Параметры операционных усилителей. Операционные усилители: параметры, характеристики и применение

Что такое операционный усилитель и как он работает. Какие основные параметры характеризуют ОУ. Как измерить характеристики операционного усилителя. Какие сложности возникают при измерениях параметров ОУ.

Что такое операционный усилитель

Операционный усилитель (ОУ) — это базовый элемент аналоговой электроники, представляющий собой усилитель постоянного тока с дифференциальным входом и одним выходом. ОУ имеет очень большой коэффициент усиления и предназначен для работы с глубокой отрицательной обратной связью.

Основные особенности операционного усилителя:

• Два входа — инвертирующий и неинвертирующий
• Один выход
• Очень высокий коэффициент усиления без обратной связи (10^5 — 10^6)
• Высокое входное сопротивление
• Низкое выходное сопротивление
• Широкая полоса пропускания

Основные параметры операционных усилителей

Важнейшими параметрами, характеризующими работу ОУ, являются:

Коэффициент усиления по напряжению (Ku)

Определяет во сколько раз выходное напряжение больше входного дифференциального сигнала. Для современных ОУ типичные значения Ku = 10^5 — 10^6.

Напряжение смещения нуля (Vos)

Это напряжение, которое необходимо приложить между входами ОУ, чтобы выходное напряжение было равно нулю. Обычно составляет единицы милливольт.

Входные токи (Iin)

Токи, протекающие через входные выводы ОУ. Должны быть минимальны (единицы наноампер) для уменьшения погрешностей.

Частота единичного усиления (f1)

Частота, на которой коэффициент усиления ОУ становится равным единице. Определяет быстродействие усилителя.

Коэффициент ослабления синфазного сигнала (CMRR)

Показывает способность ОУ подавлять синфазные помехи. Чем выше CMRR, тем лучше.

Методы измерения параметров операционных усилителей

Для измерения параметров ОУ используются специальные схемы включения и методики. Рассмотрим основные из них.

Измерение коэффициента усиления

Для измерения Ku используется схема с двумя источниками входного сигнала и вспомогательным усилителем. Входной сигнал подается поочередно на оба входа ОУ, а выходное напряжение измеряется вспомогательным усилителем. Коэффициент усиления вычисляется по формуле:

Ku = (Ux2 — Ux1) / (U2 — U1) * R1/R3

где Ux1 и Ux2 — выходные напряжения при подаче сигналов U1 и U2.

Измерение напряжения смещения

Для измерения Vos используется схема с замкнутой отрицательной обратной связью. Выходное напряжение в этом случае будет равно напряжению смещения, умноженному на коэффициент усиления схемы:

Vos = Vout * R1 / (R1 + R5)

Измерение входных токов

Входные токи измеряются косвенным методом по падению напряжения на резисторах, включенных во входные цепи ОУ. Проводится три этапа измерений с разными комбинациями резисторов.

Измерение частоты единичного усиления

Для измерения f1 на вход ОУ подается синусоидальный сигнал переменной частоты. Частота, при которой амплитуды входного и выходного сигналов сравняются, и будет частотой единичного усиления.

Сложности при измерении параметров ОУ

При измерении характеристик операционных усилителей возникает ряд сложностей:

• Влияние собственных шумов ОУ на результаты измерений
• Необходимость компенсации напряжения смещения
• Сложность измерения очень малых входных токов
• Требования к точности и стабильности источников сигналов и измерительных приборов
• Влияние паразитных емкостей и наводок на высоких частотах

Для повышения точности измерений применяют методы усреднения, экранирование, точную настройку схем и специализированное измерительное оборудование.

Применение операционных усилителей

Благодаря своим характеристикам, операционные усилители нашли широкое применение в аналоговой и цифровой электронике:

• Усилители сигналов
• Активные фильтры
• Генераторы сигналов
• Компараторы напряжения
• Преобразователи сигналов
• Интеграторы и дифференциаторы
• Источники тока и напряжения
• Аналоговые вычислительные схемы

ОУ используются практически во всех аналоговых электронных устройствах, от бытовой техники до сложного измерительного оборудования.

Современные тенденции в развитии операционных усилителей

Основные направления совершенствования ОУ:

• Повышение быстродействия и расширение полосы пропускания
• Снижение потребляемой мощности
• Уменьшение напряжения питания
• Улучшение шумовых характеристик
• Повышение точности и стабильности параметров
• Интеграция дополнительных функций в одном корпусе

Современные операционные усилители позволяют создавать высокоточные и быстродействующие аналоговые устройства с минимальным энергопотреблением.

Параметры операционных усилителей. Как измерить и какие возникают сложности? / Хабр

Операционный усилитель – одна из базовых схем аналоговой электроники, на основе которой можно строить сложные системы. Данный элемент существует как отдельно, так и присутствует в составе почти всех интегральных микросхем: управления питанием AC/DC,DC/DC,LDO, АЦП, ЦАП, интерфейсы, синтезаторы частот, микроконтроллеры и тд. Система, в которой будет использоваться усилитель накладывает определенные ограничения на его параметры. Как измерить параметры усилителя и с какими трудностями можно столкнуться?

Базовые сведения об операционном усилителе ОУ

Фундаментально, операционный усилитель представляет собой преобразователь напряжения с высоким коэффициентом умножения, разработанный для применения в системах с обратной связью. Существует много различных архитектур, как построить усилитель на базе транзисторов, однако в большинстве случаев схемотехники рассматривают его как некий черный ящик или треугольник, в котором есть 3 основных вывода: Inp — неинвертирующий вход, Inn инвертирущий вход, Out- выход для полностью дифференциальных усилителей доступны два выхода: инвертирующий и неинвертирующий. Идеальный усилитель можно представить следующим образом:

Основные параметры ОУ:

1. Ku – коэффициент усиления.

2. Vos – напряжение смещения нуля.

3. Диапазон входных и выходных напряжений.

4. GBW – частота единичного усиления.

5. CMRR – коэффициент ослабления синфазного напряжения.

6. Noise – собственный уровень шума усилителя

7. Iin – входной ток.

8. +PSRR – устойчивость к помехе по питанию.

9. -PSRR – устойчивость к помехе по земле.

10. V-, V+ – напряжения земли и питания соответственно.

11. P – потребляемая мощность.

Итак, основные параметры усилителя описали, приступим к анализу схем для их измерения.

Измерения параметров ОУ

При разработке микросхем, в симуляторе довольно легко проверить все параметры, которые вас интересуют. В современных САПР есть много различных типов анализа схем, которые позволяют сделать это быстро. При работе с реальной схемой сталкиваешься сразу же с кучей проблем. Последний год, работал над проектом – изолированный усилитель ошибки. Проект запущен в изготовление на фабрике, а пока необходимо разобраться – как же все это дело проверить в жизни. Для работы данной схемы в составе изолированного DC-DC преобразователя очень важны параметры входного ОУ:

Блок-схема изолированного усилителя

В РФ существует отдельный ГОСТ 23089, в котором описаны схемы измерений, но нигде не выведено как именно они работают и с какие проблемы могут встретиться в данном процессе. Рассмотрим подробно все схемы измерений, надеюсь кому-то это будет полезно при работе с аналоговым железом).

Коэффициент усиления Ku

Для измерения коэффициента усиления соберем схему, для работы которой необходимо применять вспомогательный усилитель.

Схема измерения коэффициента усиления

Для того, чтобы при измерении избавиться от напряжения Vos, необходимо производить измерения 2 раза, при разных G4.
1. G4=U1, тогда Uxi=Ux1.
2. G4=U2, тогда Uxi=Ux2.

Вывод формулы

Запишем уравнения Кирхгофа:

Составим уравнения для 2-х этапов измерения, проводя следующие замены переменных:
1. V1→V11, V3→V31, V4→V41, Ux_i→Ux₁, G4=U1.
2. V1→V12, V3→V32, V4→V42, Ux_i→Ux₂, G4=U2.

Получаем систему из 8-ми уравнений с 8-ю неизвестными: V11, V12, V31, V32, V41, V42, Ku, Vos. Решая уравнения, получаем:

Примечания к схеме моделирования

Измеряемое напряжение Uxi будет равно:

Для увеличения точности измерений необходимо увеличивать R3, однако смещение нуля может вывести из режима вспомогательный усилитель поэтому стоит выбирать усилитель с широким диапазоном биполярного питания.

Результаты моделирования

Переходим от теории к практике: подгружаем spice модель вспомогательного усилителя в симулятор и собираем схему измерения.

Схема измерения коэффициента усиления, собранная в симуляторе

Схема измерения коэффициента усиления, собранная в симуляторе

Для компенсации всей системы необходимо использовать RC цепь на неинвертирующем входе вспомогательного усилителя.

Для измерений источник vtest создает 2 уровня напряжений U2, U1, после чего замеряется напряжение на vin, и по формуле пересчитывается в коэффициент усиления:

Работа схемы в tran анализе, где vin — выход вспомогательного усилителя (для различных G3)

Работа схемы в tran анализе, где vin — выход вспомогательного усилителя для различных G3

Для исследуемого усилителя получается 105дБ.

Возможные трудности при измерениях

1) Влияние смещения нуля на рабочую точку вспомогательного усиления. При смещении нуля исследуемого усилителя 5мВ, выход вспомогательного усилителя по DC становится -4.7В проблема устраняется при использовании биполярного питания.

2) При моделировании с включенными в симуляторе шумами транзисторов, их амплитуда оказывается сопоставимой с разницей напряжений, необходимых для вычислений Ku:

Выход вспомогательного усилителя с учетом шума исследуемого усилителя

Для улучшения точности измерений необходимо использовать усреднение, однако оно не помогает полностью избавиться от шума. Если коэффициент усиления не слишком высокий, шум не будет сильной помехой. У исследуемого усилителя минимальное значение Ku=66дБ:

Получается, чтобы отбраковать усилитель нужно задетектировать 0.4В, что с таким уровнем шума является легкой задачей.

3) Напряжение на выходе исследуемого усилителя будет равно V12+V12−Vtest. Для повышения точности необходимо задавать разницу между двумя vtest как можно больше, однако все это ограничивается допустимым выходным напряжением усилителя, это нужно также учитывать.

Смещение нуля Vos

Рассмотрим схему для измерения смещения:

Схема измерения коэффициента усиления

Найдем формулу, которая будет определять напряжение смещения.

Вывод формулы

Составим систему уравнений:

Решая систему неизвестные V1 и Vos, получаем:

Итого:

Примечания к схеме моделирования

Выходное напряжение вспомогательного усилителя определяется формулой:

Для увеличения точности измерений необходимо увеличивать R5, однако смещение нуля может вывести из режима вспомогательный усилитель поэтому стоит выбирать усилитель с широким диапазоном биполярного питания.

Результаты моделирования

Приступим к моделированию. Собираем схему измерения с учетом цепи коррекции и однополярного питания исследуемого усилителя:

Схема измерения напряжения смещения, собранная в симуляторе

Схема измерения напряжения смещения, собранная в симуляторе

Проведем AC анализ с цепью коррекции:

AC анализ на стабильность обратной связи

AC анализ на стабильность обратной связи

Система работает стабильно, теперь проведем измерения для разных смещений нуля: Voff=-5m:2m:5m

Напряжения на выходе вспомогательного усилителя для различных значений смещения нуля и G3

Напряжения на выходе вспомогательного усилителя для различных значений смещения нуля и G3

При измерении смещения выход вспомогательного усилителя варьируется от -3.5В до 5.4В. Итого для Vos при Vcm=0.4, 1.5 получаем следующие значения по формулам:

Возможные трудности при измерениях

1) При смещении нуля исследуемого усилителя -5мВ, выход вспомогательного усилителя по DC становится -3. 5В. Для vos=5мВ – напряжение становится 5.4В проблема устраняется при использовании биполярного питания.

2) При добавлении шума, картина измерений не сильно ухудшается:

Выход вспомогательного усилителя с учетом шума исследуемого усилителя

Результаты для измерений с шумом используется усреднение:

Частота единичного усиления f1/GBW

Рассмотрим схему измерения частоты единичного усиления:

Схема измерения частоты единичного усиления

Найдем формулу, которая будет определять частоту единичного усиления:

Вывод формулы

Запишем уравнения Кирхгофа:

Неизвестные: V3, V4, Vin, Ku. Решим систему и найдем чему равен Ku:

Переходя к амплитудам переменных сигналов с частотой f₀, учитывая, что сигналы V2 и V1 сдвинуты на 180 градусов, а G3=const:

Если Ku имеет наклон 20db/dec вплоть до f1, тогда передаточную характеристику, можно представить в виде:

AЧХ данной характеристики можно представить как:

Если проводить измерения отступив от полочки, АЧХ можно записать в след виде:

Для частоты единичного усиления:

Проводим измерения для частоты

Подставляем уравнение 1, получаем финальное выражение для частоты единичного усиления:

Примечания к схеме моделирования

1. Для использования данной методики необходимо учитывать, что наклон АЧХ должен составлять 20дБ/дек вплоть до частоты единичного усиления.

2. Запишем уравнение для V4:

   Для того, чтобы система не выходила из режима, необходимо подбирать R2 >> R3. Также увеличение R2 приведет к увеличению V1, что повысит точность измерений.

3. При переходе от сигналов к амплитудам, необходимо помнить о предположении, что V2 и V1 отстают друг от друга на 180 градусов, поэтому при подборе цепи коррекции, необходимо убедиться в данном предположении.

Результаты моделирования

Приступим к моделированию. Собираем схему измерения с учетом цепи коррекции и однополярного питания исследуемого усилителя:

Схема измерения частоты единичного усиления, собранная в симуляторе

Проведем ac анализ для данной системы:

AC анализ на стабильность обратной связи

Из графика видно, что для стабильной работы нужно использовать частоту f0 в диапазоне от 1-20кГц.

По моделированию наклон АЧХ усилителя имеет 20дб/дек, поэтому метод справедлив. Итого для различных технологических корнеров, температур и питания получаем результаты:

Результаты моделирования для различных технологических корнеровВозможные трудности при измерениях

1. Необходимо использовать увеличивать резисторы R1, R2, R5 в моем случае R1=R5=10кОм,R2=50кОм, чтобы увеличить амплитуду сигнала v1 и vout, что повышает точность измерений.

2. Можно увеличить амплитуду входного сигнала для увеличения точности в моем случае до 500мВ.

При выполнении пунктов выше влияние шума становится минимальным.

Метод 2 для измерения f1

Существует более простой метод для измерения частоты единичного усиления:

Схема измерения частоты единичного усиления (метод 2)

Для измерения на вход емкости Cin подается синусоидальный сигнал. Частота сигнал изменяется, до поры, пока амплитуда входного сигнала не станет равной амплитуде выходного.

Резисторы Rout и Rin подбираются исходя из того, чтобы амплитуда на выходе Ux не превышала напряжение питания. Однако в единичном включении схему составлять нельзя. Из-за плавного спада амплитуды, что заведомо будет уменьшать частоту единичного усиления при измерениях:

АЧХ цепи: синим — собственная АЧХ усилителя, зеленым — АЧХ усилителя с обратной связью > 1, красным — АЧХ усилителя с единичной обратной связью

Поэтому при выборе резисторов необходимо добавлять коэффициент обратной связи обычно влияние спада становится слабым при усилении более 20дБ.

Минусы метода:

1. Большая часть усилителей не рассчитана на работу с сигналом большой амплитуды на высоких частотах нелинейности будут влиять на амплитуду – следовательно и на результат измерений. К примеру, для данного усилителя на 10МГц нужно подавать сигнал 10мВ для отсутствия искажений.

2. При использовании малых сигналов, шумы становятся по амплитуде сопоставимы с полезным сигналом.

3. Требуется высокочастотный генератор для усилителей с большой полосой.

Коэффициент ослабления синфазного напряжения CMRR

Уравнение идеального ОУ можно записать так:

Однако если учитывать неидельность усилителя, в уравнении появится коэффициент усиления синфазного напряжения Acm:

CMRR определяется как отношение Ad к Acm.

Рассмотрим схему для измерения CMRR:

Для устранения влияния смещения нуля усилителя на систему, измерения необходимо проводить в 2 этапа:

1. G1 = U1, Ux_i = Ux1, Vi=V1;

2. G1 = U2, Ux_i = Ux2, Vi=V2;

Найдем формулу, которая будет определять CMRR:

Вывод формулы

Составим систему уравнений, с учетом влияния CMRR на систему:

Выведем уравнение для Uxi:

Для разности Uxi 2-х этапов измерения, справедливо:

Учитывая тот факт, что и :

Итого:

Примечания к схеме моделирования

1. Исходя из уравнения 1, видно что на вклад постоянного напряжения выхода вспомогательного усилителя сильно влияет Vos с коэффициентом R3/R1.

2. Для использования уравнения для CMRR, необходимо, чтобы .

Результаты моделирования

Приступим к моделированию. Собираем схему измерения с учетом цепи коррекции и однополярного питания исследуемого усилителя:

Схема измерения коэффициента подавления синфазной помехи, собранная в симуляторе

Проведем tran анализ для измерения CMRR. Рассмотрим сигналы vcm и vin:

Временной анализ (на графике красным — выход вспомогательного усилителя, синим — вход синфазного уровня исследуемого усилителя)

В аналоговой электронике существует один из видов теста -Монте-Карло, который статистически разбрасывает параметры компонент транзисторов, конденсаторов, резисторов. Именно из-за неидеальностей технологий появляется усиление Acm. Проведем данный анализ и определим максимальное и минимальное значение CMRR:

В монте-карло анализе получаем следующие результаты:

Результаты по CMRR для исследуемого усилителяВозможные трудности при измерениях

1. Необходимо использовать биполярный усилитель для компенсации части Uxi, которую вносит смещение: R3/R1 * Vos.

2. Шум не сильно будет влиять, для 66dB – dUx > 1.65В.

Входной ток Iin1, Iin2

Рассмотрим схему для измерения входных токов:

Схема измерения входных токов ОУ

Для измерения входных токов необходимо проводить 3 этапа измерений:

1. R3, R4 – закорочены. PV1 → Ux₁. ключи S2, S1 — замкнуты.

2. R3 — активный, R4 – закороченный. PV1 → Ux₂._{ключ S1 — разомкнут, S2 — замкнут.}

3. R4 — активный, R3 – закороченный. PV1 → Ux₃. ключ S2 — разомкнут, S1 — замкнут.

Найдем формулу, которая будет определять CMRR:

Вывод формулы

1) Эквивалентная схема при включении на 1 этапе:

Упрощенная схема измерения Iin — этап 1

Запишем систему уравнений:

2) Эквивалентная схема при включении на 2 этапе:

Упрощенная схема измерения Iin — этап 2

Запишем систему уравнений:

Вывод формулы

3) Эквивалентная схема при включении на 3 этапе:

Упрощенная схема измерения Iin — этап 3

Упрощенная схема измерения Iin — этап 2

Запишем систему уравнений:

Итого получаем 9 уравнений. Неизвестные: V1, V12, V13, V3, V2, V23, Iin1, Iin2, Ku.

Решая систему уравнений получаем следующие формулы для входных токов:

Примечания к схеме моделирования

1. При выводе формулы считается, что входной ток усилителя не зависит от входного напряжения. Этот факт дает небольшую погрешность в измерениях.

2. Для повышения точности измерений, необходимо увеличивать резисторы R3,R4,R5. Также необходимо, чтобы R1 << R5.

Результаты моделирования

Приступим к моделированию. Собираем схему измерения с учетом цепи коррекции и однополярного питания исследуемого усилителя:

Схема измерения входных токов ОУ

Из-за низкого входного тока, для проверки работоспособности схемы используем входные источники тока, подключенные к выводам ta2 и tb2. По методологии, описанной ранее, изменяя положение ключей, рассчитываем входной ток. На рисунке изображен выход вспомогательного усилителя для максимальных входных токов 100нА:

Временная диаграмма выходов вспомогательного усилителя для различных G3

Проводим тест для различных G3, и в итоге получаем:

Возможные трудности при измерениях

1.  При смещении нуля исследуемого усилителя -5мВ, выход вспомогательного усилителя по DC становится -4.7В проблема устраняется при использовании биполярного питания.

2. При моделировании с включенным шумом внутренних компонентов усилителя, его уровень становится сопоставимым с разницей напряжений при маленьком входном токе 1нА:

Временная диаграмма выхода вспомогательного усилителя, при входном токе 1нА, с учетом шума

Точно маленькие токи данным методом не измерить, однако для отбраковки, при усреднении необходимо задетектировать токи в 100нА, что с текущем уровнем шума довольно легко сделать:

Временная диаграмма выхода вспомогательного усилителя, при входном токе 100нА, с учетом шума

Заключение

Надеюсь, не сильно утомил читателей формулами, однако для понимания необходимо было все точно вывести. Большинство схем были взяты из советского госта, к сожалению, описание там никуда не годится, ко всему прочему он имеет ошибки. Зато данные схемы можно использовать радиолюбителю в случае необходимости проверить заявленные характеристики усилителя, ведь схемы не требуют создавать стенд с дорогостоящим оборудованием.

Кафедра технологии бетона и строительных материалов — Технологии определяют всё

Является одним из старейших подразделений современного Брестского технического университета.

История кафедры начинается с 1967 года, когда ещё в Брестском инженерно-строительном институте (сегодня Брестский государственный  технический университет)  была основана кафедра «Строительные материалы».

Кафедру возглавляли:
Жоров Владимир Леонтьевич, к.т.н., доцент (с 1967  по 1977 год)
Зайцев Анатолий Алексеевич, к.т.н., доцент (с 1977 по 1987 год)
Волкова Флора Николаевна, к.т.н., доцент (с 1987-1988 год).

В 1988 году кафедра «Строительные материалы» была объединена с кафедрой «Технология строительного производства». Объединённая кафедра стала называться «Технология строительного производства и строительные материалы», которую возглавляли:
Бобко Фадей Александрович к.т.н., доцент (с 1988 по 1989 год)
Голубицкая Галина Андреевна, к.т.н., доцент  (с 1989 по1991 год)
Плосконосов Владимир Николаевич, к. т.н., доцент  ( с 1991 по 1992 год).

В 1991 году в институте открывается подготовка инженеров-технологов-строителей по специальности  «Производство строительных изделий и конструкций». Организация учебного процесса по данной специальности возложена на кафедру «Технологии строительного производства и строительных материалов». Разнообразие направлений работы кафедры не позволяет эффективно управлять её деятельностью и требует совершенствования структуры управления учебным процессом. В связи с чем приказом ректора по Брестскому политехническому  институту №67 от 12 июня 1992 года в отдельное подразделение выделяется уже кафедра  «Технологии бетона и строительных материалов» которую с 1992 по1993 год возглавляет Довнар Надежда Ивановна, к.т.н., доцент.

С 1993 года кафедрой  руководит Тур Виктор Владимирович, профессор, доктор технических наук.

Кафедра технологии бетона и строительных материалов является выпускающей кафедрой по специальности 70 01 01 «Производство строительных изделий и конструкций» и готовит специалистов, имеющих квалификацию инженер-строитель-технолог, что позволяет им работать практически в любом направлении строительного, и не только, производства.

Так же на кафедре изучают специальные дисциплины строительного профиля студенты следующих специальностей очного и заочного обучения: «Промышленное и гражданское строительство» (1-70 02 01), «Автомобильные дороги» (1-70 03 01), «Экспертиза и управление недвижимостью» (1-70 02 02), «Архитектура» (1-69 01 01), «Сельское строительство и обустройство территорий» (1-74 04 0), «Автоматизация технологических процессов и производств» (1-53 01 01), «Водоснабжение, водоотведение и охрана водных ресурсов» (1-70 04 03),  «Мелиорация и водное хозяйство» (1-74 05 01), «Коммерческая деятельность» (1-25 01 10).

На кафедре проводится подготовка  аспирантов по специальности «Строительные конструкции, здания и сооружения», «Строительные материалы и изделия».

 

Операционный усилитель, Операционный усилитель Параметры и расчеты

Содержание

1

Операционный усилитель:

Основная задача усилителя заключается в усилении входного сигнала. В первые дни, когда цифровые компьютеры не были развиты, в то время различные математические функции, такие как сложение, вычитание, интегрирование и дифференцирование, выполнялись с использованием этого операционного усилителя. Итак, просто подключив несколько резисторов и конденсаторов, можно выполнять различные математические операции.

Состоит из двух входов и одного выхода. Большинство операционных усилителей состоят из двух блоков питания. Положительный и отрицательный источник питания. Но есть много интегральных схем операционных усилителей, которые работают от одного источника питания. Итак, теперь в этом операционном усилителе входная клемма, отмеченная этим положительным знаком, известна как неинвертирующая входная клемма, а другая входная клемма, отмеченная этим отрицательным знаком, известна как инвертирующая входная клемма.

Итак, теперь, если вы видите этот операционный усилитель, это один из видов дифференциального усилителя с сингальным выходом. Это означает, что этот усилитель усиливает разницу между двумя входными сигналами. Итак, предположим, что V1 и V2 являются входными сигналами, которые подаются на этот операционный усилитель, и допустим, что усиление этого операционного усилителя равно A, тогда выход будет равен:

V _out = A (V ₁ – V ₂ )

Если мы применили один вход к этому операционному усилителю и заземлили другой вход, то на выходе вы получите A, умноженное на V1. Где А — коэффициент усиления разомкнутого контура этого операционного усилителя.

При отсутствии обратной связи с выхода на вход. Итак, предположим, если вы подаете сюда синусоидальный сигнал, то на выходе этот синусоидальный сигнал должен получиться

, умноженный на коэффициент этого коэффициента усиления, и на выходе вы должны получить усиленный синусоидальный сигнал. Теперь здесь фаза этого выходного напряжения будет такой же, как и входное напряжение.

Аналогично, всякий раз, когда мы подаем вход к этой отрицательной клемме и заземляем другую клемму, выход этого усилителя будет равен минус A, умноженному на V2, потому что разница между этими двумя входными клеммами будет равна 0 минус V2 , что равно минус V2.

Инвертирующий терминал:

Итак, допустим, если мы подаем синусоидальный сигнал на вход, то на выходе мы получаем усиленный синусоидальный сигнал, который имеет 180-градусную фазу по отношению к входному сигналу. Это означает, что вывод будет инвертирован на 180 градусов. И именно поэтому этот входной терминал известен как

как инвертирующий терминал. Потому что выход будет инвертирован по отношению к входу.

Итак, теперь предположим, что если мы подадим входной сигнал между этими двумя положительными и отрицательными клеммами, то на выходе мы получим A раз больше этого дифференциального входного сигнала. Где здесь это A представляет коэффициент усиления без обратной связи этого операционного усилителя.

Этот операционный усилитель имеет очень высокий коэффициент усиления. Раньше значение усиления находилось в диапазоне от

от 10 ⁵ до 10 ⁶ Итак, скажем, даже если мы приложим 1 мВ сигнала между этими двумя терминалами, и скажем, если усиление этого ОУ то на выходе теоретически должен получиться сигнал 1 мВ который умножаем на 10 ⁵ что равно 100В. Или, скажем, если мы приложим 1 В сигнала, то теоретически мы должны получить на выходе 10 ⁵ вольт, но это невозможно.

Выход этого операционного усилителя ограничивается напряжениями смещения, которые подаются на этот операционный усилитель. Таким образом, выходное напряжение будет находиться между этими напряжениями смещения.

Положительная и отрицательная обратная связь операционного усилителя:

Мы знаем, что любая схема имеет два основных параметра, таких как вход и выход. Состояние, при котором часть выходного сигнала возвращается на вход, называется обратной связью. В случае операционного усилителя у нас есть два типа обратной связи, такие как положительная обратная связь и отрицательная обратная связь. Когда некоторая часть выходного сигнала возвращается на неинвертирующий вывод операционного усилителя, это называется положительной обратной связью, а когда некоторая часть выходного сигнала возвращается на инвертирующий вывод операционного усилителя, это называется положительной обратной связью. резистор отрицательной обратной связи RF называется резистором обратной связи.

Виртуальное заземление:

Концепция виртуального заземления входное сопротивление операционного усилителя очень велико, поэтому операционный усилитель никогда не потребляет ток на своем входе входной ток всегда равен нулю ампер, чтобы ток был равен 0 напряжение должен быть равен 0. Предположим, что некоторый вход применяется к инвертирующему терминалу, удерживая неинвертирующий терминал на земле, даже если вход применяется, инвертирующий терминал также ведет себя как заземляющий терминал в узле. Эта концепция называется виртуальной землей. концепция.

Параметры операционного усилителя:

Мы изучим различные параметры операционного усилителя, такие как коэффициент усиления по напряжению, входное сопротивление, выходное сопротивление, входное напряжение смещения, входной ток смещения, входной ток смещения и полоса пропускания.

Коэффициент усиления по напряжению:

Начнем с коэффициента усиления по напряжению, который определяется как отношение выходного напряжения к входному напряжению.

Входной импеданс:

Второе слагаемое представляет собой входной импеданс. Сопротивление, обеспечиваемое входными клеммами операционного усилителя, называется входным импедансом. Падение напряжения на входе операционного усилителя должно быть очень высоким, следовательно, входное сопротивление операционного усилителя всегда очень велико из-за уравнения V равно I в R.

Выходное сопротивление:

Третий термин — это выходное сопротивление. Сопротивление, обеспечиваемое выходом операционного усилителя, называется выходным сопротивлением. необходимо, чтобы весь выход операционного усилителя был передан следующему устройству, другими словами, падение напряжения на выходе должно быть равно нулю, следовательно, выходное сопротивление должно быть как можно ниже.

Входное напряжение смещения:

Четвертое слагаемое, которое мы изучаем, представляет собой входное напряжение смещения, когда входное напряжение операционного усилителя равно нулю, в идеале выходное значение должно быть равно нулю, но если оно не равно нулю, нам нужно подать некоторое напряжение постоянного тока на входную клемму, чтобы заставить выходное напряжение ноль, это приложенное напряжение называется входным напряжением смещения.

Входной ток смещения:

Следующим термином, который мы изучаем, является входной ток смещения. Разница между токами на двух входных клеммах, когда выход удерживается на нуле, называется входным током смещения.

Ток смещения:

Шестое слагаемое представляет собой входной ток смещения. Среднее значение токов на двух входных клеммах с нулевым выходным напряжением называется входным током смещения.

Полоса пропускания:

Последний термин — это ширина полосы, диапазон частот, для которого может использоваться операционный усилитель, называется полосой пропускания операционного усилителя.

Операционный усилитель в качестве генератора сигналов:

Операционный усилитель также может использоваться в качестве генератора сигналов. Здесь он генерирует различные формы сигналов, такие как прямоугольная волна, треугольная волна и т. д. Сначала мы увидим операционный усилитель в качестве генератора прямоугольных сигналов. Схематическая диаграмма для этого приложения показана так, как мы видим, что конденсатор C подключен к инвертирующей клемме, а сопротивления  и  подключены к неинвертирующей клемме.

Резистор R подключен в качестве отрицательной обратной связи к инвертирующему выводу, образующему RC-цепь. Как только на операционный усилитель подается напряжение питания +V и –V. Мы получаем некоторый вывод, так как без каких-либо входных данных вывод должен быть равен нулю, но практически мы получаем ненулевой вывод. R_a и R_b образуют сеть делителя напряжения. Таким образом, если начальный V_out не равен нулю. Мы получаем напряжение на V_b также как ненулевое, поэтому мы получаем положительный вход на неинвертирующем и инвертирующем выводах, а выход усиливается за счет своего усиления, скажем, AV, и достигает своего максимального значения V _из макс, таким образом, мы получаем положительную половину прямоугольной волны, поскольку у нас есть ненулевой вход на инвертирующем терминале. Теперь конденсатор также начинает заряжаться, он будет заряжаться непрерывно, пока его напряжение не станет больше, чем V _b , как только напряжение V _c станет больше, чем V _b , инвертирующий вход станет больше, чем неинвертирующий вход и, следовательно, Выход усилителя переключается на отрицательное напряжение и усиливается до минус vo макс. Таким образом, мы получаем отрицательную половину прямоугольной волны, это применение операционного усилителя в качестве генератора прямоугольной волны.
Теперь мы видим операционный усилитель как генератор треугольных волн, мы уже видели, что выход интегратора представляет собой треугольную волну, если на вход подается прямоугольная волна, поэтому для создания генератора треугольных волн мы объединяем две схемы, такие как генератор прямоугольных импульсов, за которым следует интегратор, как показано на рисунке, и на выходе интегратора мы получаем треугольный сигнал.

Операционный усилитель в качестве дифференциатора:

Операционный усилитель является дифференциатором, для этого мы заменяем входной резистор конденсатором, как показано, применяя KCl в узле «А»

если I _f равно I _c по диаграмме ток I _f равен:

I _f = (V _{a 90 – 9 out 107R 900 ток, протекающий через конденсатор:
I c = (CdV c )/dt}

(V _a – V _out )/R= (CdV _c )/dt 9

3 9

– V _из )/R= (Cd(V _в -V _a ))/dt

Но V _a =0 Концепция виртуальной земли.

(- V _из )/R= (Cd(V _из ))/dt

V _из = (RC*d(V _из ))/dt

Если RC равно усиление A _против .

V _out = (A _v *dV _in )/dt

Мы можем видеть, что если мы возьмем R в C как коэффициент усиления усилителя, то выход будет дифференцированием входа, поэтому он называется как дифференциатор.

Операционный усилитель в качестве интегратора:

Следующим применением операционного усилителя является интегратор. Если мы поменяем местами конденсатор и резистор цепи дифференциатора. Получаем схему операционного усилителя в качестве интегратора, применяющего KCl в узле «А».

Операционный усилитель как разностный усилитель:

Следующее применение операционного усилителя — разностный усилитель. Здесь мы применяем KCl как в узлах узла a, так и в узле B, применяя KCl в узле B.

Если мы рассматриваем Z как коэффициент усиления операционного усилителя, то выход представляет собой усиленную версию разницы между двумя входами, поэтому он называется дифференциальным усилителем.

Операционный усилитель в качестве суммирующего усилителя:

Операционный усилитель также используется для математических операций. Начнем с операционного усилителя в качестве суммирующего усилителя. операционный усилитель с токами i1 i2 и i3. Применение KCl в узле «X»:

Vx = 0 концепция виртуальной земли.

Преобразовывая уравнение в терминах V out, мы получаем V out равным:

Мы можем видеть, что выход представляет собой усиленную версию суммы всех входных сигналов, он называется суммирующим усилителем.

Общие сведения о спецификациях и описаниях операционных усилителей » Electronics Notes

Ознакомьтесь с параметрами и спецификациями операционных усилителей, чтобы выбрать правильный операционный усилитель.

---

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

---

Понимание того, что означают спецификации операционных усилителей, указанные в описаниях, является ключом к пониманию того, какую производительность они обеспечивают, и выбору правильного операционного усилителя для любой конкретной электронной схемы.

Как и любой электронный компонент, операционные усилители имеют свои рабочие характеристики, определенные в таблицах данных — они содержат множество спецификаций и параметров, которые определяют рабочие характеристики, и на их основе можно определить, будет ли какое-либо данное устройство подходящим для конкретного приложения.

Некоторые операционные усилители идеально подходят для общих приложений, в то время как микросхемы других операционных усилителей были разработаны для обеспечения определенных уровней производительности в некоторых областях. Разработчики чипов должны сбалансировать стоимость и различные конфликтующие области производительности, поэтому невозможно предоставить один чип, отвечающий всем требованиям.

В таблице ниже приведены сведения о некоторых основных спецификациях и параметрах, встречающихся в описаниях операционных усилителей.

Общие технические характеристики операционных усилителей и параметры
	Спецификация	Спецификация операционного усилителя / Сведения о параметрах
фм	Запас по фазе	Эта спецификация представляет собой абсолютное значение фазового сдвига без обратной связи между выходом и инвертирующим входом на частоте, при которой модуль усиления без обратной связи равен единице.
Ам	Запас усиления	Этот параметр часто встречается в таблицах данных и является обратной величиной усиления напряжения без обратной связи на самой низкой частоте, при которой фазовый сдвиг без обратной связи таков, что выход находится в фазе с инвертирующим входом.
А В	Усиление напряжения большого сигнала	Этот параметр является одной из часто используемых спецификаций. Это отношение размаха выходного напряжения к изменению входного напряжения, необходимого для управления выходным сигналом для больших сигналов.
А ВД	Дифференциальный коэффициент усиления по напряжению	Этот параметр является отношением изменения выходного напряжения к изменению дифференциального входного напряжения, производящего его при неизменном синфазном входном напряжении. т. е. это коэффициент усиления для разницы напряжений между инвертирующим и неинвертирующим входами.
	Увеличение пропускной способности Unity	Этот параметр представляет собой полосу пропускания, для которой усиление напряжения без обратной связи больше единицы, т. е. частота, при которой коэффициент усиления падает до единицы.
С и	Входная емкость	Это емкость между входными клеммами при заземлении любого входа.
СММР	Коэффициент подавления синфазного сигнала	Это особенно важный параметр или спецификация для приложений, где требуется только дифференциальное усиление. Это может быть необходимо для приложений с низким уровнем сигнала, где дифференциальный привод используется для уменьшения наводки синфазного шума. CMMR представляет собой отношение усиления дифференциального напряжения к усилению синфазного напряжения. Это измеряется путем определения отношения изменения входного синфазного напряжения к результирующему изменению входного напряжения смещения.
ГБВ	Продукт увеличения пропускной способности	Этот параметр спецификации операционного усилителя является произведением коэффициента усиления по напряжению без обратной связи и частоты, на которой он измеряется.
I CC+ , I CC-	Потребляемый ток	Этот параметр спецификации представляет ток питания на клеммах V CC+ или V CC- интегральной схемы операционного усилителя, т. е. положительный и отрицательный уровни тока шины питания.
Я ИБ	Входной ток смещения.	Поскольку входные транзисторы операционного усилителя требуют смещения, то для их работы требуется определенный ток, пусть и небольшой. В этой спецификации подробно описывается величина требуемого тока, и она определяется как средний ток на две входные клеммы при заданном уровне выходного сигнала.
I ПР	Низкий уровень выходного тока	Этот параметр определяет выходной ток, который может обеспечить устройство. Максимальные значения будут указаны в спецификации, и они не должны превышаться. Выше пределов ток будет ограничен.
П Д	Суммарная рассеиваемая мощность	Это общая мощность, рассеиваемая в устройстве, равная мощности, подводимой к устройству, за вычетом мощности, подводимой к нагрузке. Максимальное рассеивание мощности не должно превышаться, иначе устройство перегреется, что может привести к его повреждению. Известно, что работа при высоких температурах увеличивает частоту отказов.
р я	Входное сопротивление	Этот параметр спецификации представляет собой сопротивление между двумя входными клеммами операционного усилителя при одной заземленной клемме.
р ID	Дифференциальное входное сопротивление	Этот параметр представляет собой малое сигнальное сопротивление между двумя незаземленными входными клеммами операционного усилителя.
р или	Выходное сопротивление	Это выходное сопротивление операционного усилителя, измеренное между выходной клеммой и землей. Обратите внимание, что даже несмотря на то, что устройство будет иметь низкое выходное сопротивление, его возможности управления по току ограничены и не позволят ему управлять нагрузками с низким импедансом.
СР	Скорость нарастания	Это время, необходимое для изменения выхода для данного входа. Поскольку выходной сигнал не может полностью следовать форме входного сигнала, а его скорость ограничена, существует максимальная скорость, с которой он может изменяться. Параметр скорости нарастания обычно указывается в вольтах на мкс или иногда в вольтах на мс для операционных усилителей.
ТГД+Н	Общее гармоническое искажение плюс шум	Эта спецификация определяет отношение среднеквадратичного напряжения шума и среднеквадратичного гармонического искажения в вольтах основных сигналов к общему среднеквадратичному напряжению на выходе. Он представляет собой общее количество нежелательных продуктов на выходе. Отношение обычно выражается в дБ.
В и	Диапазон входного напряжения	Это диапазон напряжения, в котором может работать операционный усилитель. Превышение этого параметра может привести к неисправности или повреждению операционного усилителя.
В IO	Входное напряжение смещения	Этот параметр представляет собой постоянное напряжение, которое должно быть приложено между входными клеммами, чтобы обеспечить нулевое выходное постоянное напряжение. Если бы оба входа были заземлены, выходное напряжение ОУ не было бы равно нулю — есть небольшое смещение. Это смещение может быть проблемой для цепей, требующих точного постоянного напряжения.
В Н	Эквивалентное входное шумовое напряжение	Все операционные усилители генерируют шум. Этот параметр спецификации определяет шумовые характеристики операционного усилителя. Это напряжение идеального источника напряжения, включенного последовательно с входными клеммами, которое представляет внутренний шум.
В ОМ	Максимальный пиковый размах выходного напряжения	Этот параметр спецификации операционного усилителя представляет собой максимальное положительное или отрицательное выходное напряжение, которое может быть получено без отсечения формы сигнала и при нулевом напряжении покоя постоянного тока.
В О(ПП)	Максимальный размах выходного напряжения	Это максимальное значение размаха напряжения, которое может быть получено без отсечения формы сигнала при нулевом напряжении покоя постоянного тока.
Z ic	Полное входное сопротивление синфазного сигнала	Поскольку вход операционного усилителя является не только резистивным, часто удобнее учитывать входное сопротивление. Этот параметр представляет собой сумму импеданса слабого сигнала между каждой входной клеммой и землей.
Z или	Выходное сопротивление	Как и входная схема операционного усилителя, выход также является комплексным, и этот параметр представляет собой импеданс слабого сигнала между выходной клеммой и землей.

Понимание того, что означают эти характеристики, поможет сделать правильный выбор операционного усилителя для данного приложения или схемы. должны быть сбалансированы, чтобы получить правильный электронный компонент для работы.

Это некоторые из наиболее важных и широко используемых спецификаций операционных усилителей, которые будут упомянуты в таблицах данных, показывающих все различные параметры операционных усилителей.

Хотя часто возможно и вполне приемлемо выбрать недорогой операционный усилитель общего назначения, в некоторых случаях может потребоваться более высокая производительность, и может потребоваться выбор операционного усилителя с более высокими характеристиками. Знание технических характеристик позволяет сделать правильный выбор.