Операционный усилитель коэффициент усиления: Операционные усилители (на основе простейших примеров): часть 1 / Хабр

Содержание

Операционные усилители (на основе простейших примеров): часть 1 / Хабр

В курсе электроники есть много важных тем. Сегодня мы попытаемся разобраться с операционными усилителями.

Начнем сначала. Операционный усилитель — это такая «штука», которая позволяет всячески оперировать аналоговыми сигналами. Самые простейшие и основные — это усиление, ослабление, сложение, вычитание и много других (например, дифференцирование или логарифмирование). Абсолютное большинство операций на операционных усилителях (далее ОУ) выполняются с помощью положительных и отрицательных обратных связей.

В данной статье будем рассматривать некий «идеал» ОУ, т.к. переходить на конкретную модель не имеет смысла. Под идеалом подразумевается, что входное сопротивление будет стремиться к бесконечности (следовательно, входной ток будет стремиться к нулю), а выходное сопротивление — наоборот, будет стремиться к нулю (это означает, что нагрузка не должна влиять на выходное напряжение). Также, любой идеальный ОУ должен усиливать сигналы любых частот. Ну, и самое важное, коэффициент усиления при отсутствующей обратной связи должен также стремиться к бесконечности.



Ближе к делу

Операционный усилитель на схемах очень часто обозначается равносторонним треугольничком. Слева расположены входы, которые обозначены "-" и "+", справа — выход. Напряжение можно подавать на любой из входов, один из которых меняет полярность напряжения (поэтому его назвали инвертирующим), другой — не меняет (логично предположить, что он называется неинвертирующий). Питание ОУ, чаще всего, двуполярное. Обычно, положительное и отрицательное напряжение питания имеет одинаковое значение (но разный знак!).

В простейшем случае можно подключить источники напряжения прямо ко входам ОУ. И тогда напряжение на выходе будет расчитываться по формуле:


, где

— напряжение на неинвертирующем входе,

— напряжение на инвертирующем входе,

— напряжение на выходе и

— коэффициент усиления без обратной связи.

Посмотрим на идеальный ОУ с точки зрения Proteus.


Предлагаю «поиграть» с ним. На неинвертирующий вход подали напряжение в 1В. На инвертирующий 3В. Используем «идеальный» ОУ. Итак, получаем:

. Но тут у нас есть ограничитель, т.к. мы не сможем усилить сигнал выше нашего напряжения питания. Таким образом, на выходе все равно получим -15В. Итог:


Изменим коэффициент усиления (чтобы Вы мне поверили). Пусть параметр Voltage Gain станет равным двум. Та же задача наглядно решается.


Реальное применение ОУ на примере инвертирующего и неинвертирующего усилителей

Есть два таких

основных

правила:


I.Выход операционного усилителя стремится к тому, чтобы дифференциальное напряжение (разность между напряжением на инвертирующем и неинвертирующем входах) было равно нулю.
II.Входы ОУ не потребляют тока.

Первое правило реализуется за счет обратной связи. Т.е. напряжение передается с выхода на вход таким образом, что разность потенциалов становится равной нулю.

Это, так сказать, «священные каноны» в теме ОУ.

А теперь, конкретнее.

Инвертирующий усилитель

выглядит именно так (обращаем внимание на то, как расположены входы):


Исходя из первого «канона» получаем пропорцию:


, и немного «поколдовав» с формулой выводим значение для коэффициента усиления инвертирующего ОУ:


Приведенный выше скрин в комментариях не нуждается. Просто сами все подставьте и проверьте.

Следующий этап —

неинвертирующий усилитель.
Тут все также просто. Напряжение подается непосредственно на неинвертирующий вход. На инвертирующий вход подводится обратная связь. Напряжение на инвертирующем входе будет:
, но применяя первое правило, можно утверждать, что

И снова «грандиозные» познания в области высшей математики позволяют перейти к формуле:
Приведу исчерпывающий скрин, который можете перепроверить, если хотите:

Пара интересных схем

Напоследок, приведу парочку интересных схем, чтобы у Вас не сложилось впечатления, что операционные усилители могут только усиливать напряжение.

Повторитель напряжения (буферный усилитель). Принцип действия такой же, как и у транзисторного повторителя. Используется в цепях с большой нагрузкой. Также, с его помощью можно решить задачку с согласованием импедансов, если в схеме есть нежелательные делители напряжения. Схема проста до гениальности:

Суммирующий усилитель. Его можно использовать, если требуется сложить (отнять) несколько сигналов. Для наглядности — схема (снова обращаем внимание на расположение входов):

Также, обращаем внимание на то, что R1 = R2 = R3 = R4, а R5 = R6. Формула расчета в данном случае будет: (знакомо, не так ли?)

Таким образом, видим, что значения напряжений, которые подаются на неинвертирующий вход «обретают» знак плюс. На инвертирующий — минус.

Заключение

Схемы на операционных усилителях чрезвычайно разнообразны. В более сложных случаях Вы можете встретить схемы активных фильтров, АЦП и устройств выборки хранения, усилители мощности, преобразователи тока в напряжение и многие многие другие схемы.

Список источников

Краткий список источников, который поможет Вам быстрее освоится как в ОУ, так и в электронике в целом:


Википедия

П. Хоровиц, У. Хилл. «Искусство схемотехники»

Б. Бейкер. «Что нужно знать цифровому разработчику об аналоговой электронике»

Конспект лекций по электронике (желательно, собственный)


UPD.:

Спасибо

НЛО

за приглашение

принцип действия, схемы и т.д.

Инвертирующий усилитель — модифицированный инвертирующий повторитель напряжения, который может получить почти любой коэффициент усиления, пока коэффициент усиления находится в пределах конструктивных характеристик операционного усилителя.

Операционные усилители не играли бы важной роли в контрольно-измерительных устройствах, если бы они применялись только в качестве буферов. У операционных усилителей имеется много других областей применения. Простые инвертированные повторители напряжения могут быть видоизменены таким образом, чтобы коэффициент усиления в них составлял более единицы.

Коэффициент усиления инвертирующего повторителя напряжения изменяется с помощью величины резистора цепи обратной связи. Инвертирующий повторитель напряжения, имеет входной резистор (Rin) и резистор цепи обратной связи (Rfb).

Схема инвертирующего повторителя напряжения
Обратите внимание на основы электричества и на приборы электроники.

Входной резистор и резистор цепи обратной связи являются теми элементами схемы, которые делают усиление возможным. Без Rin входное напряжение было бы накоротко соединено с виртуальной землей, так что потенциал на входе всегда был бы 0 В. Без Rfb выходное напряжение было бы накоротко соединено с мнимой землей, так что потенциал на выходе всегда был бы 0 В. Следовательно, при отсутствии в схеме любого из этих двух элементов коэффициент усиления равнялся бы нулю. Использование в схеме этих двух резисторов позволяет получить входное и выходное напряжения, а также усиление.

Если величина сопротивления Rfb равна величине сопротивления Rin, инвертированный повторитель напряжения имеет коэффициент усиления 1. Если Rfb имеет другую величину сопротивления, то коэффициент усиления изменится. Таким образом, коэффициент усиления инвертирующего повторителя напряжения изменяется посредством изменения величины сопротивления Rfb. Инвертирующий повторитель напряжения, в котором коэффициент усиления больше 1, называется инвертирующим усилителем. Рассмотренные до сих пор усилительные схемы принадлежат к одному и тому же типу инвертирующих усилителей. Однако, имеются и другие распространенные типы инвертирующих усилителей. Например, в усилителе с переключаемым сопротивлением цепи обратной связи в цепи обратной связи имеются три резистора: Rfb1, R fb2, Rfb3. Резисторы подключаются к схеме посредством переключательного устройства S1. Переключательное устройство может быть ручного типа или электронного, управляемого с помощью компьютера.

Схема усилителя с переключаемым сопротивлением цепи обратной связи

Переключатель и резисторы цепи обратной связи в усилителе с переключаемым сопротивлением цепи обратной связи позволяют изменять величину сопротивления в цепи обратной связи, изменяя таким образом коэффициент усиления. В цепи обратной связи может быть использовано любое число резисторов, в зависимости от требуемого числа фиксированных значений коэффициента усиления. Как отмечалось выше, коэффициент усиления инвертирующего усилителя изменяется если при неизменном значении сопротивления входного резистора изменять сопротивление резистора цепи обратной связи. Приводимый ниже пример даёт объяснение того, каким образом могут вычисляться коэффициент усиления и выходное напряжение усилителя с переключаемым сопротивлением цепи обратной связи. Предположим, что входное напряжение в цепи, составляет -0,01 В, входное сопротивление равно 100 Ом, а сопротивления резисторов цепи обратной связи равны Rfb1= 200 Ом, Rfb2 = 500 Ом, Rfb3 = 1000 Ом.

Пример усилителя с переключаемым сопротивлением цепи обратной связи

Поскольку коэффициент усиления и выходное напряжение будут изменяться в зависимости от положения переключателя, коэффициент усиления и выходное напряжение должны вычисляться отдельно для каждого положения переключателя.

2.4 Интегральные и операционные усилители

2.4 Интегральные и операционные усилители

2.4.1 Операционные усилители

Операционным усилителем называют усилитель постоянного тока, предназначенный для выполнения различного рода операций над аналоговыми сигнала при работе в схемах с отрицательной обратной связью.

Операционные усилители обладают большим и стабильным коэффициентом усиления напряжения, имеют дифференциальный вход с высоким входным сопротивлением и несимметричный выход с низким выходным сопротивлением, малым дрейфом нуля. То есть под операционным усилителем понимают высококачественный универсальный усилитель.

Условные обозначения операционных усилителей приведены на рисунке 2.4.1.1

Рисунок 2.4.1.1 Условные обозначения операционных усилителей

Один из входов, обозначенный знаком «+» называют неинвертирующим (прямым), так как сигнал на выходе и сигнал на этом входе имеют одинаковую полярность. Второй вход, обозначенный знаком «–», (его также обозначают знаком инверсии «o») называют инвертирующим, так как сигнал на выходе по отношению к сигналу на этом входе имеет противоположную полярность. Помимо трех сигнальных контактов (двух входных и одного выходного) операционный усилитель содержит дополнительные контакты (обычно число контактов составляет 14 или 16).

 

2.4.2 Интегральные усилители

Интегральным усилителем принято называть усилитель постоянного тока с большим коэффициентом усиления, имеющий симметричный вход и несимметричный выход. Термин операционный усилитель (ОУ) первоначально относился к классам усилителей, способных выполнять различные математические операции за счет использования отрицательной обратной связи с соответствующими передаточными характеристиками. В настоящее время ОУ выполняется, как правило, в виде монолитных интегральных микросхем и по своим размерам и цене практически не отличаются от отдельно взятого транзистора. Благодаря практически идеальным характеристикам ОУ, реализация различных схем на их основе оказывается значительно проще, чем на отдельных транзисторах. Чтобы определить, какой тип ОУ подходит для конкретного случая его применения, необходимо знать его основные характеристики, а для некоторых случаев необходимо и знание внутренней структуры. Для полного описания прибора необходимо знать более 30 электрических параметров. Однако для упрощения расчета и анализа схем пользуются понятием «идеального» ОУ. Идеальный ОУ имеет следующие свойства: собственные значения коэффициента усиления и входного сопротивления стремятся к бесконечности, выходное сопротивление стремится к нулю, высокочастотный спад амплитудно-частотной характеристики имеет скорость не более 20 дб/дек. Отметим важные правила, которые определяют поведение ОУ, охваченного петлей обратной связи. 1. Выход ОУ стремится к тому, чтобы разность напряжений между его входами была равна нулю. Это правило не означает, что ОУ действительно изменяет напряжение на своих входах. Это невозможно. ОУ «оценивает» состояние входов и с помощью внешней схемы обратной связи передает напряжение с выхода на вход, так что в результате разность напряжений между входами стремится к нулю. Второе правило, которое широко используется при анализе схем на ОУ, связано с малым потреблением входного тока (например, ОУ К140УД7 имеет входной ток 0,08 мкА, а ОУ с полевыми транзисторами на входе имеют входные токи утечки единицы пикоампер).

2. Входы ОУ не потребляют ток в цепи источника сигнала. Эти правила справедливы для любого ОУ при условии, что входы не перегружены. При проектировании усилительных устройств на ОУ необходимо помнить, что обратная связь должна быть всегда отрицательной (т. е. нельзя путать инвертирующий и не инвертирующий входы), причем в схеме ОУ обязательно должна быть предусмотрена цепь обратной связи по постоянному току. В противном случае ОУ обязательно попадает в режим насыщения. Интегральные ОУ представляют собой схему с двумя входами и несимметричным выходом. Кроме информационных выводов интегральные ОУ обычно имеют специальные выводы для подключения напряжения источника питания, цепей балансировки и коррекции амплитудно-частотной характеристики

Первые ОУ (например, К140УД1, К140УД5, К153УД1 и т. д.) для получения высокого коэффициента усиления имели три каскада усиления, в которых в качестве нагрузки применялись резисторы. Применение p-n-p транзисторов в качестве активной нагрузки позволило не только получить большой коэффициент усиления, но и существенно упростить схему ОУ Двухкаскадные схемы ОУ работают с меньшими токами питания, имеют повышенный коэффициент усиления, малые входные токи, могут устойчиво работать как при малых (±ЗВ), так и при больших (±15В) напряжениях питания, сохраняя при этом высокий коэффициент усиления и амплитуду выходного сигнала, пропорциональную питающим напряжениям. Двухкаскадная структура ОУ требует применения лишь одного конденсатора для коррекции АЧХ, что дает возможность осуществлять внутреннюю коррекцию. Необходимый коэффициент усиления при разомкнутой обратной связи в этой схеме обеспечивается двумя усилительными каскадами. Для получения более высокого коэффициента усиления на каскад в качестве нагрузки в обоих каскадах используются не резисторы, а схемы источников тока.

В первом каскаде транзисторы VT1, VT2 и VT6, VT7 образуют дифференциальный каскад, в котором транзисторы VT1 и VT6 включены по схеме ОК, а транзисторы VT2 и VT7 по схеме ОБ. Транзисторы VT3, VT8 являются высокоомной динамической нагрузкой для транзисторов VT2 и VT7. Входные транзисторы VT1 и VT6 все время работают при одном и том же напряжении на коллекторе, что приводит к отсутствию влияния модуляции ширины базы на напряжение смещения.

На транзисторы VT2 и VT7 р-n-р типа смещение подается с ГСТ на транзисторе VT10. Если предположить, что напряжения Uэб транзисторов VT1, VT6, VT8, VT9 хорошо согласованы, то их коллекторные токи будут приблизительно равными. Эмиттерный повторитель на транзисторе VT5 задает уровень смещения на транзисторы VT3 и VT8 и преобразует напряжение на коллекторе транзистора VT3 в базовое напряжение, управляющее транзистором VT8. Таким образом, дифференциальный выход первого каскада усиления преобразуется в одиночный выход с коллектора транзистора VT8. Для стабилизации рабочей точки транзисторов VT2, VT7, смещение которой вызвано несогласованностью характеристик этих транзисторов, в первом каскаде предусмотрена цепь обратной связи, выполненная на транзисторах VT9 и VT4, причем транзистор VT4 используется в диодном включении. Транзистор VT4 определяет уровни токов, протекающих через транзисторы VT1 и VT6. Он также определяет величину тока через транзистор VT9, который в свою очередь регулирует базовые токи транзисторов VT2 и VT7 путем сложения или вычитания токов транзистора VT9 и ГСТ на транзисторе VT10. В дифференциальном каскаде такая ОС, кроме того, улучшает стабильность уровня смещения и подавление синфазных сигналов, без изменения его коэффициента усиления.

Балансировка ОУ производится в первом каскаде с помощью потенциометра сопротивлением 10 кОм, включенным между выводами эмиттеров транзисторов VT3 и VT8. Средняя точка потенциометра подключается к отрицательной шине питания — Е2. Сложный дифференциальный усилитель, включенный на входе ОУ, имеет коэффициент усиления по напряжению более 60 дб. Включение транзисторов VT1, VT6 и VT2, VT7 по схеме OK–ОБ позволило повысить входное сопротивление усилителя до значения 400 кОм и выше. Транзисторы VT9, VT10 образуют ГСТ для первого каскада, причем базы этих транзисторов получают смещение от транзисторов VT11, VT 12, имеющих диодное включение.

Второй каскад усиления построен на транзисторах VT13, VT16, включенных по схеме составного транзистора, многоколлекторном транзисторе VT15, который служит в качестве активной нагрузки каскада. Транзистор VT15 имеет эмиттерный ток, равный току через его диод смещения (транзистор VT11). Эмиттерный ток транзистора VT15 делится поровну между двумя его коллекторами. Второй каскад имеет коэффициент усиления по напряжению около 45 дб.

С выхода второго каскада усиления напряжение поступает на базу двухэмиттерного транзистора VT20, который регулирует работу выходных эмиттерных повторителей. Изменение напряжения на базе транзистора VT20 либо шунтирует через схему сдвига уровня (транзисторы VT17, VT19) выходной транзистор VT23, отбирая у него базовый ток, открывая в то же время транзистор VT24, и наоборот.

Выходной каскад, работающий в режиме АВ, построен на транзисторах разного тина проводимости VT23 и VT24, причем последний является транзистором р-n-р типа, в котором подложка используется в качестве коллекторной области. Транзисторы VT21 и VT22 с резисторами R10 и R11 образуют схему защиты выходных цепей от короткого замыкания. Эти транзисторы открываются падением напряжения на резисторах R10, R11, если импульс выходного тока превышает 25 мА. Если эти транзисторы открываются (поочередно при смене полуволн тока короткого замыкания), то выходные транзисторы становятся генераторами предельного выходного тока, величина которого

Iк пред = Uбэ /R10 = 0,65В/30 Ом ? 27 мА.

Транзистор VT14 и цепь второго эмиттера транзистора VT18 предназначена для защиты выходного каскада от насыщения. ОУ имеет внутреннюю коррекцию амплитудно-частотной характеристики с помощью конденсатора С .

 

Задания для самостоятельной работы

Задания для самостоятельной работы по теме «Усилители электрических сигналов»

  Скачать файл задания целиком.

а) Указать, для какого режима усиления изображены временные диаграммы выходного тока.

б) Объяснить, как выбирается рабочая точка для данного режима.

в) Охарактеризовать  указанный режим

 

№1.

 

 

 

№2

 

№3

 

Инвертирующий усилитель на ОУ

Схема инвертирующего усилителя приведена на рис. 1.1. Нетрудно увидеть , что за счет резистора R2 в схеме обеспечивается глубокая отрицательная обратная связь. Обратная связь создает особый режим точки А схемы. Операционный усилитель всегда усиливает дифференциальное напряжение Uд , которое приложено непосредственно между инвертирующим и неинвертирующим входами. При этом
Любое изменение входного напряжения приведет к изменению напряжения на выходе, причем выходное напряжение будет изменяться до тех пор, пока за счет влияния отрицательной обратной связи потенциал точки А не станет равным
В современных ОУ , поэтому потенциал точки А можно считать равным нулю, т.е. она является потенциально заземленной (так называемый "виртуальный нуль"). Однако гальванически точка А отделена от "земли", т.к. дифференциальное входное сопротивление ОУ можно считать равным бесконечности
Рисунок 1.1 - Инвертирующий усилитель на ОУ
Учитывая большой дифференциальный коэффициент усиления ОУ и свойства усилителя, охваченного глубокой отрицательной обратной связью, можно предположить, что коэффициент усиления инвертирующего усилителя будет определяться только параметрами цепи обратной связи. Действительно, если принять и пренебречь входными токами смещения, то для точки А по закону Кирхгофа
В свою очередь
С учетом этого можно получить
откуда коэффициент усиления инвертирующего усилителя
Знак минус перед правой частью означает, что выход инвертирован.

Входные токи смещения ОУ чрезвычайно малы, однако при усилении сигналов низкого уровня, к которым относятся и биомедицинские сигналы, токи смещения могут привести к появлению погрешности усиления. Для повышения точности усилителя целесообразно в цепь неинвертирующего входа включать резистор, как показано на рис. 1.2.


Рисунок 1.2
Наличие резисторов одинаковой величины на инвертирующем и неинвертирующем входах при протекании токов смещения вызывает одинаковое падение напряжения, т.е. дифференциальный входной сигнал будет равен нулю. Кроме того, для уменьшения влияния тока смещения сопротивление R2 выбирать не более нескольких сотен килоОм.

Входное сопротивление инвертирующего усилителя (рис. 1.1) равно R1, так как благодаря обратной связи потенциал точки А приблизительно равен нулю . Поэтому сопротивление R1 должно выбираться так, чтобы не нагружать источник входного сигнала, а R2 должно быть достаточно большим, чтобы не нагружать выходную цепь операционного усилителя.

Инвертирующий усилитель на операционном усилителе: схема, формула

Как уже отмечалось, операционные усилители в настоящее время используются в самых различных электронных устройствах. Их широко применяют как в аналоговых, так и в импульсных устройствах электроники. В то же время существуют и часто используются типовые линейные схемы на основе операционных усилителей. Такие типовые схемы должен знать каждый инженер, использующий электронные устройства. Именно такие схемы рассматриваются ниже.

Очень полезно овладеть достаточно простыми приемами ручного анализа электронных схем на основе операционных усилителей. Это значительно облегчит понимание принципа действия конкретных устройств электроники и будет способствовать получению достоверных результатов машинного анализа. Указанные приемы анализа основаны на ряде допущений, принимаемых в предположении, что используемые операционные усилители достаточно близки к идеальным. Практика расчетов показывает, что результаты, получаемые на основе допущений, имеют вполне приемлемую погрешность.

Примем следующие допущения:

  • Входное сопротивление операционного усилителя равно бесконечности, токи входных электродов равны нулю (Rвх → ∞, i+ = i).
  • Выходное сопротивление операционного усилителя равно нулю, т. е. операционный усилитель со стороны выхода является идеальным источником напряжения (Rвых = 0).
  • Коэффициент усиления по напряжению (коэффициент усиления дифференциального сигнала) равен бесконечности, а дифференциальный сигнал в режиме усиления равен нулю (при этом не допускается закорачивания выводов операционного усилителя).
  • В режиме насыщения напряжение на выходе равно по модулю напряжению питания, а знак определяется полярностью входного напряжения. Полезно обратить внимание на тот факт, что в режиме насыщения дифференциальный сигнал нельзя всегда считать равным нулю.
  • Синфазный сигнал не действует на операционный усилитель.
  • напряжение смещения нуля равно нулю.

Рассмотрим схему инвертирующего усилителя (рис. 2.25), из которой видно, что в ней действует параллельная обратная связь по напряжению.

Так как i= 0, то в соответствии с первым законом Кирхгофа i1 = i2.

Предположим, что операционный усилитель работает в режиме усиления, тогда uдиф = 0. В соответствии с этим на основании второго закона Кирхгофа получим i1 = uвх/ R1i2 = − uвых/ R2

Учитывая, что i1 = i2, получаем uвых= −uвх· R2 / R1

Таким образом, инвертирующий усилитель характеризуется коэффициентом усиления по напряжению, равным Кu= −R2/R1

Например, если R1= 1кОм,R2=10 кОм, тогда uвых= − 10 ·uвх

Для уменьшения влияния входных токов операционного усилителя на выходное напряжение в цепь неинвертирующего входа включают резистор с сопротивлением R3 (рис. 2.26), которое определяется из выражения R3=R1//R2=R1·R2/ (R1+R2)

Входное сопротивление инвертирующего усилителя на низких частотах значительно ниже собственного входного сопротивления операционного усилителя. Это полностью соответствует сделанному раннее выводу о том, что параллельная отрицательная обратная связь, имеющая место в схеме, уменьшает входное сопротивление. Учитывая, что uдиф~ 0, легко заметить, что иходное сопротивление усилителя на низких частотах приблизительно равно R1.

Выходное сопротивление инвертирующего усилителя на низких частотах Rвых.ос существенно меньше выходного сопротивления на низких частотах Rвых собственно операционного усилителя. Это является следствием действия отрицательной обратной связи по напряжению.

Можно показать, что Rвых.ос = Rвых / ( 1 + К ·R1/R2) где К — коэффициент усиления по напряжению операционного усилителя.

4.12. Эффекты ограничений ОУ на работу схем на их основе

Операционные усилители

Подробный анализ работы операционных усилителей



Вернемся к инвертирующему усилителю и рассмотрим его еще раз, учитывая известные нам теперь ограничения. Покажем, как они влияют на работу схемы и как их учесть при разработке ОУ. Используя этот пример, вы сможете разобраться и с другими схемами ОУ. На рис. 4.30 вновь показан инвертирующий операционный усилитель.

Рис. 4.30.

Коэффициент усиления при разомкнутой пени ОС. В связи с тем что коэффициент усиления при разомкнутой цепи ОС имеет конечное значение, в усилителе с обратной связью коэффициент усиления по напряжению (коэффициент усиления при разомкнутой петли ОС) в определенный момент начинает убывать. Этому моменту соответствует частота, на которой коэффициент усиление при разомкнутой цепи ОС приближается к значению R2/R1 (рис. 4.31). Этот спад позволяет судить о том, что семейство усилителей типа 411 относится к классу низкочастотных усилителей; на частоте 50 кГц коэффициент усиления при разомкнутой цепи ОС падает до 100, а частота ƒср равна 4 МГц. Обратите внимание, что коэффициент усиления при замкнутой цепи ОС всегда меньше, чем коэффициент усиления при разомкнутой цепи ОС; это означает, что если на основе ОУ типа 411 построить, например, усилитель со 100 - кратным усилением, то на частотах около 50 кГц его усиление заметно ослабеет. Более точно мы опишем этот эффект чуть ниже (разд. 4.25), когда будем рассматривать транзисторные схемы с обратной связью, имеющие конечный коэффициент усиления при разомкнутой цепи ОС.

Рис. 4.31. Зависимость коэффициента усиления от частоты для ОУ типа LF411 («диаграмма Боде»). 1 - коэффициент усиления при разомкнутой ОС, 2 - коэффициент усиления при замкнутой ОС,
ƒэдБ = ƒт(замкнутой ОС).

Скорость нарастания. В связи с тем что скорость нарастания ограничена, на частотах выше некоторого граничного значения максимальный размах синусоидального сигнала начинает падать. На рис. 4.32. представлен график для операционного усилителя типа 411 со скорость нарастания 15 В/мкс. При скорости нарастания s выходная амплитуда ограничена значением Аот пика, до пика ≤ s/πƒ для синусоидального сигнала, имеющего частоту ƒ; тем самым объясняется наличие участка спада на графике с наклоном 1/ƒ. Горизонтальный участок на графике соответствует ограничению размаха выходного напряжения источников питания.

Рис. 4.32. Зависимость размаха выходного напряжеиия от частоты (LF411). Uи = ± 15В; Токр = 25°С Rн = 10 кОм. Кривая убывает пропорционально 1/ƒ.

Попутно отметим, что ограничения связанные со скоростью нарастания ОУ можно использовать на благо, для устранения шумовых импульсов полезного сигнала с помощью так называемой нелинейной низкочастотной фильтрации. Суть метода состоит в следующем: намеренно ограничивая скорость нарастания можно существенно уменьшить острые импульсы, никак не искажая при этом фоновый сигнал.

Выходной ток. В связи с тем, что выходной ток операционного усилителя ограничен, размах выходного напряжения на низкоомных нагрузках также ограничен. На рис. 4.33 представлен график для операционного усилителя типа 411. В прецизионных схемах как раз и нужно ограничивать выходные токи для того, чтобы избежать появления в кристалле схемы температурных градиентов, связанных с рассеянием слишком большой мощности в выходном каскаде.

Рис 4. 33. Зависимость размаха выходного напряжения от нагрузки (LF411). Uи = 15 В, Токр = 25°С.

Напряжение сдвига. Благодаря наличию входного напряжения сдвига при нулевом напряжении на входе напряжение на выходе равно Uвых = KU0Uсдв. Инвертирующий усилитель на основе ОУ типа 411 имеет коэффициент усиления по напряжению, равный 100. При заземленном входе напряжение на выходе этой схемы достигает значения ± 0.2 В (Uсдв = 2 мВ, максимальное значение). Можно предложить следующие пути решения проблемы: а) Если усиление сигнала по постоянному току не представляет интереса, то с помощью конденсатора можно уменьшить коэффициент усиления для сигналов постоянного тока до единицы, как показано на рис. 4.7, также как в рассмотренном выше усилителе для звукоснимателя (рис. 4.20). Там для передачи входного сигнала используется емкостная связь, б) Настроить нуль, используя предлагаемую фирмой - изготовителем схему регулировки. в) Можно использовать ОУ с меньшим напряжением сдвига Uсдв, г) Настроить нуль, используя схему регулировки, описанную в разд. 7.06 (рис. 7.5).

Входной ток смешения. Если в инвертирующем усилителе один из входов заземли, то даже при условии идеальной настройки (т. е. Uсдв = 0), на выходе усилителя будет присутствовать отличное от нуля выходное напряжение. Это связано с тем, что входной ток смещения Iсм создает падение напряжения на резисторах, которое затем усиливается схемой усилителя. В этой схеме сопротивление со стороны инвертирующего входа определяется резисторами R1 R2, но ток смещения воспринимается как входной сигнал, подобный току, текущему через R1, а поэтому он порождает смещение выхода Uвых = Iсм R2.

В операционных усилителях со входами на полевых транзисторах эффектом входного тока смещения обычно можно пренебречь, по-другому дело обстоит с операционными усилителями на биполярных транзисторах - здесь значительные входные токи могут привести к серьезным проблемам. Рассмотрим в качестве примера инвертирующий усилитель, в котором R1 = 10 кОм и R2 = 1 МОм; эти значения подходят для инвертирующего каскада, в котором желательно обеспечить значение Zвх, равным 10 кОм. Если выбрать схему типа LM833 на биполярных транзисторах, с низким уровнем шумов, то ее выходное напряжение (при заземленном входе) может достигать величины 100 х 1000 нА х 9,9 кОм или 0.99 В, что ни в какой мере не может быть приемлемо. Для сравнения отметим, что ОУ типа LF411 (со входами на полевых транзисторах с p-n - переходом) соответствующее выходное напряжение для худшего случая (при заземленном входе) составляет 0,2 мВ; для большинства практических случаев эта величина пренебрежимо мала и уж во всяком случае несравнима с ошибкой выходного напряжения, порождаемой напряжением сдвига (в худшем случае для не настроенного ОУ типа LF411 она составляет 200 мВ).

Для борьбы с ошибками, обусловленными током смешения, существует несколько способов. Если вам нужен ОУ с большим током смешения, можно сделать сопротивление со стороны обоих входов одинаковым, как на рис. 4.34. В этом случае сопротивление 9,1 кОм выбрано с учетом параллельного соединения резисторов 10 кОм и 100 кОм. Кроме того, лучше всего если сопротивление цепи обратной связи будет достаточно малым, тогда ток смещения не будет давать большие сдвиги: сопротивления в цепях входов ОУ имеют типичные значения от 1 до 100 кОм. Третий способ состоит в уменьшении до единицы коэффициента усиления по постоянному току, как в рассмотренном выше усилителе для звукоснимателя.

Рис. 4.34. Для уменьшения ошибок, обусловленных входным током смещения в ОУ на биполярных транзисторах следует использовать компенсационный резистор.

Однако для большинства случаев можно рекомендовать использовать ОУ с пренебрежимо малыми входными токами. В операционных усилителях со входами на полевых транзисторах с p-n - переходом или на полевых МОП - транзисторах входные токи как правило имеют порядок пикоампер (однако, здесь входной ток быстро растет при увеличении температуры удваивается при изменении температуры на каждые 10°С), во многих современных схемах на биполярных транзисторах за счет использования транзисторов со сверхвысоким значением коэффициента β и схем компенсации смещения токи смещения почти также невелики и незначительно зависят от температуры. Такие операционные усилители обладают достоинствами ОУ на биполярных транзисторах (высокая точность, низкий уровень шума) и лишены недостатков, связанных со входным током. Например, для прецизионного биполярного ОУ с низким уровнем шума типа ОР-27 Iсм = 10 нА (типичное значение), для недорогого биполярного ОУ типа LM312 Iсм = 1,5 нА (типичное значение), для улучшенных вариантов этого ОУ (типа LT1012 и LM11) - Iсм = 30 пА (типичное значение). Среди недорогих ОУ на полевых транзисторах можно назвать ОУ типа LF411 на полевых транзисторах p-n - переходом, для которого Iсм = 50 Па (типичное значение) и серию ИС тип TLC20 на полевых МОП - транзисторах, для которой Iсм= 1 пА (типичное значение).

Входной ток сдвига. Как мы только что убедились, лучше всего создавать такие схемы, в которых импедансы и токи смещения ОУ порождают пренебрежимо малые ошибки. Однако иногда может возникнуть потребность в ОУ с большим током смещения или с очень большим эквивалентным импедансом. В этой ситуации лучше всего постараться сбалансировать входные импедансы по постоянному току. На выходе все равно будет существовать некоторая ошибка (Кпост.ток Iсдв Rист), обусловленная асимметрией входных токов ОУ. В общем, Iсдв меньше, чем Iсм в 2 - 20 раз (биполярные ОУ, как правило, дают лучшее согласование, чем ОУ на полевых транзисторах).

В предыдущих параграфах мы рассмотрели эффекты ограничений ОУ на примере простого инвертирующего усилителя напряжения. Для него, например, наличие входного тока ОУ вызывает появление ошибки напряжения на выходе. В ОУ другого назначения эффект может быть совсем другим, например в инвертируюшем ОУ конечный входной ток порождает на выходе линейно меняющийся сигнал (а не константу) при нулевом напряжении, приложенном ко входу. По мере освоения схем ОУ вы сможете оценивать, как сказываются ограничения ОУ на работе данной схемы и, следовательно, сможете выбрать операционный усилиель, подходящий для конкретного случая. Вообше говоря, «самого-самого» лучшего ОУ на свете не существует даже если вас не останавливает никакая цена): у операционных усилителей с самыми незначительными входными токами (на полевых МОП - транзисторах), как правило, плохо обстоят дела с напряжением сдвига, и наоборот. Хорошие разработчики при выборе компонентов идут на компромиссы с тем, чтобы оптимизировать характеристики схемы, и избегают по-возможности элементов с ненужной «позолотой».

«Сегодня густо, завтра пусто»

В своем неустанном стремлении к совершенству крисдаллов полупроводниковая промышленность преподносит нам иногда неприятные сюрпризы. Представьте себе такую ситуацию: вы разработали отличную новую схему, сделали образец, проведи тесирование и горите желанием запустить свое детище в производство Вы оформляете заказ на необходимые компоненты, но оказывается, что самую нужную ИС сняли с производства! А порой бывает и еще хуже: заказчик начинает жаловаться на задержку поставки прибора, который выпускается уже ни один год. Когда вы начинаете выяснять, что случилось, оказывается, что для завершения сборки плат не хватает единственной ИС которая «еще не поступила» на участок сборки. Далее выясняется, что она не поступила и на склад. В конце концов вы узнаете, что схему сняли с производства 6 месяцев назад и в наличии нет ни одной!

Почему же возникают подобные казусы и что может предпринять в таких случаях разработчик? По нашему мнению, существуют четыре основных причины прекращения производства ИС:

1. Устаревание: Появились новые, лучшие ИС и нет смысла продолжать выпуск старых. Это целиком и полностью относится к цифровым ИС памяти (например, каждый год небольшие статические кристаллы ЗУПВ (ЗУ с произвольной выборкой) и СППЗУ (стираемые программируемые постоянные ЗУ) заменяются более компактными и быстродействующими модификациями), хотя не избежали этой участи и линейные ИС. В подобных случаях чаще всего новая модифицированная ИС совместима со старой по выводам и может быть вставлена в старый разъем.

2. ИС не пользуется спросом у покупателей: Иногда исчезают прекрасные ИС. Если проявить настойчивость, то изготовитель может дать объяснение - «не было спроса» или что-нибудь в этом роде. Этот случай можно квалифицировать так: «прекращение производства для удобства изготовителя». Мы столкнулись с серьезными трудностями, когда фирма Harris сняла с производства прекрасную схему НА4925, исчез великолепный счетверенный компаратор с очень высоким быстродействием и ничего не появилось ему взамен. Фирма Harris сняла также с производства схему НА2705 - бесследно исчезла еще одна замечательная ИС, самый быстродействующий микромощный ОУ. Иногда хорошую ИС снимают с производства в связи с изменениями в технологической линии, производящей подложки (увеличивается размер подложки - вместо 3 дюймов устанавливают размер 5 или 6 дюймов). Мы уже заметили, что фирма Harris особенно любит прекращать производство очень хороших и уникальных ИС; тоже самое проделывали фирмы Intersi и GE.

3. Утеряны чертежи схем: В это трудно поверить, но когда фирмы - изготовители теряют чертежи какого-либо кристалла и по этой причине прекращают его производство. Такая история произошла с 8 - каскадным делителем на КМОП - транзисторах типа SSS-4404 фирмы Solid State Systems.

4. У изготовителя нет заказов: это также относится к SSS-4404!.

Если у вас есть уже разработанная плата, но нет никакой возможности достать нужную ИС, предлагаем вам следующие решения. Во-первых, можно разработать плату заново (а может быть и схему) на основе ИС, имеющихся в наличии. Это, наверное, лучший выход из положения в случае, когда вы запускаете в производство новую плату или когда уже идет производство большой партии плат. Во-вторых, можно разработать маленькую «дочернюю» плату, которая будет подключаться к пустому разъему вместо недостающей ИС и эмулировать ее работу. Хотя этот выход из положения нельзя назвать красивым, он полностью решает возникшую перед вами проблему.

К чему приводят ограничения, свойственные ОУ. Рассмотренные ограничения операционного усилителя влияют на параметры компонентов почти во всех схемах. Например, резисторы обратной связи должны быть достаточно большими, тогда они не будут существенно нагружать выход; вместе с тем, если они будут слишком большими, то входной ток смешения будет порождать ощутимые сдвиги. Кроме того, высокое сопротивление в цепи обратной связи повышает восприимчивость схемы к влиянию внешних наводок и увеличивает влияние паразитной емкости. Учитывая сказанное выше, для ОУ общего назначения обычно выбирают резисторы цепей ОС с сопротивлением от 2 до 100 кОм.

Подобные компромиссы принимают при разработке почти всех электронных схем включая и самые простые транзисторные схемы. Например, величина тока покоя в транзисторном усилителе ограничена сверху мощностью, которую может рассеивать устройство, величиной входного тока и питающего тока, коэффициента усиления по току, а снизу - величиной тока утечки, коэффициента усиления по току и быстродействием (которое уменьшается из-за паразитной емкости и больших сопротивлений). В связи с этим, как было указано в гл. 2, величину коллекторного тока обычно выбирают в диапазоне от нескольких десятков микроампер до нескольких десятков миллиампер (побольше для мощных схем, поменьше для «микромощных»). В следующих трех главах мы рассмотрим такие проблемы более тщательно для того, чтобы вы поняли, как находят компромиссные решения.

Упражнение 4.6. Нарисуйте схему инвертирующего усилителя со связями по постоянному току; его коэффициент усиления должен быть равен 100, а Iвх = 10 кОм. Предусмотрите возможность компенсации входного тока смещения и регулировки напряжения сдвига (используйте потенциометр на 10 кОм, который можно подключить к выводам 1 и 5, а его движок - к источнику питания u_). И наконец, измените схему так. чтобы выполнялось условие вх z≥ 108 Ом.


Подробный анализ работы некоторых схем на операционных усилителях


Основы операционного усилителя - CoderLessons.com

Операционный усилитель, также называемый операционным усилителем, представляет собой интегральную схему, которая может использоваться для выполнения различных линейных, нелинейных и математических операций. Операционный усилитель — это прямой усилитель с высоким коэффициентом усиления . Вы можете управлять операционным усилителем как с сигналами переменного, так и постоянного тока. В этой главе рассматриваются характеристики и типы операционных усилителей.

Конструкция операционного усилителя

Операционный усилитель состоит из дифференциального усилителя (ей), транслятора уровня и выходного каскада. Дифференциальный усилитель присутствует на входном каскаде операционного усилителя, и, следовательно, операционный усилитель состоит из двух входных клемм . Одна из этих клемм называется инвертирующей, а другая называется неинвертирующей . Терминалы названы на основе соотношения фаз между их соответствующими входами и выходами.

Характеристики операционного усилителя

Важные характеристики или параметры операционного усилителя следующие:

  • Коэффициент усиления по разомкнутому контуру
  • Выходное смещение напряжения
  • Коэффициент отклонения синфазного режима
  • Скорость нарастания

В этом разделе подробно рассматриваются эти характеристики, как указано ниже —

Коэффициент усиления по разомкнутому контуру

Коэффициент усиления по напряжению разомкнутого контура операционного усилителя — это его дифференциальное усиление без какой-либо обратной связи.

Математически усиление напряжения разомкнутого контура операционного усилителя представляется как —

$$ A_ {v} = \ frac {v_0} {v_1-v_2} $$

Выходное смещение напряжения

Напряжение, присутствующее на выходе операционного усилителя, когда его дифференциальное входное напряжение равно нулю, называется напряжением смещения на выходе.

Коэффициент отклонения синфазного режима

Коэффициент подавления синфазного сигнала ( CMRR ) операционного усилителя определяется как отношение дифференциального усиления замкнутого контура, $ A_ {d} $ и коэффициента усиления синфазного сигнала, $ A_ {c} $.

Математически CMRR можно представить как —

$$ CMRR = \ гидроразрыва {А_ {d}} {А_ {C}} $$

Обратите внимание, что усиление синфазного сигнала, $ A_ {c} $ операционного усилителя, представляет собой отношение выходного напряжения синфазного режима и входного напряжения синфазного режима.

Скорость нарастания

Скорость нарастания операционного усилителя определяется как максимальная скорость изменения выходного напряжения из-за ступенчатого входного напряжения.

Математически скорость нарастания (SR) может быть представлена ​​как —

$$ SR = Максимальная \: из \: \ гидроразрыва {\ текст {d} V_ {0}} {\ текст {d} т} $$

Где $ V_ {0} $ — выходное напряжение. В общем случае скорость нарастания измеряется в $ V / \ mu \: Sec $ или $ V / m \: Sec $.

Типы операционных усилителей

Операционный усилитель представлен треугольным символом, имеющим два входа и один выход.

Операционные усилители бывают двух типов: Идеальный операционный усилитель и Практический операционный усилитель .

Они обсуждаются подробно, как указано ниже —

Идеальный операционный усилитель

Идеальный операционный усилитель существует только в теории и практически не существует. Эквивалентная схема идеального операционного усилителя показана на рисунке ниже —

Идеальный операционный усилитель обладает следующими характеристиками:

  • Входной импеданс $ Z_ {i} = \ infty \ Omega $

  • Выходной импеданс $ Z_ {0} = 0 \ Omega $

  • Напряжение разомкнутого контура gaine $ A_ {v} = \ infty $

  • Если (дифференциальное) входное напряжение $ V_ {i} = 0 В $, то выходное напряжение будет $ V_ {0} = 0 В $

  • Пропускная способность бесконечна . Это означает, что идеальный операционный усилитель будет усиливать сигналы любой частоты без какого-либо ослабления.

  • Коэффициент отклонения синфазного сигнала (CMRR) равен бесконечности .

  • Скорость нарастания (SR) равна бесконечности . Это означает, что идеальный операционный усилитель будет производить изменение выходной мощности мгновенно в ответ на входное ступенчатое напряжение.

Входной импеданс $ Z_ {i} = \ infty \ Omega $

Выходной импеданс $ Z_ {0} = 0 \ Omega $

Напряжение разомкнутого контура gaine $ A_ {v} = \ infty $

Если (дифференциальное) входное напряжение $ V_ {i} = 0 В $, то выходное напряжение будет $ V_ {0} = 0 В $

Пропускная способность бесконечна . Это означает, что идеальный операционный усилитель будет усиливать сигналы любой частоты без какого-либо ослабления.

Коэффициент отклонения синфазного сигнала (CMRR) равен бесконечности .

Скорость нарастания (SR) равна бесконечности . Это означает, что идеальный операционный усилитель будет производить изменение выходной мощности мгновенно в ответ на входное ступенчатое напряжение.

Практический операционный усилитель

Практически, операционные усилители не идеальны и отличаются от своих идеальных характеристик из-за некоторых недостатков в процессе производства. Эквивалентная схема практического операционного усилителя показана на следующем рисунке —

Практический операционный усилитель обладает следующими характеристиками:

  • Входной импеданс, $ Z_ {i} $ в мегомах .

  • Выходной импеданс, $ Z_ {0} $ порядка нескольких Ом. ,

  • Коэффициент усиления по разомкнутому контуру, $ A_ {v} $ будет высоким .

Входной импеданс, $ Z_ {i} $ в мегомах .

Выходной импеданс, $ Z_ {0} $ порядка нескольких Ом. ,

Коэффициент усиления по разомкнутому контуру, $ A_ {v} $ будет высоким .

Когда вы выбираете практичный операционный усилитель, вы должны проверить, удовлетворяет ли он следующим условиям:

  • Входной импеданс, $ Z_ {i} $ должен быть как можно выше.

  • Выходное сопротивление, $ Z_ {0} $ должно быть как можно ниже.

  • Коэффициент усиления по разомкнутому контуру, $ A_ {v} $ должен быть как можно выше.

  • Выходное смещение напряжения должно быть как можно ниже.

  • Рабочая пропускная способность должна быть максимально высокой.

  • CMRR должен быть как можно выше.

  • Скорость нарастания должна быть максимально высокой.

Входной импеданс, $ Z_ {i} $ должен быть как можно выше.

Выходное сопротивление, $ Z_ {0} $ должно быть как можно ниже.

Коэффициент усиления по разомкнутому контуру, $ A_ {v} $ должен быть как можно выше.

Выходное смещение напряжения должно быть как можно ниже.

Рабочая пропускная способность должна быть максимально высокой.

CMRR должен быть как можно выше.

Скорость нарастания должна быть максимально высокой.

Примечание. Операционный усилитель IC 741 — самый популярный и практичный операционный усилитель.

Коэффициент усиления операционного усилителя

- Пояснение к расчетному уравнению »Примечания к электронике

Коэффициент усиления

является ключевым аспектом проектирования схемы операционного усилителя: вычисления могут выполняться для общих схем или с более конкретными формулами для инвертирующих и неинвертирующих усилителей.


Учебное пособие по операционному усилителю Включает:
Введение Усиление операционного усилителя Пропускная способность Скорость нарастания операционного усилителя Смещение null Входное сопротивление Выходное сопротивление Понимание спецификаций Как выбрать операционный усилитель Сводка схем операционного усилителя


Одним из ключевых аспектов характеристик операционных усилителей и их электронной схемы является коэффициент усиления.Операционные усилители сами по себе предлагают огромные уровни усиления при использовании в так называемой конфигурации с разомкнутым контуром.

В условиях разомкнутого контура коэффициент усиления операционного усилителя может быть любым, превышающим 10 000, при этом некоторые операционные усилители имеют уровни усиления более чем в десять раз превышающие это значение. Даже для операционных усилителей одного типа возможны большие отклонения коэффициента усиления в результате используемых процессов изготовления.

Хотя операционные усилители сами по себе предлагают огромные уровни усиления, это усиление редко используется в такой форме для усиления сигнала - его будет чрезвычайно сложно использовать, поскольку даже очень малые входные сигналы будут выводить выходной сигнал за пределы напряжения шины, что приводит к ограничению. или обрезка вывода.

Используя метод, известный как отрицательная обратная связь в конструкции электронной схемы, можно использовать огромные уровни усиления с положительным эффектом, обеспечивая плоские частотные характеристики, низкие искажения и очень определенные уровни усиления для всей схемы, не зависящие от фактическое усиление ИС, но от внешних компонентов, значения которых можно точно выбрать.

В других схемах операционных усилителей обратная связь может использоваться для обеспечения других эффектов, таких как фильтрация и т.п.

В некоторых случаях может использоваться положительная обратная связь, но обычно это делается определенным образом для достижения определенного эффекта.


Посмотрите наше видео об усилении операционного усилителя


Основы усиления ОУ

Существует два основных сценария, которые можно рассмотреть при рассмотрении коэффициента усиления операционного усилителя и конструкции электронной схемы с использованием этих электронных компонентов:

  • Коэффициент усиления разомкнутого контура: Этот вид усиления измеряется, когда к схеме операционного усилителя не применяется обратная связь.Другими словами, он работает в формате разомкнутого цикла. Коэффициенты усиления для операционного усилителя в этой конфигурации обычно очень высоки, обычно от 10 000 до 100 000. Это коэффициент усиления самого операционного усилителя.

    В технических паспортах операционных усилителей часто приводятся цифры в вольт на милливольт, В / мВ. Указание выигрыша в этих терминах позволяет записать выигрыш в более удобном формате. 10 В / мВ соответствует усилению напряжения 10 000. Это избавляет от записи множества нулей.

  • Коэффициент усиления замкнутого контура: Этот вид усиления измеряется, когда работает контур обратной связи, то есть замкнутый контур. Применяя отрицательную обратную связь, общий коэффициент усиления схемы значительно снижается и может быть точно настроен на требуемый уровень или для получения требуемого выходного формата, как в случае фильтров, интеграторов и т. Д. Можно добавить несколько электронных компонентов. к схеме операционного усилителя, чтобы обеспечить необходимую обратную связь.

    Коэффициент усиления измеряется при замкнутом контуре, и при наличии достаточной разницы между усилением разомкнутого и замкнутого контуров схема будет работать в соответствии с расположенной вокруг него обратной связью.Другими словами, при условии, что операционный усилитель имеет достаточный коэффициент усиления (который он будет иметь), коэффициент усиления всей схемы определяется отрицательной обратной связью, а не коэффициентом усиления самого операционного усилителя.

    Хотя отрицательная обратная связь обычно используется для аналоговых цепей, есть случаи, когда используется положительная обратная связь. Чаще всего это применяется для компараторов, где требуется выходной сигнал на одном из двух уровней. Триггер Шмитта является одним из примеров, когда в систему вводится гистерезис.В этих приложениях следует использовать микросхемы компаратора, а не операционные усилители, поскольку они предназначены для работы в этом режиме.

Одним из аспектов, тесно связанных с усилением операционного усилителя, является полоса пропускания. Огромное усиление операционных усилителей может привести к нестабильности, если не будут приняты меры для обеспечения стабильности операционного усилителя и его схемы даже при наличии отрицательной обратной связи.

Используется метод, известный как компенсация. В ранних операционных усилителях внешние электронные компоненты использовались для добавления компенсации, но в более поздних микросхемах она была добавлена ​​внутри.Проще говоря, к внутренним элементам операционного усилителя добавляется небольшой конденсатор. Это снижает склонность к колебаниям, но также уменьшает полосу пропускания разомкнутого контура.

Коэффициент усиления и частотная характеристика ОУ с обратной связью.

Хотя полоса пропускания разомкнутого контура схемы операционного усилителя уменьшается, после применения отрицательной обратной связи для большинства целей может быть достигнуто достаточное усиление уровня с плоской частотной характеристикой.


Обобщенное усиление ОУ

Отрицательная обратная связь используется для управления усилением всей схемы операционного усилителя.Существует много способов применения обратной связи при проектировании электронной схемы - она ​​может быть независимой от частоты или, например, может зависеть от частоты при создании фильтров.

Можно создать обобщенную концепцию применения отрицательной обратной связи. Исходя из этого, можно разработать более конкретные сценарии.

Общая конфигурация отрицательной обратной связи операционного усилителя

Можно рассчитать общую формулу для коэффициента усиления операционного усилителя в цепи:

Выходное напряжение можно рассчитать, зная входное напряжение, коэффициент усиления и обратную связь:

Vout = A Vsum = A Vin-A B Vout

Теперь его можно использовать для генерации общего уравнения усиления ОУ с обратной связью.

Используя это общее уравнение, можно разработать уравнения для более конкретных сценариев. Обратная связь может быть частотно-зависимой или плоской по мере необходимости.

Двумя простейшими примерами схем операционных усилителей, использующих обратную связь, являются форматы для инвертирующих и неинвертирующих усилителей.

Инвертирующее усиление ОУ

Схема инвертирующего операционного усилителя показана ниже. Эта схема имеет выход, сдвинутый по фазе на 180 ° со входом, а также обеспечивает виртуальный вход заземления.

Схема операционного усилителя довольно проста и состоит из нескольких электронных компонентов: одного резистора обратной связи от выхода к инвертирующему входу и резистора от инвертирующего входа к входу схемы. Неинвертирующий вход берется за точку заземления. В этой схеме операционного усилителя используются только два дополнительных электронных компонента, что делает ее очень простой и легкой в ​​реализации.

Базовая схема инвертирующего операционного усилителя

Вывести уравнение усиления операционного усилителя несложно.Сам вход операционного усилителя не потребляет ток, насколько наши расчеты учитывают, поскольку импеданс каждого входа обоих усилителей будет намного выше 100 кОм и, возможно, намного больше 1 МОм. Это означает, что любой ток, протекающий в микросхеме, можно игнорировать.

Из этого видно, что ток, протекающий в резисторах R1 и R2, одинаков, потому что ток не течет через соединение между двумя резисторами.

Используя закон сопротивления V out / R 2 = -V in / R 1 .Следовательно, коэффициент усиления по напряжению схемы Av можно принять как

В качестве примера можно построить усилитель, требующий десятикратного усиления, сделав R 2 47 кОм и R 1 4,7 кОм.

Усиление неинвертирующего ОУ

Схема неинвертирующего операционного усилителя показана ниже. Он предлагает более высокий входной импеданс, чем схема инвертирующего операционного усилителя. Как и схема инвертирующего операционного усилителя, она требует добавления только двух электронных компонентов: двух резисторов для обеспечения необходимой обратной связи.

Неинвертирующий усилитель также имеет характеристику, состоящую в том, что вход и выход находятся в одной фазе в результате подачи сигнала на неинвертирующий вход операционного усилителя.

Базовая схема неинвертирующего операционного усилителя

Коэффициент усиления неинвертирующей схемы для операционного усилителя также легко определить в процессе проектирования электронной схемы. Расчет основан на том факте, что напряжение на обоих входах одинаково.

Это происходит из-за того, что усиление усилителя слишком велико.Если выход схемы остается в пределах шины питания усилителя, то деление выходного напряжения на коэффициент усиления означает, что между двумя входами практически нет разницы.

Мы можем предположить, что для целей наших расчетов вход операционного усилителя не потребляет ток, поскольку импеданс входов микросхемы будет намного выше значений используемых резисторов.

Это означает, что ток, протекающий в резисторах R 1 и R 2 , одинаков.Напряжение на инвертирующем входе формируется делителем потенциала, состоящим из R 1 и R 2 , и поскольку напряжение на обоих входах одинаковое, напряжение на инвертирующем входе должно быть таким же, как и на не -инвертирующий вход.

Это означает, что Vin = Vout x 1 рэнд / ( 1 + 2 рэнд). Следовательно, уравнение усиления операционного усилителя для коэффициента усиления по напряжению схемы Av можно принять как

В качестве примера, усилитель, требующий одиннадцатого усиления, можно построить, сделав R 2 47 кОм и R 1 4.7 кОм.

Коэффициент усиления операционного усилителя очень легко определить. Расчеты для разных схем немного отличаются, но, по сути, обе схемы могут предлагать одинаковые уровни усиления, хотя значения резисторов не будут одинаковыми для одинаковых уровней усиления операционного усилителя.

Коэффициент усиления ОУ в других ситуациях

Использование операционных усилителей в линейных приложениях с отрицательной обратной связью является нормальным, хотя это не всегда так. При этом используется очень высокий коэффициент усиления усилителя разомкнутого контура для обеспечения воспроизводимой характеристики, управляемой внешними компонентами.

Примеры этих схем операционных усилителей включают усилители, фильтры, дифференциаторы и интеграторы.

Однако также можно использовать операционные усилители с другими формами обратной связи для получения других эффектов.

Одно из применений использования положительной обратной связи в схеме операционного усилителя для обеспечения переключения, для которого компараторы обеспечивают гораздо лучшую производительность, поскольку они работают намного быстрее и не страдают от проблем с фиксацией, но это не означает, что основные принципы положительной обратной связи не применяются.Однако основные принципы обратной связи и усиления по-прежнему применимы к этому типу ИС или схемных блоков.

Тем не менее, отрицательная обратная связь является наиболее широко используемой формой обратной связи для аналоговых, линейных приложений.

Другие схемы и схемотехника:
Основы операционных усилителей Схемы операционных усилителей Цепи питания Конструкция транзистора Транзистор Дарлингтона Транзисторные схемы Схемы на полевых транзисторах Условные обозначения схем
Возврат в меню проектирования схем.. .

Калькулятор усиления операционного усилителя

Используйте калькулятор усиления операционного усилителя Omni, чтобы определить коэффициент усиления операционного усилителя по напряжению . Вы можете использовать этот калькулятор операционного усилителя, чтобы узнать коэффициент усиления по напряжению как инвертирующего операционного усилителя, так и неинвертирующего операционного усилителя. Если вы хотите знать, что такое операционный усилитель или как рассчитать коэффициент усиления операционного усилителя, читайте дальше. Вы также узнаете больше о том, для чего используются операционные усилители, и о характеристиках идеального операционного усилителя.

Что такое операционный усилитель?

Операционные усилители или операционные усилители - это электронные устройства, усиливающие электрический сигнал . Они являются основными строительными блоками каждой аналоговой электронной схемы. Операционные усилители выполняют ряд математических операций в аналоговых схемах, например, сложение, интегрирование, дифференцирование, сравнение и т. Д. Кроме того, мы также широко используем их в фильтрации сигналов и преобразовании .

Коэффициент усиления ОУ

Рисунок 1: Символ операционного усилителя.

Типичный операционный усилитель (см. Рисунок 1) - это в основном устройство с двумя входными клеммами и одной выходной клеммой. Входная клемма с отрицательным знаком ( - ) называется инвертирующей клеммой . Входная клемма с положительным знаком ( + ) называется неинвертирующей клеммой . Обе входные клеммы имеют очень высокое электрическое сопротивление. Третий вывод - это выходной вывод, с которого мы получаем сигнал выходного напряжения или тока.Импеданс выходной клеммы почти равен нулю.

Операционный усилитель в основном усиливает разницу между двумя входными сигналами , V inv и V non-inv . Коэффициент усиления A линейного операционного усилителя представляет собой отношение выходного напряжения к входному:

A = V выход / V дюйм

где:

Типы конфигураций операционных усилителей

В схемах операционных усилителей мы обычно реализуем механизм обратной связи , используя некоторые внешние компоненты, такие как резисторы или конденсаторы.Таким образом, работа операционного усилителя зависит от типа механизма обратной связи (положительный или отрицательный) и используемого компонента обратной связи.

Для реализации отрицательной обратной связи мы берем часть выходного сигнала и возвращаем ее на инвертирующий входной терминал через внешний резистор обратной связи. Это соединение обратной связи приводит к тому, что дифференциальное входное напряжение операционного усилителя становится равным нулю, то есть В inv = V non-inv .

Две основные конфигурации схемы операционного усилителя:

  • Инвертирующий операционный усилитель : На рисунке 2 показана принципиальная схема инвертирующего операционного усилителя.В инвертирующей конфигурации мы подключаем входной сигнал к инвертирующей клемме через сопротивление R в и заземляем неинвертирующую клемму. Сопротивление обратной связи R f подает часть усиленного выходного сигнала обратно на вход. Коэффициент усиления инвертирующего операционного усилителя по напряжению:

    A inv = V out / V дюйм = - R f / R дюйм

    Знак минус означает, что выход на 180 ° не совпадает по фазе с входом.

Рис. 2: Принципиальная схема инвертирующего усилителя, сделанного с использованием операционного усилителя (Источник: wikimedia.org)
  • Неинвертирующий операционный усилитель : На рисунке 3 показана принципиальная схема неинвертирующего операционного усилителя. Здесь мы, , подаем входной сигнал непосредственно на неинвертирующую клемму . Для подачи отрицательной обратной связи подключим к инвертирующей клемме сопротивления R 2 и R 1 .Коэффициент усиления по напряжению неинвертирующего операционного усилителя составляет:

    A non-inv = V out / V in = 1 + R 2 / R 1

    В неинвертирующих операционных усилителях вход и выход находятся в одной фазе.

Рис. 3: Принципиальная схема неинвертирующего усилителя, сделанного с использованием операционного усилителя (Источник: wikimedia.org)

Как найти коэффициент усиления операционного усилителя?

Давайте посмотрим на пример того, как рассчитать коэффициент усиления по напряжению с помощью калькулятора коэффициента усиления операционного усилителя.Мы будем рассматривать инвертирующий операционный усилитель с входным сопротивлением 1 кОм и сопротивлением обратной связи 10 кОм.

  1. Выберите тип операционного усилителя , например, инвертирующий, из раскрывающегося меню.
  2. Введите значения входного сопротивления (1 кОм) и сопротивления обратной связи (10 кОм).
  3. Калькулятор операционного усилителя отобразит коэффициент усиления по напряжению операционного усилителя , например, 10.
  4. Если вы выберете неинвертирующий операционный усилитель, калькулятор покажет 11.

Каковы характеристики идеального операционного усилителя?

Характеристики идеального операционного усилителя:

  • Бесконечное входное сопротивление;
  • Нулевое выходное сопротивление;
  • Бесконечное усиление напряжения; и
  • Бесконечная пропускная способность.

Для чего используются операционные усилители?

Операционные усилители

в основном используются в качестве усилителей сигналов в электронных схемах. Некоторые распространенные области применения / использования операционных усилителей:

  • К выполнять математические операции , такие как сложение, интегрирование, дифференцирование и т. Д.
  • В преобразование сигнала , например, в качестве фильтра, выпрямителя и т. Д.
  • Преобразователь тока в напряжение (или напряжение в ток) .

Что такое тепловой дрейф в операционном усилителе?

Температурный дрейф - это изменение нормальной работы операционного усилителя из-за изменения внешней температуры . Коэффициент усиления, импедансы (входной и выходной), частотная характеристика и напряжения операционного усилителя изменяются в зависимости от температуры.

Операционные усилители - это электронные устройства, изготовленные из полупроводниковых компонентов (например,г., транзисторы). Поскольку свойства полупроводников сильно зависят от температуры, любое изменение внешней температуры окружающей среды также влияет на рабочие характеристики устройств, изготовленных с их использованием.

Почему операционный усилитель называется дифференциальным усилителем?

Операционный усилитель усиливает разность двух сигналов входного напряжения , отсюда и название дифференциального усилителя.

Введение в операционные усилители с LTSpice

Добавлено в избранное Любимый 12

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 распространенные 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

В основном нас интересуют 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 ни в коем случае не исчерпывающий 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 паспортах устройств.

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 как с разомкнутым контуром, так и с замкнутым контуром .

Идеальный операционный усилитель имеет следующие характеристики:

  • Бесконечное усиление без обратной связи
  • Бесконечное входное сопротивление
  • Ноль выходное сопротивление
  • Ноль синфазное усиление = бесконечное подавление синфазного сигнала
  • Бесконечная полоса пропускания
  • Ноль 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 разницу между входными клеммами (Vin). В текстах коэффициент усиления обычно обозначается буквой (A), поэтому уравнение для выхода определяется следующим образом:

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 об усилении 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.
  • Уменьшить эффект шума - уменьшает количество нежелательных электрических помех на выходе.Эти помехи могут быть внешними или исходить от самих компонентов схемы.
  • Управление 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 в зависимости от частоты.

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.

Фотография предоставлена ​​Planet Analog

За все отзывы приходится платить, и эта цена - 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, что подразумевается , 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 обычно используется эта схема convert -vout to + vout (изменяет фазу). Это известно как инвертор с единичным усилением.

Проект: Суммирующий усилитель

Типичным применением инвертирующего усилителя является суммирующий усилитель, также известный как микшер виртуального заземления, используемый при микшировании звука. У меня случайно валяется довольно много операционных усилителей LM741, поэтому я пошел дальше и построил суммирующий усилитель. Сначала я смоделировал это в LTSpice.

Усилители неинвертирующие

Повторитель напряжения

Повторитель напряжения - хороший пример неинвертирующего усилителя.Свойство очень высокого входного импеданса является желательной особенностью неинвертирующей конфигурации. Повторитель напряжения можно использовать в качестве буферного усилителя с единичным усилением, подключенного 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 равен:

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 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 аудиоусилителя 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 - это мера 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 своем дизайне, - это усилить эту пульсацию через операционный усилитель.

Вывод состоит в том, что для минимизации эффекта пульсации в источниках питания операционный усилитель должен иметь большой PSRR.Так что имейте это в виду, просматривая таблицы данных для любых предстоящих проектов.

Скорость нарастания

Скорость нарастания означает максимальную скорость изменения, возможную на выходе операционного усилителя. Для большинства операционных усилителей скорость нарастания ограничена, и она рассчитывается путем взятия максимума производной по времени выходного напряжения операционного усилителя.

Суммарные гармонические искажения

Задача усилителя звука - принять слабый сигнал и усилить его, не внося никаких изменений, кроме усиления.Это сложная задача, потому что нежелательные сигналы (т. Е. Пульсации) могут усиливаться вместе с полезным сигналом. Любое отклонение от линейности считается искажением. Гармонические искажения - распространенная форма искажения в аудиоприложениях, когда пики выходного сигнала «срезаются». Чем ниже процентное значение, указанное для THD, тем лучше, но после определенного момента оно 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 MOSFET вместо BJT. На самом деле я получил этот дизайн, чтобы он немного превосходил ту часть, на которой я основал 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 все же 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 1/4-дюймовую монофоническую розетку для гитарного кабеля и добавил светодиодный индикатор 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 гнездо для монофонического аудиоразъема 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 найти «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.

операционный усилитель или операционный усилитель | Это работает

Изображение на обложке: Martincco, Aurora Borealis - полярное сияние 3, CC BY-SA 4.0

Содержание

Что такое операционный усилитель?

Операционный усилитель - это аббревиатура от операционного усилителя, усилителя с прямым подключением и высоким коэффициентом усиления.В термине «операционный усилитель» термин «рабочий» означает, что усилитель может выполнять определенные операции, такие как суммирование, вычитание, сравнение и т. Д. Слово «усиление» предполагает, что он может усиливать входной сигнал.

Идеальный операционный усилитель

Идеального операционного усилителя практически не существует, но он обладает наилучшими характеристиками. Все практичные операционные усилители созданы для достижения близких характеристик к идеальному операционному усилителю. Обсудим некоторые особенности идеального операционного усилителя.

Идеальные характеристики операционного усилителя
  1. Идеальный операционный усилитель обеспечивает бесконечное усиление по напряжению.
  2. Имеет бесконечное входное сопротивление.
  3. Имеет нулевое выходное сопротивление.
  4. Имеет бесконечную пропускную способность.
  5. Коэффициент подавления синфазного сигнала бесконечен.
  6. Коэффициент отклонения источника питания бесконечен.
  7. Скорость нарастания составляет 0.

Инвертирующий операционный усилитель

Операционный усилитель имеет различные режимы работы.Инвертирующий операционный усилитель представляет собой тип процесса, при котором входной сигнал подается через инвертирующий терминал операционного усилителя. В процессе усиления фаза на выходе усилителя инвертируется. Инвертирующий операционный усилитель имеет более высокое усиление, чем неинвертирующий операционный усилитель.

Изображение предоставлено: Inductiveload, Op-Amp Inverting Amplifier, помечено как общественное достояние, более подробная информация на Wikimedia Commons

Неинвертирующий операционный усилитель

Неинвертирующий - это еще один режим работы с использованием операционного усилителя.Здесь входной сигнал подается через неинвертирующий терминал операционного усилителя. Таким образом, выходная фаза остается прежней и не инвертируется во время работы. Вот почему эта операция с использованием операционного усилителя известна как «неинвертирующий операционный усилитель». Этот операционный усилитель обеспечивает более высокую стабильность системы из-за системы отрицательной обратной связи, но он имеет меньшее усиление, чем инвертирующий операционный усилитель. Между неинвертирующим операционным усилителем и инвертирующим операционным усилителем больше предпочтений отдается инвертирующему усилителю.

Схемы операционных усилителей | Базовые схемы операционных усилителей

Схемы операционных усилителей зависят от их работы.Операционный усилитель может выполнять несколько математических операций. Схемы изготавливаются по необходимости. На изображении ниже представлен типичный схемный образ операционного усилителя.

Мы можем заметить, что операционный усилитель имеет два входа (помечены как 1 и 2). Вход, помеченный знаком «-», является инвертирующим терминалом. Вход, помеченный знаком «+», является неинвертирующим контактом. Пара подключения напряжения, обозначенная как + Vsat и -Vsat, представляет собой положительное напряжение насыщения и отрицательное напряжение насыщения, представляющее наивысший и наименьший предел рабочего усилителя; их можно наблюдать на выходе.

Напряжения насыщения прикладываются к операционному усилителю, чтобы сбалансировать операционный усилитель относительно земли. Выходной сигнал собирается с клеммы «O».

741 ОУ

Операционные усилители теперь доступны на рынках через ИС. Одной из таких микросхем является операционный усилитель 741. Это монолитная ИС (все соединения выполнены на едином куске кристаллического кремния). ИС состоит из одного операционного усилителя. Впервые его разработала компания Fairchild Semiconductor в начале шестидесятых годов.Число 741 указывает на то, что ИС имеет семь функциональных контактов, четыре входных контакта и один выходной контакт.

741 Распиновка операционного усилителя

На следующей схеме показана распиновка ИС. Терминология ИС, состоящая из операционного усилителя, также описывает контакты. Число 7 из 741 представляет семь функциональных контактов, четыре входных контакта и один выходной контакт.

741 Схема операционного усилителя

На следующем рисунке представлена ​​принципиальная схема операционного усилителя 741.

Интегратор операционного усилителя

Мы упоминали ранее, что операционный усилитель может выполнять несколько математических операций. Давайте узнаем, как операционный усилитель может выполнять операцию «интегрирования» по входному сигналу. Чтобы реализовать интегратор с использованием операционного усилителя, нам понадобится конденсатор, пара резисторов и операционный усилитель! На приведенной ниже принципиальной схеме изображена схема интегратора операционного усилителя.

Работа интегратора

Концепция виртуальной земли - работает из-за предположения о бесконечном усилении OP AMP.Вот почему узел «А» на изображении является виртуальной землей. Пусть ток «i» протекает через сопротивление R. Итак, ток можно измерить как i = V1 / R.

Здесь V1 - входное напряжение, подаваемое на инвертирующий вывод, а неинвертирующий вывод заземлен с помощью резистора, и из-за высокого входного импеданса тот же ток будет протекать через путь обратной связи, в котором есть конденсатор. Итак, выходное напряжение можно записать как:

Vo = - 1 / C 0 t [i dt]

Или, Vo = - 1 / RC 0 t [V1 dt]

Таким образом, можно сказать, что выход напряжение пропорционально интегралу входного напряжения по времени, поэтому схему называют интегратором или интегратором Миллера.

Компаратор операционного усилителя

Компаратор операционного усилителя, или компаратор напряжения, или компаратор, представляет собой электронное устройство, которое сравнивает два входных напряжения и обеспечивает ориентировочный выходной сигнал. Выход показывает, какое из двух входных напряжений имеет более необычные значения.

Операционный усилитель разработан в конфигурации с разомкнутой цепью для использования операционного усилителя в качестве компаратора.

  • Если напряжение на неинвертирующем выводе выше, чем напряжение на инвертирующем выводе, выход переключается на положительное напряжение насыщения операционного усилителя.
  • Если напряжение на инвертирующей клемме больше, чем напряжение на неинвертирующей клемме, выключатель переключается на отрицательное напряжение насыщения операционного усилителя.

Схема компаратора операционного усилителя

На рисунке ниже представлена ​​схема компаратора операционного усилителя.

Коэффициент усиления операционного усилителя

Коэффициент усиления операционного усилителя относится к отношению выходного напряжения к входному напряжению, и операционный усилитель имеет два следующих типа усиления.

  • Коэффициент усиления с обратной связью: Если с системой операционного усилителя связана система обратной связи, то коэффициент усиления системы известен как коэффициент усиления с обратной связью.
  • Усиление без обратной связи: Если схема операционного усилителя не имеет связанной с ней системы обратной связи, то усиление - это усиление без обратной связи.

Для идеального операционного усилителя коэффициент усиления бесконечен для любых частот. Для реальных усилителей коэффициент усиления является абсолютной константой.Коэффициент усиления - это параметр производительности усилителя.

Коэффициент усиления неинвертирующего ОУ

Общее выражение выходного напряжения неинвертирующего усилителя: Vout = k * Vin

Выходное уравнение неинвертирующего усилителя: V0 = [1 + (Rf / R1)] * Vin

Итак, сравнивая оба уравнения, значение k будет

k = [1 + (Rf / R1)]

Это выражение резистора известно как коэффициент усиления неинвертирующего усилителя.Мы можем заметить, что если Rf = R1, Vo = 2 * Vin. Таким образом, входное напряжение усиливается в 2 раза. Отношение (Rf / R1) обычно регулирует усиление. Увеличение Rf увеличивает значение усиления.

Буфер операционного усилителя

Буфер операционного усилителя или буфер с единичным усилением, или схема повторителя напряжения - это специально разработанная модель неинвертирующего усилителя. Соблюдайте приведенную выше схему неинвертирующего усилителя. Если бы мы сделали нулевое сопротивление обратной связи и бесконечное сопротивление инвертирующего вывода, коэффициент усиления усилителя был бы равен единице.Вот почему эта схема известна как буфер единичного усиления. Этот буфер используется для согласования импеданса.

Дифференциальный операционный усилитель

Дифференциальный операционный усилитель или дифференциальный усилитель - это операционный усилитель, который усиливает разницу между двумя входными напряжениями и выдает их на выходе и выполняет операцию вычитания, в отличие от суммирующего усилителя, который складывает входные напряжения. .

Схема ниже изображает схему дифференциального усилителя.

Операции

Используя концепцию виртуальной земли, мы можем заключить, что напряжение на узле A такое же, как напряжение на узле B. Используя KCL, мы можем записать, что -

(V1 - Vx) / R1 = (Vx - VO) / R2

и (V2 - Vx) / R1 = Vx / R2

Здесь V1 - входное напряжение. Vx - это напряжение в узле A (а также в узле B). Vo - выходное напряжение. Теперь предположим, что операционный усилитель имеет высокое входное сопротивление.Сравнивая и используя оба уравнения, мы можем написать -

Vo = (V2 - V1) * R2 / R1

Это выходное уравнение оправдывает операцию.

Коэффициент усиления инвертирующего ОУ

Общее выражение выходного напряжения инвертирующего усилителя: Vout = -k * Vin

Выходное уравнение инвертирующего усилителя: V0 = - (Rf / R1) * Vin

Теперь, сравнивая оба уравнения, мы можем сказать -

k = (Rf / R1)

Это коэффициент усиления инвертирующего усилителя с обратной связью.

Суммирующий операционный усилитель

Суммирующий операционный усилитель или суммирующий операционный усилитель - это усилитель, который усиливает суммирование входных напряжений и выдает их на выходе. Он выполняет операции суммирования или сложения, в отличие от дифференциального усилителя, который выполняет операции вычитания.

На изображении ниже представлен суммирующий операционный усилитель.

Эксплуатация

При использовании концепции виртуального заземления потенциал в узле A совпадает с потенциалом в узле B.Применяя KCL, мы можем написать -

I1 + I2 + I3 +… + IN = IO

Или, V1 / R1 + V2 / R2 +… + Vn / Rn = - Vo / Rf

Или , Vo = - [(V1 * Rf / R1) + (Rf * V2 / R2) +… + (Rf * Vn / Rn)

Теперь, если R1 = R2 =… = Rn = Rf, то мы можем написать -

Vo = - [V1 + V2 +… + Vn]

Операционный усилитель с повторителем напряжения | Повторитель операционного усилителя

Операционный усилитель повторителя напряжения или буфер с единичным усилением, или схема повторителя напряжения - это специально разработанная модель неинвертирующего усилителя, и если мы сделаем нулевое сопротивление обратной связи и бесконечное сопротивление инвертирующего вывода, коэффициент усиления усилителя будет быть единством.Поскольку выходное напряжение просто следует за входным напряжением без усиления, усилитель известен как повторитель напряжения op ap. Вот почему эта схема также известна как буфер с единичным усилением. Этот буфер используется для согласования импеданса.

Дискретный операционный усилитель

Дискретный операционный усилитель предназначен для обеспечения минимальной разницы между положительным и отрицательным входами, что дополнительно способствует высокому усилению. Дискретные операционные усилители обычно используются для аудио приложений, а не обычные операционные усилители.Он имеет несколько преимуществ по сравнению с обычными операционными усилителями, поскольку возможна индивидуальная конструкция, требуется меньшее количество компонентов, обеспечивается лучшая температурная стабильность и т.д. Он имеет восемь контактов. ИС не требует внешней частотной компенсации. Он обеспечивает более высокий CMRR и потребляет меньше энергии. Распиновка lm741 приведена ниже.

Номер штифта Описание
1, 5 Смещение NULL для удаления смещения и балансировки с землей.
2 Инвертирующая входная клемма
3 Неинвертирующая клемма
4 Отрицательное напряжение насыщения
6 95 909 909 909 Амп6 9048 951 909 909 Выход op. Положительное напряжение насыщения
8 Нет соединения (NC)

Дифференциатор операционного усилителя

Дифференциатор операционного усилителя или дифференциальный операционный усилитель выполняет операцию дифференцирования по сигналу входного напряжения.Чтобы реализовать дифференциатор с использованием операционного усилителя, нам понадобится конденсатор, пара резисторов и операционный усилитель! На приведенной ниже принципиальной схеме изображена схема дифференциатора операционного усилителя.

Уравнения операционного усилителя

Уравнения операционного усилителя обычно называют выходными уравнениями операционного усилителя. Выходные уравнения представляют собой соотношение между входным и выходным напряжениями. Коэффициент усиления также можно определить из выходных уравнений.Некоторые из выходных уравнений некоторых основных усилителей приведены ниже.

Уравнения неинвертирующего операционного усилителя: V0 = [1 + (Rf / R1)] * Vin

Уравнения инвертирующего операционного усилителя: V0 = - (Rf / R1) * Vin

Типы операционных усилителей Операционный усилитель

имеет несколько типов, а не несколько режимов работы. Различные типы операционных усилителей выполняют различные математические операции. Некоторые из них -

  1. Инвертирующий операционный усилитель
  2. Неинвертирующий операционный усилитель
  3. Дифференциальный операционный усилитель
  4. Суммирующий усилитель
  5. Интегратор
  6. Дифференциальный усилитель
  7. Логарифмический усилитель
  8. Компаратор
  9. Преобразователь тока в напряжение
  10. Напряжение на преобразователь тока

Инвертирующий и неинвертирующий ОУ

Давайте проведем сравнительный анализ инвертирующего и неинвертирующего ОУ.

Предмет сравнения. Инвертирующий операционный усилитель Неинвертирующий операционный усилитель
Входная клемма Ввод осуществляется через инвертирующую клемму. Вход осуществляется через неинвертирующий терминал.
Полярность выхода На выходе изменяется полярность входного напряжения. Полярность входа на выходе остается неизменной.
Усиление Усиление задается как: Av = - (Rf / R1) Усиление задается как: Av = (1 + Rf / R1)
Входные импедансы Вход импеданс меньше, чем у неинвертирующего операционного усилителя. Входное сопротивление выше, чем у инвертирующего ОУ.
Выходная фаза Вход и выход синфазны. Вход и выход не в фазе.

Операционный усилитель с отрицательной обратной связью

Для системы с обратной связью операционного усилителя, если система обратной связи подключена к инвертирующему выводу операционного усилителя, система обратной связи известна как отрицательная Обратная связь.Операционный усилитель, работающий со встроенной отрицательной обратной связью, известен как отрицательная обратная связь. Операционные усилители с отрицательной обратной связью имеют лучшую стабильность системы, но коэффициент усиления ниже, чем у операционного усилителя с положительной обратной связью.

Для получения дополнительных статей по электронике нажмите здесь

О Sudipta Roy

Я энтузиаст электроники и в настоящее время занимаюсь электроникой и коммуникациями.
Я очень заинтересован в изучении современных технологий, таких как искусственный интеллект и машинное обучение.
Мои работы посвящены предоставлению точных и обновленных данных всем учащимся.
Мне доставляет огромное удовольствие помогать кому-то в получении знаний.

Давайте подключимся через LinkedIn - https://www.linkedin.com/in/sr-sudipta/

4.2: Инвертирующие и неинвертирующие усилители

Как отмечалось в нашей предыдущей работе, отрицательная обратная связь может применяться в одном из четырех способами. Форма параллельного ввода инвертирует входной сигнал, а форма последовательного ввода - нет. Поскольку эти формы были представлены как измерения тока и напряжения соответственно, у вас может сложиться первоначальное впечатление, что все усилители напряжения должны быть неинвертирующими.Это не тот случай. Например, простым включением одного или двух резисторов мы можем изготавливать инвертирующие усилители напряжения или неинвертирующие усилители тока. Реализуемы практически все топологии. Сначала рассмотрим формы источников управляемого напряжения (использующие отрицательную обратную связь SP и PP).

Для анализа вы можете использовать классическое лечение, данное в третьей главе; однако из-за некоторых довольно хороших характеристик типичного операционного усилителя будут показаны приблизительные значения. Эти приближения действительны только в средней полосе и ничего не говорят о высокочастотных характеристиках схемы.Поэтому они не подходят для дискретной работы общего назначения. Идеализации для приближений:

  • Входной ток практически равен нулю (т.е. \ (Z_ {in} \) бесконечно).
  • Разность потенциалов между инвертирующим и неинвертирующим входами практически равна нулю (т. Е. Коэффициент усиления контура бесконечен). Этот сигнал также называют сигналом ошибки.

Также обратите внимание для ясности, что соединения блока питания не показаны на большинстве схем.

4.2.1: Неинвертирующий усилитель напряжения

Неинвертирующий усилитель напряжения основан на отрицательной обратной связи SP. Пример приведен на рисунке \ (\ PageIndex {1} \). Обратите внимание на сходство с типичными схемами SP из главы 3. Вспоминая основное действие отрицательной обратной связи SP, мы ожидаем очень высокого \ (Z_ {in} \), очень низкого \ (Z_ {out} \) и уменьшения усиления по напряжению. Идеализация 1 утверждает, что \ (Z_ {in} \) должно быть бесконечным. Мы уже знаем, что в операционных усилителях низкий уровень \ (Z_ {out} \), о втором пункте позаботились.Теперь посмотрим на коэффициент усиления по напряжению.

\ [A_ {v} = \ frac {V_ {out}} {V_ {in}} \ notag \]

Потому что в идеале \ (V_ {error} = 0 \)

\ [V_ {in} = V_ {Ri} \ notag \]

Также,

\ [V_ {out} = V_ {Ri} + V_ {Rf} \ notag \]

\ [A_v = \ frac {V_ {Ri} + V_ {Rf}} {V_ {Ri}} \ notag \]

Рисунок \ (\ PageIndex {1} \): Неинвертирующий усилитель напряжения.

Расширение дает

\ [A_v = \ frac {R_i I_ {Ri} + R_f I_ {Rf}} {Ri I_ {Ri}} \ notag \]

Потому что \ (I_ {in} = 0 \), \ (I_ {Rf} = I_ {Ri} \), и, наконец, мы приходим к

\ [A_v = \ frac {R_i + R_f} {R_i} \ text {или} \ notag \]

\ [A_v = 1+ \ frac {R_f} {R_i} \ label {4.1} \]

Вот это удобно. Коэффициент усиления этого усилителя задается соотношением двух резисторов. Чем больше \ (R_f \) относительно \ (R_i \), тем больше вы получите. Помните, это приблизительное значение. Коэффициент усиления замкнутого контура никогда не может превышать усиление разомкнутого контура, и в конечном итоге \ (A_v \) будет падать с увеличением частоты. Обратите внимание, что расчет игнорирует влияние импеданса нагрузки. Очевидно, что если \ (R_l \) слишком мало, чрезмерное потребление тока приведет к обрезанию ОУ.

Пример \ (\ PageIndex {1} \)

Каковы входное сопротивление и коэффициент усиления схемы на рисунке \ (\ PageIndex {2} \)?

Во-первых, \ (Z_ {in} \) в идеале бесконечно.Теперь о приросте:

\ [A_v = 1+ \ frac {R_f} {R_i} \ notag \]

\ [A_v = 1+ \ frac {10 k} {1 k} \ notag \]

\ [A_v = 11 \ notag \]

Рисунок \ (\ PageIndex {2} \): неинвертирующая схема для примера \ (\ PageIndex {1} \).

Обратный процесс разработки усилителя столь же прост.

Пример \ (\ PageIndex {2} \)

Разработайте усилитель с коэффициентом усиления 26 дБ и входным сопротивлением 47 кОм (\ Omega \). Для усиления сначала превратите 26 дБ в обычную форму.Это коэффициент усиления по напряжению около 20.

\ [A_v = 1+ \ frac {R_f} {R_i} \ notag \]

\ [\ frac {R_f} {R_i} = A_v - 1 \ notag \]

\ [\ frac {R_f} {R_i} = 19 \ notag \]

Рисунок \ (\ PageIndex {3} \): неинвертирующий дизайн для примера \ (\ PageIndex {2} \).

На этом этапе выберите значение для одного из резисторов и решите для другого. Например, все будет действительным:

\ [R_i = 1k \ Omega, \ R_f = 19k \ Omega \]

\ [R_i = 2 k \ Omega, \ R_f = 38 k \ Omega \]

\ [R_i = 500 \ Omega, \ R_f = 9.5 к \ Омега \]

Однако большинство из них не являются стандартными значениями и потребуют небольших корректировок для производственной схемы (см. Приложение B). Разумный диапазон: \ (100 k \ Omega> R_i + R_f> 10 k \ Omega \). Точность этого усиления будет зависеть от точности резисторов. Теперь о требовании \ (Z_ {in} \). Это обманчиво просто. Предполагается, что \ (Z_ {in} \) бесконечно, поэтому все, что вам нужно сделать, это разместить 47 k \ (\ Omega \) параллельно входу. Полученная схема показана на рисунке \ (\ PageIndex {3} \).

Если конкретный \ (Z_ {in} \) не указан, параллельный входной резистор не требуется. Есть одно исключение из этого правила. Если источник возбуждения не соединен напрямую со входом операционного усилителя (например, он имеет емкостную связь), потребуется резистор для установления обратного пути постоянного тока на землю. Без обратного пути постоянного тока каскад дифференциального усилителя входной секции не будет смещен должным образом. Этот момент стоит запомнить, так как он может значительно избавить вас от головной боли в будущем. Например, в лаборатории схема, подобная показанной на рисунке \ (\ PageIndex {2} \), может нормально работать с одним генератором функций, но не с другим.Это было бы так, если бы второй генератор использовал выходной конденсатор связи, а первый - нет.

Пример \ (\ PageIndex {3} \)

Разработайте повторитель напряжения (т.е. в идеале бесконечный \ (Z_ {in} \) и коэффициент усиления по напряжению 1).

Часть \ (Z_ {in} \) достаточно проста. Что касается второй части, какое отношение \ (R_f \) к \ (R_i \) даст выигрыш в 1?

\ [A_v = 1+ \ frac {R_f} {R_i} \ notag \]

\ [\ frac {R_f} {R_i} = A_v - 1 \ notag \]

\ [\ frac {R_f} {R_i} = 0 \ notag \]

Рисунок \ (\ PageIndex {4} \): повторитель напряжения для примера \ (\ PageIndex {3} \).

Здесь сказано, что \ (R_f \) должно быть 0 \ (\ Omega \). На практике это означает, что \ (R_f \) заменяется перемычкой. А как насчет \ (R_i \)? Теоретически подойдет практически любое значение. Пока есть выбор, считайте бесконечным. Ноль, деленный на бесконечность, безусловно, равен нулю. Практическая выгода от выбора \ (R_i = \ infty \) заключается в том, что вы можете удалить \ (R_i \). Полученная схема показана на рисунке \ (\ PageIndex {4} \). Помните, что если источник не подключен напрямую, потребуется резистор возврата постоянного тока.Значение этого резистора должно быть достаточно большим, чтобы избежать нагрузки на источник.

Как видите, проектирование с операционными усилителями может быть намного быстрее, чем с его дискретным аналогом. В результате ваша эффективность как дизайнера или техника по ремонту может значительно повыситься. Теперь вы можете сосредоточиться на системе, а не на характеристиках отдельного резистора смещения. Чтобы сделать многокаскадные усилители, просто соедините отдельные каскады вместе.

Пример \ (\ PageIndex {4} \)

Каков входной импеданс схемы на рисунке \ (\ PageIndex {5} \)? Что такое \ (V_ {out} \)? Как и в любом многокаскадном усилителе, входное сопротивление первого каскада равно системе \ (Z_ {in} \).{'} = 8 дБВ \ notag \]

Поскольку 8 дБВ соответствует примерно 2,5 В, опасности ограничения также нет.

4.2.2: Инвертирующий усилитель напряжения

Инвертирующий усилитель основан на модели отрицательной обратной связи PP. Базовая форма показана на рисунке \ (\ PageIndex {6} \). Сама по себе эта форма измерения тока, а не напряжения. Для измерения напряжения добавлен входной резистор \ (R_i \). См. Рисунок \ (\ PageIndex {7} \). Вот как работает схема: \ (V_ {error} \) практически равен нулю, поэтому инвертирующий входной потенциал должен равняться неинвертирующему входному потенциалу.Это означает, что инвертирующий вход находится на виртуальной земле. Сигнал здесь настолько мал, что им можно пренебречь. Из-за этого мы также можем сказать, что импеданс, наблюдаемый при взгляде на эту точку, равен нулю. Последний пункт может вызвать некоторую путаницу. Вы можете спросить: «Как может быть нулевое сопротивление, если ток в операционном усилителе равен нулю?» Ответ заключается в том, что весь входящий ток будет проходить через \ (R_f \), минуя инвертирующий вход.

Рисунок \ (\ PageIndex {6} \): Базовый параллельно-параллельный усилитель.

Рисунок \ (\ PageIndex {7} \): Инвертирующий усилитель напряжения.

Подробное объяснение см. На Рисунке \ (\ PageIndex {8} \). Правый конец \ (R_i \) находится на виртуальной земле, поэтому все входное напряжение падает на нем, создавая \ (I_ {in} \) входной ток. Этот ток не может попасть в операционный усилитель, а вместо этого будет проходить через \ (R_f \). Поскольку на инвертирующий вход подается положительный сигнал, операционный усилитель потребляет выходной ток, таким образом протягивая \ (I_ {in} \) через \ (R_f \).Результирующее падение напряжения на \ (R_f \) имеет ту же величину, что и напряжение нагрузки. Это верно, потому что \ (R_f \) эффективно работает параллельно с нагрузкой. Обратите внимание, что оба элемента подключены к выходу операционного усилителя и (виртуальной) земле. Произошло изменение полярности, потому что мы связываем выходной сигнал с землей. Короче говоря, \ (V_ {out} \) - это инвертированное напряжение на \ (R_f \).

Рисунок \ (\ PageIndex {8} \): Анализ инвертирующего усилителя из рисунка \ (\ PageIndex {7} \).

\ [A_v = \ frac {V_ {out}} {V_ {in}} \ notag \]

\ [V_ {in} = I_ {in} R_i \ notag \]

\ [V_ {out} = −V_ {R_f} \ notag \]

\ [V_ {Rf} = I_ {in} R_f \ notag \]

Результат замещения

\ [A_v = - \ frac {I_ {in} R_f} {I_ {in} R_i} \ notag \]

\ [A_v = - \ frac {R_f} {R_i} \ label {4.2} \]

Опять же, мы видим, что коэффициент усиления по напряжению определяется соотношением резисторов. Опять же, есть допустимый диапазон значений.

Вышеупомянутое обсуждение указывает на вывод входного импеданса.Поскольку весь входной сигнал падает на \ (R_i \), отсюда следует, что все, что «видит» источник возбуждения, - это \ (R_i \). Проще говоря, \ (R_i \) устанавливает входное сопротивление. В отличие от неинвертирующего усилителя напряжения, существует определенная взаимосвязь между \ (Z_ {in} (R_i) \) и \ (A_v (-R_f / R_i) \). Это указывает на то, что с этой схемой очень сложно достичь высокого усиления и высокого \ (Z_ {in} \).

Пример \ (\ PageIndex {5} \)

Определите входное сопротивление и выходное напряжение для схемы, показанной на рисунке \ (\ PageIndex {9} \).

Рисунок \ (\ PageIndex {9} \): Инвертирующий усилитель для примера \ (\ PageIndex {9} \).

Входное сопротивление устанавливается как \ (R_i \). \ (R_i = 5 k \ Omega \), следовательно, \ (Z_ {in} = 5 k \ Omega \).

\ [V_ {out} = V_ {in} A_v \ notag \]

\ [A_v = - \ frac {R_f} {R_i} \ notag \]

\ [A_v = - \ frac {20 k} {5 k} \ notag \]

\ [A_v = −4 \ notag \]

\ [V_ {out} = 100 мВ \ раз (−4) \ notag \]

\ [V_ {out} = -400 мВ, \ text {(т. Е.э., перевернутый)} \ notag \]

Пример \ (\ PageIndex {6} \)

Разработайте инвертирующий усилитель с коэффициентом усиления 10 и входным сопротивлением 15 кОм (\ Omega \). Входное сопротивление говорит нам, что \ (R_i \) должно быть

\ [Z_ {in} = R_i \ notag \]

\ [R_i = 15 k \ notag \]

Зная \ (R_i \), решите относительно \ (R_f \):

\ [A_v = - \ frac {R_f} {R_i} \ notag \]

\ [R_f = R_i (−A_v) \ notag \]

\ [R_f = 15k \ раз (- (- 10)) \ notag \]

\ [R_f = 150 к \ нотаг \]

Компьютерное моделирование

Моделирование Multisim результата примера \ (\ PageIndex {6} \) показано на рисунке \ (\ PageIndex {10} \) вместе со схемой.Это моделирование использует простую модель зависимого источника, представленную во второй главе. Для простоты вход установлен на 0,1 В постоянного тока. Обратите внимание, что выходной потенциал отрицательный, что указывает на инвертирующее действие усилителя. Также обратите внимание, что приближение виртуальной земли подтверждается довольно хорошо, с инвертирующим входным потенциалом, измеряемым в области \ (\ mu \) V.

Рисунок \ (\ PageIndex {10a} \): Мультимедийное моделирование простой модели операционного усилителя для примера \ (\ PageIndex {6} \). а.Схема.

Рисунок \ (\ PageIndex {10b} \): Мультимедийное моделирование простой модели операционного усилителя для примера \ (\ PageIndex {6} \). б. Выходной листинг.

Пример \ (\ PageIndex {7} \)

Схема на рисунке \ (\ PageIndex {11} \) представляет собой каскад предварительного усилителя для электронной музыкальной клавиатуры. Как и у большинства музыкальных предусилителей, этот предлагает регулируемое усиление. Это достигается за счет следования за усилителем горшком. Каковы максимальные и минимальные значения усиления?

Рисунок \ (\ PageIndex {11} \): предусилитель музыкального инструмента для примера \ (\ PageIndex {7} \).

Обратите внимание, что коэффициент усиления предусилителя является произведением коэффициента усиления операционного усилителя и коэффициента делителя напряжения, создаваемого потенциометром. Для максимального увеличения используйте горшок в самом верхнем положении. Поскольку потенциометр действует как делитель напряжения, самое верхнее положение не обеспечивает никакого действия делителя (т.е. его коэффициент усиления равен единице). Для средних частот 20 пФ можно игнорировать.

\ [A_ {v-max} = - \ frac {R_f} {R_i} \ notag \]

\ [A_ {v-max} = - \ frac {200 k} {15k} \ notag \]

\ [A_ {v-max} = - 13.{'} = 22,5 дБ \ notag \]

Для минимального усиления горшок установлен на землю. В этот момент действие делителя бесконечно, и поэтому минимальное усиление равно 0 (что приводит к тишине).

\ (Z_ {in} \) для системы составляет около 15 к \ (\ Omega \). Что касается дополнительных компонентов, то конденсатор емкостью 20 пФ используется для уменьшения высокочастотного усиления. Два байпасных конденсатора 0,1 мкФ на линиях электропитания очень важны. Практически во всех схемах операционных усилителей используются байпасные конденсаторы.Из-за того, что операционные усилители обладают высоким коэффициентом усиления, важно иметь хорошее заземление переменного тока на выводах источника питания. На более высоких частотах индуктивность проводки источника питания может создавать значительное сопротивление. Этот импеданс может создать петлю положительной обратной связи, которой в противном случае не существовало бы. Без байпасных конденсаторов схема может генерировать колебания или генерировать ложные выходные сигналы. Точные значения конденсаторов обычно не критичны, обычно от 0,1 до 1 \ (\ mu \) F.

4.2.3: Преобразователь тока в напряжение

Как упоминалось ранее, инвертирующий усилитель напряжения основан на отрицательной обратной связи PP с дополнительным входным резистором, используемым для преобразования входного напряжения в ток.Что произойдет, если этот дополнительный резистор не использовать и использовать схему, подобную рис. \ (\ PageIndex {6} \)? Без дополнительного резистора вход находится на виртуальной земле, таким образом устанавливая \ (Z_ {in} \) на 0 \ (\ Omega \). Это идеально подходит для измерения тока. Этот входной ток проходит через \ (R_f \) и создает выходное напряжение, как указано выше. Характеристика преобразования тока в напряжение измеряется параметром transresistance. По определению, сопротивление этой цепи равно \ (R_f \).Чтобы найти \ (V_ {out} \), умножьте входной ток на сопротивление. Эта схема также меняет полярность.

\ [V_ {out} = −I_ {in} R_f \ label {4.3} \]

Пример \ (\ PageIndex {8} \)

Разработайте схему на основе рисунка \ (\ PageIndex {6} \), если входной ток -50 \ (\ mu \) A должен давать на выходе 4 В.

Трансмиссионное сопротивление цепи \ (R_f \)

\ [R_f = - \ frac {V_ {out}} {I_ {in}} \ notag \]

\ [R_f = - \ frac {4 V} {- 50 \ mu A} \ notag \]

\ [R_f = 80 к \ нотаг \]

Предполагается, что входной импеданс равен нулю.

На первый взгляд, схемы применения топологии, представленной в предыдущем примере, кажутся очень ограниченными. На самом деле существует ряд линейных интегральных схем, которые выдают свои выходные данные в виде тока 1 . Во многих случаях этот сигнал необходимо преобразовать в напряжение, чтобы должным образом взаимодействовать с другими элементами схемы. Для этой цели широко используется преобразователь тока в напряжение.

4.2.4: Неинвертирующий преобразователь напряжения в ток

В этой топологии схемы используется отрицательная обратная связь SS.Он определяет входное напряжение и вырабатывает ток. Концептуальное сравнение можно провести с полевым транзистором (источником тока, управляемым напряжением). Вместо усиления схемы нас интересует крутизна. Другими словами, сколько входного напряжения требуется для получения заданного выходного тока? Схема операционного усилителя, представленная здесь, управляет плавающей нагрузкой. То есть нагрузка не привязана к земле. В одних случаях это может быть удобно, а в других - неприятно. С некоторыми добавленными схемами можно создать версию с заземленной нагрузкой, хотя пространство не позволяет нам исследовать ее здесь.

Типичная схема "напряжение-ток" показана на рисунке \ (\ PageIndex {12} \). Поскольку здесь используется обратная связь типа последовательного ввода, мы можем сразу предположить, что \ (Z_ {in} \) бесконечно. Отношение напряжения к току устанавливается резистором обратной связи \ (R_i \). Поскольку \ (V_ {error} \) предполагается равным нулю, все \ (V_ {in} \) падает на \ (R_i \), создавая ток \ (I_ {Ri} \). Предполагается, что операционный усилитель имеет нулевой входной ток, поэтому весь \ (I_ {Ri} \) проходит через нагрузочный резистор \ (R_l \). Регулируя \ (R_i \), можно изменять ток нагрузки.

\ [I_ {load} = I_ {R_i} \ notag \]

\ [I_ {R_i} = \ frac {V_ {in}} {R_i} \ notag \]

\ [I_ {load} = \ frac {V_ {in}} {R_i} \ notag \]

Рисунок \ (\ PageIndex {12} \): Преобразователь напряжения в ток.

По определению,

\ [g_m = \ frac {I_ {load}} {V_ {in}} \ notag \]

\ [g_m = \ frac {1} {R_i} \ label {4.4} \]

Итак, крутизна цепи задается резистором обратной связи. Как обычно, существуют практические ограничения на размер \ (R_i \).Если \ (R_i \) и \ (R_l \) слишком малы, существует вероятность, что операционный усилитель «исчерпает» выходной ток и перейдет в режим насыщения. С другой стороны, произведение двух резисторов и \ (I_ {load} \) не может превышать шины питания. Например, если \ (R_i \) плюс \ (R_l \) равно 10 к \ (\ Omega \), \ (I_ {load} \) не может превышать примерно 1,5 мА, если стандартное питание \ (\ pm \) 15 В используются.

Пример \ (\ PageIndex {9} \)

При входном напряжении 0,4 В в цепи, показанной на рисунке \ (\ PageIndex {13} \), каков ток нагрузки?

\ [g_m = \ frac {1} {R_i} \ notag \]

\ [g_m = \ frac {1} {20 тыс.} \ Notag \]

\ [g_m = 50 \ mu S \ notag \]

\ [I_ {load} = g_m V_ {in} \ notag \]

\ [I_ {load} = 50 \ mu S \ times 0.4 В \ notag \]

\ [I_ {load} = 20 \ mu A \ notag \]

Рисунок \ (\ PageIndex {13} \): преобразователь напряжения в ток для примера \ (\ PageIndex {9} \).

Здесь нет опасности перегрузки по току, так как средний операционный усилитель может выдавать максимум около 20 мА. Выходной ток будет 20 \ (\ mu \) A независимо от значения \ (R_l \), вплоть до ограничения. Опасности отсечения в этой ситуации тоже нет. Напряжение на выходе операционного усилителя на землю равно

.

\ [V_ {max} = (R_i + R_l) I_ {load} \ notag \]

\ [V_ {max} = (20 k + 1k) \ times 20 \ mu A \ notag \]

\ [V_ {max} = 420 мВ \ notag \]

Это намного ниже уровня отсечения.

Компьютерное моделирование

Моделирование схемы из примера \ (\ PageIndex {9} \) показано на рисунке \ (\ PageIndex {14} \). Для упрощения компоновки была выбрана идеальная модель операционного усилителя Multisim. Ток нагрузки точно такой, как рассчитанный, при 20 \ (\ mu \) A. Здесь используется интересный трюк для построения графика тока нагрузки, поскольку многие симуляторы предлагают только график узловых напряжений. Используя постпроцессор Multisim, ток нагрузки вычисляется путем взятия разницы между напряжениями узлов по обе стороны от нагрузочного резистора и последующего деления результата на сопротивление нагрузки.

Рисунок \ (\ PageIndex {14a} \): Схема моделирования преобразователя напряжения в ток.

Рисунок \ (\ PageIndex {14b} \): Результаты моделирования.

Пример \ (\ PageIndex {10} \)

Схема, показанная на рисунке \ (\ PageIndex {15} \), может использоваться для изготовления вольтметра постоянного тока с высоким входным сопротивлением. Нагрузка в этом случае представляет собой простое движение счетчика. Этот конкретный измеритель требует 100 \ (\ mu \) A для полного отклонения. Если мы хотим измерить напряжения до 10 В, что должно быть \ (R_i \)?

Во-первых, мы должны найти крутизну.

\ [g_m = \ frac {I_ {load}} {V_ {in}} \ notag \]

\ [g_m = \ frac {100 \ mu A} {10 V} \ notag \]

\ [g_m = 10 \ mu S \ notag \]

\ [R_i = \ frac {1} {g_m} \ notag \]

\ [R_i = \ frac {1} {10 \ mu S} \ notag \]

\ [R_i = 100 k \ notag \]

Рисунок \ (\ PageIndex {15} \): вольтметр постоянного тока для примера \ (\ PageIndex {10} \).

Предполагается, что отклонение измерителя линейное. Например, если входной сигнал составляет всего 5 В, производимый ток уменьшается вдвое до 50 \ (\ mu \) A.50 \ (\ mu \) A должны давать отклонение в половину шкалы. Точность этого электронного вольтметра зависит от точности \ (R_i \) и линейности движения измерителя. Обратите внимание, что эта маленькая схема может быть очень удобна в лаборатории, питаясь от батарей. Для изменения шкалы новые значения \ (R_i \) могут быть заменены поворотным переключателем. Для шкалы 1 В \ (R_i \) равно 10 к \ (\ Omega \). Обратите внимание, что для более высоких входных диапазонов требуется какой-либо входной аттенюатор. Это связано с тем, что большинство операционных усилителей могут быть повреждены, если используются входные сигналы, превышающие длину шин питания.

4.2.5: Инвертирующий усилитель тока

Инвертирующий усилитель тока использует отрицательную обратную связь PS. Как и в преобразователе напряжения в ток, нагрузка плавающая. Базовая схема показана на рисунке \ (\ PageIndex {16} \). Из-за параллельного подключения отрицательной обратной связи на входе предполагается, что входной импеданс схемы равен нулю. Это означает, что точка входа находится на виртуальной земле. Ток в операционном усилителе незначителен, поэтому весь входной ток течет через \ (R_i \) к узлу A.Фактически, \ (R_i \) и \ (R_f \) параллельны (они оба имеют общий узел A и землю; фактически виртуальная земля для \ (R_i \)). Следовательно, \ (V_ {Ri} \) и \ (V_ {Rf} \) - одно и то же значение. Это означает, что ток течет через \ (R_f \) от земли к узлу A. Эти два тока соединяются, образуя ток нагрузки. Таким образом достигается текущий коэффициент усиления. Чем больше \ (I_ {Rf} \) относительно \ (I_ {in} \), тем больше текущий коэффициент усиления. Поскольку в операционном усилителе падает ток, это инвертирующий усилитель.

Рисунок \ (\ PageIndex {16} \): Инвертирующий усилитель тока

\ [A_i = - \ frac {I_ {out}} {I_ {in}} \ notag \]

\ [I_ {out} = I_ {Rf} + I_ {Ri} \ label {4.5} \]

\ [I_ {Ri} = I_ {in} \ notag \]

\ [I_ {Rf} = \ frac {V_ {Rf}} {R_f} \ notag \]

Поскольку \ (V_ {Rf} \) - это то же значение, что и \ (V_ {Ri} \),

\ [I_ {Rf} = \ frac {V_ {Ri}} {R_f} \ label {4.6} \]

\ [V_ {Ri} = I_ {дюйм} R_i \ label {4.7} \]

Замена \ ref {4.7} на \ ref {4.6} дает

\ [I_ {Rf} = \ frac {I_ {in} R_i} {R_f} \ notag \]

Подстановка в \ ref {4.5} дает

\ [I_ {out} = I_ {in} + \ frac {I_ {in} R_i} {R_f} \ notag \]

\ [I_ {out} = I_ {in} \ left (1+ \ frac {R_i} {R_f} \ right) \ notag \]

\ [A_i = - \ left (1+ \ frac {R_i} {R_f} \ right) \ label {4.8} \]

Как и следовало ожидать, коэффициент усиления зависит от двух резисторов обратной связи. Обратите внимание на сходство этого результата с неинвертирующим усилителем напряжения.

Пример \ (\ PageIndex {11} \)

Каков ток нагрузки на рисунке \ (\ PageIndex {17} \)?

Рисунок \ (\ PageIndex {17} \): усилитель тока для примера \ (\ PageIndex {11} \).

\ [I_ {out} = −A_i I_ {in} \ notag \]

\ [A_i = - (1+ \ frac {R_i} {R_f}) \ notag \]

\ [A_i = - (1+ \ frac {33 k} {1 k}) \ notag \]

\ [A_i = −34 \ notag \]

\ [I_ {out} = −34 \ times 5 \ mu A \ notag \]

\ [I_ {out} = −170 \ mu A \ text {(тонущий)} \ notag \]

Нам нужно убедиться, что этот ток не вызывает ограничения на выходе.Все, что вам нужно - это простая проверка по закону Ома.

\ [V_ {max} = I_ {out} R_ {load} + I_ {in} R_i \ notag \]

\ [V_ {max} = 170 \ mu A \ times 10 k + 5 \ mu A \ times 33k \ notag \]

\ [V_ {max} = 1,7 В + 0,165 В \ notag \]

\ [V_ {max} = 1,865 В \ text {(без проблем)} \ notag \]

Пример \ (\ PageIndex {12} \)

Разработайте усилитель с коэффициентом усиления по току -50. Нагрузка примерно 200 к \ (\ Омега \). Предполагая типичный операционный усилитель (\ (I_ {out-max} \) = 20 мА с \ (\ pm \) источниками питания 15 В), каков максимально достижимый ток нагрузки?

\ [A_i = - \ left (1+ \ frac {R_i} {R_f} \ right) \ notag \]

\ [\ frac {R_i} {R_f} = −Ai −1 \ notag \]

\ [\ frac {R_i} {R_f} = 50-1 \ notag \]

\ [\ frac {R_i} {R_f} = 49 \ notag \]

Следовательно, \ (R_i \) должен быть в 49 раз больше, чем \ (R_f \).Возможные решения включают:

\ [R_i = 49k \ Omega, R_f = 1 k \ Omega \ notag \]

\ [R_i = 98 k \ Omega, R_f = 2 k \ Omega \ notag \]

\ [R_i = 24,5 k \ Omega, R_f = 500 \ Omega \ notag \]

Что касается максимального тока нагрузки, он не может быть больше, чем максимальный выход операционного усилителя в 20 мА, но может быть меньше. Нам нужно определить ток при отсечении. Из-за большого сопротивления нагрузки практически весь выходной потенциал будет падать на него.Игнорирование дополнительного падения на резисторах обратной связи приведет к ошибке не более 1% (это наихудший случай, если предположить, что набор резисторов номер два).

Рисунок \ (\ PageIndex {18} \): Конструкция усилителя тока для примера \ (\ PageIndex {12} \).

С шинами 15 В обычный операционный усилитель будет ограничивать напряжение 13,5 В. Результирующий ток находится по закону Ома:

\ [I_ {max} = \ frac {13,5 V} {200 k} \ notag \]

\ [I_ {max} = 67,5 \ mu A \ notag \]

Другой способ взглянуть на это - сказать, что максимально допустимый входной ток равен 67.5 \ (\ mu \) A / 50 или 1,35 \ (\ mu \) A. Одно из возможных решений показано на рисунке \ (\ PageIndex {18} \).

4.2.6: Суммирующие усилители

В схемотехнике очень распространено объединение нескольких сигналов в один общий сигнал. Хорошим примером этого является индустрия вещания и звукозаписи. Типичная современная запись музыки потребует использования, возможно, десятков микрофонов, но конечный продукт обычно состоит из двух выходных сигналов (стерео левого и правого). Если сигналы объединяются бессистемно, это может привести к чрезмерным помехам, шумам и искажениям.Идеальный суммирующий усилитель будет представлять каждый входной сигнал с изолированной нагрузкой, на которую не влияют другие каналы.

Самая распространенная форма суммирующего усилителя - это не что иное, как расширение инвертирующего усилителя напряжения. Поскольку вход операционного усилителя находится на виртуальной земле, он представляет собой идеальный узел суммирования тока. Вместо размещения одного входного резистора в этой точке можно использовать несколько входных резисторов. Каждый входной источник управляет своим собственным резистором, и соседние входы практически не влияют на него.Виртуальная земля - ​​это ключ. Общий суммирующий усилитель показан на рисунке \ (\ PageIndex {19} \).

Рисунок \ (\ PageIndex {19} \): Суммирующий усилитель.

Входное сопротивление для первого канала равно \ (R_ {i1} \), а коэффициент усиления по напряжению равен \ (- R_f / R_ {i1} \). Для канала 2 входной импеданс равен \ (R_ {i2} \) с усилением \ (- R_f / R_ {i2} \). В общем то для канала N имеем

\ [Z_ {in N} = R_ {i N} \ notag \]

\ [A_ {v N} = - \ frac {R_f} {R_ {i N}} \ notag \]

Выходной сигнал - это сумма всех входов, умноженная на их соответствующие коэффициенты усиления.{n} {V_ {in_i} A_ {v_i}} \ label {4.9} \]

Суммирующий усилитель может иметь одинаковое усиление для каждого входного канала. Это называется равновзвешенной конфигурацией.

Пример \ (\ PageIndex {13} \)

Каков выход суммирующего усилителя на рисунке \ (\ PageIndex {20} \) при заданных входных напряжениях постоянного тока?

Рисунок \ (\ PageIndex {20} \): Суммирующий усилитель для примера \ (\ PageIndex {13} \).

Самый простой способ приблизиться к этому - просто рассматривать схему как три инвертирующих усилителя напряжения, а затем складывать результаты, чтобы получить окончательный выходной сигнал.

Канал 1:

\ [A_v = - \ frac {R_f} {R_i} \ notag \]

\ [A_v = - \ frac {10 k} {4 k} \ notag \]

\ [A_v = −2,5 \ notag \]

\ [V_ {out} = −2,5 \ умножить на 1V \ notag \]

\ [V_ {out} = −2,5 В \ notag \]

Канал 2:

\ [A_v = - \ frac {R_f} {R_i} \ notag \]

\ [A_v = - \ frac {10 k} {2 k} \ notag \]

\ [A_v = −5 \ notag \]

\ [V_ {out} = −5 \ times −2 V \ notag \]

\ [V_ {out} = 10 В \ notag \]

Канал 3:

\ [A_v = - \ frac {R_f} {R_i} \ notag \]

\ [A_v = - \ frac {10 k} {1 k} \ notag \]

\ [A_v = −10 \ notag \]

\ [V_ {out} = −10 \ раз.5 В \ notag \]

\ [V_ {out} = −5 В \ notag \]

Окончательный результат находится путем суммирования:

\ [V_ {out} = −2,5 В + 10 В + (- 5 В) \ notag \]

\ [V_ {out} = 2,5 В \ notag \]

Если бы входы были сигналами переменного тока, суммирование не было бы таким простым. Помните, что сигналы переменного тока разной частоты и фазы не складываются когерентно. Вы можете выполнить расчет, аналогичный предыдущему, чтобы найти пиковое значение, однако для эффективного значения требуется расчет RMS (т.е., квадратный корень из суммы квадратов).

Для использования в вещательной и звукозаписывающей индустрии суммирующие усилители также потребуют некоторой формы регулировки громкости для каждого входного канала, а также основного регулятора громкости. Это позволяет правильно сбалансировать уровни различных микрофонов или инструментов. Теоретически регулировку усиления для отдельного канала можно произвести, заменив каждый входной резистор потенциометром. Регулируя \ (R_i \), можно напрямую изменять усиление. На практике с такой компоновкой возникает несколько проблем.Во-первых, невозможно полностью выключить канал. Требуемое значение для \ (R_i \) будет бесконечным. Во-вторых, поскольку \ (R_i \) устанавливает входное сопротивление, изменение усиления приведет к изменению \ (Z_ {in} \). Это изменение может привести к перегрузке или изменению характеристик источника возбуждения. Одно из возможных решений - оставить \ (R_i \) на фиксированном значении и поместить перед ним потенциометр, как на рисунке \ (\ PageIndex {21} \). Банк производит усиление от 1 до 0. Комбинация \ (R_f / R_i \) затем устанавливается на максимальное усиление.Пока \ (R_i \) в несколько раз больше, чем значение потенциометра, входное сопротивление канала будет оставаться относительно постоянным. Эффективный \ (Z_ {in} \) для канала равен \ (R_ {pot} \) параллельно с \ (R_i \), как минимум, до \ (R_ {pot} \).

Рисунок \ (\ PageIndex {21} \): Аудиомикшер.

Что касается общего регулятора громкости, можно использовать потенциометр для \ (R_f \). Однако без ограничивающего резистора очень низкое задающее усиление может привести к перегрузке операционного усилителя из-за небольшого эффективного значения \ (R_f \).Этот метод также вызывает изменения в потенциалах смещения и полосе пропускания цепи. Техника, которая обеспечивает более высокую производительность, включает использование этапа с фиксированным значением \ (R_f \), за которым следует горшок, как на рисунке \ (\ PageIndex {21} \).

Еще одним применением суммирующего усилителя является устройство сдвига уровня. Сдвигатель уровня представляет собой суммирующий усилитель с двумя входами. Один вход - это желаемый сигнал переменного тока, а второй вход - значение постоянного тока. Правильный выбор значения постоянного тока позволяет подавать сигнал переменного тока с желаемым смещением постоянного тока.У такой схемы есть много применений. Одним из возможных приложений является управление смещением постоянного тока, доступное на многих генераторах сигналов.

4.2.7: Неинвертирующий суммирующий усилитель

Помимо инвертирующей формы, суммирующие усилители могут быть изготовлены и в неинвертирующей форме. Неинвертирующее лето обычно демонстрирует лучшие высокочастотные характеристики по сравнению с инвертирующим типом. Одна из возможных схем показана на рисунке \ (\ PageIndex {22} \). В этом примере показаны три входа, хотя можно добавить и другие.С каждым входом связан входной резистор. Обратите внимание, что невозможно просто соединить несколько источников вместе в надежде суммировать их соответствующие сигналы. Это связано с тем, что каждый источник будет пытаться привести свои выходные данные к желаемому значению, которое будет отличаться от значений, созданных другими источниками. Возникающий дисбаланс может вызвать чрезмерные (и, возможно, повреждающие) токи источника. Следовательно, каждый источник должен быть изолирован от других через резистор.

Рисунок \ (\ PageIndex {22} \): Неинвертирующий суммирующий усилитель.

Чтобы понять работу этой схемы, лучше всего разбить ее на две части: часть входного источника / резистора и часть неинвертирующего усилителя. Входные сигналы объединяются для создания общего входного напряжения \ (V_t \). При осмотре вы должны увидеть, что выходное напряжение схемы будет в \ (V_t \) раз больше неинвертирующего усиления, или

.

\ [V_ {out} = V_t \ left (1+ \ frac {R_f} {R_i} \ right) \ notag \]

Осталось только определить \ (V_t \).Каждый из входных каналов вносит вклад в \ (V_t \) аналогичным образом, поэтому достаточно получить вклад от одного канала.

Рисунок \ (\ PageIndex {23} \): Эквивалентная схема входа канала 1.

В отличие от инвертирующего лета, неинвертирующее лето не использует преимущества узла суммирования виртуальной земли. В результате отдельные каналы будут влиять друг на друга. Эквивалентная схема для канала 1 перерисована на рисунке \ (\ PageIndex {23} \).Используя суперпозицию, мы сначала заменим входные генераторы каналов 2 и 3 на короткие замыкания. В результате получается простой делитель напряжения между \ (V_1 \) и \ (V_ {t1} \).

\ [V_ {t 1} = V_1 \ frac {R_2 || R_3} {R_1 + R_2 || R_3} \ notag \]

Аналогичным образом мы можем получить части \ (V_t \) из-за канала 2

\ [V_ {t 2} = V_2 \ frac {R_1 || R_3} {R_2 + R_1 || R_3} \ notag \]

и по 3 каналу

\ [V_ {t 3} = V_3 \ frac {R_1 || R_2} {R_3 + R_1 || R_2} \ notag \]

\ (V_t \) - это сумма этих трех частей.

\ [V_t = V_ {t 1} + V_ {t 2} + V_ {t 3} \ notag \]

Таким образом, объединив эти элементы, находим, что выходное напряжение равно

\ [V_ {out} = \ left (1+ \ frac {R_f} {R_i} \ right) \ left (V_1 \ frac {R_2 || R_3} {R_1 + R_2 || R_3} + V_2 \ frac {R_1) || R_3} {R_2 + R_1 || R_3} + V_3 \ frac {R_1 || R_2} {R_3 + R_1 || R_2} \ right) \ notag \]

Для удобства и равного взвешивания входные резисторы часто устанавливаются на одно и то же значение. В результате получается схема, которая усредняет вместе все входы.{n} {V_n}} {n} \ label {4.10} \]

где \ (n \) - количество каналов.

Одна проблема все еще остается с этой схемой, и это межканальная изоляция или перекрестные помехи. Этого можно избежать путем индивидуальной буферизации каждого ввода, как показано на рисунке \ (\ PageIndex {24} \).

Рисунок \ (\ PageIndex {24} \): Буферизованный и изолированный неинвертирующий суммирующий усилитель.

Пример \ (\ PageIndex {14} \)

Неинвертирующее лето, такое как показанное на рисунке \ (\ PageIndex {22} \), используется для объединения трех сигналов.\ (V_1 \) = 1 В постоянного тока, \ (V_2 \) = -0,2 В постоянного тока и \ (V_3 \) представляет собой синусоидальную волну с пиковым напряжением 2 В и частотой 100 Гц. Определите выходное напряжение, если \ (R_1 = R_2 = R_3 = R_f \) = 20 к \ (\ Omega \) и \ (R_i \) = 5 к \ (\ Omega \).

Поскольку все входные резисторы равны, мы можем использовать общую форму уравнения суммирования.

\ [V_ {out} = \ left (1+ \ frac {R_f} {R_i} \ right) \ frac {V_1 + V_2 + \ dpts + V_n} {\ text {Количество каналов}} \ notag \]

\ [V_ {out} = \ left (1+ \ frac {20 k} {5 k} \ right) \ frac {1 VDC + (- 0.2 В постоянного тока) +2 \ sin2 \ pi 100 t} {3} \ notag \]

\ [V_ {out} = 5 \ frac {0,8 В постоянного тока + 2 \ sin2 \ pi 100 t} {3} \ notag \]

\ [V_ {out} = 1,33 В постоянного тока + 3,33 \ sin2 \ pi 100 t \ notag \]

Итак, мы видим, что на выходе получается пиковая синусоидальная волна 3,33 В при смещении 1,33 В постоянного тока.

4.2.8: Дифференциальный усилитель

Пока операционный усилитель основан на дифференциальном входном каскаде, ничто не мешает вам сделать с ним дифференциальный усилитель. Применение блока на базе операционного усилителя такое же, как и у дискретной версии, рассмотренной в первой главе.По сути, конфигурация дифференциального усилителя представляет собой комбинацию инвертирующего и неинвертирующего усилителей напряжения. Кандидат показан на рисунке \ (\ PageIndex {25} \). Анализ идентичен анализу двух базовых типов, и для объединения результатов используется суперпозиция. Очевидная проблема для этой схемы состоит в том, что при использовании более низких значений возникает большое несоответствие между коэффициентами усиления. Помните, что для инвертирующего входа величина усиления равна \ (R_f / R_i \), тогда как неинвертирующий вход видит \ (R_f / R_i \) + 1.Для правильной работы коэффициенты усиления двух половинок должны быть одинаковыми. Неинвертирующий вход имеет немного большее усиление, поэтому для компенсации можно использовать простой делитель напряжения. Это показано на рисунке \ (\ PageIndex {26} \). Соотношение должно быть таким же, как соотношение \ (R_f / R_i \). Целевое усиление равно \ (R_f / R_i \), текущее усиление равно 1 + \ (R_f / R_i \), которое может быть записано как \ ((R_f + R_i) / R_i \). Для компенсации используется коэффициент усиления \ (R_f / (R_f + R_i) \).

Рисунок \ (\ PageIndex {25} \): кандидат в дифференциальный усилитель.{'} \) равный \ (R_i \). Это позволит поддерживать примерно равное входное сопротивление между двумя половинами, если используются два разных источника входного сигнала.

После добавления делителя выходное напряжение определяется умножением дифференциального входного сигнала на \ (R_f / R_i \).

Пример \ (\ PageIndex {15} \)

Разработайте простой дифференциальный усилитель с входным сопротивлением 10 кОм на ножку и коэффициентом усиления по напряжению 26 дБ.

Прежде всего, преобразование 26 дБ в обычную форму дает 20.{'} = 9,52 тыс. \ Notag \]

Окончательный результат показан на рисунке \ (\ PageIndex {27} \). Как вы увидите позже в шестой главе, дифференциальный усилитель занимает видное место в другой полезной схеме - инструментальном усилителе.

Рисунок \ (\ PageIndex {27} \): Разностный усилитель для примера \ (\ PageIndex {15} \).

4.2.9: Сумматор / вычитатель

Если инвертирующий и неинвертирующий суммирующие усилители комбинируются с использованием топологии дифференциального усилителя, получается сумматор / вычитатель.Обычно все резисторы в сумматоре / вычитателе имеют одинаковое значение. Типичный сумматор / вычитатель показан на рисунке \ (\ PageIndex {28} \).

Рисунок \ (\ PageIndex {28} \): Сумматор-вычитатель.

Число инвертирующих входов от 1 до \ (m \) и количество неинвертирующих входов от \ (m + 1 \) до \ (n \). Схема может быть проанализирована путем объединения предыдущих доказательств уравнений от \ ref {4.9} до \ ref {4.11} с помощью теоремы суперпозиции. Детали оставлены в качестве упражнения ( Задача 4.{m} {V_ {i n_j}} \ label {4.12} \]

По сути, вы можете думать о выходном напряжении в терминах вычитания инвертирующего входного суммирования из неинвертирующего входного суммирования.

4.2.10: Регулируемый инвертор / неинвертор

Уникальный усилитель с регулируемым коэффициентом усиления показан на рисунке \ (\ PageIndex {29} \). Что делает эту схему интересной, так это то, что коэффициент усиления непрерывно изменяется от инвертирующего до неинвертирующего максимума. Например, усиление может быть установлено максимум на 10.Полный оборот потенциометра изменит коэффициент усиления от +10 до -10. Точная средняя установка даст усиление 0. Таким образом, одна ручка управляет как фазой, так и величиной усиления.

Рисунок \ (\ PageIndex {29} \): Регулируемый инвертор / неинвертор.

Для анализа схемы см. Рисунок \ (\ PageIndex {30} \).

Рисунок \ (\ PageIndex {30} \): Инверторный / неинверторный анализ.

Как и следовало ожидать, коэффициент усиления схемы определяется как отношение выходного напряжения к входному.Важно отметить, что в отличие от обычного инвертирующего усилителя величина выходного напряжения не обязательно равна напряжению на \ (R_2 \). Это связано с тем, что инвертирующий вывод операционного усилителя обычно не является виртуальной землей. Вместо этого также необходимо учитывать напряжение на \ (R_3 \). Поскольку два входа операционного усилителя должны иметь примерно одинаковый потенциал (т.е. \ (V_ {error} \) должен быть 0), напряжение на инвертирующей клемме должно быть таким же, как напряжение, снимаемое с потенциометра.Представляя коэффициент делителя напряжения потенциометра как \ (k \), находим:

\ [V_ {out} = k V_ {i n} -V_ {R2} \ label {4.13} \]

Падение на \ (R_2 \) просто \ (I_2 R_2 \). \ (I_2 \) находится по закону тока Кирхгофа и соответствующей замене резистора напряжения:

\ [I_2 = I_1 - I_3 \ notag \]

\ [I_2 = \ frac {V_ {i n} −k V_ {i n}} {R_1} - \ frac {k V_ {i n}} {R_3} \ notag \]

\ [I_2 = V_ {i n} \ left (\ frac {1 − k} {R_1} - \ frac {k} {R_3} \ right) \ notag \]

Таким образом, V_ {R2} оказывается равным

\ [V_ {R2} = V_ {i n} \ left ((1 − k) \ frac {R_2} {R_1} - k \ frac {R_2} {R_3} \ right) \ label (4.14) \]

Комбинируя уравнения \ ref {4.13} и \ ref {4.14} и затем решая для усиления, находим

\ [A_v = k− \ left ((1 − k) \ frac {R_2} {R_1} −k \ frac {R_2} {R_3} \ right) \ notag \]

\ [A_v = k− \ left (\ frac {R_2} {R_1} −k \ frac {R_2} {R_1} −k \ frac {R_2} {R_3} \ right) \ notag \]

\ [A_v = - \ frac {R_2} {R_1} + k \ left (1+ \ frac {R_2} {R_1} + k \ frac {R_2} {R_3} \ right) \ notag \]

Значение \ (R_3 \) выбрано так, чтобы \ (R_1 = R_2 || R_3 \). Это означает, что

\ [R_3 = \ frac {1} {\ frac {1} {R_1} - \ frac {1} {R_2}} \ notag \]

Подставляя это в наше уравнение усиления и упрощая, дает

\ [A_v = \ frac {R_2} {R_1} (2k − 1) \ notag \]

По сути, резисторы \ (R_1 \) и \ (R_2 \) устанавливают максимальное усиление.Потенциометр устанавливает \ (k \) от 0 до 1. Если \ (k = 1 \), то \ (A_v = R_2 / R_1 \) или максимальное неинвертирующее усиление. Когда \ (k = 0 \), то \ (A_v = - R_2 / R_1 \) или максимальное усиление инвертирования. Наконец, когда потенциометр установлен в среднюю точку, \ (k = 0,5 \) и \ (A_v = 0 \).

Список литературы

1 В первую очередь, операционные усилители крутизны и цифро-аналоговые преобразователи, которые мы рассмотрим в главах шестой и двенадцатой соответственно.

Real Op Amp - обзор

Op Amp Selection.

Мы должны выбрать операционный усилитель, который может удовлетворять требованиям по выходному напряжению, выдерживать колебания входного напряжения и реагировать на входные частоты. Лист данных производителя в Приложении 1 подтверждает, что 741 способен выдавать выходное напряжение ± 10 вольт. В частности, минимальное выходное напряжение с источниками питания ± 15 вольт и нагрузкой более 10 кОм составляет ± 12 вольт.

Кроме того, в таблице данных указано, что уровни входного напряжения могут быть такими же высокими, как и значение напряжения питания.Пока что 741 кажется хорошим выбором. Теперь рассмотрим частотные эффекты.

Приложение компаратора напряжения без обратной связи требует, чтобы выходное напряжение операционного усилителя изменялось от одного крайнего значения к другому. Это изменение требует ограниченного времени. Для приложений постоянного или низкочастотного тока это время обычно несущественно. Однако по мере увеличения входной частоты время переключения становится большей частью общего времени для одного изменения входного сигнала.В крайнем случае, если бы чередование входов было короче времени, необходимого для изменения состояния выхода, то компаратор перестал бы функционировать должным образом. То есть выходное напряжение не успеет достичь своих пределов.

Скорость нарастания операционного усилителя определяет максимальную скорость изменения выходного напряжения. Минимально допустимая скорость изменения определяется приложением. В качестве примера и практического практического опыта давайте спроектируем нашу схему так, чтобы время нарастания и спада составляло не более 10 процентов времени для чередования входного сигнала.Для нашей нынешней конструкции максимальная входная частота была определена как 10 килогерц. Время для одного чередования может быть рассчитано с помощью нашей базовой теории электроники как

(3,2) t (чередование) = t (период) 2

, где t ( период ) = 1/ частота. В нашем случае

t (период) = 1 частота = 110 кГц = 100 мкс

и

t (чередование) = 100 мкс2 = 50 мкс

Тогда максимальное время нарастания и спада будет вычислено как

(3.3) tR (max) = tF (max) = 0,1 × t (чередование)

В данном случае мы имеем

tR (max) = tF (max) = 0,1 × 50 мкс = 5 мкс

Минимально допустимый угол поворота скорость для нашего операционного усилителя может быть вычислена с помощью следующего уравнения:

(3,4) скорость нарастания (мин) = + VSAT - (- VSAT) tR (макс)

В нашем настоящем примере минимально допустимая скорость нарастания напряжения вычисляется как

Скорость нарастания (мин) = 12 В - (- 12 В) 5 мкс = 4,8 × 106 В / с

Обычно этот результат делят на 10 6 и выражают скорость нарастания в вольт за микросекунду.В нашем случае

Скорость нарастания для 741 ОУ указана в листе технических данных как 0,5 вольт за микросекунду. Ясно, что это слишком медленно для нашего приложения. Если мы используем 741, наш выходной сигнал будет больше похож на треугольную волну, чем на прямоугольную волну. В Приложении 4 приведены данные для другой альтернативы.

Операционный усилитель MC1741SC должен удовлетворять спецификациям напряжения нашей конструкции. Кроме того, минимальная скорость нарастания напряжения составляет 10 вольт за микросекунду. Мы будем использовать MC1741SC для нашей разработки.

На рис. 3.5 показан получившийся дизайн. Осциллограф, показанный на рис. 3.6, показывает фактические характеристики схемы.

РИСУНОК 3.5. Простой детектор перехода через нуль, разработанный на основе операционного усилителя MC1741SC.

РИСУНОК 3.6. Осциллограф отображает фактические характеристики схемы, показанной на рисунке 3.5.

(Испытательное оборудование предоставлено компанией Hewlett-Packard.)

Усилитель с единичным усилением или повторитель напряжения в делителе напряжения

Повторитель напряжения также известен как усилитель с единичным усилением, буфер напряжения или развязывающий усилитель.В цепи повторителя напряжения выходное напряжение равно входному напряжению; таким образом, он имеет коэффициент усиления, равный единице, и не усиливает входящий сигнал. Повторитель напряжения не требует внешних компонентов. См. Рис. 1. Но если это усилитель, а не усилитель, для чего нужен повторитель напряжения?

Рисунок 1: Повторитель напряжения имеет коэффициент усиления, равный единице, поэтому (теоретически) выходное напряжение равно входному напряжению.

Операционные усилители имеют очень высокий входной импеданс, что означает, что они не потребляют большой ток (в идеале, нулевой) на входах.Операционные усилители также имеют очень низкое выходное сопротивление . Одно из приложений, где это полезно, - делитель напряжения. В делителе напряжения (как на Рисунке 2) вполне возможно, что импедансная нагрузка (Ro) может незначительно отличаться. Согласно закону Ома (V = IR), изменение Ro влияет на V OUT .

Рисунок 2: Делитель напряжения, но при изменении Ro VOUT изменяется в соответствии с законом Ома.

На рисунке 2, если Ro изменяется, то V OUT будет изменяться соответствующим образом, если…. вы смогли изолировать выход V OUT делителя напряжения, вставив между ним и Ro, как показано на рисунке 3, высокоомный повторитель напряжения.Добавление повторителя напряжения к схеме делителя напряжения изолирует полное сопротивление нагрузки (Ro), так что VOUT зависит от R1 и R2 (см. Рисунок 3), а не от Ro.

Рисунок 3: Делитель напряжения с повторителем напряжения (усилитель с единичным усилением), который позволяет VOUT оставаться стабильным.

Это возможно только потому, что операционный усилитель имеет такое высокое входное сопротивление и низкое выходное сопротивление; операционный усилитель работает для поддержания этого состояния! (Помните, что операционный усилитель - это устройство с питанием, а не пассивное устройство.Символы операционного усилителя редко показывают напряжение питания операционного усилителя, но оно всегда присутствует, когда вы действительно его подключаете.)

Повторитель напряжения (Рисунок 1) позволяет нам переходить от одной цепи к другой и поддерживать уровень напряжения. Он сохраняет сигнал источника напряжения. Вот почему его также называют буферным или изолирующим усилителем. Вы можете использовать схему делителя напряжения для переключения с одного логического уровня (например, 5 В) на другой логический уровень (например, 3,3 В). Более чистый переключатель получается при добавлении повторителя напряжения (буферного усилителя) к схеме делителя напряжения (рисунок 3).Другой способ выполнить сдвиг или преобразование логического уровня - использовать ИС, называемую переключателем уровня, для выполнения того же буферизованного перехода. Высокое сопротивление операционного усилителя позволяет цепи повторителя напряжения предотвращать влияние нагрузки (Ro) на выходное напряжение.

(Логические уровни используются для двоичной сигнализации (HI / LOW), а не для подачи питания, поэтому используйте регулятор напряжения, если вам нужно понизить мощность (P = VI) до нагрузки. Делитель напряжения - это не регулятор, и вы может закончиться курением резистора, если для понижения источника питания используется делитель напряжения.)

Со схемой делителя напряжения или без нее, повторитель напряжения или буфер напряжения предлагает средства для передачи сигнала источника напряжения с одного уровня импеданса на другой, не влияя на ток. Закон Ома (V = IR) определяет отношения оттуда. Последователи напряжения также используются для согласования импеданса в других цепях. Обратите внимание, что есть также токовый буфер, который сохраняет источник текущего сигнала, а не источник сигнала напряжения.

.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *