Передаточная характеристика операционного усилителя: анализ, расчет и применение — Производство и поставка электростанций, Бензиновые и дизельные генераторы от 1 до 100 кВт. Мини ТЭЦ на базе двигателя Стирлинга.

Какова передаточная характеристика операционного усилителя. Как рассчитать и построить передаточную характеристику ОУ. Для чего используется передаточная характеристика операционного усилителя в схемотехнике.

Содержание

Что такое передаточная характеристика операционного усилителя

Передаточная характеристика операционного усилителя (ОУ) — это зависимость выходного напряжения ОУ от входного дифференциального напряжения. Она показывает, как усилитель преобразует входной сигнал в выходной.

Основные особенности передаточной характеристики ОУ:

Имеет S-образную форму
Содержит линейный участок в центральной части
Ограничена напряжениями питания на краях
Может быть несимметричной относительно нуля

Анализ передаточной характеристики операционного усилителя

При анализе передаточной характеристики ОУ выделяют несколько ключевых участков:

Линейный участок

Центральная часть характеристики, где выполняется линейная зависимость:

U_вых = K * U_вх

Где K — коэффициент усиления ОУ (обычно 10⁴ — 10⁶).

Участки насыщения

Горизонтальные участки на краях, где выходное напряжение ограничено напряжениями питания:

U_вых ≈ +U_пит (верхнее насыщение)

U_вых ≈ -U_пит (нижнее насыщение)

Напряжение смещения нуля

Напряжение на входе ОУ, при котором выходное напряжение равно нулю. Идеально должно быть равно нулю, но у реальных ОУ может достигать единиц-десятков милливольт.

Расчет передаточной характеристики операционного усилителя

Для построения передаточной характеристики ОУ необходимо рассчитать зависимость U_вых от U_вх. Это можно сделать по следующему алгоритму:

Задать диапазон входных напряжений U_вх
Для каждого значения U_вх рассчитать U_вых = K * U_вх
Ограничить U_вых напряжениями питания
Построить график U_вых = f(U_вх)

Пример расчета в Python:

«`python import numpy as np import matplotlib.pyplot as plt def calculate_ou_characteristic(K, U_pit, U_in_range): U_out = K * U_in_range U_out = np.clip(U_out, -U_pit, U_pit) return U_out K = 1e5 # коэффициент усиления U_pit = 15 # напряжение питания U_in_range = np.linspace(-1e-3, 1e-3, 1000) # диапазон входных напряжений U_out = calculate_ou_characteristic(K, U_pit, U_in_range) plt.figure(figsize=(10, 6)) plt.plot(U_in_range * 1000, U_out) plt.xlabel(‘Входное напряжение, мВ’) plt.ylabel(‘Выходное напряжение, В’) plt.title(‘Передаточная характеристика ОУ’) plt.grid(True) plt.show() «`

Этот код позволяет рассчитать и построить передаточную характеристику ОУ с заданными параметрами.

Применение передаточной характеристики операционного усилителя

Передаточная характеристика ОУ используется для решения следующих задач:

Определение линейного диапазона работы ОУ
Расчет коэффициента усиления
Оценка напряжения смещения нуля
Анализ искажений сигнала при больших входных напряжениях
Выбор оптимального режима работы ОУ

Влияние обратной связи на передаточную характеристику ОУ

В большинстве практических схем ОУ используется с отрицательной обратной связью (ООС). Как ООС влияет на передаточную характеристику?

Уменьшает коэффициент усиления
Расширяет линейный участок характеристики
Снижает влияние напряжения смещения нуля
Уменьшает искажения сигнала

Рассмотрим пример расчета передаточной характеристики ОУ с ООС:

«`python import numpy as np import matplotlib.pyplot as plt def calculate_ou_characteristic(K, U_pit, U_in_range): U_out = K * U_in_range U_out = np.clip(U_out, -U_pit, U_pit) return U_out def calculate_ou_characteristic_with_feedback(K, U_pit, U_in_range, K_fb): U_out = K * U_in_range / (1 + K * K_fb) U_out = np.clip(U_out, -U_pit, U_pit) return U_out K = 1e5 # коэффициент усиления U_pit = 15 # напряжение питания U_in_range = np.linspace(-1e-1, 1e-1, 1000) # диапазон входных напряжений K_fb = 0.1 # коэффициент обратной связи U_out = calculate_ou_characteristic(K, U_pit, U_in_range) U_out_fb = calculate_ou_characteristic_with_feedback(K, U_pit, U_in_range, K_fb) plt.figure(figsize=(10, 6)) plt.plot(U_in_range * 1000, U_out, label=’Без ООС’) plt.plot(U_in_range * 1000, U_out_fb, label=’С ООС’) plt.xlabel(‘Входное напряжение, мВ’) plt.ylabel(‘Выходное напряжение, В’) plt.title(‘Передаточные характеристики ОУ’) plt.legend() plt.grid(True) plt.show() «`

Этот код позволяет сравнить передаточные характеристики ОУ с обратной связью и без нее.

Экспериментальное построение передаточной характеристики ОУ

Для экспериментального построения передаточной характеристики ОУ используется следующая методика:

Собрать схему измерения с источником регулируемого напряжения на входе ОУ
Изменять входное напряжение в заданном диапазоне
Измерять соответствующее выходное напряжение
Построить график зависимости U_вых от U_вх

Важно учитывать следующие моменты при проведении эксперимента:

Использовать высокоточные измерительные приборы
Обеспечить стабильное питание ОУ
Учитывать влияние температуры на характеристики ОУ
Проводить многократные измерения для повышения точности

Применение передаточной характеристики в схемотехнике

Знание передаточной характеристики ОУ позволяет решать следующие практические задачи:

Выбор оптимального ОУ для конкретной схемы
Расчет коэффициентов усиления схем на ОУ
Анализ нелинейных искажений в усилителях
Проектирование компараторов и генераторов
Оптимизация энергопотребления схем на ОУ

Рассмотрим пример использования передаточной характеристики для расчета схемы компаратора на ОУ:

«`python import numpy as np import matplotlib.pyplot as plt def comparator_output(U_in, U_ref, K, U_pit): U_out = K * (U_in — U_ref) U_out = np.clip(U_out, -U_pit, U_pit) return U_out K = 1e5 # коэффициент усиления ОУ U_pit = 15 # напряжение питания U_ref = 2 # опорное напряжение U_in_range = np.linspace(-5, 5, 1000) # диапазон входных напряжений U_out = comparator_output(U_in_range, U_ref, K, U_pit) plt.figure(figsize=(10, 6)) plt.plot(U_in_range, U_out) plt.axvline(x=U_ref, color=’r’, linestyle=’—‘, label=’Опорное напряжение’) plt.xlabel(‘Входное напряжение, В’) plt.ylabel(‘Выходное напряжение, В’) plt.title(‘Характеристика компаратора на ОУ’) plt.legend() plt.grid(True) plt.show() «`

Этот код демонстрирует, как передаточная характеристика ОУ используется для создания компаратора — устройства, сравнивающего входное напряжение с опорным.

Влияние частоты на передаточную характеристику ОУ

Передаточная характеристика ОУ зависит от частоты входного сигнала. С ростом частоты наблюдаются следующие эффекты:

Уменьшение коэффициента усиления
Появление фазового сдвига
Искажение формы характеристики
Ограничение скорости нарастания выходного сигнала

Для учета этих эффектов используется частотная характеристика ОУ, которая дополняет передаточную характеристику.

Передаточная характеристика операционного усилителя: расчет, формула, схема

Операционный усилитель хорошо характеризует его передаточная характеристика — зависимость вида u вых= f (u диф), где f − некоторая функция. Изобразим график этой зависимости (рис. 1.139) для операционного усилителя К140УД1Б (это один из первых отечественных операционных усилителей).

Эта конкретная характеристика не проходит через начало координат. У различных экземпляров операционных усилителей одного и того же типа эта характеристика может проходить как слева, так и справа от начала координат. Заранее предсказать точное положение этой характеристики невозможно.

Значение напряжения uдиф, при котором выполняется условие uвых= 0, называют напряжением смещения (напряжением смещения нуля) и обозначают через U_см. Для операционного усилителя типа К140УД1 известно только то, что напряжение U_см лежит в диапазоне от −10 мВ до +10 мВ.

А это означает, что при нулевом напряжении uдиф напряжение uвых может лежать в пределах от минимально возможного (около −7 В) до максимально возможного (около +10 В).

Васильев Дмитрий Петрович

Профессор электротехники СПбГПУ

Задать вопрос

Для того чтобы при нулевом усиливаемом сигнале напряжение на выходе было равным нулю, т. е. для того, чтобы передаточная характеристика проходила через начало координат, предусматривают меры по компенсации напряжения смещения (балансировка, коррекция нуля, настройка нуля). В некоторых операционных усилителях (в том числе и типа К140УД1Б) не предусмотрены специальные выводы, воздействуя на которые можно было бы компенсировать напряжение смещения.

В этом случае на входы операционного усилителя, кроме усиливаемого сигнала, нужно подавать напряжение, компенсирующее напряжение смещения. В некоторых операционных усилителях для компенсации напряжения смещения предусмотрены специальные выводы. Изобразим типовую схему включения операционного усилителя типа К140УД8А, в котором предусмотрены такие выводы (рис. 1.140).

Через NC обозначены специальные выводы для балансировки. Цифрами обозначены номера выводов.

Диапазон выходного напряжения, соответствующий почти вертикальному участку передаточной характеристики, называется областью усиления. Соответствующий этому диапазону режим работы называют режимом усиления (линейным, активным режимом). В линейном режиме uвых=K·uдиф, где K— коэффициент усиления по напряжению (коэффициент усиления напряжения, коэффициент усиления дифференциального сигнала).

Обычно величина K лежит в пределах 10⁴… 10⁵. К примеру, для операционного усилителя типа К140УД1Б К = 1350…12000, для операционного усилителя К140УД14А K не менее 50000.

Диапазоны выходного напряжения вне области усиления называются областями насыщения. Соответствующий этим областям режим называют режимом насыщения. Обычно считается, что в режиме насыщения выполняется условие uвых= +U_пит −3В(при uдиф> 0) или uвых= −U_пит +3В( при uдиф< 0) где +U_пит и −U_пит — напряжения питания. В приближенных расчетах иногда считают, что в режиме насыщения uвых= +U_питили uвых= −U_пит

Абрамян Евгений Павлович

Доцент кафедры электротехники СПбГПУ

Задать вопрос

Реальные электронные устройства на основе операционного усилителя практически всегда имеют коэффициент усиления значительно меньше K, так как в них используется отрицательная обратная связь. Пример схемы с отрицательной обратной связью приведен на рис. 1.134.

Легко заметить, что чем больше коэффициент K при заданных напряжениях +U_пит и −U_пит, тем меньше тот диапазон значений напряжения u диф, который соответствует режиму усиления. Так, если K = 50000 и +U_пит = |−U_пит | = 15 В, то величина |uдиф| не может превышать значения 15 / 50000 = 300 · 10⁻⁶ В = 300 мкВ. Если наперед известно, что операционный усилитель работает в режиме усиления, то при практических расчетах обычно принимают, что uдиф= 0.

Передаточная характеристика оу


Рис. 84	л11р2

Операционный усилитель можно охарактеризовать при помощи зависимости, связывающей выходное напряжение с входным дифференциальным. Под входным дифференциальным напряжение будем понимать разность напряжений, присутствующих на неинвертирующем и инвертирующем входах операционного усилителя: . Данная зависимость называется передаточной характеристики ОУ. Возможный вид передаточной характеристики представлен на рис. 84. Показанная на этом рисунке зависимость не проходит через начало координат, что является характерным для реальных ОУ. Иными словами, при нулевом входном дифференциальном напряжении на выходе ОУ может присутствовать постоянное напряжение. Величина этого напряжения и его полярность зависит от конкретного экземпляра микросхемы. Данное напряжение на выходе ОУ называется напряжением смещения (нуля) и обозначается через . Устранение напряжения смещения осуществляется, как отмечено выше, при помощи балансировки ОУ, если он имеет соответствующие выводы. В современных ОУ напряжение смещения обычно не превышает десятков милливольт.

Напряжение смещение на выходе ОУ может быть уменьшено до нуля подачей на его вход некоторого дифференциального напряжения.

Диапазон входных напряжений, соответствующих наклонному (вертикальному) участку передаточной характеристики, называется областью усиления. Режим работы ОУ, соответствующий данному диапазону входных напряжений, является основным для ОУ и называется режимом усиления (линейным, активным режимом). Для этого режима справедливо соотношение

где — коэффициент усиления ОУ по напряжению. Обычно величина коэффициента усиления по напряжению лежит в пределах 10⁴…10⁵. Очевидно, что при большом полном коэффициенте усиления ОУ участок входных напряжений, соответствующих режиму усиления, весьма мал. Действительно, при и величина входного дифференциального напряжения (по модулю) не может превышать 150 мкВ. Поэтому при практических расчетах обычно принимают , т. е. напряжения на неинвертирующем и инвертирующем входах считают равными.

В реальных усилителях, построенных с использованием ОУ, используются отрицательные обратные связи и коэффициент усиления существенно меньше собственного коэффициента усиления ОУ, что позволяет расширить диапазон входных напряжений.

Области передаточной характеристики вне области усиления называются областями насыщения. Режим, соответствующий этим областям, носит соответствующее название. Обычно считается, что при насыщении выполняются следующие условия:

однако эти соотношения для реальных ОУ могут быть другими; при приближенных расчетах можно принять, что в режиме насыщения выходное напряжение равно соответствующему напряжению питания.

Скорость нарастания оу

Скорость нарастания является одной из характеристик реального ОУ и определяется как максимальная скорость изменения выходного напряжения по времени:

Скорость нарастания обычно задают в вольтах на микросекунду. Она характеризует инерционность реального ОУ, обусловленную наличием в нем внутренних емкостей. Скорость заряда этих емкостей ограничена, что ограничивает скорость изменения выходного напряжения.

Скорость нарастания является мерой способности усилителя обрабатывать без искажений сигналы с большими амплитудами. Имеется простая связь между амплитудой гармонического напряжения на выходе ОУ, его частотой и скоростью нарастания: , которая позволяет определять величину неискаженного сигнала на выходе ОУ.

Рассчитаем, например, максимальную амплитуду синусоидального выходного напряжения частотой 1 МГц, которое может без искажений присутствовать на выходе ОУ, имеющего скорость нарастания . Преобразовав представленную выше формулу, получим, что .

Передаточная характеристика дифференциального усилителя. OrCAD PSpice. Анализ электрических цепей

6. ОПЕРАЦИОННЫЕ УСИЛИТЕЛИ (ОУ) И ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ УСТРОЙСТВА НА ИХ ОСНОВЕ 6.1. Операционный усилитель (ОУ) и его свойства Интегральные операционные

Операционные усилители

Электроника Операционные усилители Операционный усилитель (ОУ) многокаскадный усилитель с дифференциальным входом, предназначенный для выполнения математических операций с аналоговыми сигналами. В иностранной

Подробнее Расчёт схем на операционных усилителях
Расчёт схем на операционных усилителях Операционный усилитель (ОУ) многокаскадный усилитель постоянного тока (УПТ) с дифференциальным входом, обладающий большим коэффициентом усиления, высоким входным
Подробнее Лекция 10 Тема 10 Операционные усилители
Лекция 10 Тема 10 Операционные усилители Операционным усилителем (ОУ) называют усилитель электрических сигналов, предназначенный для выполнения различных операций над аналоговыми и импульсными величинами
Подробнее Рисунок 1 Частотная характеристика УПТ
Лекция 8 Тема: Интегральные усилители 1 Усилители постоянного тока Усилителями постоянного тока (УПТ) или усилителями медленно изменяющихся сигналов называются усилители, которые способны усиливать электрические
Подробнее 7. УСИЛИТЕЛИ ВЫСОКОЙ ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТИ
7. УСИЛИТЕЛИ ВЫСОКОЙ ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТИ 7.1. Шумы усилительного тракта Эквивалентные умовые схемы пассивных и активных элементов Принято считать [4], что усилители высокой (предельной) чувствительности это
Подробнее 6 ИССЛЕДОВАНИE ОПЕРАЦИОННОГО УСИЛИТЕЛЯ
Лабораторная работа 6 ИССЛЕДОВАНИE ОПЕРАЦИОННОГО УСИЛИТЕЛЯ 1. Цель работы Изучение схем включения операционного усилителя с обратными связями в качестве инвертирующего и неинвертирующего усилителя; исследование
Подробнее Рисунок 1 Частотная характеристика УПТ
Лекция 8 Тема 8 Специальные усилители Усилители постоянного тока Усилителями постоянного тока (УПТ) или усилителями медленно изменяющихся сигналов называются усилители, которые способны усиливать электрические
Подробнее Усилители УСИЛИТЕЛИ С ОБРАТНОЙ СВЯЗЬЮ
Усилители УСИЛИТЕЛИ С ОБРАТНОЙ СВЯЗЬЮ Обратная связь находит широкое использование в разнообразных устройствах полупроводниковой электроники. В усилителях введение обратной связи призвано улучшить ряд
Подробнее Применение операционных усилителей
Электроника Применение операционных усилителей В данной теме рассматриваются типовые схемы усилителей, построенных на базе операционных усилителей (ОУ), которые необходимо знать и уметь анализировать и
Подробнее Рис Структурная схема усилителя с ОС
3. ОБРАТНЫЕ СВЯЗИ В ТРАКТАХ УСИЛЕНИЯ 3.. Структурная схема идеального управляемого источника с однопетлевой отрицательной обратной связью (ООС) и ее использование для анализа влияния ООС на параметры и
Подробнее Глава 5. Дифференциальные усилители
Глава 5. Дифференциальные усилители 5. Дифференциальные усилители Дифференциальный усилитель это симметричный усилитель с двумя входами и двумя выходами, использующийся для усиления разности напряжений
Подробнее 1. Пассивные RC цепи
. Пассивные цепи Введение В задачах рассматриваются вопросы расчета амплитудно-частотных, фазочастотных и переходных характеристик в пассивных — цепях. Для расчета названных характеристик необходимо знать
Подробнее Лекция 25. УСИЛИТЕЛИ
247 Лекция 25 УСИЛИТЕЛИ План Классификация и новные параметры усилителей 2 Обратные связи в усилителях 3 Влияние обратных связей на характеристики усилителей 4 Выводы Классификация и новные параметры усилителей
Подробнее ТЕМА 6 ЭЛЕКТРОННЫЕ УСИЛИТЕЛИ.
ТЕМА 6 ЭЛЕКТРОННЫЕ УСИЛИТЕЛИ. Электронный усилитель — устройство, преобразующее маломощный электрический сигнал на входе в сигнал большей мощности на выходе с минимальными искажениями формы. По функциональному
Подробнее Лекция 12 Активные фильтры. План
Лекция 2 Активные фильтры План Введение 2 Общее математическое описание фильтров 3 Классификация фильтров 4 Схемы активных фильтров 5 Особенности проектирования активных фильтров 6 Активные фильтры на
Подробнее Операционные усилители
1 Операционные усилители Лекции профессора Полевского В.И. Операционным усилителем (ОУ) называют дифференциальный усилитель постоянного тока, обладающий специальными частотными характеристиками, полученными
Подробнее Операционные усилители (ОУ)
Операционные усилители (ОУ) Операционный усилитель многокаскадный усилитель с дифференциальным входом, предназначенный для выполнения математических операций с аналоговыми сигналами. В иностранной литературе
Подробнее Характеристики операционного усилителя
ГУАП ОТЧЕТ ЗАЩИЩЕН С ОЦЕНКОЙ ПРЕПОДАВАТЕЛЬ должность, уч. степень, звание подпись, дата инициалы, фамилия ОТЧЕТ О ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЕ Характеристики операционного усилителя по курсу: ЭЛЕКТРОНИКА РАБОТУ
Подробнее 2
Редакционно-издательский отдел Санкт-Петербургского государственного университета информационных технологий, механики и оптики 970, Санкт-Петербург, Кронверкский пр., 49 2 3 ОГЛАВЛЕНИЕ. Общие сведения,
Подробнее 1.1 Усилители мощности (выходные каскады)
Лекция 7 Тема: Специальные усилители 1.1 Усилители мощности (выходные каскады) Каскады усиления мощности обычно являются выходными (оконечными) каскадами, к которым подключается внешняя нагрузка, и предназначены
Подробнее 2. Область применения
4ОУОСT Четырехканальный быстродействующий операционный усилитель с обратной связью по току 1. Общие положения 4ОУОСТ четырехканальный операционный усилитель (ОУ) с обратной связью по току предназначен
Подробнее 4. ПЕРЕХОДНАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА МЕМБРАНЫ
4. ПЕРЕХОДНАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА МЕМБРАНЫ 4.1 Временные характеристики динамической системы Для оценки динамических свойств системы и отдельных звеньев принято исследовать их реакцию на типовые входные воздействия,
Подробнее Аналогові електронні пристрої
Навчальна програма з дисципліни Аналогові електронні пристрої 1. Вступ 1.1. Об єкт вивчення Объектом изучения курса является схемотехника усилительных устройств, в том числе дифференциальных каскадов и
Подробнее Тема 5. ЛИНЕЙНЫЕ СТАЦИОНАРНЫЕ СИСТЕМЫ
Тема 5 ЛИНЕЙНЫЕ СТАЦИОНАРНЫЕ СИСТЕМЫ Свойства линейных стационарных систем: линейность, стационарность, физическая реализуемость Дифференциальное уравнение Передаточная функция Частотная передаточная функция
Подробнее Генераторы LС ГЕНЕРАТОРЫ
Генераторы Среди генераторных устройств следует различать генераторы синусоидальных (гармонических) колебаний и генераторы прямоугольных колебаний, или сигналов прямоугольной формы (генераторы импульсов).
Подробнее . Значит, спектральная функция. i t
2. Преобразования импульсов в линейных электрических цепях. Линейными называются преобразования, которые не добавляют в спектр сигнала более высоких гармоник. Наиболее распространенные линейные преобразования
Подробнее Вход Усилитель. Обратная связь
Лекция 5 Тема 5 Обратная связь в усилителях Обратной связью () называют передачу части энергии усиливаемого сигнала из выходной цепи усилителя во входную. На рисунке 4 показана структурная схема усилителя
Подробнее Лекция 4. Типовые динамические звенья
Лекция 4 Типовые динамические звенья Системы автоматического регулирования удобно представлять в виде соединения элементов, каждый из которых описывается алгебраическим или дифференциальным уравнением
Подробнее Анализ схем на операционных усилителях
АНАЛИЗ СХЕМ НА ОПЕРАЦИОННЫХ УСИЛИТЕЛЯХ
Операционные усилители (ОУ) широко используются в системах управления. В табл. 2.1 представлены принципиальные схемы элементарных звеньев, реализованные на операционных усилителях. Эти схемы используются для реализации регуляторов, различных корректирующих звеньев, других функциональных элементов.
В принципе, операционные усилители могут иметь и более сложные цепи по входам и обратным связям, чем схемы в табл. 2.1. Ниже предлагается методика анализа и синтеза схем на операционных усилителях, нахождение соответствующих передаточных функций и ЛАЧХ для самых сложных схем.
Таблица 2.1. Схемы на операционных усилителях и сопутствующие передаточные функции, ЛАЧХ, переходные характеристики.
Практика показывает, что использование для анализа передаточной функции операционного усилителя приводит к сложным математическим выражениям и ошибкам при их преобразовании. Все можно делать проще, доступнее и понятнее.
При частоте (установившийся процесс) емкости обеспечивают разрыв (емкостное сопротивление равно бесконечности), а при емкости закорочены (емкостное сопротивление равно нулю).
Предлагается следующая методика анализа:
— — имеем асимптоту ЛАЧХ на высоких частотах;
— — имеем асимптоту ЛАЧХ на низких частотах;
— анализируем, на каких сопрягающих частотах согласно табл.2.1 проявляют себя постоянные времени;
— строим итоговую ЛАЧХ;
— находим передаточную функцию, которую позволяет получить схема на ОУ.
Отметим несколько стандартных ситуаций в дополнение к табл. 2.1:
— параллельное соединение RC — элементов на входе ОУ приводит к появлению сопрягающей частоты с поворотом ЛАЧХ на +20 дб/дек;
— параллельное соединение RC — элементов в цепи обратной связи ОУ приводит к появлению сопрягающей частоты с поворотом ЛАЧХ на  20 дб/дек;
— последовательное соединение RC — элементов на входе ОУ приводит к появлению сопрягающей частоты с поворотом ЛАЧХ на  20 дб/дек;
— последовательное соединение RC — элементов в цепи обратной связи ОУ приводит к появлению сопрягающей частоты с поворотом ЛАЧХ на +20 дб/дек;
— наличие емкости в последовательной цепи на входе ОУ приводит к появлению дифференциального звена на малых частотах;
— наличие емкости в последовательной цепи обратной связи ОУ приводит к появлению интегрирующего звена на малых частотах.
При построении ЛАЧХ следует учитывать, что произведение (деление) нескольких звеньев приводит в результирующей ЛАЧХ к суммированию (вычитанию) ЛАЧХ отдельных звеньев.
При наклоне ЛАЧХ 20 дб/дек (+20 дб/дек) изменение частоты в ω2 / ω1 раз коэффициент усиления изменяется в К1 / К2 ( К2 / К1) раз. Например, для интегрирующего звена увеличение частоты в четыре раза ведет к уменьшению коэффициента усиления в четыре раза (на 12 дб).
Требуется уметь работать в логарифмическом масштабе с десятичной и двоичной системами счисления (табл.2.2).
Таблица 2.2. Соотношение между коэффициентами усиления в абсолютном и логарифмическом масштабах.

К

20lgК, дб

К

20lgК, дб

1

0

2

6

10

20

8 = 2³

18

1000

60

0,125

— 18

0,001

— 60

0,5 · 10³

— 6 + 60 = 54

0,05 = 1 / 20

0 – 16 = 16

32 = 2⁵

6 · 5 = 30

ПРИМЕР 2.1.
Рис. 2.1. Исходная схема на ОУ
Дана схема на ОУ (рис. 2.1):
Нужно определить ЛАЧХ, которую позволяет получить данная схема, и соответствующую передаточную функцию.
1. При схема вырождается (рис. 2.2):

Рис. 2.2. Схема на ОУ при .
Для схемы на рис. 2.2:
;
дБ.
2. При схема вырождается (рис. 2.3) :

Рис. 2.3. Схема на ОУ при
Для схемы рис. 2.3
с;
рад/с.
3. Начало и конец частотной характеристики представлены на рис. 2.4.
Рис. 2.4. Начало и конец ЛАЧХ для заданной схемы.
4. Находим постоянные времени и соответствующие сопрягающие частоты:
— форсирующее звено с;
рад/с.
— апериодическое звено с;
рад/с.
— форсирующее звено с;
рад/с.
Итоговая ЛАЧХ, получает вид, представленный на рис. 2.5.

Рис. 2.5. Итоговая ЛАЧХ для исходной схемы на ОУ.
5. Передаточная функция схемы (реальный ПИД – регулятор)
На частотах схема ведет себя как интегрирующее звено : — W(p) = 100/p
На частотах рад/с — W(p) = 2
На частотах — W(p) = 2(0,5p +1)
На частотах — W(p) = 100
ПРИМЕР 2.2.
Нужно реализовать на операционном усилителе заданную передаточную функцию регулятора
.
1. — интегратор (рис.2.6.) ;
при .
2. — интегратор (рис.2.6) ;
при .
Рис. 2.6. Начало и конец ЛАЧХ для заданной ПФ.
3. По сопрягающим частотам W(p) имеем:
– форсирующее звено с, рад/с ;
– апериодическое звено с, рад/с.
4. Результирующая частотная характеристика приведена на рис. 2.7.
Рис. 2.7. Результирующая ЛАЧХ для заданной ПФ
5. Реализация регулятора дана на рис. 2.8.

Рис. 2.8. Принципиальная схема на ОУ для реализации заданной ПФ
6. Выбор R-C — элементов регулятора. Примем мкФ.
Тогда кОм;
1-й вариант дальнейшего расчета:
, откуда
кОм.
2-й вариант дальнейшего расчета:
, откуда R1 = R2 / 100 = 1 кОм.
, откуда мкФ.
В приложении 1 приведены схемы на операционных усилителях, для которых рассчитаны ЛАЧХ и передаточные функции. Также приведены ЛАЧХ, для которых определены передаточные функции и реализованы схемы на ОУ. И, наконец, для заданных передаточных функций построены ЛАЧХ и реализованы схемы на ОУ.
Все примеры приложения 1 рассмотрены с использованием предлагаемой методики анализа и синтеза схем на ОУ.

Основные характеристики операционного усилителя

⇐ ПредыдущаяСтр 11 из 15Следующая ⇒
К основным характеристикам операционного усилителя относится амплитудная или передаточная характеристика (рис.17). Она отражает усилительные свойства ОУ – это зависимость выходного напряжения от входного, причем входное напряжение это дифференциальное напряжение, т.е. напряжение между входами ОУ
Рис.17. Амплитудная характеристика ОУ (1- неинвертирующее включение, 2- инвертирующее включение, 3 смещенная характеристика)

Амплитудная характеристика имеет линейный участок , на котором приращение выходного напряжения линейно зависит от приращения входного напряжения , а тангенс угла наклона характеристики определяет дифференциальный коэффициент усиления
.
За пределами участка ab усилитель находится в насыщении =0, напряжение на выходе принимает значение или близкие к напряжениям питания ОУ и соответственно. Реальная характеристика ОУ смещена относительно нуля на величину напряжения смещения нуля .
Частотные свойства отображаются амплитудно-частотной и фазовой характеристиками ОУ, которые описываются уравнениями:
,
и ,
где — коэффициент усиления ОУ на нулевой частоте;
— верхняя частота среза, по определению это такая частота,
на которой коэффициент усиления уменьшается в раз от
своего максимального значения.
Вид этих характеристик показан на рис.18.
Рис.18. Логарифмическая амплитудно-частотная (а)
и фазовая (b) характеристики ОУ

Амплитудно-частотная характеристика обычно строится в логарифмическом масштабе; коэффициент усиления представляется в децибелах (ЛАЧХ). Идеализированная ЛАЧХ состоит из асимптот: одна параллельна оси частот, вторая имеет наклон 20db на декаду. Ордината точки пересечения является частотой верхнего среза, в децибелах это соответствует -3 db; на такое значение идеализированная характеристика отличается от истиной характеристики.

Реакция усилителя на импульсное воздействие описывается переходной характеристикой – зависимостью мгновенного значения выходного напряжения от времени (рис.19).

Рис.19. Переходная характеристика ОУ.
По переходной характеристике можно определить параметр, характеризующий динамические свойства ОУ — это скорость нарастания выходного напряжения
.
На основе данных измерений можно построить эквивалентную схему, которая учитывает реальные параметры ОУ (рис.20).
Рис.20. Эквивалентная схема реального операционного усилителя
для малых сигналов.

Классификация ОУ

Операционный усилитель, по существу, является идеальным усилительным элементом и составляет основу всей аналоговой электроники. Это стало возможным в результате достижений современной микроэлектроники, позволившей реализовать достаточно сложную структуру ОУ в интегральном исполнении на одном кристалле и наладить массовый выпуск подобных устройств. Поэтому ОУ можно рассматривать в качестве простейшего элемента электронных схем подобно диоду, транзистору и т.п.

В качестве источника питания ОУ используют двухполярный источник напряжения (+Uп, -Uп). Средний вывод этого источника, как правило, является общей шиной для входных и выходных сигналов и в большинстве случаев не подключается к ОУ. В реальных ОУ напряжение питания лежит в диапазоне ±3 В…±18 В. Использование источника питания со средней точкой предполагает возможность изменения не только уровня, но и полярности как входного, так и выходного напряжений ОУ.
Все операционные усилители имеют либо внутреннюю коррекцию АЧХ, либо внешнюю. В последнем случае к выводам ОУ подключаются внешние пассивные элементы, в качестве которых используются резисторы и емкости. Некоторые ОУ имеют защиту от короткого замыкания.
В соответствии с ГОСТ 4.465-86 все ОУ делятся на следующие группы по совокупности их параметров и назначению:
Универсальные или ОУ общего применения используются для построения узлов аппаратуры, имеющих суммарную приведенную погрешность на уровне 1 %. Они характеризуются относительно малой стоимостью и средним уровнем параметров (напряжение смещения — единицы милливольт, температурный дрейф — десятки мкВ/°С, коэффициент усиления — десятки тысяч, частота единичного усиления ; скорость нарастания выходного напряжения — от десятых долей до единиц вольт/микросекунд).

Прецизионные (высокоточные) операционные усилители используются для усиления малых сигналов и характеризуются малыми значениями напряжения смещения и его температурным дрейфом, большими коэффициентами усиления и высоким коэффициентом подавления синфазного сигнала, большим входным сопротивлением и низким уровнем шумов. Их основные параметры: напряжения смещения <250 мкВ; температурный дрейф < 5 мкВ/°С; коэффициент усиления >200 тыс. Прецизионные ОУ строятся обычно на принципе модуляции — демодуляции. Например, ОУ К140УД21, К140У24 и др.

Значительно лучшими характеристиками обладают ОУ с периодической компенсацией дрейфа нуля.

Мощные и высоковольтные ОУ — усилители с выходными каскадами, построенными на мощных высоковольтных элементах. Выходной ток ≥100 мА, выходное напряжение ≥15 В. К таким ОУ относятся К157УД1, К1408УД1, К1422УД1 и др.

Быстродействующие ОУ. Они характеризуются высокой скоростью нарастания выходного сигнала, малым временем установления, высокой частотой единичного усиления . Для таких ОУ обычно: ≥ 50 В/мкс, ≥1МГц.

Быстродействующие усилители склонны к самовозбуждению, поэтому для предотвращения генерации в схеме необходимо уменьшить паразитную емкость между выходом ОУ и его входами. Для уменьшения указанной паразитной емкости применяют специальные внешние цепи коррекции, состав которых зависит от задачи, которую решают ОУ. К быстродействующим ОУ относятся ИС: К140УД10, К140УД11, К544УД2, К574УД2.

Микромощные ОУ отличаются минимальными потребляемыми мощностями. Потребляемый ток иногда можно регулировать с помощью внешнего резистора, поэтому такие ОУ иногда называются программируемыми. Микромощные ОУ широко используются в автономной аппаратуре, где важнейшим параметром является минимальная потребляемая мощность. К таким ОУ относятся ИС: К140УД12, К153УД4, К1401УДЗ.

Многоканальные ОУ представляют собой несколько ОУ (обычно 2 или 4), размещенных в одном корпусе. Применяются для снижения массогабаритных показателей. Например, К140УД20, К1401УД1, К1407УД2.

Особую группу операционных усилителей составляют ОУ с большим входным сопротивлением. Их входное сопротивление превышает десятки мегом. У таких ОУ в первом каскаде используются полевые транзисторы, например, ОУ К140УД8, К544УД2 и др. Операционные усилители в настоящее время являются основными элементами для построения аналоговых и импульсных схем.

Рекомендуемые страницы:
Операционный усилитель | Политех в Сети
Лабораторная работа № 7.
Цель работы — экспериментально исследовать основные параметры и характеристики операционного усилителя и изучить некоторые схемы на его основе.
Приборы и модули: электронный осциллограф, генератор звуковых частот, генератор сигналов высокочастотный, универсальный лабораторный стенд, модуль N14.
Сведения из теории.
Усилители с непосредственной связью.
Операционные усилители относятся к классу усилителей постоянного тока (УПТ) УПТ называют устройства, способные усиливать не только переменные напряжения или токи, но также и уровень постоянной составляющей. Нижняя граничная частота УПТ равна нулю, что видно из его амплитудно-частотной характеристики (рис.1).
Поскольку разделительные конденсаторы, а также трансформаторы не обеспечивают передачу постоянной составляющей сигнала, то в УПТ применяется только непосредственная (гальваническая) связь между каскадами. Существенным недостатком таких УПТ является нежелательное изменение выходного напряжения при постоянстве входного напряжения. Это явление получило название «дрейф нуля». Дрейф нуля вызывается нестабильностью питающих напряжений, температурными изменениями входной характеристики, начального коллекторного тока и параметров транзистора. Однако, основной причиной дрейф нуля является температурное непостоянство начального коллекторного тока температурное смещение входных характеристик транзисторов. Для кремниевых транзисторов, имеющих малый начальный коллекторный ток, главными источниками дрейфа нуля остается температурное смещение входных характеристик, величина которого составляет около (-2,5 мВ) на 1°С. При изменении температуры в широком диапазоне смещение входной характеристики первого каскада усилителя усиливаете всеми последующими каскадами, что приводит к существенному нежелательному изменению напряжения на выходе усилителя.
Широкое распространение в качестве УПТ получили дифференциальные усилители, входящие в состав любого операционного усилителя.
Дифференциальный усилитель.
Дифференциальным усилителем (ДУ) называется УПТ, усиливающий разности напряжений двух входных сигналов. В идеальном случае выходное напряжение ДУ не зависит от уровня каждого из входных сигналов, а определяется только их разностью Это свойство ДУ обусловлено их применением в случаях, когда измеряются очень слабые сигналы на фоне больших синфазных помех. Примерами таких сигналов являются цифровые сигналы, передаваемые по длинным кабелям, напряжения электрокардиограмм, сигналы считывания информации из магнитной памяти, а также сигналы, измеряемые при биологических исследованиях, например, при измерении небольшой разности двух больших потенциалов между двумя близкими точками живого организма.
ДУ представляет собой симметричный усилитель, имеющий 2 входа и 2 выхода построенный на паре идентичных транзисторов, согласованных по своим параметрам и характеристикам (рис.2). Пусть усилитель — идеально симметричный.
Входные сигналы U1 и U2 подаются на базы транзисторов. Выходное напряжение можно снимать как с любого из выходов относительно земли (несимметричный выход), так и между выходами (симметричный выход). У высококачественных ДУ резистор RЭ Должен быть достаточно велик. Совместно с источником питания — Е этот резистор образует генератор стабильного тока, ток которого:
У такого ДУ ток I0 практически не зависит от наличия сигналов на входах ДУ. Если U1=U2=0 то вследствие симметрии схемы ток I0 поровну распределяется между обоими транзисторами. Пренебрегая базовым током, получим:
Токи, протекающие в транзисторах, не изменяются, если оба входных напряжения получат приращения на одну и ту же величину (синфазный сигнал). Так как в этом случае коллекторные токи остаются равными друг другу, то постоянна и разность выходных напряжений, т. е. коэффициент усиления синфазного сигнала равен 0. Если U1>U2 то изменяется распределение токов в дифференциальном усилителе: I1 увеличивается, а I1 уменьшается. Но их сумма при этом остается равной I0. Поэтому приращения токов ΔI1= -ΔI2.Таким образом, разность входных напряжений (или дифференциальный сигнал) в отличие от синфазного вызывает изменение выходного напряжения.
Изменения напряжения база — эмиттер, происходящие под воздействием температуры, действуют как синфазный сигнал и, следовательно, не влияют на работу усилителя. Поэтому ДУ хорошо приспособлен для работы в качестве УПТ.
У идеального ДУ коэффициент передачи разностного сигнала равен отношению разности напряжений на выходе к разности напряжений на входе:
— напряжение на зажимах симметричного выхода;
U1, U2 — напряжение на входах ДУ.
Если выходное напряжение снимается с одного из несимметричных выходов, то при снятии напряжения с первого выхода коэффициент усиления разностного сигнала:
где UВых1— приращение напряжения на первом выходе за счет разности входных сигналов.
Аналогично, если напряжение снимается со второго выхода, коэффициент усиления разностного сигнала:
Где UВых2— приращение напряжения на втором выходе за счет разности входных напряжений.
Для симметричной схемы выполняется условие:
Откуда:
Однако реальный ДУ не обладает идеальной симметрией, в результате напряжение на выходе зависит не только от разности, но и от суммы входных сигналов. При этом сумма входных сигналов, поделенная на два, называется синфазным сигналом:
Выходное напряжение реального ДУ:
Где KP — коэффициент усиления разностного напряжения, равный отношению приращения напряжения на выходе к разностному напряжению на входе при суммарном напряжении U1+U2=0 ;
KC — коэффициент передачи синфазного сигнала.
Положив U1=U2 получим:
Коэффициент передачи синфазного сигнала равен отношению напряжения на выходе ДУ к синфазному входному напряжению при разностном сигнале на входе равном нулю. Высококачественный ДУ должен значительно усиливать малые разностные сигналы и существенно ослаблять большие синфазные сигналы. Типовой значение коэффициента усиления дифференциального сигнала составляет 50 — 100 раз, а синфазного — 10-3.
Способность различать слабые дифференциальные сигналы на фоне больших синфазных помех является одним из замечательных свойств современных ДУ Качество ДУ, т. е. его приближение к идеальному, оценивается коэффициентом ослабления синфазного сигнала КOCC, равным отношению коэффициентов передачи разностного и синфазного сигналов:
Коэффициент ослабления синфазного сигнала оценивается в децибелах и для современных ДУ КOCC = 104~105, что составляет (80 ~100) ДБ.
Для повышения симметрии схемы (для большего ослабления мешающего синфазного сигнала) необходимо увеличивать величину RЭ Однако увеличение RЭ, вызывает повышение падения напряжения на нем за счет протекания постоянных составляющих эмиттерных токов. При общем эмиттерном токе 1 двух транзисторов порядка 1-2 мА и допустимом падении напряжения на эмиттерном сопротивлении 5-6 В максимальная величина эмиттерного сопротивления не может превышать 3-6 кОм.
Часто вместо резистора RЭ в схему ДУ включают транзистор, что позволяет при той же допустимой величине сопротивления постоянному току получить на один — два порядка больше сопротивление для переменного тока или для приращения постоянного тока.
ДУ изготавливается по твердотельной технологии в виде интегральных схем, и соответствии с которой в одном кристалле кремния выполняется много идентичных т своим параметрам и характеристикам транзисторов. Принципиальная электрическая схема ДУ с транзистором в эмиттерной цепи в качестве генератора стабильного тока приведена на рис.3.
Транзистор VТ3 выполняет роль эмиттерного резистора. Для температурной компенсации смещения входной характеристики в его базовую цепь включен еще один транзистор VТ4 В диодном включении (база и коллектор закорочены). Внутреннее сопротивление (выходное сопротивление) такого генератора тока велико (сотни КОм), так как через резистор R осуществляется отрицательная обратная связь по току. Поэтому ток I0 стабилен даже при действии на входах синфазного сигнала.
Операционный усилитель.
Операционным усилителем (ОУ) называется УПТ с очень большим коэффициентом усиления, высоким входным и низким выходным сопротивлением. ОУ всегда используются с внешней глубокой отрицательной обратной связью. Свойства и параметры ОУ определяются преимущественно параметрами цепи обратной связи.
Коэффициент усиления ОУ составляет 104 ~ 106. Они обычно выпускаются в виде интегральных схем. Структурная схема и обозначение ОУ приведены на рис.4. Основу схемотехники ОУ составляют дифференциальные каскады.
Как видно, из схемы, первый каскад, а иногда и второй являются дифференциальными усилителями. Поэтому у ОУ имеется два входа: инвертирующий и неинвертирующий. Чтобы обеспечить возможность работы ОУ как с положительными так и с отрицательными входными сигналами, используют двухполярные питающие напряжения. Величины сопротивлений в схеме ОУ подобраны таким образом, что при нулевых напряжениях на обоих входах относительно «земли» выходное напряжение также равно нулю. При изменении входных напряжений выходное напряжение может изменяться относительно нуля в сторону положительных и отрицательных напряжений.
Передаточная характеристика ОУ, представляющая зависимость выходного напряжения от разности входных напряжений, приведена на рис.5.
На ней выделяются участки, где UВх и UВых связаны линейной зависимостью (область усиления) и область насыщения.
Границы области усиления отстоят приблизительно на 3 В от соответствующих уровней питания ±Е. Для ОУ напряжения питания обычно составляют ±12 В или ±15 В. У идеального ОУ передаточная характеристика проходит через нуль. Для реальных ОУ эта характеристика несколько смещена относительно нуля на величину U0. Таким образом, чтобы сделать выходное напряжение равным нулю, необходимо подать на вход ОУ некоторую разность напряжений. Эта разность напряжений называется напряжением смещения нуля. Оно составляет обычно несколько милливольт.
Анализ схем, построенных на ОУ, можно значительно упростить, если использовать представление об идеальном операционном усилителе. Идеальный ОУ характеризуется следующими параметрами: K=∞, Rвх=∞, RВых=0.Кроме того предполагается, что коэффициент ослабления синфазного сигнала равен бесконечности, напряжение смещения равно нулю и температурный дрейф равен нулю.
Равенство бесконечности коэффициента усиления K=∞ позволяет сделать вывод: идеальный ОУ развивает конечное выходное напряжение на любой нагрузке, отличной от нуля, при входном напряжении UВх=0. Это дает возможность при анализе схем полагать напряжение между входами (+) и (—) (рис.6) равным нулю.
Поскольку в реальных схемах один из входов ОУ обычно заземляют, (например «+» вход), то можно считать, что и второй вход ОУ находится под потенциалом земли. С другой стороны равенство Rвх=∞ позволяет сделать вывод, что ток внешнего генератора IГ не ответвляется в бесконечно большое входное сопротивление (IВх), а проходит лишь через резистор обратной связи ZСВ.
В реальных ОУ стремятся максимально повысить входное сопротивление. Например, входными эмиттерами или истоковыми повторителями. Поэтому ответвлением тока во входное сопротивление ОУ можно пренебречь, если эквивалентные сопротивление подключаемые параллельно ко входу усилителя, на несколько порядков меньше входного сопротивления.
Изложенное выше соответствует принципу виртуального (мнимого, кажущегося) замыкания входных зажимов ОУ. При виртуальном замыкании как и при обычном замыкании, напряжение между замкнутыми зажимами равно нулю. Однако в отличие от обычного замыкания ток между виртуально замкнутыми зажимами не проходит, т. е. в виртуальное замыкание ток не ответвляется. Иначе говоря, для тока виртуальное замыкание эквивалентно разрыву цепи.
Основные схемы включения ОУ.
На рис.7 показан инвертирующий ОУ.
Входное напряжение усиливается и инвертируется по фазе на 180°. Входной ток внешнего генератора I если воспользоваться принципом виртуального замыкания, равен:
Выходное напряжение:
Коэффициент передачи инвертирующей схемы:
На рис.8 показан неинвертирующий ОУ.
Входное напряжение усиливается без инверсии фазы. Напряжение обратной связи:
Коэффициент обратной связи:
Выходное напряжение:
Откуда:
Коэффициент усиления неинвертирующей схемы:
При Кχ>>1, что всегда имеет место:
Если RСВ=0, KНИ=1, что соответствует схеме повторителя входного напряжения, представленной на рис.9.
На основе ОУ можно строить почти идеальные итеграторы, на которые не распространяется ограничение UВых<<UВх.
На рис.10 приведена схема интегратора на ОУ.
Входной ток протекает через конденсатор С. Поскольку инвертирующий вход виртуально заземлен, выходное напряжение определяется следующим образом:
Подставляя в это выражение значение тока
Получим:
Рассмотрим два особых случая. Если входное напряжение постоянное, то изменение выходного сигнала описывается формулой:
Т. е. выходной сигнал линейно возрастает со временем. Поэтому интеграторы пригодны для формирования линейно нарастающего или спадающего пилообразного напряжения.
Если входной сигнал представляет собой переменное напряжение изменяющееся по косинусоидальному закону, т. е. UВХ=Ucosωt то формула длявыходного напряжения имеет следующий вид:
Как видно из этого выражения, амплитуда выходного сигнала обратнопропорциональна круговой частоте ω. Амплитудно-частотная характеристика интегратора в логарифмическом масштабе имеет вид прямой с наклоном (-6 дБ) на октаву (-20 дБ) на декаду. Это является простым критерием, с помощью которого можно определить является ли схема интегратором.
Если в схеме интегратора поменять местами R и С, то получим схему дифференциатора (рис. 11).
Считая инвертирующий вход виртуально заземленным, для входного напряжения дифференциатора запишем:
Откуда:
Напряжение на выходе дифференциатора:
При синусоидальном входном напряжении UВХ=Usinωt:
Амплитудно-частотная характеристика схем дифференцирования в логарифмическом масштабе представляет собой прямую с наклоном +6 дБ на октаву. Дифференциатором в некоторой области частот называют устройство, АЧХ которого имеет наклон +6 дБ на октаву (+20 дБ на декаду).
Практическая реализация дифференциатора по схеме на рис.11 сопряжена с большими трудностями, поскольку отрицательная обратная связь при больших частотах входного сигнала вызывает фазовое опережение, составляющее около 90° Оно суммируется с фазовым сдвигом ОУ, который также может составлять 90°. Таким образом, схема становится неустойчивой и самовозбуждается. Устраняется этот недостаток путем уменьшения дополнительного сдвига фаз в цепи обратной связи на высоких частотах, для чего последовательно с конденсатором включают резистор R1 Величину CR1 и, следовательно, граничную частоту FГР этой цепочки выбирают так
Чтобы на этой частоте коэффициент передачи цепи обратной связи составлял 1.
На основе ОУ можно построить и ряд других функциональных преобразователей.
Задания и методические рекомендации.
1. Измерьте собственный коэффициент усиления ОУ без обратной связи мл частоте 20 Гц (модуль N14). Рекомендуемая схема для этих измерений приведена на рис.12.
1.1. Подайте на вход делителя 1 : 1000 напряжение с частотой 20 Гц с выхода генератора звуковых частот. Выход делителя соедините с инвертирующим входом ОУ. На неинвертирующий вход ОУ подайте напряжение смещения с гнезда UСМ. Вращая потенциометр UСМ добейтесь компенсации смещения, если это необходимо. Напряжение на выходе ОУ измеряйте с помощью осциллографа при этом вход осциллографа должен быть открытым для постоянной составляющей. Рассчитайте коэффициент усиления ОУ с учетом коэффициента деления входного делителя.
ПРИМЕЧАНИЕ: двойная амплитуда синусоидального сигнала на выходе ОУ должна быть не более 5 В.
2. Снимите и постройте амплитудно-частотную характеристику ОУ без обратной связи.
2.1. Изменяйте частоту на выходе генератора звуковых частот и измеряйте напряжение на выходе ОУ осциллографом (по схеме на рис.12). Результаты измерений запишите в таблицу 1.
2.2. По результатам измерений постройте АЧХ ОУ в двойном логарифмическом масштабе.
2.3. Определите по АЧХ граничную частоту FГР полосы пропускания и скорость спадания частотной характеристики в дБ/декаду измерения частоты.
3. Снимите и постройте АЧХ инвертирующего усилителя с коэффициентом усиления 100.
3.1. Соберите инвертирующий ОУ с коэффициентом усиления 100. Измерьте его коэффициент усиления.
3.2. Снимите и постройте его АЧХ. Определите значение граничной частоты.
ПРИМЕЧАНИЕ: АЧХ, снятые в п. п. 2, 3, необходимо строить на одном и том же графике.
4. Определите постоянное напряжение смещения U0 которое надо подать на вход ОУ, чтобы напряжение на его выходе стало равным нулю.
4.1. Соберите схему (рис.13).
4.2. Измерьте постоянное напряжение на выходе ОУ с помощью осциллографа и найдите напряжение смещения.
Коэффициент усиления напряжения смещения ОУ по неинвертирующему входу равен:
5. Запишите выражения, нарисуйте графики для АЧХ, фазо-частотнои и переходной характеристик интегрирующей RС-цепи и схемы интегратора на ОУ сравните их.
6. Соберите схему интегратора на ОУ, используя R=100 кОм и С=10 мкФ. Скорость развертки установите равной 1 см/сек.
6.1. Подайте на вход интегратора постоянное напряжение +12 В с гнезда универсального стенда. Наблюдайте и зарисуйте переходную характеристику интегратора.
6.2. Сравните полученную переходную характеристику с ожидаемой для идеального интегратора и сделайте вывод об их соответствии (несоответствии).
7. Соберите интегратор на ОУ с R=10 кОм, С=5,1 нФ (параллельно С включите резистор 3 МОм).
7.1. Снимите и постройте АЧХ этого интегратора на частотах 20 Гц, 100 Гц, 200 Гц, 1 кГц, 2 кГц, 10 кГц. Сравните ее с расчетной АЧХ для тех же R и С.
Оформление результатов.
В отчет включите принципиальные схемы, результаты измерений и расчетов в виде графиков и таблиц.
Контрольные вопросы.
1. Дайте определение и нарисуйте принципиальную электрическую схему ДУ.
2. Чем объясняется малое значение температурного дрейфа ДУ?
3. Дайте определение ОУ и нарисуйте его структурную схему.
4. Нарисуйте схему неинвертирующего ОУ с К=11.
5. Нарисуйте схему интегратора на ОУ и его частотную характеристику.
6. Нарисуйте схему дифференциатора на ОУ и его частотную характеристику.
7. Объясните различие между интегрирующей RС-цепью и интегратором на ОУ на примере их частотных, фазовых и переходных характеристик.
Введение в характеристики схемы идеального операционного усилителя
Введение
Операционный усилитель (сокращенно ОУ) — это в основном устройство усиления напряжения, предназначенное для использования с такими компонентами, как конденсаторы и резисторы, между его входными / выходными клеммами, или просто линейная интегральная схема (ИС) с несколькими клеммами. В электронике коэффициент усиления по напряжению без обратной связи реального операционного усилителя очень велик, что можно увидеть в дифференциальном усилителе с бесконечным коэффициентом усиления без обратной связи, бесконечным входным сопротивлением и нулевым выходным сопротивлением.Кроме того, он имеет положительные и отрицательные входы, которые позволяют схемам, использующим обратную связь, выполнять широкий спектр функций. Между тем, его можно еще больше упростить до идеальной модели операционного усилителя, называемой идеальным операционным усилителем (также называемой , идеальным OPAMP ).
1 Характеристики идеального операционного усилителя
При анализе различных схем применения операционных усилителей интегральный операционный усилитель часто рассматривается как идеальный операционный усилитель.Так называемый идеальный операционный усилитель предназначен для идеализации различных технических показателей операционных усилителей и должен иметь следующие характеристики.
1.1 Бесконечное входное сопротивление
Входной терминал идеального операционного усилителя не пропускает ток. В электронике операционные усилители являются устройствами усиления напряжения. Они усиливают напряжение, подаваемое на операционный усилитель, и выдают тот же сигнал, что и выходной, с гораздо большим усилением. Чтобы операционный усилитель принимал сигнал напряжения в качестве своего входа, сигнал напряжения должен падать на операционный усилитель.Если вы знаете концепцию делителя напряжения, напряжение падает в основном на компонентах с высоким импедансом, пропорционально согласно закону Ома по формуле V = IR. Таким образом, чем больше сопротивление (или импеданс) устройства, тем больше падение напряжения на этом устройстве. Чтобы убедиться, что сигнал напряжения полностью падает на операционном усилителе, он должен иметь очень высокий входной импеданс, чтобы напряжение на нем полностью падало. Если бы у него был низкий входной импеданс, напряжение на нем не могло бы упасть, и он не принял бы сигнал.Вот почему операционные усилители должны иметь высокое входное сопротивление.
Также легко сделать входной импеданс ниже (подключите резистор параллельно) или импеданс источника выше (подключив резистор последовательно).
Рис. 1. Символ идеального операционного усилителя и кривая передаточной характеристики
1.2 Нулевой выходной импеданс
Выход идеального операционного усилителя является идеальным источником напряжения, независимо от того, как изменяется ток, протекающий в нагрузке усилителя, выходное напряжение усилителя всегда имеет определенное значение, то есть выходное сопротивление равно нулю.На практике нулевой выходной импеданс на самом деле является отличным свойством от бесконечного входного импеданса, но в течение очень долгого времени к бесконечному входному импедансу подходили только с компромиссом в напряжении смещения и шума.
1.3 Бесконечное усиление без обратной связи
В разомкнутом состоянии дифференциальный сигнал на входе имеет бесконечное усиление по напряжению. Эта особенность делает операционный усилитель очень подходящим для практических приложений с верхней отрицательной обратной связью.
1.4 Бесконечный коэффициент подавления синфазного сигнала
Идеальный операционный усилитель может реагировать только на разницу напряжений на обоих концах V + и V-. Кроме того, одна и та же часть двух входных сигналов (т. Е. Синфазный сигнал) будет полностью проигнорирована. Более того, высокий CMRR требуется, когда дифференциальный сигнал должен быть усилен при наличии возможно большого синфазного входа, такого как сильные электромагнитные помехи (EMI). Примером может служить передача звука по симметричной линии при звукоусилении или записи.
1.5 Бесконечная полоса пропускания
Идеальный операционный усилитель будет усиливать входной сигнал любой частоты с таким же дифференциальным коэффициентом усиления, который не меняется при изменении частоты сигнала.
2 предположения об идеальном операционном усилителе
Операционный усилитель можно рассматривать как источник тока, управляемый напряжением, или как интегральную схему, которая может усиливать слабые электрические сигналы. Исходя из этого, для идеального OPAMP, какова связь между ним и этими электрическими сигналами?
Во-первых, предположим, что ток, протекающий на входе операционного усилителя, равен нулю.Это предположение почти полностью верно для операционных усилителей на полевых транзисторах, поскольку входной ток для операционных усилителей на полевых транзисторах ниже 1 пА. Но для двойных высокоскоростных операционных усилителей это предположение не всегда верно, поскольку входной ток в них иногда может достигать десятков микроампер.
Во-вторых, предположим, что коэффициент усиления операционного усилителя бесконечен, поэтому операционный усилитель может изменять выходное напряжение до любого значения в соответствии с требованиями к входу. Это означает, что выходное напряжение операционного усилителя может достигать любого значения. Фактически, когда выходное напряжение близко к напряжению источника питания, операционный усилитель будет насыщаться.Возможно, эта гипотеза и выходит, но требует практического ограничения. Например, на более высоких частотах в игру вступают внутренние переходные конденсаторы транзистора, что снижает выходную мощность и, следовательно, коэффициент усиления усилителя. Реактивное сопротивление конденсатора уменьшается с увеличением частоты в обход большей части выхода. Операционный усилитель находится в состоянии насыщения.
Рисунок 2. Насыщение ОУ
Например, согласно таблице данных LM741, усиление напряжения большого сигнала составляет 200 В / мВ.Это означает усиление разомкнутого контура 200000. Если вы используете операционный усилитель в разомкнутом контуре (то есть без отрицательной обратной связи), даже микровольты входного напряжения (входное напряжение смещения LM741 составляет 3 мВ) приведут выход к насыщению.
В большинстве схем усилителя операционный усилитель настроен на использование отрицательной обратной связи, что значительно снижает коэффициент усиления по напряжению (т.е. коэффициент усиления с обратной связью). В генераторах и триггерах Шмита операционный усилитель настроен на использование положительной обратной связи. Схема компаратора является примером схемы, в которой используется коэффициент усиления операционного усилителя без обратной связи.Его выход всегда будет с насыщением, положительным или отрицательным. В схеме интегратора усиление по постоянному току должно быть ограничено добавлением резистора обратной связи параллельно конденсатору, иначе выход станет насыщенным.
Даже в схемах усилителя амплитуда входного сигнала и коэффициент усиления по напряжению схемы должны быть сбалансированы, чтобы выходное напряжение не превышало напряжение источника питания. Например, для неинвертирующего усилителя с коэффициентом усиления 100 по напряжению максимально допустимое входное напряжение будет 150 мВ, если VCC составляет 15 В.Если вы подадите сигнал 200 мВ, выход операционного усилителя перейдет в состояние насыщения, так как требуемый выход будет 20 вольт, что превышает VCC в 15 вольт.
В-третьих, предположение о бесконечном усилении также означает, что входной сигнал должен быть нулевым. Коэффициент усиления операционного усилителя будет управлять выходным напряжением до тех пор, пока напряжение (напряжение ошибки) между двумя входными клеммами не станет равным нулю. Напряжение между двумя входными клеммами равно нулю. Нулевое напряжение между двумя входными клеммами означает, что если одна входная клемма подключена к жесткому источнику напряжения, например к земле, другая входная клемма также будет иметь такой же потенциал.Кроме того, поскольку ток, протекающий на входной клемме, равен нулю, входное сопротивление операционного усилителя бесконечно.
В-четвертых, конечно, выходное сопротивление идеального операционного усилителя равно нулю. Идеальный операционный усилитель может управлять любой нагрузкой без падения напряжения из-за своего выходного сопротивления. При малых токах выходное сопротивление большинства операционных усилителей находится в диапазоне нескольких десятых на один Ом, поэтому в большинстве случаев это предположение верно.
3 Рабочие характеристики идеальных операционных усилителей
3.1 Работа в линейной области
Когда идеальный операционный усилитель работает в линейной области, выходное и входное напряжение имеют линейную зависимость. Где u0 — выходное напряжение интегрированного операционного усилителя; u + и u- — напряжения на неинвертирующей входной клемме и инвертирующей входной клемме соответственно. Auo — это увеличение дифференциального напряжения разомкнутого контура. Согласно характеристикам идеального операционного усилителя, две важные характеристики идеального операционного усилителя в линейной области.
1) Нулевое дифференциальное входное напряжение
Поскольку увеличение дифференциального напряжения разомкнутого контура идеального операционного усилителя равно бесконечности, а выходное напряжение является определенным значением, значения напряжения на неинвертирующем входном терминале и инвертирующем входном терминале примерно равны.Точно так же, как короткое замыкание между входом и выходом, но это подделка. Поскольку это эквивалентное короткое замыкание, а не настоящее короткое замыкание, это явление называется «виртуальным коротким замыканием».
2) Нулевой входной ток.
Поскольку входное сопротивление разомкнутого контура идеального операционного усилителя бесконечно, ни на одном из входов в операционный усилитель не течет ток. В это время ток на неинвертирующей входной клемме и инвертирующей входной клемме равен нулю. Как отключение, но эквивалентное отключение, поэтому это явление называется «виртуальный разрыв».Виртуальный короткий и виртуальный разрыв — две важные концепции для анализа идеального операционного усилителя, работающего в линейной области.
Фактически, идеальный операционный усилитель обладает характеристиками «виртуального короткого замыкания» и «виртуального разрыва». Эти две характеристики очень полезны для анализа схем линейных усилителей. Необходимое условие виртуального короткого замыкания — отрицательная обратная связь. Когда вводится отрицательная обратная связь, в это время, если напряжение на прямом выводе немного выше, чем напряжение на обратном выводе, на выходе выводится высокое напряжение, эквивалентное напряжению источника питания после усиления операционного усилителя.Фактически, время отклика операционного усилителя изменяется от исходного состояния выхода до состояния высокого уровня (золотое правило анализа аналоговых схем: изменение сигнала — это непрерывный процесс изменения). Из-за сопротивления обратной связи изменение обратного конца неизбежно повлияет на его напряжение, когда обратное конечное напряжение бесконечно близко к прямому конечному напряжению, схема достигает сбалансированного состояния. Выходное напряжение больше не меняется, то есть напряжение на переднем конце и обратном конце всегда близко.(Примечание: метод анализа аналогичен при понижении напряжения.)
3.2 Работа в нелинейной области
Когда операционный усилитель работает в нелинейной области, выходное напряжение больше не увеличивается линейно с входным напряжением, а насыщается. Идеальный операционный усилитель также имеет две важные характеристики при работе в нелинейной области.
1) Когда u + ≠ u-, выходное напряжение идеального операционного усилителя достигает значения насыщения.
Когда u +> u-, операционный усилитель работает в области положительного насыщения с положительным выходным напряжением.
Когда u + Идеальный операционный усилитель работает в нелинейной области u + ≠ u-, «виртуального замыкания» нет.
2) Входной ток равен нулю.
Хотя входное напряжение u + ≠ u- выше, входной ток считается нулевым.
4 Анализ характеристик идеального операционного усилителя
Что касается операционного усилителя, там, вероятно, есть такое описание: трехконтактный элемент (структура схемы с двусторонним входом, несимметричный выход), идеальный транзистор, усилитель постоянного тока с высоким коэффициентом усиления.
(1) Высокое входное сопротивление.
В этой ситуации ток, протекающий на входной клемме, близок к 0, почти не используется ток источника сигнала, что близко к характеристике управления напряжением. И виртуальный разрыв происходит из этого.
(2) Низкое выходное сопротивление
Он имеет характеристики адаптации к любой нагрузке. И сопротивление последующей цепи нагрузки не повлияет на выходное напряжение.
(3) Бесконечное усиление напряжения
(4) При определенных условиях напряжения питания усилитель может работать только в режиме замкнутого контура (отрицательная обратная связь), а фактическое усиление ограничено.Поскольку сами операционные усилители не имеют соединения 0 В, но их конструкция предполагает, что типичные сигналы будут ближе к центру их положительного и отрицательного источников питания. Таким образом, если ваше входное напряжение находится на одном пределе или вынуждает выход к одному источнику, скорее всего, он не будет работать должным образом. Работа в режиме разомкнутого контура аналогична работе компаратора, и выходной сигнал имеет высокий или низкий уровень.
В состоянии замкнутого контура (ограниченное усиление) усилитель случайным образом сравнивает потенциалы двух входных клемм.Выходной каскад выполняет немедленную настройку, когда они не равны. Таким образом, конечная цель усиления — уравнять потенциалы двух входных клемм. И виртуальный шорт получен из этого.
5 предустановок сбалансированного сопротивления
5.1 Роль сбалансированного сопротивления
1) Для согласования входного импеданса обычно требуется подходящее сопротивление.
2) Чтобы уменьшить дисбаланс входного тока, синфазный резистор теоретически должен быть равен параллельному сопротивлению двух резисторов на обратном конце.На практике, в результате замкнутого контура, особенно в условиях глубокой отрицательной обратной связи, несоосность не очевидна на выходе. И нет необходимости в синфазном заземляющем резисторе, когда несоосность не является основной проблемой. Потому что симметричный резистор — это отправная точка для идеального операционного усилителя. Синфазное сопротивление заземления полезно для биполярных операционных усилителей и не имеет значения для операционных усилителей МОП-типа.
3) Оконечное сопротивление входа заземления: необходимо для согласования импеданса и настройки высокой частоты.
4) Ток смещения и ток смещения.
Для операционных усилителей с током смещения, превышающим ток смещения, согласование входного сопротивления может быть уменьшено, а прецизионные схемы могут компенсировать ток смещения до минимума. Если ток смещения и ток смещения одинаковы, согласованное сопротивление увеличит ошибку.
5) Установите для тока смещения на входе, цель которого — уравнять импеданс инвертирующего и неинвертирующего входов, так что предполагается, что два входа с одинаковыми токами смещения имеют равные падения напряжения, тем самым может быть обеспечено противодействие. сделал.
5.2 Входной балансировочный резистор Описание
Операционный усилитель подключен к инвертирующему усилителю:
Установите входное сопротивление для R1, сопротивление обратной связи для Rfi,
Предположим, что неинвертирующий конец не подключен к симметричному резистору, а заземлен напрямую.
Установите входной ток смещения для операционного усилителя IB (одинаковое напряжение в инвертирующем и неинвертирующем концах).
Ток, протекающий через R1 и Rf, представлен I1 и If.
Инвертирующее напряжение V-, усиление операционного усилителя A.
Используйте KCL в инвертирующем конце (установите входной сигнал на 0).
Где (0-V -) / R1- (A + 1) V- / Rf = IB
Из приведенного выше уравнения следует, что V — = — (IB × R1 × Rf / (Rf + (A + 1) R1))
В это время выходное напряжение операционного усилителя составляет Vo = A × (IB × R1 × Rf / (Rf + (A + 1) R1)) <
Приведенная выше формула может быть приблизительно равна Vo = IB × ((A × R1) / Rf)
Если синфазный вывод проходит через резистор R2 на землю и R2 = R1 / Rf, то напряжение на синфазном выводе составляет В + = — IB × R2
KCL применяется к инвертированной клемме, где (0-V -) / R1 + (A × (V + -V -) — V -) / Rf = IB
> В это время выходное напряжение операционного усилителя Vo = 0.
6 уравнений идеального ОУ
Понимание основных условий идеального операционного усилителя и их комбинирование с методом узлового напряжения по закону тока Кирхгофа (KCL) и теоремой суперпозиции узла является эффективным методом анализа идеальной схемы операционного усилителя.
Как показано ниже, найдите выходное напряжение uo
1) Уравнение на основе KCL
Из концепции виртуального разрыва, i + = i- = 0, тогда i1 = i2, i3 = i4, поэтому
(а)
На основе виртуального разрыва u + = u-, затем
(б)
2) Метод напряжения узла
Составьте список уравнений напряжения узла для узла 1 и узла 2 и получите
(в)
Примечание. Поскольку выходной ток операционного усилителя неизвестен в пунктах 1) и 2), невозможно перечислить уравнение KCL или уравнение напряжения узла на выходе операционного усилителя.Кроме того, выход uo операционного усилителя в 2) следует рассматривать как независимый источник напряжения.
3) Теорема суперпозиции
При наличии нескольких входных сигналов выбор теоремы суперпозиции для решения может упростить процесс анализа и вычислений. Размер выходного сигнала uo можно рассматривать как суперпозицию выходного сигнала, полученного независимым действием u1 и u2. Когда u1 действует один, клемма u2 заземлена, а выход операционного усилителя:
(г)
Следовательно, конечный выход операционного усилителя:
(д)
7 нескольких общих схем операционных усилителей
Схема неинвертирующего усилителя
Неинвертирующий усилитель представляет собой конфигурацию схемы операционного усилителя, которая выдает усиленный выходной сигнал.Он обеспечивает высокий входной импеданс и все преимущества, полученные от использования операционного усилителя.
Рисунок 3. Схема неинвертирующего усилителя
Схема инвертирующего усилителя
Инвертирующий усилитель (также известный как инвертирующий операционный усилитель или инвертирующий операционный усилитель) представляет собой тип схемы операционного усилителя, который выдает выходной сигнал, сдвинутый по фазе по отношению к его входу на 180 градусов по фазе. относительно входного сигнала. На следующем рисунке показаны два внешних резистора для создания цепи обратной связи и замыкания цепи через усилитель.
Рисунок 4. Схема инвертирующего усилителя
Операционный усилитель как сумматор
Сумматор можно создать, подключив больше входов к инвертирующему операционному усилителю. Принципиальная схема суммирующего усилителя показана на следующем рисунке.
Рисунок 5. Операционный усилитель как сумматор
Дифференциальный усилитель
Дифференциальный усилитель представляет собой аналоговую схему с двумя входами и одним выходом, в которой выходной сигнал идеально пропорционален разнице между двумя напряжениями.Это очень полезная схема операционного усилителя, в которой параллельно с входными резисторами добавляются дополнительные резисторы, как показано ниже.
Рисунок 6. Дифференциальный усилитель
Составной усилитель
Составной усилитель называется комбинацией нескольких операционных усилителей, которые соединены каскадом вместе с контуром отрицательной обратной связи по всей сети.
Рисунок 7. Композитный усилитель
Сопротивление в цепи обычно выбирается на уровне кОм, соотношение сопротивлений влияет на усиление и смещение, кроме того, ток питания, частотная характеристика и способность управления емкостной нагрузкой операционного усилителя определяют свои конкретные значения в схемах. .Если он используется в высокочастотной цепи, сопротивление необходимо уменьшить, чтобы получить лучший высокочастотный отклик, но это увеличит входной ток смещения, тем самым увеличивая ток источника питания.
8 Различий между идеальным операционным усилителем и практичным операционным усилителем
Идеальные операционные усилители не потребляют питание, имеют бесконечное входное сопротивление, неограниченную полосу усиления и скорость нарастания, не имеют входного тока смещения и входного смещения. У них неограниченное соблюдение напряжения.
Практические операционные усилители потребляют некоторую мощность, имеют очень высокий входной импеданс, ограниченную полосу усиления и ограниченную скорость нарастания, имеют некоторый входной ток смещения и входное напряжение смещения.Соответствие напряжению ограничивается шиной питания, а часто даже меньше.
Практичные операционные усилители по-прежнему очень полезны, потому что большинство перечисленных выше ограничений намного лучше, чем то, что нужно вашей схеме.
Для идеального усилителя он вообще не потребляет ток со своего входа. Предполагая, что усилитель с двумя входами, ток сигнала в обоих входных пробниках равен нулю. Другими словами, входное сопротивление должно быть бесконечным. Выход должен работать как выход идеального источника напряжения.Это означает, что потенциал между выходом и землей должен быть A (v2-v1), независимо от того, какой ток потребляет нагрузка, подключенная к выходу. Другими словами, выходной импеданс должен быть равен нулю.
Для реального усилителя входное сопротивление должно быть как можно большим, а выходное сопротивление — как можно меньшим.
На самом деле, в реальной жизни операционный усилитель не может работать с нулевым током.
9 Номер ссылки
Обзор основных принципов работы электронного операционного усилителя
Обзор основных принципов работы неинвертирующих и инвертирующих усилителей
Основные проблемы Анализ основных принципов работы операционного усилителя
Что такое операционный усилитель (ОУ)? Базовая схема, передаточная кривая и характеристики операционного усилителя
Определение : Операционный усилитель — это сокращение от операционного усилителя, в основном трехконтактное устройство усиления напряжения .Это усилитель с высоким коэффициентом усиления и отрицательной обратной связью, который обеспечивает стабилизированное усиление по напряжению .
Операционные усилители
считаются основными строительными блоками схем в области аналоговой электроники. Они разработаны таким образом, чтобы использоваться с компонентами внешней обратной связи, такими как резисторы, конденсаторы между входными и выходными клеммами.
Это 3-оконечное устройство состоит из двух входных портов с высоким сопротивлением и выходного порта.
Две входные клеммы имеют один инвертирующий вход с отрицательным знаком и один неинвертирующий вход с положительным знаком.
Поскольку операционные усилители имеют высокое входное сопротивление и низкое выходное сопротивление, , кроме того, имеет возможность усиливать сигналы в частотном диапазоне от 0 Гц до 1 МГц. Его можно использовать для усиления входных сигналов ac , а также dc .
Операционные усилители
были разработаны для выполнения математических операций, таких как сложение, вычитание, умножение, дифференцирование, интегрирование и т. Д.
Но сегодня операционный усилитель обеспечивает множество других применений, таких как сдвиг фазы, изменение шкалы, изменение знака, в схемах генераторов, генераторах импульсов, компараторах, преобразователях и т. Д.
Операционный усилитель действует как универсальное устройство и может выполнять множество задач, если он изготовлен со встроенными транзисторами, диодами, резистором и конденсатором. Операционные усилители обеспечивают чрезвычайно высокое усиление по напряжению , обычно порядка 200000 .
Выходной сигнал операционного усилителя представляет собой разность значений двух применяемых входов. Таким образом, мы можем сказать, что усилитель — это дифференциальный усилитель, который обеспечивает усиленную версию дифференциального входного сигнала.
История операционного усилителя
Операционный усилитель
сначала был построен на вакуумной лампе, но в начале 1960-х годов на смену электронным лампам пришли транзисторы.Когда появилась технология IC, стало возможным разместить операционный усилитель в одном 8-выводном корпусе.
На рисунке ниже показана схема выводов операционного усилителя
.
Fairchild в 1965 году представила операционные усилители 1 ^st поколения 709 , а в 1968 году — все еще популярные 2 ^и поколения 741 . Операционный усилитель IC 741 стал отраслевым стандартом.
Схематическое изображение операционного усилителя
На схеме, показанной ниже, показан схематический символ операционного усилителя
.
Здесь A представляет усиление по напряжению
В ₁ — это вход на неинвертирующей клемме, а
В ₂ — вход инвертирующего терминала операционного усилителя.
Итак, у нас будет дифференциальное значение на входе
V ₁ — V ₂ = V _дюйм
А на выходе имеем усиленный выход с усилением
V _выход = A V _дюйм = A (V ₁ — V ₂)
Как мы уже обсуждали, положительный вывод указывает на неинвертирующий вывод , а отрицательный указывает на на инвертирующий вывод .
Вход на положительном выводе будет усилен на выходе таким же образом. Но вход на отрицательном выводе даст нам инвертированный усиленный выход.
Из приведенного выше обсуждения не запутайтесь, что положительное напряжение означает, что V ₁ положительно, а минус означает, что V ₂ отрицательно, поскольку это не так. Это также не означает, что положительное напряжение должно быть приложено к положительному выводу, а отрицательное напряжение — к отрицательному.
Напряжение на выходе будет прямо пропорционально разнице двух входных сигналов .
Операционный усилитель
может работать в одностороннем или двустороннем режиме, который полностью зависит от того, подключен ли вход только к одному из выводов или к обоим. Чаще всего используется конфигурация с 2 входами и 1 выходом.
Эквивалентная схема ОУ
Рисунок, показанный ниже, поможет вам проанализировать основной принцип работы операционного усилителя
.
Выходное напряжение равно
.
В _выход = AV _d = A (V ₁ — V ₂)
Здесь AV _d эквивалентен источнику напряжения Тевенина, а R _out — эквивалентному сопротивлению Тевенина.
Приведенное выше уравнение показывает, что V _out равно , пропорциональному алгебраической разнице двух входных напряжений , т.е. мы можем сказать, что в основном разница усиливается, а не исходный вход.
Кривая передачи напряжения
Эта кривая проведена между выходным напряжением V _out и разностью входного напряжения V _d, где коэффициент усиления A поддерживается постоянным.
Приведенная выше кривая известна как — идеальная кривая передачи напряжения .
Он назван так потому, что при построении приведенной выше кривой мы уже предположили, что выходное напряжение смещения равно 0 .
Когда мы говорим о нормальном операционном усилителе, выходное напряжение смещения составляет почти 0 , и мы игнорируем его для упрощения расчетов. Здесь следует отметить, что кривая построена не в масштабе; так как в этом случае у нас будет вертикальная линия, так как усиление напряжения очень велико. На приведенном выше рисунке мы видели, что выходное напряжение V _из не может превышать положительное и отрицательное напряжение насыщения.
Проще говоря, выходное напряжение V _out увеличивается прямо пропорционально дифференциальному входному напряжению V _d, пока не достигнет значения насыщения , после чего оно станет постоянным .
Базовая схема операционного усилителя
Основная схема операционного усилителя показана ниже:
Как мы видим, входной сигнал V ₂ подается через сопротивление R ₁ на инвертирующий вывод операционного усилителя. Затем выходное напряжение возвращается на ту же входную клемму через сопротивление R _f.Неинвертирующий вывод операционного усилителя заземлен.
Теперь давайте посмотрим на эквивалентную схему базовой схемы операционного усилителя:
Здесь эквивалентная схема операционного усилителя состоит из входного сопротивления R _в и источника выходного напряжения и сопротивления. Идеальный операционный усилитель предлагает бесконечное входное сопротивление с нулевым выходным сопротивлением и бесконечное усиление по напряжению.
Давайте перерисуем приведенную выше схему, чтобы иметь лучшее представление обо всей концепции.
Использование теоремы суперпозиции V _в может быть решено в терминах компонентов, связанных с каждым источником —
Предположим, что здесь -A V _в равняется 0, а единственный источник — V ₂
Теперь, когда мы принимаем V ₂ равным 0, для источника –A V _в только
Следовательно, суммарное входное напряжение у нас будет
или
Для условия A >> 1 и A R ₁ >> R _f обычно верно,
Приведенное выше уравнение показывает, что отношение общего выходного напряжения к входному зависит только от номинала резисторов R ₁ и R _f, если A очень велико.
Таким образом, мы можем сказать, что используя абсолютные значения резисторов R ₁ и R _f, мы можем получить широкий диапазон усиления. Коэффициент усиления будет почти таким же, как у используемых резисторов, и лишь незначительно зависит от температуры и других факторов схемы.
Концепция Virtual Ground
Как мы уже знаем, V _out должен быть ограничен до напряжения питания
Итак,
= 100 или 150 мкВ
Значение В _в по сравнению с другими напряжениями очень мало и может считаться равным 0 В.
Поскольку V _в почти равен 0, но не совсем 0, поскольку V _из зависит от V _в. Этот V _в ≈ 0 приводит к концепции виртуальной земли .
Виртуальная земля означает, что хотя входное напряжение примерно равно 0 , ток через вход усилителя на землю отсутствует. Давайте посмотрим на рисунок ниже, чтобы иметь четкое представление о виртуальной земле.
С V _в ≈ 0 считается, что существует короткое замыкание.Но здесь концепция виртуального короткого замыкания, из-за которого никакой ток не проходит через замыкание на землю. Итак, ток через R ₁ и R _f будет течь.
Текущее уравнение для вышеуказанной схемы имеет вид —
или
Хотя приведенный выше рисунок не является физически правильным, он позволяет легко определить общий коэффициент усиления по напряжению.
Общая идея виртуальной земли проявляется в фокусе, когда V _in ≈ 0 .
Теперь возникает вопрос, Каким образом V _в может быть примерно 0 ?
При применении V _{2 точка «а»} получает некоторый положительный потенциал, но в то же время, когда появляется V _из. Из-за этого некоторая часть V _out возвращается в точку «a» в противофазе уже существующего напряжения V ₂ из-за отрицательной обратной связи. Таким образом, алгебраическая сумма становится почти 0.
Для дифференциального и синфазного операционного усилителя очень популярными терминами являются сигналы.
Дифференциальные входные сигналы, как следует из названия, — это значение, полученное из-за разницы в двух входных сигналах.
V _d = V ₁ — V ₂
Но синфазный входной сигнал — это среднее значение двух входных сигналов.
V _см = (V ₁ + V ₂) / 2
Характеристики операционного усилителя
При проектировании схем операционного усилителя или при поиске и устранении неисправностей необходимо учитывать характеристики как переменного, так и постоянного тока, поскольку операционный усилитель является усилителем постоянного тока.
Характеристики постоянного тока
Когда мы говорим об идеальном операционном усилителе, он не потребляет ток от источника, который им управляет, и отклик схемы действительно зависит от изменения температуры. Но реальный операционный усилитель работает по-другому, то есть вход операционного усилителя потребляет ток от источника, а два входа по-разному реагируют на это напряжение и ток.
Эти неидеальные характеристики обсуждаются ниже:
Входное напряжение смещения: Входное напряжение смещения V _{in (смещение)} — это напряжение, которое прикладывается к входным клеммам для балансировки усилителя.Когда входы операционных усилителей заземлены, существует выходное напряжение смещения.
Входной ток смещения: Для правильной работы операционного усилителя на входе дифференциального усилителя должен подаваться постоянный ток смещения. Этот ток имеет порядок от пА до нА. Он определяется как среднее значение постоянного тока смещения на обоих входах дифференциального усилителя.
Входной ток смещения: Поскольку операционный усилитель образован комбинацией двух входных транзисторов, которые не совпадают точно.Это рассогласование требует разного тока смещения на входе каждого транзистора. Эта разница между двумя токами смещения называется входным током смещения .
Разностный усилитель обладает отличной способностью подавлять или отклонять определенные типы ненужных сигналов напряжения. Шум может быть таким нежелательным сигналом. Эти шумовые сигналы не предназначены для усиления в усилителе.
Поскольку шумовые сигналы появляются одинаково на обоих входах схемы.Это означает, что нежелательный сигнал, появляющийся на обоих входах, будет подавлен дифференциальным усилителем. Мера подавления сигнала, общего для обоих входов, известна как подавление синфазного сигнала.
CMMR задается как отношение коэффициента усиления по разному напряжению к коэффициенту усиления по синфазному напряжению.
Характеристики переменного тока
В промышленных схемах операционные усилители используются строго как усилители постоянного тока, но они также применяются для переменного тока.
Скорость нарастания: Это максимальная скорость, с которой изменяется выходное напряжение, когда большой входной сигнал управляет усилителем.Скорость нарастания напряжения — это, по сути, скорость изменения выходного напряжения быстро, но не мгновенно, когда на вход операционного усилителя подается дифференциальный вход. Скорость нарастания типичного операционного усилителя 5,00,000 В / с или 0,5 / мкВ.
Отклик на полную мощность: Когда применяется синусоидальный сигнал большой амплитуды, максимальная частота, усиливаемая операционным усилителем без искажений, называется откликом полной мощности.
Шум переменного тока: нежелательных сигналов на выходе операционного усилителя называются шумом .Шум переменного тока подразделяется в основном на внутренний и внешний шум. Внешний шум вызван внешними эффектами или помехами, а внутренний шум вызван внутренней схемой усилителя.
Применение операционного усилителя
Операционный усилитель
находит свое применение в самых разных областях. Они используются в конструкции активных фильтров , которые могут обеспечивать работу с пропусканием верхних и нижних частот, полосой пропускания или подавлением полосы.
Их можно использовать в качестве компараторов или при построении генераторов.
Введение в операционные усилители с LTSpice
Добавлено в избранное Любимый 12
Введение
Если вы еще не ознакомились с руководством «Приступая к работе с LTSpice», вам обязательно следует подождать, поскольку крайне необходимо обновить качество звука. Для тех из вас, кто смотрел это и закончил — благослови вас. Я подумал, что убью здесь двух зайцев и продолжу учебник по LTSpice введением в операционные усилители — или для краткости операционный усилитель.Мы рассмотрим здесь только основы — что такое операционные усилители, некоторые распространенные конфигурации и пару примеров — и закончим красивым простым проектом, который, надеюсь, вдохновит вас немного больше на работу с аналоговыми схемами.
Для начала загрузите схемы, символы и модели, нажав кнопку ниже.
Введение в операционные усилители
Операционный усилитель — это устройство усиления напряжения. С помощью некоторых внешних компонентов операционный усилитель, который представляет собой активный элемент схемы , может выполнять математические операции, такие как сложение, вычитание, умножение, деление, дифференцирование и интегрирование.Если мы посмотрим на общий корпус операционного усилителя (внутреннее устройство будет в следующем руководстве), такое как вездесущий 741, мы заметим стандартный 8-контактный DIP (двухрядный корпус):
Фото предоставлено Learning About Electronics
В основном нас интересуют пять контактов. Обозначение схемы операционного усилителя представляет собой треугольник с пятью контактами, показанный ниже.
Фото предоставлено Virtual Labs
Операционный усилитель имеет широкий спектр применения, и, в зависимости от того, как подключен каждый вывод, результирующая схема может быть одной из следующих (это ни в коем случае не исчерпывающий список):
Компаратор
Инвертирующий усилитель , например суммирующий усилитель
A Неинвертирующий усилитель , например повторитель напряжения
Разностный усилитель
Дифференциатор или Интегратор
Фильтр
Детектор пиковых значений
Аналого-цифровой преобразователь
Генератор
В этом руководстве я покажу вам, как измерить типичные характеристики операционного усилителя, такие как усиление, пропускная способность, ошибка, скорость нарастания, потребление тока, размах выходного сигнала и другие характеристики, указанные в технических паспортах устройств.
Идеальный операционный усилитель
Операционный усилитель предназначен для определения разницы в напряжении, подаваемом на вход (клеммы «плюс» (v2) и «минус» (v1), либо контакты 2 и 3 корпуса операционного усилителя). Разница также известна как дифференциальное входное напряжение . Таким образом, выходной сигнал представляет собой разницу, измеренную на входе, умноженную на некоторое значение A — коэффициент усиления без обратной связи . Операционный усилитель ведет себя как источник напряжения, управляемый напряжением, который мы сейчас смоделируем.Мы смоделируем конфигурацию усилителя как с разомкнутым контуром, так и с замкнутым контуром .
Идеальный операционный усилитель имеет следующие характеристики:
Бесконечное усиление разомкнутого контура
Бесконечное входное сопротивление
Нулевое выходное сопротивление
Ноль синфазное усиление = бесконечное синфазное отклонение
Бесконечная пропускная способность
Ноль шум
Нулевой вход смещение
Модель операционного усилителя любезно предоставлена Википедией
Поскольку входное сопротивление (Rin) бесконечно, мы можем сделать вывод, что ток на выводах (+) (v2) и (-) (v1) равен нулю, используя законы Кирхгофа.Поскольку выходное сопротивление (Rout) равно нулю, потери напряжения на выходе отсутствуют. Источник напряжения в форме ромба на изображении выше известен как источник напряжения, зависящий от напряжения, и в этом случае напряжение представляет собой коэффициент усиления (G), умноженный на разницу между входными клеммами (Vin). В текстах коэффициент усиления обычно обозначается буквой (A), поэтому уравнение для выхода определяется следующим образом:
Давайте смоделируем источник напряжения, управляемый напряжением, и посмотрим, сможем ли мы заставить его поведение имитировать идеальный операционный усилитель.

Обратная связь с усилителями
Операционные усилители
не предназначены для использования в качестве автономных устройств. Мы просто проверили уравнение Vout в видео об идеальном операционном усилителе, чтобы показать, почему его обычно называют источником напряжения, управляемым напряжением. Мы собираемся поговорить о обратной связи и замкнутом контуре усиления и применении. Что такое обратная связь? Обратная связь возникает, когда выход системы возвращается в качестве входа (ов).Есть два типа обратной связи: положительная (восстанавливающая) и отрицательная (дегенеративная). Обратная связь применяется к системе, чтобы влиять на одно или несколько из следующих свойств:
Снижение чувствительности усиления — значение усиления становится менее чувствительным к изменениям значений компонентов схемы, например к температурным воздействиям на транзисторы.
Уменьшите нелинейные искажения — выходной сигнал пропорционален входному.
Уменьшить эффект шума — уменьшает количество нежелательных электрических помех на выходе.Эти помехи могут быть внешними или исходить от самих компонентов схемы.
Управление входным и выходным сопротивлениями — с соответствующей конфигурацией обратной связи можно управлять входным и выходным сопротивлениями.
Увеличьте полосу пропускания усилителя. Здесь нам нужно знать о продукте «прирост-пропускная способность». Вы можете расширить полосу пропускания (до определенной степени), но за счет выигрыша. Произведение коэффициента усиления на полосу пропускания является постоянным и описывает поведение усиления операционного усилителя в зависимости от частоты.
Краткое примечание о единицах
Когда мы говорили об усилении, мы берем отношение выхода к входу. Если и выход, и вход выражены в виде напряжения, то единицы измерения будут вольт / вольт. В анализе .ac усиление выражается в децибелах. Вот формула преобразования.
Фото предоставлено Planet Analog
За все отзывы приходится платить, и эта цена — прибыль. Отрицательная обратная связь способствует приобретению более желаемых свойств; увеличение входного сопротивления также увеличивает полосу пропускания.
Коэффициент усиления замкнутого контура
В отличие от усиления без обратной связи, усиление с обратной связью зависит от внешней схемы из-за обратной связи. Однако его можно обобщить.
Фото предоставлено https://paginas.fe.up.pt/~fff/eBook/MDA/Teo_realim.html
Инвертирующие усилители
Пример инвертирующей конфигурации состоит из одного операционного усилителя и двух резисторов R1 и R2. R2 подключен от выходной клеммы операционного усилителя к инвертирующей или отрицательной клемме операционного усилителя.R2 замыкает петлю вокруг операционного усилителя.

Одна вещь, не упомянутая в видео ниже, но считается подразумеваемой , потому что мы все еще используем идеальный операционный усилитель, — это отсутствие тока через операционный усилитель. Весь ток (I1), протекающий через R1, также течет через R2. Также следует отметить, что если R1 и R2 равны по значению, то обычно используется эта схема convert -vout to + vout (изменяет фазу). Это известно как инвертор с единичным усилением.
Проект: Суммирующий усилитель
Типичным применением инвертирующего усилителя является суммирующий усилитель, также известный как микшер виртуального заземления, используемый при микшировании звука. У меня случайно валяется довольно много операционных усилителей LM741, поэтому я пошел дальше и построил суммирующий усилитель. Сначала я смоделировал это в LTSpice.

Усилители неинвертирующие

Повторитель напряжения
Повторитель напряжения — хороший пример неинвертирующего усилителя.Свойство очень высокого входного импеданса является желательной особенностью неинвертирующей конфигурации. Повторитель напряжения можно использовать в качестве буферного усилителя с единичным усилением, подключенного от источника с высоким импедансом к источнику с низким импедансом — это помогает избежать воздействия нагрузки на схему управления.
Разностные усилители
Разностные усилители реагируют на разницу между двумя сигналами, подаваемыми на его вход, и отклоняют сигналы, общие для двух входов.
Разностный усилитель с одним операционным усилителем
Помните, что коэффициент усиления неинвертирующего усилителя положительный и равен:
и что коэффициент усиления инвертирующего усилителя отрицательный и определяется выражением:
Комбинируя эти две топологии, мы приближаемся к возможности разработать схему, которая сможет получить разницу между двумя входными сигналами. Чтобы добиться этого, мы должны сначала убедиться, что величины усиления (думайте, что абсолютные значения всегда положительны) равны.Ослабив усиление положительного пути от (1+ R2 / R1) до (R2 / R1), мы сделали именно это. Теперь у нас есть четыре резистора; нам нужно убедиться, что коэффициенты усиления равны, поэтому важно соотношение резисторов:
Проблема этой схемы в том, что для получения высокого усиления R1 должен быть относительно низким. Это вызывает падение входного сопротивления. Другая проблема заключается в том, что изменить коэффициент усиления этого усилителя непросто. Обе эти проблемы решаются с помощью инструментального усилителя.Используя три операционных усилителя, мы можем получить точно настроенный дифференциальный усилитель. Поскольку у нас есть проблема с низким входным сопротивлением при использовании одного операционного усилителя, мы можем добавить дополнительный повторитель напряжения или буфер на каждый вход. Еще более удивительно то, что буферы могут увеличивать усиление, уменьшая нагрузку на дифференциальный усилитель во втором каскаде.
Инструментальный усилитель прекрасно сочетает в себе весь предыдущий материал: инвертирующие и неинвертирующие усилители в каскаде.
В этом руководстве мы не будем рассматривать интеграторы, дифференциаторы, генераторы или аналого-цифровые преобразователи.Как только мы начнем добавлять конденсаторы и катушки индуктивности, математика станет немного более специализированной и обобщенной с точки зрения импеданса, а не сопротивления. Это будет отдельный урок.
Тактико-технические характеристики
Если мы посмотрим на технический паспорт аудиоусилителя LM386, мы увидим массу параметров, которые помогают охарактеризовать операционный усилитель. Большинство из них можно проверить с помощью моделирования в LTSpice. Прежде чем мы дойдем до этого, давайте определим некоторые из этих характеристик.
Коэффициент подавления синфазного сигнала
Коэффициент подавления синфазного сигнала (CMRR) измеряет количество сигнала, общего для обоих входов, который не усиливается. Желательно, чтобы коэффициент синфазного усиления был очень низким, что соответствует очень высокому CMRR.
Коэффициент подавления синфазного сигнала — это отношение абсолютного значения дифференциального усиления к абсолютному значению синфазного усиления. Дифференциальное усиление обычно составляет половину внутреннего усиления МОП-транзистора, установленного производителем.Операционные усилители с высоким выходным сопротивлением будут иметь лучший CMRR.
Коэффициент отклонения блока питания
Коэффициент подавления помех от источника питания
или PSRR — это мера влияния пульсаций источника питания на выходное напряжение операционного усилителя. PSSR важен для устройств MOSFET, поскольку они обычно находятся на ИС со смешанными сигналами, где цифровое переключение в цепи вызывает повышенную пульсацию источника питания. Последнее, что вам нужно в своем дизайне, — это усилить эту пульсацию через операционный усилитель.
Вывод состоит в том, что для минимизации эффекта пульсации в источниках питания операционный усилитель должен иметь большой PSRR.Так что имейте это в виду, просматривая таблицы данных для любых предстоящих проектов.
Скорость нарастания
Скорость нарастания означает максимальную скорость изменения, возможную на выходе операционного усилителя. Для большинства операционных усилителей скорость нарастания ограничена, и она рассчитывается путем взятия максимума производной по времени выходного напряжения операционного усилителя.
Суммарные гармонические искажения
Задача усилителя звука — принять слабый сигнал и усилить его, не внося никаких изменений, кроме усиления.Это сложная задача, потому что нежелательные сигналы (т. Е. Пульсации) могут усиливаться вместе с полезным сигналом. Любое отклонение от линейности считается искажением. Гармонические искажения — распространенная форма искажения в аудиоприложениях, когда пики выходного сигнала «срезаются». Чем ниже процентное значение, указанное для THD, тем лучше, но после определенного момента это становится практически незаметным для человеческого уха.

Усилитель звука LM386
Моделировать, проверять, строить — мой девиз.В этом случае с проектом мини-портативного гитарного усилителя я зашел слишком далеко. Мне не удалось найти модель, которую можно было бы импортировать в LTSpice, и я начал с нуля. Ниже находится кнопка, с помощью которой вы можете загрузить файлы проекта для того, что я собираюсь вам показать. Я разработал операционный усилитель на основе LM386, но с MOSFET вместо BJT. На самом деле я получил этот дизайн, чтобы он немного превосходил ту часть, на которой я основал свой дизайн, но он работает только от 2 до 6 вольт. Несмотря на то, что моя модель LM386 не совсем похожа на деталь, используемую в проекте, она все же удобна для изучения электрических характеристик операционных усилителей и более глубокого знакомства с LTSpice.
Project: портативный мини-гитарный усилитель
Я встроил в корпус своей гитары небольшой усилитель с батарейным питанием, используя LM386 и минимум дополнительных деталей. Вся сборка стоила около 5 долларов, и на ее сборку ушло меньше часа. Схема, которую я взял прямо из раздела технических данных приложений (усиление 200):
Единственные изменения, которые я внес, были в выходной конденсатор. У меня не было под рукой конденсатора емкостью 250 мкФ, я заменил его на 470 мкФ. Я также добавил 1/4-дюймовую монофоническую розетку для гитарного кабеля и добавил светодиодный индикатор состояния, чтобы я знал, когда я буду готов к игре.В моем футляре для гитары есть небольшой отсек для кабелей и медиаторов, поэтому я использовал это пространство для встраивания усилителя.
Схема:
Примечание. J1 — это гнездовой моно аудиоразъем 1/4 дюйма.
Посмотрите это в действии:

Ресурсы и дальнейшее развитие
Лаборатория виртуальных операционных усилителей:
Создатель
Music from Outer Space Рэй Уилсон создал это приложение для виртуального операционного усилителя MFOS, которое позволяет нам экспериментировать с операционными усилителями, просматривая выходной сигнал на смоделированном осциллографе.
Примечание: Если ссылка сообщает, что приложение Operational Amp Application не найдено, щелкните вкладку «Synth-DIY» вверху, и она должна обновиться соответствующим образом. Кроме того, вы можете найти «MFOS In The Classroom» в меню слева и выбрать «Virtual Op Amp Lab».
Музыка из космоса
Вы когда-нибудь хотели заняться синтезаторами своими руками, но не знаете, с чего начать? Music From Outer Space — отличный ресурс, предлагающий сотни схем, разработанных Рэем Уилсоном.
Любители
Если вы только начинаете заниматься проектами в области аналоговой электроники, я не могу порекомендовать Mini Notebooks от Форреста Мимса.
Измерение CMRR
В
EE Times есть фантастическая статья о коэффициенте подавления синфазного сигнала и дифференциальных усилителях.
Shahram Marivani — ХАРАКТЕРИСТИКИ ОПЕРАЦИОННЫХ УСИЛИТЕЛЕЙ
ХАРАКТЕРИСТИКИ ОПЕРАЦИОННЫХ УСИЛИТЕЛЕЙ
Цель:
Целью этого эксперимента является наблюдение и измерение нескольких важных характеристик операционного усилителя.Эти характеристики в основном являются результатом конструкции усилителя на биполярных транзисторах. Особенно их можно отнести к паре дифференциально ориентированных транзисторов на входе усилителя. Две характеристики можно отнести к внутреннему компенсационному конденсатору ОУ 741. В этом эксперименте входной ток смещения, выходное напряжение смещения, скорость нарастания и ширина полосы мощности будут измеряться или рассчитываться и сравниваться с номинальными значениями в технических паспортах производителя.Полоса пропускания мощности и скорость нарастания напряжения будут измеряться на макетных схемах.
Введение:
Основные характеристики:
Входной ток смещения и входной ток смещения:
741 содержит входной каскад дифференциального усилителя. Биполярные транзисторы, образующие этот дифференциальный усилитель, требуют наличия токов смещения через их базы. Сила тока у 741 довольно мала; в худшем случае входной ток смещения в 741 составляет 500 нА. На рисунке 1 показаны символы и обозначения контактов операционного усилителя 741.Входные токи смещения протекают через базы T1 и T2. Оба тока должны быть равны, потому что оба T1 и T2 идентичны и их эмиттерные токи одинаковы. Однако, если это не так, то будет входной ток смещения. Входной ток смещения — это разница между двумя токами. Эта разница может существовать как прямой результат внутренних различий в BJT операционного усилителя.

Рисунок 1 — Символ и обозначение контактов для ОУ 741 (вид сверху)
Входное смещение напряжения:
Усилитель 741 OP спроектирован таким образом, что конечный каскад выдает выходное напряжение 0 В, когда два входа имеют одинаковый уровень потенциала.Внутренние дефекты могут привести к смещению постоянного тока на выходе. Смещение постоянного тока можно обнулить одним из следующих двух способов. Напряжение постоянного тока может подаваться на одну входную клемму, если операционный усилитель подключен как усилитель с отрицательной обратной связью. Напряжение, подаваемое на вход, является входным напряжением смещения. Кроме того, 741 имеет клеммы обнуления, к которым можно подключить потенциометр. Контакты 1 и 5 внешних подключений относятся к эмиттерам некоторых внутренних транзисторов.
Коэффициент подавления синфазного сигнала:
Коэффициент подавления синфазного сигнала — это мера способности дифференциального усилителя подавлять сигналы, подаваемые одновременно на оба входа.Практические операционные усилители имеют конечное ненулевое синфазное усиление. Если две входные клеммы операционного усилителя связаны вместе и подается сигнал Vcm, выходное напряжение будет пропорционально входному напряжению на некоторую константу. Эта константа будет синфазным усилением A _см. Рисунок 2 иллюстрирует это определение.

Рисунок 2 — Изображение и определение синфазного усиления
Выходное напряжение может быть выражено как:
A — дифференциальное усиление._см — синфазное усиление. Разница между двумя входными сигналами — это дифференциальный режим или, другими словами, дифференциальный входной сигнал V _id.
Среднее значение двух входных сигналов является входным синфазным сигналом V _icm.
Способность операционного усилителя отклонять синфазные сигналы определяется в терминах коэффициента подавления синфазного сигнала (CMRR), который определяется как:
Обычно CMRR выражается в дБ.
Скорость нарастания и ширина полосы мощности:
Ограничение скорости нарастания напряжения — одно из явлений, которое может вызвать нелинейные искажения больших выходных сигналов.Ограничение скорости нарастания напряжения присутствует в каждом современном операционном усилителе на ИС. Это проявляется в неспособности выходного каскада операционного усилителя следовать входному сигналу, подаваемому на входной каскад. Например, большие ступенчатые напряжения на входе будут отображаться как линейно нарастающие сигналы на выходе. Наклон линейного сигнала — это скорость нарастания. Скорость нарастания определяется как максимально возможная скорость изменения выходного напряжения операционного усилителя. Причина ограничения скорости нарастания напряжения коренится в усложнении модели большого сигнала, теории крутильного усилителя и соображениях внутренней компенсации частоты.Однако хорошо известно, что скорость нарастания операционного усилителя 741 обратно пропорциональна емкости внутреннего конденсатора компенсации частоты второго каскада. Никакого дальнейшего объяснения скорости нарастания здесь не будет, так как это выходит за рамки данного отчета.
Ширина полосы мощности связана со скоростью нарастания в том смысле, что это максимальная частота, перед которой искажение скорости нарастания становится заметным. На практике будет казаться, что сигналы с частотой, превышающей ширину полосы пропускания мощности, имеют линейный нарастание.Наклон рампы и будет скоростью нарастания. Максимальная частота полосы мощности связана со скоростью нарастания и пиковым выходным напряжением по следующему уравнению.
Где V _p — пиковое напряжение выходного сигнала, а S _R — скорость нарастания.
Уменьшение амплитуды выходного сигнала может увеличить максимальную частоту полосы пропускания мощности.
Лабораторная работа:
Измерение входного тока смещения:
Схема, показанная на рисунке 3, должна быть сформирована на макетной плате.Напряжение постоянного тока на контактах 2 и 3 следует измерять вольтметром постоянного тока. Напряжения на выводах 2 и 3 называются соответственно V (2) и V (3). Токи ib + и ib- можно рассчитать по закону Ома. Уравнения на рисунке 3 можно использовать для расчета ib + и ib-. Среднее значение двух токов называется входным током смещения. Входной ток смещения — это величина разности двух токов смещения. Их можно рассчитать с помощью уравнений, приведенных в правой части рисунка 3. Это значение входного тока смещения должно быть записано в таблице (I).В этой лаборатории процедуры следует применять к двум образцам из 741; отсюда и использование (I) и (II).

Рисунок 3 — Схема измерения входного тока смещения. Напряжения постоянного тока, измеренные на выводах 2 и 3, использовались в соответствии с законом Ома для расчета входного тока смещения. Уравнения для этой задачи показаны сбоку.
Измерение выходного напряжения смещения:
Схема, показанная на рисунке 4, должна быть сформирована на макетной плате, причем оба входа должны быть подключены к земле через резисторы 1 кОм.Напряжение постоянного тока измеряется на выводе 6 (выход). При выходном напряжении предполагается, что имеется также входное напряжение; однако нет необходимости его измерять. Вместо этого его следует рассчитать по приведенному ниже уравнению. Это уравнение было получено из выходного уравнения для операционного усилителя с резистивной отрицательной обратной связью.

Рисунок 4 — Схема макетной платы, используемая для измерения входного напряжения смещения. Напряжение постоянного тока на выводе 6 подставляется в уравнение для Vout.В качестве постоянного напряжения Vin принимается напряжение на выводе 2 (которое невозможно измерить). Напряжение должно быть записано в Таблице (II). Позже к контактам 1 и 5 можно подключить потенциометр 5 кОм. Его нужно регулировать до тех пор, пока выходное напряжение не станет равным 0 вольт. Это сделано только для иллюстрации возможности обнуления выходного смещения операционного усилителя 741. Никаких дальнейших действий в отношении возможности обнуления предпринимать не следует.
Измерение скорости нарастания и ширины полосы ОУ:
Инвертирующий усилитель, показанный на Рисунке 5, должен быть сформирован на макетной плате.Применяется прямоугольная волна низкой частоты. Амплитуда входного сигнала должна регулироваться до тех пор, пока выходное напряжение не будет составлять 20 вольт от пика до пика. Затем необходимо отрегулировать частоту до тех пор, пока выходной сигнал не станет треугольным. Обратите внимание, что в этот момент (когда выход стал треугольным) операционный усилитель достиг максимальной скорости изменения выходного напряжения. Наклон нарастающего фронта треугольной волны был принят за искомую скорость нарастания. (См. Рисунок 6).
Измерения осциллографа и скорость нарастания должны быть записаны в Таблице (III).Процедура измерения ширины полосы мощности следующая. На схему, показанную на рисунке 5, подается синусоидальный сигнал. Частота увеличивается до тех пор, пока форма выходного сигнала не начнет казаться треугольной, а ее величина не упадет до 70,7% от исходного значения низкой частоты. Выходной сигнал покажет эффект ограничения скорости нарастания напряжения; это совершенно нормально. В этом эксперименте величина низкочастотного выходного сигнала составляет 20 вольт от пика до пика. При полной полосе мощности амплитуда выходного сигнала должна составлять 14 В от пика до пика.Данные этой части эксперимента должны быть записаны в таблице (IV).

Рисунок 5 — Схема испытания скорости нарастания, эта схема должна быть построена на макетной плате для оценки скорости нарастания. Искаженный выходной сигнал отображается на осциллографе в виде треугольной волны. Скорость нарастания нарастания может быть измерена и рассчитана непосредственно на дисплее осциллографа

Рисунок 6 — Измерения скорости нарастания: Когда эффект скорости нарастания становится значительно большим, на осциллографе появляется вышеуказанный выходной сигнал.
Отчет и анализ ошибок:
Входной ток смещения:
Сравните оба измеренных значения входного тока смещения с номинальным значением, указанным в листе данных LM741. Сравните как среднее входное смещение, так и входные токи смещения с номинальными значениями. Кроме того, сравните также измеренные значения Voffset, Gain (дБ) и CMRR (дБ) с номинальными значениями. Объясните большие ошибки.
Входное напряжение смещения:
Сравните измеренное входное напряжение смещения с номинальными значениями.Приведите процентную разницу в отчете.
Скорость нарастания и полоса пропускания:
Сравните измеренную скорость нарастания и ширину полосы частот с номинальными значениями, приведенными в таблицах данных. Дайте погрешность в процентах. Не забудьте использовать правильные листы данных для микросхем каждого из многих производителей.
Требуемое оборудование:
Часть Кол-во
Биполярный источник питания 1
Генератор функций 1
Осциллограф 1
Резистор 100 Ом (1/4 Вт) 2
мкОм Резистор 2
Резистор 10 кОм 2
Резистор 100кОм 2
Резистор 200кОм 2
Резистор 1 МОм 3
Конденсатор 1 мкФ 2
Конденсатор 10 мкФ 2
5 кОм Pot 1
10 кОм Pot 1
Операционный усилитель LM741 2
Измерений:
В (3) (мВ) В (2) (мВ) ib + (нА) ib- (нА) iB + (нА) ioff (нА)
мкА 741 (I)
мкА741 (II)
Таблица (I) — Измерения входного тока смещения и входного тока смещения, полученные от испытательной схемы макетной платы
Ri (Ом) Rfb (Ом) Vout (мВ) Vin (калибровочное смещение) (мкВ)
мкА 741 (I)
мкА741 (II)
Таблица (II) — Измерения напряжения смещения, полученные от испытательной схемы макетной платы
Частота (Гц) ΔV (мВ) Δt (мкс) Скорость нарастания (расч.)
мкА 741 (I)
мкА741 (II)
Таблица (III) — Скорости нарастания, измеренные с помощью испытательной схемы макетной платы
Вин (В) Vout (В) Частота (Гц)
мкА 741 (I)
мкА741 (II)
Таблица (IV) — Измерения ширины полосы мощности, полученные от испытательной схемы макетной платы
Операционные усилители: основы, характеристики, типы и применение
Что такое операционные усилители?
Операционные усилители являются основными строительными блоками аналоговых электронных схем.Это линейные устройства со всеми свойствами усилителя постоянного тока. Мы можем использовать внешние резисторы или конденсаторы к операционному усилителю. Есть много разных способов сделать их различными формами усилителей, таких как инвертирующий усилитель, неинвертирующий усилитель, повторитель напряжения, компаратор, дифференциальный усилитель, суммирующий усилитель, интегратор и т. Д. OPAMP могут быть одиночными, двойные, четырехъядерные и т. д. OPAMP, такие как CA3130, CA3140, TL0 71, LM311 и т. д., имеют отличную производительность при очень низком входном токе и напряжении. Идеальный операционный усилитель имеет три важных терминала в дополнение к другим терминалам.Входные клеммы — это инвертирующий вход и неинвертирующий вход. Третий вывод — это выход, который может принимать и передавать ток и напряжение. Выходной сигнал — это коэффициент усиления усилителя, умноженный на значение входного сигнала.

5 Идеальные символы операционного усилителя:
1. Усиление разомкнутого контура
Усиление разомкнутого контура — это усиление операционного усилителя без положительной или отрицательной обратной связи. Идеальный операционный усилитель должен иметь бесконечное усиление без обратной связи, но обычно оно находится в диапазоне от 20 000 до 2 00 000.
2. Входное сопротивление
Это отношение входного напряжения к входному току. Он должен быть бесконечным без утечки тока от источника питания на входы. Но в большинстве операционных усилителей будет несколько утечек тока пикоампера.
3. Выходное сопротивление
Идеальный операционный усилитель должен иметь нулевое выходное сопротивление без какого-либо внутреннего сопротивления. Чтобы он мог подавать полный ток на нагрузку, подключенную к выходу.
4.Ширина полосы
Идеальный операционный усилитель должен иметь бесконечную частотную характеристику, чтобы он мог усиливать любую частоту от сигналов постоянного тока до самых высоких частот переменного тока. Но у большинства операционных усилителей пропускная способность ограничена.
5. Смещение
Выход операционного усилителя должен быть равен нулю, когда разность напряжений между входами равна нулю. Но в большинстве операционных усилителей выходной сигнал не будет нулевым, когда он выключен, а будет минутное напряжение на нем.
Конфигурация контактов OPAMP:
В типичном операционном усилителе будет 8 контактов.Это
Pin1 — смещение нуля
Pin2 — инвертирующий вход INV
Pin3 — неинвертирующий вход Non-INV
Pin4 — земля — отрицательное питание
Pin5 — смещение нуля
Pin6 — выход
Pin7 — положительное питание
Pin8 — строб
4 типа усиления в OPAMP:

Коэффициент усиления напряжения — напряжение на входе и выходе
Коэффициент усиления по току — на входе и выходе
Transconductance — Voltage in and Current out
Transistance — Ток на входе и напряжение на выходе
Работа операционного усилителя:
Здесь мы использовали операционный усилитель LM358.Обычно неинвертирующий вход должен использоваться для смещения, а инвертирующий вход — это реальный усилитель; подключил это к обратной связи резистора 60 кОм от выхода к входу. И резистор 10 кОм соединен последовательно с конденсатором, и на схему подается синусоидальная волна 1 В, теперь мы увидим, как усиление будет регулироваться коэффициентом усиления R2 / R1 = 60 кОм / 10 кОм = 6, тогда на выходе будет 6 В. . Если мы изменим коэффициент усиления на 40, то на выходе будет синусоида 4 В.
Видео о работе операционного усилителя

Обычно это усилитель с двумя источниками питания, его легко настроить на один источник питания с помощью сети резисторов.В этом случае резисторы R3 и R4 подают напряжение, равное половине напряжения питания, на неинвертирующий вход, что приводит к тому, что выходное напряжение также составляет половину напряжения питания, образуя своего рода резисторы напряжения смещения. R3 и R4 могут иметь любое значение от От 1k до 100k, но во всех случаях они должны быть равны. К неинвертирующему входу добавлен дополнительный конденсатор емкостью 1 Ф для уменьшения шума, вызванного конфигурацией. Для этой конфигурации требуется использование разделительных конденсаторов на входе и выходе.
3 приложения OPAMP:
1. Усиление
Усиленный выходной сигнал операционного усилителя представляет собой разницу между двумя входными сигналами.
Схема, показанная выше, представляет собой простое подключение операционного усилителя. Если на оба входа подается одинаковое напряжение, операционный усилитель примет разницу между двумя напряжениями, и она будет равна 0. Операционный усилитель умножит это значение на свой коэффициент усиления 1 000 000, так что выходное напряжение будет равно 0. Когда 2 вольта на выходе. подается на один вход и 1 вольт на другой, тогда операционный усилитель принимает свою разницу и умножается на коэффициент усиления.Это 1 вольт x 1000000. Но это усиление очень велико, поэтому для его уменьшения обратная связь с выхода на вход обычно осуществляется через резистор.
Инвертирующий усилитель:
Схема, показанная выше, представляет собой инвертирующий усилитель с неинвертирующим входом, подключенным к земле. Два резистора R1 и R2 включены в схему таким образом, что R1 подает входной сигнал, а R2 возвращает выход на инвертирующий вход. Здесь, когда входной сигнал положительный, выходной будет отрицательным, и наоборот.Изменение напряжения на выходе относительно входа зависит от соотношения резисторов R1 и R2. R1 выбран как 1K, а R2 как 10K. Если на вход подается 1 вольт, то через R1 будет ток 1 мА, а на выходе должен быть — 10 вольт, чтобы подавать ток 1 мА через R2 и поддерживать нулевое напряжение на инвертирующем входе. Следовательно, коэффициент усиления по напряжению равен R2 / R1. То есть 10K / 1K = 10
Неинвертирующий усилитель:
Схема, показанная выше, представляет собой неинвертирующий усилитель.Здесь неинвертирующий вход принимает сигнал, в то время как инвертирующий вход подключен между R2 и R1. Когда входной сигнал движется либо в положительную, либо в отрицательную сторону, выход будет синфазным, и напряжение на инвертирующем входе будет таким же, как и на неинвертирующем входе. Коэффициент усиления по напряжению в этом случае всегда будет больше единицы (1 + R2 / R1).
2. Повторитель напряжения
Цепь выше представляет собой повторитель напряжения. Здесь он обеспечивает высокий входной импеданс и низкий выходной импеданс.При изменении входного напряжения выходной и инвертирующий вход изменяются одинаково.
3. Компаратор
Операционный усилитель сравнивает напряжение, приложенное на одном входе, с напряжением, приложенным на другом входе. Любая разница между напряжениями, даже если она небольшая, приводит к насыщению операционного усилителя. Когда напряжения, подаваемые на оба входа, имеют одинаковую величину и одинаковую полярность, тогда на выходе операционного усилителя будет 0 Вольт.
Компаратор выдает ограниченное выходное напряжение, которое может легко взаимодействовать с цифровой логикой, даже если совместимость требует проверки.
Видео об операционном усилителе в качестве компаратора Принципиальная схема

Здесь у нас есть операционный усилитель, используемый в качестве компаратора с инвертирующим и неинвертирующим выводами, и к ним подключены некоторый делитель напряжения и измеритель, а также вольтметр на выходе и Светодиод на выход. Основная формула для компаратора состоит в том, что когда ‘+’ больше, чем ‘–’, выход высокий (единица), в противном случае выход равен нулю. Когда напряжение на отрицательном входе ниже опорного напряжения, выход высокий, а когда отрицательный вход превышает напряжение на положительном, выход становится низким.
3 Требования к OPAMP:
1. Обнуление смещения
Большая часть OPAMP имеет напряжение смещения на выходе, даже если входные напряжения одинаковы. Чтобы установить на выходе нулевое напряжение, используется метод обнуления смещения. В большинстве операционных усилителей имеется небольшое смещение из-за присущих им свойств и возникает из-за несоответствия входного смещения. Таким образом, на выходе некоторых операционных усилителей доступно небольшое выходное напряжение, даже если входной сигнал равен нулю.Этот недостаток можно исправить, подав на входы небольшое напряжение смещения. Это известно как входное напряжение смещения. Чтобы удалить или обнулить смещение, у большинства операционных усилителей есть два контакта, позволяющих обнулить смещение. Для этого между контактами 1 и 5 должен быть подключен потенциометр или пресет с типичным значением 100 кОм, а его стеклоочиститель должен быть заземлен. Регулируя предустановку, выход может быть установлен на нулевое напряжение.
2. Стробирование или фазовая компенсация
Операционные усилители могут иногда становиться нестабильными, и чтобы сделать их стабильными для всех диапазонов частот, конденсатор обычно подключается между его выводом 8 строба и выводом 1.Обычно дисковый конденсатор 47 пФ добавляется для фазовой компенсации, чтобы операционный усилитель оставался стабильным. Это наиболее важно, если операционный усилитель используется в качестве чувствительного усилителя.
3. Обратная связь
Как вы знаете, операционный усилитель имеет очень высокий уровень усиления, обычно около 1 000 000 раз. Предположим, что операционный усилитель имеет коэффициент усиления 10 000, тогда операционный усилитель будет усиливать разницу напряжений на своем неинвертирующем входе (V +) и инвертирующем входе (V-). Таким образом, выходное напряжение V out равно
10 000 x (V + — V-)
На схеме сигнал подается на неинвертирующий вход, а на инвертирующем входе сигнал подключается к выходу.Итак, V + = V in и V- = Vout. Следовательно, Vout = 10,000 x (Vin — Vout). Следовательно, выходное напряжение почти равно входному.
Теперь давайте посмотрим, как работает обратная связь. Простое добавление резистора между инвертирующим входом и выходом значительно снизит усиление. Подав часть выходного напряжения на инвертирующий вход, можно значительно снизить усиление.
Согласно предыдущему уравнению, V out = 10,000 x (V + — V-). Но здесь добавлен резистор обратной связи.Итак, здесь V + — это Vin, а V- — это R1.R1 + R2 x V out. Следовательно, V out равен 10 000 x (Vin — R1.R1 + R2xVout). Итак, V out = R1 + R2.R1x Vin
Отрицательная обратная связь:
Здесь выход операционного усилителя соединен с его инвертирующим (-) входом, таким образом, выходной сигнал возвращается на вход, чтобы достичь равновесия. . Таким образом, входной сигнал на неинвертирующем (+) входе будет отражаться на выходе. Операционный усилитель с отрицательной обратной связью будет доводить свой выход до необходимого уровня, и, следовательно, разница напряжений между его инвертирующим и неинвертирующим входами будет почти нулевой.
Положительная обратная связь:
Здесь выходное напряжение возвращается на неинвертирующий (+) вход. Входной сигнал поступает на инвертирующий вход. В схеме с положительной обратной связью, если инвертирующий вход подключен к земле, выходное напряжение операционного усилителя будет зависеть от величины и полярности напряжения на неинвертирующем входе. Когда входное напряжение положительное, тогда выход операционного усилителя будет положительным, и это положительное напряжение будет подаваться на неинвертирующий вход, что приведет к полностью положительному выходу.Если входное напряжение отрицательное, условие будет обратным.
Применение операционных усилителей — предусилитель звука
Фильтры и предварительные усилители:
Усилители мощности появятся после предварительных усилителей и перед динамиками. Современные проигрыватели компакт-дисков и DVD не нуждаются в предварительных усилителях. Им нужен регулятор громкости и селектор источников. Используя элементы управления переключением и пассивную громкость, мы можем избежать предварительных усилителей.
Давайте кратко рассмотрим звуковые усилители мощности
Усилитель мощности — это компонент, который может управлять громкоговорителями, преобразовывая сигнал низкого уровня в большой сигнал.Усилители мощности создают относительно высокое напряжение и большой ток. Обычно диапазон усиления по напряжению находится в пределах от 20 до 30. Усилители мощности имеют очень низкое выходное сопротивление.
Технические характеристики усилителя мощности звука
Выходное напряжение не зависит от нагрузки, как для малых, так и для больших сигналов. Заданное напряжение, приложенное к нагрузке, вызывает удвоение тока. Следовательно, будет передано вдвое больше мощности. Номинальная мощность представляет собой непрерывную среднюю мощность синусоидальной волны, так что мощность может быть измерена с помощью синусоидальной волны, среднеквадратичное напряжение которой измеряется на долгосрочной основе.
Частотная характеристика должна расширять весь звуковой диапазон с 20 Гц до 20 кГц. Допуск по частотной характеристике составляет ± 3 дБ. Обычный способ задания полосы пропускания — это то, что усилитель на 3 дБ ниже номинального значения 0 дБ.
Усилители мощности должны производить низкий уровень шума, когда усилители мощности используют высокие частоты. Параметр шума может быть взвешенным или невзвешенным. Невзвешенный шум будет указан для полосы пропускания 20 кГц. Учитываются характеристики взвешенного шума, основанные на чувствительности уха.Измерение взвешенного шума имеет тенденцию ослаблять шум на более высоких частотах, поэтому взвешенное измерение шума намного лучше, чем измерение невзвешенного шума.
Общие гармонические искажения — это общие искажения, обычно указываемые на разных частотах. Это будет указано на уровне мощности, который задается импедансом нагрузки усилителя мощности.
Схема дифференциального усилителя операционного усилителя
В этом руководстве мы узнаем об одной из важных схем в разработке аналоговых схем: дифференциальном усилителе.По сути, это электронный усилитель, который имеет два входа и усиливает разницу между этими двумя входами. Мы увидим работу дифференциального усилителя, рассчитаем его коэффициент усиления и CMRR, перечислим некоторые важные характеристики, а также увидим пример и приложение.
Введение
Операционный усилитель
внутренне является дифференциальным усилителем (его первая ступень) с другими важными функциями, такими как высокий входной импеданс, низкий выходной импеданс и т. Д. Для получения дополнительной информации об операционном усилителе, прочтите «Основы операционных усилителей».
Конфигурация дифференциальной пары или дифференциального усилителя является одним из наиболее широко используемых строительных блоков в разработке аналоговых интегральных схем. Это входной каскад каждого операционного усилителя.
Разностный усилитель или дифференциальный усилитель усиливает разницу между двумя входными сигналами. Операционный усилитель — это дифференциальный усилитель; у него есть инвертирующий вход и неинвертирующий вход. Но коэффициент усиления по напряжению разомкнутого контура операционного усилителя слишком высок (в идеале бесконечен), чтобы его можно было использовать без подключения обратной связи.
Итак, практический дифференциальный усилитель использует отрицательную обратную связь для управления усилением напряжения усилителя.
Дифференциальный усилитель
На следующем рисунке показан простой дифференциальный усилитель, использующий операционный усилитель. Здесь V ₁ — неинвертирующее входное напряжение, V ₂ — инвертирующее входное напряжение, а V _OUT — выходное напряжение.
Если вы посмотрите на приведенную выше схему дифференциального усилителя, это комбинация как инвертирующего усилителя, так и неинвертирующего усилителя.Итак, чтобы рассчитать выходное напряжение дифференциального усилителя, мы будем использовать как инвертирующий, так и неинвертирующий выходы и сложить их вместе.
Расчет выходного напряжения
Пусть V ₊ будет напряжением на неинвертирующей клемме, а V _— будет напряжением на инвертирующей клемме вышеупомянутой схемы дифференциального усилителя. Мы можем вычислить значение V ₊, используя правило потенциального делителя.
Резисторы R ₁ и R ₂ образуют сеть делителей напряжения с V ₁ в качестве входного напряжения и V ₊ в качестве выходного напряжения, и это V ₊ подается на неинвертирующую клемму.Итак,
V ₊ = V ₁ (R ₂ / R ₁ + R ₂)
Если V ₊ является входом для неинвертирующего терминала, а G ₊ — коэффициент усиления неинвертирующего усилителя, тогда неинвертирующий выход V _{OUT +} определяется по формуле:
V _{OUT +} = V ₊ G ₊
. -Инвертирование усиления G ₊ как:
G ₊ = (R ₃ + R ₄) / R ₃ = 1 + (R ₄ / R ₃)
Использование значений V ₊ и G ₊ в уравнении V _{OUT +}, мы получаем
V _{OUT +} = V ₁ (R ₂ / R ₁ + R ₂) ( 1 + (R ₄ / R ₃))
Переходя к инвертирующему выходу V _OUT–, мы должны рассчитать его относительно входного проверка входа V ₂ и инвертирующего усиления G _—.
V _OUT– = V ₂ G _—
Из приведенной выше схемы мы можем рассчитать инвертирующее усиление G _— как:
G _— = — R ₄ / R ₃
Итак, V _OUT– определяется по формуле:
V _OUT– = V ₂ (- R ₄ / R ₃)
У нас есть V _{OUT +} и V _OUT– значений. Чтобы получить окончательное значение V _OUT, мы должны сложить эти значения.
V _OUT = V _{OUT +} + V _OUT–
V _OUT = V ₁ (R ₂ / R ₁ + R _{+ 1}) (1 (R ₄ / R ₃)) — V ₂ (R ₄ / R ₃)
Это выходное напряжение дифференциального усилителя. Вышеприведенное уравнение выглядит сложным. Итак, чтобы упростить задачу и упростить уравнение, возьмем особый случай, когда R ₃ = R ₁ и R ₄ = R ₂.
Если мы применим эти значения в приведенном выше уравнении, мы получим выходное напряжение как:
V _OUT = R ₂ / R ₁ (V ₁ — V ₂) = R ₄ / R ₃ (V ₁ — V ₂)
Теперь из этого уравнения ясно, что дифференциальное напряжение (V ₁ — V ₂) умножается на коэффициент усиления R ₂ / R ₁. Следовательно, это дифференциальный усилитель.
Альтернативный способ расчета выходного напряжения
Давайте теперь рассчитаем выходное напряжение, определив ток на инвертирующем входе операционного усилителя.Предположим, что следующая схема дифференциального усилителя. Эта схема аналогична предыдущей, за исключением того, что это частный случай R ₃ = R ₁ и R ₄ = R ₂ предыдущей схемы.
Сначала мы должны определить напряжение на неинвертирующей клемме (V ₊). Мы уже рассчитали это в предыдущем выводе, используя правило делителя напряжения. Значение определяется следующим образом:
V ₊ = V ₁ (R ₂ / R ₁ + R ₂)
Теперь, исходя из базового понимания операционного усилителя, мы можем сказать, что ток не течет на входные клеммы операционного усилителя и не выходит из них.Таким образом, ток, входящий в инвертирующую клемму I ₁, такой же, как ток, выходящий из клеммы I ₂.
I ₁ = I ₂
Используя это правило в качестве справки, мы можем применить закон Кирхгофа к входному инвертирующему терминалу и получить:
(V ₂ — V _— ) / R ₁ = (V _— — V _OUT) / R ₂
Еще одно важное правило, касающееся операционного усилителя, заключается в том, что он пытается поддерживать на входных клеммах одинаковое напряжение.Итак, V ₊ = V _—. Используя это правило, мы можем заменить V _— в приведенном выше уравнении на ранее вычисленное значение V ₊.
После замены и выполнения некоторых расчетов мы получаем:
V _OUT = R ₂ / R ₁ (V ₁ — V ₂)
ПРИМЕЧАНИЕ: Все предыдущие При расчетах мы взяли специальные как R ₃ = R ₁ и R ₄ = R ₂.Фактически, вместо этого мы должны учитывать отношения, т.е.
R ₃ / R ₄ = R ₁ / R ₂
Если используется это условие, то считается, что сопротивления находятся в Сбалансированный мост.
Важные параметры дифференциального усилителя
Давайте теперь посмотрим на некоторые важные параметры дифференциального усилителя. Это:
Усиление
Вход синфазного сигнала
Коэффициент подавления синфазного сигнала (CMRR)
Коэффициент усиления дифференциального усилителя
Коэффициент усиления разностного усилителя — это соотношение выходного сигнала и разности применяемых входных сигналов. .Из предыдущих расчетов у нас есть выходное напряжение V _OUT как
V _OUT = R ₂ / R ₁ (V ₁ — V ₂)
Итак, коэффициент усиления дифференциального усилителя A _D задается
A _D = V _OUT / (V ₁ — V ₂) = R ₂ / R ₁
Вход синфазного сигнала
Все предыдущие В расчетах мы приняли условие сбалансированного моста i.е., R ₃ / R ₄ = R ₁ / R ₂. Чтобы понять уникальную характеристику дифференциального усилителя или дифференциального усилителя, мы должны взглянуть на входные компоненты дифференциального режима и синфазные входные компоненты.
Вход дифференциального режима V _DM и вход синфазного режима V _CM задаются следующим образом:
V _DM = V ₁ — V ₂
V _CM = (V ₁ + V ₂) / 2
Переставляя два приведенных выше уравнения, мы получаем
V ₁ = V _CM + V _DM/2 и V ₂ = V _CM — V _DM/2
Следующая схема показывает синфазные входные сигналы.
Поскольку усилитель разности усиливает только компонент разностного режима, он игнорирует компонент синфазного режима. Если мы свяжем входы вместе, V _DM станет 0, а V _CM — ненулевым значением.
Но настоящий дифференциальный усилитель приведет к V _OUT = 0, поскольку он полностью игнорирует синфазную часть входного сигнала. Из-за этого дифференциальный усилитель часто используется на входном каскаде системы для устранения постоянного или синфазного шума на входе.
Все эти расчеты верны тогда и только тогда, когда Сопротивления образуют Состояние Уравновешенного Моста. Поскольку выход практического разностного усилителя зависит от соотношения входных сопротивлений, если эти соотношения резисторов не совсем равны, синфазное напряжение V _CM не будет полностью отменено. Поскольку практически невозможно точно подобрать соотношения резисторов, вероятно, будет некоторое синфазное напряжение.
При наличии синфазного входного напряжения выходное напряжение дифференциального усилителя определяется как,
В _OUT = A _D V _DM + A _C V _CM
Где V _DM — это разность напряжений V ₁ — V ₂
V _CM — синфазное напряжение (V ₁ + V ₂) / 2
A _D и A _C — это коэффициенты усиления в дифференциальном и синфазном режимах соответственно.
Коэффициент подавления синфазного сигнала (CMRR)
Способность дифференциального усилителя подавлять входные синфазные сигналы выражается в единицах коэффициента подавления синфазного сигнала (CMRR). Коэффициент подавления синфазного сигнала дифференциального усилителя математически определяется как отношение коэффициента усиления дифференциального напряжения (A _D) дифференциального усилителя к его коэффициенту усиления синфазного сигнала (A _C).
CMRR = A _D / A _C
В децибелах (дБ) CMRR выражается как
CMRR _дБ = 20 log ₁₀ (| A _D / A _C |)
Для идеального дифференциального усилителя коэффициент усиления синфазного напряжения равен нулю.Следовательно, CMRR бесконечен.
Характеристики дифференциального усилителя
Усиление высокого дифференциального напряжения
Низкое усиление синфазного сигнала
Высокое входное сопротивление
Низкое выходное сопротивление
Высокое CMRR
Большая полоса пропускания
_{Усилитель с малым смещением
03
04 в качестве компаратора Схема дифференциального усилителя является очень полезной схемой операционного усилителя, поскольку ее можно настроить на «прибавление» или «вычитание» входных напряжений путем соответствующего добавления дополнительных резисторов параллельно входным резисторам.
Конструкция схемы дифференциального усилителя на мосту Уитстона показана на следующем рисунке. Эта схема ведет себя как компаратор дифференциального напряжения.
Подключив один вход к фиксированному напряжению, а другой к термистору (или светозависимому резистору), схема дифференциального усилителя обнаруживает высокие или низкие уровни температуры (или интенсивности света), когда выходное напряжение становится равным линейная функция изменения активной ветви резистивной мостовой сети.
Дифференциальный усилитель с мостом Уитстона также можно использовать для поиска неизвестного сопротивления в цепи резистивного моста путем сравнения входных напряжений на резисторах.
Переключатель, активируемый светом с использованием дифференциального усилителя
Схема, показанная на следующем изображении, действует как светозависимый переключатель, который включает выходное реле в положение «ВКЛ» или «ВЫКЛ» в зависимости от интенсивности света, падающего на светозависимый резистор (LDR) превышает или опускается ниже предварительно установленного значения на неинвертирующем входном выводе V ₂.
Напряжение V ₂ определяется переменным резистором V _R1. Резисторы R ₁ и R ₂ действуют как цепь делителя потенциала. На инвертирующий вход подается фиксированное опорное напряжение через резисторы R ₁ и R ₂.
Эту же схему можно модифицировать для обнаружения изменений температуры, просто заменив LDR термистором. Меняя местами LDR и V _R1, можно сделать схему для обнаружения темноты или света (или тепла или холода в случае термистора).
Пример дифференциального усилителя
Определите выходное напряжение дифференциального усилителя для входных напряжений 300 мкВ и 240 мкВ. Дифференциальный коэффициент усиления усилителя составляет 5000, а значение CMRR составляет
(i) 100
(ii) 10 ⁵
Дифференциальный усилитель для заданных данных представлен, как показано на рисунке.
Для CMRR = 100:
CMRR = A _D / A _C
100 = 5000 / A _C
Итак, A _C = 50
Разница напряжения _DM
V _DM = V ₁ — V ₂ = 300 мкВ — 240 мкВ = 60 мкВ
Синфазное напряжение, В _CM
В _CM = (В ₁ + V ₂) / 2 = 540 мкВ / 2 = 270 мкВ
Выходное напряжение V _OUT
V _OUT = A _D V _DM + A _C V _CM
= 5000 x 60 мкВ + 50 x 270 мкВ
В _OUT = 313500 мкВ = 313.500 мВ
Для CMRR = 10 ⁵:
A _C = A _D / CMRR = 5000/10 ⁵ = 0,05
V _OUT = A _D V + A _C V _CM = 5000 x 60 мкВ + 0,05 x 270 мкВ
V _OUT = 300013,5 мкВ = 300,0135 мВ
ПРИМЕЧАНИЕ: Для идеального дифференциального усилителя или дифференциального усилителя C A _{равно 0. Таким образом, на выходе будет только A _D V _DM, что дает V _OUT = 5000 x 60 мкВ = 300 мВ.}
Обзор дифференциального усилителя
Дифференциальный усилитель, также известный как дифференциальный усилитель, представляет собой очень полезную конфигурацию операционного усилителя, которая усиливает разницу между приложенными входными напряжениями.
Дифференциальный усилитель представляет собой комбинацию инвертирующих и неинвертирующих усилителей. Он использует соединение с отрицательной обратной связью для управления усилением дифференциального напряжения.
Коэффициент усиления по дифференциальному напряжению усилителя зависит от соотношения входных сопротивлений.Поэтому, тщательно выбирая входные сопротивления, можно точно регулировать усиление разностного усилителя.
Синфазное усиление идеального дифференциального усилителя равно нулю. Но из-за несоответствия практических значений резистора будет очень маленькое синфазное напряжение и конечное синфазное усиление.
Путем соответствующей модификации соединений резисторов на входных клеммах можно создать разностный усилитель для сложения, вычитания и сравнения приложенных уровней входного напряжения.
Идеальный операционный усилитель (операционный усилитель)
Ultimate Electronics: практическое проектирование и анализ схем
Идеальная модель операционного усилителя является ключевым строительным блоком при разработке аналоговых фильтров, усилителей, генераторов, источников и многого другого.
Читать 13 мин
Операционные усилители, обычно сокращаемые до «операционных усилителей», являются важным строительным блоком аналоговых электронных систем. В различных конфигурациях с несколькими другими компонентами операционные усилители могут использоваться для обработки и управления аналоговым сигналом напряжения множеством различных способов.Сюда входят многие виды фильтров (низкочастотный, высокочастотный, полосовой, интегратор, дифференциатор), усилители (буферные, инвертирующие, неинвертирующие, дифференциальные, суммирующие, измерительные), генераторы, компараторы, источники (напряжение, ток ), преобразователи (напряжение-ток, ток-напряжение) и даже некоторые нелинейные приложения.
Эти приложения чрезвычайно полезны, и мы рассмотрим каждое из них по отдельности в следующих разделах, но сначала давайте разберемся с идеальным операционным усилителем самостоятельно.
Сегодня операционный усилитель — это интегральная схема (ИС), содержащая несколько десятков отдельных транзисторов и пассивных компонентов. Исторически, до эпохи ИС (1960-1970-е годы) большинство усилителей или каскадов обработки аналоговых сигналов были специально разработаны для конкретного применения, чтобы избежать относительно высокой сложности и стоимости операционного усилителя. Но теперь, когда операционные усилители на ИС имеют всего несколько выводов и стоят всего несколько копеек, обычно имеет смысл воспользоваться их огромным потенциалом для упрощения аналоговых схем.
Большинство операционных усилителей стремятся работать как идеальный операционный усилитель , теоретическая модель, которая хорошо работает при моделировании и позволяет легко решать схемы вручную. В результате большинство разработчиков и аналитиков рассматривают операционный усилитель как идеальный, и с этого мы начнем.
Позже мы обсудим, каким образом эта идеальность нарушается в реальных неидеальных операционных усилителях. Эти ограничения имеют решающее значение для понимания того, когда вы можете приблизить свой анализ к идеальному операционному усилителю, а когда нет.Они также могут помочь вам выбрать правильный операционный усилитель для реализации вашего проекта.
Идеальный операционный усилитель — это усилитель напряжения с двумя входами и одним выходом:
Два входа называются неинвертирующим входом (+) и инвертирующим входом (-) .
Внимательно следите за знаками + и — внутри треугольника! Операционный усилитель обычно рисуется в любом направлении, со знаком + сверху или снизу, в зависимости от того, что упрощает рисование остальной схемы.(В CircuitLab выберите операционный усилитель и нажмите «V», чтобы перевернуть символ по вертикали.) Если вы случайно поменяете местами два входа, ваш дизайн не будет работать ни на бумаге, ни в реальном мире!
По идее, идеальный операционный усилитель вычитает два входа, а затем умножает эту разницу на огромное число, называемое усилением разомкнутого контура AOL
:
Vout = AOL (V + −V-)
В качестве шагов обработки сигнала это вычитание и умножение выглядит так:
В качестве альтернативы, идеальный операционный усилитель можно смоделировать как источник напряжения с управляемым напряжением (VCVS):
Если вы посмотрите внимательно, модель VCVS выше поднимает новый вопрос: почему внутри операционного усилителя внезапно появилась земля? Поскольку напряжения всегда относительны, это означает, что Voffset = 0
в более полном и правильном уравнении:
(Vout − Voffset) = AOL (V + −V-) Vout = AOL (V + −V -) + Voffset
Если мы возьмем операционный усилитель и закоротим входные клеммы так, чтобы V + −V- = 0
, на выходе будет Vout = Voffset
.В реальном мире, в реальном операционном усилителе с закороченными входами, на выходе не обязательно будет какое-то конкретное напряжение, и какое бы оно ни было напряжение, оно обязательно будет относительно того, что мы измеряем. Однако при анализе идеальной схемы операционного усилителя мы обычно предполагаем Voffset = 0.
в качестве упрощающего предположения, потому что либо:
Операционный усилитель используется в конфигурации с обратной связью с обратной связью , где статическое смещение становится несущественным после применения правил обратной связи (особенно с учетом того, что коэффициент усиления AOL
такой большой), или
Операционный усилитель используется в разомкнутой конфигурации без обратной связи, и в этом случае мы все равно быстро доводим выход до нелинейного, неидеального поведения.
Насколько велик выигрыш? В реальных неидеальных операционных усилителях типичные значения коэффициента усиления разомкнутого контура составляют от сотен тысяч до десятков миллионов:
AOL, неидеальный, тип = 105-107
Это действительно здорово! Разница в милливольтах на входах становится на выходе сотнями или тысячами вольт! Он настолько велик, что при анализе идеального операционного усилителя мы делаем еще одно упрощающее предположение, принимая предел, предполагающий, что коэффициент усиления стремится к бесконечности:
Vout = AOL (V + −V-) AOL, идеальный → ∞
Это алгебраическая модель идеального операционного усилителя : она вычитает напряжение на инвертирующем входе из неинвертирующего входа, а затем умножает разницу на очень большой коэффициент усиления, приближающийся к бесконечности.
Даже в реальных операционных усилителях таблица данных часто гарантирует только минимальное усиление без разомкнутого контура , но не максимальное. Вы не можете и не должны разрабатывать схему, зная точное значение коэффициента усиления разомкнутого контура операционного усилителя.
Трудно думать о бесконечности! Один полезный мысленный трюк — приостановить время и представить, что происходит в динамике: вместо того, чтобы сразу прыгать в бесконечность, представьте, что при небольшой разнице входных сигналов выходное напряжение идеального операционного усилителя просто начинает расти, расти, приближаться к бесконечности! Позже мы представим различные конфигурации обратной связи с обратной связью, и вы увидите, что это быстрое повышение выходного напряжения в конечном итоге возвращается, чтобы повлиять на один или оба входа одного и того же операционного усилителя, так что не беспокойтесь: бесконечность долго не протянет.
С бесконечностями тоже может быть сложно справиться с алгеброй. Предлагается оставить AOL
на месте в качестве переменной, и только в конце возьмем предел AOL → ∞
.
Идеальный операционный усилитель непрерывно измеряет напряжения на входах и регулирует выходное напряжение:
Если на неинвертирующем (+) входе напряжение на выше, чем на инвертирующем (-) входе, то операционный усилитель на увеличит свое выходное напряжение на .
Если на неинвертирующем (+) входе напряжение на ниже , чем на инвертирующем (-) входе, то операционный усилитель на уменьшит свое выходное напряжение на .
В форме уравнения:
Vout увеличивается, если V +> V-Vout уменьшается, если V +
Если обратная связь присутствует и в правильном направлении, то операционный усилитель будет постоянно корректировать свое выходное напряжение до тех пор, пока два входных напряжения не станут одинаковыми.
Есть ряд других предположений, которые инженеры делают об идеальных операционных усилителях. Все эти предположения будут нарушены для реальных (неидеальных) операционных усилителей, поэтому следите за тем, как они могут повлиять на вашу схему.
Узнав об этих предположениях об идеальности, мы можем решить, когда мы можем разработать схему, предполагая, что операционный усилитель идеален (и, следовательно, его намного легче анализировать), и когда эта упрощенная модель может вступить в противоречие с реальностью. Мы рассмотрим эти вопросы более подробно в следующих разделах.
Никакой ток не может течь на входные клеммы идеального операционного усилителя или выходить из них. Входные клеммы могут измерять только их напряжения. От Thevenin Equivalent Circuits это все равно, что сказать, что входное сопротивление, смотрящее на входные клеммы, бесконечно: Zin = ∞
Выход идеального операционного усилителя может удерживать Vout.
и подавать любое количество тока, входящего или выходящего, без изменения напряжения.В эквивалентной модели Thevenin, если смотреть на выходную клемму (и землю), она выглядит как источник напряжения с нулевым сопротивлением — следовательно, с нулевым выходным сопротивлением: Zout = 0
В идеальных операционных усилителях мы предполагаем, что неинвертирующий и инвертирующий входы идеально сбалансированы, так что Vout = AOL (V + −V-)
. В реальном мире из-за производственных процессов существует некоторое входное напряжение смещения, такое что Vout = AOL (V + −V- + Vinput offset)
. Вы можете подумать об этом концептуально, просто добавив небольшой источник напряжения последовательно с одним из входов.Если точность по постоянному току имеет значение, это входное смещение (даже всего несколько милливольт!) Может иметь большое значение, особенно потому, что оно может дрейфовать во время работы схемы. Но в идеальном операционном усилителе мы предполагаем: смещение Vinput = 0
На схематическом изображении идеального операционного усилителя отсутствуют подключения к источнику питания, но настоящий операционный усилитель должен откуда-то получать питание и подавать питание на схему. В таблице это начинается с тока покоя операционного усилителя IQ.
. (См. Раздел Power для обсуждения учета мощности и энергии в цепях.В идеальных операционных усилителях мы рассматриваем это как VCVS: это активный источник, который может подавать питание на схему.
Скорость, с которой операционный усилитель может изменять свое выходное напряжение, называется скоростью нарастания . В реальных операционных усилителях существует предел скорости роста или падения выходной мощности, измеряемый в Vs.
. (Это похоже на мысленный трюк с размышлением о бесконечном усилении разомкнутого контура, о котором говорилось выше.) В идеальных операционных усилителях мы допускаем бесконечную скорость нарастания напряжения: выходной сигнал может двигаться бесконечно быстро.
В дополнение к пределу скорости нарастания (который является нелинейным пределом), существует также ограничение полосы пропускания в реальных операционных усилителях: они не реагируют на все частоты.Реальные операционные усилители имеют коэффициент усиления без обратной связи, который зависит от частоты, AOL (f).
, а на высоких частотах он уменьшается. В частности, произведение коэффициента усиления на полосу пропускания (GBW) — это частота, на которой коэффициент усиления разомкнутого контура операционного усилителя падает до 1. Примечательно, что коэффициент усиления начинает падать намного раньше этой частоты. Но в идеальных операционных усилителях мы предполагаем, что коэффициент усиления разомкнутого контура постоянный и большой (приближающийся к бесконечности) для всех частот.
Как подробно обсуждалось выше, мы предполагаем, что идеальные операционные усилители имеют коэффициент усиления, приближающийся к бесконечности.Реальные операционные усилители имеют конечное усиление без обратной связи, что может ограничивать степень усиления, которую мы можем получить от одного каскада операционного усилителя.
В идеальных операционных усилителях мы предполагаем, что если мы удвоим разницу входного напряжения, мы удвоим выходное напряжение. Настоящие операционные усилители состоят из нелинейных компонентов, и это неверно. Однако, поскольку операционные усилители используются в конфигурациях с обратной связью с обратной связью, обратная связь сохраняет разницу входного напряжения чрезвычайно малой, в пределах диапазона, в котором мы видим в основном линейное поведение.Можно с уверенностью предположить линейность идеального операционного усилителя.
Идеальный операционный усилитель может иметь входы любого значения; имеет значение только их различие. Но в реальном операционном усилителе будут ограничения на допустимые входные напряжения, чтобы предотвратить повреждение входных транзисторов. Вычитание не будет работать должным образом, если ваши входные данные превышают эти пределы, и ваша схема не будет работать должным образом. (Более тонко, вы получите нелинейные искажения до того, как достигнете жестких пределов.) В большинстве случаев пределы соответствуют положительному и отрицательному напряжению источника питания, но вы должны проверить таблицу, чтобы быть уверенным.
Идеальный операционный усилитель может выдавать любое напряжение. Но в реальном операционном усилителе вы ограничены возможностями выходных транзисторов. Эти пределы обычно соответствуют положительному и отрицательному напряжению источника питания, но вам следует проверить таблицу данных.
Идеальный операционный усилитель реагирует только на изменение напряжения на его неинвертирующих и инвертирующих входных контактах. Но настоящий операционный усилитель может «просачивать» некоторые отклонения от контактов источника питания на выход. (Это зафиксировано как спецификация коэффициента отклонения блока питания [PSRR] в таблице данных.) Это позволяет источнику питания с шумами испортить сигнал.
Идеальный операционный усилитель не добавляет шума к сигналу. Но в реальном операционном усилителе шум добавляется и, возможно, даже усиливается.
Идеальный операционный усилитель — это просто фантастика! К сожалению, все они распроданы. Настоящие операционные усилители на интегральных схемах, которые вы можете купить, не идеальны во всех отношениях, описанных выше, и производители полупроводников должны идти на собственные уступки, чтобы достичь своих целевых характеристик и цены.
В результате, если проблема аналогового проектирования, которую вы пытаетесь решить, особенно сложна в любом направлении, вы можете не захотеть использовать операционный усилитель.Например, если вам нужно разработать каскад усилителя с абсолютно высокими частотными характеристиками или с абсолютно низким энергопотреблением, вы, вероятно, не собираетесь использовать операционный усилитель.
К счастью, в продаже есть тысячи различных моделей операционных усилителей, и все они идут на разные компромиссы между этими неидеальными идеалами. Во многих случаях, понимая свою дизайнерскую проблему и то, как она соотносится с этими неидеальными идеалами, вы сможете найти тот, который отвечает вашим потребностям прямо из коробки!
Часто бывает полезно ослабить допущение о «неограниченном диапазоне выходного напряжения», указанное выше, и вместо этого смоделировать идеальный операционный усилитель с шинами напряжения , где выходной сигнал должен находиться в пределах указанного диапазона.
Полезно запустить симуляцию DC Sweep, чтобы увидеть, как выглядит выходной сигнал идеального операционного усилителя с разомкнутым контуром, с шинами напряжения и без них. Две выходные кривые перекрываются посередине, когда пределы не превышены. Но с шинами напряжения линия В (Output_with) обрезается, чтобы стать плоской и горизонтальной после превышения пределов:
Exercise Щелкните, чтобы открыть и смоделировать схему, описанную выше, и понаблюдать за тем, как один выход кажется ограниченным при изменении входа.
(Обратите внимание, что для многих реальных операционных усилителей его выход не может полностью качаться до положительной шины питания и не может полностью опускаться до отрицательной шины.)
Теперь, когда у нас есть идеальный операционный усилитель с шинами напряжения, мы можем использовать его в качестве компаратора напряжения без обратной связи. Бесконечное усиление идеального операционного усилителя эффективно по сравнению с за счет ограничений по выходному напряжению, так что фактически:
Vout = Vlimit, pos для V +> V- + ϵVout = Vlimit, negfor V +
для очень маленьких ϵ
.
Это можно продемонстрировать, подключив два генератора синусоидальных функций с разными частотами к двум входам операционного усилителя:
Exercise Щелкните, чтобы открыть и смоделировать схему выше. Посмотрите, как выходной сигнал достигает крайних значений при пересечении входов.
В реальном мире операционный усилитель — не лучший аналоговый компаратор напряжения: есть гораздо лучшие специализированные детали. Однако это одно из немногих приложений операционных усилителей без обратной связи, так что вы можете создать и протестировать его в своей лаборатории.
Полезно моделировать схемы операционного усилителя в области Лапласа, потому что мы можем решать системы с обратной связью алгебраически. В частности, полезная модель для идеального операционного усилителя предполагает наличие конечного коэффициента усиления без обратной связи AOL.
:
Еще более полезная модель включает в себя конечное произведение коэффициента усиления на полосу пропускания GBW.
. Это моделируется как имеющий конечный коэффициент усиления AOL.
на постоянном токе, с однополюсным фильтром нижних частот с угловой частотой fc = GBWAOL
. Компонент нижних частот имеет передаточную функцию Glpf (s) = 11 + sω.
, где ω = 2πfc
.Сочетание усиления и низких частот дает:
G (s) = AOL1 + s (AOL2πGBW)
и может быть реализован в CircuitLab, как показано:
Мы будем использовать эту модель в следующих разделах приложения для алгебраического решения примеров обратной связи с обратной связью.
Насколько полезно иметь усилитель с действительно огромным (в идеале бесконечным!) Усилением? Само по себе не так уж и много. В этом разделе мы изучили поведение разомкнутого контура, и наиболее полезным результатом является посредственный аналоговый компаратор напряжения.
Но как только мы построим схему вокруг идеального операционного усилителя, мы сможем «замкнуть контур» и приручить дико огромное усиление во что-то, что мы можем спроектировать и контролировать с помощью обратной связи с обратной связью . Оказывается, наличие компонента вычитания и умножения на бесконечность является почти магически полезным строительным блоком для широкого спектра потребностей обработки аналоговых сигналов. Мы рассмотрим их в следующих нескольких разделах, начиная с одного из самых простых: буфера напряжения операционного усилителя.
Роббинс, Майкл Ф. Ultimate Electronics: Практическое проектирование и анализ схем. CircuitLab, Inc., 2021, ultimateelectronicsbook.com. Доступно. (Авторское право © CircuitLab, Inc., 2021)
.}

Что такое передаточная характеристика операционного усилителя

Анализ передаточной характеристики операционного усилителя

Линейный участок

Участки насыщения

Напряжение смещения нуля

Расчет передаточной характеристики операционного усилителя

Применение передаточной характеристики операционного усилителя

Влияние обратной связи на передаточную характеристику ОУ

Экспериментальное построение передаточной характеристики ОУ

Применение передаточной характеристики в схемотехнике

Влияние частоты на передаточную характеристику ОУ

Передаточная характеристика операционного усилителя: расчет, формула, схема

Передаточная характеристика оу

Скорость нарастания оу

Передаточная характеристика дифференциального усилителя. OrCAD PSpice. Анализ электрических цепей

Читайте также

Общая характеристика

Общая характеристика

Общая характеристика

Анализ усилителя с общим эмиттером, использующий упрощенную модель с h-параметрами

Частотная характеристика усилителя на полевых транзисторах

Колебательный контур как модель двухполюсного усилителя с обратными связями

Амплитудно-частотные характеристики для трехкаскадного усилителя с общим эмиттером

Амплитудно-частотная характеристика операционного усилителя

Дифференцирующие схемы на базе операционного усилителя

Входные характеристики усилителя на полевых транзисторах

Фазосдвигающее устройство с использованием идеального операционного усилителя

13.4. Минимизация шума усилителя

Общая характеристика программы

Краткая характеристика хакеров

Краткая характеристика политики PKI

Краткая характеристика

6. ОПЕРАЦИОННЫЕ УСИЛИТЕЛИ (ОУ) И ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ УСТРОЙСТВА НА ИХ ОСНОВЕ 6.1. Операционный усилитель (ОУ) и его свойства Интегральные операционные

Операционные усилители

Расчёт схем на операционных усилителях

Лекция 10 Тема 10 Операционные усилители

Рисунок 1 Частотная характеристика УПТ

7. УСИЛИТЕЛИ ВЫСОКОЙ ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТИ

6 ИССЛЕДОВАНИE ОПЕРАЦИОННОГО УСИЛИТЕЛЯ

Рисунок 1 Частотная характеристика УПТ

Усилители УСИЛИТЕЛИ С ОБРАТНОЙ СВЯЗЬЮ

Применение операционных усилителей

Рис Структурная схема усилителя с ОС

Глава 5. Дифференциальные усилители

1. Пассивные RC цепи

Лекция 25. УСИЛИТЕЛИ

ТЕМА 6 ЭЛЕКТРОННЫЕ УСИЛИТЕЛИ.

Лекция 12 Активные фильтры. План

Операционные усилители

Операционные усилители (ОУ)

Характеристики операционного усилителя

2

1.1 Усилители мощности (выходные каскады)

2. Область применения

4. ПЕРЕХОДНАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА МЕМБРАНЫ

Аналогові електронні пристрої

Тема 5. ЛИНЕЙНЫЕ СТАЦИОНАРНЫЕ СИСТЕМЫ

Генераторы LС ГЕНЕРАТОРЫ

. Значит, спектральная функция. i t

Вход Усилитель. Обратная связь

Лекция 4. Типовые динамические звенья

Анализ схем на операционных усилителях

АНАЛИЗ СХЕМ НА ОПЕРАЦИОННЫХ УСИЛИТЕЛЯХ

Основные характеристики операционного усилителя

Операционный усилитель | Политех в Сети

Введение в характеристики схемы идеального операционного усилителя

Введение

1 Характеристики идеального операционного усилителя

1.1 Бесконечное входное сопротивление

1.2 Нулевой выходной импеданс

1.3 Бесконечное усиление без обратной связи

1.4 Бесконечный коэффициент подавления синфазного сигнала

1.5 Бесконечная полоса пропускания

2 предположения об идеальном операционном усилителе

3 Рабочие характеристики идеальных операционных усилителей

3.1 Работа в линейной области

3.2 Работа в нелинейной области

4 Анализ характеристик идеального операционного усилителя

5 предустановок сбалансированного сопротивления

5.1 Роль сбалансированного сопротивления