Масштабирующий усилитель на оу: Масштабные усилители на ОУ — Студопедия

Масштабные усилители на ОУ — Студопедия

В зависимости от способа подключения к ОУ элементов цепи ООС, на его основе может быть получен неинвертирующий (рисунок 3.7) или инвертирующий (рисунок 3.9) усилитель.

В неинвертирующем усилителе входной сигнал U_вх подается на неинвертирующий вход ОУ, а напряжение последовательной ООС по напряжению подается на инвертирующий вход с делителя R_ос, R.

Рисунок 3.7 – Неинвертирующий усилитель на ОУ

Полагая, что ОУ является идеальным (то есть K_U0 ® ¥, R_{вх диф}® ¥, R_вых ® 0), можно записать, что при этом I_вх = 0 и, следовательно, и_вх.диф = 0. Тогда на инвертирующем входе действует напряжение и_вх и ток I определяется из выражения

. (3.6)

Умножив правую и левую части выражения (3.6) на , получим

,

откуда выражение для

коэффициента усиления неинвертирующего усилителя, охваченного цепью ООС, примет вид

. (3.7)

Несмотря на то, что выражение (3.7) получено с некоторыми допущениями, идеализирующими ОУ, оно может быть использовано при расчетах с достаточной для практики точностью.

Входное сопротивление неинвертирующего усилителя на ОУ с ООС как для синфазного, так и для дифференциального сигнала очень велико и может составлять десятки – сотни мегаом. Выходное сопротивление – мало и обычно не превышает десятков Ом.

Частным случаем неинвертирующего усилителя является повторитель напряжения. Его можно получить, если сопротивление R_ос приравнять к нулю, а R ® ¥ (рисунок 3.8). Коэффициент усиления при таком включении, с учетом (3.7), равен K_UOOC = 1. Входное сопротивление, благодаря наличию 100% ООС по напряжению, очень велико, а выходное – очень мало.

Рисунок 3.8 – Повторитель напряжения на ОУ

На основании изложенного выше, а также с учетом (3.8), можно сделать следующие выводы:

а) коэффициент усиления напряжения неинвертирующего усилителя, охваченного последовательной ООС по напряжению, не зависит от его собственного коэффициента усиления напряжения K_U0, а определяется только параметрами элементов цепи ООС;

б) при любых значениях сопротивлений резисторов в цепи ООС коэффициент усиления неинвертирующего усилителя не может быть меньше единицы;

в) в неинвертирующем усилителе фазы (полярности) входного и выходного напряжений совпадают.

Проанализируем схему инвертирующего усилителя на ОУ (рисунок 3.9).

Рисунок 3.9 – Инвертирующий усилитель на ОУ

В инвертирующем усилителе, судя по рисунку 3.9, входной сигнал

U_вх и сигнал ОС подают на инвертирующий вход (только в этом случае связь будет отрицательной). Вид образованной ООС – параллельная по напряжению.

Полагая, что ОУ идеальный, получим выражение для коэффициента усиления напряжения инвертирующего усилителя. С учетом принятых допущений, потенциал инвертирующего входа равен потенциалу неинвертирующего и равен нулю. В этом случае можно записать I_вх = I_ос. Поскольку U_{вх диф} = 0, то

,

.

Тогда можно записать

,

откуда окончательно выражение для коэффициента усиления напряжения инвертирующего усилителя примет вид

. (3.8)

Знак минус в выражении (3.8) указывает на то, что фаза (полярность) напряжения на выходе инвертирующего усилителя противоположна фазе (полярности) входного напряжения.

Входное сопротивление инвертирующего усилителя равно

. (3.9)

Выходное сопротивление инвертирующего усилителя, как и неинвертирующего, составляет десятки Ом.

Недостатком инвертирующего усилителя является относительно невысокое входное сопротивление, практически равное сопротивлению резистора R.

На основе проведенного анализа можно сделать следующие выводы:

а) коэффициент усиления напряжения инвертирующего усилителя, охваченногопоследовательнойООС, не зависит от собственного коэффициента усиления напряжения K_U0, а определяется только параметрами элементов цепи ООС;

б) в отличие от неинвертирующего усилителя, выбором резисторов цепи ООС коэффициент усиления напряжения инвертирующего усилителя может быть уменьшен до сколь угодно малой величины;

в) в инвертирующем усилителе

фазы входного и выходного напряжений сдвинуты относительно друг друга на 180°.

Охват операционного усилителя ООС обеспечивает расширение его полосы пропускания. Причем чем меньше коэффициент усиления напряжения усилителя с ООС, тем шире его полоса пропускания. Следовательно, неинвертирующий и инвертирующий усилители на основе ОУ могут быть использованы для усиления не только постоянного, но и переменного напряжения, частота которого может изменяться в достаточно широком диапазоне.

В качестве элементов цепи ООС могут быть использованы как резистивные элементы, так и элементы, обладающие реактивным сопротивлением. Поэтому в формулы (3.7) и (3.8) в общем случае вместо сопротивлений R и R_ocможно подставлять полные сопротивления участков цепи ООС, соответственно Z и Z_oc.

Измерительный (инструментальный) усилитель

Добавлено 28 ноября 2018 в 05:54

Сохранить или поделиться

Что такое измерительный (инструментальный) усилитель?

Измерительный усилитель (или инструментальный усилитель, или электрометрический вычитатель) позволяет инженеру регулировать коэффициент усиления схемы усилителя без изменения значения более одного резистора. Сравните это с дифференциальным усилителем, который мы рассмотрели ранее, и который требует регулировки номиналов нескольких резисторов.

Приведем так называемый измерительный усилитель, построенный на базе последней версии дифференциального усилителя:

Схема измерительного усилителя

Анализ схемы измерительного (инструментального) усилителя

Эта устрашающая схема построена из буферизированного дифференциального усилителя с тремя новыми резисторами, соединяющими две буферные цепи вместе. Предполагаем, что все резисторы, кроме R_усил, имеют одинаковые номиналы,

Отрицательная обратная связь верхнего левого операционного усилителя приводит к тому, что напряжение в точке 1 (верхняя часть R_усил) будет равно V₁. Аналогично, напряжение в точке 2 (нижняя часть R_усил) удерживается на значении, равном V₂. Это устанавливает падение напряжения на R_усил, равное разности напряжений между V₁ и V₂. Это падение напряжения вызывает ток через R_усил, и поскольку петли обратной связи двух входных операционных усилителей не потребляют ток, то такая же величина тока, как через R_усил, должна проходить и через два резистора «R» выше и ниже R_усил.

Это вызывает падение напряжения между точками 3 и 4, равное:

\[V_{3-4}=(V_2 — V_1)(1 + {2R \over R_{усил}})\]

Обычный дифференциальный усилитель в правой части схемы затем берет это падение напряжения между точками 3 и 4 и усиливает его на коэффициент усиления 1 (предполагаем, что все резисторы «R» имеют одинаковую величину).

Преимущества измерительного (инструментального) усилителя

Хотя это выглядит громоздким способом создания дифференциального усилителя, у него есть явные преимущества: наличие чрезвычайно высоких входных импедансов на входах V₁ и V₂ (потому что они подключаются прямо к неинвертирующим входам соответствующих операционных усилителей) и регулируемый коэффициент усиления, который может быть установлен с помощью одного резистора.

Немного преобразовав приведенную выше формулу, мы получим общее выражение для общего коэффициента усиления по напряжению измерительного усилителя:

\[A_V = \left( 1 + {2R \over R_{усил}} \right)\]

Хотя, если посмотреть на схему, это может быть не очевидно, но мы можем изменить дифференциальный коэффициент усиления измерительного усилителя просто путем изменения значения одного резистора: R_усил.

Да, мы всё еще могли бы изменить общий коэффициент усиления, изменив значения нескольких других резисторов, но, чтобы схема оставалась симметричной, потребовалось бы сбалансированное изменение значений резисторов. Обратите внимание, что наименьший возможный коэффициент усиления для приведенной выше схемы получается при полностью разорванном R_усил (бесконечное сопротивление), и это значение коэффициента усиления равно 1.

Резюме

• Измерительный усилитель представляет собой схему дифференциального усилителя на операционных усилителях, обеспечивающую высокие входные импедансы с простой регулировкой коэффициента усиления путем изменения одного резистора.

Оригинал статьи:

Теги

Измерительный усилительИнструментальный усилительКоэффициент усиления по напряжениюОбучениеОУ (операционный усилитель)Электроника

Сохранить или поделиться

Неинвертирующий сумматор на операционнике — radiohlam.ru

Неинвертирующий сумматор формирует алгебраическую сумму нескольких напряжений не изменяя её знак.

На рисунке слева приведена схема неинвертирующего сумматора, рассмотрим его работу:

Будем считать операционный усилитель идеальным (I_вх=0) и запишем уравнения для обоих входов ОУ из условия равенства напряжений на них:

Для неинвертирующего входа:

U₁ = U_in1-I₁*R₁

U₁ = U_in2-I₂*R₂

U₁ = -I₃*R₃

Для инвертирующего входа:

U₁ = -I₄*R₄

U_out = U₁+I_ос*R_ос

Выразим все токи из первой системы:

I₁ = (U_in1-U₁)/R

1

I₂ = (U_in2-U₂)/R₂

I₃ = -U₁/R₃

Т. к. ток через усилитель бесконечно мал, то I₃=-(I₁+I₂), отсюда:

U₁/R₃ = (U_in1-U₁)/R₁+(U_in2-U₂)/R₂ (*)

Выразим токи из второй системы:

I₄ = -U₁/R₄

I_ос = (U_out-U₁)/R_ос

Т.к. ток через усилитель бесконечно мал, то I₄ = -I_ос, отсюда:

U₁/R₄ = (U_out-U₁)/R_ос

Выразим из этого уравнения U₁:

U₁*(1/R₄+1/R_ос) = U_out

/R_ос

U₁ = U_out/(1+R_ос/R₄)

Подставив это выражение для U₁ в уравнение (*), получим:

Если выполняется соотношение: (**), то получаем:

U_out = U_in1*K₁+U_in2*K₂

K₁ = R₃/R₁ и K₂=R₃/R₂ — масштабирующие коэффициенты

При этом соотношение (**) называется условием баланса. Если его преобразовать, получим:

R_ос/R₄=R₃/R₁+R₃/R₂ — условие баланса

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

Одиночное или двойное питание?

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

Если это не будет тщательно продумано и выполнено, могут возникнуть нестабильность и другие проблемы.

Распространенные проблемы с подмагничиванием резистора

Приложениям с ОУ с однополярным питанием присущи проблемы, которые обычно не встречаются в схемах с двойным питанием. Фундаментальная проблема состоит в том, если сигнал качаться как положительным, так и отрицательным по отношению к «общий», это опорное напряжение нулевой сигнал должен быть на фиксированном уровне между поставку рельсов.Основное преимущество двойных источников питания заключается в том, что их общее соединение обеспечивает стабильный нулевой опорный сигнал с низким сопротивлением. Два напряжения питания обычно равны и противоположны (и часто отслеживаются), но это не абсолютная необходимость. При однополярном источнике питания такой узел должен быть создан искусственно путем введения дополнительных схем, обеспечивающих некоторую форму смещения, чтобы поддерживать общий сигнал при соответствующем среднем напряжении питания.

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

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

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

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

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

Хотя использование чрезвычайно тщательной компоновки, байпаса источника питания с несколькими конденсаторами, заземления по схеме «звезда» и печатной платы «power plane» — все это помогает снизить шум и поддерживать стабильность схемы, лучше внести изменения в конструкцию схемы, которые улучшат отказ источника питания. Здесь предлагается несколько.

Отсоединение сети смещения от источника питания

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

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

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

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

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

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

Усилители

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

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

На рис. 3 показано, как смещение и обход могут применяться в случае инвертирующего усилителя.

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

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

Смещение стабилитрона

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

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

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

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

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

Рис. 5. Инвертирующий усилитель с однополярным питанием и смещением на стабилитроне.

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

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

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

Смещение операционного усилителя с использованием линейного регулятора напряжения

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

Рисунок 6. Схема смещения ОУ с однополярным питанием и линейным стабилизатором напряжения.

Цепи одинарного питания со связью по постоянному току

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

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

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

Проблемы времени включения цепи

Еще одна проблема, которую необходимо учитывать, — это время включения цепи. Приблизительное время включения будет зависеть от постоянной времени RC используемого фильтра с самой низкой полосой пропускания.

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

С R _A || R _B = 50 000 Ом, конденсатор емкостью 3 мкФ обеспечивает постоянную времени RC 0,15 секунды. Таким образом, выход операционного усилителя займет примерно 0,2–0,3 секунды, чтобы установить достаточно близкое к V _S /2. Между тем, входные и выходные RC-цепи будут заряжаться в десять раз быстрее.

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

Применение дифференциальных усилителей в электронике

Операционный усилитель — это интегральная схема, которая работает как усилитель напряжения. Операционный усилитель в качестве дифференциального входа. Что у него два входа разной полярности. Операционный усилитель как одиночный вход противоположной полярности. Операционный усилитель имеет один выход и очень высокое усиление, что дает такой выходной сигнал.

Как правило, мы используем операционные усилители во многих приложениях, таких как

• Дифференциальные усилители
• Инвертирующие усилители
• Неинвертирующие усилители
• Повторители напряжения
• Суммирующие усилители
• Инструментальные усилители 8
некоторые генераторы

Он будет действовать как некоторые фильтры, используя операционные усилители.

• Операционные усилители могут использоваться при создании активных фильтров, обеспечивающих функции пропускания верхних частот, подавления полосы пропускания и задержки.Высокий входной импеданс и коэффициент усиления операционного усилителя позволяют напрямую рассчитывать значения элементов.

Некоторые операционные усилители могут обычно использоваться в качестве компараторов, например

Базовая принципиальная схема компаратора, как показано на рис.


Компаратор

Теперь мы подробно обсудим различные типы дифференциальных усилителей, шаг за шагом

Дифференциальные усилители

Дифференциальный усилитель усиливает разницу между двумя напряжениями, что делает этот тип схемы операционного усилителя вспомогательным трактором, в отличие от суммирующего усилителя, который складывает или суммирует входные напряжения.Эти типы схем операционных усилителей широко известны как дифференциальные усилители. Подключив каждый входной интерн к земле 0 В, мы можем использовать суперпозицию для определения выходного напряжения Vout. Уравнение Vout:

Дифференциальный усилитель

V out = -v1 (R3 / R1) + V2 (R4 / R2 + R4) (R1 + R3 / R1)

В этом уравнении R1 = R2; и R3 = R4, тогда используя это уравнение

V out = R3 / R1 (V2-V1).

Если все эти резисторы имеют одинаковые омические значения, то есть R1 = R2 = R3. Тогда схема станет дифференциальным ОУ с усилением Unity.

Применение дифференциальных усилителей

• Используется в качестве последовательной цепи отрицательной обратной связи с помощью операционного усилителя
• Обычно мы используем дифференциальный усилитель, который действует как цепь регулировки громкости.
• Дифференциальный операционный усилитель может использоваться как схема автоматической регулировки усиления.
• Некоторые дифференциальные операционные усилители могут использоваться для амплитудной модуляции.

Инвертирующие операционные усилители

Инвертирующий усилитель — это замкнутая схема, в которой схема операционного усилителя соединена с обратной связью для обеспечения работы обратной связи. Имея дело с операционными усилителями, следует помнить о двух очень важных правилах инвертирующего усилителя: это отсутствие тока, протекающего на входной клемме. И этот V1 всегда равен V2. Однако в реальных схемах операционных усилителей оба эти правила немного нарушены.

Это связано с тем, что соединение соединения входного сигнала и сигнала обратной связи имеет тот же потенциал, что и положительный вход, то есть 0 В или земля, тогда соединение является виртуальной землей.

Из-за виртуального узла заземления входное сопротивление усилителя равно значению входного резистора, R in и коэффициент усиления инвертирующего усилителя с обратной связью могут быть установлены соотношением двух внешних резисторов.

Мы сказали выше, что есть очень важные правила, которые следует помнить об инвертирующем усилителе или любом операционном усилителе, показанном ниже

• Нет тока на входные клеммы
• Дифференциальное входное напряжение равно 0, так как V1 = V2 = 0.

Затем, используя два правила, мы можем вывести уравнение, вычислив коэффициент усиления с обратной связью инвертирующего усилителя

Инвертирующий усилитель

I = (Vin-Vout) / (Rin + Rf)

Следовательно, I = (Vin-V2) / Rin

I = (V2-Vout) / Rf

Коэффициент усиления замкнутого контура задается как Vout / Vin = -Rf / Rin

Коэффициент усиления напряжения замкнутого контура равен Vout = –Rf / Rin * Vin

Отрицательный знак в уравнении указывает на инверсию выходного сигнала по отношению к входу как его 180 градусов вне фазы

Применения инвертирующего усилителя

• Инвертирующий усилитель полностью используется для сумматора напряжения или суммирующего усилителя
• Инвертирующий усилитель применим для масштабирующего летнего усилителя.
• Применимо для балансного усилителя.

Неинвертирующий усилитель

Неинвертирующий усилитель, у которого выходной сигнал совпадает с входом или совпадает с ним по фазе. В этой схеме сигнал подается на неинвертирующий вход операционного усилителя. Однако обратная связь берется с выхода через резистор на инвертирующий вход операционного усилителя, где другой резистор подключается к земле. Базовый неинвертирующий усилитель показан на рис.

. Неинвертирующий усилитель

. Коэффициент усиления схемы неинвертирующего усилителя операционного усилителя легко определить, а выходной сигнал неинвертирующего усилителя такой же, как входные напряжения.Таким образом, коэффициент усиления усилителя чрезвычайно высок.

Поскольку вход в операционный усилитель не потребляет ток, это означает, что ток, протекающий в резисторах R1 и R2, и напряжение на обоих входах одинаковы. Уравнение неинвертирующего усилителя можно назвать Vout / Vin = Av = 1 + R2 / R1.

Применение неинвертирующего усилителя

• Неинвертирующий усилитель использует соединение отрицательной обратной связи смещения делителя напряжения.
• Здесь коэффициент усиления по напряжению всегда больше единицы.

Повторитель напряжения

Повторитель напряжения также называется усилителем с единичным усилением, буферным усилителем и развязывающим усилителем) представляет собой схему операционного усилителя с коэффициентом усиления 1.

Это означает, что операционный усилитель выполняет не усиливать сигнал. Причина, по которой он называется повторителем напряжения, заключается в том, что выходное напряжение не обеспечивает входное напряжение.

Повторитель напряжения

Схема операционного усилителя имеет очень высокий входной импеданс. Этот высокий входной импеданс является причиной использования повторителя напряжения.Нагрузка требует и потребляет огромное количество тока. Это приводит к тому, что источники питания потребляют огромное количество энергии. Последователи напряжения также называют буфером напряжения.

Применение повторителя напряжения

• Высокое входное сопротивление и очень низкое выходное сопротивление
• Повторители напряжения обычно используются для изоляции каскадов друг от друга.
• Повторитель напряжения также называется буфером напряжения.

Суммирующий усилитель

Суммирующий усилитель — одно из применений инвертирующего операционного усилителя, но если мы добавим еще один входной резистор, равный по величине другому входному резистору, Rin, мы получим еще один операционный усилитель, который называется суммирующим усилителем.

Суммирующий усилитель

Он также используется в качестве символа схемы сумматора в приведенных выше входных напряжениях суммирующего усилителя V1, V2, V3, а входные резисторы — Rin, резисторы обратной связи — Rf. Таким образом, приложение суммирования показано на рис.

-Vout = Rf / Rin (V1 + V2 + V3… и т.д.)

Применение суммирующего усилителя

• Суммирующий усилитель также называется биполярным усилителем или однополярным преобразователем.
• Суммирующий усилитель преобразует цифро-аналоговый преобразователь

Авторские фото

Операционные усилители: Руководство для начинающих | ОРЕЛ

Мы все живем в мире, окруженном чудесными усилителями. Если вы когда-нибудь были на концерте и слышали по стадиону громкий электрический визг гитары, значит, это усилитель в действии. Или динамики, воспроизводящие музыку через ваше радио ленивым воскресным днем, снова усилители. В этом мире усиления цель проста — повысить электрический ток и напряжение на ступеньку выше. Но все ли усилители созданы одинаково или используются для одних и тех же целей? Точно нет. Мы здесь, чтобы узнать о таинственном черном ящике семейства усилителей и о том, как он играет гораздо большую роль, чем просто звуки.Это операционный усилитель, и он здесь, чтобы усилить вас!

Краткий обзор усилителей

Перед тем, как погрузиться в тонкости операционного усилителя, давайте сначала разберемся, что делают усилители как общая категория компонентов для мира электроники. Вы когда-нибудь получали слуховой аппарат? Они прекрасный пример. Слуховые аппараты используют микрофон для улавливания звуков из внешней среды, которые затем преобразуются в электрический сигнал. Внутри этого слухового аппарата есть усилитель, который принимает этот сигнал, усиливает его, чтобы сделать громче, и отправляет его в динамик, расположенный внутри вашего слухового прохода.Это не магия, а просто инженерия!

Благодаря усилителям слуховые аппараты возможны. (Источник изображения)

Весь этот процесс приема входного сигнала, его усиления и отправки в качестве выходного сигнала является сутью схем усилителя. Усиление, которое усилитель производит для данного сигнала, измеряется коэффициентом усиления или коэффициентом усиления. Это просто разница в напряжении между входным и выходным сигналами. Например, если вы начинаете с 1 вольта на входе и получаете 5 вольт на выходе, тогда у вас есть коэффициент усиления 5.Для усиления, связанного со звуком, это усиление измеряется в децибелах (дБ).

Так что же делает операционный усилитель особенным?

Хотя все усилители могут иметь одно и то же общее назначение, когда вам нужен идеальный усилитель, вы можете использовать операционный усилитель. В аналоговой электронике ничто не может сравниться с идеальными характеристиками усилителя, подобного этому устройству. Прекрасная особенность операционного усилителя заключается в том, что вы можете комбинировать активные части, такие как транзисторы, с пассивными компонентами, такими как резисторы, конденсаторы и т. Д.чтобы получить полезные характеристики усиления, например:

• Высокое усиление . Одна из самых известных особенностей операционных усилителей — их очень высокий коэффициент усиления, который может варьироваться от 10 000 до 100 000! Конечно, такой уровень усиления, используемый в усилителе с разомкнутым контуром, немного бесполезен и чрезмерен, поэтому вы добавите источники обратной связи для управления уровнями усиления и искажениями.
• Высокое входное сопротивление . Еще один ключевой атрибут — это высокий импеданс, а производимые в наши дни операционные усилители поставляются с почти бесконечным входным сопротивлением, измеряемым на уровне 0. 25 МОм или даже сотни миллионов Ом.
• Низкое выходное сопротивление . В идеальном усилителе вы получите нулевой выходной импеданс, а операционный усилитель — единственный физический компонент, который приближается к этому. Вы найдете большинство операционных усилителей на базе микросхем с выходным импедансом менее одной сотой ома.
• Ограниченная полоса пропускания . Операционные усилители также имеют ограниченную полосу пропускания, что может работать в вашу пользу. Многие микросхемы операционных усилителей, используемые для аудиоприложений, получают полное усиление только в небольшой полосе пропускания.Но в других схемах вы захотите уменьшить это усиление, и здесь ограниченная полоса пропускания пригодится.

Внутреннее устройство операционного усилителя

Самое замечательное в операционных усилителях то, что они не используются только для усиления звука, как традиционный усилитель. Вы также увидите, что они используются для:

• Предварительные усилители и буферы звуковой и видеочастоты
• Регуляторы напряжения и тока
• Аналоговые калькуляторы
• Прецизионные пиковые детекторы
• Аналого-цифровые и цифро-аналоговые преобразователи
• И многое другое!

Независимо от своего конкретного назначения, операционный усилитель всегда стремится обеспечить выходное напряжение, повышающее или понижающее входные напряжения до тех пор, пока они не станут равными. Но как это сделать? Давайте посмотрим на типичный схематический символ операционного усилителя, чтобы объяснить, как он работает. Вот что вам нужно знать:

Идеальное схематическое обозначение операционного усилителя само по себе без добавления обратной связи.

Входные сигналы

Есть два входных сигнала: инвертирующий вход, обозначенный отрицательным (-) символом, и неинвертирующий вход, обозначенный положительным (+) символом. Когда у вас есть положительный сигнал на инвертирующем входе, вы получите усиленный выход, который является обратным или противоположным этому сигналу.Итак, если поступает положительный сигнал, то ваш выходной сигнал будет отрицательным. Неинвертирующий вход работает наоборот. Если вы отправите положительный сигнал на неинвертирующий вход, то вы получите выходной сигнал, который соответствует входному сигналу, только что усиленному.

Тип используемого входа напрямую влияет на выходные сигналы в схеме операционного усилителя. (Источник изображения)

Выходные сигналы

На другой стороне условного обозначения этого операционного усилителя находится выход. Этот выходной сигнал использует разницу между вашими инвертирующими и неинвертирующими входными сигналами для создания усиленного выходного сигнала до тех пор, пока входные напряжения не станут равными.Вот почему операционный усилитель обычно называют дифференциальным усилителем, поскольку он обеспечивает выходной результат, основанный на разнице между двумя входными сигналами.

Силовые сигналы

Вам необходимо запитать ваше устройство. Вверху и внизу символа операционного усилителя у вас есть V + и V-, которые отмечают положительную и отрицательную стороны подключения источника постоянного тока. Эти шины питания часто не отображаются на принципиальных схемах, поскольку предполагается, что они всегда будут подключены. Независимо от того, видите вы их или нет, вы обнаружите, что операционные усилители подключены к шине питания + 5-15 В и -5-15 В, все в зависимости от характеристик микросхемы операционного усилителя, которую вы планируете использовать.

Самые распространенные схемы операционных усилителей

Операционные усилители

имеют чрезвычайно высокий коэффициент усиления, который вы не сможете изменить. Вот почему вы добавляете обратную связь в схему операционного усилителя с добавлением резисторов, конденсаторов или катушек индуктивности для управления усилением и получения различных результатов от вашей схемы. Это добавление контуров обратной связи также позволяет вам легко создавать вариации схемы операционного усилителя для получения совершенно разных результатов. Вот наиболее распространенные схемы, которые вы будете строить, когда только начнете:

• Триггер Шмитта операционного усилителя .Эта конфигурация схемы обеспечивает невосприимчивость к шуму и различным уровням переключения, которые зависят от того, находится ли ваша схема операционного усилителя в состоянии высокого или низкого напряжения.
• Суммирующий усилитель операционного усилителя . Эта конфигурация схемы идеальна для суммирования аудиовходов и обычно используется в аудиомикшерах.
• Компаратор ОУ . Это конфигурация выбора, когда вам нужно обеспечить высокий или низкий сигнал в зависимости от состояния ваших двух входов.
• Инвертирующий усилитель ОУ . Эта схема является наиболее распространенной конфигурацией операционного усилителя и хорошо известна тем, что обеспечивает усиление, а также используется в качестве усилителя виртуального заземления.
• Неинвертирующий усилитель операционного усилителя . Эта конфигурация схемы обеспечивает высокое усиление и высокое входное сопротивление и используется во многих входных каскадах усилителей.

Инвертирующая и неинвертирующая схемы операционного усилителя, расположенные рядом. (Источник изображения)

Покупка операционных усилителей

У вашего любимого поставщика запчастей вы найдете множество различных типов корпусов операционных усилителей.Большинство из них классифицируются по множеству значений, в том числе:

• Номинальная скорость нарастания
• Количество каналов
• Максимальное входное напряжение смещения
• Максимальное напряжение питания
• Тип упаковки
• Полоса пропускания с номинальным усилением

Наиболее распространенные диапазоны номинального усиления операционного усилителя, которые вы найдете, составляют 1 МГц, 1,3 МГц и 4 МГц. Вы также найдете количество каналов от 1 до 8, причем наиболее распространенные операционные усилители имеют 1, 2 или 4 канала.

Среди типов корпусов наиболее известным операционным усилителем, с которым вы встретитесь, является 741, который поставляется в 8-контактном корпусе mini-DIP. Этот операционный усилитель состоит из 20 транзисторов и 11 резисторов и является предпочтительной конфигурацией операционного усилителя с 1968 года. Кроме того, он является самым дешевым из всех и стоит менее доллара.

ИС операционного усилителя UA741, готовая к установке в макет или пайке!

Вы также увидите ИС операционных усилителей, доступные в корпусах SOIC, что позволяет легко добавлять их в схему, не занимая слишком много места.Однако чаще операционные усилители будут доступны в виде DIP-пакетов с восемью, четырнадцатью или шестнадцатью контактами. Этот пакет позволяет легко паять их вручную на следующем прототипе или быстро вставлять в макетную плату.

Усиление

Вот и все, что вам может понадобиться знать об операционных усилителях как новичку в проектировании электроники! Эта ИС является предпочтительным компонентом, когда вам нужен высокопроизводительный усилитель с высоким коэффициентом усиления, высоким входным сопротивлением и низким выходным сопротивлением. А благодаря возможности поменять местами различные компоненты обратной связи, такие как резисторы, конденсаторы и катушки индуктивности, вы можете собрать вместе массу различных вариантов для создания собственного мультивибратора, аналого-цифрового преобразователя или схемы точного таймера.

Вы хотите создать свою собственную схему операционного усилителя? Попробуйте Autodesk EAGLE бесплатно сегодня!

Лучший операционный усилитель по выгодной цене — Лучшие предложения на операционный усилитель от мировых продавцов операционных усилителей

Отличные новости !!! Вы находитесь в нужном месте для усилителя операционного усилителя.К настоящему времени вы уже знаете, что что бы вы ни искали, вы обязательно найдете это на AliExpress. У нас буквально тысячи отличных продуктов во всех товарных категориях. Ищете ли вы товары высокого класса или дешевые и недорогие оптовые закупки, мы гарантируем, что он есть на AliExpress.

Вы найдете официальные магазины торговых марок наряду с небольшими независимыми продавцами со скидками, каждый из которых предлагает быструю доставку и надежные, а также удобные и безопасные способы оплаты, независимо от того, сколько вы решите потратить.

AliExpress никогда не уступит по выбору, качеству и цене. Каждый день вы будете находить новые онлайн-предложения, скидки в магазинах и возможность сэкономить еще больше, собирая купоны. Но вам, возможно, придется действовать быстро, поскольку этот лучший усилитель на операционных усилителях в кратчайшие сроки станет одним из самых популярных бестселлеров. Подумайте, как вам будут завидовать друзья, когда вы скажете им, что приобрели свой операционный усилитель на AliExpress.Благодаря самым низким ценам в Интернете, дешевым тарифам на доставку и возможности получения на месте вы можете еще больше сэкономить.

Если вы все еще сомневаетесь в выборе усилителя на операционном усилителе и думаете о выборе аналогичного продукта, AliExpress — отличное место для сравнения цен и продавцов. Мы поможем вам разобраться, стоит ли доплачивать за высококачественную версию или вы получаете столь же выгодную сделку, приобретая более дешевую вещь.И, если вы просто хотите побаловать себя и потратиться на самую дорогую версию, AliExpress всегда позаботится о том, чтобы вы могли получить лучшую цену за свои деньги, даже сообщая вам, когда вам будет лучше дождаться начала рекламной акции. и ожидаемая экономия.AliExpress гордится тем, что у вас всегда есть осознанный выбор при покупке в одном из сотен магазинов и продавцов на нашей платформе. Реальные покупатели оценивают качество обслуживания, цену и качество каждого магазина и продавца.Кроме того, вы можете узнать рейтинги магазина или отдельных продавцов, а также сравнить цены, доставку и скидки на один и тот же продукт, прочитав комментарии и отзывы, оставленные пользователями. Каждая покупка имеет звездный рейтинг и часто имеет комментарии, оставленные предыдущими клиентами, описывающими их опыт транзакций, поэтому вы можете покупать с уверенностью каждый раз. Короче говоря, вам не нужно верить нам на слово — просто слушайте миллионы наших довольных клиентов.

А если вы новичок на AliExpress, мы откроем вам секрет.Непосредственно перед тем, как вы нажмете «купить сейчас» в процессе транзакции, найдите время, чтобы проверить купоны — и вы сэкономите еще больше. Вы можете найти купоны магазина, купоны AliExpress или собирать купоны каждый день, играя в игры в приложении AliExpress. Вместе с бесплатной доставкой, которую предлагают большинство продавцов на нашем сайте, вы сможете приобрести усилитель op amp по самой выгодной цене.

Мы всегда в курсе последних технологий, новейших тенденций и самых обсуждаемых лейблов.На AliExpress отличное качество, цена и сервис всегда в стандартной комплектации. Начните лучший опыт покупок прямо здесь.

Введение в операционные усилители с LTSpice

Добавлено в избранное Любимый 10

Введение

Если вы еще не ознакомились с руководством «Приступая к работе с LTSpice», вам обязательно следует подождать, поскольку крайне необходимо обновить качество звука.Для тех из вас, кто смотрел это и закончил — благослови вас. Я подумал, что убью здесь двух зайцев и продолжу учебник по LTSpice введением в операционные усилители — или для краткости операционный усилитель. Мы рассмотрим здесь только основы — что такое операционные усилители, некоторые общие конфигурации и пару примеров — и закончим красивым, простым проектом, который, надеюсь, вдохновит вас немного больше на работу с аналоговыми схемами.

Для начала загрузите схемы, символы и модели, нажав кнопку ниже.

Введение в операционные усилители

Операционный усилитель — это устройство усиления напряжения. С помощью некоторых внешних компонентов операционный усилитель, который представляет собой активный элемент схемы , может выполнять математические операции, такие как сложение, вычитание, умножение, деление, дифференцирование и интегрирование. Если мы посмотрим на общий корпус операционного усилителя (внутреннее устройство будет в следующем руководстве), такое как вездесущий 741, мы заметим стандартный 8-контактный DIP (двухрядный корпус):

Фотография любезно предоставлена ​​Learning About Electronics

Нас интересуют в основном пять контактов.Обозначение схемы операционного усилителя представляет собой треугольник с пятью контактами, показанный ниже.

Фото предоставлено Virtual Labs

Операционный усилитель имеет широкий спектр применения, и, в зависимости от того, как подключен каждый вывод, результирующая схема может быть одной из следующих (это далеко не полный список):

• Компаратор
• Инвертирующий усилитель , например суммирующий усилитель
• A Неинвертирующий усилитель , например повторитель напряжения
• Разностный усилитель
• Дифференциатор или Интегратор
• Фильтр
• Пиковый детектор
• Аналого-цифровой преобразователь
• Осциллятор

В этом руководстве я покажу вам, как измерить типичные характеристики операционного усилителя, такие как усиление, полоса пропускания, ошибка, скорость нарастания, потребление тока, размах выходного сигнала и другие характеристики, указанные в технических характеристиках устройства.

Идеальный операционный усилитель

Операционный усилитель предназначен для определения разницы в напряжении, подаваемом на вход (клеммы «плюс» (v2) и «минус» (v1), либо контакты 2 и 3 корпуса операционного усилителя). Разница также известна как дифференциальное входное напряжение . Таким образом, выходной сигнал представляет собой разницу, измеренную на входе, умноженную на некоторое значение A — коэффициент усиления без обратной связи . Операционный усилитель ведет себя как источник напряжения, управляемый напряжением, который мы сейчас смоделируем.Мы будем моделировать конфигурацию усилителя с обратной связью и с обратной связью.

Идеальный операционный усилитель имеет следующие характеристики:

• Бесконечное усиление без обратной связи
• Бесконечное входное сопротивление
• Ноль выходное сопротивление
• Ноль синфазное усиление = бесконечное отклонение синфазного сигнала
• Бесконечная полоса пропускания
• Нулевой шум
• Нулевой вход смещение

Модель операционного усилителя любезно предоставлена ​​Википедией

Поскольку входное сопротивление (Rin) бесконечно, мы можем сделать вывод, что ток на выводах (+) (v2) и (-) (v1) равен нулю, используя законы Кирхгофа.Поскольку выходное сопротивление (Rout) равно нулю, потери напряжения на выходе отсутствуют. Источник напряжения в форме ромба на изображении выше известен как источник напряжения, зависящий от напряжения, и в этом случае напряжение представляет собой коэффициент усиления (G), умноженный на разность между входными клеммами (Vin). В текстах коэффициент усиления обычно обозначается буквой (A), поэтому уравнение для выхода имеет вид:

Давайте смоделируем источник напряжения, управляемый напряжением, и посмотрим, сможем ли мы заставить его поведение имитировать идеальный операционный усилитель.

Обратная связь с усилителями

Операционные усилители

не предназначены для использования в качестве автономных устройств. Мы просто проверили уравнение Vout в видео об идеальном операционном усилителе, чтобы показать, почему его обычно называют источником напряжения, управляемым напряжением. Мы собираемся поговорить о коэффициенте усиления с обратной связью и с обратной связью и применении. Что такое обратная связь? Обратная связь возникает, когда выход системы возвращается в качестве входа (ов).Есть два типа обратной связи: положительная (восстанавливающая) и отрицательная (дегенеративная). Обратная связь применяется к системе, чтобы влиять на одно или несколько из следующих свойств:

• Снижение чувствительности усиления — значение усиления становится менее чувствительным к изменениям значений компонентов схемы, например к температурным воздействиям на транзисторы.
• Уменьшите нелинейные искажения — выход пропорционален входу.
• Снижает влияние шума — снижает количество нежелательных электрических помех на выходе.Эти помехи могут быть внешними или исходить от самих компонентов схемы.
• Управляйте входным и выходным сопротивлениями — с соответствующей конфигурацией обратной связи можно управлять входным и выходным сопротивлениями.
• Расширьте полосу пропускания усилителя. Здесь нам нужно знать о продукте «прирост-пропускная способность». Вы можете расширить полосу пропускания (до определенной степени), но за счет выигрыша. Произведение коэффициента усиления на полосу пропускания является постоянным и описывает поведение усиления операционного усилителя по отношению к частоте.

Краткое примечание о единицах

Когда мы говорили об усилении, мы берем отношение выхода к входу. Если и выход, и вход выражены в виде напряжения, то единицы измерения будут вольт / вольт. В анализе .ac усиление выражается в децибелах. Вот формула преобразования.

Фото любезно предоставлено Planet Analog

За все отзывы приходится платить, и эта цена и есть прибыль. Отрицательная обратная связь способствует приобретению более желаемых свойств; увеличение входного сопротивления также увеличивает полосу пропускания.

Коэффициент усиления замкнутого контура

В отличие от усиления без обратной связи, усиление с обратной связью зависит от внешней схемы из-за обратной связи. Однако его можно обобщить.

Фотография предоставлена ​​https://paginas.fe.up.pt/~fff/eBook/MDA/Teo_realim.html

Инвертирующие усилители

Пример инвертирующей конфигурации состоит из одного операционного усилителя и двух резисторов R1 и R2. R2 подключен от выходной клеммы операционного усилителя к инвертирующей или отрицательной клемме операционного усилителя.R2 замыкает петлю вокруг операционного усилителя.

Одна вещь, не упомянутая в видео ниже, но считается подразумеваемой , потому что мы все еще используем идеальный операционный усилитель, — это отсутствие тока через операционный усилитель. Весь ток (I1), протекающий через R1, также течет через R2. Также следует отметить, что если R1 и R2 равны по значению, то эта схема обычно используется для преобразования -vout в + vout (изменяет фазу). Это известно как инвертор с единичным усилением.

Проект: Суммирующий усилитель

Типичным применением инвертирующего усилителя является суммирующий усилитель, также известный как микшер виртуальной земли, используемый при микшировании звука. У меня есть несколько операционных усилителей LM741, поэтому я решил построить суммирующий усилитель. Сначала я смоделировал это в LTSpice.

Неинвертирующие усилители

Повторитель напряжения

Повторитель напряжения — хороший пример неинвертирующего усилителя.Свойство очень высокого входного импеданса является желательной особенностью неинвертирующей конфигурации. Повторитель напряжения может использоваться как буферный усилитель с единичным усилением, подключенный от источника с высоким импедансом к источнику с низким импедансом — это помогает избежать воздействия нагрузки на схему управления.

Разностные усилители

Разностные усилители реагируют на разницу между двумя сигналами, подаваемыми на его вход, и отклоняют сигналы, общие для двух входов.

Разностный усилитель с одним операционным усилителем

Помните, что коэффициент усиления неинвертирующего усилителя положительный и определяется выражением:

и что коэффициент усиления инвертирующего усилителя отрицательный и определяется выражением:

Комбинируя эти две топологии, мы приближаемся к возможности разработать схему, которая сможет получить разницу между двумя входными сигналами. Чтобы добиться этого, мы должны сначала убедиться, что величины усиления (думайте, что абсолютные значения, которые всегда положительны) равны.Ослабив усиление положительного пути от (1+ R2 / R1) до (R2 / R1), мы сделали именно это. Теперь у нас есть четыре резистора; нам нужно убедиться, что коэффициенты усиления равны, поэтому важно соотношение резисторов:

Проблема этой схемы в том, что для получения высокого усиления R1 должен быть относительно низким. Это вызывает падение входного сопротивления. Другая проблема в том, что изменить коэффициент усиления этого усилителя непросто. Обе эти проблемы решаются с помощью инструментального усилителя.Используя три операционных усилителя, мы можем получить точно настроенный дифференциальный усилитель. Поскольку у нас есть проблема низкого входного сопротивления при использовании одного операционного усилителя, мы можем добавить дополнительный повторитель напряжения или буфер на каждый вход. Еще более удивительно то, что буферы могут увеличивать усиление, уменьшая нагрузку на дифференциальный усилитель во втором каскаде.

Инструментальный усилитель прекрасно сочетает в себе весь предыдущий материал: инвертирующие и неинвертирующие усилители в каскаде.

В этом руководстве мы не будем рассматривать интеграторы, дифференциаторы, генераторы или аналого-цифровые преобразователи.Как только мы начнем добавлять конденсаторы и катушки индуктивности, математика станет немного более специализированной и обобщенной с точки зрения импеданса, а не сопротивления. Это будет отдельный урок.

Тактико-технические характеристики

Если мы посмотрим на технический паспорт звукового усилителя LM386, мы увидим массу параметров, которые помогают охарактеризовать операционный усилитель. Большинство из них можно проверить с помощью моделирования в LTSpice. Прежде чем мы дойдем до этого, давайте определим некоторые из этих характеристик.

Коэффициент подавления синфазного сигнала

Коэффициент подавления синфазного сигнала (CMRR) измеряет количество сигнала, общего для обоих входов, который не усиливается. Желательно, чтобы коэффициент синфазного усиления был очень низким, что соответствует очень высокому CMRR.

Коэффициент подавления синфазного сигнала — это отношение абсолютного значения дифференциального усиления к абсолютному значению синфазного усиления. Дифференциальное усиление обычно составляет половину внутреннего усиления МОП-транзистора, установленного производителем.Операционные усилители с высоким выходным сопротивлением будут иметь лучший CMRR.

Коэффициент отклонения блока питания

Коэффициент подавления помех от источника питания

или PSRR является мерой влияния пульсаций источника питания на выходное напряжение операционного усилителя. PSSR важен для устройств MOSFET, поскольку они обычно находятся на ИС со смешанными сигналами, где цифровое переключение в цепи вызывает повышенную пульсацию источника питания. Последнее, что вам нужно в своей конструкции, — это усилить эту пульсацию через операционный усилитель.

Вывод заключается в том, что для минимизации эффекта пульсации в источниках питания операционный усилитель должен иметь большой PSRR.Так что имейте это в виду при просмотре таблиц данных для любых предстоящих проектов.

Скорость нарастания

Скорость нарастания означает максимальную скорость изменения, возможную на выходе операционного усилителя. Большинство операционных усилителей имеют ограниченную скорость нарастания напряжения, которая рассчитывается путем взятия максимума производной по времени выходного напряжения операционного усилителя.

Суммарные гармонические искажения

Задача усилителя звука — принимать слабый сигнал и усиливать его без каких-либо изменений, кроме усиления.Это сложная задача, поскольку нежелательные сигналы (например, пульсации) могут усиливаться вместе с полезным сигналом. Любое отклонение от линейности считается искажением. Гармонические искажения — это распространенная форма искажений в аудиоприложениях, когда пики выходного сигнала «срезаются». Чем ниже процентное значение, указанное для THD, тем лучше, но после определенного момента это становится практически незаметным для человеческого уха.

Усилитель звука LM386

Моделировать, проверять, строить — мой девиз.В этом случае с проектом мини-портативного гитарного усилителя я зашел слишком далеко. Мне не удалось найти модель, которую можно было бы импортировать в LTSpice, и я начал с нуля. Ниже находится кнопка, с помощью которой вы можете загрузить файлы проекта для того, что я собираюсь вам показать. Я разработал операционный усилитель на основе LM386, но с МОП-транзисторами вместо BJT. На самом деле я получил этот дизайн, чтобы он немного превосходил ту часть, на которой я основывал свой дизайн, но он работает только от 2 до 6 вольт. Несмотря на то, что моя модель LM386 не совсем похожа на деталь, используемую в проекте, она по-прежнему удобна для изучения электрических характеристик операционных усилителей и более глубокого знакомства с LTSpice.

Project: портативный мини-гитарный усилитель

Я встроил небольшой усилитель с батарейным питанием в корпус моей гитары, используя LM386 и минимум дополнительных деталей. Вся сборка стоила около 5 долларов, и на ее сборку ушло меньше часа. Схема, которую я взял прямо из раздела технических данных приложений (усиление 200):

Единственные изменения, которые я внес, были в выходной конденсатор. У меня не было под рукой конденсатора емкостью 250 мкФ, я заменил его на 470 мкФ. Я также добавил гнездо 1/4 «моно аудио для гитарного кабеля и добавил светодиод состояния, чтобы я знал, когда я буду готов к игре.В моем футляре для гитары есть небольшой отсек для кабелей и медиаторов, поэтому я использовал это пространство для встраивания усилителя.

Схема:

Примечание. J1 — это гнездовой моно аудиоразъем 1/4 дюйма.

Посмотрите это в действии:

Ресурсы и дальнейшее развитие

Лаборатория виртуальных операционных усилителей:

Создатель

Music from Outer Space Рэй Уилсон создал это приложение для виртуального операционного усилителя MFOS, которое позволяет нам экспериментировать с операционными усилителями, просматривая выходной сигнал на смоделированном осциллографе.

Примечание: Если ссылка сообщает, что приложение Operational Amp Application не найдено, щелкните вкладку «Synth-DIY» вверху, и она должна обновиться соответствующим образом. Кроме того, вы можете выполнить поиск «MFOS In The Classroom» в меню слева и выбрать «Virtual Op Amp Lab».

Музыка из космоса

Вы когда-нибудь хотели заняться DIY-синтезаторами, но не знаете, с чего начать? Music From Outer Space — отличный ресурс, предлагающий сотни схем, разработанных Рэем Уилсоном.

Любители

Если вы только начинаете заниматься проектами в области аналоговой электроники, я не могу порекомендовать Mini Notebooks от Форреста Мимса.

Измерение CMRR

В

EE Times есть фантастическая статья о коэффициенте подавления синфазного сигнала и дифференциальных усилителях.

вопросов и ответов с несколькими вариантами ответов по операционному усилителю (операционному усилителю)

Вопросы и ответы с множественным выбором по операционному усилителю (операционному усилителю)

В дополнение к чтению вопросов и ответов на моем сайте, я бы посоветовал вам также проверить следующее на Amazon:

1 кв.Дифференциальный усилитель …………… ..

1. является частью операционного усилителя
2. имеет один вход и один выход
3. имеет два выхода
4. ответов (1) и (2)

Ответ: 4

Q 2. Когда дифференциальный усилитель работает с несимметричным выходом, …………

1. вывод заземлен
2. один вход заземлен и сигнал подается на другой
3. оба входа соединены вместе
4. вывод не инвертирован

Ответ: 2

3 кв.В дифференциальном режиме …………….

1. На входы подаются сигналы противоположной полярности
2. прирост равен
3. выходы разной амплитуды
4. используется только одно напряжение питания

Ответ: 1

4 кв. В обычном режиме ……………

1. оба входа заземлены
2. выходы соединены вместе
3. на обоих входах появляется идентичный сигнал
4. выходной сигнал синфазен

Ответ: 3

Q5.Синфазное усиление ……… ..

1. очень высокий
2. очень низкий
3. всегда единство
4. непредсказуемо

Ответ: 2

Q6. Дифференциальное усиление ………

1. очень высокий
2. очень низкий
3. в зависимости от входного напряжения
4. около 100

Ответ: 1

Q7. Если A _DM = 3500 и A _CM = 0,35, CMRR будет ……….

1. 1225
2. 10 000
3. 80 дБ
4. ответов (1) и (3)

Ответ: 4

Q8. При нулевом напряжении на обоих входах операционный усилитель в идеале должен иметь выход ……… ..

1. равно положительному напряжению питания
2. равно отрицательному напряжению питания
3. равно нулю
4. равно CMRR

Ответ: 3

Q9. Из перечисленных значений наиболее реалистичное значение коэффициента усиления по напряжению без обратной связи для OP-amp составляет ……

1. 1
2. 2000
3. 80 дБ
4. 100 000

Ответ: 4

Q10.Определенный OP-amp имеет ток смещения 50 мкА. Входной ток смещения …… ..

1. 700 нА
2. 99,3 мкА
3. 49,7 мкА
4. ни один из этих

Ответ: 1

Q11. Выходной сигнал конкретного операционного усилителя увеличивается на 8 В за 12 мкс. Скорость нарастания …….

1. 90 В / мкс
2. 0,67 В / мкс
3. 1,5 В / мкс
4. ни один из этих

Ответ: 2

Q12.Для операционного усилителя с отрицательной обратной связью выходной сигнал будет …….

1. равно входу
2. увеличилось
3. подается обратно на инвертирующий вход
4. подан обратно на неинвертирующий вход

Ответ: 3

Q13. Использование отрицательной обратной связи ………

1. уменьшает коэффициент усиления по напряжению операционного усилителя
2. заставляет операционный усилитель колебаться
3. делает возможной линейную работу
4. ответов (1) и (2)

Ответ: 4

Q14.Отрицательный отзыв ……… ..

1. увеличивает входное и выходное сопротивление
2. увеличивает входное сопротивление и полосу пропускания
3. уменьшает выходное сопротивление и полосу пропускания
4. не влияет на импеданс или полосу пропускания

Ответ: 2

Q15. У некоего неинвертирующего усилителя R _i 1 кОм и R _f 100 кОм. Коэффициент усиления по напряжению в замкнутом контуре ………

1. 100 000
2. 1000
3. 101
4. 100

Ответ: 3

Q16.Если резистор обратной связи в Q15 (вопрос выше) разомкнут, коэффициент усиления по напряжению …….

1. увеличений
2. убавлений
3. не влияет
4. зависит от R _и

Ответ: 1

Q17. Некоторый инвертирующий усилитель имеет коэффициент усиления по напряжению с обратной связью, равный 25. Операционный усилитель имеет коэффициент усиления по напряжению без обратной связи, равный 100000. Если в схеме использовать операционный усилитель с коэффициентом усиления разомкнутого контура 200000, усиление замкнутого контура ……..

1. двойные
2. падает до 12,5
3. остается на 25
4. немного увеличивается

Ответ: 3

Q18. Повторитель напряжения ……….

1. имеет коэффициент усиления по напряжению 1
2. не инвертирующий
3. не имеет резистора обратной связи
4. имеет все эти

Ответ: 4

Q19. Операционный усилитель может усилить

1. перем.только сигналы
2. d.c. только сигналы
3. оба переменного тока и d.c. сигналы
4. ни d.c. ни переменного тока сигналы

Ответ: 3

Q20. Входной ток смещения равен ……….

1. разница между двумя базовыми токами
2. среднее значение двух базовых токов
3. ток коллектора, деленный на коэффициент усиления по току
4. ни один из этих

Ответ: 1

Q21.Остаточный ток дифференциального усилителя …….

1. половина любого тока коллектора
2. равно току коллектора
3. в два раза больше тока коллектора
4. равно разности базовых токов

Ответ: 3

Q22. Напряжение узла в верхней части резистора близко к ……….

1. Напряжение питания коллектора
2. ноль
3. эмиттер напряжения питания
4. хвостовой ток, умноженный на базовое сопротивление

Ответ: 2

Q23.Остаточный ток в дифференциальном усилителе равен …….

1. разница между двумя токами эмиттера
2. сумма двух эмиттерных токов
3. ток коллектора, деленный на коэффициент усиления по току
4. деление напряжения коллектора на сопротивление коллектора

Ответ: 2

Q24. Коэффициент усиления по дифференциальному напряжению дифференциального усилителя равен RC, деленному на …….

1. r ’ _e
2. r ’ _e /2
3. 2r ’ _e
4. R _E

Ответ: 3

Q25.Входное сопротивление дифференциального усилителя равно r ’ _e раз ……

1. β
2. R _E
3. R _C
4. 2β

Ответ: 4

Q26. Синфазный сигнал подается на ……….

1. неинвертирующий вход
2. инвертирующий вход
3. оба iputs
4. верхний хвостовой резистор

Ответ: 3

Q27.Коэффициент усиления синфазного напряжения составляет ………

1. меньше, чем коэффициент усиления по напряжению на другом хвосте
2. равно дифференциальному усилению напряжения
3. больше, чем коэффициент усиления дифференциального напряжения
4. ничего из вышеперечисленного

Ответ: 1

Q28. Входной каскад операционного усилителя обычно ……….

1. дифференциальный усилитель
2. двухтактный усилитель класса B
3. CE усилитель
4. заболоченный усилитель

Ответ: 1

Q29.Коэффициент усиления синфазного напряжения дифференциального усилителя равен R _C , деленному на …… ..

1. r ’ _e
2. 2r ’ _e
3. r ’ _e /2
4. 2R _E

Ответ: 4

Q30. Ток не может течь на землю через …….

1. механическое заземление
2. переменного тока земля
3. виртуальная площадка
4. земля обыкновенная

Ответ: 3

Ознакомьтесь с полным ресурсом на Основные вопросы и ответы по электронике. С сотнями вопросов и ответов по главам по базовой электронике это самый полный банк вопросов во всем Интернете.

В дополнение к чтению вопросов и ответов на моем сайте, я бы посоветовал вам также проверить следующее на Amazon:

Сасмита

Привет! Я Сасмита. В ElectronicsPost.com я продолжаю свою любовь к преподаванию. Я магистр электроники и телекоммуникаций.И, если вы действительно хотите узнать обо мне больше, посетите мою страницу «О нас».