Операционный усилитель коэффициент усиления: Операционный усилитель | Электроника для всех

Содержание

Операционный усилитель | Электроника для всех

Что то часто мне стали задавать вопросы по аналоговой электронике. Никак сессия студентов за яцы взяла? 😉 Ладно, давно пора двинуть небольшой ликбезик. В частности по работе операционных усилителей. Что это, с чем это едят и как это обсчитывать.

Что это
Операционный усилитель это усилок с двумя входами, невье… гхм… большим коэфициентом усиления сигнала и одним выходом. Т.е. у нас Uвых= K*Uвх а К в идеале равно бесконечности. На практике, конечно, там числа поскромней. Скажем 1000000. Но даже такие числа взрывают мозг при попытке их применить напрямую. Поэтому, как в детском саду, одна елочка, две, три, много елочек — у нас тут много усиления 😉 И баста.

А входа два. И один из них прямой, а другой инверсный.

Более того, входы высокоомные. Т.е. их входное сопротивление равно бесконечности в идеальном случае и ОЧЕНЬ много в реальном. Счет там идет на сотни МегаОм, а то и на гигаомы. Т.е. оно замеряет напряжение на входе, но на него влияет минимально. И можно считать, что ток в ОУ не течет.

Напряжение на выходе в таком случае обсчитывается как:

Uout=(U2-U1)*K

Очевидно, что если на прямом входе напряжение больше чем на инверсном, то на выходе плюс бесконечность. А в обратном случае будет минус бесконечность.

Разумеется в реальной схеме плюс и минус бесконечности не будет, а их замещать будет максимально высокое и максимально низкое напряжение питания усилителя. И у нас получится:

Компаратор
Устройство позволяющее сравнивать два аналоговых сигнала и выносить вердикт — какой из сигналов больше. Уже интересно. Применений ему можно придумать массу. Кстати, тот же компаратор встроен в большую часть микроконтроллеров и как им пользоваться я показывал на примере AVR в статьях про использование аналогового компаратора и про создание на его базе АЦП. Также компаратор замечательно используется для создания всяких ШИМ сигналов.

Но одним компаратором дело не ограничивается, ведь если ввести обратную связь, то из ОУ можно сделать очень многое.

Обратная связь
Если мы сигнал возьмем со выхода и отправим прямиком на вход, то возникнет обратная связь.

Положительная обратная связь
Возьмем и загоним в прямой вход сигнал сразу с выхода.

Что получим? А ничего интересного, процесс пойдет по следующей цепочке событий.

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

В общем, выход мгновенно свалится в бесконечные минуса, а в реале ляжет на шину отрицательного питания и усе. Поэтому такое включение применяется крайне редко. Например в триггере Шмитта для обеспечения гистерезиса.

Триггер Шмитта
Представим себе компаратор включенный по такой вот схеме и запитанный от +/- 15 вольт:

  • Напряжение U1 больше нуля — на выходе -15 вольт
  • Напряжение U1 меньше нуля — на выходе +15 вольт

А что будет если напряжение будет равно нулю? По идее на выходе должен быть ноль. Но в реальности напряжение НИКОГДА не будет равно нулю. Ведь даже если на один электрон заряд правого перевесит заряд левого, то уже этого достаточно, чтобы на бесконечном усилении вкатить потенциал на выход. И на выходе начнется форменный ад — скачки сигнала то туда, то сюда со скоростью случайных возмущений, наводящихся на входы компаратора.

Для решения этой проблемы вводят гистерезис. Т.е. своего рода зазор между переключениями из одного состояния в другое. Для этого вводят положительную обратную связь, вот так:

Считаем, что на инверсном входе в этот момент +10 вольт. На выходе с ОУ минус 15 вольт. На прямом входе уже не ноль, а небольшая часть выходного напряжения с делителя. Примерно -1.4 вольта Теперь, пока напряжение на инверсном входе не снизится ниже -1.4 вольта выход ОУ не сменит своего напряжения. А как только напряжение станет ниже -1.4, то выход ОУ резко перебросится в +15 и на прямом входе будет уже смещение в +1.4 вольта.

И для того, чтобы сменить напряжение на выходе компаратора сигналу U1 надо будет увеличиться на целых 2.8 вольта, чтобы добраться до верхней планки в +1.4.

Возникает своеобразный зазор где нет чувствительности, между 1.4 и -1.4 вольтами. Ширина зазора регулируется соотношениями резисторов в R1 и R2. Пороговое напряжение высчитывается как Uout/(R1+R2) * R1 Скажем 1 к 100 даст уже +/-0.14 вольт.

Но все же ОУ чаще используют в режиме с отрицательной обратной связью.

Отрицательная обратная связь
Окей, воткнем по другому:

В случае отрицательной обратной связи у ОУ появляется интересное свойство. Он всегда будет пытаться так подогнать свое выходное напряжение, чтобы напряжения на входах были равны, в результате давая нулевую разность.
Пока я в великой книге от товарищей Хоровица и Хилла это не прочитал никак не мог вьехать в работу ОУ. А оказалось все просто.

Повторитель
И получился у нас повторитель. Т.е. на входе U1, на инверсном входе Uout = U1. Ну и получается, что Uout = U1.

Спрашивается нафига нам такое счастье? Можно же было напрямую кинуть провод и не нужен будет никакой ОУ!

Можно, но далеко не всегда. Представим себе такую ситуацию, есть датчик выполненный в виде резистивного делителя:

Нижнее сопротивление меняет свое значение, меняется расклад напряжений выхода с делителя. А нам надо снять с него показания вольтметром. Но у вольтметра есть свое внутреннее сопротивление, пусть большое, но оно будет менять показания с датчика. Более того, если мы не хотим вольтметр, а хотим чтобы лампочка меняла яркость? Лампочку то сюда никак не подключить уже! Поэтому выход буфферизируем операционным усилителем. Его то входное сопротивление огромно и влиять он будет минимально, а выход может обеспечить вполне ощутимый ток (десятки миллиампер, а то и сотни), чего вполне хватит для работы лампочки.
В общем, применений для повторителя найти можно. Особенно в прецезионных аналоговых схемах. Или там где схемотехника одного каскада может влиять на работу другого, чтобы разделить их.

Усилитель
А теперь сделаем финт ушами — возьмем нашу обратную связь и через делитель напряжения подсадим на землю:

Теперь на инверсный вход подается половина выходного напряжения. А усилителю то по прежнему надо уравнять напряжения на своих входах. Что ему придется сделать? Правильно — поднять напряжение на своем выходе вдвое выше прежнего, чтобы компенсировать возникший делитель.

Теперь будет U1 на прямом. На инверсном Uout/2 = U1 или Uout = 2*U1.

Поставим делитель с другим соотношением — ситуация изменится в том же ключе. Чтобы тебе не вертеть в уме формулу делителя напряжения я ее сразу и дам:

Uout = U1*(1+R1/R2)

Мнемонически запоминается что на что делится очень просто:

Таким образом, можно очень легко умножать аналоговые значения на числа больше 1. А как быть с числами меньше единицы?

Инвертирующий усилитель
Тут поможет только инверсный усилитель. Разница лишь в том, что мы берем и прямой вход коротим на землю.

При этом получается, что входной сигнал идет по цепи резисторов R

2, R1 в Uout. При этом прямой вход усилителя засажен на нуль. Вспоминаем повадки ОУ — он постарается любыми правдами и неправдами сделать так, чтобы на его инверсном входе образовалось напряжение равное прямому входу. Т.е. нуль. Единственный вариант это сделать — опустить выходное напряжение ниже нуля настолько, чтобы в точке 1 возник нуль.

Итак. Представим, что Uout=0. Пока равно нулю. А напряжение на входе, например, 10 вольт относительно Uout. Делитель из R1 и R2 поделит его пополам. Таким образом, в точке 1 пять вольт.

Пять вольт не равно нулю и ОУ опускает свой выход до тех пор, пока в точке 1 не будет нуля. Для этого на выходе должно стать (-10) вольт. При этом относительно входа разность будет 20 вольт, а делитель обеспечит нам ровно 0 в точке 1. Получили инвертор.

Но можно же и другие резисторы подобрать, чтобы наш делитель выдавал другие коэффициенты!
В общем, формула коэффициента усиления для такого усилка будет следующей:

Uout = — Uin * R1/R2

Ну и мнемоническая картинка для быстрого запоминания ху из ху.

Вычитающая схема
Однако никто же не мешает подать на прямой вход не ноль, а любое другое напряжение. И тогда усилитель будет пытаться приравнять свой инверсный вход уже к нему. Получается вычитающая схема:

Допустим U2 и U1 будет по 10 вольт. Тогда на 2й точке будет 5 вольт. А выход должен будет стать таким, чтобы на 1й точке стало тоже 5 вольт. То есть нулем. Вот и получается, что 10 вольт минус 10 вольт равняется нуль. Все верно 🙂

Если U1 станет 20 вольт, то выход должен будет опуститься до -10 вольт.
Сами посчитайте — разница между U1 и Uout станет 30 вольт. Ток через резистор R4 будет при этом (U1-Uout)/(R3+R4) = 30/20000 = 0.0015А, а падение напряжения на резисторе R4 составит R4*I4 = 10000*0.0015 = 15 вольт. Вычтем падение в 15 вольт из входных 20 и получим 5 вольт.

Таким образом, наш ОУ прорешал арифметическую задачку из 10 вычел 20, получив -10 вольт.

Более того, в задачке есть коэффициенты, определяемые резисторами. Просто у меня, для простоты, резисторы выбраны одинакового номинала и поэтому все коэффициенты равны единице. А на самом деле, если взять произвольные резисторы, то зависимость выхода от входа будет такой:

Uout = U2*K2 — U1*K1

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

Мнемотехника для запоминания формулы расчета коэффициентов такова:
Прям по схеме. Числитель у дроби вверху поэтому складываем верхние резисторы в цепи протекания тока и множим на нижний. Знаменатель внизу, поэтому складываем нижние резисторы и множим на верхний.

Если же вводные резисторы (R4 и R5) равны друг другу. И резистор обратной связи и резистор на землю (R3 и R6) тоже равны друг другу. То формула упрощается до

Uout = R3/R4 (U2 — U1).

Таким образом, на одном усилке можно два сигнала сначала вычесть, а потом умножить на константу. Этим, кстати, я воспользовался в схеме реобаса, чтобы привести милливольтный сигнал с датчика температуры к вменяемому виду.

Раз можно вычитать, то можно и суммировать

Сумматор инвертирующий

Тут все просто. Т.к. точка 1 у нас постоянно приводится к 0, то можно считать, что втекающие в нее токи всегда равны U/R, а входящие в узел номер 1 токи суммируются. Соотношение входного резистора и резистора в обратной связи определяет вес входящего тока.

Ветвей может быть сколько угодно, я же нарисовал всего две.

Uout = -1(R3*U1/R1 + R3*U2/R2)

Резисторы на входе (R1, R2) определяют величину тока, а значит общий вес входящего сигнала. Если сделать все резисторы равными, как у меня, то вес будет одинаковым, а коэффициент умножения каждого слагаемого будет равен 1. И U

out = -1(U1+U2)

Сумматор неинвертирующий
Тут все чуток посложней, но похоже.

Uout = U1*K1 + U2*K2

K1 = R5/R1
K2 = R5/R2

Причем резисторы в обратной связи должны быть такими, чтобы соблюдалось уравнение R3/R4 = K1+K2

В общем, на операционных усилителях можно творить любую математку, складывать, умножать, делить, считать производные и интегралы. Причем практически мгновенно. На ОУ делают аналоговые вычислительные машины. Одну такую я даже видел на пятом этаже ЮУрГУ — дура размером в пол комнаты. Несколько металлических шкафов. Программа набирается соединением разных блоков проводочками 🙂

Продолжение следует, когда-нибудь 🙂

Операционный усилитель | Описание и принцип работы.

Что такое операционный усилитель

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

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

Обозначение на схеме операционного усилителя

На схемах операционный усилитель обозначается вот так:

операционный усилитель обозначение на схеме

или так

операционный усилитель обозначение на старых схемах

Чаще всего ОУ на схемах обозначаются без выводов питания

операционный усилитель обозначение на схеме

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

ОУ

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

Питание операционных усилителей

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

Давайте представим себе батарейку

Операционный усилитель

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

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

операционный усилитель двухполярное питание

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

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

операционный усилитель питание

Вот здесь мы как раз и получили двухполярное питание.

Идеальная и реальная модель операционного усилителя

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

1) Входное сопротивление идеального ОУ бесконечно большое.

входное сопротивление операционный усилитель

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

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

Операционный усилитель

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

3) Выходное сопротивление идеального ОУ равняется нулю.

Операционный усилитель

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

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

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

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

Схема простейшего ОУ на транзисторах выглядит примерно вот так:

операционный усилитель внутреннее строение

Принцип работы операционного усилителя

Давайте рассмотрим, как работает ОУ

Операционный усилитель

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

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

Операционный усилитель

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

Операционный усилитель

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

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

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

операционный усилитель работа

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

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

Операционный усилитель

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

Операционный усилитель

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

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

операционный усилитель принцип работы

А что покажет Falstad? Ноль Вольт.

Операционный усилитель

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

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

операционный усилитель схема Proteus

Смотрим, что имеем на виртуальном осциллографе:

Операционный усилитель

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

Скорость нарастания выходного напряжения

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

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

При участии Jeer

Операционный усилитель, принцип работы для чайников!

Приветствую вас дорогие друзья! Вот наконец добрался я  до своего компьютера,  приготовил себе чайку с печеньками  и понеслась…

Для тех кто впервые на моем блоге и не совсем понимает что здесь происходит спешу напомнить, меня зовут Владимир Васильев и на этих страницах я делюсь со своими читателями сакральными знаниями из области электроники и не только электроники. Так что может быть и вы здесь найдете  для себя что-то полезное, по крайней мере я на это надеюсь.  Обязательно подпишитесь, тогда вы ничего не пропустите.

А сегодня речь пойдет о таком электронном устройстве как операционный усилитель.  Эти усилители   применяются повсеместно, везде где требуется усилить сигнал по мощности найдется работенка для операционника.

Особенно распространено применение  операционных усилителей в аудиотехнике. Каждый аудиофилл стремится усилить звучание своих музыкальных колонок и поэтому старается прикрутить усилитель по мощнее. Вот здесь мы и сталкиваемся с операционными усилителями,  ведь многие аудиосистемы просто нашпигованы ими.  Благодаря  свойству операционного усилителя усиливать сигнал по мощности мы ощущаем более мощное давление на свои барабанные перепонки когда слушаем композиции на своих аудио колонках. Вот так вот в быту мы оцениваем  качество работы операционного усилителя  на слух.

В  этой статье на слух мы оценивать ничего не будем но постараемся рассмотреть все детально и  разложим все по полочкам чтобы стало понятно даже самому самоварному чайнику .


[contents]


Что такое операционный усилитель ?

Операционные усилители представляют собой микросхемы которые могут выглядеть по-разному.

Например на этой картинке изображены два операционных усилителя российского производства. Слева операционный усилитель К544УД2АР в  пластмассовом DIP корпусе а справа изображен операционник в металлическом  корпусе.

По началу, до знакомства с операционниками,     микросхемы в таких металлических корпусах я постоянно путал с транзисторами.  Думал что это такие хитромудрые  многоэмиттерные транзисторы 🙂

Условное графическое обозначение (УГО)

Условное обозначение операционного усилителя выглядит следующим образом.

Итак  операционный усилитель (ОУ) имеет два входа и один выход. Также имеются выводы для подключения питания но на условных графических обозначениях их обычно не указывают.

Для такого усилителя есть два правила которые помогут понять принцип работы:

 

  1. Выход операционника стремится к тому, чтобы разность напряжений на его входах была равна нулю
  2. Входы операционного усилителя ток не потребляют

Вход 1  обозначается знаком «+»  и называется неинвертирующим а вход 2 обозначается как «-» и является инвертирующим.

Входы операционника обладают высоким входным сопротивлением или иначе говорят высоким импедансом.

Это говорит о том, что  входы операционного усилителя ток почти не потребляют (буквально какие-то наноамперы). Усилитель просто оценивает величину напряжений на входах и в зависимости от этого выдает сигнал на выходе усиливая его.

Коэффициент усиления операционного усилителя имеет просто огромное значение,  может достигать миллиона, а это очень большое значение!  Значит это то, что если мы ко входу приложим небольшое напряжение, хотябы 1 мВ, то на выходе  получим сразу максимум,  напряжение почти равное напряжению источника питания ОУ. Из-за этого свойства операционники практически никогда не используют без обратной связи (ОС). Действительно какой смысл во входном сигнале если на выходе мы всегда получим максимальное напряжение, но об этом поговорим чуть позже.

Входы ОУ работают так, что если величина на неинвертирующем входе окажется больше чем на инвертирующем, то на выходе будет  максимальное положительное значение +15В. Если на инвертирующем входе величина напряжения  окажется более положительной то  на выходе будем наблюдать максимум отрицательной величины, где-то -15В.

Действительно операционный усилитель может выдавать значения напряжений как положительной так и отрицательной полярности. У новичка может возникнуть вопрос о том как же такое возможно? Но такое действительно возможно и это связано с применением источника питания с расщепленным  напряжением, так называемым двуполярным питанием. Давайте рассмотрим питание операционника чуток подробнее.

Правильное питание ОУ

Наверное не будет секретом, что для того, чтобы операционник работал, его нужно запитать, т.е. подключить его к источнику питания. Но есть интересный момент, как мы убедились чуток ранее операционный усилитель может выдавать на выход напряжения как положительной так и отрицательной полярности. Как такое может быть?

А такое быть может! Это связано с применением двуполярного источника питания, конечно возможно использование и однополярного источника но в этом случае возможности операционного усилителя будут ограничены.

Вообще в работе с источниками питания многое зависит от того что мы взяли за точку отсчета т.е. за 0 (ноль). Давайте с этим разберемся.

Пример на батарейках

 Обычно примеры проще всего приводить на пальцах но  в электронике думаю подойдут и пальчиковые батарейки 🙂

Допустим у нас есть обычная пальчиковая батарейка (батарейка типа АА). У нее есть два полюса плюсовой и минусовой. Когда минусовой полюс мы принимаем за ноль, считаем нулевой точкой отсчета то соответственно плюсовой полюс батарейки будет у нас показывать + 5В (значение с плюсом).

Это мы можем увидеть с помощью мультиметра (кстати статья про мультиметры в помощь), достаточно подключить   минусовой черный щуп к минусу батарейки а красный щуп к плюсу и вуаля. Здесь все просто и логично.

Теперь немножко усложним задачу и возьмем точно такую же вторую батарейку. Подключим батарейки последовательно и  рассмотрим как меняются показания измерительных приборов (мультиметров или вольтметров) в зависимости от различных точек приложения щупов.

Если мы за ноль приняли минусовой полюс крайней батарейки  а измеряющий щуп подключим к плюсу батарейки то  мультиметр нам покажет значение в +10 В.

Если за точку отсчета будет принят положительный полюс батарейки а измеряющий щуп был подключен к минусу то любой вольтметр нам покажет -10 В.

Но если за точку отсчета будет принята точка между двумя батарейками то в результате мы сможем плучить простой источник двуполярного питания. И вы можете в этом убедиться, мультиметр нам подтвердит что так оно и есть. У нас в наличии   будет напряжение как положительной полярности +5В так и  напряжение отрицательной полярности -5В.

Схемы источников двуполярного питания

Примеры на батарейках я привел для примера, чтобы было более понятно. Теперь давайте рассмотрим несколько примеров  простых схем источников расщепленного питания которые можно применять в своих радиолюбительских конструкциях.

Схема с трансформатором,  с отводом от «средней» точки

И первая схема источника питания для ОУ перед вами. Она достаточно простая но я немножко поясню принцип ее работы.

Схема питается от привычной нам домашней  сети  поэтому нет ничего удивительного что на первичную обмотку трансформатора приходит переменный ток в 220В. Затем трансформатор преобразует переменный ток 220В в такой же переменный но уже в 30В. Вот такую  вот нам захотелось произвести трансформацию.

Да на вторичной обмотке будет переменное напряжение в 30В но обратите внимание на отвод от средней точки вторичной обмотки. На вторичной обмотке сделано ответвление, причем количество витков до этого ответвления равно числу витков после ответвления.

Благодаря этому ответвлению мы можем получить на выходе вторичной обмотки переменное напряжение как в 30 В так и переменку в 15В. Это знание мы берем на вооружение.

Далее нам нужно переменку выпрямить и превратить в постоянку поэтому диодный мост нам в помощь. Диодный мост с этой задачей справился и на выходе мы получили не очень стабильную постоянку в 30В. Это напряжение будет нам показывать мультиметр если  мы подключим шупы к выходу диодного моста, но нам нужно помнить про ответвление на вторичной обмотке.

Это ответвление мы ведем далее и подключаем между электролитическими конденсаторами и затем между следующией парой высокочастотных кондерчиков. Чего мы этим добились?

Мы добились нулевой точки отсчета между полюсами потенциалов положительной и отрицательной полярности. В результате на выходе мы имеем достаточно стабильное  напряжение как +15В так и -15В. Эту схему конечно можно еще более улучшить если добавить стабилитроны или интегральные стабилизаторы но тем не менее приведенная схема уже вполне может справиться с задачей питания операционных усилителей.

Схема с двумя диодными мостами

Эта схема на мой взгляд проще, проще в том ключе, что нет необходимости искать трансформатор с ответвлением от середины или формировать вторичную обмотку самостоятельно. Но здесь придется раскошелиться на второй диодный мост.

Диодные мосты включены так, что положительный потенциал формируется с катодов диодиков первого моста, а отрицательный потенциал выходит с анодов диодов второго моста.  Здесь нулевая точка отсчета выводится между  двумя мостами. Упомяну также, что здесь используются разделительные конденсаторы, они оберегают один диодный мост от воздействий со стороны второго.

Эта схема также легко подвергается различным улучшениям, но самое главное она решает основную задачу — с помощью нее можно запитать операционный усилитель.

Обратная связь ОУ

Как я уже упоминал операционные усилители почти всегда используют с обратной связью (ОС). Но что представляет собой обратная связь и для чего она нужна? Попробуем с этим разобраться.

С обратной связью мы сталкиваемся постоянно: когда хотим налить в кружку чая или даже сходить в туалет по малой нужде 🙂 Когда человек управляет автомобилем или велосипедом то здесь также работает обратная связь. Ведь для того, чтобы ехать легко и непринужденно  мы вынуждены постоянно контролировать управление в зависимости от различных факторов: ситуации на дороге, технического состояния средства передвижения и так далее.

Если на дороге стало скользко ? Ага мы среагировали, сделали коррекцию и дальше двигаемся более осторожно.

В операционном усилителе все происходит подобным образом.

Без обратной связи при подаче на вход определенного сигнала на выходе мы всегда получим одно и тоже значение напряжения. Оно будет близко напряжению питания (так как коэффициент усиления очень большой). Мы не контролируем выходной сигнал. Но если часть сигнала с выхода мы отправим обратно на вход то что это даст?

Мы сможем контролировать выходное напряжение. Это управление будет на столько эффективным, что можно просто забыть про коэффициент усиления, операционник  станет послушным и предсказуемым потому что его поведение будет зависеть лишь от обратной связи. Далее я расскажу как можно эффективно управлять выходным сигналом  и как его контролировать, но для этого нам нужно знать некоторые детали.

Положительная обратная связь,  отрицательная обратная связь

Да, в  операционных усилителях применяют обратную связь и очень широко. Но обратная связь   может быть как положительной так и отрицательной. Надо бы разобраться в чем суть.

Положительная обратная связь это когда часть выходного сигнала поступает обратно на вход причем она (часть выходного) суммируется с входным.

Положительная обратная связь в операционниках применяется не так широко как отрицательная. Более того положительная обратная связь чаще бывает нежелательным побочным явлением некоторых схем и положительной связи стараются избегать.  Она является нежелательной потому, что эта связь может усиливать искажения в схеме и в итоге привести к нестабильности.

С другой стороны положительная обратная связь не уменьшает коэффициент усиления операционного усилителя что бывает полезно. А нестабильность также находит свое применение в компараторах, которые  используют в АЦП (Аналого-цифровых преобразователях).

Отрицательная обратная связь это такая связь когда часть выходного сигнала поступает обратно на вход но при этом она вычитается из входного

А вот отрицательная обратная связь просто создана для операционных усилителей. Несмотря на то, что она способствует некоторому ослаблению коэффициента усиления, она приносит в схему стабильность и управляемость.  В результате схема становится независимой от коэффициента усиления, ее свойства полностью управляются отрицательной обратной связью.

При использовании отрицательной обратной связи операционный усилитель приобретает одно очень полезное свойство. Операционник контролирует состояния своих входов и стремится к тому, потенциалы на его входах были равны. ОУ подстраивает свое выходное напряжение так, чтобы результирующий входной потенциал (разность Вх.1 и Вх.2) был нулевым.

Подавляющая часть схем на операционниках строится с применением отрицательной обратной связи! Так что для того чтобы разобраться как работает отрицательная связь нам нужно рассмотреть схемы включения ОУ.

Схемы включения операционных усилителей

Схемы включения операционных усилителей могут быть весьма разнообразны поэтому мне врятля удастся  рассказать о каждой но  я постараюсь рассмотреть основные.

Компаратор на ОУ

Формулы для  компараторной схемы будут следующие:

Т.е. в результате будет напряжение соответствующее логической единице.

Т.е. в результате будет напряжение соответствующее логическому нулю.

Схема компаратора обладает высоким входным сопротивлением (импедансом) и низким выходным.

Рассмотрим для начала вот такую схему включения  операционника  в режиме компаратора.  Эта схема включения лишена обратной связи.  Такие схемы применяются в цифровой схемотехнике когда нужно оценить сигналы на входе, выяснить какой больше  и выдать результат в цифровой форме. В итоге на выходе будет логическая 1 или логический ноль (к примеру 5В это 1 а 0В это ноль).

Допустим  напряжение стабилизации стабилитрона  5В,  на вход один мы приложили 3В а к входу 2 мы приложили 1В. Далее в компараторе происходит следующее, напряжение на прямом входе 1  используется как есть (просто потому что это неинвертирующий вход) а напряжение на инверсном входе 2 инвертируется. В результате где было 3В так и остается 3В а где был 1В будет -1В.

В результате 3В-1В =2В, но благодаря коэффициенту усиления операционника на выход пойдет напряжение равное напряжению источника питания, т.е. порядка 15В. Но стабилитрон отработает и на выход пойдет 5В что соответствует логической единице.

Теперь представили, что на вход 2 мы кинули 3В а на вход 1 приложили 1В. Операционник все это прожует, прямой вход оставит без изменений, а инверсный (инвертирующий)  изменит на противоположный  из 3В сделает -3В.

В результате 1В-3В=-2В, но согласно логике работы на выход пойдет минус источника питания т.е. -15В. Но у нас стоит стабилитрон и он это не пропустит и на выходе у нас будет величина близкая нулю. Это и будет логический ноль для цифровой схемы.

Триггер Шмитта на ОУ

Чуть ранее мы рассматривали такую схему включения ОУ как компаратор. В компараторе сравниваются два напряжения на входе и выдается результат на выходе. Но чтобы сравнивать входное напряжение с нулем нужно воспользоваться схемой представленной чуть выше.

Здесь сигнал подается на инвертирующий вход а прямой вход посажен на землю, на ноль.

Если на входе у нас напряжение больше нуля то на выходе будем иметь  -15В. Если напряжение меньше нуля то на выходе будет+15В.

Но что случится если мы захотим подать напряжение равное нулю? Такое напряжение никогда не получится сделать, ведь идеального нуля не бывает и сигнал на входе хоть на доли микровольт но обязательно будет меняться в ту или другую сторону.  В результате на выходе будут полный хаос, выходное напряжение будет многократно скакать  максимума до минимума что на практике совершенно не удобно.

Для избавления от подобного хаоса вводит гистерезист — это некий зазор в пределах которого сигнал на выходе не будет меняться.

Этот зазор позволяет реализовать данная схема посредством положительной обратной связи.

Представим, что на вход мы подали 5В , на выходе в первое мгновение получится сигнал напряжением в -15В. Далее начинает отрабатывать положительная обратная связь.  Обратная связь образует делитель напряжения в результате чего на прямом входе операционника появится напряжение -1,36В.

На инверсном входе у нас сигнал более положительный поэтому  операционный усилитель отработает следующим образом.  Внутри него сигнал в 5В инвертируется и становится -5В, далее два сигнала складываются и получается отрицательное значение. Отрицательное значение благодаря коэффициенту усиления станет -15В. Сигнал на выходе не изменится пока сигнал на входе не опустится менее -1,36В.

Пусть сигнал на входе изменился и стал -2В. В нутрях это -2В инвертируется и станет +2В, а -1,36В как был так и останется. Далее все это складывается и получается положительное значение которое на выходе превратится в +15В.  На прямом входе значение -1,36В благодаря обратной связи превратится в +1,36В. Теперь чтобы изменить значение на выходе на противоположное нужно подать сигнал более 1,36В.

Таким образом у нас появилась зона с нулевой чувствительностью с диапазоном от -1,36В до +1,36В. Такая зона нечувствительности носит название гистерезис.

Повторитель

Наиболее простой обладатель отрицательной обратной связи это повторитель.

Повторитель выдает на выходе то напряжение, которое было подано на его вход. Казалось бы для чего  это нужно ведь от этого ничего не меняется. Но в этом есть смысл, ведь вспомним свойство операционника, он обладает высоким входным сопротивлением и низким выходным. В схемах повторители выступают в роли буфера, который оберегает от перегрузок хилые выходы.

Чтобы понять как он работает отмотаете чуток назад, там где мы обсуждали отрицательную обратную связь. Там я упоминал, что в случае с отрицательной обратной связью операционник всеми возможными способами стремится к равному потенциалу по своим входам.  Для этого он подстраивает напряжение на своем выходе так, чтобы разность потенциалов на его входах равнялась нулю.

Так допустим на входе у нас 1В. Чтобы потенциалы на входах были раны на инвертирующем входе должен быть также 1В. На то  он и повторитель.

Неинвертирующий усилитель

Схема неинвертирующего усилителя очень похожа на схему повторителя, только здесь обратная связь представлена делителем напряжения и посажена на землю.

Посмотрим как все это работает. Допустим на вход подано 5В, резистор R1 = 10Ом, резистор R2 = 10Ом. Чтобы напряжение на входах были равны, операционник вынужден поднять напряжение на выходе так, чтобы потенциал на инверсном входе сравнялся с прямым. В данном случае делитель напряжения делит пополам, получается, что напряжение на выходе должно быть  в два раза больше напряжения на входе.

Вообще чтобы применять эту схему включения даже не нужно  ничего ворошить в голове, достаточно воспользоваться формулой, где достаточно узнать коэффициент К.

Инвертирующий усилитель

И сейчас мы рассмотрим работу такой схемы включения как инвертирующий усилитель.  Для инвертирующего усилителя  есть такие формулы:

Инвертирующий усилитель позволяет усиливать сигнал одновременно инвертируя (меняя знак ) его . Причем коэффициент усиления мы можем задать любой. Этот коэффициент усиления мы формируем посредством отрицательной обратной связи, которая представляет собой делитель напряжения.

Теперь попробуем его в работе, допустим на входе у нас сигнал в 1В, резистор R2 = 100Ом, резистор R1 = 10Ом. Сигнал со входа идет через R1, затем R2  и на выход.  Допустим сигнал на выходе невероятным образом стал 0В. Рассчитаем делитель напряжения.

1В/110=Х/100, отсюда Х = 0,91В

Получается что в точке А потенциал равен 0,91В,  но это противоречит правилу операционного усилителя. Ведь операционник стремится уравнять потенциалы на своих входах. Поэтому потенциал в точке А будет равен нулю и равен потенциалу в точке B.

Как сделать так чтобы на входе был 1В а в точке А  был 0В?

Для этого нужно уменьшать напряжение на выходе.  И в результате мы получаем

 

К сожалению инвертирующий усилитель обладает одним явным недостатком — низким входным сопротивлением, которое равняется резистору R1.

Сумматор инвертирующий

 

А эта схема включения позволяет складывать множество входных напряжений. Причем напряжения могут быть как положительными так и отрицательными. По истине на операционниках можно строить аналоговые компьютеры. Так чтож давайте разбираться.

Основой сумматора служит все тот же инвертирующий усилитель только с одним отличием, вместо одного входа он может иметь этих входов сколько угодно. Вспомним формулку и инвертирующего усилка.Потенциал точки Х будет равен нулю поэтому сумма токов входящих с каждого входа будет выглядеть вот так:Если нашей целью является чистое сложение входных напряжений то все резисторы в этой схеме выбираются одного номинала.  Это приводит также что коэффициент усиления для каждого входа будет равен 1. Тогда формула для инвертирующего усилителя принимает вид: 

Ну чтож, я думаю что с работой сумматора и других схем включения на операционниках разобраться не трудно. Достаточно немножко попрактиковаться и попробовать собрать эти схемы и посмотреть что происходит с входными и выходными сигналами.

А я на этом пожалуй остановлюсь ведь в работе с операционными усилителями применяются очень много различных схем включения, это различные преобразователи ток-напряжение,  сумматоры, интеграторы и логарифмирующие усилители и все их рассматривать можно очень долго.

Если вас заинтересовали другие схемы включения и хотите с ними разобраться то советую полистать книжку П.Хоровица и У.Хилла,  все обязательно встанет на свои места.

А на этом я буду завершать, тем более статья получилась достаточно объемной и  после написания ее нужно чутка подшлифовать и навести марафет.

Друзья, не забывайте подписываться на обновления блога, ведь чем больше читателей подписано на обновления тем больше я понимаю что  делаю что-то важное и полезное и это чертовски мотивирует на новые статьи и материалы.

Кстати друзья, у меня возникла одна классная идея и мне очень важно слышать ваше мнение. Я подумываю выпустить обучающий материал   по операционным усилителям, этот материал будет в виде обычной pdf книжки или видеокурса, еще не решил. Мне кажется что несмотря на большое обилие информации в интернете и в литературе все=таки не хватает наглядной практической информации, такой, которую сможет понять каждый.

Так вот, напишите пожалуйста в комментариях какую информацию вы хотели бы видеть в этом обучающем материале чтобы я мог выдавать не просто полезную информацию а информацию которая действительно востребована.

А на этом у меня все, поэтому я желаю вам удачи, успехов и прекрасного настроения, даже не смотря на то что за окном зима!

С н/п Владимир Васильев.

P.S. Друзья, обязательно подписывайтесь на обновления! Подписавшись вы будете получать новые материалы себе прямо на почту! И кстати каждый подписавшийся получит полезный подарок!

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
Практическое применение операционных усилителей.Часть первая.
РадиоКот >Статьи >

Практическое применение операционных усилителей.Часть первая.

Всем привет.
В этой статье мы обсудим некоторые аспекты практического применения операционных усилителей в повседневной жизни радиолюбителя.
Не растекаясь мыслею по древу и не вдаваясь в дремучие теоретические основы работы вышеозначенного усилителя, давайте все же обозначим некоторые основные термины и понятия, с которыми нам предстоит столкнуться в дальнейшем.
Итак - операционный усилитель. Далее будем называть его ОУ, а то очень лень писать каждый раз полностью.
На принципиальных схемах, чаще всего, он обозначается следующим образом:

На рисунке обозначены три самых главных вывода ОУ - два входа и выход. Разумеется, есть еще выводы питания и иногда выводы частотной коррекции, хотя последнее встречается все реже - у большинства современных ОУ она встроенная. Два входа ОУ - Инвертирующий и Неинвертирующий названы так по присущим им свойствам. Если подать сигнал на Инвертирующий вход, то на выходе мы получим инвертированный сигнал, то бишь сдвинутый по фазе на 180 градусов - зеркальный; если же подать сигнал на Неинвертирующий вход, то на выходе мы получим фазово не измененный сигнал.

Так же как и основных выводов, основных свойств ОУ тоже три - можно назвать их ТриО (или ООО - кому как нравится): Очень высокое сопротивление входа, Очень высокий коэффициент усиления (10000 и более), Очень низкое сопротивление выхода. Еще один очень важный параметр ОУ называется скорость нарастания напряжения на выходе (slew rate на буржуинском). Обозначает он фактически быстродействие данного ОУ - как быстро он сможет изменить напряжение на выходе при изменение оного на входе.
Измеряется этот параметр в вольтах в секунду (В/сек).
Этот параметр важен прежде всего для товарищей, конструирующих УЗЧ, поскольку, если ОУ недостаточно быстрый, то он не будет успевать за входным напряжением на высоких частотах и возникнут изрядные нелинейные искажения. У большинства современных ОУ общего назначения скорость нарастания сигнала от 10В/мксек и выше. У быстродействующих ОУ этот параметр может достигать значения 1000В/мксек.
Оценить - подходит ли тот или иной ОУ для ваших целей по скорости нарастания сигнала можно по формуле:

где, fmax - частота синусоидального сигнала, Vmax - скорость нарастания сигнала, Uвых - максимальное выходное напряжение.
Ну да не будем больше тянуть кота за хвост - приступим к главной задаче этого опуса - куда, собственно, эти клевые штуки можно воткнуть и что из этого можно получить.

Первая схема включения ОУ - инвертирующий усилитель.

Наиболее популярная и часто встречающаяся схема усилителя на ОУ. Входной сигнал подается на инвертирующий вход, а неинвертирующий вход подключается к общему проводу.
Коэффициент усиления определяется соотношением резисторов R1 и R2 и считается по формуле:

Почему "минус"? Потому что, как мы помним, в инвертирующем усилителе фаза выходного сигнала "зеркальна" фазе входного.
Входное сопротивление определяется резистором R1. Ежели его сопротивление, например 100кОм, то и входное сопротивление усилителя будет 100кОм.

Следующая схема - инвертирующий усилитель с повышенным входным сопротивлением.
Предыдущая схема всем хороша, за исключением одного нюанса - соотношение входного сопротивления и коэффициента усиления может не подойти для реализации какого-либо специфического проекта. Ведь что получается - допустим, нам нужен усилитель с К=100. Тогда, исходя из того, что значения резисторов должны быть в разумных пределах берем R2=1Мом, а R1=10кОм. То есть, входное сопротивление усилителя будет равным 10 кОм, что в некоторых случаях недостаточно.
В этих самых случая можно применить следующую схему:

В данном случае, коэффициент усиления считается по следующей формуле:

То есть, при том же коэффициенте усиление сопротивление R1 можно увеличить, а значит и повысить входное сопротивление усилителя.

Едем дальше - неинвертирующий усилитель.
Выглядит он следующим образом:

Коэффициент усиления определяется так:

В данном случае, как видите, никаких минусов нет - фаза сигнала на входе и на выходе совпадает.
Основное отличие от инвертирующего усилителя заключается в повышенном входном сопротивлении, которое может достигать 10Мом и выше.
Если при реализации данной схемы в практических конструкциях, необходимо предусмотреть развязку с предыдущими каскадами по постоянному току - установить разделительный конденсатор, то нужно между входом ОУ и общим проводом включить резистор сопротивлением около 100кОм, как показано на рисунке.

Если этого не сделать, то ОУ перевозбудится и ничего дельного вы от него не получите. Ну кроме половины питания на выходе.

Усилитель с изменяемым коэффициентом усиления.

Примем R1=R2=R3=R. И введем некую переменную А, которая может принимать значения от 1 до 0 в зависимости от поворота движка переменного резистора R3.
Тогда коэффициент усиления можно определить так:
K=2A-1
Входное сопротивление практически не зависит от положения движка переменного резистора.
Так, с усилителями разобрались - дальше у нас по плану - фильтры.

Вопросы, как обычно, складываем тут.


Как вам эта статья?

Заработало ли это устройство у вас?

Схемы включения операционных усилителей | HomeElectronics

Прошлая статья открыла цикл статей про строительные кирпичики современной аналоговой электроники – операционные усилители. Было дано определение ОУ и некоторые параметры, также приведена классификация операционных усилителей. Данная статья раскроет такое понятие как идеальный операционный усилитель, и будут приведены основные схемы включения операционного усилителя.

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

Идеальный операционный усилитель и его свойства

Так как наш мир не является идеальным, так и идеальных операционных усилителей не существует. Однако параметры современных ОУ находятся на достаточно высоком уровне, поэтому анализ схем с идеальными ОУ даёт результаты, очень близкие к реальным усилителям.

Для понимания работы схем с операционными усилителями вводится ряд допущений, которые приводят реальные операционные усилители к идеальным усилителям. Таких допущений всего пять:

  1. Ток, протекающий через входы ОУ, принимается равным нулю.
  2. Коэффициент усиления ОУ принимается бесконечно большим, то есть выходное напряжение усилителя может достичь любых значений, однако в реальность ограничено напряжением питания.
  3. Разность напряжений между входами идеального ОУ равна нулю, то есть если один из выводов соединён с землёй, то и второй вывод имеет такой же потенциал. Отсюда также следует, что входное сопротивление идеального усилителя бесконечно.
  4. Выходное сопротивление идеального ОУ равно нулю.
  5. Амплитудно-частотная характеристика идеального ОУ является плоской, то есть коэффициент усиления не зависит от частоты входного сигнала.

Близость параметров реального операционного усилителя к идеальным определяет точность, с которой может работать данный ОУ, а также выяснить ценность конкретного операционного усилителя, быстро и правильно сделать выбор подходящего ОУ.

Исходя из вышеописанных допущений, появляется возможность проанализировать и вывести соотношения для основных схем включения операционного усилителя.

Основные схемы включения операционного усилителя

Как указывалось в предыдущей статье, операционные усилители работают только с обратными связями, от вида которой зависит, работает ли операционный усилитель в линейном режиме или в режиме насыщения. Обратная связь с выхода ОУ на его инвертирующий вход обычно приводит к работе ОУ в линейном режиме, а обратная связь с выхода ОУ на его неинвертирующий вход или работа без обратной связи приводит к насыщению усилителя.

Неинвертирующий усилитель

Неинвертирующий усилитель характеризуется тем, что входной сигнал поступает на неинвертирующий вход операционного усилителя. Данная схема включения изображена ниже


Схема включения неинвертирующего усилителя.Схема включения неинвертирующего усилителя.
Схема включения неинвертирующего усилителя.

Работа данной схемы объясняется следующим образом, с учётом характеристик идеального ОУ. Сигнала поступает на усилитель с бесконечным входным сопротивлением, а напряжение на неинвертирующем входе имеет такое же значение, как и на инвертирующем входе. Ток на выходе операционного усилителя создает на резисторе R2 напряжение, равное входному напряжению.

Таким образом, основные параметры данной схемы описываются следующим соотношением


2016010120160101

Отсюда выводится соотношение для коэффициента усиления неинвертирующего усилителя


2016010220160102

Таким образом, можно сделать вывод, что на коэффициент усиления влияют только номиналы пассивных компонентов.

Необходимо отметить особый случай, когда сопротивление резистора R2 намного больше R1 (R2 >> R1), тогда коэффициент усиления будет стремиться к единице. В этом случае схема неинвертирующего усилителя превращается в аналоговый буфер или операционный повторитель с единичным коэффициентом передачи, очень большим входным сопротивлением и практически нулевым выходным сопротивлением. Что обеспечивает эффективную развязку входа и выхода.

Инвертирующий усилитель

Инвертирующий усилитель характеризуется тем, что неинвертирующий вход операционного усилителя заземлён (то есть подключен к общему выводу питания). В идеальном ОУ разность напряжений между входами усилителя равна нулю. Поэтому цепь обратной связи должна обеспечивать напряжение на инвертирующем входе также равное нулю. Схема инвертирующего усилителя изображена ниже


Схема инвертирующего усилителяСхема инвертирующего усилителя
Схема инвертирующего усилителя.

Работа схемы объясняется следующим образом. Ток протекающий через инвертирующий вывод в идеальном ОУ равен нулю, поэтому токи протекающие через резисторы R1 и R2 равны между собой и противоположны по направлению, тогда основное соотношение будет иметь вид


2016020120160201


2016020220160202
2016020320160203


2016020420160204

Тогда коэффициент усиление данной схемы будет равен


2016020520160205

Знак минус в данной формуле указывает на то, что сигнал на выходе схемы инвертирован по отношению к входному сигналу.

Интегратор

Интегратор позволяет реализовать схему, в которой изменение выходного напряжения пропорционально входному сигналу. Схема простейшего интегратора на ОУ показана ниже


интеграторинтегратор
Интегратор на операционном усилителе.

Данная схема реализует операцию интегрирования над входным сигналом. Я уже рассматривал схемы интегрирования различных сигналов при помощи интегрирующих RC и RL цепочек. Интегратор реализует аналогичное изменение входного сигнала, однако он имеет ряд преимуществ по сравнению с интегрирующими цепочками. Во-первых, RC и RL цепочки значительно ослабляют входной сигнал, а во-вторых, имеют высокое выходное сопротивление.

Таким образом, основные расчётные соотношения интегратора аналогичны интегрирующим RC и RL цепочкам, а выходное напряжение составит


2016030120160301

Интеграторы нашли широкое применение во многих аналоговых устройствах, таких как активные фильтры и системы автоматического регулирования

Дифференциатор

Дифференциатор по своему действию противоположен работе интегратора, то есть выходной сигнал пропорционален скорости изменения входного сигнала. Схема простейшего дифференциатора показана ниже


Дифференциатор на операционном усилителеДифференциатор на операционном усилителе
Дифференциатор на операционном усилителе.

Дифференциатор реализует операцию дифференцирование над входным сигналом и аналогичен действию дифференцирующих RC и RL цепочек, кроме того имеет лучшие параметры по сравнению с RC и RL цепочками: практически не ослабляет входной сигнал и обладает значительно меньшим выходным сопротивлением. Основные расчётные соотношения и реакция на различные импульсы аналогична дифференцирующим цепочкам.

Выходное напряжение составит


2016030220160302

Логарифмирующий преобразователь

Одной из схем на операционном усилителе, которые нашли применение, является логарифмирующий преобразователь. В данном схеме используется свойство диода или биполярного транзистора. Схема простейшего логарифмического преобразователя представлена ниже


Логарифмирующий преобразовательЛогарифмирующий преобразователь
Логарифмирующий преобразователь.

Данная схема находит применение, прежде всего в качестве компрессора сигналов для увеличения динамического диапазона, а так же для выполнения математических функций.

Рассмотрим принцип работы логарифмического преобразователя. Как известно ток, протекающий через диод, описывается следующим выражением


2016040120160401

где IO – обратный ток диода,
е – число е, основание натурального логарифма, e ≈ 2,72,
q – заряд электрона,
U – напряжение на диоде,
k – постоянная Больцмана,
T – температура в градусах Кельвина.

При расчётах можно принимать IO ≈ 10-9 А, kT/q = 25 мВ. Таким образом, входной ток данной схемы составит


2016040220160402

тогда выходное напряжение


2016040320160403

Простейший логарифмический преобразователь практически не используется, так как имеет ряд серьёзных недостатков:

  1. Высокая чувствительность к температуре.
  2. Диод не обеспечивает достаточной точности преобразования, так как зависимость между падением напряжения и током диода не совсем логарифмическая.

Вследствие этого вместо диодов применяют транзисторы в диодном включении или с заземлённой базой.

Экспоненциальный преобразователь

Схема экспоненциального преобразователь получается из логарифмического преобразователя путём перемены места диода и резистора в схеме. А работа такой схемы так же как и логарифмического преобразователя основана на логарифмической зависимости между падение напряжения на диоде и током протекающим через диод. Схема экспоненциального преобразователя показана ниже


Экспоненциальный преобразовательЭкспоненциальный преобразователь
Экспоненциальный преобразователь.

Работа схемы описывается известными выражениями


2016040120160401


2016050120160501

Таким образом, выходное напряжение составит


2016050220160502

Также как и логарифмический преобразователь, простейший экспоненциальный преобразователь с диодом на входе применяют редко, вследствие вышеописанных причин, поэтому вместо диодов на входе используют биполярные транзисторы в диодном включении или с общей базой.

Схемы включения операционных усилителей, описанные выше, не являются исчерпывающими, а лишь только призваны дать основные понятия. Более подробно схемы включения операционных усилителей я рассмотрю в следующих статьях. Всем удачи.

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

Операционный усилители в линейных схемах. Часть 3

Всем доброго времени суток. Сегодня публикую третью часть статьи о применении операционных усилителей в линейных цепях. В предыдущих частях я рассказал о инвертирующих и неинвертирующих схемах на основе ОУ. Данная статья будет посвящена дифференциальным или разностным усилителям, которые составляют основу измерительных усилителей.

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

Дифференциальный усилитель

В одной из статей я рассказывал о дифференциальных усилителях, выполненных на транзисторах. Одной из особенностей таких усилителей является усиление разности сигналов поступающих на входы дифференциального усилителя. Данная особенность позволяет усиливать слабые сигналы, которые замаскированы более сильными сигналами, а также позволяет значительно уменьшить уровень шумов усилительных приборов.

Кроме транзисторных дифференциальных усилителей существует большой класс дифференциальных усилителей выполненных на ОУ. Схема простейшего дифференциального усилителя на ОУ представлена ниже


Схема дифференциального усилителя на основе ОУСхема дифференциального усилителя на основе ОУ
Схема дифференциального усилителя на основе ОУ.

Данная схема имеет довольно простое устройство и состоит из ОУ DA1 и четырёх резисторов R1, R2, R3 и R4. ОУ DA1 охвачен обратной связью через резисторы R3, R4, а через резисторы R1, R2 поступает входные сигналы.

Схема дифференциального усилителя на основе ОУ фактически представляет собой два усилителя – инвертирующий и неинвертирующий. Инвертирующий усилитель получится, если заземлить вход UBX2, тогда неивертирующий вход ОУ окажется, заземлён через параллельно соединенные резисторы R2 и R3 и схема превратится в инвертирующий усилитель, а выходное напряжение в данном случае составит, как известно


20160327012016032701

в случае, если заземлить вход UBX1, а сигнал будет поступать на UBX2, то схема превратится в неинвертирующий усилитель, на входе которого включён делитель напряжения, тогда выходное напряжение составит


20160327022016032702

Если входные сигналы будут поступать на оба входа UBX1 и UBX2, то выходное напряжение будет иметь вид


20160327032016032703

Не трудно заметить, что если оптимизировать схему, чтобы выполнялось следующее соотношение


20160327042016032704

То выходное напряжение будет пропорционально разности входных напряжений


20160327052016032705

Поэтому данный усилитель и назвали дифференциальным, то есть разностным усилителем.

Параметры дифференциального усилителя

Как известно из предыдущей статьи дифференциальный усилитель имеет ряд специфических параметров:

Тогда общий КОСС всей схемы будет иметь вид


20160327092016032709

Входное сопротивление дифференциального усилителя состоит из суммы сопротивлений по двум входным каналам. Для входа UBX1, составит


20160327102016032710

Для входа UBX2, входное сопротивление составит


20160327112016032711

Выходное сопротивление дифференциального усилителя рассчитывается так же как и выходные сопротивления инвертирующего и неинвертирующего усилителя


20160327122016032712

где RBbIX.ОУ – выходное сопротивление ОУ,

КОУ – коэффициент усиления ОУ.

Таким образом, простейший дифференциальный усилитель на ОУ имеет очень простое схемное решение однако и его параметры, в частности, входное сопротивление, очень мало (порядка единиц – десятков кОм), поэтому данная схема находит применение в схемах где точность и влияние выходного сопротивления не играют большой роли. Большее распространение получили дифференциальные усилители, состоящие из нескольких ОУ, которые за свои высокие параметры называют инструментальными или измерительные усилители.

Улучшение параметров дифференциального усилителя

Основными недостатками вышеописанной схемы дифференциального усилителя являются низкое сопротивление и возникновение трудности изменить коэффициент усиления, так как соотношение сопротивлений должно быть достаточно точно согласовано.

Первый недостаток связан с тем, что входным сопротивлением дифференциального усилителя являются по сути сопротивления резисторов R1 и R2, которые имеют величину от единиц до десятков кОм. При увеличении величин этих сопротивлений приходится увеличивать сопротивления R3 и R4, что приводит к уменьшению полосы пропускания усилителя и появлению дополнительных шумов. Решением данной проблемы является изолирование и развязка входов дифференциального усилителя при помощи двух повторителей напряжения по схеме неивертирующего усилителя. Схема такого дифференциального усилителя представлена ниже


Схема увеличения входного сопротивления дифференциального усилителя на ОУСхема увеличения входного сопротивления дифференциального усилителя на ОУ
Схема увеличения входного сопротивления дифференциального усилителя на ОУ.

Схема состоит из двух операционных усилителей включённых по схеме повторителя напряжения, входное сопротивление которых очень велико (десятки-сотни МОм), поэтому сопротивление источника сигнала практически не влияет на входное напряжение. На нагрузке RH итоговое напряжение будет зависеть от разности входных напряжений


20160327132016032713

Особенностью данной схемы является то, что она имеет дифференциальный выход, то есть сопротивление нагрузки подключается только к выходам операционных усилителей DA1 и DA2

Для решения, проблемы упрощения регулирования коэффициента усиления дифференциального усилителя, может быть применена схема состоящая, как и предыдущая из двух повторителей напряжения с включением на дифференциальном выходе, параллельно сопротивлению нагрузки, дополнительно трёх последовательных резисторов. Данная схема изображена ниже


Схема дифференциального усилителя, позволяющая регулировать коэффициент усиления одним резисторомСхема дифференциального усилителя, позволяющая регулировать коэффициент усиления одним резистором
Схема дифференциального усилителя, позволяющая регулировать коэффициент усиления одним резистором.

Данная схема состоит из двух ОУ DA1 и DA2, включённых по схеме повторителя напряжения и резисторов R1, R2 и R3, причём R1 = R3 = R.

Работа данной схемы объясняется следующим образом. В соответствии с принципом виртуального замыкания, напряжение между инвертирующим и неинвертирующим входом ОУ равно нулю, поэтому на резисторе R2 напряжение будет равно разности между напряжениями UBX1 и UBX1.


20160327142016032714

Тогда ток, протекающий через резистор R2, составит


20160327152016032715

Так как резисторы R1, R2 и R3 включены последовательно, то такой же ток протекает и через резисторы R1 и R3. Тогда, с учётом того что R1 = R3 = R, выходное напряжение на сопротивлении нагрузки составит


20160327162016032716

Легко заметить, что выходное напряжение зависит от отношения сопротивлений R1, R2 и R3, поэтому изменяя величину сопротивления резистора R2 можно изменять величину выходного напряжения, а, следовательно, и коэффициент усиления схемы. Приняв отношение сопротивлений R и R2, за некоторый коэффициент пропорциональности можно несколько упростить выражение для выходного напряжения


20160327172016032717

Вышеописанные дифференциальные усилители имеют один недостаток: работа усилителя возможна только на незаземлённую (плавающую) нагрузку, то есть нагрузка не должна быть соединена с землёй. Для устранения данного недостатка необходимо на выход схемы добавить усилитель с дифференциальным входом и несимметричным выходом. Таким усилителем является простейший дифференциальный усилитель, рассмотренный вначале статьи. Получившаяся схема носит название измерительного или инструментального усилителя.

Измерительный усилитель

Измерительный или инструментальный усилитель находит широкое применение в измерительных схемах и устройствах благодаря тому, что имеют коэффициент усиления, не зависящий от внешних факторов (частоты сигнала, амплитуды, сопротивления нагрузки и т.д.). Кроме того, измерительный усилитель обладает высоким входным сопротивлением (десятки и сотни МОм) и низким выходным сопротивлением (единицы и десятки Ом). Схема измерительного усилителя представлена ниже


Измерительный (инструментальный) усилитель на трёх ОУИзмерительный (инструментальный) усилитель на трёх ОУ
Измерительный (инструментальный) усилитель на трёх ОУ.

Измерительный усилитель состоит из трёх операционных усилителей DA1, DA2, DA3 и резисторов обвязки R1, R2, R3, R4, R5, R6 и R7. Данный тип усилителя функционально состоит из двух узлов: буферного каскада на двух повторителях напряжения DA1, DA2 и дифференциального усилителя DA3. В данной схеме резисторы R4, R5, R6 и R7 выбирают одинакового сопротивления для того, чтобы коэффициент усиления выходного дифференциального усилителя был равен единице. Таким образом, при условии равенства сопротивлений резисторов R1 и R3 регулировка коэффициента усиления измерительного усилителя будет осуществляться с помощью резистора R2. В общем же случае коэффициент усиления данной схемы будет определяться следующим выражением


20160327182016032718

Довольно часто резистор R6 состоит из двух: постоянного и переменного резистора, что очень удобно для более точного согласования резисторов обвязки дифференциального усилителя DA3.

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

Op Amp Gain - Объяснение Вычисление Уравнение »Электроника Примечания

Усиление является ключевым аспектом проектирования схем операционного усилителя: расчеты могут проводиться для общих схем или с более конкретными формулами для инвертирующих и неинвертирующих усилителей.


Руководство по операционному усилителю включает в себя:
Введение Усиление операционного усилителя Пропускная способность Скорость нарастания операционного усилителя Смещение ноль Входное сопротивление Выходное сопротивление Понимание спецификаций Как выбрать операционный усилитель Сводка по операционным усилителям


Одним из ключевых аспектов производительности операционных усилителей и их конструкции электронных схем является усиление.Операционные усилители сами по себе предлагают огромный уровень усиления при использовании в так называемой конфигурации с разомкнутым контуром.

В условиях разомкнутого контура коэффициент усиления операционного усилителя может быть выше 10 000, при этом некоторые операционные усилители имеют уровни усиления, значительно превышающие этот показатель в десять раз. Даже с операционными усилителями одного и того же типа могут быть большие вариации усиления в результате используемых процессов изготовления.

Несмотря на то, что сами операционные усилители предлагают огромный уровень усиления, этот коэффициент усиления редко используется в этой форме для усиления сигнала - его было бы чрезвычайно трудно использовать, поскольку даже очень маленькие входные сигналы выводили бы выход за пределы напряжения на рейке с результирующим ограничением или отсечение вывода.

Используя метод, известный как отрицательная обратная связь в конструкции электронной схемы, огромные уровни усиления могут быть использованы для хорошего эффекта, обеспечивая плоские частотные характеристики, низкие искажения и очень определенные уровни усиления для всей схемы, не зависящие от фактическое усиление IC, но на том из внешних компонентов, значения которых могут быть точно выбраны.

В других схемах операционного усилителя обратная связь может использоваться для обеспечения других эффектов, таких как фильтрация и тому подобное.

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


Посмотрите наше видео по усилению операционного усилителя


Основы усиления ОУ

Существует два основных сценария, которые можно учитывать при рассмотрении коэффициента усиления ОУ и конструкции электронных схем с использованием этих электронных компонентов:

  • Коэффициент усиления в разомкнутом контуре: Этот коэффициент усиления измеряется, когда на цепь операционного усилителя не подается обратная связь.Другими словами, он работает в формате разомкнутого цикла. Цифры усиления для операционного усилителя в этой конфигурации обычно очень высоки, обычно от 10 000 до 100 000. Это усиление операционного усилителя само по себе.

    Цифры часто приводятся в паспортах операционных усилителей в единицах вольт на милливольт, В / мВ. Цитирование коэффициента усиления в этих терминах позволяет записать коэффициент усиления в более удобном формате. 10 В / мВ соответствует увеличению напряжения на 10 000. Это экономит на записи много нулей.

  • Коэффициент усиления в замкнутом контуре: Этот коэффициент усиления измеряется, когда работает контур обратной связи, то есть замкнутый контур. Благодаря применению отрицательной обратной связи общий коэффициент усиления схемы значительно уменьшается 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 цепи операционного усилителя, чтобы обеспечить необходимую обратную связь.

    Коэффициент усиления измеряется при замкнутом контуре и при условии достаточной разницы между коэффициентом усиления разомкнутого и замкнутого контура, схема будет работать в соответствии с обратной связью, размещенной вокруг нее.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. Наиболее распространенное применение этого для компараторов, где выход требуется на одном из двух уровней. Триггер Шмитта является одним из примеров, когда гистерезис вводится в систему.В этих приложениях следует использовать компараторные ИС, 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 предприняты шаги для обеспечения стабильности операционного усилителя и его цепи даже при наличии отрицательной обратной связи.

Используется метод, известный как компенсация. В ранних операционных усилителях внешние электронные компоненты использовались, чтобы добавить компенсацию, но в более поздних чипах это было добавлено внутренне.В основных терминах небольшой конденсатор добавляется к внутренним элементам операционного усилителя. Это уменьшает тенденцию к колебаниям, но также уменьшает пропускную способность разомкнутого контура.

Closed feedback loop op amp gain and bandwidth. Замкнутый контур обратной связи, усиление ОУ и АЧХ.

Несмотря на то, что ширина полосы разомкнутого контура схемы операционного усилителя уменьшается, после применения отрицательной обратной связи для большинства целей может быть достигнут достаточный уровень усиления с ровной частотной характеристикой.


Обобщенное усиление операционного усилителя

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

Можно разработать обобщенную концепцию применения отрицательной обратной связи. Из этого могут быть разработаны более конкретные сценарии.

Generic op amp gain feedback configuration Общая конфигурация отрицательного сигнала обратной связи операционного усилителя

Можно рассчитать общую формулу для усиления операционного усилителя в цепи:

В сумма знак равно В в - В В вне

Выходное напряжение затем может быть рассчитано на основе знания входного напряжения, усиления и обратной связи:

В вне знак равно В сумма знак равно В в - В В вне

Теперь это можно использовать для генерации общего уравнения усиления операционного усилителя с обратной связью.

В вне В в знак равно грамм знак равно 1 + В

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

Два простейших примера схем операционного усилителя, использующих обратную связь, - это форматы для инвертирующих и неинвертирующих усилителей.

Инвертирующий усилок ОУ

Схема инвертирующего контура операционного усилителя показана ниже. Эта схема имеет выход 180 °, не совпадающий по фазе с входом, а также обеспечивает виртуальный вход заземления.

Схема операционного усилителя довольно проста с использованием нескольких электронных компонентов: одного резистора обратной связи с выхода на инвертирующий вход и резистора с инвертирующего входа на вход схемы. Неинвертирующий вход имеет точку заземления. Эта схема операционного усилителя использует только два дополнительных электронных компонента, что делает его очень простым и легким в реализации.

Basic inverting operational amplifier used in electronic cicuit design Принципиальная инвертирующая схема операционного усилителя

Легко вывести уравнение усиления операционного усилителя. Входной сигнал для самого операционного усилителя не потребляет ток, поскольку наши вычисления касаются этого, поскольку полное сопротивление каждого входа и усилителя e будет значительно выше 100 кОм и, возможно, значительно выше 1 МОм. Это означает, что любой ток, протекающий в микросхему, можно игнорировать.

Отсюда видно, что ток, протекающий в резисторах R1 и R2, одинаков, поскольку ток не течет из соединения между двумя резисторами.

Использование закона Ома V из / R 2 = -V в / R 1 . Следовательно, коэффициент усиления по напряжению в цепи Av можно принять равным:

В качестве примера, усилитель, требующий коэффициента усиления 10, можно построить, сделав R 2 47 кОм и R 1 4,7 кОм.

Неинвертирующий усиление операционного усилителя

Схема неинвертирующего операционного усилителя показана ниже. Он предлагает более высокий входной импеданс, чем схема инвертирующего операционного усилителя.Как и схема инвертирующего операционного усилителя, требуется только два электронных компонента: два резистора для обеспечения требуемой обратной связи.

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

Basic non-inverting operational amplifier circuit used in electronic ciuit design Принципиальная неинвертирующая схема операционного усилителя

Усиление неинвертирующей схемы для операционного усилителя также легко определить в процессе проектирования электронных схем.Расчет основывается на том, что напряжение на обоих входах одинаково.

Это связано с тем, что усиление усилителя чрезвычайно велико. Если выход цепи остается в пределах питающих шин усилителя, то выходное напряжение, деленное на коэффициент усиления, означает, что между двумя входами практически нет разницы.

Мы можем предположить, что для целей нашего расчета вход на операционный усилитель не потребляет ток, поскольку сопротивление входов микросхемы будет значительно выше используемых значений резистора.

Это означает, что ток, протекающий в резисторах R 1 и R 2 , одинаков. Напряжение на инвертирующем входе формируется из делителя потенциала, состоящего из R 1 и R 2 , и, поскольку напряжение на обоих входах одинаково, напряжение на инвертирующем входе должно быть таким же, как и на -инвертирующий ввод

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

В качестве примера, усилитель, требующий усиления одиннадцати, может быть построен, сделав R 2 47 кОм и R 1 4.7 кОм.

Коэффициент усиления операционного усилителя

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

усиление операционного усилителя в других ситуациях

Это нормально использовать операционные усилители в линейных приложениях с отрицательной обратной связью, хотя это не всегда так. При этом используется очень высокий коэффициент усиления усилителя с разомкнутым контуром для обеспечения воспроизводимых характеристик, управляемых внешними компонентами.

Примеры таких схем операционного усилителя включают усилители, фильтры, дифференциаторы и интеграторы.

Однако возможно также использование операционных усилителей с другими формами обратной связи для получения других эффектов.

Одно из применений использования положительной обратной связи в цепи операционного усилителя для обеспечения коммутации, для которой 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 применяютсяОднако основные принципы обратной связи и усиления по-прежнему применимы к этому типу ИС или схемного блока.

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

Больше схем и схемотехники:
Основы операционного усилителя Операционные усилители Цепи питания Транзисторная конструкция Транзистор Дарлингтон Транзисторные схемы Полевые схемы Схема символов
Возврат в меню схемы., ,

.
Схема проектирования, конфигурации, усиления и практические примеры
Операционный усилитель

, сокращение от , операционный усилитель является основой аналоговой электроники. Операционный усилитель представляет собой электронный компонент, подключенный к постоянному току, который усиливает напряжение с дифференциального входа с помощью резисторной обратной связи. Операционные усилители популярны своей универсальностью, так как их можно настраивать разными способами и использовать в разных аспектах. Схема операционного усилителя состоит из нескольких переменных, таких как полоса пропускания, входное и выходное сопротивление, запас усиления и т. Д.Различные классы операционных усилителей имеют разные характеристики в зависимости от этих переменных. В различных корпусах интегральных микросхем (IC) имеется множество операционных усилителей, некоторые операционные усилители имеют два или более операционных усилителя в одном корпусе. LM358, LM741, LM386 - это некоторые часто используемые ИС операционных усилителей. Вы можете узнать больше об операционных усилителях, следуя нашему разделу схем операционных усилителей.

Операционный усилитель имеет два дифференциальных входа и выходной контакт вместе с выводами питания.Эти два дифференциальных входа - это инвертирующего контакта или отрицательный и неинвертирующего контакта или положительный. Операционный усилитель усиливает разницу в напряжении между этими двумя входными контактами и обеспечивает усиленный выход через его Vout или выходной контакт.

В зависимости от типа входа операционный усилитель может быть классифицирован как инвертирующий или неинвертирующий. В этом уроке мы изучим , как использовать операционный усилитель в неинвертирующей конфигурации .

В неинвертирующей конфигурации входной сигнал подается на неинвертирующий входной вывод ( положительный вывод ) операционного усилителя.Вследствие этого усиленный выходной сигнал становится « синфазным » с входным сигналом.

Как мы уже говорили, операционному усилителю требуется обратная связь для усиления входного сигнала . Обычно это достигается путем подачи небольшой части выходного напряжения обратно на инвертирующий вывод (в случае неинвертирующей конфигурации) или в неинвертирующий вывод (в случае инвертирующего вывода) с использованием сети делителя напряжения.

Конфигурация неинвертирующего операционного усилителя

Non-Inverting Op-Amp Circuit

На верхнем рисунке показан операционный усилитель с неинвертирующей конфигурацией .Сигнал, который необходимо усилить с помощью операционного усилителя, подается на положительный или неинвертирующий вывод схемы операционного усилителя, в то время как делитель напряжения с использованием двух резисторов R1 и R2 обеспечивает небольшую часть вывод на инвертирующий вывод схемы операционного усилителя. Эти два резистора обеспечивают необходимую обратную связь с операционным усилителем. В идеальном состоянии входной вывод операционного усилителя будет обеспечивать высокий входной импеданс, а выходной контакт будет иметь низкий выходной импеданс.

Voltage Divider Circuit

Усиление зависит от двух резисторов обратной связи ( R1 и R2 ), подключенных в качестве конфигурации делителя напряжения. R2 упоминается как Rf ( Обратная связь резистор )

Выход делителя напряжения, который подается на неинвертирующий вывод усилителя, равен Vin, поскольку точки соединения Vin и делителя напряжения расположены на одном и том же узле заземления.

В связи с этим, и поскольку Vout зависит от сети обратной связи, мы можем рассчитать усиление по напряжению в замкнутом контуре , как показано ниже.

Усиление неинвертирующего операционного усилителя

Voltage Divider Output Voltage

Поскольку напряжение на выходе делителя напряжения совпадает с напряжением на входе , Vout делителя = Vin

  Итак, Vin / Vout = R1 / (R1 + Rf) 
  или Vout / Vin = (R1 + Rf) / R1  

Общее усиление напряжения усилителя (Av) Vout / Vin

  Итак, Av = Vout / Vin = (R1 + Rf) / R1  

Используя эту формулу, мы можем сделать вывод, что коэффициент усиления по напряжению в замкнутом контуре неинвертирующего операционного усилителя равен

.
  Av = Vout / Vin = 1 + (Rf / R1)  

Таким образом, по этому коэффициенту усиление операционного усилителя не может быть меньше, чем или 1 .Кроме того, усиление будет положительным , и оно не может быть в отрицательной форме. Коэффициент усиления напрямую зависит от соотношения Rf и R1.

Интересно, что если мы добавим значение резистора обратной связи или Rf как 0 , усиление будет 1 или единиц . И если R1 становится 0 , то усиление будет бесконечности . Но это возможно только теоретически. В действительности, это широко зависит от поведения операционного усилителя и усиления разомкнутой петли.

Операционный усилитель

также можно использовать в качестве усилителя суммирования с двумя дополнительными входными напряжениями.

Практический пример неинвертирующего усилителя

Мы разработаем схему неинвертирующего операционного усилителя, которая будет давать 3x , усиление напряжения на выходе, сравнивая входное напряжение.

Мы сделаем вход в операционном усилителе. Мы сконфигурируем операционный усилитель в неинвертирующей конфигурации с возможностями усиления 3x .Мы выбрали значение резистора R1 как 1.2k , мы выясним значение резистора Rf или R2 и рассчитаем выходное напряжение после усиления.

Поскольку коэффициент усиления зависит от резисторов и формула Av = 1 + (Rf / R1)

В нашем случае коэффициент усиления равен 3 , а значение R1 равно 1 . . Итак, значение Rf равно

  3 = 1 + (Rf / 1.2k) 
  3 = 1 + (1,2k + Rf / 1,2k) 
  3.6k = 1.2k + Rf 
  3,6 тыс. - 1,2 тыс. = Rf 
  Rf = 2.4k  

После усиления выходное напряжение будет

  Av = Vout / Vin 
  3 = Vout / 2V 
  Vout = 6 В  

Practical Example for Non-Inverting Op-Amp

Пример схемы показан на рисунке выше. R2 является резистором обратной связи, и усиленный выход будет в раза в 3 раза больше, чем вход.

Последователь напряжения или усилитель Unity Gain

Как обсуждалось ранее, если мы сделаем Rf или R2 как 0 , это означает, что в R2 нет сопротивления, а резистор R1 равен бесконечности, тогда усиление усилителя будет 1 или он достигнет усиления единства. Поскольку в R2 отсутствует сопротивление, выход замыкается на с отрицательным или инвертированным входом операционного усилителя .Поскольку усиление составляет 1 или единицы , эта конфигурация называется конфигурацией усилителя с единичным усилением или повторителя напряжения или буфера .

Когда мы поместим входной сигнал на вход положительного операционного усилителя, а выходной сигнал находится в фазе с входным сигналом с усилением 1x , мы получим тот же сигнал на выходе усилителя. Таким образом, выходное напряжение совпадает с входным напряжением. Выходное напряжение = напряжение в .

Таким образом, он будет следить за входным напряжением и производить одинаковый сигнал реплики на своем выходе. Вот почему он называется , схема с повторителем напряжения.

Входной импеданс операционного усилителя очень высок при использовании конфигурации с повторителем напряжения или с единичным усилением . Иногда входное сопротивление намного выше, чем 1 МОм . Таким образом, из-за высокого входного сопротивления мы можем подавать слабые сигналы на вход, и никакой ток не будет течь на входном выводе от источника сигнала к усилителю.С другой стороны, выходной импеданс очень низок, и он будет выдавать такой же входной сигнал на выходе.

Voltage Follower Circuit

На изображении выше показана конфигурация повторителя напряжения. Выход напрямую подключен через отрицательный вывод операционного усилителя. Усиление этой конфигурации составляет 1x .

Как мы знаем,

  Gain (Av) = Vout / Vin 
Итак,  1 = Vout / Vin 
  Вин = Вут . 

Из-за высокого входного сопротивления входной ток составляет 0 , поэтому входная мощность также составляет 0 .Повторитель напряжения обеспечивает большой коэффициент усиления на выходе. Из-за этого поведения повторитель напряжения используется в качестве буферной схемы .

Кроме того, конфигурация буфера обеспечивает хороший коэффициент изоляции сигнала . Благодаря этой функции схема повторителя напряжения используется в активных фильтрах типа с ключом , где ступени фильтров изолированы друг от друга с помощью конфигурации операционного усилителя повторителя напряжения.

Также доступны цифровые буферные схемы, такие как 74LS125 , 74LS244 и т. Д.

Поскольку мы можем управлять усилением неинвертирующего усилителя , мы можем выбрать несколько значений резисторов и создать неинвертирующий усилитель с переменным диапазоном усиления.

Неинвертирующие усилители используются в секторах аудиоэлектроники, а также в области применения, микшерах и различных местах, где необходима цифровая логика с использованием аналоговой электроники.

,
Схема проектирования, конфигурации, усиления и практические примеры
Операционный усилитель

, сокращение от , операционный усилитель является основой аналоговой электроники. Операционный усилитель представляет собой электронный компонент, подключенный к постоянному току, который усиливает напряжение с дифференциального входа с помощью резисторной обратной связи. Операционные усилители популярны своей универсальностью, так как их можно настраивать разными способами и использовать в разных аспектах. Схема операционного усилителя состоит из нескольких переменных, таких как полоса пропускания, входное и выходное сопротивление, запас усиления и т. Д.Различные классы операционных усилителей имеют разные характеристики в зависимости от этих переменных. В различных корпусах интегральных микросхем (IC) имеется множество операционных усилителей, некоторые операционные усилители имеют два или более операционных усилителя в одном корпусе. LM358, LM741, LM386 - это некоторые часто используемые ИС операционных усилителей. Вы можете узнать больше об операционных усилителях, следуя нашему разделу схем операционных усилителей.

Операционный усилитель имеет два дифференциальных входа и выходной контакт вместе с выводами питания. Эти два дифференциальных входа - это инвертирующего контакта или отрицательный и неинвертирующего контакта или положительный.Операционный усилитель усиливает разницу в напряжении между этими двумя входными контактами и обеспечивает усиленный выход через его Vout или выходной контакт.

В зависимости от типа входа операционный усилитель может быть классифицирован как инвертирующий или неинвертирующий. В предыдущем уроке неинвертирующего операционного усилителя мы видели, как использовать усилитель в неинвертирующей конфигурации. В этом уроке мы узнаем , как использовать операционный усилитель в инвертирующей конфигурации .

Инвертирование конфигурации операционного усилителя

Это называется Inverting , потому что операционный усилитель изменяет фазовый угол выходного сигнала точно на 180 градусов не в фазе относительно входного сигнала.Как и прежде, мы используем два внешних резистора для создания цепи обратной связи и замкнутого контура на усилителе.

В неинвертирующей конфигурации мы предоставили положительную обратную связь через усилитель, но для инвертирующей конфигурации мы создали отрицательную обратную связь через цепь операционного усилителя.

Давайте посмотрим схему подключения для инвертирования конфигурации операционного усилителя

Inverting Operational Amplifier

На изображении выше мы видим, что R1 и R2 обеспечивают необходимую обратную связь по схеме операционного усилителя.Резистор R2 является входным резистором сигнала, а резистор R1 является резистором обратной связи. Эта цепь обратной связи заставляет дифференциальное входное напряжение почти нуля .

Обратная связь подключена через отрицательный вывод операционного усилителя, а положительный вывод подключен к земле. Потенциал напряжения на инвертирующем входе такой же, как потенциал напряжения на неинвертирующем входе. Таким образом, через неинвертирующий вход создается точка суммирования Виртуальной Земли, которая находится в том же потенциале, что и земля или Земля.Операционный усилитель будет действовать как дифференциальный усилитель .

Итак, в случае инвертирования операционного усилителя ток не поступает на входную клемму, также входное напряжение равно напряжению обратной связи на двух резисторах, так как они оба используют один общий виртуальный источник заземления. Из-за виртуального заземления входное сопротивление операционного усилителя равно входному резистору операционного усилителя, который является R2. Этот R2 имеет отношение с усилением в замкнутом контуре, и усиление может быть установлено отношением внешних резисторов, используемых в качестве обратной связи.

Поскольку на входной клемме нет тока, а дифференциальное входное напряжение равно нулю, мы можем рассчитать коэффициент усиления замкнутой цепи инвертора.

Gain of Inverting Op-amp

Voltage Divider Circuit

На изображении выше показаны два резистора R2 и R1, которые представляют собой резисторы обратной связи с делителем напряжения, используемые вместе с инвертирующим операционным усилителем. R1 - резистор обратной связи (Rf), а R2 - входной резистор (Rin).Если рассчитать ток, протекающий через резистор, то -

  i = (Vin - Vout) / (Rin (R2) - Rf (R1))  

Так как Dout является средней точкой делителя, мы можем заключить

Calculating Gain of Inverting Operational Amplifier

Как мы описали ранее, из-за виртуальной земли или той же точки суммирования узлов напряжение обратной связи равно 0, Dout = 0. Итак,

Gain formula Derivation

Таким образом, усиление в замкнутом контуре инвертирующего операционного усилителя будет

  Gain (Av) = (Vout / Vin) = - (Rf / Rin)  

Итак, из этой формулы мы получаем любую из четырех переменных, когда доступны три другие переменные.

Как мы можем видеть в формуле отрицательный знак, выходной сигнал будет отклоняться от фазы на на 180 градусов, в отличие от фазы входного сигнала.

Практический пример инвертирующего усилителя

Practical Example of Inverting Amplifier

На изображении выше показана конфигурация операционного усилителя, где два резистора обратной связи обеспечивают необходимую обратную связь в операционном усилителе. Резистор R2, который является входным резистором, и R1, является резистором обратной связи.Входной резистор R2 имеет значение сопротивления 1 кОм, а резистор обратной связи R1 имеет значение сопротивления 10 кОм. Мы рассчитаем усиление инвертирования операционного усилителя. Обратная связь обеспечивается в отрицательной клемме, а положительная клемма соединена с землей.

Формула для инвертирования усиления схемы операционного усилителя -

  Gain (Av) = (Vout / Vin) = - (Rf / Rin)  

В приведенной выше схеме Rf = R1 = 10k и Rin = R2 = 1k

  Итак, Gain (Av) = (Vout / Vin) = - (Rf / Rin) 
  Gain (Av) = (Vout / Vin) = - (10k / 1k)  

Таким образом, коэффициент усиления будет в 10 раз больше, а выходной сигнал будет сдвинут по фазе на 180 градусов.

Теперь, если мы увеличим коэффициент усиления операционного усилителя до -20 раз, каким будет значение резистора обратной связи, если входной резистор будет таким же? Итак,

  Gain = -20 и Rin = R2 = 1k. 
  -20 = - (R1 / 1k) 
  R1 = 20k  

Итак, если мы увеличим значение 10k до 20k, усиление операционного усилителя будет -20 раз.

Мы можем увеличить коэффициент усиления операционного усилителя, изменив соотношение резисторов , однако не рекомендуется использовать меньшее сопротивление, как Rin или R2.По мере того как меньшее значение сопротивления понижает входной импеданс и создает нагрузку для входного сигнала. В типичных случаях для входного резистора используется значение от 4,7 кОм до 10 кОм.

Когда требуется высокое усиление, и мы должны обеспечить высокое сопротивление на входе, мы должны увеличить значение резисторов обратной связи. Но также не рекомендуется использовать очень высокое значение резистора через Rf. Более высокий резистор обратной связи обеспечивает нестабильный запас усиления и не может быть приемлемым выбором для операций, связанных с ограниченной полосой пропускания. Типичное значение 100 кОм или чуть больше того, которое используется в резисторе обратной связи .

Нам также необходимо проверить полосу пропускания цепи операционного усилителя для надежной работы с высоким усилением.

Суммирующий усилитель или схема сумматора операционного усилителя

Инвертирующий операционный усилитель можно использовать в разных местах. Одним из важных применений инвертирующего операционного усилителя является суммирующий усилитель или виртуальный заземлитель.

Summing Amplifier or Op Amp Adder Circuit

На изображении выше показан виртуальный микшер заземления или суммирующий усилитель, в котором инвертированный операционный усилитель микширует несколько разных сигналов через инвертирующий терминал.Вход инвертирующих усилителей фактически находится под потенциалом земли, что обеспечивает превосходное применение микшера в работе, связанной с микшированием звука.

Как мы видим, разные сигналы складываются вместе через отрицательный вывод, используя разные входные резисторы. Количество добавляемых сигналов не ограничено. Коэффициент усиления каждого отдельного сигнального порта определяется соотношением резистора R2 обратной связи и входного резистора конкретного канала.

Трансимпедансный усилитель Circui т

Другое использование инвертирующего усилителя - использование усилителя в качестве трансимпедансного усилителя.

В такой схеме операционный усилитель преобразует очень низкий входной ток в соответствующее выходное напряжение. Таким образом, трансимпедансный усилитель преобразует ток в напряжение .

Он может преобразовывать ток от фотодиодов, акселерометров или других датчиков, которые вырабатывают низкий ток, и с помощью трансимпедансного усилителя ток может быть преобразован в напряжение.

Trans-Impedance Amplifier Circuit

На приведенном выше изображении инвертированный операционный усилитель, используемый для создания трансимпедансного усилителя , который преобразует ток, полученный из фотодиода, в напряжение.Усилитель обеспечивает низкий импеданс через фотодиод и создает изоляцию от выходного напряжения операционного усилителя.

В приведенной выше схеме используется только один резистор обратной связи. R1 является резистором обратной связи высокого значения. Мы можем изменить усиление, изменив значение этого резистора R1. Высокое усиление операционного усилителя использует стабильное состояние, когда ток фотодиода равен току обратной связи через резистор R1.

Поскольку мы не обеспечиваем никакого внешнего смещения через фотодиод, входное напряжение смещения фотодиода очень низкое, что приводит к большому усилению напряжения без какого-либо выходного напряжения смещения.Ток фотодиода будет преобразован в высокое выходное напряжение.

Другие применения инверторного операционного усилителя: -

  1. Фазовращатель
  2. Интегратор
  3. В балансировки сигналов связанных работ
  4. Линейный радиочастотный смеситель
  5. Различные датчики используют инвертирующий операционный усилитель для выхода.
Операционный усилитель Частотная характеристика »Электроника Примечания

Полоса пропускания операционного усилителя является ключевым фактором в его производительности, и она напрямую связана с произведением полосы пропускания усиления.


Руководство по операционному усилителю включает в себя:
Введение Усиление операционного усилителя Пропускная способность Скорость нарастания операционного усилителя Смещение ноль Входное сопротивление Выходное сопротивление Понимание спецификаций Как выбрать операционный усилитель Сводка по операционным усилителям


Полоса пропускания любой цепи имеет первостепенное значение, что необходимо учитывать в процессе проектирования электронных схем.

При проектировании электронной схемы будет видно, что полоса пропускания схемы связана с усилением. Слишком большое усиление и пропускная способность будут низкими, меньшее усиление и достижимая пропускная способность значительно выше.

Поскольку любой операционный усилитель имеет ограниченную полосу пропускания, необходимо тщательно учитывать усиление, полосу пропускания и частотную характеристику в начале проектирования любой схемы.

Сами операционные усилители при работе в режиме разомкнутого контура имеют очень ограниченную ограниченную полосу пропускания, прежде чем усиление начинает падать.Однако, используя отрицательную обратную связь, можно использовать огромный коэффициент усиления усилителя, чтобы обеспечить плоский ответ с достаточной полосой пропускания.

ОУ полоса пропускания

Хотя операционные усилители имеют очень высокое усиление, этот уровень усиления начинает падать с низкой частотой. Точка останова разомкнутого контура, то есть частота, с которой усиление падает на 3 дБ, часто составляет всего несколько Гц.

Долгоживущий и все еще очень популярный операционный усилитель 741 имеет точку останова разомкнутой цепи около 6 Гц. Помимо этого, отклик падает со скоростью -6 дБ / октава или -20 дБ / десятилетие.Примечание: октава - это удвоение частоты, а десятилетие - десятикратное увеличение частоты, и поэтому эти две цифры являются двумя способами выражения одной и той же характеристики.

Typical op-amp open loop gain bandwidth plot Типичный график усиления полосы пропускания операционного усилителя

Принимая правильный подход при проектировании электронных схем, можно сделать плоскую полосу пропускания всей схемы, т. Е. Операционный усилитель и дополнительные электронные компоненты, очень плоской по отношению к требуемой полосе пропускания.

Операционный усилитель, полоса пропускания и компенсация

Одной из основных причин, по которым операционные усилители обычно имеют низкие точки останова, является то, что функция, называемая компенсацией, включена практически во все операционные усилители.

Эта частотная компенсация используется для обеспечения стабильности операционного усилителя при любых условиях эксплуатации. Самые ранние операционные усилители были склонны к нестабильности, и в результате компенсация была введена практически во все конструкции операционных усилителей.

Typical op-amp open loop gain bandwidth plot with and without compensation. Типичная полоса пропускания с открытым контуром и без компенсации

Влияние компенсации на полосу пропускания операционного усилителя заключается в уменьшении точки останова. Это означает, что если бы компенсация не была включена, точка останова и пропускная способность были бы больше, но за счет нестабильности.

Влияние обратной связи на полосу пропускания операционного усилителя

При проектировании реальной схемы с использованием операционного усилителя отрицательная обратная связь используется для получения контролируемых уровней усиления. Применение этой обратной связи позволяет использовать очень высокий коэффициент усиления для полосы пропускания.

Таким образом, можно получить очень ровные кривые АЧХ в требуемой полосе пропускания.

Closed feedback loop op amp gain and bandwidth. Замкнутый контур обратной связи, усиление ОУ и АЧХ.

ОУ усиление полосы пропускания продукта

При проектировании схемы операционного усилителя важна фигура, известная как произведение полосы пропускания операционного усилителя.

Продукт полосы пропускания операционного усилителя, как правило, указывается для конкретного типа операционного усилителя с разомкнутым контуром и загруженным выходом:

Где:
GBP = произведение полосы пропускания усиления операционного усилителя
Av = усиление напряжения
f = частота среза (Гц)

Произведение полосы пропускания усиления операционного усилителя является постоянным для усилителей с обратной связью по напряжению. Однако это не применимо для усилителей с обратной связью по току, поскольку соотношение между усилением и шириной полосы не является линейным.

Следовательно, уменьшение коэффициента усиления в десять раз увеличит полосу пропускания на тот же коэффициент.

Больше схем и схемотехники:
Основы операционного усилителя Операционные усилители Цепи питания Транзисторная конструкция Транзистор Дарлингтон Транзисторные схемы Полевые схемы Схема символов
Возврат в меню схемы. , ,

.

Отправить ответ

avatar
  Подписаться  
Уведомление о