простираются до положительной шины.Другие допускают входные напряжения только в пределах одного или двух вольт от положительной шины. Операционные усилители, которые пропускают сигналы только на отрицательную шину, будут называться усилителями с датчиком заземления. Усилители, которые позволяют передавать сигналы на любую из шин, будут называться входными усилителями типа Rail-to-Rail.

Таблица 1. Низковольтные операционные усилители Maxim

V

_OS и I _B Проблемы Во многих приложениях усилитель обеспечивает усиление + 2 В / В или более для сигнала, отнесенного к земле.В этих случаях для работы в синфазном диапазоне сигнала обычно достаточно усилителя с датчиком заземления. Если это так, он может обеспечить лучшую производительность, чем тот, у которого есть вход Rail-to-Rail. Типичные входные каскады Rail-to-Rail используют две дифференциальные входные пары вместо одной (, рис. 1, ).

Рис. 1. Входной каскад типа «rail-to-rail» (a) имеет две дифференциальные пары, тогда как стандартный входной каскад с измерением заземления (b) имеет только одну.

По мере того, как входной сигнал перемещается от одной шины питания к другой, усилитель переключается с одной входной пары на другую.В точке кроссовера этот сдвиг может вызвать изменения входного тока смещения и напряжения смещения, которые влияют как на величину, так и на полярность этих параметров. Эти изменения напряжения смещения обычно ухудшают характеристики искажения и прецизионные характеристики усилителей Rail-to-Rail (по сравнению с типами с датчиком заземления). Чтобы свести к минимуму сдвиги напряжения смещения и сгладить переход от одной входной пары к другой, Maxim подрезает смещение своих усилителей типа rail-to-rail как на верхнем, так и на нижнем концах синфазного диапазона.

Чтобы уменьшить напряжения смещения, вызванные входными токами смещения, разработчик должен согласовать импедансы на инвертирующем и неинвертирующем узлах операционного усилителя. Поскольку входные токи смещения обычно больше, чем входные токи смещения, такое согласование импеданса является хорошей практикой для всех типов операционных усилителей, а не только для входных усилителей с размахом шины.

Чтобы проиллюстрировать эту точку зрения, Рисунок 2 показывает изменение входного тока смещения в зависимости от диапазона синфазного сигнала для операционных усилителей семейства MAX4122 – MAX4129 (которые имеют возможность подключения Rail-to-Rail как на входе, так и на выходе).Поскольку синфазное входное напряжение изменяется от 0 В до 5 В, входной ток смещения совершает абсолютное изменение на 85 нА (с -45 нА до + 40 нА). Напротив, спецификация для входного тока смещения составляет всего ± 1 нА. Таким образом, изменения на инвертирующем и неинвертирующем входах (входной ток смещения) точно отслеживают друг друга, несмотря на значительные изменения величины и знака токов смещения. Согласовав импедансы в этих узлах, вы можете минимизировать напряжение смещения, вызванное изменениями входного тока смещения.

Рис. 2. Поскольку синфазное входное напряжение входного усилителя Rail-to-Rail переходит от одной шины питания к другой, входной ток смещения может изменяться как по знаку, так и по величине.

На рисунке 3 показано, как согласовать импедансы в классических инвертирующих и неинвертирующих конфигурациях операционных усилителей. Инвертирующая конфигурация (, рис. 4, ) предлагает один способ устранить изменения входного тока смещения, поддерживая постоянное синфазное входное напряжение усилителя на уровне опорного напряжения (V _REF ).Выход определяется как V _OUT = (-V _IN x R2 / R1) + V _REF (1 + R2 / R1). Если R2 = R1, это становится V _OUT = -V _IN + 2V _REF . Для V _REF = 2 В и V _IN от 0 до 3 В, V _OUT находится в диапазоне от 4 до 1 В. Диапазон синфазного сигнала фиксирован, поэтому ошибки CMR также устраняются. В таблице 2 перечислены ссылки, подходящие для использования в низковольтных системах.

Рис. 3. Согласование сопротивления на инвертирующем и неинвертирующем узлах сводит к минимуму ошибки смещения, вызванные входными токами смещения как для неинвертирующей (a), так и для инвертирующей (b) конфигураций.

Рис. 4. Поддерживая постоянное синфазное входное напряжение, конфигурация инвертирующего усилителя устраняет ошибки подавления синфазного сигнала.

Таблица 2. Низковольтные ссылки Maxim

Скорость нарастания

Скорость нарастания напряжения также может пострадать, когда входной усилитель с прямой связью используется вместо усилителя с датчиком заземления. Более простой входной каскад усилителя с датчиком заземления может использовать преимущества многих схем повышения скорости нарастания напряжения, которые просто недоступны для усилителей с двухпарным входом rail-to-rail.Например, операционные усилители семейства MAX4212 (Таблица 1) имеют входы с датчиком заземления, которые помогают им достичь скорости нарастания 600 В / мкс и ширины полосы 300 МГц при максимальных токах питания всего 7 мА. Если бы у них были входные каскады Rail-to-Rail, а все остальные характеристики остались бы неизменными, скорость нарастания была бы в несколько раз ниже.

Проблемы с выходным каскадом

В то время как для низковольтных схем могут не потребоваться операционные усилители с входными каскадами типа rail-to-rail, они обычно требуют выходных каскадов rail-to-rail, чтобы максимизировать динамический диапазон. Поскольку операционные усилители обеспечивают усиление в большинстве приложений, выходное напряжение обычно больше входного.Таким образом, входной каскад Rail-to-Rail не всегда требуется, но обычно требуется выходной каскад Rail-to-Rail. Эти выходные каскады отличаются от выходных каскадов операционных усилителей с двойным питанием и вызывают другое поведение схемы в выходных усилителях с переходной нагрузкой.

Выходные каскады Rail-to-Rail обычно имеют конфигурацию с общим эмиттером, а стандартные выходные каскады обычно имеют конфигурацию эмиттер-повторитель (, рис. 5, ). Для выходных каскадов с общим эмиттером падение напряжения от входа к выходу относительно невелико (напряжение насыщения одиночный коллектор-эмиттер, или V _{CE (SAT)} ), но классический выходной каскад эмиттер-повторитель не может приблизиться к шина, чем V _{CE (SAT)} (из-за источника тока) плюс V _BE (из-за выходного транзистора).

Рис. 5. Выходной каскад с питанием от шины к шине (a) имеет конфигурацию с общим эмиттером, тогда как стандартный выходной каскад (b) имеет конфигурацию эмиттерно-повторителя.

Поскольку V _{CE (SAT)} биполярного транзистора зависит от тока через транзистор, размах выходного сигнала биполярного операционного усилителя зависит от его тока нагрузки. Таким образом, несмотря на заявления о совместимости с шиной питания, выходной каскад усилителя никогда не достигает шины питания. MAX4122 с нагрузкой 100 кОм, например, колеблется в пределах 12 мВ от положительной шины и 20 мВ от отрицательной шины.Однако при нагрузке 250 Ом он колеблется только в пределах 240 мВ от положительной шины и 125 мВ от отрицательной шины. Для выходных каскадов CMOS аналогией с напряжением коллектор-эмиттер биполярного транзистора является напряжение сток-исток полевого МОП-транзистора, которое возникает из-за произведения сопротивления в открытом состоянии и тока канала в полевом МОП-транзисторе. Таким образом, размах выходного напряжения для выходного каскада MOSFET также является функцией нагрузки.

Коэффициент усиления по отношению к нагрузке

Помимо низкого падения напряжения на входе и выходе, каскад с общим эмиттером усилителя Rail-to-Rail отличается от каскада с эмиттерным повторителем и другими важными способами.Каскады с общим эмиттером обеспечивают усиление по напряжению и имеют выходы с относительно высоким импедансом; Каскады эмиттер-повторитель обеспечивают единичный коэффициент усиления по напряжению и имеют выходы с низким сопротивлением. По этой причине операционные усилители с железнодорожным подключением обычно включают выходной узел как часть компенсационной сети, тогда как стандартные операционные усилители обычно получают свою компенсацию на предыдущем этапе. Для операционных усилителей с питанием от шины питания к сети результирующая зависимость коэффициента усиления от тока нагрузки может сделать их нестабильными при управлении емкостными нагрузками.

Эти свойства выходов rail-to-rail могут быть подавлены с помощью тщательного проектирования операционного усилителя, но компромисс, как правило, заключается в более высоком токе питания, чем требуется для операционных усилителей с выходными каскадами эмиттерного повторителя.Операционные усилители семейства MAX4122 – MAX4129 хорошо подходят для управления емкостными нагрузками (таблица 1). Обладая входами и выходами типа rail-to-rail, которые остаются стабильными при работе с 500 пФ, эти операционные усилители полезны для управления как кабелями с неправильной оконечной нагрузкой, так и емкостными входами аналого-цифровых преобразователей. Функции, которые позволяют им управлять большими емкостными нагрузками, также позволяют им поддерживать хороший коэффициент усиления по напряжению при большом сигнале даже при больших резистивных нагрузках.

Зависимость усиления разомкнутого контура от колебаний выходного сигнала

Как и все операционные усилители, коэффициент усиления без обратной связи для выходного усилителя с прямой связью является функцией размаха выходного напряжения.Таким образом, чтобы оценить выходной усилитель с Rail-to-Rail, вы должны указать коэффициент усиления как при заданном выходном напряжении, так и при заданной нагрузке. Максим указывает на такой способ усиления, но не все производители включают такие данные в свои таблицы данных. Например, операционный усилитель может иметь коэффициент усиления разомкнутого контура 106 дБ и способность управлять нагрузкой 250 Ом с точностью до 125 мВ от шин, но он не может одновременно демонстрировать эти возможности. В таблице данных MAX4122 – MAX4129, например, правильно указаны усиление напряжения большого сигнала и размах выходного напряжения в таблице электрических характеристик (, рис. 6, ).График усиления напряжения большого сигнала в зависимости от выходного напряжения и нагрузки для этих устройств показан на рисунке 7.

Рисунок 6. Правильная спецификация для усиления напряжения большого сигнала включает как нагрузку, так и размах выходного напряжения. Размах выходного напряжения — это функция управляемой нагрузки.

Рис. 7. На этих графиках показана зависимость коэффициента усиления от нагрузки и размаха выходного напряжения для выходных усилителей с прямой схемой подключения.

Операционные усилители с зарядным насосом

Семейство операционных усилителей MAX4162 демонстрирует новый подход к решению проблем стандартного выходного каскада с переходной нагрузкой.Эти операционные усилители имеют классический выходной каскад с эмиттерным повторителем, но достигают выходных сигналов с прямой загрузкой с помощью внутреннего преобразователя с накачкой заряда, который обеспечивает внутреннее напряжение питания для смещения выходного каскада. Преобразователь заряда-накачки также обеспечивает питание других каскадов усилителя. Таким образом, входной каскад имеет стандартную конфигурацию измерения заземления, но позволяет входам переключаться с земли на V _CC . Технические характеристики этого семейства перечислены в таблице 1. Каждое устройство потребляет всего 35 мкА (включая преобразователь накачки заряда), обеспечивая полосу пропускания 200 кГц.Токи питания низкие, но эти усилители могут выдерживать относительно большие нагрузки 20 кОм и 500 пФ.

Поскольку подкачка заряда позволяет создавать операционные усилители со стандартными входными и выходными структурами, такие усилители могут обеспечивать производительность выше, чем у операционных усилителей с разветвлением питания. Операционные усилители с подкачкой заряда имеют очень хорошее подавление синфазного сигнала, и их пара вход-транзистор не подвержена изменениям напряжения смещения, вызванным переключением между входными парами. Кроме того, классический выходной каскад эмиттер-повторитель обеспечивает высокий коэффициент усиления без обратной связи даже при относительно большой резистивной нагрузке.Это также позволяет усилителю оставаться стабильным при работе с большими емкостными нагрузками.

Общие проблемы

Работа с однополярным питанием также усугубляет проблемы шума, смещения и искажений.

Шум

Приложения с однополярным питанием, как правило, имеют низкое напряжение, и более низкие шины питания вынуждают проектировщика соответствующим образом снижать уровень шума только для поддержания отношения сигнал / шум системы. К сожалению, работа с низким напряжением обычно идет рука об руку с режимом работы с низким энергопотреблением, и по мере уменьшения тока питания шум усилителя имеет тенденцию к увеличению.При прочих равных условиях усилитель с меньшим шумом требует более высокого рассеяния мощности.

Чтобы оценить шум операционного усилителя, рассмотрите все источники шума: шум входного напряжения, шум входного тока и тепловой шум, вызванный резисторами настройки усиления. Рисунок 8 иллюстрирует эти источники шума с ОУ с обратной связью по напряжению. C1 — паразитная емкость на инвертирующем входе операционного усилителя, C2 ограничивает усиление шума и ширину полосы сигнала на более высоких частотах, а R1 / R2 — стандартные резисторы, устанавливающие усиление.R3 уравновешивает сопротивления инвертирующих и неинвертирующих входов.

Рисунок 8. Основные источники шума в операционном усилителе с обратной связью по напряжению показаны на рисунке.

На низких частотах коэффициент усиления шума равен 1 + R2 / R1 (, рис. 9, ). Коэффициент усиления шума видит свой первый ноль на частоте, заданной как 1 / 2ΠR1C1, затем увеличивается на 6 дБ на октаву, пока не достигнет полюса, вызванного C2. На этом полюсе (1 / 2ΠR2C2) коэффициент усиления шума ровный и равен 1 + C1 / C2. Затем коэффициент усиления шума перехватывает коэффициент усиления без обратной связи усилителя и падает до 6 дБ на октаву (стандартный однополюсный спад усиления без обратной связи усилителя).

Рис. 9. На этом графике показано усиление шума и усиление разомкнутого контура для усилителя на Рисунке 8.

Поскольку шум входного напряжения, шум неинвертирующего тока и шум из-за R3 интегрированы по всей замкнутой цепи. полоса пропускания и умноженный на коэффициент усиления шума схемы, вы можете увидеть (из графиков усиления шума и усиления разомкнутого контура), что шум схемы можно минимизировать, выбрав операционный усилитель с более низкой частотой кроссовера с единичным усилением. Для инвертирующего входа токовый шум и тепловой шум из-за R1 и R2 интегрируются только по ширине полосы сигнала (1 / 2ΠR2C2).Поскольку конденсатор C2 отсутствует в операционных усилителях с обратной связью по току, шум для этих типов интегрируется по всей полосе сигнала с обратной связью.

Искажения

Контурное усиление усилителя минимизирует искажения, которые в противном случае были бы результатом нелинейности его передаточной функции от входа к выходу. Поскольку усиление усилителя падает на более высоких частотах, гармонические искажения усилителя увеличиваются.

Таким образом, для данной частоты операционный усилитель может достичь превосходных гармонических характеристик, если он работает в более линейной области с максимальным усилением контура.Обычно это означает смещение выхода от шин питания, как на Рисунке 4 (который представляет инверсию и смещение сигнала) или Рисунке 10, (который вводит смещение, но не инвертирует сигнал).

Рис. 10. Обеспечивая как усиление, так и смещение входного сигнала, эта схема смещает выходное напряжение от шин питания.

Метод инвертирования, показанный на рисунке 4, устраняет синфазные нелинейности, поддерживая постоянное синфазное входное напряжение.Эта функция особенно полезна для входных усилителей Rail-to-Rail, нелинейность которых вызывается изменениями синфазного входа (когда входной каскад переключается с одной входной пары на другую).

Снова сфокусируемся на выходном каскаде. Небольшая нагрузка улучшит гармонические характеристики усилителей Rail-to-Rail, поскольку коэффициент усиления является функцией тока нагрузки. Скачок напряжения усилителя также влияет на искажения. Все операционные усилители, как правило, выигрывают от нагрузок, требующих минимального скачка напряжения (внутренние узлы не должны перемещаться слишком далеко, поэтому они, как правило, остаются в своих линейных областях).Скорость нарастания сигнала усилителя, связанная с полосой пропускания полной мощности, также влияет на гармонические искажения. При работе усилителя выше его полосы пропускания полной мощности связанные с этим ограничения скорости нарастания напряжения вызывают серьезные нелинейности.

Создание второй поставки

Высокопроизводительные операционные усилители с однополярным питанием становятся все более распространенными, но для достижения максимальной производительности иногда приходится выбирать усилитель с двумя источниками питания. Выбор типов с двойным питанием шире, потому что системы с двойным питанием доступны дольше, а операционные усилители с двойным питанием не имеют тех же ограничений, что и их собратья с однополярным питанием.

Существует бесчисленное множество методов для создания отрицательного предложения из существующего положительного. Импульсные регуляторы являются наиболее гибкими, но преобразователи напряжения с накачкой заряда предлагают самую простую, самую маленькую и дешевую альтернативу. Поскольку преобразователи с накачкой заряда обеспечивают преобразование напряжения с помощью внешних конденсаторов, а не катушек индуктивности, они превосходно обеспечивают получение целых чисел, кратных входному напряжению (-V _IN , + 2V _IN и т. Д.). Их выходные напряжения обычно не регулируются, но если токи нагрузки относительно малы, выходные напряжения остаются довольно близкими к целому кратному входному.

Поскольку преобразователи с накачкой заряда могут иметь очень низкие токи покоя, они могут быть очень эффективными при малых нагрузках. В рис. 11 преобразователь заряда-накачки сконфигурирован для генерации отрицательного напряжения, которое по величине равно входному, но противоположно по полярности. Варианты перемычек устанавливают частоту внутреннего генератора на 13 кГц, 100 кГц или 250 кГц, что позволяет разработчику найти компромисс между потребляемым током покоя, размером конденсатора накачки заряда или пульсациями выходного напряжения.

Рис. 11. Простые, небольшие и недорогие преобразователи с накачкой заряда могут легко создать отрицательную шину питания из положительной.

% PDF-1.4 % 402 0 объект > эндобдж xref 402 82 0000000016 00000 н. 0000002831 00000 н. 0000002997 00000 н. 0000003652 00000 н. 0000003840 00000 н. 0000003977 00000 н. 0000004109 00000 н. 0000004402 00000 п. 0000004964 00000 н. 0000005640 00000 н. 0000005754 00000 н. 0000005866 00000 н. 0000005959 00000 н. 0000006377 00000 н. 0000006404 00000 п. 0000007006 00000 н. 0000007669 00000 н. 0000008256 00000 н. 0000008644 00000 н. 0000009115 00000 н. 0000009142 00000 п. 0000009571 00000 н. 0000009809 00000 н. 0000010132 00000 п. 0000011589 00000 п. 0000012458 00000 п. 0000012603 00000 п. 0000012747 00000 п. 0000012861 00000 п. 0000014133 00000 п. 0000015693 00000 п. 0000017239 00000 п. 0000017378 00000 п. 0000017515 00000 п. 0000017701 00000 п. 0000019309 00000 п. 0000019448 00000 п. 0000019896 00000 п. 0000019923 00000 п. 0000021949 00000 п. 0000022231 00000 п. 0000022486 00000 п. 0000024359 00000 п. 0000024429 00000 п. 0000024510 00000 п. 0000024779 00000 п. 0000025382 00000 п. 0000039551 00000 п. 0000039632 00000 н. 0000039702 00000 п. 0000043147 00000 п. 0000043623 00000 п. 0000048421 00000 н. 0000048502 00000 п. 0000053391 00000 п. 0000053461 00000 п. 0000053722 00000 п. 0000054017 00000 п. 0000054087 00000 п. 0000054168 00000 п. 0000082169 00000 п. 0000082432 00000 п. 0000082888 00000 п. 0000084999 00000 н. 0000085295 00000 п. 0000085365 00000 п. 0000085446 00000 п. 0000099974 00000 п. 0000100261 00000 н. 0000100623 00000 н. 0000100916 00000 н. 0000100943 00000 н. 0000101300 00000 н. 0000101327 00000 н. 0000101725 00000 н. 0000101752 00000 н. 0000102145 00000 н. 0000102172 00000 н. 0000102488 00000 н. 0000112786 00000 н. 0000002646 00000 н. 0000001975 00000 н. трейлер ] / Назад 482492 / XRefStm 2646 >> startxref 0 %% EOF 483 0 объект > поток hb«`c`g`X Ȁ

Как выбрать операционный усилитель

---

Существуют, вероятно, тысячи операционных усилителей (ОУ).Но какой из них лучше всего подходит для вашего конкретного приложения? В таблице данных есть много чисел и графиков, а также много странных сокращений. Эта статья покажет вам, как преодолеть жаргон и выбрать операционный усилитель, который наилучшим образом соответствует вашим потребностям.

Перед тем, как мы начнем, необходимо упомянуть несколько основных моментов. Во-первых, мы рассмотрим только основные операционные усилители. Мы не будем напрямую рассматривать специальные типы, такие как высокая частота (от 10 до 100 МГц), разность токов или проводимость.Однако, как только вы поймете, что такое базовые операционные усилители, это небольшой шаг к особым типам.

Другой момент заключается в том, что вы должны знать, что нужно вашей схеме. Это кажется очевидным, но иногда это упускается из виду. Попытка использовать пятивольтовый операционный усилитель в цепи на 25 В обычно гарантирует низкую производительность. Говоря более тонко, использование операционного усилителя, который не имеет надлежащего частотного диапазона или слишком шумно, — не редкое явление. Вы должны полностью понимать свои требования, чтобы сделать правильный выбор.

Идеальный операционный усилитель не имеет искажений, не использует значимую мощность, имеет бесконечное усиление, не генерирует шума, имеет бесконечное входное сопротивление (чтобы не было нагрузки на усиливаемый сигнал), имеет бесконечную частотную характеристику, принимает сигналы любого напряжения и , конечно, бесплатно.Хотя современные устройства могут приблизиться к некоторым из этих идеалов, например, входному сопротивлению и малой мощности, ни один усилитель не может достичь их всех.

На рисунке 1 показаны некоторые типичные недостатки операционных усилителей.

РИСУНОК 1. Настоящий операционный усилитель не идеален. Выходной сигнал показывает ряд типичных неисправностей. Обратите внимание, что для простоты проблемы показаны только один раз. Звонок возникает при каждом быстром переходе, при постоянном шуме и т. Д.Вы можете представить, как выглядит выходной сигнал, если бы все эти ошибки были применены ко всему сигналу.

---

(Обратите внимание, что проблемы показаны изолированно для ясности. На самом деле, большинство этих эффектов являются непрерывными и смешанными.) Это означает, что вы должны выбирать между разными усилителями с разными сильными и слабыми сторонами. Это типичная ситуация инженерного компромисса.

Основные характеристики операционного усилителя

Во всех технических паспортах операционных усилителей есть раздел, озаглавленный «Абсолютные максимальные номинальные характеристики».Я называю это «жареными очками», потому что использование устройства на этих (или более высоких) уровнях приведет к его поджариванию. Никогда нельзя превышать эти рейтинги и ожидать чего-нибудь хорошего. Вы всегда должны оставаться ниже этих значений. В таблице данных обычно тем или иным образом указываются стандартные максимальные рабочие уровни.

Во многих таблицах данных указаны «типовые» номера. Хороший инженер почти не обращает на них внимания. Всегда следует использовать наихудшие значения, чтобы гарантировать надлежащую производительность. Если вы просто делаете один элемент для собственного использования, вы можете рискнуть и / или вручную выбрать операционный усилитель для своего проекта.Но такой подход неприемлем в профессиональной среде (за исключением редких и очень особых условий).

Таблица технических характеристик в большинстве технических описаний представлена ​​в алфавитном порядке. Это может быть полезно при поиске определенного значения, но не обеспечивает согласованности информации. Здесь спецификации будут организованы в группы, которые каким-то образом связаны. Будут использоваться четыре основные группы: мощность, вход, выход и частота. Обратите внимание, что эти группы не независимы друг от друга.Определить свой дизайн с помощью этих четырех факторов довольно просто и интуитивно понятно.

Мощность

Прежде всего, необходимо отметить, что на операционном усилителе нет контакта заземления. Таким образом, любые операционные усилители могут работать от одного источника питания. Так почему же для некоторых операционных усилителей требуются положительные и отрицательные источники питания? Это связано с тем, что предполагается, что вход находится на земле, а входные сигналы переменного тока будут перемещаться над и под землей. Понятно, что если входное напряжение превысит любой источник питания (более положительный или более отрицательный), произойдут плохие вещи.Это одно из тех примечаний, которые упоминаются в записи «Абсолютные максимальные рейтинги». Входное напряжение ДОЛЖНО быть в пределах диапазона источника питания. (Подробнее об этом в разделе «Ввод».)

Рабочее напряжение (обозначенное как V + и / или V-) часто указывается в отдельной таблице и / или в тексте спецификации. Когда-то стандартным было напряжение ± 15 В (или даже выше) (биполярные или сдвоенные блоки питания). В настоящее время для многих операционных усилителей требуется от +3 до +15 вольт (однополярный или однополярный).Это по-прежнему означает, что входы операционного усилителя должны находиться в пределах источника питания (хотя операционные усилители, отмеченные как «однополярные», позволяют входу идти на отрицательную шину … обычно на землю).

Таким образом, отрицательные напряжения недопустимы на входах с этой спецификацией единственного источника питания. Кроме того, обычное использование двух девятивольтных батарей (одна для V + и одна для V-) приведет к 18 вольт между клеммами питания. Это превышает точку Fry Point для этих устройств. Так что будьте осторожны, чтобы правильно прочитать спецификации мощности.Очевидно, вы знаете, какие напряжения доступны, поэтому составить эту спецификацию несложно.

Коэффициент отклонения блока питания (PSRR) определяет, насколько чувствителен операционный усилитель к изменениям в блоке питания. Вы не хотите, чтобы шум источника питания (от источников переменного тока) или дрейф (от батарей) влиял на выход. Эта спецификация указана как значение в децибелах (дБ), где каждое увеличение на 20 дБ означает 10-кратное увеличение отношения. Таким образом, значение 60 дБ здесь означает, что изменение напряжения источника питания на один вольт вызовет 0.Изменение выходного напряжения на 001 вольт (или один милливольт).

Это значение зависит от фактического напряжения источника питания, а также от частоты шума. Более высокие рабочие напряжения и более низкие частоты шума обычно приводят к лучшим показателям PSRR. Часто в таблицах данных представлены графики, показывающие эти вариации.

Определить, что вам нужно по этому параметру, не так уж и сложно. Если вы используете операционный усилитель с цифровой логикой (который обычно вызывает большой шум источника питания), вам понадобится операционный усилитель с хорошим рейтингом PSRR.Если ваш операционный усилитель представляет собой полностью аналоговую конструкцию с хорошим регулируемым аналоговым источником питания, то этот параметр, вероятно, не слишком важен.

Ток, необходимый для питания усилителя, определяется как ток питания (Is). Это ток покоя. Это не включает внешние компоненты или какой-либо выходной ток. Если в одном корпусе имеется несколько усилителей, обычно это относится к одному усилителю. Однако в даташите это будет указано. Очевидно, что схемы с батарейным питанием будут работать дольше с усилителем, который потребляет меньше энергии.Иногда это указывается в милливаттах (или микроваттах) как потребляемая мощность (Pd). Таким образом, вам придется преобразовать его в мА (или мкА), используя напряжения источника питания, указанные в таблице.

Вход

Существует множество входных параметров, и эта группа часто содержит наиболее важные элементы, которые определяют производительность операционного усилителя для конкретного приложения.

Первой базовой характеристикой является входное сопротивление (Rin) (иногда его называют входным сопротивлением). Это показывает, какую нагрузку на сигнал накладывает операционный усилитель.Это значение должно быть как можно большим (однако для очень высоких скоростей оно будет относительно низким, поскольку паразитная емкость может значительно повлиять на частотную характеристику). Очевидно, вы не хотите, чтобы операционный усилитель влиял на усиливаемый сигнал. Значения в сотнях МОм являются типичными. Некоторые из новых операционных усилителей имеют настолько высокое входное сопротивление, что его нельзя измерить напрямую … более 10 тераомов! (Тераом, или ТОм, равен 1 000 000 МОм.) (Обратите внимание, что входная емкость обычно не указывается, но она очень мала; порядка пФ или около того… в основном из-за лидов.)

Иногда старые спецификации предоставляют только входной ток смещения (Ib), а не фактическое входное сопротивление. Это говорит о том, какой ток необходим для управления входами. Его можно грубо преобразовать во входное сопротивление, используя закон Ома с напряжением питания. Например: если Ib составляет 170 нА (наноампер), а напряжение питания составляет пять вольт, то закон Ома составляет 5 В = 170 нА x Rin. Решение этой проблемы дает входное сопротивление около 29 МОм.

Входное напряжение смещения (Vos) и входной ток смещения (Ios) звучат аналогично входному току смещения (см. Выше), но очень разные животные.Они относятся к неточности усилителя и должны быть как можно ближе к нулю. Если оба входа операционного усилителя равны нулю, то выход также должен быть нулевым. Но поскольку усилитель несовершенен, на выходе будет некоторое остаточное напряжение. Так почему бы не назвать это ошибкой выходного напряжения? Это связано с тем, что усиление схемы влияет на выход. Схема с коэффициентом усиления 100 увеличит эту ошибку в 100 раз. Вот почему это относится к входу, а не к выходу.Для схемы это выглядит как ошибка постоянного тока на входе. Фактически, определение ошибки смещения — это напряжение (или ток), приложенное ко входу, чтобы заставить выход точно равняться нулю.

Ошибки смещения обычно не слишком важны для цепей переменного тока, потому что эффект рассматривается как фиксированная ошибка постоянного тока. Поскольку цепи переменного тока обычно имеют емкостную связь, проблема постоянного тока решается. Однако большие коэффициенты усиления (около 1000) могут превратить Vos 5 мВ в ошибку 5 В постоянного тока на выходе. Это может привести к тому, что усилитель попытается создать выходное напряжение, превышающее напряжение питания, и приведет к ограничению сигнала.

Ошибки смещения критичны в приложениях постоянного тока, потому что невозможно отделить реальный сигнал постоянного тока от ошибки постоянного тока. Если вы пытаетесь измерить сигнал 5 мкВ от термопары с усилителем с Vos 5 мВ, у вас возникнут проблемы.

С Vos и Ios связано изменение, которое происходит с этими значениями при превышении температуры (TCVos или TCIos). Опять же, это не слишком важно для приложений переменного тока, но, безусловно, может быть важно для чувствительных цепей постоянного тока.Изменение 3 мкВ постоянного тока на градус может сделать вашу схему более чувствительной к температуре, чем термопара!

Есть ограничения на входное напряжение, которое вы можете подать на усилитель и ожидать, что он будет работать должным образом (что отличается от Fry Points). Это называется диапазоном синфазного напряжения (CMVR). Многие (вероятно, большинство) новых усилителей имеют входы «rail-to-rail», которые позволяют использовать любое напряжение вплоть до напряжений V + и V-. И наоборот, многие усилители (особенно старые) ограничивают входное напряжение до фиксированного напряжения, меньшего, чем у источников питания V + и V- (обычно около 1 Ом).5 вольт).

Удерживать входное напряжение на уровне вольт или около того ниже напряжения питания V + несложно. Но если вы используете однополярный источник питания, вам, возможно, также придется поддерживать сигнал на высоте 1-2 вольта над землей. Это может быть нетривиально. Кроме того, это может ограничить диапазон входного напряжения при использовании низкого напряжения. Например, если вы используете один источник питания +5 В, а для усилителя требуется запас напряжения ± 1,5 В, вы должны поддерживать входной сигнал в диапазоне от 1,5 до 3,5 В. Для работы с однополярным питанием имеет смысл выбрать усилитель с «землей» в CMVR.(Обратите внимание, что некоторые старые усилители будут инвертировать сигнал, если он станет более отрицательным, чем отрицательный CMVR!)

Еще одна характеристика, которая кажется похожей, но не является, — это коэффициент подавления синфазного сигнала (CMRR). Имеется в виду ошибка балансировки входов. Теоретически, если инвертирующий и неинвертирующий входы операционного усилителя соединены вместе, выход должен быть нулевым независимо от напряжения, приложенного к входам. Опять же, совершенства достичь невозможно.

CMRR указывается в дБ и часто составляет от 60 до 80 дБ или более.Таким образом, CMRR 60 дБ означает, что может быть ошибка входа 0,1% в балансе между входами. Сигнал в пять вольт, приложенный к обоим входам, или Vcm (с 60 дБ CMRR), будет казаться пятивольтным сигналом, приложенным к одному входу, и сигналом 5.005 вольт, приложенным к другому. Фактическая ошибка вывода зависит от коэффициента усиления схемы.

Ошибка CMRR особенно важна при измерении слабого сигнала, встроенного в большой. Например, для контроля тока источника питания необходимо измерить крошечное падение напряжения на небольшом резисторе при полном напряжении источника питания.Это может повлечь за собой измерение долей милливольта при наличии 10 или более вольт. Однако для большинства несимметричных приложений (где один вход подключен к земле) CMRR не так уж и важен.

Входные характеристики операционного усилителя важны, потому что они должны соответствовать сигналу, который вы хотите усилить. Это немного сложнее, чем требования к питанию, но после того, как вы расшифруете жаргон и аббревиатуры, параметры станут понятными.

Выход

Большой коэффициент усиления сигнала по напряжению (Av или Avo), обычно указываемый как значение в дБ, указывает на максимальное усиление, возможное без какой-либо обратной связи.Эта конфигурация усилителя редко используется как таковая, но этот параметр определяет предел устройства. Очевидно, что если Avo составляет 100 дБ, вы не можете рассчитывать на то, что с этим усилителем будет каскад усиления 120 дБ. В реальной жизни очень редко бывает даже 60 дБ усиления (коэффициент усиления 1000). Иногда Avo указывается как отношение, обычно около 60 В / мВ. Это указывает на усиление 60 000 или около 96 дБ. Современные усилители могут иметь Avo 130 дБ и более. Это коэффициент усиления более двух миллионов!

Максимальная выходная мощность, которую может обеспечить усилитель, обычно указывается как выходной ток короткого замыкания (Isc).Часто это диапазон от 20 до 40 мА. Однако есть некоторые ранние усилители, которые могут обеспечивать лишь несколько мА. Хуже того, некоторые операционные усилители не выдерживают короткого замыкания на выходе, не перегорая. Такая ситуация должна быть указана в таблице данных, но ее может быть трудно найти. Как правило, это обозначается в небольших примечаниях внизу с чем-то вроде: «Продолжение короткого замыкания может привести к чрезмерным температурам матрицы выше максимального номинального значения».

Максимальное выходное напряжение (Vo) никогда не может достигать пределов напряжения (ей) питания.Выход всегда будет ниже. Есть некоторые более новые устройства, которые требуют выходов rail-to-rail. И они подходят к рельсам очень близко — иногда с точностью до нескольких милливольт. Но всегда есть предел. (Между прочим, искажения сильно возрастают, если эти усилители с прямой схемой подключения работают на предельном уровне выходного сигнала.) Обычно напряжение Vo примерно на 1,5 вольт меньше, чем напряжение питания. Таким образом, для пятивольтовой работы с однополярным питанием выходной сигнал не может быть ниже 1,5 вольт или выше 3,5 вольт.

Частота

До сих пор мы обсуждали параметры постоянного тока. Теперь коснемся параметров переменного тока. Это факторы, определяющие, насколько хорошо усилитель реагирует на реальные сигналы. Технические характеристики переменного тока делятся на три основные области: скорость, шум и искажения.

Скорость усилителя можно измерить разными способами, но все они связаны между собой. Наиболее типичными измерениями являются: скорость нарастания (SR), полоса пропускания с единичным усилением (BW) и произведение коэффициента усиления (GBW).По сути, скорость усилителя зависит от того, насколько быстро может измениться выход. SR измеряет скорость, с которой это происходит. Обычно определяется в вольтах / микросекундах. Но здесь есть один нюанс. Если выходной сигнал небольшой, он не перемещается так сильно, как большой сигнал, поэтому небольшой выходной сигнал может реагировать на более высокую частоту. Это требует небольшого обсуждения.

Когда сигнал усиливается, он увеличивает скорость нарастания исходного сигнала, равную величине усиления.Например, если сигнал на один вольт усиливается в 10 раз, то выходное напряжение должно сместиться с нуля до 10 вольт одновременно с тем, как входное напряжение изменится с нуля до одного вольт. Таким образом, скорость нарастания напряжения также увеличивается в 10 раз. Из этого мы видим, что максимальная выходная частота типичного операционного усилителя напряжения напрямую зависит от коэффициента усиления схемы.

Будет определенная высокая частота, при которой усилитель не сможет поспевать за сигналом, а входное и выходное напряжение будут одинаковыми, независимо от конструкции внешней схемы.Это точка, в которой коэффициент усиления равен единице или единице. Поскольку у операционного усилителя самая низкая частота постоянного тока, самая высокая рабочая частота также является полосой пропускания усилителя. Таким образом, мы видим, как получается значение BW.

Прямая связь между SR и усилением означает, что существует простой расчет, который определяет максимальную частоту, достижимую при любом заданном усилении. Видно, что, уменьшив частоту на два (в примере выше), коэффициент усиления схемы можно увеличить на два.Таким образом, произведение усиления и частоты всегда одно и то же. Это GBW.

Если вы хотите усилить сигнал в 100 раз, то максимальная используемая частота составляет 1/100 полосы пропускания. Полоса пропускания и ширина полосы пропускания одинаковы для особого случая, когда коэффициент усиления равен единице. (Обратите внимание, что максимальный коэффициент усиления ограничен коэффициентом усиления без обратной связи (Av) усилителя.)

Поскольку этот параметр часто упускают из виду, рассмотрим простой пример. Предположим, вы разрабатываете волоконно-оптический интерфейс.Скорость переключения составляет 100 кГц, и вам нужно усилить оптический сигнал на 1000, чтобы сделать его достаточно большим для запуска вашей цифровой схемы. Насколько быстрым должен быть усилитель?

Чтобы определить это, просто умножьте коэффициент усиления и частоту вместе. Результат — 100 МГц. Вам нужен усилитель с полосой пропускания 100 МГц. Поскольку это намного быстрее, чем любой усилитель общего назначения, вам придется либо использовать один дорогой и сложный в использовании высокоскоростной операционный усилитель, либо использовать несколько каскадов усиления.В этом случае два каскада усиления по 32 дадут коэффициент усиления 1024 и потребуют двух усилителей — каждый с полосой пропускания 3,2 МГц. Многие обычные и недорогие операционные усилители имеют эту GBW.

Есть несколько типов шума. И обсуждение шума операционного усилителя может быстро стать очень техническим и подробным. Однако мы кратко рассмотрим два важных типа шума. Это шум напряжения (En) и шум тока (In). За исключением того факта, что один из них представляет собой ток, а другой — напряжение, эти источники шума обрабатываются одинаково.Оба рассматриваются относительно входа. Это означает, что они будут увеличиваться с увеличением усиления или усиления. Усилитель с коэффициентом усиления 100 будет иметь в 100 раз больше шума, чем указано.

Другой момент в этой спецификации заключается в том, что шум связан с полосой пропускания системы. Таким образом, они определяются с помощью «квадратного корня из Гц» в знаменателе (также называемого корнем в герцах). Широкополосный контур будет иметь больше шума, чем узкополосный.

Существует ряд других типов шума, а также многие другие факторы шума.Цель этого обсуждения состоит только в том, чтобы дать общее представление о том, как определяются эти значения шума. Очевидно, что усилитель с низким уровнем шума предпочтительнее усилителя с большим уровнем шума. Но здесь выходит за рамки обсуждения того, как определить, является ли шум тока или напряжения наиболее важным в вашей цепи, как определить лучшую полосу пропускания для вашей схемы и т. Д.

Последний набор спецификаций относится к искажениям, создаваемым усилителем. Все чаще искажения усилителя прямо указываются в таблице данных, что является очень простым методом.(Обычно это не так.) Общее гармоническое искажение (THD) указано в процентах. Обычно это очень низкое значение порядка 0,01% или лучше.

Другой метод определения того, насколько точно усилитель реагирует на сигнал, — это параметр «переходная характеристика». Это определяет, как усилитель реагирует на резкое изменение. Практически все операционные усилители в этой ситуации будут демонстрировать выбросы. Это превышение указано в процентах от выходного сигнала. Типично несколько процентов или выше.

Характеристики переменного тока гораздо более тонкие и сложные, чем характеристики постоянного тока. Однако вы обязательно должны знать, какие требования к частоте вам нужны. Факторы шума важны в широкополосных схемах с высоким коэффициентом усиления. Большинство операционных усилителей имеют вполне приемлемые уровни искажений. Однако, если вы используете их для согласования сигнала с 16-битным аналого-цифровым преобразователем (это одна часть из 65 536), вам потребуется THD 0,001% или выше.

Графики

Наконец, в таблице данных отображается много графиков.Это связано с тем, что многие параметры меняются в зависимости от частоты, напряжения, температуры и т. Д. Эти графики показывают, как ожидается изменение производительности операционного усилителя. Обратите внимание, что это обычно типичные значения, поэтому не ожидайте, что ваша конкретная единица измерения в точности соответствует этим измерениям. Графики представлены для обозначения тенденций ответа, а не спецификации ответа. Например, может быть важно знать, увеличивается или уменьшается входной ток смещения с температурой и примерно на сколько.

Стоимость против производительности

Операционный усилитель LM741 можно купить примерно за четверть.И, честно говоря, этого может хватить на задачу. Но он имеет входное сопротивление всего 300 000 Ом, требует двух источников питания, плохо дрейфует с температурой, а шум даже не указывается. Ты получаешь то, за что платишь.

Я открыл свой National Semiconductor Data Book более или менее случайно и нашел LPC660. Он имеет примерно такую ​​же скорость, как LM741, и стоит около 3 долларов. Но за эту цену вы получаете четыре усилителя в одной упаковке, поэтому стоимость одного усилителя составляет всего около 0 долларов.75. Это усилитель с одним источником питания (от 5 В до 15 В) с выходами rail-to-rail, входным сопротивлением> 1 тераом, дрейф 1/10 от LM741, и потребляет около 1 мВт тока на усилитель (около 1/100 LM741). (Экономия на стоимости батареи намного перевешивает увеличение цены операционного усилителя.)

Цель этого краткого сравнения — показать, что аналоговая электроника претерпела существенные изменения. Поистине удивительно, что можно купить за доллар или два. Но если вы не знаете, что искать, вы не сможете найти лучшее за свои деньги.Если вы хотите, чтобы ваш проект или продукт обеспечивали максимальную производительность и наиболее рентабельно, найдите время, чтобы узнать, что доступно. Приложив немного усилий с самого начала, вы получите невероятные аналоговые характеристики.

Заключение

Для выбора операционного усилителя необходимо согласовать свои потребности с таблицей данных операционного усилителя. Слепое предположение, что любой операционный усилитель будет работать в любой схеме, приведет только к разочарованию и разочарованию. И наоборот, использование подходящего операционного усилителя может позволить вам делать то, о чем вы даже не подозревали. NV

---

Сдвиг уровня

— обзор

Обратная связь по току с использованием вакуумных трубок

Рисунок 1-16 представляет собой адаптацию из статьи 1937 года об усилителях обратной связи Фредерика Э. Термана (см. Ссылку 2). Обратите внимание, что резистор обратной связи R2, связанный по переменному току, для этого двухкаскадного усилителя подключен к низкоомному катоду T1, входному каскаду вакуумной лампы на пентоде. Подобные примеры ранних ламповых схем с использованием катодной обратной связи можно найти в ссылке 3.

Рисунок 1-16. Схема обратной связи на вакуумной лампе 1937 года, разработанная Фредериком Э. Терманом, использующая обратную связь по току на низкоомный входной катод

(адаптировано из ссылки 2)

Конструкция операционного усилителя со связью по постоянному току с использованием вакуумных ламп была сложной по многим причинам. Одной из причин было отсутствие подходящих переключателей уровня. Многокаскадные операционные усилители либо требовали чрезвычайно высокого напряжения питания, либо страдали от потери усиления из-за резистивных переключателей уровня. В статье 1941 года Стюарт Миллер описывает, как использовать газоразрядные трубки в качестве переключателей уровня в нескольких схемах ламповых усилителей (см. Ссылку 4).Схема, представляющая особый интерес, показана на Рисунке 1-17.

Рисунок 1-17. Схема обратной связи вакуумной лампы 1941 года с использованием обратной связи по току

На изображении 1-17, воспроизводящем схему Миллера, резистор обратной связи R2 и резистор настройки усиления R1 обозначены для ясности, и можно увидеть, что обратная связь идет на катод с низким сопротивлением. входной трубки. Автор предполагает, что усиление усилителя с обратной связью можно отрегулировать от 72 до 102 дБ, изменяя резистор R1, устанавливающий усиление, от 37.От 4 Ом до 1,04 Ом.

Что действительно интересно в схеме Миллера, так это ее частотная характеристика, которая воспроизведена на рисунке 1-18. Обратите внимание, что полоса пропускания с обратной связью почти не зависит от настройки усиления, и схема, безусловно, не демонстрирует постоянного произведения коэффициента усиления и ширины полосы, как можно было бы ожидать от традиционного операционного усилителя с VFB.

Рисунок 1-18. Схема обратной связи 1941 показывает характерную зависимость коэффициента усиления от полосы пропускания CFB

При усилении 72 дБ полоса пропускания составляет около 30 кГц, а при усилении 102 дБ (увеличение на 30 дБ) полоса пропускания падает только до ~ 15 кГц.При усилении 72 дБ на операционном усилителе с VFB 30 кГц можно ожидать, что полоса пропускания упадет на 5 октав до ~ 0,9 кГц при усилении 102 дБ.

Чтобы прояснить этот вопрос о полосе пропускания, на рис. 1-18 для справки был добавлен наклон стандартного операционного усилителя с VFB 6 дБ / октаву (20 дБ / декаду).

Хотя значение этого не упоминается в тексте настоящей статьи, тем не менее, это иллюстрирует популярное применение поведения CFB в конструкции высокоскоростных усилителей с программируемым усилением с относительно постоянной полосой пропускания.

Когда в конце 1950-х — середине 1960-х годов транзисторные схемы в конечном итоге заменили схемы на электронных лампах, архитектура с обратной связью по току стала популярной для некоторых высокоскоростных операционных усилителей. На рис. 1-19 показан операционный усилитель с быстрой установкой, разработанный в Bell Labs в 1965 году для использования в качестве строительного блока в высокоскоростных аналого-цифровых преобразователях (см. Ссылку 5).

Рисунок 1-19. Конструкция твердотельного операционного усилителя с обратной связью по току 1965 года от Bell Labs

Показанная схема представляет собой составной усилитель, содержащий высокоскоростной усилитель переменного тока (показан внутри пунктирного контура) и отдельный контур сервоусилителя постоянного тока (не показан).Резистор обратной связи R2 подключен по переменному току к низкоомному эмиттеру транзистора Q1. Конструкция схемы была несколько неудобной из-за отсутствия хороших высокочастотных PNP-транзисторов, а также требовала наличия стабилизаторов уровня на стабилитронах и нестандартных источников питания.

Технология производства гибридных схем, хорошо зарекомендовавшая себя к 1980-м годам, позволила использовать быстрые, относительно хорошо согласованные транзисторы NPN и PNP для реализации операционных усилителей CFB. Гибриды AD9610 и AD9611 от Analog Devices были хорошими примерами этих устройств, представленных в середине 1980-х годов.

С развитием высокоскоростных процессов комплементарной биполярной ИС в 1980-х (см. Ссылку 6) стало возможным реализовать операционные усилители с обратной связью по постоянному току с использованием транзисторов PNP и NPN, таких как AD846 компании Analog Devices, представленной в 1988 г. ( Рисунок 1-15). Согласование устройств и продуманные методы проектирования схем обеспечивают этим современным операционным усилителям IC CFB отличные характеристики по переменному и постоянному току без необходимости в отдельных переключателях уровня, неудобных напряжениях питания или отдельных контурах сервопривода постоянного тока.

На эти типы конструкций были выданы различные патенты (см., Например, ссылки 7 и 8), но следует помнить, что фундаментальные концепции были установлены десятилетиями раньше.

Photodiode Op-Amp Circuits Tutorial

Рис. 1 Моя основная схема тестирования фотодиода.

by Lewis Loflin

Здесь мы будем использовать операционные усилители или операционные усилители для преобразования тока фотодиода в измеряемое напряжение — это называется трансимпедансом или током в усилитель напряжения.Это позволяет аналого-цифровому порту на микроконтроллере Arduino или PIC измерять интенсивность света.

Здесь во всех случаях используется фотодиод с обратным смещением . Мы не будем использовать фотодиод в гальваническом режиме. Для получения дополнительной информации по этим вопросам см .:

На рис. 1 показана построенная мною базовая тестовая схема. Когда светодиод включен, через фотодиод протекает обратный ток от катода к аноду к базе Q1. Ток усиливается и используется для включения светодиода.Эта схема включения / выключения бесполезна для измерения силы света.

Рис. 2 базовый трансимпедансный усилитель на фотодиоде LM741.

На рис. 2 мы используем LM741 для преобразования тока небольшой утечки в напряжение по формуле Rf * Ip. В зависимости от значения Rf выходное напряжение может быть положительным от 0 до 10 вольт. яркость светодиода пропорциональна интенсивности света на фотодиоде.

Обратите внимание, что это биполярная схема питания.

Фиг.3

Рис. 2 отличается тем, что анод фотодиода подключен к источнику питания -12 В. Это снижает емкость и улучшает отклик при переключении. Обратите внимание, что это демонстрационная схема — для действительно высокоскоростной работы используйте высокоскоростные операционные усилители, такие как Analog Device ADA4817-1 или Burr-Brown OPA640. Также используйте фотодиод с PIN-кодом.

Подробнее о емкости фотодиода см .: Работа и использование фотодиодных схем

Рис. 4

На Рис. 4 мы подключаем катод фотодиода к источнику +12 Вольт.Это создает отрицательное выходное напряжение. Это еще одна схема биполярного питания.

Фиг.5

Вот экспериментальная схема для считывания интенсивности света с помощью фотодиода и Arduino. Максимальное выходное напряжение составляет 5 вольт при питании 7 вольт. Выход 0-5 вольт.

Это однополярная схема.

См. Также «Оптимизация схемы прецизионного фотодиодного датчика» компании Analog Devices. (PDF)

Ардуино

Другие схемы

Самые популярные видео и веб-страницы

Патент США на мостовой усилитель класса G с униполярным источником питания Патент (Патент № 4721919, выданный 26 января 1988 г.)

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

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

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

Усилитель класса G обеспечивает эффективную работу, необходимую для минимизации требований к теплоотводу в усилителе большой мощности. В усилителе класса G первое фиксированное напряжение питания используется на выходной секции до тех пор, пока выходное напряжение не попытается подняться выше напряжения, несколько ниже первого фиксированного напряжения питания, после чего включается второй источник питания с более высоким напряжением по мере необходимости, чтобы следовать усиленный сигнал и позвольте выходному напряжению увеличиться. Превосходная эффективность усилителей класса G по сравнению с классом B описана в литературе, например, в статье Sampei, Ohashi, Ohta и Inoue «Высочайшая эффективность и высококачественный аудиоусилитель с использованием МОП-транзисторов на полевых транзисторах класса G». , IEEE Transactions on Consumer Electronics Vol.CE-24 (3), стр. 300-306, август 1978 г. Усилители класса G использовались в основном в домашних условиях, поскольку они обычно используют как положительные, так и отрицательные источники питания на два напряжения. Такие источники питания легко получить через трансформаторы из дома переменного тока напряжением 115 вольт; но низковольтное однополярное питание автомобиля постоянным током представляет проблему. Мостовые усилители класса G по-прежнему остаются привлекательными для высокомощных приложений с ограниченным пространством из-за более низкого содержания компонентов, а также более высокого КПД.Таким образом, желателен мостовой усилитель класса G, способный работать от униполярных источников питания.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

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

Пиковый детектор соединяет выходы первого и второго усилителей в конфигурации с максимальным выигрышем на входе повторителя напряжения, у которого выходной диапазон определяется вторым униполярным источником питания при более высоком напряжении, чем у первого, и который поддерживает свой собственный выход. заранее определенное напряжение выше более высокого из выходов первого и второго усилителей. Выход повторителя подключен через второе средство однонаправленного тока к выходу полного напряжения делителя напряжения в конфигурации наивысшего выигрыша с первым униполярным источником питания и, кроме того, эффективен при прямом смещении для подачи тока от второго униполярного источника питания.

Входной усилитель имеет диапазон выходного напряжения, определяемый полным выходным напряжением делителя напряжения и рабочим напряжением постоянного тока, полученным на выходе половинного напряжения делителя напряжения. Он имеет дифференциальные выходы, подключенные противофазно ко входам первого и второго усилителей.

Мостовой усилитель класса G по настоящему изобретению, таким образом, питает делитель напряжения, который определяет диапазоны выходных сигналов компонентного усилителя и рабочие напряжения постоянного тока, от первого источника питания, за исключением случаев, когда выходное напряжение превышает заданное напряжение, после чего он переключает ток от второго источника питания. и позволяет напряжению, подаваемому на делитель напряжения, увеличиваться по мере необходимости, чтобы выходное напряжение увеличивалось выше этого заранее определенного напряжения и позволяло рабочему напряжению постоянного тока увеличиваться по мере необходимости, чтобы избежать искажений на нагрузке, даже когда выходы индивидуума первыми и вторые усилители искажают сигнал из-за отсутствия источников питания с противоположной полярностью.Дополнительные детали и преимущества будут очевидны из прилагаемых чертежей и последующего описания предпочтительного варианта осуществления.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

РИС. 1 — принципиальная схема усилителя согласно изобретению.

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

ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНОГО ВАРИАНТА ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ

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

Выход половинного напряжения V R / 2 делителя напряжения подключен к неинвертирующему входу операционного усилителя 14, выход которого соединен с его инвертирующим входом, чтобы сформировать повторитель единичного напряжения. Операционный усилитель 14 с повторителем напряжения обеспечивает дополнительную мощность возбуждения, необходимую для поддержания рабочего уровня постоянного тока других операционных усилителей в цепи. Выход ОУ 14, при напряжении В.sub.R / 2, подключен через резистор 20 к инвертирующему входу операционного усилителя 10 и через резистор 21 к неинвертирующему входу операционного усилителя 10. Точно так же он подключен через резистор 22 к инвертирующему входу операционного усилителя 10. ОУ 11 и через резистор 23 к неинвертирующему входу ОУ 11. Таким образом, рабочее напряжение постоянного тока или напряжение покоя ОУ 10 и 11 равно VR / 2. Резисторы отрицательной обратной связи 25 и 26 подключены к операционным усилителям 10 и 11 соответственно. Таким образом, операционные усилители 10 и 11 подключены и смещены как мостовой усилитель с операционным усилителем 10, имеющим выходное напряжение V.sub.a и операционный усилитель 11, имеющий выходное напряжение Vb. Каждое из напряжений Va и Vb имеет максимальный перепад напряжения между напряжениями несколько выше уровня земли и несколько ниже VR. Если на неинвертирующие входы операционных усилителей 10 и 11 с источником напряжения V B подаются входные сигналы с противоположной фазой, сигналы усиливаются и подаются на нагрузку 12 в противофазе, так что максимальное напряжение на нагрузке почти вдвое превышает VR при работе в типичном мостовом усилителе.

Для повышения эффективности усилителя в музыкальных приложениях, например, в автомобильном радиоприемнике, добавляется дополнительное устройство для обеспечения работы класса G, в котором сигналы меньшей амплитуды усиливаются и подаются на нагрузку 12 в пределах меньшего размаха напряжения. чем в 2 раза В.sub.B, но более мощные сигналы переключаются на источник более высокого напряжения, чтобы напряжение питания операционных усилителей 10 и 11 увеличивалось в течение своей продолжительности, следуя усиленному входу и создавая больший размах напряжения без ограничения. Униполярный источник питания с большим напряжением обозначается V 2B и имеет более высокое напряжение, чем V B, обычно в два раза выше. Напряжение V 2B может быть получено через устройство преобразователя напряжения от источника V B или от полностью отдельного источника. В случае транспортного средства, имеющего источник питания 12/24 В, напряжение V.sub B и V 2B доступны при определенных напряжениях от источников питания 12 и 24 вольт.

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

Желательно, чтобы транзистор 40 был включен для подачи тока от источника питания V 2B, отслеживая при этом более высокие значения V a и V b до того, как последний станет несколько ниже V B. С этой целью для выхода следящего ОУ 33 предусмотрено смещение вверх. Транзистор 36, резистор 37 и резистор 38 составляют умножитель Vbe в цепи отрицательной обратной связи следящего ОУ 33. Поскольку резистор 38 подключен через переход база-эмиттер транзистора 36, и базовый ток транзистора 36 незначителен по сравнению с током через резисторы 37 и 38, общее напряжение на резисторах 37 и 38 равно отношению сопротивлений резисторов 37 и 38, умноженное на V.sub.be транзистора 36, при этом напряжение регулируется величиной сопротивления резистора 37. Подразумеваются стоки 70 и 71 тока на землю от неинвертирующих и инвертирующих входов операционного усилителя 33, которые в стандартной биполярной технологии поддерживают равные токи на землю из этих точек. Следовательно, напряжение на выходе операционного усилителя 33 равно большему из V a или V b минус падение диода на диоде 30 или 31 плюс напряжение на транзисторе 36, определяемое отношением сопротивлений резисторов 37. и 38 плюс V.sub.be транзистора 35. Пока это напряжение минус Vbe транзистора 40 не превышает V B минус падение напряжения на диоде 16, транзистор 40 будет оставаться выключенным и VR будет определяться напряжением V B. Однако, когда выходное напряжение операционного усилителя 33 увеличивается в достаточной степени для прямого смещения перехода база-эмиттер транзистора 40, транзистор 40 включается, и V R будет следовать за пиком более высокого напряжения V a и V.sub.b. Таким образом, выход будет действовать как усилитель класса G, используя источник питания меньшего напряжения для небольших выходов и переключаясь на источник питания с более высоким напряжением только по мере необходимости для более высоких выходных напряжений.Напряжение смещения выбирается таким образом, чтобы второй униполярный источник питания включался задолго до того, как выходной сигнал усилителя достигнет уровня ниже V B, при котором операционные усилители 10 или 11 будут ограничиваться.

В конструкции повторителя напряжения важна разница между выходным напряжением операционного усилителя 33 и пиковым напряжением от первого и второго усилителей. Начиная с пикового напряжения, наблюдается падение напряжения на диоде 30 или 31, в зависимости от того, какой из них активен, увеличение из-за ОУ 33 и падение V be на транзисторе 40 до значения V.sub.R. В контуре обратной связи операционного усилителя 33 падение V be на транзисторе 38 будет компенсировать падение на диоде 30 или 31, если оба являются NPN. Если для 30 и 31 необходимо использовать диод PNP, компенсация не будет точной. Падение Vbe на транзисторе 35 будет компенсировать падение напряжения на транзисторе 40 при эквивалентных уровнях тока. Однако при высоких выходных сигналах усилителя в режиме работы класса G транзистор 40 будет проводить гораздо больший ток, чем транзистор 35, и, таким образом, будет иметь большее значение Vbe. Резистор 37 поэтому настроен для компенсации этого более высокого напряжения V.sub.be транзистора 40 на его максимальных уровнях тока и небольшом несоответствии падения диода диода 30 или 31, так что выход операционного усилителя 33 будет превышать пиковое напряжение, по крайней мере, на величину, достаточно большую, чтобы включить транзистор 40 достаточно для обеспечения требуемых максимальных уровней выходного тока. Однако желательно свести к минимуму превышение разницы напряжений по сравнению с тем, что абсолютно необходимо, поскольку более высокая разность напряжений имеет тенденцию уменьшать выигрыш в эффективности, что и является целью схемы.На практике для источника питания 12/24 вольт и типичных устройств разница или пороговое напряжение составляет около 2 вольт. Таким образом, работа класса G начнется примерно на 2 В ниже V B. Если источники тока 70 и 71 сделать зависимыми от падения V be на транзисторе 40 или от V R, то это пороговое напряжение может быть понижено примерно до 1 В с последующим дальнейшим повышением эффективности усилителя. .

Однако существует дополнительное ограничение схемы, необходимое для предотвращения грубых искажений при включении более высокого напряжения из-за отсутствия отрицательных источников питания.Входной усилитель должен иметь рабочую точку постоянного тока или рабочую точку покоя, полученную на выходе половинного напряжения делителя напряжения, VR / 2, чтобы рабочая точка постоянного тока увеличивалась вдвое меньше, чем VR, чем выше включается источник напряжения. Следовательно, вход содержит пару операционных усилителей 50 и 51, питаемых от V R для определения диапазонов выходного напряжения и обеспеченных рабочим напряжением постоянного тока V R / 2. Неинвертирующий вход операционного усилителя 50 и инвертирующий вход операционного усилителя 51 через входной резистор 53 подключены к выходу операционного усилителя 14.Входное напряжение Vin может подаваться на неинвертирующий вход операционного усилителя 51 и через входной резистор 52 на инвертирующий вход операционного усилителя 50. Операционные усилители 50 и 51 имеют отрицательную обратную связь через резисторы. 56 и 57 соответственно; а выходы операционных усилителей 50 и 51 подключены к неинвертирующим входам операционных усилителей 10 и 11 соответственно через конденсаторы 58 и 60 соответственно.