Дифференциальный усилитель на оу. Дифференциальный усилитель на ОУ: принцип работы и применение

Принцип работы дифференциального усилителя на ОУ основан на свойстве операционного усилителя выравнивать напряжения на инвертирующем и неинвертирующем входах. За счет этого на выходе формируется сигнал, пропорциональный разности входных напряжений U1 и U2.

Расчет коэффициента усиления дифференциального усилителя

Коэффициент усиления дифференциального усилителя определяется соотношением резисторов в схеме. При условии R1 = R2 и R3 = R4, коэффициент усиления рассчитывается по формуле:

K = R3 / R1

Таким образом, изменяя соотношение резисторов, можно задавать требуемый коэффициент усиления разностного сигнала.

Преимущества дифференциального усилителя на ОУ

Дифференциальный усилитель на операционном усилителе имеет ряд важных преимуществ:

• Высокий коэффициент ослабления синфазного сигнала (КОСС)
• Высокое входное сопротивление
• Низкое выходное сопротивление
• Широкая полоса пропускания
• Возможность легко задавать требуемый коэффициент усиления

Эти свойства делают дифференциальный усилитель на ОУ очень востребованным в различных приложениях.

Области применения дифференциального усилителя

Дифференциальные усилители на ОУ широко используются в следующих областях:

• Измерительная техника — для усиления сигналов с датчиков
• Аудиотехника — для подавления синфазных помех
• Силовая электроника — для измерения токов через шунты
• Медицинская техника — для усиления биопотенциалов
• Системы сбора данных — для согласования уровней сигналов

Особенности расчета дифференциального усилителя

При расчете дифференциального усилителя на ОУ необходимо учитывать следующие особенности:

1. Подбор резисторов с высокой точностью для обеспечения хорошего КОСС
2. Учет входных токов ОУ, особенно для высокоомных схем
3. Ограничение коэффициента усиления с учетом частотных свойств ОУ
4. Выбор ОУ с малым напряжением смещения для прецизионных схем
5. Применение экранирования и симметричной разводки для снижения помех

Анализ работы дифференциального усилителя

Для анализа работы дифференциального усилителя на ОУ можно использовать следующие методы:

• Построение графиков входных и выходных сигналов
• Анализ амплитудно-частотной характеристики (АЧХ)
• Измерение коэффициента ослабления синфазного сигнала
• Оценка линейности в рабочем диапазоне входных напряжений
• Анализ шумовых характеристик

Эти методы позволяют оценить качество работы дифференциального усилителя и выявить его возможные недостатки.

Практические рекомендации по применению дифференциальных усилителей

При использовании дифференциальных усилителей на ОУ рекомендуется соблюдать следующие правила:

1. Применять прецизионные резисторы с малым температурным коэффициентом сопротивления
2. Использовать симметричную разводку печатной платы для уменьшения помех
3. Экранировать входные цепи для защиты от электромагнитных наводок
4. Выбирать ОУ с малыми входными токами для высокоомных схем
5. Ограничивать полосу пропускания для улучшения отношения сигнал/шум

Соблюдение этих рекомендаций позволит получить наилучшие характеристики дифференциального усилителя в конкретном приложении.

Сравнение дифференциального усилителя с другими схемами

Дифференциальный усилитель на ОУ имеет ряд преимуществ по сравнению с другими схемами усиления:

• По сравнению с инструментальным усилителем: более простая схема, меньшая стоимость
• По сравнению с дифференциальным каскадом на транзисторах: лучшая линейность, выше входное сопротивление
• По сравнению с трансформаторной схемой: работа на постоянном токе, меньшие габариты
• По сравнению с мостовой схемой: не требуется прецизионный источник опорного напряжения

При этом дифференциальный усилитель на ОУ уступает некоторым специализированным схемам по отдельным параметрам, например, инструментальному усилителю по величине КОСС.

Дифференциальный усилитель на ОУ. Принцип работы

Иногда возникает необходимость вычесть два сигнала. Классическим примером является измерение тока на резисторе, которое практикуется в различных источниках питания и инверторах, при чтении температуры с термопары или напряжения моста Уитстона.

Самый простой способ использовать схему вычитания так называемый дифференциальный усилитель (не путать с дифференциатором!). Если нам необходимо вычислить разницу между двумя сигналами, то достаточно будет одного операционного усилителя и четырех одинаковых резисторов:

Паяльная станция 2 в 1 с ЖК-дисплеем

Мощность: 800 Вт, температура: 100…480 градусов, поток возду…

Но зачастую мы имеем дело с очень слабыми сигналами, так что не мешало бы, помимо вычитания, усилить полученную разницу. Для этого используем слегка измененную схему, которая отличается значениями резисторов:

Ничто нам не мешает еще больше изменить значения резисторов, однако, мы не видели, чтобы кто-то использовал подобную схему, как показано ниже:

Несмотря на то, что третья схема уже довольно сильно запутана, это все еще также рабочая схема. Резисторы R3 и R4 образуют обычный делитель напряжения. Напряжение на неинвертирующем входе усилителя (+) такое же, как и на инвертирующем входе (-), поскольку работа операционного усилителя основана на 3 основных правилах:

Правило №1 — операционный усилитель оказывает воздействие своим выходом на вход через ООС (отрицательная обратная связь), в результате чего напряжения на обоих входах, как на инвертирующем (-), так и на неинвертирующем (+) выравнивается.

Правило №2 — входы усилителя не потребляют ток

Правило №3 — напряжения на входах и выходе должны быть в диапазоне между положительным и отрицательным напряжением питания ОУ.

Если мы знаем, входное напряжение U1 и напряжение на инвертирующем входе (-), то значит, мы знаем и напряжение на резисторе R1. Далее, из закона Ома, вычислим, какой ток течет через него (R1), и этот же ток течет далее через резистор R2. Зная сопротивление R2, вычислим падение напряжения на этом резисторе, а это даст нам конечный результат.

Дифференциальный  усилитель имеет, к сожалению, два серьезных недостатка, которые перечеркивают его во многих ситуациях:

• Первый недостаток — низкое входное сопротивление, которое зависит от величины резистора (как и в инвертирующим усилителе). В случае, когда мы измеряем очень слабый сигнал с термопары или моста Уитстона, то усилитель даст существенную ошибку в измерительную систему.
• Второй недостаток — нелегко изменить коэффициент усиления. Чтобы это сделать, нужно одновременно изменить значение двух резисторов, что на практике очень сложно. Нужно иметь спаренный потенциометр или ввести систему аналоговых мультиплексоров, что значительно усложнит схему.

Таким образом, дифференциальный усилитель является простой схемой, но его практическое применение довольно сильно ограничено. Лучше использовать чуть более сложную, но качественную схему измерительного усилителя.

10 схем на (почти) все случаи жизни / Хабр

Всем привет!

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

Введение

В рамках данной статьи будет рассмотрено десять широко используемых схем на операционных усилителя. При написании данной статьи я исходил из того, что читатель знает, что такое операционный усилитель и хотя бы в общих чертах представляет, как он работает. Также предполагается, что ему известны базовые вещи теории электрических цепей, такие как закон Ома или расчет делителя напряжения.

Не следует воспринимать эту статью как законченное руководство по применению операционных усилителей в любых ситуациях. Для большого количества задач, действительно, этих схем может быть достаточно, однако в сложных проектах всегда может потребоваться что-то нестандартное.

1. Неинвертирующий усилитель

Неинвертирующий усилитель – наверное, наиболее часто встречающаяся схема включения операционного усилителя, она приведена на рисунке ниже.

В этой схеме усиливаемый сигнал подается на неинвертирующий вход операционного усилителя, а сигнал с выхода через делитель напряжения попадает на инвертирующий вход.

Расчет этой схемы прост, он строится исходя из того, что операционный усилитель, охваченный петлей обратной связи, отрабатывает входное воздействие таким образом, чтобы напряжение на инвертирующем входе было равно напряжению на неинвертирующем:

Из этой формулы легко получается коэффициент усиления неинвертирующего усилителя:

Рассчитаем и промоделируем неинвертирующий усилитель со следующими параметрами:

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

Выберем из ряда Е96

и

. Тогда коэффициент усиления будет равен

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

Гораздо больший интерес представляет собой другой предельный случай, когда величина сопротивления . Его мы рассмотрим в следующем разделе.

2. Повторитель

Как уже говорилось ранее, включение операционного усилителя по схеме повторителя – это предельный случай неинвертирующего усилителя, когда один из резисторов имеет нулевое сопротивление. Схема повторителя приведена на рисунке ниже.

Как видно из формулы, приведенной в прошлом разделе, коэффициент передачи для повторителя равен единице, то есть выходной сигнал в точности повторяет входной. Зачем же вообще нужен операционный усилитель в таком случае? Он выступает в роли буфера, обладая высоким входным сопротивлением и маленьким выходным. Когда это бывает нужно? Допустим, мы имеем какой-то источник сигнала с большим выходным сопротивлением и хотим этот сигнал без искажения передать на относительно низкоомную разгрузку. Если мы это сделаем напрямую, без каких бы то ни было буферов, то неизбежно потеряем какую-то часть сигнала.

Убедимся в этом с помощью моделирования схемы со следующими основными параметрами:

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

Моделирования будем проводить для двух случаев: в первом случае пусть источник сигнала работает на нагрузку через повторитель, а во втором случае — напрямую.

Результаты моделирования приведены на рисунке ниже (картинка кликабельна): на верхней осциллограмме выходной и входной сигналы в точности совпадают друг с другом, тогда как на нижней сигнал на выходе в несколько раз меньше по амплитуде относительно сигнала на входе.

Вместо повторителя на операционном усилителе можно также использовать и эмиттерный повторитель на транзисторе, не забывая, однако, про присущие ему ограничения.

3. Инвертирующий усилитель (классическая схема)

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

Для входной цепи инвертирующего усилителя можно записать следующее выражение:

Где

— напряжение на инвертирующем входе операционного усилителя.

Поскольку операционный усилитель, охваченный петлей обратной связи, стремится выровнять напряжения на своих входах, то

, и при заземленном неинвертирующем входе получаем

Отсюда коэффициент усиления инвертирующего усилителя равен

По инвертирующему усилителю можно сделать следующие выводы:

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

Для примера рассчитаем инвертирующий усилитель со следующими параметрами:

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

В качестве резисторов в цепи обратной связи выберем резисторы номиналами

и

: их отношение как раз равно десяти.

Результаты моделирования усилителя приведены на рисунке (картинка кликабельна).

Как видим, выходной сигнал в 10 раз больше по амплитуде, чем входной, и при этом проинвертирован.

Входное сопротивление данной схемы равно . А что будет, если источник сигнала будет иметь значительное выходное сопротивление, допустим, эти же 10 кОм? Результат моделирования этого случая представлен на рисунке ниже (картинка кликабельна).

Амплитуда выходного сигнала просела в два раза по сравнению с предыдущим случаем! Очевидно, что это все из-за того, что выходное сопротивление генератора в этом случае равно входному сопротивлению инвертирующего усилителя. Таким образом, стоит всегда помнить про эту особенность инвертирующего усилителя. Как же быть, если все-таки требуется обеспечить работу источника сигнала с высоким выходным сопротивлением на инвертирующий усилитель? В теории надо увеличивать сопротивление R1. Однако одновременно с эти будет расти и сопротивление R2. Если мы хотим обеспечить входное сопротивление схемы в 500 кОм при коэффициенте усиления 10, резистор R2 должен иметь сопротивление в 5 МОм! Такие большие номиналы сопротивлений применять не рекомендуется: схема будет очень чувствительной к наводкам, пыли и флюсу на печатной плате. Есть ли какие-то выходы из этой ситуации? На самом деле да. Можно, например, использовать буфер-повторитель, который мы рассмотрели в прошлом разделе. А можно еще применить схему с Т-образным мостом в обратной связи, про нее поговорим в следующем разделе.

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

Схема инвертирующего усилителя с Т-образным мостом в цепи обратной связи приведена на рисунке ниже.

Коэффициент усиления этой схемы равен

Рассчитаем усилитель со следующими параметрами:

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

Результаты моделирования схемы усилителя приведены на рисунке ниже (картинка кликабельна).

Попробуем теперь подключить источник с выходным сопротивлением 10 кОм, как мы это сделали в предыдущем разделе. Получим такую картинку (кликабельно):

Выходной сигнал практически не изменился по амплитуде по сравнению с предыдущим моделированием, и это ни в какое сравнение не идет с тем, насколько он проседал в схеме простого инвертирующего усилителя без Т-моста. Кроме того, как мы видим, эта схема позволяет обойтись без мегаомных резисторов даже при больших коэффициентах усиления и значительном входном сопротивлении.

5. Инвертирующий усилитель в схемах с однополярным питанием

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

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

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

Отсюда напряжения на инвертирующем входе равно

Напряжение на неинвертирующем входе равно

Исходя из принципа равенства напряжения на инвертирующем и неинвертирующем входах получаем

Таким образом, напряжение на выходе операционного усилителя равно

Отсюда делаем вывод, что для корректной работы напряжения смещения

должно быть больше максимального входного напряжения с учетом подаваемого на вход напряжения смещения.

Промоделируем схему инвертирующего усилителя со следующими параметрами:

Результаты моделирования приведены на рисунке ниже (картинка кликабельна)

Как видим, мы получили усиленный в 10 раз инвертированный сигнал, при этом сигнал проинвертировался, однако, не залез в отрицательную область.

6. Инвертирующий сумматор

Операционный усилитель можно использовать для суммирования различных сигналов. С помощью резисторов можно задавать «вес» каждого из сигнала в общей сумме. Схема инвертирующего сумматора приведена на рисунке ниже.

Расчет инвертирующего сумматора очень прост и основывается на принципе суперпозиции: суммарный выходной сигнал равен сумме отдельных составляющих:

Рассчитаем и произведем моделирование инвертирующего сумматора со следующими параметрами:

Для обеспечения требуемых «весов»

,

и

выберем следущие номиналы резисторов из ряда Е96:

Результат моделирования приведен на рисунке ниже (картинка кликабельна).

Видим, что выходной сигнал проинвертирован и усилен в соответствии с выражением, приведенным выше. Однако стоит всегда помнить, что приведенное выше выражение верно для постоянных напряжений (либо же мгновенных значений переменного сигнала). Если же сдвинуть сигналы по фазе или если они будут обладать разной частотой, то результат будет совершенно другим. Аналитически его можно рассчитать, воспользовавшись формулами преобразования тригонометрических выражений (в случае, если мы имеем дело с синусоидальными сигналами). В качестве примера на рисунке ниже приведен результат моделирования инвертирующего сумматора для случая сдвинутых по фазе входных сигналов (изображение кликабельно).

Как видим, итоговый сигнал не превышает по амплитуде сигнал , а также имеет в начальной части артефакты, вызванные постепенным появлениями сигналов на входах.
Необходимо также помнить, что инвертирующий сумматор – по сути все тот же инвертирующий усилитель, и его входное сопротивление определяется величиной резистора в цепи обратной связи, поэтому его надо аккуратно применять в случаях, если источник сигнала имеет большое выходное сопротивление.

7. Дифференциальный усилитель

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

Схема дифференциального усилителя приведена на рисунке.

Для дифференциального усилителя можно записать следующие выражения:

Решая эту систему уравнений, получаем

Если мы примем, что

то данное выражение упрощается и преобразуется в

Таким образом, коэффициент усиления дифференциального сигнала определяется отношением R2 к R1.

Эта формула (да и сама схема включения дифференциального усилителя) очень похожа на рассмотренный ранее случай инвертирующего усилителя в схеме с однополярным питанием. Действительно, все так и есть: схема инвертирующего усилителя с однополярным питанием и напряжением смещения есть частный случай дифференциального усилителя, просто в ней на один из входов подается не какой-то переменный сигнал, а постоянное напряжение.

Произведем моделирование схемы со следующими параметрами:

Результаты моделирования приведены на рисунке ниже (изображение кликабельно).

Как видим, разница между сигналами и в 5 мВ оказалась усиленной в 50 раз и стала 250 мВ.

Посмотрим теперь, как дифференциальный усилитель давит синфазную помеху. Для этого подключим к сигналам и общий генератор белого шума и произведем моделирование, его результаты представлены на рисунке (картинка кликабельна).

На верхней осциллограмме приведены сигналы и с добавленной помехой: самого сигнала уже даже не видно за шумами. На нижней осциллограмме приведен результат работы дифференциального усилителя. Поскольку помеха одна и та же для инвертирующего и неинвертирующего входа, дифференциальный усилитель ее убирает, и в результате мы имеем чистый сигнал, не отличающийся от случая без помехи.

Однако стоит все же помнить, что способность операционного усилителя давить синфазную помеху не бесконечна, данный параметр обычно приводится в документации на операционный усилитель. Кроме того, нельзя забывать и про величину входного сопротивления дифференциального усилителя со стороны инвертирующего входа: оно по-прежнему может быть невелико.

8. Источник тока

Операционный усилитель при определенном включении может работать как источник тока. Источник тока поддерживает постоянный ток вне зависимости от величины сопротивления нагрузки (в идеальном источнике нагрузка может быть вообще любая, в реальном – не больше какой-либо величины, пропорциональной максимально возможному напряжению, которое может сформировать на ней источник тока). Возможно как минимум две схемы источника тока на операционном усилителе: с плавающей нагрузкой и с заземленной нагрузкой. Схема источника тока с плавающей нагрузкой предельно проста и приведена на рисунке ниже

Как видим, на неинвертирующий вход подается опорное напряжение, а в роли нагрузки выступает один из элементов обратной связи. Величина тока при этом определяется следующим выражением

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

Величина тока рассчитывается так:

Произведем расчет и моделирование источника тока со следующими параметрами:

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

Для обеспечения заданных характеристик подойдут следующие номиналы сопротивлений резисторов:

Результат моделирования источника тока с заданными параметрами представлен на рисунке ниже (изображение кликабельно).

На рисунке приведено два графика. Верхний график показывает величину тока через сопротивление нагрузки, и она равна 10 мА. Нижний график показывает напряжение на нагрузке, оно равно 100 мВ. Попробуем теперь изменить сопротивление нагрузки: вместо 10 Ом возьмем 100 Ом и промоделируем (изображение кликабельно):

Как мы видим, через нагрузку течет все тот же самый ток в 10 мА: операционный усилитель отработал изменение нагрузки, повысив на ней напряжение, оно теперь стало равным 1 В. Но в реальности операционный усилитель не сможет поднимать напряжение бесконечно: оно ограничено напряжением источника питания (а зачастую еще и несколько меньше него). Что же будет, если задать сопротивление нагрузки слишком высоким? По сути, источник тока перестает работать. На рисунке ниже пример моделирования источника с сопротивление нагрузки в 1 кОм (изображение кликабельно).

Согласно графику, ток через нагрузку теперь уже никакие не 10 мА, а всего лишь 4 мА. При дальнейшем повышении сопротивления нагрузки ток будет все меньше и меньше.

Дополнительно по приведенным схемам источников тока на операционных усилителях надо отметить, что стабильность выходного тока в них зависит от стабильности напряжения , в связи с этим оно должно быть хорошо стабилизированным. Существуют более сложные схемы, которые позволяют уйти от этой зависимости, но в рамках данной статьи мы их рассматривать не будем.

9. Интегратор на операционном усилителе

Думаю, что все читатели знакомы с классической схемой интегратора на RC-цепочке:

Эта схема чрезвычайно широко используется на практике, однако имеет в себе один серьезный недостаток: выходное сопротивление этой схемы велико и, как следствие, входной сигнал может существенно ослабляться. Для устранения этого недостатка возможно использование операционного усилителя.

Простейшая схема интегратора на операционном усилителе, встречающаяся во всех учебниках, приведена на рисунке ниже.

Как видно из рисунка — это инвертирующий интегратор, т.е. помимо интегрирования сигнала, он меняет также и его полярность. Следует отметить, что это требуется далеко не всегда. Еще один серьезный недостаток этой схемы — конденсатор интегратора накапливает в себе заряд, который надо как-то сбрасывать. Для этого можно либо применять резистор, включенный параллельно с конденсатором (однако необходимо учитывать также его влияние на итоговый сигнал), либо же сбрасывать заряд с помощью полевого транзистора, открывая его в нужные моменты времени. По этой причине я решил рассмотреть более подробно другую схему интегратора с использованием операционного усилителя, которая, на мой взгляд, заслуживает больший практический интерес:

Как видно из рисунка, эта схема представляет собой классический интегратор на RC-цепочке, к которому добавлен повторитель на операционном усилителе: с помощью него решается проблема выходного сопротивления.

Интегратор можно также рассматривать как фильтр нижних частот. Частота среза АЧХ фильтра высчитывается по формуле

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

В качестве примера рассчитаем ФНЧ со следующими параметрами частотой среза АЧХ в 1 МГц. Для такой частоты можно выбрать

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

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

Результат моделирования приведен на рисунке ниже (изображение кликабельно). На этом рисунке показаны две частотные характеристики: отдельно для RC-цепочки (красная линия) и для всей схемы целиком (RC-цепочка+операционный усилитель, зеленая линия).

Как видно из рисунка, красная и зеленая линии сначала совпадают, а начиная с определенной частоты зеленая идет вниз гораздо круче. Это как раз и объясняется тем, что на частотные свойства схемы начинает оказывать влияние уже сам операционный усилитель.

Ну и поскольку все-таки мы рассматриваем интегратор, то на следующем рисунке (кликабельно) приведена классическая картинка из учебников: интегрирование прямоугольных импульсов. Параметры интегратора те же, какие были в предыдущем моделировании частотной характеристики.

10. Дифференциатор на операционном усилителе

Схема простейшего дифференциатора на RC-цепочке известна ничуть не меньше, чем схема интегратора:

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

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

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

В случае дифференциатора также нельзя забывать про частотные свойства самого операционного усилителя: здесь они выражены даже более ярко, чем в случае с интегратором. Как мы уже убедились в прошлом разделе, начиная с определенной частоты операционный усилитель работает как фильтр нижних частот, тогда как дифференциатор – это фильтр верхних частот. Вместе они будут работать как полосовой фильтр.

В качестве примера рассчитаем ФВЧ с частотой среза АЧХ равной тем же 1 МГц. Для такой частоты можно выбрать все те же номиналы компонентов, которые были в случае ФНЧ:

Результат моделирования приведен на рисунке ниже (картинка кликабельна). На этом рисунке показаны две частотные характеристики: отдельно для RC-цепочки (красная линия) и для всей схемы целиком (RC-цепочка + операционный усилитель, зеленая линия).

Как видно из рисунка, красная и зеленая линии сначала совпадают, а начиная с определенной частоты, зеленая линия идет резко вниз, тогда как красная линия, отражающая работу непосредственно самой RC-цепочки, горизонтальна.

Работа дифференциатор при подаче на его вход прямоугольных импульсов приведена на рисунке ниже (изображение кликабельно).

Заключение

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

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

Дифференциальный усилитель — схема на ОУ и его предназначение

В тех случаях, когда требуется получить не абсолютное значение напряжения в некоторой точке (относительно уровня земли), а требуется разность напряжений между двумя точками, применяется дифференциальный усилитель. Чаще всего такая необходимость возникает при работе с датчиками, а так же микрофонами.

Дифференциальный усилитель — это усилитель, обладающий двумя входами, выходной сигнал которого равен разности входных сигналов, умноженный на константу. Константа в данном случае — это коэффициент усиления дифференциального усилителя.

Фишкой данного типа усилителей является то, что сигнал приходящий на оба входа одновременно не усиливается. Т.е. если к полезному сигналу примешаны синфазные помехи или постоянные уровни, то усилен будет только полезный сигнал. Помимо этого такие усилители обладают высоким коэффициентом усиления, высоким входным полным сопротивлением и большим Коэффициентом Ослабления Синфазного Сигнала (КОСС).

Эти свойства делают дифференциальный усилитель невероятно полезным и даже незаменимым при усилении очень маленьких по величине сигналов, например, от различных датчиков.

Помимо этого дифференциальный усилитель используется в симметричных линиях передачи данным, например, при симметричном подключении микрофона. Т.к. длина микрофонного кабеля может быть значительной (более 50м), на него отлично наводятся различные помехи. В случае применения симметричного включения микрофона помехи приходят на оба входа дифференциального усилителя в фазе, и не усиливаются им.

Коэффициент усиления такой схемы равен К=R2/R1. Для обеспечения высокого значения КОСС необходимо обеспечить точное согласование резисторов. Для этого желательно применение резисторов точностью 0.01%.

Резисторы такой точности достаточно дороги, и не всегда их можно найти в продаже. Поэтому при первой возможности лучше закупить 100 кОм резисторы указанной точности для применения в подобных схемах.

Если все резисторы будут одного номинала, что вполне допустимо, то коэффициент усиления дифференциального усилителя будет равен 1. Дальнейшее усиление при необходимости можно произвести дополнительными каскадами, зато наличие синфазной помехи было уже устранено.

При необходимости получения очень большого коэффициента усиления дифференциального усилителя применяется Т-образная обратная связь, показанная на рисунке.

Достоинство этой схемы состоит в том, что она позволяет использовать удобные сопротивления резисторов, и не создает опасности присутствия паразитной емкости, которую всегда нужно учитывать при работе с большими резисторами.

Так в случае, если R2=R5=100 кОм, а R6=1 кОм, то представленная цепь работает как один резистор с сопротивлением 10 МОм.

Для обоих схем дифференциальных усилителей сопротивление источника должно быть меньше 25 Ом для обеспечения КОСС 100дБ. Однако это неприемлемые требования для большинства источников, в частности стандартная головка микрофона обладает сопротивлением в 600Ом, а тензодатчик имеет внутреннее сопротивление около 350 Ом.

Для решения этой проблемы прибегают к использованию повторителей, устанавливаемых по входам, как это изображено на следующей схеме.

При таком включении и использовании современных ОУ можно получить колоссальное значение входного полного сопротивления, такое, что вопросы полного сопротивления источника уже не должны нас волновать. Однако это справедливо лишь для низких частот, т.к. для высоких частот входная емкость в комбинации с сопротивлением источника образуют делитель напряжения.

Для решения этой проблемы применяется схема инструментального (измерительного) усилителя, которому посвящена отдельная статья. Сам по себе инструментальный усилитель — это готовый микрофонный предусилитель.

Построение дифференциальных усилителей

1. Радиоэлектроника
2. Схемотехника
3. Основы электроники и схемотехники
4. Том 3 – Полупроводниковые приборы

1. Книги / руководства / серии статей
2. Основы электроники и схемотехники. Том 3. Полупроводниковые приборы

Добавлено 28 ноября 2018 в 04:12

Сохранить или поделиться

Дифференциальные схемы на операционных усилителях

Операционный усилитель без обратной связи уже является дифференциальным усилителем, усиливающим разность напряжений между двумя входами. Однако его коэффициент усиления нельзя контролировать, и он, как правило, слишком велик для практического использования. До сих пор наше применение отрицательной обратной связи для операционных усилителей приводило к практической потере одного из входов, и этот усилитель был хорош только для усиления напряжения одиночного входного сигнала. Однако с небольшой изобретательностью мы можем построить на операционном усилителе схему, поддерживающую оба входных напряжения, и с регулируемым коэффициентом усиления, установленным внешними резисторами.

Если номиналы всех резисторов равны, этот усилитель будет иметь дифференциальный коэффициент усиления по напряжению 1. Анализ этой схемы, по сути, такой же, как и для инвертирующего усилителя, за исключением того, что неинвертирующий вход (+) операционного усилителя вместо того, чтоб быть непосредственно соединенным с землей, находится под напряжением, равным части V₂. Как и следовало ожидать, V₂ действует как неинвертирующий вход конечной схемы усилителя. Следовательно:

\(V_{вых} = V_2 — V_1\)

Если бы мы хотели обеспечить дифференциальное усиление, отличающееся от 1, нам пришлось бы подстраивать сопротивления и в верхнем, и в нижнем делителях напряжения, что потребовало бы изменений нескольких резисторов и балансировки между этими двумя делителями для симметричной работы. По понятным причинам это не всегда практично.

Буфер сигнала входного напряжения

Другим ограничением конструкции этого усилителя является то, что его входные импедансы довольно низки по сравнению с другими схемами на операционных усилителях, в первую очередь, по сравнению с неинвертирующим усилителем (с несимметричным входом). Каждый источник входного напряжения должен обеспечивать ток через сопротивление, которое значительно меньше импеданса просто входа одиночного операционного усилителя. Решение этой проблемы, к счастью, довольно простое. Всё, что нам нужно, это «буфер» для каждого сигнала входного напряжения через повторитель напряжения следующим образом:

Теперь входные линии V₁ и V₂ подключаются напрямую к входам двух повторителей напряжения на операционных усилителях, что обеспечивает очень высокий импеданс. Два операционных усилителя слева теперь вместо источников входных напряжений обеспечивают ток через резисторы. Повышение сложности нашей схемы минимально для полученной существенной выгоды.

Оригинал статьи:

Теги

Сохранить или поделиться

На сайте работает сервис комментирования DISQUS, который позволяет вам оставлять комментарии на множестве сайтов, имея лишь один аккаунт на Disqus.com.

В случае комментирования в качестве гостя (без регистрации на disqus.com) для публикации комментария требуется время на премодерацию.

AD8132 Техническое описание и информация о продукте

Особенности и преимущества

• Высокое быстродействие
  • Ширина полосы по уровню -3 дБ: 350 МГц
  • Скорость нарастания 1200 В/мкс
• Управление коэффициентом усиления при помощи резистора
• Внутренняя обратная связь по синфазному напряжению
• Повышенный баланс коэффициента усиления и фазы: −68 дБ при 10 МГц
• Отдельный вход для задания уровня синфазного выходного напряжения
• Низкие искажения: SFDR = −99 дБн при 5 МГц, нагрузка 800 Ом
• Малое энергопотребление: 10.7 мА при 5 В
• Диапазон напряжений питания: от +2.7 В до ±5.5 В
• Полностью отвечает требованиям AEC-Q100 (AD8132W)

Подробнее о продукте

AD8132 — это недорогой усилитель с дифференциальным или несимметричным входом и дифференциальным выходом, который содержит интегрированный задающий коэффициент усиления резистор. AD8132 обеспечивает значительные преимущества перед ОУ при интерфейсе АЦП с дифференциальным входом или передаче сигналов по длинным линиям. Компонент имеет уникальный внутренний контур обратной связи, обеспечивающий рассогласование коэффициента усиления и фазы выходных сигналов до −68 дБ при 10 МГц, подавляя гармонические составляющие и уменьшая уровень излучаемых электромагнитных помех.

Производимый по технологии изготовления биполярных транзисторов XFCB следующего поколения компании Analog Devices усилитель AD8132, несмотря на свою низкую стоимость, обладает шириной полосы по уровню −3 дБ, равной 350 МГц и обеспечивает свободный от побочных составляющих диапазон (SFDR) -99 дБн при передаче дифференциального сигнала с частотой 5 МГц. Применение AD8132 избавляет от необходимости в трансформаторе при работе с высокопроизводительными АЦП, что позволяет сохранить постоянную составляющую и низкочастотную информацию. Синфазный уровень выходного дифференциального сигнала регулируется при помощи напряжения, подаваемого на вывод VOCM, обеспечивая смещение уровней входных сигналов для подачи на АЦП с однополярным питанием. Благодаря быстрому восстановлению при перегрузке поддерживается высокая точность преобразования.

AD8132 также может применяться в качестве дифференциального драйвера для передачи высокоскоростных сигналов по коаксиальным кабелям или недорогим кабелям типа витая пара. Цепь обратной связи можно отрегулировать для усиления высокочастотных составляющих сигнала. AD8132 поддерживает передачу аналоговых или цифровых видеосигналов, а также иных высокоскоростных сигналов данных. Он обеспечивает минимальное затухание при работе с витой парой категорий 3/5 или коаксиальным кабелем. Данный компонент существенно меньше стоит и имеет лучшие характеристики по сравнению с дискретными драйверами.

Обработка сигнала в дифференциальной форме уменьшает эффекты шума в цепи заземления, который пагубно сказывается в системах с привязкой к уровню земли. AD8132 может быть использован для обработки дифференциальных сигналов (усиление и фильтрация) в различных точках сигнального тракта, значительно упрощая задачу преобразования при интерфейсе компонентов с дифференциальными и несимметричными сигналами.

AD8132W – это версия продукта для автомобильной промышленности, испытанная для работы при температуре до 125°C в соответствии с AEC-Q100. Дополнительную информацию см. в разделе Automotive Products (продукты для автомобильной промышленности) технического описания.

AD8132 выпускается в 8-выводных корпусах SOIC и MSOP. Компонент работает в расширенном промышленном температурном диапазоне от −40°C до +125°C.

Области применения

• Малопотребляющие дифференциальные драйверы АЦП
• Усиление и фильтрация дифференциальных сигналов
• Драйверы линий передачи видеосигнала
• Смещение уровня дифференциальных сигналов
• Драйверы с преобразованием несимметричного сигнала в дифференциальный
• Активные трансформаторы
• Автомобильные системы помощи водителю
• Автомобильные информационно-развлекательные системы

Операционные усилители с однополярным питанием: примеры применения

11 февраля 2020

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, V_BIAS 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 V_BIAS. Вернемся к предыдущему примеру. Если бы мы подали на вход V_BIAS 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 V_DD/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 (I_D1) 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.

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 R_G.

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 V_REF уменьшается на величину V_R1. Соответственно, напряжение на неинвертирующем входе верхнего в схеме ОУ равно V_REF – V_R1. Это напряжение после усиления в два раза дает на выходе ОУ напряжение, равное 2 × (V_REF – V_R1). При этом выходное напряжение нижнего ОУ  схемы составляет V_REF – 2 × V_R1. Вычитая выходное напряжение верхнего ОУ из напряжения на неинвертирующем входе нижнего ОУ, получаем:

2(V_REF – V_R1) – (V_REF – 2V_R1), что равно V_REF.

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.

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.

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

•••

Наши информационные каналы

Операционный усилитель | Описание и принцип работы.

Что такое операционный усилитель

Операционный усилитель (ОУ) англ. Operational Amplifier (OpAmp), в народе – операционник, является усилителем постоянного тока (УПТ) с очень большим коэффициентом усиления. Словосочетание «усилитель постоянного тока» не означает, что операционный усилитель может усиливать только постоянный ток. Имеется ввиду, начиная с частоты в ноль Герц, а это и есть постоянный ток.

Термин «операционный» укрепился давно, так как первые образцы ОУ использовались для различных математических операций типа интегрирования, дифференцирования, суммирования и тд. Коэффициент усиления ОУ зависит от его типа, назначения, структуры и может превышать 1 млн!

Обозначение на схеме операционного усилителя

На схемах операционный усилитель обозначается вот так:

или так

Чаще всего ОУ на схемах обозначаются без выводов питания

Итак, далее по классике, слева два входа, а справа – выход.

Вход со знаком «плюс» называют НЕинвертирующий, а вход со знаком «минус» инвертирующий. Не путайте эти два знака с полярностью питания! Они НЕ говорят о том, что надо  в обязательном порядке подавать на инвертирующий вход сигнал с отрицательной полярностью, а на НЕинвертирующий сигнал с положительной полярностью, и далее вы поймете почему.

Питание операционных усилителей

Если выводы питания не указаны, то считается, что на ОУ идет двухполярное питание +E и -E Вольт. Его также помечают как  +U и -U, V_CC и V_EE, Vc и V_E. Чаще всего это +15 и -15 Вольт. Двухполярное питание также называют биполярным питанием. Как это понять – двухполярное питание?

Давайте представим себе батарейку

Думаю, все вы в курсе, что у батарейки есть “плюс” и есть “минус”.  В этом случае “минус” батарейки принимают за ноль,  и уже относительно нуля считают напряжение батарейки. В нашем случае напряжение батарейки равняется 1,5 Вольт.

А давайте возьмем еще одну такую батарейку и соединим их последовательно:

Итак, общее напряжение у нас будет 3 Вольта, если брать за ноль минус первой батарейки.

А что если взять на ноль минус второй батарейки и относительно него уже замерять все напряжения?

Вот здесь мы как раз и получили двухполярное питание.

Идеальная и реальная модель операционного усилителя

Для того, чтобы понять суть работы ОУ, рассмотрим его идеальную и реальную модели.

1) Входное сопротивление идеального ОУ бесконечно большое.

В реальных ОУ значение входного сопротивления зависит от назначения ОУ (универсальный, видео, прецизионный и т.п.) типа используемых транзисторов и схемотехники входного каскада и может составлять от сотен Ом и до десятков МОм. Типовое значение для ОУ общего применения – несколько МОм.

2) Второе правило вытекает из первого правила. Так как входное сопротивление идеального ОУ бесконечно большое, то  входной ток будет равняться нулю.

На самом же деле это допущение вполне справедливо для ОУ с полевыми транзисторами на входе, у которых входные токи могут быть меньше пикоампер. Но есть также ОУ с биполярными транзисторами на входе. Здесь уже входной ток может быть десятки микроампер.

3) Выходное сопротивление идеального ОУ равняется нулю.

Это значит, что напряжение на выходе ОУ не будет изменяться при изменении тока нагрузки. В реальных ОУ общего применения выходное сопротивление составляет десятки Ом (обычно 50 Ом).
Кроме того, выходное сопротивление зависит от частоты сигнала.

4) Коэффициент усиления в идеальном ОУ бесконечно большой. В реальности он ограничен внутренней схемотехникой ОУ, а выходное напряжение ограничено напряжением питания.

5) Так как коэффициент усиления  бесконечно большой, следовательно,  разность напряжений между входами идеального ОУ равняется нулю. Иначе если даже потенциал одного входа будет больше или меньше хотя бы на заряд одного электрона, то на выходе будет бесконечно большой потенциал.

6) Коэффициент усиления в идеальном ОУ не зависит от частоты сигнала и постоянен на всех частотах. В реальных ОУ это условие выполняется только для низких частот до какой-либо частоты среза, которая у каждого ОУ индивидуальна. Обычно за частоту среза принимают падение усиления на 3 дБ или до уровня 0,7 от усиления на нулевой частоте (постоянный ток).

Схема простейшего ОУ на транзисторах выглядит примерно вот так:

Принцип работы операционного усилителя

Давайте рассмотрим, как работает ОУ

Принцип работы ОУ очень прост. Он сравнивает два напряжения и на выходе уже выдает отрицательный, либо положительный потенциал питания. Все зависит от того, на каком входе потенциал больше. Если потенциал на НЕинвертирующем входе U1 больше, чем на инвертирующем U2, то на выходе будет +Uпит, если же на инвертирующем входе U2 потенциал будет больше, чем на НЕинвертирующем U1, то на выходе будет -Uпит. Вот и весь принцип ;-).

[quads id=1]

Давайте рассмотрим этот принцип в симуляторе Proteus. Для этого выберем самый простой и распространенный операционный усилитель LM358 (аналоги 1040УД1, 1053УД2, 1401УД5) и соберем примитивную схему, показывающую принцип работы

Подадим на НЕинвертирующий вход 2 Вольта, а на инвертирующий вход 1 Вольт. Так как на НЕинвертирующем входе потенциал больше, то следовательно, на выходе мы должны получить +Uпит. Мы получили 13,5 Вольт, что близко к этому значению

Но почему не 15 Вольт? Виновата во всем сама внутренняя схемотехника ОУ. Максимальное значение ОУ не всегда может равняться положительному либо отрицательному напряжению питания. Оно может отклоняться от 0,5 и до 1,5 Вольт в зависимости от типа ОУ.

Но, как говорится, в семье не без уродов, и поэтому на рынке уже давно появились ОУ, которые могут выдавать на выходе допустимое напряжение питания, то есть в  нашем случае это значения, близкие к +15 и -15 Вольтам. Такая фишка называется Rail-to-Rail, что в дословном переводе с англ. “от рельса до рельса”, а на языке электроники “от одной шины питания и до другой”.

Давайте теперь на инвертирующий вход подадим потенциал больше, чем на НЕинвертирущий. На инвертирующий подаем 2 Вольта, а на НЕинвертирующий подаем 1 Вольт:

Как вы видите, в данный момент выход “лег” на -Uпит, так как на инвертирующем входе потенциал был больше, чем на НЕинвертирующем.

Чтобы не качать лишний раз программный комплекс Proteus, можно в онлайне с помощью программы Falstad сэмулировать работу идеального ОУ. Для этого выбираем вкладку Circuits—Op-Amps—>OpAmp. В результате на вашем экране появится вот такая схемка:

На правой панели управления увидите бегунки для добавления напряжения на входы ОУ и уже можете визуально увидеть, что получится на выходе ОУ при изменении напряжения на входах.

Что будет на выходе ОУ, если на обоих входах будет ноль вольт?

Итак, мы рассмотрели случай, когда напряжение на входах может различаться. Но что будет, если они будут равны? Что нам покажет Proteus в этом случае? Хм, показал +Uпит.

А что покажет Falstad? Ноль Вольт.

Кому верить? Никому! В реале, такое сделать невозможно, чтобы на два входа загнать абсолютно равные напряжения. Поэтому такое состояние ОУ будет неустойчивым и значения на выходе могут принимать  значения или -E Вольт, или +E Вольт.

Давайте подадим синусоидальный сигнал амплитудой в 1 Вольт и частотой в 1 килоГерц на НЕинвертирующий вход, а инвертирующий посадим на землю, то есть на ноль.

Смотрим, что имеем на виртуальном осциллографе:

Что можно сказать в этом случае? Когда синусоидальный сигнал находится в отрицательной области, на выходе ОУ у нас -Uпит, а когда синусоидальный сигнал находится в положительной области, то и на выходе имеем +Uпит.

Скорость нарастания выходного напряжения

Также обратите внимание на то, что напряжение на выходе ОУ не может резко менять свое значение. Поэтому, в ОУ есть такой параметр, как скорость нарастания выходного напряжения V_Uвых.

Этот параметр показывает насколько быстро может измениться выходное напряжение ОУ при работе в импульсных схемах. Измеряется в Вольт/сек. Ну и как вы поняли, чем больше значение этого параметра, тем лучше ведет себя ОУ в импульсных схемах. Для LM358 этот параметр равен 0,6 В/мкс.

При участии Jeer

Также смотрите видео “Что такое операционный усилитель (ОУ) и как он работает”

— Вычитатель напряжения

До сих пор мы использовали только один из входов операционных усилителей для подключения к усилителю, используя либо «инвертирующий», либо «неинвертирующий» входной терминал для усиления одного входного сигнала, а другой вход был подключен к земле.

Но поскольку стандартный операционный усилитель имеет два входа, инвертирующий и неинвертирующий, мы также можем подключать сигналы к обоим из этих входов одновременно, создавая другой общий тип схемы операционного усилителя, называемый дифференциальным усилителем .

В основном, как мы видели в первом руководстве по операционным усилителям, все операционные усилители являются «дифференциальными усилителями» из-за их конфигурации входа. Но при подключении одного сигнала напряжения к одной входной клемме и другого сигнала напряжения к другой входной клемме результирующее выходное напряжение будет пропорционально «Разнице» между двумя сигналами входного напряжения V ₁ и V ₂ .

Затем дифференциальные усилители усиливают разницу между двумя напряжениями, превращая этот тип схемы операционного усилителя в вычитатель в отличие от суммирующего усилителя, который складывает или суммирует входные напряжения.Этот тип схемы операционного усилителя обычно известен как конфигурация дифференциального усилителя и показана ниже:

Дифференциальный усилитель

Соединив каждый вход по очереди с землей 0 В, мы можем использовать суперпозицию для определения выходного напряжения Vout. Тогда передаточная функция для схемы дифференциального усилителя задается как:

Когда резисторы R1 = R2 и R3 = R4, вышеуказанная передаточная функция для дифференциального усилителя может быть упрощена до следующего выражения:

Уравнение дифференциального усилителя

Если все резисторы имеют одинаковое омическое сопротивление, то есть: R1 = R2 = R3 = R4, тогда схема станет дифференциальным усилителем с единичным усилением , а коэффициент усиления по напряжению усилителя будет равен единице или единице.Тогда выходное выражение будет просто Vout = V ₂ — V ₁ .

Также обратите внимание, что если вход V1 выше, чем вход V2, сумма выходных напряжений будет отрицательной, а если V2 больше V1, сумма выходных напряжений будет положительной.

Дифференциальный усилитель Схема является очень полезной схемой операционного усилителя, и, добавив дополнительных резисторов параллельно входным резисторам R1 и R3, можно заставить полученную схему либо «сложить», либо «вычесть» напряжения, приложенные к ним. соответствующие входы.Один из наиболее распространенных способов сделать это — подключить «резистивный мост», обычно называемый мостом Уитстона , ко входу усилителя, как показано ниже.

Дифференциальный усилитель с мостом Уитстона

Стандартная схема дифференциального усилителя теперь становится компаратором дифференциального напряжения, «сравнивая» одно входное напряжение с другим. Например, подключив один вход к фиксированному опорному напряжению, установленному на одной ветви резистивной мостовой схемы, а другой — к «термистору» или «светозависимому резистору», схему усилителя можно использовать для обнаружения низкого или высокого уровня. Уровни температуры или света, когда выходное напряжение становится линейной функцией изменений активной ветви резистивного моста, и это показано ниже.

Дифференциальный усилитель с активацией светом

Здесь приведенная выше схема действует как активируемый светом переключатель, который включает выходное реле в положение «ВКЛ» или «ВЫКЛ», когда уровень освещенности, определяемый резистором LDR, превышает или опускается ниже некоторого предварительно установленного значения. Фиксированное опорное напряжение подается на неинвертирующую входную клемму операционного усилителя через сеть делителей напряжения R1 — R2.

Значение напряжения при V ₁ устанавливает точку срабатывания операционного усилителя с помощью потенциометра обратной связи, VR2, используемого для установки гистерезиса переключения.В этом разница между уровнем освещенности для «ВКЛ» и уровнем освещенности для «ВЫКЛ.».

Вторая ветвь дифференциального усилителя состоит из стандартного светозависимого резистора, также известного как LDR, фоторезистивного датчика, который изменяет свое сопротивление (отсюда и его название) в зависимости от количества света на его ячейке, поскольку их значение сопротивления зависит от освещение.

LDR может представлять собой фотопроводящий элемент любого стандартного типа из сульфида кадмия (cdS), например, обычный NORP12, который имеет диапазон сопротивления от примерно 500 Ом на солнечном свете до примерно 20 кОм или более в темноте.

Фотопроводящий элемент NORP12 имеет спектральный отклик, аналогичный спектру человеческого глаза, что делает его идеальным для использования в системах управления освещением. Сопротивление фотоэлемента пропорционально уровню освещенности и падает с увеличением интенсивности света, поэтому уровень напряжения на V2 также будет изменяться выше или ниже точки переключения, которая может определяться положением VR1.

Затем путем регулировки уровня освещенности или заданного положения с помощью потенциометра VR1 и гистерезиса переключения с помощью потенциометра VR2 можно сделать прецизионный светочувствительный переключатель.В зависимости от приложения выход операционного усилителя может напрямую переключать нагрузку или использовать транзисторный переключатель для управления реле или самими лампами.

Также можно определять температуру, используя этот тип простой схемы конфигурации, путем замены светозависимого резистора термистором. Меняя местами VR1 и LDR, схему можно использовать для обнаружения света или темноты, тепла или холода с помощью термистора.

Одним из основных ограничений этого типа конструкции усилителя является то, что его входные сопротивления ниже по сравнению с другими конфигурациями операционных усилителей, например, неинвертирующим усилителем (несимметричный вход).

Каждый источник входного напряжения должен пропускать ток через входное сопротивление, которое имеет меньшее полное сопротивление, чем сопротивление одного входа операционного усилителя. Это может быть хорошо для источника с низким импедансом, такого как мостовая схема выше, но не так хорошо для источника с высоким импедансом.

Одним из способов решения этой проблемы является добавление буферного усилителя Unity Gain, такого как повторитель напряжения, показанный в предыдущем руководстве, к каждому входному резистору. Это дает нам схему дифференциального усилителя с очень высоким входным сопротивлением и низким выходным сопротивлением, поскольку она состоит из двух неинвертирующих буферов и одного дифференциального усилителя.Это затем является основой для большинства «инструментальных усилителей».

Инструментальный усилитель

Инструментальные усилители (входные усилители) — это дифференциальные усилители с очень высоким коэффициентом усиления, которые имеют высокое входное сопротивление и несимметричный выход. Инструментальные усилители в основном используются для усиления очень слабых дифференциальных сигналов от тензодатчиков, термопар или токоизмерительных устройств в системах управления двигателями.

В отличие от стандартных операционных усилителей, в которых их коэффициент усиления с обратной связью определяется внешней резистивной обратной связью, подключенной между их выходной клеммой и одной входной клеммой, положительной или отрицательной, «инструментальные усилители» имеют внутренний резистор обратной связи, который эффективно изолирован от входа. клеммы, поскольку входной сигнал подается на два дифференциальных входа, V1 и V2.

Инструментальный усилитель также имеет очень хороший коэффициент подавления синфазного сигнала, CMRR (нулевой выход, когда V ₁ = V ₂ ), значительно превышающий 100 дБ при постоянном токе. Типичный пример инструментального усилителя с тремя операционными усилителями с высоким входным сопротивлением (Zin) приведен ниже:

Инструментальный усилитель с высоким входным сопротивлением

Два неинвертирующих усилителя образуют дифференциальный входной каскад, действующий как буферные усилители с коэффициентом усиления 1 + 2R2 / R1 для дифференциальных входных сигналов и единичным коэффициентом усиления для синфазных входных сигналов.Поскольку усилители A1 и A2 являются усилителями с обратной связью с обратной связью, мы можем ожидать, что напряжение на Va будет равно входному напряжению V1. Аналогично, напряжение на Vb должно быть равно значению на V2.

Поскольку операционные усилители не потребляют ток на своих входных клеммах (виртуальная земля), такой же ток должен протекать через цепь из трех резисторов R2, R1 и R2, подключенных к выходам операционных усилителей. Это означает, что напряжение на верхнем конце R1 будет равно V1, а напряжение на нижнем конце R1 будет равно V2.

Это вызывает падение напряжения на резисторе R1, которое равно разности напряжений между входами V1 и V2, дифференциальному входному напряжению, потому что напряжение на суммирующем переходе каждого усилителя, Va и Vb, равно напряжению, приложенному к его положительному полюсу. входы.

Однако, если на входы усилителя подается синфазное напряжение, напряжения на каждой стороне R1 будут равны, и ток через этот резистор не будет протекать. Поскольку ток не течет через R1 (и, следовательно, через оба резистора R2, усилители A1 и A2 будут работать как последователи с единичным усилением (буферы).Поскольку входное напряжение на выходах усилителей A1 и A2 проявляется по-разному в цепи из трех резисторов, дифференциальный коэффициент усиления схемы можно изменять, просто изменяя значение R1.

Выходное напряжение дифференциального операционного усилителя A3, действующего как вычитатель, представляет собой просто разность между двумя его входами (V2 — V1), которая усиливается коэффициентом усиления A3, который может быть равен единице (при условии, что R3 = R4). Тогда у нас есть общее выражение для общего коэффициента усиления по напряжению схемы инструментального усилителя как:

Уравнение инструментального усилителя

В следующем руководстве по операционным усилителям мы рассмотрим влияние выходного напряжения Vout, когда резистор обратной связи заменяется частотно-зависимым реактивным сопротивлением в форме емкости.Добавление этой емкости обратной связи дает нелинейную схему операционного усилителя, называемую интегрирующим усилителем.

В этом руководстве мы узнаем об одной из важных схем в разработке аналоговых схем: дифференциальном усилителе. По сути, это электронный усилитель, который имеет два входа и усиливает разницу между этими двумя входами.Мы увидим работу дифференциального усилителя, рассчитаем его коэффициент усиления и CMRR, перечислим некоторые важные характеристики, а также увидим пример и приложение.

Введение

Операционный усилитель внутренне представляет собой дифференциальный усилитель (его первая ступень) с другими важными характеристиками, такими как высокий входной импеданс, низкий выходной импеданс и т. Д. Для получения дополнительной информации об операционном усилителе, прочтите Основы операционного усилителя.

Дифференциальная пара или конфигурация дифференциального усилителя — один из наиболее широко используемых строительных блоков при проектировании аналоговых интегральных схем.Это входной каскад каждого операционного усилителя.

Разностный усилитель или дифференциальный усилитель усиливает разницу между двумя входными сигналами. Операционный усилитель — это дифференциальный усилитель; у него есть инвертирующий вход и неинвертирующий вход. Но коэффициент усиления по напряжению разомкнутого контура операционного усилителя слишком высок (в идеале бесконечен), чтобы его можно было использовать без подключения обратной связи.

Итак, практический дифференциальный усилитель использует отрицательную обратную связь для управления усилением напряжения усилителя.

Дифференциальный усилитель

На следующем рисунке показан простой дифференциальный усилитель, использующий операционный усилитель. Здесь V ₁ — неинвертирующее входное напряжение, V ₂ — инвертирующее входное напряжение, а V _OUT — выходное напряжение.

Если вы посмотрите на приведенную выше схему дифференциального усилителя, это комбинация как инвертирующего усилителя, так и неинвертирующего усилителя. Итак, чтобы рассчитать выходное напряжение дифференциального усилителя, мы будем использовать как инвертирующий, так и неинвертирующий выходы и сложим их.

Расчет выходного напряжения

Пусть V ₊ будет напряжением на неинвертирующей клемме, а V _— будет напряжением на инвертирующей клемме вышеупомянутой схемы дифференциального усилителя. Мы можем вычислить значение V ₊ , используя правило потенциального делителя.

Резисторы R ₁ и R ₂ образуют сеть делителей напряжения с V ₁ в качестве входного напряжения и V ₊ в качестве выходного напряжения, и это V ₊ подается на неинвертирующую клемму.Итак,

V ₊ = V ₁ (R ₂ / R ₁ + R ₂ )

Если V ₊ является входом на неинвертирующий терминал, а G ₊ — коэффициент усиления неинвертирующего усилителя, тогда неинвертирующий выход V _{OUT +} определяется по формуле:

V _{OUT +} = V ₊ G ₊

. -Инвертирование усиления G ₊ как:

G ₊ = ( ₃ + ₄ рэндов) / ₃ рэндов = 1 + ( ₄ / ₃ )

Использование значений V ₊ и G ₊ в уравнении V _{OUT +} , мы получаем

V _{OUT +} = V ₁ (R ₂ / R ₁ + R ₂ ) ( 1 + (R ₄ / R ₃ ))

Переходя к инвертирующему выходу V _OUT– , мы должны рассчитать его относительно входного верифицирующий вход V ₂ и инвертирующий коэффициент усиления G _— .

V _OUT– = V ₂ G _—

Из приведенной выше схемы мы можем рассчитать инвертирующее усиление G _— как:

G _— = — ₄ / R ₃

Итак, V _OUT– определяется по формуле:

V _OUT– = V ₂ (- R ₄ / R ₃ )

У нас есть V _{OUT +} и V _OUT– значений. Чтобы получить окончательное значение V _OUT , мы должны сложить эти значения.

V _OUT = V _{OUT +} + V _OUT–

V _OUT = V ₁ (R ₂ / R ₁ + R ₂ ) (1 + (R ₄ / R ₃ )) — V ₂ (R ₄ / R ₃ )

Это выходное напряжение дифференциального усилителя. Вышеприведенное уравнение выглядит сложным. Итак, чтобы упростить задачу и упростить уравнение, возьмем особый случай, когда ₃ рэндов = ₁ рэндов и ₄ рэндов = ₂ рэндов.

Если мы применим эти значения в приведенном выше уравнении, мы получим выходное напряжение как:

V _OUT = R ₂ / R ₁ (V ₁ — V ₂ ) = R ₄ / R ₃ (V ₁ — V ₂ )

Теперь из этого уравнения ясно, что дифференциальное напряжение (V ₁ — V ₂ ) умножается на коэффициент усиления R ₂ / R ₁ . Следовательно, это дифференциальный усилитель.

Альтернативный способ расчета выходного напряжения

Давайте теперь рассчитаем выходное напряжение, определив ток на инвертирующем входе операционного усилителя.Предположим, что следующая схема дифференциального усилителя. Эта схема аналогична предыдущей, за исключением того, что это особый случай: ₃ рэндов = ₁ рэндов и ₄ рэндов = ₂ рэндов предыдущей схемы.

Сначала мы должны определить напряжение на неинвертирующей клемме (В ₊ ). Мы уже рассчитали это в предыдущем выводе, используя правило делителя напряжения. Значение определяется следующим образом:

В ₊ = В ₁ ( ₂ / ₁ + ₂ )

Теперь, исходя из базового понимания операционного усилителя, мы можем сказать, что ток не течет на входные клеммы операционного усилителя и не выходит из них.Таким образом, ток, входящий в инвертирующий терминал I ₁ , такой же, как ток, выходящий из терминала I ₂ .

I ₁ = I ₂

Используя это правило в качестве справки, мы можем применить закон Кирхгофа к инвертирующему входному терминалу и получить:

(V ₂ — V _— ) / R ₁ = (V _— — V _OUT ) / R ₂

Еще одно важное правило операционного усилителя состоит в том, что он пытается поддерживать на входных клеммах одинаковое напряжение.Итак, V ₊ = V _— . Используя это правило, мы можем заменить V _— в приведенном выше уравнении на ранее рассчитанное значение V ₊ .

После замены и выполнения некоторых расчетов получаем:

V _OUT = R ₂ / R ₁ (V ₁ — V ₂ )

ПРИМЕЧАНИЕ: Во всем предыдущем При расчетах мы взяли специальный вид: ₃ = ₁ рэнд и ₄ рэнд = ₂ рэнд.Фактически, вместо этого мы должны учитывать отношения, т.е.

R ₃ / R ₄ = R ₁ / R ₂

Если используется это условие, то считается, что сопротивления находятся в Сбалансированный мост.

Важные параметры дифференциального усилителя

Давайте теперь рассмотрим некоторые важные параметры дифференциального усилителя. Это:

• Коэффициент усиления
• Вход синфазного сигнала
• Коэффициент подавления синфазного сигнала (CMRR)

Коэффициент усиления дифференциального усилителя

Коэффициент усиления дифференциального усилителя — это соотношение выходного сигнала и разности применяемых входных сигналов. .Из предыдущих расчетов мы имеем выходное напряжение V _OUT как

V _OUT = R ₂ / R ₁ (V ₁ — V ₂ )

Итак, коэффициент усиления дифференциального усилителя A _D задается

A _D = V _OUT / (V ₁ — V ₂ ) = R ₂ / R ₁

Вход синфазного режима

Все предыдущие В расчетах мы приняли условие сбалансированного моста i.е., ₃ рандов / ₄ рандов = ₁ рандов / ₂ рандов. Чтобы понять уникальную характеристику дифференциального усилителя или дифференциального усилителя, мы должны взглянуть на входные компоненты дифференциального режима и синфазные входные компоненты.

Вход дифференциального режима V _DM и вход синфазного режима V _CM задаются следующим образом:

V _DM = V ₁ — V ₂

V _CM = (V ₁ + V ₂ ) / 2

Переставляя два приведенных выше уравнения, мы получаем

V ₁ = V _CM + V _DM /2 и V ₂ = V _CM — V _DM /2

Следующая схема показывает синфазные входные сигналы.

Поскольку усилитель разности усиливает только компонент разностного режима, он игнорирует компонент синфазного режима. Если мы свяжем входы вместе, V _DM станет 0, а V _CM — ненулевым значением.

Но истинный дифференциальный усилитель приведет к V _OUT = 0, поскольку он полностью игнорирует синфазную часть входного сигнала. Из-за этого дифференциальный усилитель часто используется на входном каскаде системы для удаления постоянного или синфазного шума со входа.

Все эти расчеты верны тогда и только тогда, когда Сопротивления формируют Состояние Уравновешенного Моста. Поскольку выход практического разностного усилителя зависит от соотношения входных сопротивлений, если эти соотношения резисторов не совсем равны, синфазное напряжение V _CM не будет полностью отменено. Поскольку практически невозможно точно подобрать соотношения резисторов, вероятно, будет некоторое синфазное напряжение.

При наличии синфазного входного напряжения выходное напряжение дифференциального усилителя определяется как,

В _OUT = A _D V _DM + A _C V _CM

Где V _DM — это разность напряжений V ₁ — V ₂

V _CM — синфазное напряжение (V ₁ + V ₂ ) / 2

A _D и A _C — это коэффициенты усиления в дифференциальном и синфазном режимах соответственно.

Коэффициент подавления синфазного сигнала (CMRR)

Способность дифференциального усилителя подавлять входные синфазные сигналы выражается через коэффициент подавления синфазного сигнала (CMRR). Коэффициент подавления синфазного сигнала дифференциального усилителя математически определяется как отношение коэффициента усиления дифференциального напряжения (A _D ) дифференциального усилителя к его коэффициенту усиления синфазного сигнала (A _C ).

CMRR = A _D / A _C

В децибелах (дБ) CMRR выражается как

CMRR _дБ = 20 log ₁₀ (| A _D / A _C |)

Для идеального дифференциального усилителя коэффициент усиления синфазного напряжения равен нулю.Следовательно, CMRR бесконечен.

Характеристики дифференциального усилителя

• Высокий коэффициент усиления дифференциального напряжения
• Низкое усиление синфазного сигнала
• Высокое входное сопротивление
• Низкое выходное сопротивление
• Высокое CMRR
• Широкая полоса пропускания
• Низкое смещение напряжения и тока
в качестве компаратора

Схема дифференциального усилителя является очень полезной схемой операционного усилителя, поскольку ее можно настроить на «прибавление» или «вычитание» входных напряжений путем соответствующего добавления дополнительных резисторов параллельно входным резисторам.

Конструкция схемы дифференциального усилителя на мосту Уитстона показана на следующем рисунке. Эта схема ведет себя как компаратор дифференциального напряжения.

Подключив один вход к фиксированному напряжению, а другой к термистору (или светозависимому резистору), схема дифференциального усилителя обнаруживает высокие или низкие уровни температуры (или интенсивности света), когда выходное напряжение становится равным линейная функция изменения активной ветви резистивной мостовой сети.

Дифференциальный усилитель с мостом Уитстона также можно использовать для поиска неизвестного сопротивления в цепи резистивного моста путем сравнения входных напряжений на резисторах.

Переключатель, активируемый светом с использованием дифференциального усилителя

Схема, показанная на следующем изображении, действует как светозависимый переключатель, который включает выходное реле в положение «ВКЛ» или «ВЫКЛ» в зависимости от интенсивности света, падающего на светозависимый резистор (LDR) превышает или опускается ниже предварительно установленного значения на неинвертирующей входной клемме V ₂ .

Напряжение V ₂ определяется переменным резистором V _R1 . Резисторы R ₁ и R ₂ действуют как сетевой делитель потенциала. На инвертирующий вход подается фиксированное опорное напряжение через R ₁ и R ₂ .

Эту же схему можно модифицировать для обнаружения изменений температуры, просто заменив LDR термистором. Меняя местами LDR и V _R1 , можно настроить схему на обнаружение темноты или света (или тепла или холода в случае термистора).

Пример дифференциального усилителя

Определите выходное напряжение дифференциального усилителя для входных напряжений 300 мкВ и 240 мкВ. Дифференциальный коэффициент усиления усилителя составляет 5000, а значение CMRR составляет

(i) 100

(ii) 10 ⁵

Дифференциальный усилитель для заданных данных представлен, как показано на рисунке.

Для CMRR = 100:

CMRR = A _D / A _C

100 = 5000 / A _C

Итак, A _C = 50

Разностное напряжение в режиме V _DM

В _DM = В ₁ — В ₂ = 300 мкВ — 240 мкВ = 60 мкВ

Синфазное напряжение В _CM

В _CM = (В ₁ + В ₂ ) / 2 = 540 мкВ / 2 = 270 мкВ

Выходное напряжение В _ВЫХ

В _ВЫХ = A _D В _DM + A _C В _CM

= 5000 x 60 мкВ + 50 x 270 мкВ

В _OUT = 313500 мкВ = 313.500 мВ

Для CMRR = 10 ⁵ :

A _C = A _D / CMRR = 5000/10 ⁵ = 0,05

V _OUT = A _D V _DM + A _C V _CM = 5000 x 60 мкВ + 0,05 x 270 мкВ

V _OUT = 300013,5 мкВ = 300,0135 мВ

ПРИМЕЧАНИЕ: Для идеального дифференциального усилителя или дифференциального усилителя, A _C равен 0. Таким образом, на выходе будет только A _D V _DM , что дает V _OUT = 5000 x 60 мкВ = 300 мВ.

Обзор дифференциального усилителя

• Дифференциальный усилитель, также известный как дифференциальный усилитель, представляет собой очень полезную конфигурацию операционного усилителя, которая усиливает разницу между приложенными входными напряжениями.
• Дифференциальный усилитель представляет собой комбинацию инвертирующих и неинвертирующих усилителей. Он использует соединение с отрицательной обратной связью для управления усилением дифференциального напряжения.
• Коэффициент усиления дифференциального напряжения усилителя зависит от соотношения входных сопротивлений.Поэтому, тщательно выбирая входные сопротивления, можно точно регулировать усиление разностного усилителя.
• Синфазное усиление идеального дифференциального усилителя равно нулю. Но из-за несоответствия практических значений резисторов будет очень маленькое синфазное напряжение и конечное синфазное усиление.
• Путем соответствующей модификации соединений резисторов на входных клеммах можно создать разностный усилитель для сложения, вычитания и сравнения приложенных уровней входного напряжения.

Создание дифференциального усилителя | Операционные усилители

Дифференциальные схемы операционных усилителей

Операционный усилитель без обратной связи — это уже дифференциальный усилитель, усиливающий разность напряжений между двумя входами. Однако его усиление невозможно контролировать, и оно, как правило, слишком велико, чтобы иметь какое-либо практическое применение. До сих пор наше применение отрицательной обратной связи к операционным усилителям приводило к практической потере одного из входов, в результате чего усилитель годился только для усиления одного входа сигнала напряжения.Однако проявив немного изобретательности, мы можем построить схему операционного усилителя, поддерживающую оба входа напряжения, но с управляемым усилением, устанавливаемым внешними резисторами.

Если все значения резисторов равны, этот усилитель будет иметь дифференциальное усиление по напряжению, равное 1. Анализ этой схемы по существу такой же, как и у инвертирующего усилителя, за исключением того, что неинвертирующий вход (+) операционного усилителя при напряжении, равном доле В ₂ , вместо прямого заземления.Разумеется, V ₂ функционирует как неинвертирующий вход, а V ₁ функционирует как инвертирующий вход схемы оконечного усилителя. Следовательно:

Если бы мы хотели обеспечить дифференциальное усиление, отличное от 1, нам пришлось бы отрегулировать сопротивления в как верхнего, так и нижнего делителя напряжения , что потребовало бы нескольких замен резисторов и балансировки между двумя делителями для симметричной работы. Это не всегда практично по понятным причинам.

Буферизация сигнала входного напряжения

Еще одним ограничением этой конструкции усилителя является тот факт, что его входное сопротивление довольно низкое по сравнению с входным сопротивлением некоторых других конфигураций операционных усилителей, в первую очередь неинвертирующего усилителя (несимметричный вход). Каждый источник входного напряжения должен пропускать ток через сопротивление, которое составляет гораздо меньший импеданс, чем голый вход операционного усилителя. Решение этой проблемы, к счастью, довольно простое. Все, что нам нужно сделать, это «буферизовать» каждый входной сигнал напряжения через повторитель напряжения, например:


Теперь входные линии V ₁ и V ₂ подключены прямо ко входам двух операционных усилителей с повторителем напряжения, что дает очень высокий импеданс.Два операционных усилителя слева теперь управляют прохождением тока через резисторы вместо того, чтобы позволять источникам входного напряжения (какими бы они ни были) это делать. Повышенная сложность нашей схемы минимальна для существенной выгоды.

СВЯЗАННЫЕ РАБОЧИЕ ЛИСТЫ:

Более подробный анализ разностных усилителей

Введение

Классический четырехрезисторный дифференциальный усилитель кажется простым, но многие схемы его реализации работают плохо. В этой статье, основанной на реальных разработках, показаны некоторые подводные камни, с которыми можно столкнуться при использовании дискретных резисторов, фильтрации, подавления синфазного сигнала переменного тока и высокого усиления шума.

Курсы по электронике в колледже иллюстрируют применение идеальных операционных усилителей, включая инвертирующие и неинвертирующие усилители. Затем они объединяются для создания дифференциального усилителя. Классический четырехрезисторный дифференциальный усилитель, показанный на рисунке 1, весьма полезен и описывается в учебниках и литературе более 40 лет.

Рисунок 1. Классический дифференциальный усилитель.

Передаточная функция этого усилителя

(1)

Если R1 = R3 и R2 = R4, уравнение 1 упрощается до

(2)

Это упрощение встречается в учебниках, но никогда в реальной жизни, поскольку резисторы никогда не бывают абсолютно равными.Кроме того, другие модификации базовой схемы могут привести к неожиданному поведению. Следующие ниже примеры взяты из реальных вопросов по применению, хотя они были упрощены, чтобы показать суть проблемы.

CMRR

Важной функцией дифференциального усилителя является подавление сигналов, общих для обоих входов. Ссылаясь на рисунок 1, если, например, V2 равно 5 В, а V1 равно 3 В, то 4 В является общим для обоих. V2 на 1 В выше, чем обычное напряжение, а V1 на 1 В ниже.Разница составляет 2 В, поэтому «идеальное» усиление R2 / R1 должно быть применено к 2 В. Если резисторы не идеальны, часть синфазного напряжения будет усилена дифференциальным усилителем и появится на V _OUT. как действительное различие между V1 и V2, которое нельзя отличить от реального сигнала. Способность дифференциального усилителя подавлять это называется подавлением синфазного сигнала (CMR). Это может быть выражено как отношение (CMRR) или преобразовано в децибелы (дБ).

В статье 1991 года Рамон Паллас-Арени и Джон Вебстер показали, что подавление синфазного сигнала при условии идеального ОУ составляет

.

(3)

, где A _d — коэффициент усиления дифференциального усилителя, а t — допуск резистора.Таким образом, с единичным усилением и резисторами 1% CMRR составляет 50 В / В, или около 34 дБ; с резисторами 0,1% CMRR составляет 500 В / В, или около 54 дБ, даже с учетом идеального операционного усилителя с бесконечным подавлением синфазного сигнала. Если подавление синфазного сигнала операционным усилителем достаточно велико, общий CMRR ограничивается согласованием резисторов. Некоторые недорогие операционные усилители имеют минимальный CMRR в диапазоне от 60 до 70 дБ, что усложняет расчет.

Резисторы с низким допуском

Первой неоптимальной конструкцией, показанной на рисунке 2, было приложение для измерения тока на стороне низкого напряжения с использованием OP291.R1 — R4 были дискретными резисторами 0,5%. Согласно статье Палласа-Арени, наилучшим CMR будет 64 дБ. К счастью, синфазное напряжение очень близко к заземлению, поэтому CMR не является основным источником ошибок в этом приложении. Резистор считывания тока с допуском 1% вызовет ошибку 1%, но этот начальный допуск можно откалибровать или подрезать. Однако рабочий диапазон превышал 80 ° C, поэтому необходимо учитывать температурный коэффициент резисторов.

Рис. 2. Измерение на стороне низкого давления с высоким коэффициентом усиления шума.

Для шунтов с очень малым током используйте 4-контактный резистор, чувствительный к Кельвину. При использовании высокоточного резистора 0,1 Ом подключайтесь непосредственно к резистору, так как несколько десятых дюйма дорожки на печатной плате могут легко добавить 10 мОм, что приведет к ошибке более 10%. Но ошибка усугубляется; медный след на печатной плате имеет температурный коэффициент более 3000 ppm.

Следует тщательно выбирать номинал резистора считывания. Чем выше значение, тем больше сигналы. Это хорошо, но рассеиваемая мощность (I ² R) увеличивается и может достигать нескольких ватт.При меньших значениях, в диапазоне миллиом, паразитное сопротивление проводов или дорожек печатной платы может вызвать значительные ошибки. Чтобы уменьшить эти ошибки, обычно используется измерение Кельвина. Можно использовать специализированный 4-контактный резистор (например, серия Ohmite LVK), или можно оптимизировать компоновку печатной платы для использования стандартных резисторов, как описано в разделе «Оптимизация точности измерения сильного тока за счет улучшения компоновки контактных площадок для маломощных шунтирующих резисторов. . » Для очень малых значений можно использовать трассировку печатной платы, но это не очень точно, как объясняется в разделе «Сопротивление постоянному току дорожки печатной платы».«

Коммерческие 4-контактные резисторы, например, от Ohmite или Vishay, могут стоить несколько долларов или больше за допуск 0,1% с очень низкими температурными коэффициентами. Полный анализ бюджета ошибок может показать, где можно повысить точность с наименьшими затратами.

Одна жалоба, касающаяся большого смещения (31 мВ) при отсутствии тока через резистор считывания, была вызвана операционным усилителем типа «rail-to-rail», который не мог полностью повернуться к отрицательной шине, которая была связана с землей.Термин rail-to-rail вводит в заблуждение: выход будет приближаться к шине — намного ближе, чем классические выходные каскады эмиттерного повторителя, — но никогда не достигнет полностью шины. Операционные усилители Rail-to-Rail определяют минимальное выходное напряжение, В _OL , либо В _{CE (SAT)} , либо RDS _(ON) × I _{НАГРУЗКА} , как описано в «MT-035: Операционный усилитель. Вопросы ввода, вывода, однополярного питания и железнодорожного сообщения ». При коэффициенте усиления шума 30 выходной сигнал будет 1,25 мВ × 30 = ± 37,5 мВ из-за выходного напряжения.Но выходная мощность может упасть только до 35 мВ, поэтому выходная мощность будет между 35 мВ и 37,5 мВ при токе нагрузки 0 А. В зависимости от полярности V _OS выходная мощность может достигать 72,5 мВ с ток без нагрузки. При максимальном напряжении V _OS , равном 30 мкВ, и максимальном напряжении V _OL , равном 8 мВ, современный усилитель с нулевым дрейфом, такой как AD8539, снизил бы общую ошибку до такой степени, что погрешность из-за измерительного резистора доминировать.

Другое приложение для измерения нижней стороны

В следующем примере, показанном на Рисунке 3, было более низкое усиление шума, но он использовал четырехканальный операционный усилитель низкой точности со смещением 3 мВ, дрейфом смещения 10 мкВ / ° C и CMR 79 дБ.Требовалась точность ± 5 мА в диапазоне от 0 до 3,6 А. С резистором считывания ± 0,5% требуемая точность ± 0,14% не может быть достигнута. С резистором 100 мОм сквозной ток ± 5 мА создает падение ± 500 мкВ. К сожалению, напряжение смещения операционного усилителя по температуре в десять раз больше измеренного. Даже с V _OS , обрезанным до нуля, изменение на 50 ° C потребляет весь бюджет ошибок. При коэффициенте усиления шума 13 любое изменение в V _OS будет умножено на 13. Для повышения производительности используйте операционный усилитель с нулевым дрейфом, такой как AD8638, ADA4051 или ADA4528, массив тонкопленочных резисторов и резистор более высокой точности.

Рис. 3. Обнаружение нижней стороны, пример 2.

Высокое усиление шума

Схема, показанная на рисунке 4, пытается измерить ток на стороне высокого напряжения. Усиление шума составляет 250. Операционный усилитель OP07C обеспечивает максимальное напряжение 150 мкВ _OS . Максимальная ошибка составляет 150 мкВ × 250 = 37,5 мВ. Чтобы улучшить это, используйте операционный усилитель с нулевым дрейфом ADA4638, который обеспечивает смещение 12,5 мкВ от –40 ° C до + 125 ° C. Однако с высоким коэффициентом усиления шума синфазное напряжение будет очень близко к напряжению на измерительном резисторе. Диапазон входного напряжения (IVR) для OP07C составляет 2 В, что означает, что входное напряжение должно быть как минимум на 2 В ниже положительной шины.Для ADA4638 IVR = 3 В.

Рисунок 4. Измерение тока на стороне высокого напряжения.

Спад одиночного конденсатора

Пример, показанный на рисунке 5, немного более тонкий. До сих пор все уравнения касались резисторов; но, более правильно, уравнения должны были относиться к импедансам. При добавлении конденсаторов, преднамеренных или паразитных, CMRR переменного тока зависит от соотношения импедансов на интересующей частоте. Чтобы уменьшить частотную характеристику в этом примере, к резистору обратной связи был добавлен конденсатор C2, как это обычно делается для инвертирующих конфигураций операционных усилителей.

Рисунок 5. Попытка создать низкочастотный отклик.

Для согласования соотношений импедансов Z1 = Z3 и Z2 = Z4 необходимо добавить конденсатор C4. Купить резисторы 0,1% или лучше несложно, но даже конденсаторы 0,5% могут стоить более 1 доллара. На очень низких частотах импеданс может не иметь значения, но разница в 0,5 пФ на двух входах операционного усилителя, вызванная допуском конденсаторов или компоновкой печатной платы, может ухудшить CMR переменного тока на 6 дБ на частоте 10 кГц. Это может быть важно, если используется импульсный регулятор.

Монолитные разностные усилители, такие как AD8271, AD8274 или AD8276, имеют намного лучший CMRR по переменному току, поскольку два входа операционного усилителя находятся в контролируемой среде на кристалле, а цена часто ниже, чем у дискретных операционных усилителей. и четыре прецизионных резистора.

Конденсатор между входами ОУ

Чтобы уменьшить отклик дифференциального усилителя, некоторые разработчики пытаются создать дифференциальный фильтр, добавляя конденсатор C1 между двумя входами операционного усилителя, как показано на рисунке 6. Это приемлемо для входных усилителей, но не для операционных усилителей. V _OUT будет двигаться вверх и вниз, чтобы замкнуть петлю через R2. При постоянном токе это не проблема, и схема ведет себя, как описано в уравнении 2. С увеличением частоты реактивное сопротивление C1 уменьшается.На вход операционного усилителя поступает меньше обратной связи, поэтому усиление увеличивается. В конце концов, операционный усилитель работает без обратной связи, потому что входы закорочены конденсатором.

Рисунок 6. Входной конденсатор уменьшает высокочастотную обратную связь.

На графике Боде усиление без обратной связи операционного усилителя уменьшается на –20 дБ / дек, но шумовое усиление увеличивается на +20 дБ / дек, что приводит к переходу на –40 дБ / дек. Как учат в классе систем управления, это гарантированно колеблется. В качестве общего правила: никогда не используйте конденсатор между входами операционного усилителя.(Исключений очень мало, но здесь они не рассматриваются.)

Заключение

Разностный усилитель с четырьмя резисторами, дискретный или монолитный, широко используется. Чтобы добиться прочной производственной конструкции, внимательно изучите коэффициент усиления шума, диапазон входного напряжения, отношения импеданса и характеристики напряжения смещения.

использованная литература

Китчин, Чарльз и графы, Лью. Руководство разработчика по инструментальным усилителям , 3-е издание.2006. Стр. 2-1.

О’Салливан, Маркус. «Оптимизация точности измерения сильных токов за счет улучшения компоновки контактных площадок маломощных шунтирующих резисторов». Аналоговый диалог , Volume 46, Number 2, 2012.

Паллас-Арени, Рамон и Вебстер, Джон Г. Коэффициент подавления синфазного сигнала в дифференциальных усилителях. Транзакции IEEE по контрольно-измерительным приборам и измерениям , том 40, номер 4, август 1991 г. Страницы 669–676.

MT-035 Учебное пособие. Проблемы с входами, выходами операционных усилителей, однополярным питанием и железнодорожной магистралью.

Дифференциальный усилитель OPAMP — Electronics-Lab.com

Введение

В предыдущих руководствах мы говорили об инвертирующем операционном усилителе и неинвертирующем операционном усилителе, мы рассматривали конфигурации, которые принимают один вход на любом контакте «-» или «+» операционного усилителя, в то время как другой контакт является заземлен.

Однако, как мы увидим в этой статье, можно снабдить оба входа операционного усилителя сигналами, чтобы получить выходной сигнал, прямо пропорциональный входной разности.Эта новая конфигурация широко известна как дифференциальный усилитель .

Мы представляем эту новую конфигурацию в первом разделе, где мы представляем ее работу и демонстрируем ее выходное выражение.

Простой пример дифференциального усилителя вместе с некоторыми основными приложениями на основе дифференциального сигнала представлен во втором разделе.

Наконец, в последнем разделе кратко представлены инструментальные усилители, которые являются важными дифференциальными конфигурациями, встречающимися в цепях сбора данных для обработки выходных сигналов датчиков.

Презентация

Цель этого раздела — познакомить читателя с конфигурацией дифференциального усилителя и продемонстрировать его выходное выражение.

На рис. 1 мы представляем схемное представление базового дифференциального усилителя. Входы имеют маркировку V ₁ и V ₂ и связаны с инвертирующими и неинвертирующими выводами операционного усилителя через резисторы R ₁ и R ₂ . Выход обозначен V _out , а резисторы R _f и R _g обозначают «обратная связь», и «земля».

Рис.1: Общая схема операционного усилителя дифференциального усилителя

Далее мы будем предполагать, что операционный усилитель является идеальным, что является очень хорошим приближением к современным реальным усилителям. Как следствие, у нас нет токов, проходящих через выводы — и + операционного усилителя, более того, выполняется равенство V ₊ = V _— между потенциалами на одних и тех же выводах.

Напряжение V ₊ определяется по формуле делителя напряжения, связывающей R ₂ и R _g :

Напряжение V _— может быть записано благодаря теореме Миллмана , которая предусматривает, что потенциал в узле может быть записан как сумма токов, входящих в узел и деленная на сумму проводимых сопротивлений в каждой ветви:

Поскольку мы предполагаем, что V ₊ = V _— , оба предыдущих уравнения также равны.После преобразования этого равенства окончательно получаем выходное выражение для дифференциального усилителя в общем случае, которое представляет собой суперпозицию обоих входов V ₁ и V ₂ :

уравнение 1: Выражение выходного сигнала дифференциального усилителя в общем случае

Дифференциальный режим

Конфигурация R ₁ R ₂ ≠ R _f ≠ R _g , однако, никогда не используется в реальных схемах. При разработке дифференциального усилителя мы должны стремиться получить выходной сигнал в форме В, _{на выходе} = A (V ₂ -V ₁ ) , где A является общим множителем.

В следующих параграфах мы покажем, при каком условии (которое мы называем дифференциальным условием ) этот общий множитель может быть записан.

Чтобы получить общий множитель для V ₁ и V ₂ , должно быть выполнено следующее равенство:

После некоторых основных шагов упрощения, можно, наконец, записать дифференциальное условие: R _f / R ₁ = R _g / R ₂ . В этом случае мы действительно получаем V _из = A (V ₂ -V ₁ ) с A = R _f / R ₁ .

Мы можем даже упростить схему, выбрав R ₁ = R ₂ и R _f = R _g (который по-прежнему удовлетворяет дифференциальному условию и снова A = R _f / R ₁ ) :

рис 2: Дифференциальный усилитель, работающий в дифференциальном режиме

Режим вычитания

Если мы сложим условия R ₁ = R _f и R ₂ = R _g , мы не только выполним условие записи вывода в форме V _out = A (V ₂ -V ₁ ), но также получаем A = 1 .

В этом случае мы не можем говорить о схеме как о дифференциальном усилителе, поскольку разность V ₂ -V ₁ не усиливается, вместо этого мы обозначаем конфигурацию как вычитатель с V _out , прямо равным входная разница.

Примеры дифференциального усилителя

Как указано во введении, операционные усилители с дифференциальным усилителем могут быть очень полезны для обработки выходного сигнала датчика. Сначала мы представляем несколько очень простых датчиков, которые представляют собой резисторы, значение сопротивления которых зависит от внешнего физического параметра.

Во второй части нам нужно представить, что представляет собой мост Уитстона , прежде чем сосредоточиться на третьей части, которая касается интеграции этих датчиков в схему дифференциального усилителя, чтобы понять, как обрабатывается сигнал.

Зависимый резистор

Далее мы представляем основы резисторов, значения сопротивления которых зависят от силы света (фоторезистор) или от температуры (термистор).

рис. 3: Символы фоторезистора и термистора

Хорошей моделью для значений сопротивления фоторезистора и термистора является рассмотрение экспоненциального уменьшения с увеличением интенсивности света или температуры:

рис 4: Передаточная функция зависимых резисторов

Мост Уитстона

Мост Уитстона — это измерительная схема, состоящая из 4 резисторов, соединенных между собой в виде петли, как показано на Рис. 5 .Один из резисторов имеет неизвестное значение (R _x ), один является переменным резистором (R _v ), а два имеют известные и фиксированные значения (R ₁ и R ₂ ).

Рис. 5: Представление схемы моста Уитстона

Мы не будем здесь объяснять подробности процедуры измерения моста Уитстона, но предположим, что когда гальванометр (или амперметр) не обнаруживает ток через узлы R ₁ -R _v и R ₂ -R _x После изменения значения R _v сопротивление R _x определяется по формуле Уравнение 1 .

Это условие также известно как условие балансировки моста Уитстона.

уравнение 1: Неизвестное значение сопротивления моста Уитстона

Обнаружение света / температуры

На следующем рисунке Рисунок 6 мы представляем схему обнаружения света, основанную на конфигурации дифференциального усилителя, включая мост Уитстона с резисторами R ₁ , R ₂ , светочувствительный резистор R _Ph , который играет роль неизвестного резистора, и резистор регулировки света R _A , который играет роль переменного резистора.Резистор обратной связи R _H регулирует гистерезис.

Обратите внимание, что схема определения температуры состоит только из замены фоторезистора термистором.

Рис. 6: Схема обнаружения света

Целевое значение сопротивления R _A используется для установки «эталонного» уровня освещенности, действительно, когда определенный уровень света изменяет значение R _Ph , мы можем отрегулировать R _A для уравновешивания моста Уитстона и получения нулевого дифференциального входа V ₂ -V ₁ , и, следовательно, отсутствия выходного сигнала.

При изменении интенсивности света схема становится несбалансированной и появляется разность напряжений V ₂ -V ₁ . Даже при небольшом изменении яркости операционный усилитель будет усиливать дифференциальный сигнал, чтобы правильно его обнаружить и в конечном итоге обработать на следующих этапах схемы.

Одним из возможных способов обработки сигнала является подключение светодиода к выходу операционного усилителя. Светодиод горит только тогда, когда выходное напряжение превышает определенное значение, в противном случае он не горит.Для конфигурации, представленной на рис. 6 , светодиод будет включаться в отсутствие света, что делает его «детектором темноты». Чтобы получить обратный эффект и построить «детектор света», нам просто нужно поменять местами R _Ph и R _A .

Инструментальные усилители

Одним из ограничений дифференциальных усилителей, когда речь идет о выходных сигналах технологических датчиков, является их относительно низкий входной импеданс. Действительно, входное сопротивление общей конфигурации, представленной на рис. , рис. 1 , равно R ₁ + R ₂ , что намного ниже, чем входное сопротивление обычного неинвертирующего операционного усилителя.

На практике по этой причине дифференциальные усилители никогда не используются в одиночку для обработки выходных сигналов датчиков, поскольку их низкий входной импеданс может смещать то, что обеспечивает источник (датчик в нашем случае) (дополнительную информацию см. В учебном пособии по сборке операционных усилителей).

Решением для увеличения входного импеданса является подключение повторителей напряжения перед инвертирующими и неинвертирующими входами дифференциального усилителя. Эта конфигурация, известная как инструментальный усилитель , представлена ​​ниже на рис. 7 :

Рис. 7: Схема инструментального усилителя

Падение напряжения на резисторе R ₁ , который является входом дифференциального усилителя, равно V ₂ -V ₁ , за исключением того, что на этот раз источники сигналы V ₁ и V ₂ обнаруживают очень высокий входной импеданс благодаря обоим буферам.

Заключение

Основная цель дифференциального усилителя — усилить разность напряжений, которая соответствует разнице между двумя входными сигналами, подаваемыми на его инвертирующий и неинвертирующий входы.

Мы видели, что в общем случае (с произвольными резисторами) операционный усилитель на самом деле не усиливает разницу, так как коэффициент различия найден для V ₁ и V ₂ . На самом деле более интересно уравнять входные сопротивления, сопротивления обратной связи и заземления (которые мы назвали дифференциальным условием), чтобы получить на выходе форму В _{на выходе} = A (В ₂ — В ₁ ) .

Во втором разделе мы рассмотрели схему свето-температурного детектора на основе дифференциального усилителя. Сначала мы кратко представили, как работают фоторезистор / термистор и мост Уитстона. Схема, показанная на рис. 6 , объединяет эти различные схемы и элементы, чтобы создать простой датчик света / температуры.

Однако низкий входной импеданс, который представляет эта схема, является ее большим недостатком. Чтобы решить эту проблему, буферов обычно размещаются в качестве входа для дифференциального усилителя, как мы представляем в последнем разделе, посвященном инструментальным усилителям.

Дифференциальный усилитель

: что это такое? (OP Amp & BJT Circuit)

Что такое дифференциальный усилитель?

Дифференциальный усилитель (также известный как дифференциальный усилитель или вычитатель операционного усилителя ) представляет собой тип электронного усилителя, который усиливает разницу между двумя входными напряжениями, но подавляет любое напряжение, общее для двух входов. Дифференциальный усилитель — это аналоговая схема с двумя входами (V ₁ и V ₂ ) и одним выходом (V ₀ ), выход которой идеально пропорционален разнице между двумя напряжениями.

Формула для простого дифференциального усилителя может быть выражена:

Где

• V ₀ — выходное напряжение
• V ₁ и V ₂ — входные напряжения
• A _d — коэффициент усиления усилителя (т.е. коэффициент усиления дифференциального усилителя)

Из приведенной выше формулы вы можете видеть, что когда V ₁ = V ₂ , V ₀ равно нулю, и, следовательно, выходное напряжение подавляется.Но любая разница между входами V ₁ и V ₂ умножается (т.е. усиливается) на коэффициент усиления дифференциального усилителя A _d .

Вот почему дифференциальный усилитель также известен как дифференциальный усилитель — разница между входными напряжениями усиливается.

Схема дифференциального усилителя

Существует два различных типа схем дифференциального усилителя:

1. Дифференциальный усилитель BJT — это дифференциальный усилитель, построенный на транзисторах, либо транзисторах с биполярным переходом (BJT), либо полевых транзисторах (FET)
2. Opamp Дифференциальные усилители, построенные с использованием операционных усилителей

BJT и схемы вычитания операционных усилителей, показаны ниже.

Дифференциальный усилитель BJT

На рисунке 1 показана такая схема дифференциального усилителя BJT, состоящая из двух BJT (Q ₁ и Q ₂ ) и двух источников питания противоположной полярности, V _CC и –V _EE , которые использует три резистора, среди которых два резистора коллектора, R _C1 и R _C2 (по одному на каждый транзистор), а один — резистор эмиттера R _E , общий для обоих транзисторов.

Здесь входные сигналы (V ₁ и V ₂ ) подаются на базу транзисторов, в то время как выходные сигналы собираются на их клеммах коллектора (V _o1 и V _o2 ).Принципиальная схема дифференциального усилителя BJT показана ниже:

В этом случае, если V ₁ на Q ₁ синусоидален, то по мере увеличения V ₁ транзистор начинает проводить, и это приводит к при сильном токе коллектора I _C1 увеличивает падение напряжения на R _C1 , вызывая уменьшение V _o1 .

Из-за того же эффекта даже I _E1 увеличивается, что увеличивает ток общего эмиттера, I _E , что приводит к увеличению падения напряжения на R _E .

Это означает, что эмиттеры обоих транзисторов направлены к положительному положению, что, в свою очередь, означает, что база Q ₂ начнет становиться все более и более отрицательной.

Это приводит к уменьшению тока коллектора, I _C2 , что, в свою очередь, уменьшает падение напряжения на резисторе коллектора R _C2 , что приводит к увеличению выходного напряжения V _o2 .

Это указывает на то, что изменения синусоидального сигнала, наблюдаемые на входе транзистора Q ₁ , отражаются как таковые на выводе коллектора Q ₂ и проявляются с разностью фаз 180 ^o на выводе коллектора ₁ .

Дифференциальное усиление можно запустить, учитывая выходной сигнал между выводами коллектора транзисторов, Q ₁ и Q ₂ .

Дифференциальный усилитель на операционном усилителе

Операционный усилитель, работающий в дифференциальном режиме, может легко действовать как вычитающий усилитель , поскольку он дает выходное напряжение, определяемое по формуле:
Где V ₁ и V ₂ представляют напряжения, приложенные при его инвертирующие и неинвертирующие входные клеммы (могут быть взяты в любом порядке), а A _d относится к его дифференциальному усилению.

Согласно этому уравнению, выход операционного усилителя должен быть равен нулю, когда напряжения, приложенные к его клеммам, равны друг другу.

Однако практически этого не будет, так как усиление не будет одинаковым для обоих входов.

Таким образом, на практике математическое выражение для выхода вычитающего усилителя может быть представлено как:
Где A _C называется синфазным усилением усилителя. Таким образом, ожидается, что функционально хорошие разностные усилители будут демонстрировать высокий коэффициент подавления синфазного сигнала (CMRR) и высокий импеданс.

Однако следует отметить, что операционный усилитель может быть соответствующим образом сконфигурирован так, чтобы в результате получился очень практичный дифференциальный усилитель , как показано на рисунке 2.

Если внимательно присмотреться, можно заметить, что эта схема — всего лишь комбинация инвертирующих и неинвертирующих усилителей.

Следовательно, его выходное напряжение будет равно сумме выходных напряжений, создаваемых схемой операционного усилителя, работающей как инвертирующий усилитель, и схемой операционного усилителя, работающей как неинвертирующий усилитель.Таким образом, получаем:

Итак, если R ₁ = R ₂ и R ₃ = R _f , то:



Это означает, что коэффициент усиления схемы дифференциального усилителя , показанной на Рисунок 2 представлен как.
Кроме того, следует отметить, что базовая схема, показанная на рисунке 2, может быть изменена многими способами, что приводит к различным схемным решениям, включая дифференциальный усилитель на мосту Уитстона, вычитающий усилитель с активацией света, и инструментальный усилитель.

Эти устройства используются в качестве двигателей и / или сервоконтроллеров, усилителей сигналов, аналоговых умножителей, переключателей, регуляторов громкости, автоматических регуляторов усиления, модуляторов амплитуды и т. Д., И охватывают широкий спектр приложений, в том числе в измерительных системах, микрофонах и т. Д. аналого-цифровые преобразователи и множество приложений.

Что такое операционный усилитель?




Введение в операционные усилители ABLIC

1.Что такое операционный усилитель (ОУ)?

Операционный усилитель — это интегральная схема, которая может усиливать слабые электрические сигналы.
Операционный усилитель имеет два входных контакта и один выходной контакт. Его основная роль заключается в усилении и выводе разности напряжений между двумя входными контактами.

2. Возможности операционного усилителя

Операционный усилитель не используется в одиночку, он предназначен для подключения к другим схемам для выполнения самых разнообразных операций.В этой статье приведены несколько типичных примеров использования схем с операционными усилителями.


● Обеспечивает значительное усиление входного сигнала

Когда операционный усилитель объединен со схемой усиления, он может преобразовывать слабые сигналы в сильные. Он ведет себя как мегафон, где входным сигналом является голос человека, а мегафон — это схема операционного усилителя. Например, такая схема может использоваться для усиления сигналов датчиков минут.
Обработка сигналов датчиков может быть дополнительно улучшена путем ввода усиленного сигнала в блок микроконтроллера * (MCU).
* Микроконтроллер… Компактный компьютер для управления электронными устройствами. Как мозг электронных устройств, микроконтроллеры работают в соответствии с входными сигналами.

● Позволяет устранить шум из входного сигнала

Работая в качестве фильтра входных сигналов, схема операционного усилителя может выделять сигнал с заданной частотой. Например, когда схема операционного усилителя используется для распознавания голоса или в диктофоне, она может извлекать частоты, близкие к целевой звук, при этом все остальные частоты не рассматриваются как шум.Схема операционного усилителя может быть настроена для выполнения широкого диапазона функций, таких как арифметические операции или синтез сигналов.

3. Применение операционных усилителей

Как отмечалось выше, операционный усилитель практически никогда не используется отдельно. Подключив резисторы или конденсаторы, вы можете сконфигурировать схему, способную усиливать сигнал, фильтровать или выполнять арифметические операции схемы, описанные в «2. На что способен операционный усилитель ».

(1) Операции внутреннего операционного усилителя

Ниже описаны операции, выполняемые операционным усилителем в схеме. Давайте посмотрим, как операционный усилитель ведет себя в схеме усилителя, на примере схемы неинвертирующего усилителя. В дополнение к этому простому расчету при настройке схемы необходимо учитывать характеристики операционного усилителя. Этот момент описан далее в этом разделе в разделе «4. Выбор рабочего усилителя и объяснение терминов.”

(2) Примеры схем

Здесь мы описываем некоторые типичные применения операционных усилителей.

[Схема неинвертирующего усилителя]

Как объяснено в (1), это также схема для усиления и вывода входных сигналов.

[Схема инвертирующего усилителя]

Инвертирующая схема усилителя обозначена знаком минус. Если напряжение V _IN увеличивается, напряжение V _OUT уменьшается.

[Цепь повторителя напряжения]

Это схема неинвертирующего усилителя, в которой R2 замкнут накоротко (R2 = 0 Ом), а R1 разомкнут (R1 = бесконечность). Поскольку V _OUT = (1 + R2 / R1) × V _IN = (1 + 0Ω / ∞) × V _IN = V _IN , выходное напряжение равно входному сигналу. Повторитель напряжения используется в качестве буферной схемы для преобразования импеданса или для разделения цепей.

[Схема дифференциального усилителя]

Это схема для усиления и вывода разницы между двумя входными сигналами.

4. Выбор рабочего усилителя и объяснение терминов

Здесь мы будем использовать операционный усилитель ABLIC S-89630A в качестве примера того, какие элементы следует проверить при выборе операционного усилителя и объяснения характеристик операционного усилителя.

(1) Проверьте рабочее напряжение.

[Диапазон рабочего напряжения источника питания]
Это диапазон рабочего напряжения источника питания на выводе VDD.Убедитесь, что напряжение источника питания находится в пределах диапазона рабочего напряжения операционного усилителя.

[Диапазон синфазного входного напряжения]
Диапазон напряжения сигнала, который может подаваться на входные контакты. Операционный усилитель будет работать, пока входной сигнал находится в этом диапазоне. Операционный усилитель, диапазон синфазного входного напряжения которого охватывает V _SS — V _DD , называется «Операционный усилитель с входом Rail-to-Rail»; то есть операционный усилитель с отличным диапазоном входного напряжения сигнала.

(2) Проверьте частоту входного сигнала.

[Произведение на ширину полосы пропускания]
Определяет максимальную частоту, до которой операционный усилитель может усилить сигнал. Максимальная частота зависит от коэффициента (усиления), который вы используете для усиления сигнала. При коэффициенте усиления, равном единице (= 0 дБ), сигнал может быть усилен до максимальной частоты, так называемого произведения коэффициента усиления на ширину полосы частот.

График справа показывает, что при усилении, равном единице (= 0 дБ), максимальная частота, которую позволяет усиление использовать S-89630A, равна 1.2 МГц, а при усилении 10 (= 20 дБ) максимальная частота составляет 120 кГц. Убедитесь, что максимальная частота, до которой вы хотите усилить, находится в пределах диапазона коэффициента, с которым вы хотите усилить.

(3) Проверьте потребление тока.

[Потребление тока]
Указывает текущее значение, полученное с вывода VDD. Чем ниже это значение, тем больше вы можете снизить мощность системы. Обычно операционный усилитель с низким потреблением тока имеет также низкую частоту полосы усиления.

(4) Проверить точность усиления сигнала.

[Входное напряжение смещения]
Входное напряжение смещения представляет собой преобразование напряжения ошибки, генерируемого на выходе, во входное значение, когда входное напряжение равно 0 В. Это важный атрибут, влияющий на точность усиления операционных усилителей. Обычно, когда амплитуда напряжения входного сигнала порядка мВ, требуется входное напряжение смещения порядка мкВ. Это заставляет выбирать «операционный усилитель с дрейфом нуля » для обработки таких крошечных напряжений смещения.

5. Что такое усилитель с нулевым дрейфом?

Усилитель с нулевым дрейфом — это операционный усилитель, который минимизирует входное напряжение смещения и дрейф входного напряжения смещения (0). Выбор операционного усилителя с нулевым дрейфом является высокоэффективным решением для приложений, требующих высокоточного усиления сигнала.

Усилитель с нулевым дрейфом ABLIC

ABLIC имеет операционные усилители с нулевым дрейфом серий S-89630A и S-89713 для общего использования, а также усилители с нулевым дрейфом S-19630A и S-19611A для автомобильного использования.

S-89630A (для общего использования) и S-19630A (для автомобильного использования) операционный усилитель обеспечивает работу с нулевым дрейфом, работу в широком диапазоне напряжений (4,0 — 36 В) и низкие атрибуты напряжения смещения.

Серия

S-89713 (для общего использования) и S-19611A (для автомобильного использования) обеспечивает работу с автоматическим дрейфом нуля при работе при низком напряжении от 2,65 В и с низкими характеристиками напряжения смещения. Мы также предлагаем серию S-89713 (для общего использования) в сверхкомпактном корпусе (SNT-8A: 1,97 x 2.