Дифференциальный усилитель на оу – Операционный усилитель? Это очень просто!

Операционные усилители. Часть 1 | joyta.ru

Операционный усилитель (ОУ) — это основной элемент современной аналоговой электроники. Благодаря отличным характеристикам и простоте расчетов, ОУ очень легки в использовании. Операционные усилители еще называют дифференциальными усилителями, поскольку они могут усилить разность напряжений на входах.

Операционные усилители выпускаются как готовые микросхемы, иногда по одному, а иногда и по несколько штук в одном корпусе. Существует множество видов операционных усилителей, которые отличаются между собой техническими параметрами, что в конечном итоге влияет на целесообразность применения в конкретных схемах.

В теории операционный усилитель имеет идеальные параметры. На практике же их параметры стремятся к идеальным, но все же не достигают их. Использование понятия «идеального» операционного усилителя помогает упростить расчеты.

Этими идеальными параметрами являются:

• бесконечно большое усиление при открытой петли обратной связи;
• бесконечно широкая полоса передаваемых частот;
• бесконечно большое входное сопротивление;
• импеданс равный нулю;
• выходное напряжение равно нулю при равенстве входных напряжений.

Как вы можете видеть, такие параметры не могут быть обеспечены в полной мере, но из года в год ОУ реально все более и более приближаются к идеалу.

Есть несколько основных схем работы операционного усилителя:

• инвертирующий
• неинвертирующий
• вычитание
• сложение
• дифференцирование
• интегрирование
• повторитель напряжения
• аналоговый компаратор

Схема инвертирующего усилителя

Это основная схема, в которой работает ОУ. Работа операционного усилителя характеризуется не только усилением (или ослаблением) входного сигнала, но и изменением его фазы. Усиление обозначается буквой k. Приведенный ниже график показывает влияние операционного усилителя в такой схеме:

Синим цветом представлен график входного сигнала, а красным — график выходного сигнала, причем усиление системы составляет 2 (k=2). Как видно, амплитуда выходного сигнала в два раза выше, чем амплитуда входного сигнала, и также видно, что сигнал перевернут.

Схема такого усилителя достаточно проста, и представлена на следующем рисунке:

Эта схема доказывает, почему операционные усилители являются настолько популярными. Для того, чтобы вычислить значения элементов нам достаточно использовать следующую формулу:

Как видно, резистор R3 не влияет на усиление схемы, и можно было бы обойтись без него, соединив положительный вход усилителя с минусом питания. В данном случае резистор R3 используется в качестве защиты.

Схема неинвертирующего усилителя

В схеме неинвертирующего усилителя ситуация очень схожа с инвертирующим усилителем, с той лишь разницей, что здесь не происходит инверсия сигнала, то есть фаза сохраняется. Приведенный ниже график показывает, что происходит с усиленным сигналом:

Так же, как и в предыдущей схеме, коэффициент усиления равен k=2, а на вход подан синусоидальный сигнал. Как видно, изменению подверглась только амплитуда сигнала.

Ниже приведена принципиальная схема использования операционного усилителя в качестве неинвертирующего усилителя:

Данная схема усилителя также является очень простой, здесь есть два резистора. Входной сигнал подается на положительный вход ОУ. Чтобы рассчитать усиление необходимо применить формулу:

Из формулы видно, что усиление не может быть меньше единицы, т. е. такая схема не позволяет подавить сигнал.

Операционный усилитель в схеме вычитания (дифференциальный усилитель)

Другим типом схемы использования ОУ является дифференциальный усилитель, который позволяет получить разность двух входных сигналов, которая впоследствии может быть усилена. На графике, приведенном ниже, представлен принцип работы системы.

Следующая схема позволяет реализовать такую работу операционного усилителя:

Схема является более сложной по сравнению с предыдущими. Чтобы рассчитать напряжение на выходе, следует применить формулу:

 

Первая часть уравнения отвечает за усиление (или ослабление), а вторая часть — это разница двух напряжений.

Операционный усилитель в схеме сложения

Этот тип функции полностью противоположен функции вычитания. Его интересной особенностью является то, что здесь может быть обработано более двух сигналов. На этом принципе основаны все аудио микшеры.

Как видно на схеме можно суммировать множество сигналов, схема проста и интуитивно понятна. Для расчета используем формулу:

www.joyta.ru

Дифференциальный усилитель: принцип работы

Дифференциальный усилитель (ДУ) используется для усиления разности между двумя входными сигналами. Его можно рассматривать как аналоговую схему, состоящую из двух входов и одного выхода.

Усилители, применяемые в различных электрических и электронных схемах для формирования сигналов и выполнения математических операций, называются операционными усилителями (ОУ). Они являются ключевыми компонентами электронного аналогового компьютера. Их изобретение в начале 1940-х привело к замене механических счетных устройств на тихую и быструю электронику. Многие аналоговые компьютеры опирались на вакуумные трубки, имеющихся в продаже у компании Джорджа Филбрика в 1952 году.

В 1963 году Боб Видлар в Fairchild Semiconductor сделал ОУ на единой интегральной схеме A702 — самого первого монолитного операционного усилителя IC.

Схема транзисторного усилителя

Дифференциальный операционный усилитель может быть собран по схеме, как показано на рисунке ниже, который состоит из двух транзисторов T1 и T2.

В схеме ДУ есть два входа I1 и I2 и два выхода V1out и V2out. Вход I1 подается на базовую клемму транзистора T1, вход I2 — на базовый терминал транзистора T2. Выходы эмиттера транзистора Т1 и транзистора Т2 подключены к общему резистору эмиттера. Таким образом, два входных сигнала I1 и I2 будут влиять на выходы V1out и V2out. Схема состоит из двух напряжений питания Vcc и Vee, но нет заземляющего вывода. Даже при наличии одного напряжения питания, цепь может работать нормально (аналогично при использовании двух напряжений питания). Следовательно, противоположные точки положительного напряжения и отрицательного напряжения питания подключены к земле.

Принципиальная схема работы ДТ

Работа дифференциального усилителя продемонстрирована на схеме на рисунке ниже.

Если входной сигнал (I1) подается на базу транзистора T1, то через резистор, подключенный к транзисторному транзистору T1, появляется положительное падение напряжения, которое будет меньшим. Если входной сигнал (I1) не подается на базу транзистора T1, то через резистор, подключенный к транзисторному транзистору T1, появляется положительное падение напряжения, которое будет большим.

Можно сказать, что инвертирующий выход, выходящий через коллекторный терминал транзистора Т1, основан на входном сигнале I1, подаваемом на базовый терминал T1. Если T1 включен, применяя положительное значение I1, то ток, проходящий через сопротивление эмиттера, увеличивается, когда ток эмиттера и ток коллектора почти равны. Если падение напряжения на сопротивление эмиттера увеличивается, то эмиттер обоих транзисторов идет в положительном направлении. Если эмиттер транзистора Т2 положителен, то основание Т2 будет отрицательным, и в этом состоянии ток будет меньше. И будет меньше падение напряжения на резисторе, подключенном к контакту коллектора транзистора Т2.

Следовательно, для этого положительного коллектора входного сигнала T2 будет идти в положительном направлении. Можно сказать, что неинвертирующий выход, возникающий на коллекторном терминале транзистора T2, основан на входном сигнале, подаваемом в базу T1. Дифференциальный усилитель принимает выходной сигнал между выводами коллектора транзисторов T1 и T2. Из приведенной выше принципиальной схемы предполагается, что все характеристики транзисторов T1 и T2 идентичны, и если базовые напряжения Vb1 равны Vb2 (базовое напряжение транзистора T1 равно базовому напряжению транзистора T2), то эмиттерные токи обоих транзисторов будут равным (Iem1 = Iem2).

Таким образом, общий ток эмиттера будет равен сумме токов эмиттера T1 (Iem1) и T2 (Iem2). Расчет дифференциального усилителя. Iem1=Iem2 Ie= Iem1+Iem2 Vev=Vb-Vb em I em=(Vb-Vb em)/Rem. Таким образом, ток эмиттера остается неизменным независимо от значения hfe транзисторов T1 и T2. Если сопротивления, подключенные к клеммам коллектора T1 и T2, равны, то их коллекторные напряжения также равны.

Краткое описание работы операционного усилителя

Этот усилитель (Op-amp, английский вариант) может быть идеальным с бесконечным коэффициентом усиления и ширины полосы пропускания при использовании в режиме Open-loop с типичным коэффициентом усиления постоянного тока более 100 000 или 100 дБ. Дифференциальный усилитель тока ОУ имеет два входа, один из которых инвертирован. Усиленная разность этих входов выводится на выходе в виде напряжения. Идеальный операционный усилитель имеет бесконечно высокий коэффициент усиления. Это должно выразить символ бесконечности с новым символом. Операционный усилитель работает либо с двойным положительным (+ V), либо с соответствующим отрицательным (-V) питанием, или может работать от одного постоянного напряжения питания.

Два основных закона, связанных с ОУ

Они заключаются в том, что такой усилитель имеет бесконечный входной импеданс (Z = ∞), который приводит к отсутствию тока, втекающего в один из двух его входов и нулевому входному напряжению смещения V1 = V2. У операционного усилителя также есть нулевой выходной импеданс (Z = 0). Оптические усилители определяют разницу между сигналами напряжения, подаваемыми на их два входных терминала, а затем умножают их на некоторый, заранее определенный коэффициент усиления (A). Этот коэффициент усиления (A) часто называют — Коэффициент разомкнутого контура. ОУ могут быть соединены в двух основных конфигурациях — инвертирующий и неинвертирующий.

Для отрицательной обратной связи, если напряжение обратной связи находится в антифазе на входе, общий коэффициент усиления уменьшается. Для положительной обратной связи, когда напряжение обратной связи находится в «фазе», при этом входной сигнал усилителя увеличивается. Подключив выход обратно к отрицательному входному разъему, достигается 100% обратная связь, в результате чего цепь последователя напряжения (буфер) получается с постоянным усилением 1 (Unity). Заменяя резистор с фиксированной обратной связью (Rƒ) для потенциометра, схема будет иметь регулируемый коэффициент усиления.

Технические характеристики

Основные:

1. Входной ток нулевой последовательности (входной ток смещения) в положении покоя, разные токи могут протекать на двух входах. Это на практике означает, что напряжение искажается в случае источников сигнала с высоким внутренним сопротивлением, поскольку источники подвергаются разным уровням напряжения.
2. Входное сопротивление может быть измерено против земли на входах, при условии, что другой вход заземлен. Недостатком здесь являются источники с высоким внутренним сопротивлением, которые частично нагружены входным сопротивлением.
3. Входная емкость — конденсаторы, параллельные входным резисторам. Они оказывают возмущающее воздействие, особенно на высоких частотах, поскольку емкости создают дополнительные параллельные входные сопротивления, которые зависят от частоты. У дифференциального усилителя принцип работы зависит от этого показателя.
4. Низкое усиление (увеличение усиления сигнала) указывает на коэффициент усиления, который получается без обратной связи. Он определяется с сопротивлением нагрузки 2 кОм и колебанием выходного напряжения ± 10 В. На практике указанное значение 200 000 никогда не достигалось и обычно ниже в 10 раз.
5. Коэффициент отклонения напряжения питания. При изменении напряжения питания одного вольта смещение изменяется на 0,3 мкВ. Однако с коэффициентом усиления 300 раз ошибка увеличивается на 0,1 мВ.
6. Качание выходного напряжения. ОУ никогда не может генерировать полное входное напряжение на его выходе. В любом случае максимальное выходное напряжение при входном напряжении ± 15 В будет значительно выше ± 10 В. При нормальных нагрузках около ± 13 В и идеальной — всего на 1 В ниже напряжения питания.
7. Выходное сопротивление — эффективное сопротивление переменного тока на выходе, только для выходных сигналов с низким и смещенным выходом. Практически применимы только в пограничных случаях.
8. Ток короткого замыкания на выходе.
9. Ток питания с помощью разгруженного операционного усилителя, с типом 1,7 мА.
10. Производительность — потери мощности, разумеется, у разгруженного операционного усилителя вызваны током питания и зависят от рабочего напряжения. Дифференциальный усилитель на транзисторах нуждается в определенном времени реакции и ухудшает входной сигнал с перескоком. Это относится к нагрузке 2 кОм || 100 пФ и усилению «единства» (единичное усиление).
11. Скорость нарастания для предотвращения неконтролируемого размаха. Если выходное напряжение изменяется на 10 В, операционному усилителю требуется время обычно 5 мкс. Он становится критическим на высоких частотах, так как его выходной сигнал сильно ослаблен.

Граничные условия применения

Основные:

1. Напряжение питания максимально ± 18В. Большинство цепей работают при ± 15 В, поэтому на безопасной стороне.
2. Максимальная потеря мощности (рассеиваемая мощность) зависит от версии корпуса и максимально допустимой температуры. Простой 8-контактный пластиковый корпус может обрабатывать 310 мВт, 14-контактный двухрядный корпус может работать примерно в два раза больше.
3. Входные напряжения и разности могут находиться в диапазоне -15 … + 15 В. Припой. Во время пайки (пайка) дают нагреться клеммам до 300° C в течение одной минуты. Пайку к клеммам выполняют не одновременно, а один за другим и только после полного охлаждения всего компонента.
4. Короткое замыкание на стороне выхода. По словам производителя, выходное короткое замыкание может длиться бесконечно, если все граничные условия выполнены.
5. Ограничение: температура корпуса не должна превышать 125° C, поэтому температура окружающей среды не должна превышать 75° C

Дифференциальный усилитель с использованием BJT

Принцип его работы показан на приведенной ниже схеме.

Он построен с использованием двух согласующих транзисторов в общей конфигурации эмиттера, эмиттеры которых связаны друг с другом. Простая схема, способная усиливать небольшие сигналы, подаваемые между двумя входами, но при этом подавлять шумовые сигналы, общие для обоих входов.

Дифференциальный усилитель на биполярных транзисторах (BJT) имеет уникальную топологию: два входа и два выхода. Хотя можно использовать сигнал только с одного выхода, разница между обоими выходами обеспечивает вдвое больше выигрыша! И это улучшает подавление синфазного режима (CMR), когда сигнал синфазного сигнала является источником шума или смещением постоянного тока с предыдущего этапа.

Конфигурация транзисторного вычислителя

Основываясь на методах ввода входных и выходных данных, дифференциальные усилители могут иметь четыре различных конфигурации, как показано ниже.

1. Однофазный несбалансированный выход.
2. Единый входной сбалансированный выход.
3. Двойной входной несбалансированный выход.
4. Двойной входной сбалансированный выход.

Принципиальная схема усилителя постоянного тока

При разработке аналоговых строительных блоков (различные типы предусилителей, фильтров и т. д.) важно наряду с разработкой современных решений для глубоких субмикронных технологий, обратить внимание на новые структурные решения традиционных усилительных устройств.

Дифференциальный усилитель постоянного тока (ДУПТ), его выходное напряжение пропорционально разности между двумя входными напряжениями. Это можно представить в форме уравнения следующим образом: V out=A*((Vin+)-(Vin-)), где A = коэффициент усиления.

Практическое применение

В практических схемах ДУ применяется для усиления: импульсов по длинным проводам, звука, радиочастот, управление двигателями и сервомоторами, электрокардиограмм, информации на магнитных накопителях.

Недостатки

Дифференциальный усилитель обладает рядом недостатков, несколько ограничивающих его применение в электронике:

1. Низкая величина входного сопротивления, зависящая от резистора , например, при слабом сигнале с термопары — ДУ даст ошибочный результат измерения.
2. Труднорегулируемый коэффициент усиления, который потребует изменения значения двух резисторов, что практически трудно реализуемо, а ввод в схему дополнительных элементов (потенциометров или мультиплексоров) неоправданно усложнит схему.

fb.ru

Дифференциальные усилители | HomeElectronics

Всем доброго времени суток. В прошлой статье я рассказывал о генераторах пилообразного напряжения с использованием отрицательной обратной связи. Сегодняшняя статья посвящена такому классу электронных схем, как дифференциальные усилители.

Электрический мост – основа дифференциального усилителя

Одним из условий развития современной промышленности производства является широкое внедрение и использования средств автоматики и контроля. Для этого разработано большое количество различных датчиков, которые позволяют контролировать большинство параметров технологических процессов и характеристик выходного продукта.

При современных требованиях к параметрам, выходной сигнала датчиков находится в пределах 0…20 мА, при этом колебания выходного сигнала соизмеримы с колебаниями источников питания устройств контроля (десятки мкА), а частота колебаний может составлять доли Герца. Поэтому применение обычных аналоговых усилителей весьма проблематично, вследствие того, что между каскадами усилителя обычно ставятся разделительные конденсаторы, не пропускающие постоянной составляющей сигнала. Кроме того конденсаторы вносят искажение в выходной сигнал.

Выходом из сложившейся ситуации является использование усилителей выполненных по так называемым балансным (балансно-разностным) схемам. Работа данных схем основана на электрическом мосту с симметричными плечами

Электрический мост с симметричными плечами.

Работа моста описывается следующим выражением

Таким образом, если выполняется данное условие, то при изменении напряжения питания ток в нагрузке остается равным нулю.

Схема дифференциального усилителя

Усилитель, выполненный по схеме электрического моста, называется дифференциальным усилителем и предназначен усиления разности между двумя входными сигналами. Простейшая схема дифференциального каскада усиления представлена ниже

Схема дифференциального каскада усиления.

Данная схема реализует электрический мост, плечи которого составляют резисторы R3 = R7 (коллекторные нагрузки транзисторов) и внутренне сопротивление транзисторов VT1 и VT2 совместно с резисторами R4’, R4’’ и R5. В одну из диагоналей моста подключен источник питания Ек, а в другую нагрузка, подключенная к выходным выводам (Вых.1 и Вых.2). Резисторы R1 = R7 и R2 = R8 служат для задания режимов работы транзисторов, а резисторы R4’, R4’’ и R5 для балансировки моста. Нормальная работа схемы обеспечивается симметрией электрического моста, в этом случае при отсутствии входного сигнала со стороны входа (Вх.1 и Вх.2) напряжение на выходе будет равно нулю в независимости от изменения напряжения питания.

Принцип работы дифференциального усилителя

Как говорилось выше, правильная работа дифференциального усилителя возможна при точной симметрии схемы. В этом случае ток покоя в обоих транзисторах и их изменение имеют одинаковое значение, так же как и напряжения на коллекторах транзисторов VT1 и VT2. Таким образом, при воздействии внешних факторов на транзисторы баланс моста не нарушается, а выходное напряжение не изменяется. В случае воздействия входного напряжения на один или оба входа схемы происходит изменение внутреннего сопротивления одного или обоих транзисторов и происходит разбалансировка моста и изменение выходного напряжения.

В реальных схемах достаточно трудно обеспечить абсолютную симметрию схемы, поэтому для регулировки токов покоя транзисторов используются резисторы R4’ и R4’’, которые иногда объединяют в общий переменный или подстроечный резистор, сопротивление которого составляет

Дифференциальные каскады усиления могут работать как с симметричными, так и с несимметричными входами и выходами. Несимметричным вход называется, в случае если входной сигнал поступает на один из входов (Вх.1 или Вх.2) и общим выводом, а симметричный вход – сигнал поступает между входными выводами. В случае с выходом происходит аналогичное именование: несимметричный выход – один из выходов (Вых.1 или Вых.2) и общий вывод, симметричный выход – между выходными выводами Вых.1 и Вых.2.

Несимметричные дифференциальные каскады обычно используются для перехода от несимметричных каскадов к симметричным каскадам и наоборот.

Основные параметры дифференциальных усилителей

Для дальнейшего повествования необходимо ввести такие понятия как дифференциальные и синфазные сигналы, которые действуют в дифференциальном усилителе.

Дифференциальные сигналы называют сигналы одинаковой амплитуды, но противоположные по фазе, присутствующие на входах дифференциального усилителя независимо от точки заземления усилителя.

Синфазные сигналы – это сигналы, имеющие одинаковую амплитуду и фазу одновременно присутствующие на обоих входах дифференциального усилителя.

Объяснить значение данных сигналов достаточно просто, как указывалось выше, дифференциальный усилитель предназначен для усиления разности между сигналами на его входах. Таким образом, если одновременно на входы усилителя пришли сигналы с разным уровнем напряжения, то это дифференциальные сигналы, а если на входы пришли в один момент времени одинаковые по уровню напряжения сигналы то это синфазные сигналы. Дифференциальные сигналы приходят на вход усилителя, если использовать симметричный вход или несимметричные входа для разных сигналов в схемах сравнения. Синфазными сигналами являются, например, сигнал помехи или тепловые токи, действующие на входы усилителя одновременно с одинаковым уровнем напряжения.

Таким образом, сигналы на входах дифференциального усилителя поступают в виде суммы дифференциального и синфазного сигналов

Следовательно, входной уровень дифференциального сигнала будет равен

а коэффициент усиления дифференциального сигнала будет равен

Аналогично с синфазным сигналом. Входной уровень синфазного сигнала

а коэффициент усиления синфазного сигнала будет равен

Одним из основных параметров характеризующих качество дифференциального усилителя является коэффициент ослабления синфазного сигнала (КОСС)

или же в логарифмической форме

У хороших дифференциальных усилителей К_ОССФ = 10⁴ …10⁶, что составляет 80…120 дБ.

Улучшение параметров дифференциального усилителя

Улучшение параметров дифференциального усилителя, прежде всего, связано с увеличением коэффициента ослабления синфазного сигнала (КОСС). Наиболее простой способ это увеличение сопротивления эмиттерного резистора (R5 на схеме). Но это не всегда возможно, так как для поддержания заданного режима работы транзисторов необходимо увеличивать напряжение питания, и поэтому сопротивление данного резистора редко удается увеличить выше 3…6 кОм. Существует более качественный способ увеличения КОСС – применение источников тока. Одна из возможных схем дифференциального усилителя с транзисторным источником тока представлена ниже

Дифференциальный усилитель со стабилизатором тока в цепи эмиттера.

Улучшение работы дифференциального каскада со стабилизатором тока объясняется следующим образом. Стабилизатор тока в цепи эмиттера дифференциального каскада не даёт изменить суммарный ток транзисторов VT1 и VT2, поэтому входные сигналы, изменяя внутренне сопротивления данных транзисторов, как бы перераспределяют его между транзисторами. Следовательно, синфазные сигналы не изменяют коллекторный ток транзисторов, и выходное напряжение также не изменяется. Дифференциальные сигналы, пришедшие на входы каскада, как бы перераспределяют ток заданный стабилизатором тока, тем самым изменяя выходное напряжение. Например, на выводе Вх.1 напряжение больше, чем на выводе Вх.2, и поэтому ток транзистора VT1 увеличится за счёт тока транзистора VT2, изменяя выходное напряжение.

Расчёт дифференциального каскада усиления

Необходимо рассчитать дифференциальный усилитель со следующими параметрами: изменение входного сигнала ∆U_BX = 10 мВ, сопротивление источника сигнала R_Г = 1 кОм, изменение выходного напряжения ∆U_BbIX = 5 B.

1. Выберем напряжение питания усилителя Eк, которое должно обеспечить заданную амплитуду выходного сигнала и не вводить транзистор в насыщение
2. Выберем тип транзисторов усилительного каскада. Выберем транзистор типа КТ315 со следующими параметрами: U_CEmax = 30 В, I_Cmax = 100 mA, I_CBO = 1 mkA, f_h31e = 250 МГц, h_21e = 100, P_{K max} = 150 мВт.
3. Примем коллекторный ток транзисторов VT1 и VT2 I_C = 1 мA и рассчитаем резисторы устанавливающие режим работы данных транзисторов:
   • — коллекторные резисторы R_C = R3 = R5

     Примем R_C = 7,5 кОм

   • — резисторы в цепи базы R_b1=R1=R7, R_b2=R2=R8

     Примем R_b2=R2=R8 = 10 кОм

     

     Примем R_b1=R1=R7 = 150 кОм

4. Рассчитаем источник стабильного тока согласно данной статье
   • Выберем стабилитрон типа КС139Г со следующими параметрами U_ст.ном. = 3,9 В, I_ст.ном. = 5 мА.
   • — сопротивление резистора R6

     Примем R6 = 2,2 кОм

   • — cопротивление резистора R4

     Примем R4 = 1,6 кОм

5. Определим параметры дифференциального каскада. Для этого определим дифференциальное выходное сопротивление источника стабильного тока

   где r_CE и r_BE – внутренние коллекторно-эмиттерное и базо-эмиттерное сопротивления транзистора

   

   где U_γ – потенциал Эрли, который имеет следующие значения для n-p-n-транзисторов – 80…200 В, для p-n-p-транзисторов 40…150 В
   U_Т – тепловой потенциал, равный 26 мВ для комнатной температуры
   Таким образом, выходное дифференциальное сопротивление источника тока составит

   

   Коэффициент усиления дифференциального сигнала

   

   где R_ВХ – входное сопротивление дифференциального усилителя

   

   где R11 – эквивалентное входное сопротивление
   Rb – эквивалентное базовое сопротивление

   

   тогда

   

   а коэффициент дифференциального усиления составит

   

   Коэффициент усиления синфазного сигнала

   

   Коэффициент ослабления синфазного сигнала

   

К_ОССФ = 55803 раза или 95 дБ, что является достаточно неплохим результатом, так как в случае применения вместо стабилизатора тока обычного резистора порядка нескольких сотен Ом К_ОССФ составил бы 50…60 дБ, что является недостаточным значениемдля современного уровня развития электронных устройств.

Вместо заключения

Закончить статью о дифференциальных усилителях невозможно без рассказа о тех сферах, где они применяются. Как уже понятно из названия, прежде всего это применение в качестве усилителя с большим коэффициентом усиления. Также широко применяются в тех сферах, где обычные усилители неэффективны из-за большого уровня помех. Кроме этого на основе дифференциальных усилителей построены операционные усилители различного назначения, которые имеют коэффициент усиления от 100 тыс. нескольких миллионов, а входное сопротивление составляет порядка нескольких ГИГАОМ. Также дифференциальные усилители применяют прежде всего в схемах усилителей постоянного тока, для которых они и были разработаны в первую очередь, а также в схемах сравнения и так далее.

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

www.electronicsblog.ru

Операционный усилитель | Электроника для всех

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:

U_out=(U₂-U₁)*K

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.

U_out = (0 — U₁)*К = — К*U₁
U_out’ = (-K*U₁ — U₁)*K₁ …

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:

U_out = U₁*(1+R₁/R₂)

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:

U_out = — U_in * R₁/R₂

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:

U_out = U₂*K₂ — U₁*K₁

K₂ = ((R₃+R₄) * R₆ ) / (R₆+R₅)*R₄
K₁ = R₃/R₄

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

U_out = R₃/R₄ (U₂ — U₁).

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

Сумматор инвертирующий

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.

U_out = -1(R₃*U₁/R₁ + R₃*U₂/R₂)

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.

Uout = U₁*K₁ + U₂*K₂

K₁ = R₅/R₁
K₂ = R₅/R₂

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 🙂

easyelectronics.ru

Инвертирующий усилитель на ОУ | Практическая электроника

Инвертирующий усилитель – это собрат НЕинвертирующего усилителя на ОУ. Такой усилитель дает на выходе инвертируемый сигнал.

Схема и ее описание

Базовая схема инвертирующего усилителя с двухполярным питанием выглядит вот так:

Здесь мы видим два резистора и сам ОУ. На вход подаем сигнал, а с выхода уже снимаем усиленный сигнал. Как можно заметить, НЕинвертирующий вход ОУ заземлен. Как же работает схема? Здесь мы видим обратную связь. То есть с выхода сигнал подается обратно на вход через резистор R2. Наш усилитель является инвертирующим, так как сигнал на выходе на 180 градусов сдвинут по фазе относительно входного сигнала. Значит, в узле, где соединяются два резистора и инвертирующий вход, выходной сигнал будет приходить со знаком “минус”. Такая обратная связь называется отрицательной обратной связью (ООС). Она уменьшает высокий коэффициент усиления ОУ до нужных нам значений.

В НЕинвертирующем усилителе обратная связь идет по напряжению, а в инвертирующем усилителе – по току.

Если вы читали статью про ОУ, то, наверное, помните, что если один из входов ОУ соединен с землей, то и другой вход имеем точно такой же потенциал. В данном случае НЕинвентирующий вход у нас соединен с землей, следовательно, на инвертирующем входе будет точно такой же потенциал, то есть 0 Вольт. Такой вход еще называют мнимой (виртуальной) землей. Как говорит на Википедия, “мнимый – это фальшивый, поддельный, ложный”.

Коэффициент усиления по напряжению любого усилителя выражается формулой

Итак, что получаем в итоге?

Входное напряжение из формулы выше

Но так как наш усилитель инвертирует входной сигнал, следовательно, на выходе у нас будет напряжение со знаком “минус”, то есть -Uвых.

В этом случае ток I₂ будет выражаться формулой:

Отсюда находим коэффициент усиления

Так как входное сопротивление инвертирующего входа бесконечно велико, следовательно, ток будет протекать только через цепь R1—>R2. Два разных тока в одной ветви быть не может, поэтому получается, что

В итоге наша формула сокращается и получаем

Симуляция в Proteus

Давайте посмотрим, как работает наш усилитель в программе-симуляторе электронных схем Proteus. Здесь мы собираем базовую схему с двухполярным питанием

В Proteus она будет выглядеть вот так:

Здесь мы взяли значение резисторов R2=10 кОм и R1=1 кОм, следовательно, коэффициент усиления такой схемы будет равен -10. Знак “минус” в данном случае просто инвертирует усиленный сигнал, что мы и видим на осциллограмме ниже. Входной сигнал – это розовая осциллограмма, а выходной – это желтая осциллограмма. Выходной сигнал находится в противофазе относительно входного, то есть инвертирует его. Отсюда и название “инвертирующий усилитель”.

Насыщение выхода

Давайте представим себе такую ситуацию. У нас входное переменное напряжение амплитудой 1 В. Коэффициент усиления 50. По нашим расчетам на выходе мы должны получить сигнал амплитудой 50 В. Но как мы получим 50 В, если питание нашего усилителя, допустим, +-15 В? Усиленный сигнал, амплитудой больше чем 15 В, мы получить не сможем. Хотя типичное падение напряжения во внутренних цепях реальных ОУ составляет около 0,5-1,5 В. То есть максимальный размах сигнала, который мы можем получить в данном случае на выходе будет 27-29 Вольт.

Хотя в настоящее время есть ОУ, которые все-так позволяют получать на выходе +-Uпит. Такое свойство некоторых ОУ называется Rail-to-Rail. В дословном переводе “от рельса до рельса” или “от шины до шины”. Есть такие параметры, как Rail-to-Rail по входу (Rail-to-Rail input). Здесь на вход мы можем подавать сигналы вплоть до Uпит ОУ. Иногда в даташите оговаривается, с отрицательной или положительной шины питания можно подходить к этому параметру. Есть также есть Rail-to-Rail output. Здесь на выходе мы можем получить напряжение +-Uпит.  Если усиленный сигнал на выходе не вписывается в такой диапазон, то он будет срезаться. Такое свойство ОУ называется насыщением выхода. То есть надо всегда помнить, что  если амплитуда сигнала будет превышать +-Uпит усилителя, то такой сигнал на выходе будет срезан по этому уровню.

Продемонстрируем это в симуляторе Proteus. Итак, давайте на вход подадим синусоидальный сигнал амплитудой в 1 В, а коэффициент усиления сделаем 20, подобрав нужные резисторы. То есть по нашим расчетам мы должны получить синус с амплитудой в 20 Вольт. Смотрим осциллограмму

Подавали на вход синусоиду, а получили на выходе синусоиду с обрезанными верхушками и амплитудой в 14 В. Одна клеточка в данном случае – это 2 В. Как вы видите,сигнал, амплитудой более чем +-Uпит мы получить не сможем. Всегда помните об этом, особенно при конструировании радиоэлектронных устройств.

Ток смещения и смещение выхода

Входы реального ОУ потребляют небольшой ток, который называется током смещения.  В англоязычных даташитах он называется Input Bias Current. Если входные цепи ОУ построены на биполярных транзисторах, то такой ток смещения будет где-то  несколько десятков наноампер, в отличите от ОУ, где входные цепи построены на полевых транзисторах. Во входных цепях, построенных на полевых транзисторах, ток смещения оценивается десятыми долями пикоампер. Следовательно, ток смещения очень важен именно для ОУ, чьи входные цепи построены на биполярных транзисторах.

Почему же так важен ток смещения? Давайте еще раз рассмотрим схему

Даже если мы не подаем никакого сигнала на вход, то на выходе у нас все равно будет какое-то маленькое постоянное напряжение. Почему так происходит? Во всем как раз и виноват ток смещения. Он создает падение напряжения на резисторе обратной связи. В данном случае – это резистор R2. А как вы знаете, на большем сопротивлении падает большее напряжение. То есть если номинал сопротивления R2 будет очень большим, то на нем будет падать большое напряжение, которое как раз и пойдет на выход нашего ОУ.

Допустим, ток смещения равен 0,1 мкА, а резистор R2= 1 МОм, то какое падение напряжения будет в этом случае на резисторе? Вспоминаем закон Ома: I=U/R, отсюда U=IR= 0,1 В. То есть на выходе у нас уже будет постоянное напряжение 0,1 В! Подавая на вход такого усилителя полезный сигнал с током смещения в 0,1 мкА , на выходе этот сигнал будет усиливаться и суммироваться с постоянной составляющей в 0,1 В.  В нашем случае происходит смещение нулевого уровня. Наглядно – на рисунке ниже.

Способы борьбы с током смещения

В некоторых случаях током смещения можно пренебречь, если он не оказывает сильного влияния на ваши требования по сигналу. Но если все-таки вы разрабатываете какое-либо точное устройство, где выходной сигнал должен строго вписываться в рамки ТЗ, то в этом случае можно прибегнуть к таким способам:

1) Ставить в цепь обратной связи резистор малого номинала. На малом сопротивлении падает малое напряжение. Следовательно, на выходе уже будет меньшее постоянное напряжение. Стандартный диапазон резисторов от нескольких килоом и до 50 кОм.

2) Ввести в схему компенсирующий резистор

В этом случае он будет определяться по формуле:

Если все-таки выходной сигнал соответствует вашим ожиданиям и без R_К , то лучше его не ставить, так как любой резистор вносит шумовые искажения в сигнал. Зачем лишний раз добавлять в схему шум?

3) Использовать ОУ с входными цепями, построенными на полевых транзисторах, либо подбирать ОУ с малыми токами смещения, благо сейчас технологии производства таких ОУ далеко шагнули вперед.

Инвертирующий усилитель с однополярным питанием

В некоторых случаях нам даже иногда нужно переместить нулевой уровень на более высокий “пьедестал”, чтобы мы могли полностью усиливать сигнал, если дело касается однополярного питания. Работать с однополярным питанием всегда проще и удобнее, чем с двухполярным. Поэтому, в этом случае надо поднять нулевой уровень на некоторый пьедестал, чтобы полностью усиливать переменный сигнал. То есть добавить постоянную составляющую в сигнал. В этом случае схема примет чуть-чуть другой вид:

Как можно увидеть, сейчас мы питаем наш ОУ однополярным питанием. Что будет, если мы НЕинвертирующий выход посадим на землю?

То есть мы получили базовую схему инвертирующего усилителя, но только с однополярным питанием. Давайте ппросимулируем такую схему. Коэффициент усиления в данном случае будет равен-10, так как мы взяли соотношение резисторов 10 килоом и 1 килоом. Загоняю на вход сигнал амплитудой в 1 В.

Что имеем в итоге на виртуальном осциллографе?

Как вы видите, в этом случае усиленная полуволна сигнала вырезается полностью. Оно и понятно, так как напряжение питания у нас однополярное и проломить “пол” нулевого потенциала невозможно. Но можно сделать одну хитрость: поднять “уровень пола” и дать сигналу место для размаха.

В этом случае нам надо добавить U_см , для того, чтобы поднять сигнал над уровнем “пола”. Но не все так просто, дорогие друзья!

Здесь уже будет использоваться более хитрая формула, а не просто вольтдобавка. Приблизительная формула выглядит вот так:

Итак, мы хотим усилить наш сигнал полностью без среза. Какое же должно быть значение U_вых ? Оно должно иметь значение половины U_пит , чтобы сигнал ходил туда-сюда без срезов. Но также надо учитывать и коэффициент усиления, иначе получится насыщение выхода, о чем мы писали выше.

В нашем случае мы хотим увеличить сигнал амплитудой в 1 В в 10 раз. То есть U_пит должно быть как минимум 20 Вольт. Так как ОУ поддерживают однополярное питание до 32 В, то давайте для красоты выставим U_пит = 30 В. Рассчитываем U_см :

Проверяем симуляцию, все ок!

Как здесь можно увидеть, желтый выходной сигнал поднялся над нулевым уровнем и усилился без искажений. В данном случае желтый сигнал – это сумма постоянного напряжения и переменного синусоидального сигнала.

То есть получилось что-то типа вот этого:

Хорошо это или плохо, когда в переменном сигнале есть постоянная составляющая, то есть постоянное напряжение? В некоторых случаях это плохо, потому как такой сигнал трудно использовать, и поэтому чаще всего его прогоняют через конденсатор, так как он пропускает через себя только переменный ток и блокирует прохождение постоянного тока. А еще лучше поставить фильтр из дифференцирующей цепи, с помощью которого можно отсекать лишние частоты.

Свойства инвертирующего усилителя

www.ruselectronic.com

принцип работы, схемы и т.д.

Дифференциальный усилитель — операционный усилитель, являющийся сочетанием инвертирующего и неинвертирующего усилителей.

Дифференциальные усилители могут определить и усиливать разницу между входными сигналами. Поскольку многие дифференциальные усилители способны определять очень маленькую по величине разницу, они очень часто используются в контрольно-измерительных устройствах.

Схема дифференциального усилителя

Обратите внимание на основы электричества и на приборы электроники.

Дифференциальный усилитель состоит из одного операционного усилителя и нескольких резисторов. Отличие дифференциального усилителя от других усилителей состоит в том, что обычно напряжение подается на оба его входа. Именно это позволяет легко отличить дифференциальный усилитель на принципиальной схеме.

К недостатка дифференциальных усилителей можно отнести входное сопротивление усилителя, которое слишком низкое для его широкого использования. Также затруднительно регулировать коэффициент усиления усилителя так, чтобы это не влияло на его входное сопротивление, поскольку входному резистору и резистору цепи обратной связи должны соответствовать уравновешивающие их резисторы.

Принцип действия дифференциального усилителя

В схемах других операционных усилителей напряжение на опорном соединении всегда было равно входному напряжению, но с дифференциальным усилителем дело обстоит иначе. В дифференциальном усилителе напряжение на опорном соединении всегда будет отличаться от напряжения на неинвертирующем входе; фактически, оно всегда будет ниже напряжения на неинвертирующем входе.

Инвертирующий вход дифференциального усилителя имеет те же характеристики, что и инвертирующего усилителя.

В дифференциальном усилителе выходное напряжение, образующееся при подаче напряжения на инвертирующий вход, если его рассматривать отдельно, и выходное напряжение, образующееся при подаче напряжения на неинвертирующий вход, если его также рассматривать отдельно, равны указанным входным напряжениям, умноженным на коэффициент усиления усилителя. Кроме того, коэффициент усиления усилителя равен отношению сопротивления резистора цепи обратной связи к входному резистору, Rfb/Rin.

Некоторые дифференциальные усилители имеют встроенные защитные схемы, предохраняющие от чрезмерного входного напряжения. Другие усилители не имеют внутренних компенсирующих элементов и поэтому должны использовать внешние элементы. Для этих целей обычно используются диоды, называемые фиксирующими диодами. Вместо обычных диодов могут быть использованы стабилитроны. Если превышено предельно допустимое дифференциальное входное напряжение, стабилитроны переходят в проводящее состояние, отводя чрезмерное входное напряжение в обход входных зажимов усилителя. И наконец, дифференциальные усилители могут иметь элементы частотной коррекции.

www.kipiavp.ru

Операционный усилитель

Содержание
Операционный усилитель……………………………………………………………………………………………………	3
Классификация операционных усилителей……………………………………………………………………..	3
Обозначение ОУ……………………………………………………………………………………………………………..	3
Понятие об идеальном ОУ………………………………………………………………………………………………	4
Схемы включения ОУ……………………………………………………………………………………………………..	4
Способы включения ОУ………………………………………………………………………………………………….	5
Принцип действия дифференциального усилителя………………………………………………………….	5
Дифференциальный каскад……………………………………………………………………………………………..	6
Способы подачи входных сигналов на дифференциальный усилитель……………………………..	8
Параметры ОУ………………………………………………………………………………………………………………..	8
Параметры на постоянном токе…………………………………………………………………………………..	8
Параметры, характеризующие статическую точность ОУ…………………………………………..	11
Разность входных токов (входной ток сдвига)……………………………………………………………	12
Коэффициент ослабления влияния изменений напряжения питания…………………………..	12
Эквивалентная схема входных цепей ОУ с учетом статической погрешности…………………	13
Краткие теоретические сведения……………………………………………………………………………….	14
Виды диаграмм…………………………………………………………………………………………………………….	14
Параметры ОУ на переменном токе………………………………………………………………………………	15
Диаграммы Бодэ для многокаскадных усилителей…………………………………………………………	15
Условия устойчивости усилителя…………………………………………………………………………………..	16
Максимальная скорость нарастания выходного сигнала…………………………………………………	16
Шумы ОУ …………………………………………………………………………………………………………………….	16
Нелинейные искажения…………………………………………………………………………………………………	16
Операционные схемы………………………………………………………………………………………………………..	17
Виды обратных связей………………………………………………………………………………………………………	17
Последовательная ОС по напряжению (ИНУН). Источник напряжения, управляемый
напряжением………………………………………………………………………………………………………………..	18
Последовательная ОС по току (ИТУН). Источник тока, управляемый напряжением……….	20
Источник напряжения, управляемый током (ИНУТ)………………………………………………………	21
Источник тока, управляемый током (ИТУТ)…………………………………………………………………..	22
Основные операционные схемы………………………………………………………………………………………..	22
Инвертирующий усилитель (инвертор)………………………………………………………………………….	22
Инвертирующий сумматор…………………………………………………………………………………………….	23
Неинвертирующий усилитель……………………………………………………………………………………….	23
Повторитель напряжения………………………………………………………………………………………………	23
Преобразователь токов в напряжение…………………………………………………………………………….	24
Дифференцирующий усилитель…………………………………………………………………………………….	24
Интегратор……………………………………………………………………………………………………………………	24
Дифференциатор…………………………………………………………………………………………………………..	25
Частотная характеристика дифференциатора…………………………………………………………………	26
Коррекция дифференциатора…………………………………………………………………………………………	27
Измерительный (потенциометрический) усилитель……………………………………………………………	30
Питание усилителя от несимметричного источника……………………………………………………….	31
Компаратор……………………………………………………………………………………………………………………….	32
Использование ОУ в мостовых схемах измерения………………………………………………………………	34
Генератор стабильных токов и напряжений………………………………………………………………………..	34
Активные фильтры……………………………………………………………………………………………………………	35
Классификация фильтров………………………………………………………………………………………………	36

studfile.net