Операционный усилитель с обратной связью. Операционные усилители с обратной связью по току: особенности и преимущества

Что такое операционный усилитель с токовой обратной связью. Чем он отличается от обычного ОУ. Какие преимущества дает использование токовой обратной связи в ОУ. Для каких применений подходят ОУ с токовой ОС.

Что такое операционный усилитель с токовой обратной связью

Операционный усилитель с токовой обратной связью (ОУ с токовой ОС) — это разновидность операционного усилителя, в котором для формирования обратной связи используется ток, а не напряжение, как в классических ОУ. Основные особенности ОУ с токовой ОС:

• Низкоомный инвертирующий вход
• Высокоомный неинвертирующий вход
• Обратная связь формируется током через резистор обратной связи
• Полоса пропускания зависит только от сопротивления резистора ОС

Принцип работы ОУ с токовой ОС существенно отличается от классических ОУ, что дает ряд преимуществ в определенных применениях.

Чем ОУ с токовой ОС отличается от обычного ОУ

Основные отличия ОУ с токовой обратной связью от классического ОУ с обратной связью по напряжению:

1. Инвертирующий вход имеет низкое сопротивление (десятки Ом), а не высокое, как у обычного ОУ
2. Обратная связь формируется током через резистор ОС, а не напряжением
3. Полоса пропускания зависит только от сопротивления резистора ОС, а не от коэффициента усиления
4. Более высокая скорость нарастания выходного сигнала
5. Отсутствует компромисс между полосой пропускания и коэффициентом усиления

Эти особенности определяют области применения, где ОУ с токовой ОС имеют преимущества перед классическими ОУ.

Преимущества операционных усилителей с токовой обратной связью

Использование токовой обратной связи в операционных усилителях дает следующие основные преимущества:

• Более широкая полоса пропускания при высоких коэффициентах усиления
• Отсутствие компромисса между полосой и усилением
• Высокая скорость нарастания выходного сигнала
• Меньшие искажения на высоких частотах
• Лучшая линейность
• Низкий уровень шума

Эти преимущества делают ОУ с токовой ОС привлекательными для ряда высокочастотных применений.

Применения ОУ с токовой обратной связью

Благодаря своим особенностям, ОУ с токовой обратной связью нашли применение в следующих областях:

• Видеоусилители
• ВЧ и СВЧ усилители
• Широкополосные буферные каскады
• Драйверы АЦП
• Активные фильтры высоких частот
• Генераторы сигналов

Во всех этих применениях ОУ с токовой ОС обеспечивают лучшие характеристики по сравнению с классическими ОУ.

Особенности применения ОУ с токовой обратной связью

При использовании ОУ с токовой обратной связью необходимо учитывать следующие особенности:

• Сопротивление резистора ОС должно выбираться в соответствии с рекомендациями производителя
• Инвертирующий вход имеет низкое сопротивление и чувствителен к емкостной нагрузке
• Необходимо тщательно разводить печатную плату для минимизации паразитных емкостей
• Требуется хорошая развязка по питанию
• Не рекомендуется использовать для прецизионных применений с постоянным током

При правильном применении ОУ с токовой ОС позволяют реализовать уникальные характеристики в высокочастотных схемах.

Как работает операционный усилитель с токовой обратной связью

Принцип работы ОУ с токовой обратной связью существенно отличается от классического ОУ:

1. Входной сигнал подается на высокоомный неинвертирующий вход
2. Инвертирующий вход имеет низкое сопротивление и является выходом входного буферного каскада
3. Ток через резистор обратной связи создает падение напряжения на внутреннем высокоомном узле
4. Это напряжение усиливается выходным буфером и подается на выход
5. Ток обратной связи стремится уравнять потенциалы входов

Такая структура позволяет получить очень высокую скорость нарастания выходного сигнала и широкую полосу пропускания.

Сравнение характеристик ОУ с токовой и напряжениевой обратной связью

Основные различия в характеристиках ОУ с токовой (CFB) и напряжениевой (VFB) обратной связью:

Параметр	CFB	VFB
Полоса пропускания	Не зависит от усиления	Обратно пропорциональна усилению
Скорость нарастания	Очень высокая	Ограничена
Точность по постоянному току	Низкая	Высокая
Входное сопротивление	Низкое (инв. вход)	Высокое
Искажения на ВЧ	Низкие	Выше

Как видно, ОУ с токовой ОС имеют преимущества в высокочастотных применениях, но уступают по точности на низких частотах.

Частотно-зависимая обратная связь в ОУ. Активные фильтры и генераторы сигналов на ОУ / Хабр

В предыдущей публикации цикла мы разобрали, как работают схемы на ОУ с нелинейными элементами в цепях обратной связи, научились производить с помощью ОУ операции умножения и деления, и узнали, как собрать на ОУ источник тока, напряжения, а также усилитель мощности.

В данной публикации цикла мы разберём работу ряда схем на ОУ с частотно-зависимой обратной связью и научимся собирать на ОУ активные фильтры и генераторы.

Для тех, кто присоединился недавно, сообщаю, что это пятая из семи публикаций цикла. Содержание публикаций со ссылками на них находится в конце статьи.

Частотно-зависимая обратная связь в ОУ

С частотно-зависимой обратной связью в ОУ мы впервые столкнулись при рассмотрении работы реальных ОУ «в динамике». Она интересовала нас в плане частотной коррекции передаточной характеристики для предотвращения генерации при работе ОУ в режиме усиления за счёт превращения отрицательной обратной связи в положительную из-за сдвига фаз.

Также мы имели дело с частотно-зависимой обратной связью, когда разбирали работу интегрирующего и дифференцирующего звеньев. Нас тогда интересовала не столько АЧХ, сколько реакция этих звеньев на воздействие единичного прямоугольного импульса.

По сути, интегрирующее звено на рисунке ниже имеет АЧХ фильтра низких частот (ФНЧ) 1-го порядка с частотой среза f_c = 1/2πRC. Сигнал с частотой ниже f_c передаётся на выход этого звена без затухания. Для частот выше f_c сигнал передаётся с затуханием 6 дБ/октава, т.е. ослабляется по уровню в два раза при повышении частоты в два раза.

Дифференцирующее звено является ФВЧ 1-го порядка с частотой среза f_c = 1/2πRC. Оно пропускает сигнал с частотой выше f

c без затухания. Сигнал с частотой ниже f_c передаётся с затуханием 6 дБ/октава.

Активные фильтры на ОУ

Фильтры применяются в электронике для выделения желательной составляющей спектра сигнала и/или подавления нежелательной.

Изначально фильтры строились из пассивных RLC-компонентов. Активные фильтры стали получать распространение с развитием полупроводниковой электроники. Активные фильтры проще в изготовлении, т.к. они не требуют применения «моточных» изделий. Однако, пассивные фильтры применяются до сих пор.

Расчёт фильтров обычно производится с применением полиномов Баттерворта, Чебышёва и Бесселя. Последнее время набирают популярность эллиптические фильтры.

Наиболее детально тема активных фильтров на ОУ разобрана в [3] в разделе «13. Активные фильтры» на стр. 185 – 226. Мы же разберём их работу на простом и понятном материале, изложенном в [5] в разделе главы 4 «3. Фильтры звуковых частот» на стр. 138 – 145, в части, касающейся схем на ОУ.

Как правило, активные RC-фильтры на ОУ собирают по схеме Саллена–Ки (Sallen–Key), которая действует как «источник напряжения, управляемый напряжением» (ИНУН, VCVS). Ниже приведена схема двухполюсного ФНЧ (ФНЧ второго порядка) подобного типа:

Если резисторы и конденсаторы поменять местами, получим двухполюсный ФВЧ:

Двухполюсные фильтры по схеме Саллена–Ки состоят из небольшого количества элементов и стабильны в работе. Частота среза определяется по формуле:

Коэффициент передачи K определяется соотношением сопротивлений резисторов в цепи ООС. В зависимости от коэффициента передачи у фильтров по схеме Саллена–Ки изменяется АЧХ. Из таблицы на стр. 290 [2] мы видим, что при K = 1,586 звено имеет АЧХ фильтра Баттерворта, при K = 1,268 – фильтра Бесселя, а при K = 1,842 – Чебышёва с неравномерностью в полосе пропускания 0,5 дБ.

Фильтры по схеме Саллена–Ки с числом полюсов более двух ведут себя нестабильно. Повышение порядка достигается каскадным подключением двухполюсных фильтров. Нюансы такого каскадирования наглядно продемонстрированы Поляковым в [5] на рисунке ниже:

Как мы видим на иллюстрации, АЧХ шестиполюсного ФНЧ Чебышёва с частотой среза f_c = 2700 Гц формируется из АЧХ двухполюсного ФНЧ с частотой среза намного меньше f_c и K = 1 (обозначение «1» на графике), АЧХ двухполюсного ФНЧ с частотой среза меньше f_c и K = 1,4 (обозначение «2» на графике) и АЧХ двухполюсного ФНЧ с f_c = 2700 Гц и K = 1,6 (обозначение «3» на графике).

Для снижения влияния неточности номиналов элементов схемы на АЧХ соотношение ёмкостей конденсаторов в каждом звене выбрано из расчёта один к трём. Номиналы резисторов подобраны из диапазона 10…100 кОм.

Из ФВЧ и ФНЧ с перекрывающимися полосами пропускания можно получить полосовой фильтр. Активный полосовой фильтр по схеме Саллена–Ки выглядит следующим образом:

При R1 = R2, C1 = C2 и R3 = 2R1 центральную частоту полосы пропускания f₀ и добротность фильтра Q (отношение f₀ к ширине полосы пропускания Δf₀) получаем по формулам:

Из формулы (22) видим, что коэффициент передачи K должен быть меньше трёх.

Гораздо лучшие результаты можно получить при применении в качестве активного полосового фильтра схемы биквадратного фильтра:

Схема биквадратного фильтра значительно сложней, но менее критична к неточности номиналов элементов схемы.

Центральная частота полосы пропускания f₀, ширина полосы пропускания Δf₀, и коэффициент передачи K при R3 = R4 и R5 = R6 определяются по формулам:

Подробней о биквадратных фильтрах написано в [2] на стр. 293 – 295 и в [1] на стр. 106 – 108.

Релаксационные генераторы на ОУ

Генератор – это устройство для производства периодически изменяющихся сигналов. Релаксационный генератор – это генератор, элементы которого не обладают резонансными свойствами.

Релаксационный генератор на ОУ можно получить, объединив схемы интегрирующего звена и триггера Шмитта в замкнутый контур:

Когда на выходе триггера Шмитта присутствует напряжение высокого уровня, конденсатор C1 заряжается до тех пор, пока напряжение на входе триггера Шмитта не станет меньше порога срабатывания, после чего конденсатор C1 начнёт разряжаться, пока напряжение на входе триггера Шмитта не станет больше порога срабатывания.

На выходе интегрирующего звена присутствует периодический сигнал треугольной формы, на выходе триггера Шмитта – меандр. Стабилитрон VD1 ограничивает амплитуду прямоугольного сигнала на выходе триггера Шмитта U_вых2 до значения напряжения стабилизации U_ст. Период автоколебаний T и амплитуду сигнала на выходе интегрирующего звена U_вых1 получаем по формулам:

Подобные схемы принято называть «функциональными генераторами», т.к. они производят на выходе сигналы разной формы.

Релаксационный генератор с выходным сигналом в виде меандра называется мультивибратором. Рассмотренную выше схему тоже можно использовать в качестве мультивибратора, но приведённая ниже схема проще:

При равенстве положительных и отрицательных напряжений ограничения U_огр на выходе ОУ период автоколебаний T и амплитуду сигнала на инвертирующем входе U_вх- получаем по формулам:

RC-генераторы гармонических колебаний на ОУ

Синусоидальный сигнал на выходе звена на ОУ можно получить с помощью обработки сигнала треугольной формы активным фильтром низких частот, а также применением моста Вина:

Схема построена таким образом, чтобы обеспечить обратную связь с фазовым сдвигом 180° на частоте f₀ и поддерживать генерацию изменением коэффициента передачи K. Запуск генерации происходит при K > 3, что достигается при R3/R4 > 2. Затем, когда запуск произведён, для стабилизации работы генератора коэффициент передачи K должен уменьшаться при увеличении амплитуды выходного сигнала. Одним из решений такой адаптивной обратной связи является использование вместо R4 лампы накаливания.

При равенстве R1 = R2, C1 = C2 частота генерации f₀ определяется по формуле:

▍ От автора

В публикации были рассмотрены примеры реализации активных фильтров и генераторов на ОУ. С развитием DSP (Digital Signal Processors) и методов DDS (Direct digital synthesis) тема может казаться неактуальной, однако, как появление активных фильтров не отменило применение в системах связи пассивных фильтров, так и промышленное производство цифровых синтезаторов частоты не отменяет применения аналоговых генераторов сигналов.

Следует заметить, что применение генераторов сигналов на ОУ всегда было ограничено. С одной стороны, наличием простых и надёжных интегральных таймеров семейства 555, а с другой — простыми и надёжными генераторами на транзисторах по схемам ёмкостной (индуктивной) «трёхточки».

В следующей публикации мы сосредоточимся на применении «реальных» ОУ в условиях реального мира: рассмотрим однополярное питание ОУ, работу ОУ в условиях помех, а также нюансы экранирования схем и каналов.

Данный цикл публикаций состоит из семи частей. Краткое содержание публикаций:

1. Предпосылки появления ОУ. «Идеальный» операционный усилитель. Инвертирующий и неинвертирующий усилители, повторитель.
2. Отличия «реального» ОУ от «идеального». Основные характеристики реального ОУ. Ограничения реального ОУ.
3. Суммирующий усилитель. Разностный усилитель. Измерительный усилитель. Интегрирующее звено. Дифференцирующее звено. Схема выборки-хранения.
4. Активный детектор. Активный пиковый детектор. Логарифмический усилитель. Активный ограничитель сигнала. Компаратор на ОУ. Источник опорного напряжения. Источник тока. Усилитель мощности.
5. Частотно-зависимая обратная связь в ОУ. Активные фильтры на ОУ. Генераторы сигналов на ОУ. < — Вы тут
6. Однополярное включение ОУ. Входные помехи, «развязки» и защиты входных цепей, экранирование.
7. Операционные усилители на лампах.

▍ Использованные источники:

1. Гутников. Интегральная электроника в измерительных устройствах. Энергоатомиздат, 1988
2. Хоровиц, Хилл. Искусство схемотехники. 2-изд. Мир, 1993
3. Титце, Шенк. Полупроводниковая схемотехника. 5-изд. Мир, 1982
5. Поляков. Радиолюбителям о технике прямого преобразования. Патриот, 1990

Current Feedback Amplifiers — I

В последнее время среди разработчиков высокочастотных усилительных схем особую популярность приобрели операционные усилители с токовой обратной связью (current feedback opamp). В этой статье описаны отличия таких ОУ от усилителей с обратной связью по напряжению.

1. Характеристики основных типов усилителей
Обратная связь (ОС) по напряжению, как следует из названия, относится к петлезамкнутым конфигурациям, в которых сигнал ошибки представляет собой напряжение. В традиционных операционных усилителях обратная связь формируется сигналом напряжения, т.е. входные выводы реагируют на изменение напряжения; при этом вырабатывается соответствующее выходное напряжение. Обратная связь по току относится к петлезамкнутым конфигурациям, в которых сигнал ошибки, используемый для реализации обратной связи, представляет собой ток. В ОУ с токовой обратной связью ток ошибки передается на один из его входных выводов; при этом на выходе также вырабатывается соответствующее выходное напряжение. Заметьте, что при работе обе структуры пытаются достигнуть одинакового результата: нулевое дифференциальное входное напряжение и нулевой входной ток. Идеальный ОУ с обратной связью по напряжению имеет высокоомные входы, результатом чего является нулевой входной ток, и использует обратную связь по напряжению для поддержания нулевого входного напряжения. ОУ с обратной связью по току, напротив, имеют низкоомный вход и использует токовую обратную связь для поддержания нулевого входного тока. Передаточная функция трансимпедансного усилителя является зависимостью выходного напряжения от входного тока, и коэффициент “усиления” (точнее, коэффициент преобразования) такого усилителя vO/iIN имеет размерность сопротивления. Следовательно, ОУ с токовой обратной связью могут быть отнесены к трансимпедансным усилителям. Интересно отметить, что схема на ОУ с замкнутой обратной связью по напряжению, может быть также отнесена к трансимпедансным схемам при динамическом токовом управлении низкоимпедансным суммирующим выводом (например, при считывании сигнала фотодиода). Такая схема формирует выходное напряжение, равное входному току, умноженному на сопротивление обратной связи. Так как, в принципе, любая схема с ОУ может быть выполнена либо с обратной связью по току, либо с обратной связью по напряжению, то преобразователь ток-напряжение может быть выполнен на операционном усилителе с токовой обратной связью. Когда используется термин трансимпедансный услитель, необходимо понимать разницу между ОУ с токовой ОС со специфичной структурой и любыми петлезамкнутыми преобразователями тока в напряжение, которые ведут себя как трансимпедансные схемы. В упрощенной модели операционного усилителя с ОС по напряжению (бесконечное входное сопротивление, нулевое выходное сопротивление и высокий коэффициент усиления при разомкнутой ОС) в неинвертирующем включении разность напряжений на входах ( VIN+–VIN– ) усиливается в соответствии с коэффициентом усиления с разомкнутой обратной связью A(s), и часть выходного напряжения передается на инвертирующий вход через резистивный делитель, состоящий из сопротивлений RFи RG. Для этой схемы: Подставляя и упрощая получаем: Верхняя граница частотного диапазона (полоса) схемы с замкнутой обратной связью равна частоте, на которой петлевое усиление LG имеет единичное значение (0 дБ). Член 1 + RF/RG, называемый коэффициентом усиления шума, для неинвертирующей схемы также является коэффициентом усиления сигнала. На диаграмме Боде полоса схемы с замкнутой обратной связью определяется как пересечение графиков коэффициента усиления ОУ с разомкнутой обратной связью A(s) и коэффициента усиления шума NG. Большой коэффициент усиления шума уменьшает петлевое усиление и, следовательно, полосу при замкнутой ОС. Если график A(s) имеет наклон 20 дБ/декада, произведение коэффициента усиления схемы на ее полосу будет постоянной величиной. Таким образом, увеличение коэффициента усиления схемы на 20 дБ приведет к сужению полосы на одну декаду (в десять раз). В упрощенной модели усилителя с обратной связью по току при неинвертирующем включении неинвертирующий вход является высокоимпедансным входом буфера с единичным коэффициентом усиления, а инвертирующий вход – низкоомный выход этого буфера. Буфер позволяет току ошибки IERR втекать или вытекать из инвертирующего входа, и единичный коэффициент усиления вынуждает инвертирующий вход следить за сигналом неинвертирующего входа. Ток ошибки через резистор RF передается в высокоимпедансный узел, где он преобразуется в напряжение и передается через буфер (на схеме не показан) на выход. Высокоимпедансный узел является частотно-зависимым сопротивлением Z(s), по роли своей аналогичным усилению с разомкнутой обратной связью для ОУ с ОС по напряжению; он обладает высоким значением импеданса по постоянному току и имеет наклон 20 дБ/декада.	Передаточная функция при VIN+=VIN– определяется суммой токов в VIN– узле. Если предположить, что буфер обладает нулевым выходным сопротивлением, т.е. RO=0, то Подставляя и решая для VO/VIN+ имеем Передаточная функция для усилителя с токовой ОС такая же, как и для усилителя с ОС по напряжению, но петлевое усиление LG зависит только от сопротивления обратной связи RF. Таким образом, частотная полоса ОУ с токовой ОС определяется значением RF, а не шумовым усилением 1 + RF/RG. Пересечение графиков RF и Z(s) определяет петлевое усиление и полосу при замкнутой обратной связи. Несомненно, что произведение коэффициента усиления схемы на ее полосу в этом случае не является константой, что является преимуществом токовой обратной связи. На практике, входной буфер неидеален – он обладает выходным сопротивлением порядка 20…40 Ом, которое модифицирует сопротивление обратной связи. При этом входные напряжения не равны друг другу. Делая подстановку в предшествующие уравнения, получаем: Решение для VO/VIN+ даст следующий результат: Добавка к сопротивлению обратной связи означает, что в действительности петлевое усиление отчасти зависит от коэффициента усиления схемы с замкнутой обратной связью. При малых коэффициентах усиления определяющим является сопротивление резистора RF, но при большом усилении значение добавки в уравнении будет увеличиваться и уменьшать петлевое усиление, что, в свою очередь, приведет к сужению полосы схемы с замкнутой обратной связью. Должно быть понятно, что соединение выхода и инвертирующего входа с отключенным резистором RG (схема повторителя напряжения) будет сильно увеличивать петлевое усиление. По аналогии с ОУ с ОС по напряжению, максимальная обратная связь возникает, когда выходное напряжение передается на вход целиком, но предельный ток обратной связи равен току короткого замыкания. Чем меньшим будет сопротивление, тем большим будет ток. Графически, RF=0 будет задавать более высокочастотное пересечение с графиком Z(s) и полюс более высокого порядка. Как и в случае ОУ с ОС по напряжению, полюс более высокого порядка для Z(s) будет вызывать больший фазовый сдвиг на более высоких частотах, приводя к нестабильности при фазовом сдвиге более 180°. Так как оптимальное значение сопротивления RF различно при разных коэффициентах усиления, диаграмма Боде полезна при определении полосы и запаса устойчивости по фазе для различных усилений. Более широкая полоса может быть достигнута при меньшем запасе устойчивости; работа при пиковом значении полосы приведет в частотной области к перерегулированию, а во временной области – к звону. В справочных данных для устройств с токовой обратной связью приводятся определенные оптимальные значения сопротивления резистора RF для различных коэффициентов усиления схемы. Усилители с токовой обратной связью обладают прекрасными характеристиками по параметру “скорость нарастания выходного сигнала”. Скорость нарастания выходного напряжения у традиционного, не сильно нагруженного усилителя с ОС по напряжению ограничена током, необходимым для перезаряда внутренней емкости компенсации. Когда вход подвергается сильному сигнальному воздействию, входной каскад насыщается, и только лишь часть его тока способна перезаряжать эту емкость. У ОУ с токовой ОС низкомный вход позволяет более сильным переходным токам втекать в усилитель, что и требуется для перезарядки компенсационной емкости. Внутренние токовые зеркала передают этот входной ток в компенсационный узел, обеспечивая быструю перезарядку, теоретически пропорционально изменению входного сигнала. Более высокая скорость нарастания приводит к более быстрому времени нарастания выходного сигнала, меньшим искажениям, меньшей нелинейности и более широкой полосе для большого сигнала. Реальная скорость нарастания ограничивается насыщением токовых зеркал, которое наступает при 10…15 мА, а также входным и выходным буферами.
2. Точность
Точность усиления сигнала постоянного тока для усилителя с токовой ОС может быть определена из формулы его передаточной характеристики, также как и для ОУ с ОС по напряжению, это, по существу, отношение внутреннего сопротивления к сопротивлению резистора обратной связи. При типовом значении внутреннего сопротивления 1 МОм, сопротивления обратной связи 1 кОм и выходного сопротивления RO около 40 Ом ошибка при единичном коэффицинте усиления составит около 0,1 %. При высоком коэффициенте усиления ошибка значительно возрастает, поэтому ОУ с токовой ОС изредка используются в схемах с большим усилением, особенно в схемах, где требуется малая погрешность усиления. Упрощенная схема ОУ с токовой ОС Тем не менее, для многих приложений установочные характеристики часто более важны, чем погрешность усиления. Несмотря на то, что усилители с обратной связью по току имеют очень быстрые времена нарастания сигнала, во многих справочных технических данных приводится значение этого параметра только лишь 0,1 %. Такая малая величина возникает из-за теплового времени установления – основного фактора, ограничивающего точность установки.	Рассмотрим комплементарный вход буфера, в котором напряжение на выводе VIN– есть смещение для вывода VIN+ с учетом напряжений VBE транзисторов Q1 и Q3. Когда входной сигнал равен нулю, напряжения VBE должны быть равнозначными, и смещение будет небольшим от VIN+ до VIN–. Изменение входного сигнала VIN+ в положительныю сторону будет являться причиной уменьшения VCE Q3 и уменьшения мощности рассеивания, в соответствии с возрастанием VBE. У включенного диодом транзистора Q1 напряжение VCE постоянно, поскольку постоянно напряжение VBE. Такой же эффект будет иметь место в токовом зеркале, где изменение напряжения на высокоимпедансном узле изменяет VCE и, соответственно, VBE для транзистора Q6, но не для Q5. Изменение VBE служит причиной токовой ошибки, возвращаемой на вход VIN–, которая, будучи умноженной на сопротивление RF, будет являться результатом ошибки выходного смещения. Мощность рассеивания для каждого транзистора появляется в области, очень небольшой для достижения тепловой взаимосвязи между устройствами. Тепловые ошибки во входном каскаде могут быть уменьшены в схемах с инвертирующим включением, исключающим синфазное входное напряжение. Тепловое время установления зависит от частоты и формы сигнала. Этот процесс происходит не мгновенно; тепловой коэффициент транзисторов, от которого зависит процесс, определяет время изменения температуры и изменение параметров. Усилители, сделанные согласно высокочастотному комплементарному биполярному процессу (разработка Analog Devices), не проявляют эффект теплового установления для входной частоты выше нескольких килогерц, потому что входной сигнал изменяется очень быстро. Системы связи в общем случае более чувствительны к спектральным характеристикам, поэтому такая дополнительная ошибка усиления не слишком важна. Тепловое время установления может неблагоприятно воздействовать на ступенчатые сигналы, которые могут присутствовать в сигналах видеоизображений. Для таких приложений ОУ с токовой обратной связью могут не обеспечивать соответствующую точность установки.

Операционный усилитель с обратной связью по току » Electronics Notes

Менее распространенные, чем операционные усилители с обратной связью по напряжению, операционные усилители с обратной связью по току используются в ряде конструкций для обеспечения различных характеристик.

---

Учебное пособие по операционному усилителю Включает:
Введение Усиление операционного усилителя Пропускная способность Скорость нарастания операционного усилителя Смещение нуля Входное сопротивление Выходное сопротивление Операционный усилитель с обратной связью по току Понимание спецификаций Как выбрать операционный усилитель Краткое описание схем операционных усилителей

---

Все знакомы с усилителями с обратной связью по напряжению и, в частности, с операционными усилителями. Но есть также форма усилителя или операционного усилителя, известная как операционный усилитель с обратной связью по току, который также можно использовать.

Эти операционные усилители с токовой обратной связью не так распространены, как их собратья по напряжению, но, тем не менее, операционные усилители с токовой обратной связью могут обеспечить полезные преимущества в ряде ситуаций.

Аббревиатуры CFA для усилителя с обратной связью по току и CFB для обратной связи по току широко используются по отношению к VFA и VFB для эквивалентов с обратной связью по напряжению.

Что такое операционный усилитель с токовой обратной связью

Хотя все мы знакомы с операционными усилителями с обратной связью по напряжению, те, которые используют обратную связь по току, могут немного отличаться.

Поскольку большинство схем операционных усилителей используют обратную связь в той или иной форме для своей работы, стоит взглянуть на операционные усилители с обратной связью по току в этом свете, сравнив операционные усилители с токовой обратной связью и схемы операционных усилителей с токовой обратной связью с более знакомыми схемами, основанными на напряжении.

Как следует из названия, обратная связь по напряжению относится к конфигурации с замкнутым контуром, в которой ошибка или обратная связь представлены в виде напряжения.

Обратная связь по току относится к любой конфигурации с замкнутым контуром, в которой сигнал ошибки имеет форму тока. Операционный усилитель с токовой обратной связью реагирует на ток ошибки, а не на напряжение ошибки.

Более известный операционный усилитель с обратной связью по напряжению имеет высокое входное сопротивление, что приводит к нулевому входному току (в идеальном сценарии). Он использует обратную связь по напряжению для поддержания нулевого входного дифференциального напряжения.

Операционный усилитель с обратной связью по току имеет низкий входной импеданс, что приводит к нулевому напряжению на входах (в идеальном сценарии), и он использует обратную связь по току для поддержания нулевого входного дифференциального тока.

По сути, операционный усилитель с токовой обратной связью представляет собой тип электронного усилителя, вход которого чувствителен к току, а не к напряжению.

Внутренняя блок-схема операционного усилителя с токовой обратной связью

Как и другие формы электронных компонентов, можно показать основные внутренние элементы операционного усилителя с токовой обратной связью, чтобы лучше понять, что происходит внутри них, и обеспечить лучшее представление. их общей работы.

Как и в случае операционных усилителей с нормальным напряжением, имеется два входа. Однако с современными операционными усилителями с обратной связью они совсем другие.

Неинвертирующий вход подключен непосредственно к буферу с единичным коэффициентом усиления, что придает этому входу высокий импеданс, и он также управляется напряжением.

В идеальном случае выходной импеданс буфера, вход которого подключен к неинвертирующему входу, равен нулю, но на схеме он обозначен как R ₀ . Соответственно сигналом ошибки является небольшой ток i, который также поступает на инвертирующий вход.

Входной ток ошибки отражается в виде высокого импеданса T(s), что приводит к напряжению T(s) i по закону Ома.

Величина T(s) является важным фактором в технических характеристиках операционного усилителя, поскольку она представляет коэффициент усиления операционного усилителя. Поскольку это усиление, имеющее ток на входе и напряжение на выходе, оно известно как трансимпедансное усиление . На самом деле это импеданс, потому что выход выражается в виде напряжения, а вход — в токе, поэтому при делении выхода на вход становится V / I, и это сопротивление.

Напряжение с этого каскада буферизуется, чтобы обеспечить требуемую выходную мощность для выхода, так как ему потребуется управлять нагрузкой определенного описания, и для этого ему требуется способность делать это удовлетворительно.

Коэффициент усиления усилителя обратной связи по току

Стоит рассмотреть коэффициент усиления операционного усилителя с обратной связью по току немного подробнее, чтобы понять, как он влияет на работу электронных схем.

Коэффициент усиления типичного усилителя с обратной связью по напряжению представляет собой просто отношение выходного напряжения к входному напряжению. Это простое соотношение, выражающее выигрыш.

Как мы видели ранее для операционного усилителя с обратной связью по току, входное значение представляет собой значение тока, а выходное значение — напряжение. Это означает, что усиление измеряется как значение напряжения/тока, значение усиления измеряется в Омах.

В результате операционные усилители с обратной связью по току часто называют трансимпедансными усилителями или операционными усилителями. ампер, потому что передаточная функция без обратной связи, как мы видели.

Однако обращение к усилителям, подобным этому, как к трансимпедансным усилителям может привести к некоторой путанице, поскольку этот термин правильнее применять к более общим схемам, таким как преобразователи тока в напряжение (I/V). Очевидно, что в этих электронных схемах можно использовать как операционные усилители с обратной связью по току, так и по напряжению. Соответственно, разумно действовать с небольшой осторожностью, когда термин трансимпеданс встречается в любом описании. Тем не менее, термин «операционный усилитель с обратной связью по току» редко путают, и он является предпочтительной номенклатурой, когда речь идет о топологии операционных усилителей.

Можно посмотреть, как это влияет на работу схемы простого неинвертирующего операционного усилителя.

Можно рассчитать коэффициент усиления общего усилителя.

VoutVin=1+R2R11+R2T(s)(1+R0R1+R0R2)

Если предположить, что R ₀ << R ₁ и R ₁ < R ₂ , то уравнение можно упростить.

VoVi=1+R2R11+R2T

Если трансимпедансный коэффициент усиления операционного усилителя высок — намного выше, чем R2, то уравнение усиления можно упростить еще больше:

VoVi=1+R2R1

Примечание: , чтобы это было правдой, значение R ₂ не может быть слишком большим, но для большинства электронных схем с низкими значениями R ₂ это будет выполняться. истинный.

Основные характеристики операционного усилителя с обратной связью по току

Операционные усилители с обратной связью по току имеют много общего с их более распространенными схемами обратной связи по напряжению, но также имеют много различий.

Стоит обобщить основные характеристики усилителей с токовой обратной связью и, в частности, операционных усилителей с токовой обратной связью.

• Входные характеристики:   Операционные усилители с обратной связью по току не имеют симметричных входов, как входы с обратной связью по напряжению. Вместо этого неинвертирующий вход имеет высокий импеданс, а инвертирующий вход — низкий импеданс.

• Коэффициент усиления операционного усилителя с обратной связью по току:   Коэффициент усиления усилителя измеряется отношением выходного сигнала к входному. Для операционного усилителя с обратной связью по току выход измеряется в напряжении, но, поскольку вход управляется током, это означает, что ток является определяющим фактором. Таким образом, выходное/входное значение представляет собой число в вольтах, деленное на число в амперах, и это означает, что единицей усиления являются омы — это то, что называется трансимпедансным усилением.

• Неинвертирующий усилитель:  Для конфигурации с неинвертирующим усилителем. Для резистора обратной связи R2 с фиксированным значением коэффициент усиления CFB с обратной связью может варьироваться путем изменения R1, и это существенно не меняет полосу пропускания с обратной связью.

Несмотря на то, что операционные усилители с обратной связью по току дороже, чем их аналоги по напряжению, потому что они менее широко используются, они обладают некоторыми характеристиками, которые оказываются очень полезными в некоторых обстоятельствах.

Зачем использовать операционный усилитель с обратной связью по току

Операционный усилитель с обратной связью по току сильно отличается от версии с обратной связью по напряжению, с которой большинство людей знакомы гораздо лучше.

Поскольку более привычные и широко доступные операционные усилители с обратной связью по напряжению дешевы и широко доступны, использование усилителя с токовой обратной связью должно иметь некоторые преимущества.

Использование операционного усилителя с токовой обратной связью имеет два основных преимущества.

• Произведение коэффициента усиления на полосу пропускания:   Одной из основных причин использования усилителя с обратной связью по току (CFA) является то, что он не соответствует соотношению произведения постоянного усиления на полосу пропускания, которому следуют усилители напряжения. Иногда это может быть трудно понять, потому что это фактор, встроенный во все усилители с обратной связью по напряжению, которые гораздо более распространены, поэтому все к этому привыкли.

• Скорость нарастания:  Второе преимущество операционных усилителей с обратной связью по току заключается в том, что они могут достигать гораздо более высоких скоростей нарастания, чем их аналоги, основанные на напряжении.

  Скорость нарастания любого усилителя и, в нашем случае, операционного усилителя важна, поскольку она определяет максимальную скорость, с которой может изменяться выходной сигнал, и это может иметь множество ограничений на его полосу пропускания и выходной уровень и т. д., иногда внося искажения и т. д.

  Скорость нарастания операционного усилителя любого усилителя в этом отношении является максимальной скоростью изменения выходного напряжения. Он измеряется с точки зрения изменения напряжения в данный момент времени — обычно единицами измерения являются вольты в микросекунду.

  Превосходная скорость нарастания для усилителя тока означает, что они часто используются в схемах, требующих высокоскоростного линейного выхода с большим сигналом. Примерами этого могут быть драйверы линий DSL, генераторы сигналов произвольной формы, общие схемы аудиоэлектроники и многие другие приложения.

Цепи операционных усилителей с обратной связью по току

ИС операционных усилителей с обратной связью по току

часто производятся так, что они имеют такое же расположение выводов, как и их эквиваленты с обратной связью по напряжению.

Интересно, что это позволяет менять местами два типа без повторной проводки, если это позволяет конструкция схемы.

Для многих простых конфигураций, таких как линейные усилители, операционный усилитель с обратной связью по току можно использовать вместо усилителя с обратной связью по напряжению без модификации схемы. Простые инвертирующие и неинвертирующие усилители работают без модификаций.

Классическая конфигурация дифференциального усилителя с четырьмя резисторами также работает с усилителем с обратной связью по току, но коэффициент подавления синфазного сигнала ниже, чем у эквивалентного усилителя с обратной связью по напряжению.

Однако некоторые схемы, включая интеграторы, требуют для работы другой схемы, поскольку они основаны на токе, протекающем через конденсатор в контуре обратной связи для их работы.

Операционные усилители с обратной связью по току встречаются значительно реже, чем их усилители с обратной связью по напряжению. Они также дороже, но в некоторых случаях операционные усилители с обратной связью по току могут дать некоторые полезные преимущества.

Больше схем и схемотехники:
Основы операционных усилителей Схемы операционных усилителей Цепи питания Транзисторная конструкция Транзистор Дарлингтона Транзисторные схемы схемы полевых транзисторов Символы цепи
    Вернитесь в меню проектирования схем . . .

Операционные усилители – Практика EE

Операционные усилители представляют собой базовые строительные блоки схемы и могут быть приобретены в различных упаковках с одним или несколькими операционными усилителями в упаковке. Эти компоненты являются усилителями, что означает, что они принимают входной сигнал и усиливают его для выхода. Фактор, на который устройство усиливает свой вход, называется усилением. В частности, операционные усилители имеют очень высокий коэффициент усиления, практически бесконечный входной импеданс и низкий выходной импеданс.

Эти компоненты можно использовать в аналоговых приложениях в качестве масштабаторов и фильтров, а также их можно использовать в цифровых приложениях в качестве компараторов. Ниже приведена схема для операционного усилителя. Vs+ и Vs- — контакты питания устройства. Положительное напряжение подается на Vs+, а отрицательное или заземленное напряжение подается на Vs-. Vo — выход, V- — инвертирующий вход, V+ — неинвертирующий вход. Операционный усилитель

Операционные усилители

используют мощность от выводов питания для усиления разницы между напряжениями на входах: Vo = K(V+ – V-), где K – некоторый коэффициент масштабирования. При работе с автономным устройством следует помнить два правила:

• Высокоимпедансные входы. Входы V+ и V- имеют очень высокий импеданс, что означает, что на эти входы практически не поступает ток независимо от приложенного напряжения.
• Выход не может превышать поставку. Выходное напряжение Vo никогда не может быть выше Vs+ или ниже Vs-.

Операционные усилители обычно конфигурируются с некоторой формой обратной связи, позволяющей им выполнять большое количество функций. Положительная обратная связь или отсутствие обратной связи реализует функцию компаратора, а отрицательная обратная связь реализует аналоговый усилитель и/или частотный фильтр, в зависимости от того, какие основные компоненты включены в сеть обратной связи. Когда вы смотрите на схемы операционных усилителей, важно отметить, есть ли у них положительная или отрицательная обратная связь, потому что это определит способ понять, как работает схема.

Операционные усилители без обратной связи — компараторы

Операционные усилители без обратной связи называются компараторами. Устройство работает довольно просто, прямолинейно, когда нет обратной связи. Когда на входе «+» напряжение выше, чем на входе «-», выходное напряжение резко увеличивается до напряжения положительной шины питания. Когда на входе «–» операционного усилителя напряжение выше, чем на входе «+», выход резко опускается на шину возврата источника питания (заземление или клемму «–»).

+ Входное напряжение выше – вход: Выходное напряжение достигает максимального напряжения

– Входное напряжение выше, чем + вход: выходное напряжение приводит к минимальному напряжению

Операционные усилители с положительной обратной связью

Операционные усилители с положительной обратной связью также ведут себя как компараторы, но положительная обратная связь добавляет гистерезис.

Операционные усилители с отрицательной обратной связью

Начнем с операционных усилителей с отрицательной обратной связью. Отрицательная обратная связь означает, что между выходом и инвертирующим входом (V-) подключен некоторый компонент или сеть компонентов. Например, отрицательной обратной связью может быть резистор, подключенный между выходом и V-. Отрицательная обратная связь добавляет к операционным усилителям еще одно правило.

Отрицательная обратная связь объединяет входные напряжения

Схема операционного усилителя с отрицательной обратной связью будет иметь близкое к нулю напряжение между входами V+ и V-. В этой конфигурации вы можете принять V+ = V- при расчете напряжений и токов в цепи.

Важным параметром схемы операционного усилителя с отрицательной обратной связью является коэффициент усиления по напряжению. Коэффициент усиления по напряжению определяется как отношение выходного напряжения к входному напряжению. Это уравнение показывает, как выход связан со входом, Vo = Gain * Vin.

Коэффициент усиления по напряжению = Vo/Vin

Выходной сигнал схемы, разделенный на ее входной сигнал, более широко известен как передаточная функция этой схемы, но в случае схем усилителя он известен как коэффициент усиления.

Инвертирующий усилитель

Давайте посмотрим на нашу первую схему операционного усилителя ниже и определим ее коэффициент усиления. Он имеет отрицательную обратную связь, обеспечиваемую сопротивлением Rf, и известен как схема инвертирующего операционного усилителя, поскольку входной сигнал подключен к входу инвертирующего операционного усилителя.

Инвертирующий усилитель

Первый шаг к определению коэффициента усиления заключается в том, чтобы отметить, что V- = V+ из-за наличия отрицательной обратной связи. Поскольку V+ подключен к GND (0 В), V- = 0 В. Итак, по закону Ома:

, а так как V-вход имеет высокое сопротивление, весь ток обратной связи (If) течет через Rin к Vin.

, замените If:

, переставьте:

Коэффициент усиления (инвертирующий усилитель) H(s) =

конденсаторы и катушки индуктивности, и так же, как закон Ома можно обобщить до V = Z * I, где Z — комплексное полное сопротивление, то же самое можно сказать и об усилении схемы усилителя.