Принцип действия операционного усилителя: Операционные усилители — принцип действия и параметры.

Содержание

что это такое, принцип работы, схемы включения

Усилители на полевых транзисторах

Усилители на полевых транзисторах обладают существенно больших входным сопротивлением по сравнению с усилителями на полярных транзисторах. Наиболее часто используют схемы, показанные на рисунках:

Схемы (а) и (б) – с общим истоком, (в) и (г) – с общим стоком

Ток во входной цепи составляет величину 10-9…10-12А для схем (а) и (в). Для схем (б) и (г) этот ток в 103 раз меньше. Назначение С1, С2 и Си такое же, как С1, С2, Сэ в усилителях на биполярных транзисторах. Величина Rз назначается большой величины до нескольких МОм, оно определяет входное сопротивление усилителя.

Усилители с общим истоком имеют коэффициент усиления по напряжению порядка нескольких единиц. Имеют наибольшее распространение.

Усилители с общим стоком (стоковые повторители) имеют коэффициент усиления по напряжению меньше единицы, высокое входное сопротивление, низкое выходное сопротивление.

Основные характеристики

ОУ, как и другие радиодетали, имеют ТХ, которые можно разделить на типы:

  1. Усилительные.
  2. Входные.
  3. Выходные.
  4. Энергетические.
  5. Дрейфовые.
  6. Частотные.
  7. Быстродействие.

Коэффициент усиления является основной характеристикой ОУ. Он характеризуется отношением выходного сигнала ко входному. Его еще называют амплитудной, или передаточной ТХ, которая представлена в виде графиков зависимости. К входным относятся все величины для входа ОУ: Rвх, токи смещения (Iсм) и сдвига (Iвх), дрейф и максимальное входное дифференциальное U (Uдифмакс). Iсм служит для работы ОУ на входах. Iвх нужен для функционирования входного каскада ОУ. Iвх сдвига — разность Iсм для 2 входных полупроводников ОУ.

Во время построения схем нужно учитывать эти I при подключении резисторов. Если Iвх не учитывать, то это может привести к созданию дифференциального U, которое приведет к некорректной работе ОУ. Uдифмакс — U, которое подается между входами ОУ. Его величина характеризует исключение повреждения полупроводников каскада дифференциального исполнения.

Для надежной защиты между входами ОУ подключаются встречно-параллельно 2 диода и стабилитрона. Дифференциальное входное R характеризуется R между двумя входами, а синфазное входное R — величина между 2 входами ОУ, которые объединены, и массой (земля). К выходным параметрам ОУ относятся выходное R (Rвых), максимальное выходное U и I. Параметр Rвых должен быть меньшим по значению для обеспечения лучших характеристик усиления.

Для достижения маленького Rвых нужно применять эмиттерный повторитель. Iвых изменяется при помощи коллекторного I. Энергетические ТХ оцениваются максимальной мощностью, которую потребляет ОУ. Причина некорректной работы ОУ — разброс ТХ полупроводников дифференциального усилительного каскада, зависящего от температурных показателей (температурный дрейф). Частотные параметры ОУ являются основными. Они способствуют усилению гармонических и импульсных сигналов (быстродействие).

В ИМС ОУ общего и специального вида включается конденсатор, предотвращающий генерацию высокочастотных сигналов. На частотах с низким значением схемы обладают большим коэффициентом Kу без обратной связи (ОС). При ОС используется неинвертирующее включение. Кроме того, в некоторых случаях, например при изготовлении инвертирующего усилителя, ОС не используется. Кроме того, у ОУ есть динамические характеристики:

  1. Скорость нарастания Uвых (СН Uвых).
  2. Время установления Uвых (реакция ОУ при скачке U).

Виды и обозначения на схеме

С развитием электросхемотехники операционные усилители постоянно совершенствуются и появляются новые модели.

Классификация по сферам применения:

  1. Индустриальные — дешевый вариант.
  2. Презиционные (точная измерительная аппаратура).
  3. Электрометрические (малое значение Iвх).
  4. Микромощные (потребление малого I питания).
  5. Программируемые (токи задаются при помощи I внешнего).
  6. Мощные или сильноточные (отдача большего значения I потребителю).
  7. Низковольтные (работают при U<3 В).
  8. Высоковольтные (рассчитаны на высокие значения U).
  9. Быстродействующие (высокая скорость нарастания и частота усиления).
  10. С низким уровнем шума.
  11. Звуковой тип (низкий коэффициент гармоник).
  12. Для двухполярного и однополярного типа электрического питания.
  13. Разностные (способны измерять низкие U при высоких помехах). Применяются в шунтах.
  14. Усилительные каскады готового типа.
  15. Специализированные.

По входным сигналам ОУ делятся на 2 типа:

  1. С 2 входами.
  2. С 3 входами. 3 вход применяется для расширения функциональных возможностей. Обладает внутренней ООС.

Схема операционного усилителя достаточно сложная, и не имеет смысла его изготавливать, а радиолюбителю нужно только знать правильную схему включения операционного усилителя, но для этого следует понимать расшифровку его выводов.

Основные обозначения выводов ИМС:

  1. V+ — неинвертирующий вход.
  2. V- — инвертирующий вход.
  3. Vout — выход.Vs+ (Vdd, Vcc, Vcc+) — плюсовая клемма ИП.
  4. Vs- (Vss, Vee, Vcc-) — минус ИП.

Практически в любом ОУ присутствуют 5 выводов. Однако в некоторых разновидностях может отсутствовать V-. Существуют модели, которые обладают дополнительными выводами, которые расширяют возможности ОУ.

Выводы для питания необязательно обозначать, т.к. это увеличивает читабельность схемы. Вывод питания от положительной клеммы или полюса ИП располагают вверху схемы.

Как работает неинвертирующий усилитель на ОУ на примере

Это также можно легко проверить с помощью программы Proteus. Схема будет выглядеть вот так:

Давайте рассчитаем коэффициент усиления KU.  KU = 1+R2/R1=1+90к/10к=10. Значит, наш усилитель должен ровно в 10 раз увеличивать входной сигнал. Давайте проверим, так ли это. Подаем на неинвертирующий вход синусоиду с частотой в 1кГц и смотрим, что имеем на выходе. Для этого нам потребуется виртуальный осциллограф:

Входной сигнал — это желтая осциллограмма, а выходной сигнал — это розовая осциллограмма:

Как вы видите, входной сигнал усилился ровно в 10 раз. Фаза выходного сигнала осталась такой же. Поэтому такой усилитель называют НЕинвертирующим.

Но, как говорится, есть одно «НО». На самом же деле в реальном ОУ имеются конструктивные недостатки. Так как Proteus старается эмулировать компоненты, приближенные к реальным, давайте рассмотрим амплитудно-частотную характеристику (АЧХ), а также фазо-частотную характеристику (ФЧХ) нашего операционника LM358.

Как это работает? — Однополярное питание ОУ и отрицательное напряжение

Обратились недавно ко мне с вопросом. Есть схема с операционным усилителем. ОУ питается однополярным положительным напряжением. Но в схеме присутствует отрицательное напряжение, которое через резисторы подается на на вход ОУ. Вопрос: как и почему оно работает? Разве для работы с отрицательными напряжениями не надо ли питать операционник от двуполярного источника напряжения?

Давайте разбираться вместе.

Вот те самые схемы:

Рис. 1. Схема №1

Рис. 2. Схема №2

Судя по всему, схемы с РадиоКота, но сами статьи не нашел.

Первая — источник высокого отрицательного напряжения для питания ФЭУ, вторая — предварительный усилитель того самого ФЭУ.

Рассмотрим первую. Интересующий нас участок выглядит так:

Рис. 3. Упрощенная обвязка ОУ из рис. 1

Здесь ОУ работает как инвертирующий усилитель с коэффициентом усиления меньше единицы. На вход -HV подается высокое отрицательное напряжение. На выходе OUT получаем положительный потенциал, по величине пропорциональный входному напряжению.

Работает схема следующим образом. На вход -HV подается высокое отрицательное напряжение. Через резистор R2 оно поступает на отрицательный вход ОУ. Так как положительный вход операционника подключен к земле, ОУ через резистор обратной связи R1 будет компенсировать отрицательное напряжение положительным, тем самым сохранять на отрицательном входе нулевой потенциал. То есть, как только на отрицательном входе напряжение провалится ниже нуля, ОУ его снова вернет в ноль через резистор R1. Таким образом, на обоих входах операционного усилителя напряжение всегда будет находиться в окрестности нуля вольт.

Вопрос только вызывает то, что для срабатывания обратной связи операционник должен зафиксировать небольшой провал в отрицательную область, а как он это сделает, если он питается только положительным напряжением?

На это можно ответить коротко: Да ни как! Схема в данном виде является нерабочей, уж не знаю как оно заработало у автора, но у человека, который ее собирал, ни чего не получилось. Выйти из положения можно внеся небольшое изменение в конструкцию:

Рис. 4. Модернизированная схема №1

Положительный вход ОУ с помощью делителя R3-R4 мы немного «приподнимаем» над потенциалом земли. В этом случае операционник следит за провалом напряжения на отрицательным входе уже не ниже уровня земли, а ниже небольшого смещения, которое всегда больше нуля. В таком виде схема уже является жизнеспособной.

Данный прием как раз и реализован во второй схеме (рис. 2). Вот ее часть:

Рис. 5. Зарядочувствительный усилитель ФЭУ

Это так называемый зарядочувствительный усилитель, или инверсный интегратор тока. Вход Anode подключается к аноду ФЭУ, который является источником отрицательного тока (не напряжения!!!). При регистрации кванта света, на выходе OUT получаем импульс напряжения положительной полярности.

Вот и все. Как видите, даже если схема работает с отрицательными напряжениями, в некоторых случаях совсем не обязательно операционные усилители в ней питать двуполярным напряжением.

Основные характеристики

ОУ, как и другие радиодетали, имеют ТХ, которые можно разделить на типы:

  1. Усилительные.
  2. Входные.
  3. Выходные.
  4. Энергетические.
  5. Дрейфовые.
  6. Частотные.
  7. Быстродействие.

Коэффициент усиления является основной характеристикой ОУ. Он характеризуется отношением выходного сигнала ко входному. Его еще называют амплитудной, или передаточной ТХ, которая представлена в виде графиков зависимости. К входным относятся все величины для входа ОУ: Rвх, токи смещения (Iсм) и сдвига (Iвх), дрейф и максимальное входное дифференциальное U (Uдифмакс). Iсм служит для работы ОУ на входах. Iвх нужен для функционирования входного каскада ОУ. Iвх сдвига — разность Iсм для 2 входных полупроводников ОУ.

Во время построения схем нужно учитывать эти I при подключении резисторов. Если Iвх не учитывать, то это может привести к созданию дифференциального U, которое приведет к некорректной работе ОУ. Uдифмакс — U, которое подается между входами ОУ. Его величина характеризует исключение повреждения полупроводников каскада дифференциального исполнения.

Для надежной защиты между входами ОУ подключаются встречно-параллельно 2 диода и стабилитрона. Дифференциальное входное R характеризуется R между двумя входами, а синфазное входное R — величина между 2 входами ОУ, которые объединены, и массой (земля). К выходным параметрам ОУ относятся выходное R (Rвых), максимальное выходное U и I. Параметр Rвых должен быть меньшим по значению для обеспечения лучших характеристик усиления.

Для достижения маленького Rвых нужно применять эмиттерный повторитель. Iвых изменяется при помощи коллекторного I. Энергетические ТХ оцениваются максимальной мощностью, которую потребляет ОУ. Причина некорректной работы ОУ — разброс ТХ полупроводников дифференциального усилительного каскада, зависящего от температурных показателей (температурный дрейф). Частотные параметры ОУ являются основными. Они способствуют усилению гармонических и импульсных сигналов (быстродействие).

В ИМС ОУ общего и специального вида включается конденсатор, предотвращающий генерацию высокочастотных сигналов. На частотах с низким значением схемы обладают большим коэффициентом Kу без обратной связи (ОС). При ОС используется неинвертирующее включение. Кроме того, в некоторых случаях, например при изготовлении инвертирующего усилителя, ОС не используется. Кроме того, у ОУ есть динамические характеристики:

  1. Скорость нарастания Uвых (СН Uвых).
  2. Время установления Uвых (реакция ОУ при скачке U).

Коэффициент усиления

Рассматривают коэффициент усиления по напряжению, ku = Uвых/Uвх, коэффициент усиления по току ki = Iвых/Iвх, коэффициент усиления по мощности кр = Рвых/Рвх = Кu·Кi. Здесь U и I – действующие значения синусоидального напряжения и тока. Коэффициент усиления по мощности кр > 1. В зависимости от усиливаемого параметра, усилители подразделяются на усилители напряжения, тока, мощности. В ряде случаев усилитель делают многокаскадным, что позволяет увеличить коэффициент усиления. Структурная схема многокаскадного усилителя показана на рисунке:

При выполнении условий Uвых1= Uвх2, Uвых2= Uвх3, …, Uвыхn-1= Uвхn коэффициент усиления равен произведению коэффициентов усиления этих каскадов: Ku = Uвыхn/Uвх1= K1K2…Kn.

Что такое операционный усилитель ?

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

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

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

Условное графическое обозначение (УГО)


Условное обозначение операционного усилителя выглядит следующим образом.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Базовые сведения об операционном усилителе ОУ

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

Основные параметры ОУ:

  1. Ku – коэффициент усиления.

  2. Vos – напряжение смещения нуля.

  3. Диапазон входных и выходных напряжений.

  4. GBW – частота единичного усиления.

  5. CMRR – коэффициент ослабления синфазного напряжения.

  6. Noise – собственный уровень шума усилителя

  7. Iin – входной ток.

  8. +PSRR – устойчивость к помехе по питанию.

  9. -PSRR – устойчивость к помехе по земле.

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

  11. P – потребляемая мощность.

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

Что такое операционный усилитель

ОУ – интегральная микросхема (ИМС), основным предназначением которой является усиление значения постоянного тока. Она имеет только один выход, который называется дифференциальным. Этот выход обладает высоким коэффициентом, усиливающим сигнал (Kу). ОУ в основном применяются при построении схем с отрицательной обратной связью (ООС), которая при основной ТХ по усилению и определяет Kу исходной схемы. ОУ применяются не только в виде отдельных ИМС, но и в разных блоках сложных устройств.

У ОУ 2 входа и 1 выход, а также есть выводы для подключения источника питания (ИП). Принцип действия операционного усилителя прост. Существует 2 правила, взятых за основу. Правила описывают простые процессы работы ИМС, происходящие в ОУ, и как работает ИМС, понятно даже чайникам. На выходе разность напряжений (U) равна 0, а входы ОУ почти не потребляют ток (I). Один вход называется неинвертирующим (V+), а другой является инвертирующим (V-). Кроме того, входы ОУ обладают высоким сопротивлением (R) и практически не потребляют I.

Чип сравнивает значения U на входах и выдает сигнал, предварительно усиливая его. Kу ОУ имеет высокое значение, достигающее 1000000. Если произойдет подача низкого U на вход, то на выходе возможно получить величину, равную U источника питания (Uип). Если U на входе V+ больше, чем на V-, то на выходе получится максимальное положительное значение. При запитывании положительным U инвертирующего входа на выходе будет максимальная величина отрицательного напряжения.

Основным требованием для работы ОУ является применение двухполярного ИП. Возможно применение однополярного ИП, но при этом возможности ОУ сильно ограничиваются. Если использовать батарейку и принять за 0 ее плюсовую сторону, то при измерении значений получится 1,5 В. Если взять 2 батарейки и соединить их последовательно, то произойдет сложение U, т.е. прибор покажет 3 В.

Если принять за ноль минусовой вывод батарейки, то прибор покажет 3 В. В другом случае, если принять за 0 плюсовой вывод, то получается -3 В. При использовании в качестве нуля точки между двумя батарейками получится примитивный двухполярный ИП. Проверить исправность ОУ можно только при подключении его в схему.

Компоновка схемы: отрицательная и поло­жительная обратная связь

Отрицательная обратная связь вызывает противодействие изменению выходной пере­менной. В операционном усилителе с этой це­лью выход усилителя соединяется с инверти­рующим входом (см. рис. «Отрицательная и положительная обратная связь» ). Это соединение может быть реализовано при помощи канала обратной связи. Причина изменения выход­ного напряжения UА всегда заключается в изменении дифференциального входного напряжения UD следовательно, отрицатель­ная обратная связь всегда действует таким образом, что напряжение UD уменьшается и в идеальном случае становится равным нулю.

В отличие от отрицательной обратной связи положительная обратная связь спо­собствует изменению выходного напряже­ния. Таким образом, выходное напряжение UA усиливается положительной обратной связью, т.е. напряжение UD при изменении напряжения UA возрастает и, следовательно, отлично от нуля. Таким образом, выходное напряжение UA может принимать только два стационарных значения, т.е. максимальное или минимальное значение.

С точки зрения техники автоматического регулирования система регулирования с от­рицательной обратной связью состоит из операционного усилителя и контура обратной связи, как показано на рис. «Отрицательная обратная связь» . С учетом боль­шого значения коэффициента усиления АD

UA = AD·UD = AD(UE-k·UA)

и общий коэффициент усиления

A=UA /UE = AD /(1+k·AD )≈1/k

Таким образом, становится ясно, что, несмо­тря на очень высокий коэффициент усиления при разомкнутой цепи обратной связи АD, при помощи отрицательной обратной связи мо­жет быть получен конечный коэффициент усиления А. Это более детально поясняется на приведенных ниже примерах.

Экспоненциальный преобразователь

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

Экспоненциальный преобразователь.

Работа схемы описывается известными выражениями

Таким образом, выходное напряжение составит

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

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

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

АЧХ усилителя, охваченного ООС

ООС уменьшает частотные искажения, т.е. расширяет полосу пропускания Δf как в сторону низких (fH), так и в сторону высоких (fB) частот.

Рассмотрим пример, где цепь прямой передачи образует ОУ типа К140УД8, а цепь обратной связи резисторы R1 = 9 кОм, R2 = 1 кОм:

R1 и R2 — делитель напряжения, причем .

,

АЧХ ОУ К140УД8 и ОУ охваченного ООС с Β = 0,1 показаны на рисунке:

Частота среза fср ОУ без ООС равна 10 Гц.

Для определения частоты среза fср.ос усилителя, охваченного отрицательной обратной связью, в первом приближении достаточно провести горизонтальную линию на уровне || = 10 до пересечения с амплитудно-частотной характеристикой используемого операционного усилителя К140УД8. fср.ос = 5·105 Гц.

Ссылки[править | править код]

  • Хоровиц П., Хилл У. Искусство схемотехники: В 3-х томах: Т. 1. Пер. с англ.— 4-е изд., перераб. и доп.— М.: Мир, 1993.—413 с., ил. ISBN 5-03-002337-2.
  • Курс лекций
  • Викиучебник по операционным усилителям(англ.)
  • Описание некоторых стандартных применений ОУ(англ.)
  • Большая коллекция схем на ОУ с однополярным питанием(англ.)
  • Коллекция типовых схем с использованием ОУ фирмы National Instruments(англ.)
  • Operational Amplifier Basics by Harry Lythall.(англ. ) Основы приенения ОУ.
  • Op-Amp Handbook.(англ.) Большая книга по применению ОУ.
  • Логарифмические и другие преобразователи на ОУ(англ.)
  • Operational amplifiers(англ.) Познавательная статья об ОУ.

Литература

  1. Sergio Franco, “Design with Operational Amplifiers and Analog Integrated Circuits”, McGrawHill, 2001
  2. Thomas Frederiksen, “Intuitive Operational Amplifiers: From Electron to Op Amp”, McGraw Hill, 1988
  3. Jim Williams, “Analog Circuit Design”, Butterworth-Heinemann, 1991
  4. Bonnie Baker, “AN699 – Anti-aliasing Analog Filters for Data Acquisition Systems”, Microchip Technology Inc., DS00699, 1999
  5. Bonnie Baker, “AN722 – Operational Amplifier Topologies and DC Specifications”, Microchip Technology Inc., DS00722, 1999
  6. Bonnie Baker, “AN723 – Operational Amplifier AC Specifications and Applications”, Microchip Technology Inc., DS00723, 2000

Оригинал статьи

Перевел Андрей Евстифеев по заказу АО КОМПЭЛ

•••

Обозначение на схеме операционного усилителя

На схемах операционный усилитель обозначается вот так:

или так

Чаще всего ОУ на схемах обозначаются без выводов питания

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

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

Активные фильтры

Для оценки требуемого значения GBW обычно используется формула:

где:GBW – частота единичного усиления скомпенсированного операционного усилителя;G – усиление в полосе пропускания;F3 – частота среза фильтра по уровню −3 dB;Q – добротность фильтра;100 – запас усиления.

Здесь появляется дополнительный множитель, Q. Дело в том, что ФНЧ с Q > 0.707 имеет пик на АЧХ и необходимо учесть его величину. Величина этого пика:

Что будет, если забыть про требование к GBW?

Для примера возьмём ФНЧ Баттерворта на 250 кГц для которого ожидается плоская АЧХ в полосе пропускания. ОУ с GBW 1 МГц.

ФНЧ 250 кГц на идеальном ОУ и с GBW 1 МГц

Появился пик около 0.5 дБ в полосе пропускания, а сама она сузилась.

Для ФНЧ дополнительное уменьшение усиления с ростом частоты может быть даже полезным, позволяя получить большее ослабление нежелательных частот. Пик тоже может быть полезным, им можно скомпенсировать спад АЧХ других каскадов

Однако, если поведение вблизи частоты излома важно, влияние GBW можно попробовать скомпенсировать. Прочитать об этом можно там, тут и здесь

Зачем использовать инструментальные усилители?

Когда я учился в колледже, один из моих преподавателей сравнил работу инженера-электронщика с разнорабочим с поясом с инструментами, набитым оборудованием. Успешный разнорабочий будет стремиться иметь широкий набор инструментов и знать, как и когда использовать каждый из них. Точно так же инженер-электронщик имеет свой «пояс с инструментами» из знаний и применений компонентов, схемотехники и способов решения задач. Столкнувшись с задачей, успешный инженер будет знать, какие инструменты использовать для достижения цели проектирования.

Один из таких инструментов, который должен иметь каждый инженер, – это инструментальные (или измерительные) усилители. Инструментальные усилители играют жизненно важную роль во многих областях электротехники; все, от промышленной автоматики для тяжелых условий эксплуатации до прецизионных медицинских устройств, используют инструментальные усилители в своих интересах. Прежде чем мы перейдем ко всем применениям, мы должны кратко рассмотреть конструкцию инструментальных усилителей, и почему их нужно использовать вместо обычных операционных усилителей, которые обычно дешевле.

Давайте сначала взглянем на классическую схему дифференциального усилителя:

Рисунок 1 – Дифференциальный усилитель

Такой конфигурации может быть достаточно для некоторых дифференциальных применений; он может усиливать сигнал с измерительного моста и иметь хороший CMRR (КОСС, коэффициент ослабления синфазного сигнала), но у него есть несколько проблем. Во-первых, мы можем ясно видеть, что входные импедансы не приближаются к бесконечности; фактически входное сопротивление на инвертирующем входе относительно низкое. Входные сопротивления в этой схеме не совпадают, и иногда входные сопротивления инвертирующего и неинвертирующего входов могут сильно различаться. Эта схема также требует очень тщательного согласования резисторов и согласования с импедансом источника. Мы, конечно, могли бы увеличить входной импеданс, сделав резисторы обратной связи очень большими, но при номинале 1 МОм для резисторов R1 и R2 потребуется, чтобы R3 и R4 были равны 100 МОм для достижения коэффициента усиления хотя бы 100; а для очень слабых сигналов обычно требуется больший коэффициент усиления. Использование резисторов большого номинала также создает новые проблемы. Резисторы с большим сопротивлением создают шум, и их очень сложно подобрать с высокой точностью; кроме того, резисторы большого номинала могут вызвать появление паразитной емкости, которая отрицательно скажется на CMRR на высоких частотах.

Решением было бы использовать перед каждым входом неинвертирующие буферы, но мы всё равно хотели бы добиться более высокого коэффициента усиления. Взгляните на инструментальный усилитель, показанный ниже.

Рисунок 2 – Инструментальный усилитель

Два буферных усилителя обеспечивают практически бесконечное входное сопротивление и усиление, а дифференциальный усилитель обеспечивает дополнительное усиление и несимметричный выход. В результате получается схема с очень высоким CMRR, высоким коэффициентом усиления и входным сопротивлением порядка 1010 Ом.

Корпусы операционных усилителей

Операционные усилители размещаются в контейнерах, называемых корпусами. Четыре наиболее распространенных типов корпусов это: ТО-5 (корпус транзисторного типа), DIP (плоский корпус с двухрядным расположением выводов), мини — DIP и плоский корпус с планарными выводами.

Штырьки корпуса операционного усилителя используются в качестве выводов, с их помощью операционный усилитель соединяется с остальной схемой. Операционные усилители либо непосредственно припаиваются к монтажной плате, либо вставляются в колодку, которая припаяна к плате. Если операционный усилитель вставлен в колодку, его легко можно извлечь при помощи специального пинцета, предназначенного для этих целей.

Виртуальное короткое замыкание

Одно из этих предположений называется виртуальным коротким замыканием. На самом деле, это не является одной из фундаментальных характеристик идеального операционного усилителя. Скорее, виртуальное короткое замыкание является теоретической ситуацией, которая возникает из-за одной из основных характеристик идеального операционного усилителя, а именно, бесконечного коэффициента усиления без обратной связи.

Давайте представим, что у нас есть операционный усилитель, включенный как инвертирующий усилитель. Как почти всегда в случае схем на ОУ, работа схемы основана на использовании отрицательной обратной связи.

Рисунок 1 – Инвертирующий усилитель на операционном усилителе

Стандартный метод получения формулы коэффициента усиления по напряжению этой схемы состоит в предположении, что напряжение на неинвертирующем входном выводе (Vвх+) равно напряжению на инвертирующем входном выводе (Vвх–). Поскольку неинвертирующий вход соединен с землей, Vвх+ = 0 В, и, следовательно, Vвх– = 0 В. Но почему? Почему мы можем предположить, что эти два разных напряжения равны?

Бесконечный коэффициент усиления

Предположить, что эти два разных напряжения равны, можно потому, что на самом деле разница между этими напряжениями очень мала, а разница между напряжениями очень мала, потому что коэффициент усиления очень велик. Рассмотрим следующую диаграмму и формулу:

Рисунок 2 – Определение выходного напряжения

\

Операционный усилитель – это дифференциальный усилитель. Он создает выходное напряжение, применяя коэффициент усиления без обратной связи (обозначенный A) к разности напряжений на неинвертирующем и инвертирующем входах. Если мы перестроим эту формулу так, чтобы разностное напряжение было отделено от коэффициента усиления, то получим следующее:

\

Обратите внимание, что происходит при увеличении коэффициента усиления без обратной связи (для заданного Vвых): разность напряжений уменьшается. Когда коэффициент усиления приближается к бесконечности, разность напряжений приближается к нулю

Другими словами, если коэффициент усиления бесконечен, Vвх+ должно быть равно Vвх–, а это и есть виртуальное короткое замыкание.

Конечный коэффициент усиления

Невозможность создания усилителя с бесконечным коэффициентом усиления не отменяет практическую ценность виртуального короткого предположения. Почему? Потому что «виртуальное короткое замыкание» – это просто еще один способ сказать, что между двумя входными напряжениями операционного усилителя существует нулевая разница, а в реальных схемах эта разница «достаточно близка» к нулю. Коэффициент усиления без обратной связи реальных операционных усилителей может превышать 100 дБ. Это отношение выходного напряжения к входному не менее 100 000. Допустим, у нас есть операционный усилитель с A = 100 дБ, который выдает выходное напряжение 2,5 В.

\

Это 25 мкВ. Когда коэффициент усиления без обратной связи достаточно высок, чтобы создавать (очень) маленькое разностное напряжение, виртуальное короткое замыкание является надежным инструментом для практического проектирования, несмотря на то, что оно нереально. И на самом деле, оно не только нереально. Оно совершенно парадоксально.

Идеальный операционный усилитель и его свойства

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

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

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

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

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

Дифференциатор

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



Дифференциатор на операционном усилителе.

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

Выходное напряжение составит

LM358 DataSheet на русском, описание и схема включения

Микросхема LM358 как написано в его DataSheet является универсальным решением, так как схема включения большинства популярных устройств весьма проста, в случаях отсутствия жестких требований к высокому быстродействию, рассеиваемой мощности и нестандартному питающему напряжению. Небольшая стоимость, отсутствие необходимости подключения дополнительных элементов частотной коррекции, возможность использования во всем диапазоне стандартных питающих напряжений (до +32В) и низкий потребляемый ток, делают его кандидатом номер один для электронных проектов с ОУ.

LM358 цоколевка

LM358 состоит из двух ОУ, каждый имеет по 4 вывода, имеющих свое назначение. Всего получается 8 контактов. Производятся в нескольких видах корпусного исполнения, для объемного DIP и поверхностного монтажа на плату SO. Так же могут встречается в усовершенствованных корпусах SOIC, VSSOP, TSSOP.

Назначение контактов для всех видов корпусов совпадает: 2,3, 5,6, — входы, 1,7 – выходы, 4 – минус источника питания, 8 – плюс источника питания.

Технические характеристики

Ниже указаны предельные допустимые значения условий эксплуатации для диапазона рабочих температур окружающей среды TA от 0 до +70 °C, если не указано иное.

Основные электрические характеристики, при температуре окружающей среды TA = 25 °C.

Рекомендуемые условия эксплуатации в диапазоне рабочих температур окружающей среды, если не указано иное:

Подверженность устройства повреждению от электростатического разряда (ESD):

Также у данного устройства есть тепловые характеристики:

Схемы подключения

Ниже приведем несколько простых схем включения lm358 которые могут вам пригодится. Все они являются ознакомительными, так что обязательно проверяйте все перед внедрением в производственной сфере.

Схема в мощном неинвертирующим усилителе.

Преобразователь напряжения — ток.

Схема с дифференциальным усилителем.

Неинвертирующий усилитель средней мощности.

Аналоги

Аналогами LM358 можно считать микросхемы в которых указываются идентичные характеристики. К таким относятся: LM158, LM258, LM2904, LM2409. Эти микросхемы незначительно отличаются от описываемой своими тепловыми параметрами и подойдут в качестве замены для большинства проектов.

Для ее замены можно использовать: GL 358, NE 532, OP 04, OP 221, OP 290, OP 295, OPA 2237, TA7 5358-P, UPC 358C, AN 6561, CA 358E, HA 17904. Отечественные аналоги lm358: КР 1401УД5, КР 1053УД2, КР 1040УД1.

Для замены также может подойти аналог по электрическим параметрам, но уже c четырьмя ОУ в одной микросхеме — LM324.

Маркировка

Префикс LM сначала использовался при маркировке общего назначения компанией National Semiconductor. Цифры “358” это ее серийный номер. В 2011 году эта компания была приобретена другим производителем электроники Texas Instruments. С этого года префикс “LM” является кодом производителя Texas Instruments, но несмотря на это, этот код используют и другие производители при маркировке своей продукции. Микросхемы LM358, LM358-N и LM358-P имеют одинаковые технические параметры. У большинства компаний-производителей символами “-N” , “-P” обозначаются пластиковые корпуса PDIP.

В технических описания встречается такие виды: LM358A, LM358B, LM358BA. Так указывается версии следующего поколения промышленного стандарта LM358. Устройства «B» могут быть доступны в более современных микрокорпусах TSOT и WSON.

Применение

Lm358 широко используется в:

  • устройствах типа «мигающий маяк»;
  • блоках питания и зарядных устройствах;
  • схемах управления двигателем;
  • материнских платах;
  • сплит системах внутреннего и наружного применения;
  • бытовой технике: посудомоечные, стиральные машины, холодильные установки;
  • различных видах инверторов;
  • источниках бесперебойного питания;
  • контроллерах и др.

Возможности применения микросхемы производители обычно указывают в технических описаниях на свои устройства.

Виды и обозначения на схеме

С развитием электросхемотехники операционные усилители постоянно совершенствуются и появляются новые модели.

Классификация по сферам применения:

  1. Индустриальные – дешевый вариант.
  2. Презиционные (точная измерительная аппаратура).
  3. Электрометрические (малое значение Iвх).
  4. Микромощные (потребление малого I питания).
  5. Программируемые (токи задаются при помощи I внешнего).
  6. Мощные или сильноточные (отдача большего значения I потребителю).
  7. Низковольтные (работают при U<3 В).
  8. Высоковольтные (рассчитаны на высокие значения U).
  9. Быстродействующие (высокая скорость нарастания и частота усиления).
  10. С низким уровнем шума.
  11. Звуковой тип (низкий коэффициент гармоник).
  12. Для двухполярного и однополярного типа электрического питания.
  13. Разностные (способны измерять низкие U при высоких помехах). Применяются в шунтах.
  14. Усилительные каскады готового типа.
  15. Специализированные.

По входным сигналам ОУ делятся на 2 типа:

  1. С 2 входами.
  2. С 3 входами. 3 вход применяется для расширения функциональных возможностей. Обладает внутренней ООС.

Схема операционного усилителя достаточно сложная, и не имеет смысла его изготавливать, а радиолюбителю нужно только знать правильную схему включения операционного усилителя, но для этого следует понимать расшифровку его выводов.

Основные обозначения выводов ИМС:

  1. V+ – неинвертирующий вход.
  2. V- – инвертирующий вход.
  3. Vout – выход.Vs+ (Vdd, Vcc, Vcc+) – плюсовая клемма ИП.
  4. Vs- (Vss, Vee, Vcc-) – минус ИП.

Практически в любом ОУ присутствуют 5 выводов. Однако в некоторых разновидностях может отсутствовать V-. Существуют модели, которые обладают дополнительными выводами, которые расширяют возможности ОУ.

Выводы для питания необязательно обозначать, т.к. это увеличивает читабельность схемы. Вывод питания от положительной клеммы или полюса ИП располагают вверху схемы.

Где применяются

Существует 2 вида схем ОУ, которые различаются способом подключения. Главный недостаток ОУ — непостоянство Kу, зависящего от режима функционирования. Основные сферы применения — усилители: инвертирующий (ИУ) и неинвертирующий (НИУ). В схеме НИУ Kу по U задается резисторами (сигнал нужно подавать на вход). ОУ содержит ООС последовательного типа. Эта связь выполнена на одном из резисторов. Она подается только на V-.

В ИУ происходит сдвиг сигналов по фазе. Для изменения знака выходного отрицательного напряжения необходима параллельная ОС по U. Вход, который является неинвертирующим, нужно заземлить. Входной сигнал через резистор подается на инвертирующий вход. Если неинвертирующий вход уходит на землю, то разность U между входами ОУ равна 0.

Можно выделить устройства, в которых применяются ОУ:

  1. Предусилители.
  2. Усилители звуковых и видеочастотных сигналов.
  3. Компараторы U.
  4. Дифусилители.
  5. Диференциаторы.
  6. Интеграторы.
  7. Фильтрующие элементы.
  8. Выпрямители (повышенная точность выходных параметров).
  9. Стабилизаторы U и I.
  10. Вычислители аналогового типа.
  11. АЦП (аналого-цифровые преобразователи).
  12. ЦАП (цифро-аналоговые преобразователи).
  13. Устройства для генерации различных сигналов.
  14. Компьютерная техника.

Операционные усилители и их применение получили широкое распространение в различной аппаратуре.

Что такое биполярный транзистор и какие схемы включения существуют

Что такое триггер, для чего он нужен, их классификация и принцип работы

Что такое аттенюатор, принцип его работы и где применяется

Что такое компаратор напряжения и для чего он нужен

Как работает микросхема TL431, схемы включения, описание характеристик и проверка на работоспособность

Что такое делитель напряжения и как его рассчитать?

Обозначение на схеме операционного усилителя

На схемах операционный усилитель обозначается вот так:

или так

Чаще всего ОУ на схемах обозначаются без выводов питания

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

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

Инвертирующий Операционный Усилитель | Основы электроакустики

Инвертирующий Операционный Усилитель

 

Усилители на ОУ используют отрицательную обратную связь (ООС), поэтому есть несколько простых правил, которые определяют поведение такого усилителя. Следует воспользоваться тремя упрощающими предположениями о свойствах ОУ: коэффициент усиления ОУ без обратной связи и входное сопротивления бесконечно велики, выходное сопротивление равно нулю.

При анализе следует помнить, что большой коэффициент усиления по напряжению ОУ приводит к тому, что изменение напряжения между входами на несколько долей милливольта вызывает изменение выходного напряжения в пределах его полного диапазона. Из этого следует первое правило: ОУ усиливает разность напряжения между входами и за счет внешней схемы ООС передает напряжение с выхода на вход таким образом, что разность напряжений между входами практически равна нулю.

 Входное сопротивление различных типов ОУ находится в пределах от мегаом до тысяч мегаом, входные токи – от долей наноампер до пикоампер. Это дает основание сформулировать второе правило: входы операционного усилителя токов не потребляют. Эти правила дают достаточную основу для анализа схем на ОУ. Схема инвертирующего усилителя на ОУ приведена на рис. 

Рис. Инвертирующий усилитель на ОУ

         Анализируя эту схему с учетом сформулированных выше правил, можно показать, что при заземленном неинвертирующем входе ОУ напряжение на инвертирующем входе также равно нулю. Это означает, что падение напряжения на резисторе RОС равно UВЫХ, а падение напряжения на резисторе R1 равно UВХ. Если входные токи ОУ равны нулю, то UВЫХ / RОС = –UВХ / R1,   коэффициент усиления по напряжению  КU = UВЫХ / UВХ = –RОС / R1.  Знак «минус» показывает, что выходной сигнал инвертирован относительно входного (сдвинут на 180º).

Данная схема является усилителем постоянного тока В этой схеме реализована параллельная ООС по напряжению, поскольку сигнал ООС оказывается включенным не последовательно с входным сигналом, а подается параллельно с ним на один и тот же вход.

Как известно, параллельная ООС уменьшает входное сопротивление усилителя. В схеме потенциал точки соединения R1 и RОС всегда равен нулю, а эта точка называется «виртуальный ноль» (мнимая земля). Следовательно, входное сопротивление схемы RВХ = R1. Выходное сопротивление схемы мало и равно долям ома. Таким образом, недостатком схемы является малое входное сопротивление, особенно для усилителей с большим коэффициентом усиления по напряжению, в которых резистор R1, как правило, бывает небольшим.Достоинством схемы является малое значение синфазного напряжения, практически равного нулю. Тот факт, что коэффициент усиления определяется всего лишь соотношением двух сопротивлений, делает применение инвертирующего усилителя очень гибким.

Практическое использование усилителей на ОУ имеет ряд особенностей. ОУ должен находиться в активном режиме, его входы и выходы не должны быть перегружены. Например, если подать на вход усилителя чересчур большой сигнал, то это приведет к тому, что выходной сигнал станет равным напряжению насыщения (обычно его величина меньше напряжения питания на 2 В).  

В схеме ОУ обязательно должны быть предусмотрена цепь обратной связи по постоянному току, в противном случае ОУ обязательно попадет в режим насыщения.  Многие ОУ имеют довольно малое предельно допустимое дифференциальное входное напряжение. Максимальная разность напряжений между инвертирующим и неинвертирующим входами может быть ограничена величиной 5 В для любой полярности напряжения. Если пренебречь этим условием, то возникнут большие входные токи.

Из-за наличия входного напряжения смещения, при нулевом напряжении на входе напряжение на выходе равно UВЫХ=KUUСМ. Для усилителя, имеющего коэффициент усиления, равный 100 и входное напряжение смещения 2 мВ, выходное напряжение смещения может достигать значения ±0,2 В. Для решения этой проблемы нужно использовать цепи внешней коррекции нуля (используя ОУ с такими возможностями), выбирать ОУ с малым значением смещения. Если усиление постоянного тока не нужно, то можно использовать разделительные емкости в последовательной цепи передачи входного и выходного сигнала.

Если в инвертирующем усилителе один из входов заземлен, то даже при условии идеальной настройки (UСМ = 0), на выходе усилителя будет присутствовать отличное от нуля выходное напряжение. Это связано с тем, что входной ток смещения IВХсоздает падение напряжения на резисторах, которое затем усиливается схемой усилителя. В этой схеме сопротивление со стороны инвертирующего входа определяется резисторами R1║RОС, но ток смещения воспринимается как входной сигнал, подобный току, текущему через R1, а поэтому он порождает смещение выхода UСМ = IСМRОС.Для уменьшения ошибок, вызванных входным током смещения, используют включение дополнительного резистора между неинвертирующим входом и общим проводом. Величина этого резистора должна быть равна R2 = R1║RОС. Для приведенного примера R1 = 10кОм, RОС= 100кОм, R2 = 9,1 кОм.

Рис. Усилитель на ОУ с компенсационным резистором 

С целью уменьшения токов смещения и их температурных дрейфов в практических схемах входные сопротивления имеют типичное значение от 1 до 100 кОм.

К резисторам обратной связи предъявляется два противоположных требования. Резисторы обратной связи должны быть достаточно большими, тогда они не будут существенно нагружать выход, вместе с тем, если они будут слишком большими, то входной ток смещения будет порождать ощутимые сдвиги. Кроме того, высокое сопротивление в цепи обратной связи повышает восприимчивость схемы к влиянию внешних наводок и увеличивает влияние паразитной емкости. Для ОУ общего назначения обычно выбирают резисторы цепей ООС с сопротивлением от 2 до 100 кОм. Из этого следует, что практическое значение максимального коэффициента усиления инвертирующего усилителя равно 100.

Операционный усилитель или Операционный усилитель | Принцип работы операционного усилителя или операционного усилителя

by Electrical4U

Операционный усилитель или операционный усилитель представляет собой усилитель постоянного напряжения с очень высоким коэффициентом усиления по напряжению.

Операционный усилитель — это, по сути, многокаскадный усилитель, в котором несколько усилительных каскадов очень сложным образом соединены друг с другом. Его внутренняя схема состоит из множества транзисторов, полевых транзисторов и резисторов. Все это занимает очень мало места.
Итак, он упакован в небольшую упаковку и доступен в виде интегральной схемы (ИС). Термин Операционный усилитель используется для обозначения усилителя, который может быть сконфигурирован для выполнения различных операций, таких как усиление, вычитание, дифференцирование, сложение, интегрирование и т. д. Примером может служить очень популярный IC 741.

Символ и его фактическое появление в форма IC показана ниже. Символ отображается в виде стрелки, что означает, что сигнал идет от выхода к входу.

Входные и выходные клеммы операционного усилителя

Операционный усилитель имеет две входные клеммы и одну выходную клемму. Операционный усилитель также имеет две клеммы подачи напряжения, как показано выше. Две входные клеммы образуют дифференциальный вход. Клемму, отмеченную знаком минус (-), мы называем инвертирующей клеммой, а клемму, отмеченную знаком плюс (+), неинвертирующей клеммой операционного усилителя . Если мы подаем входной сигнал на инвертирующую клемму (-), то усиленный выходной сигнал равен 180 или вне фазы поданного входного сигнала. Если мы подадим входной сигнал на неинвертирующую клемму (+), то полученный выходной сигнал будет синфазным, то есть у него не будет фазового сдвига относительно входного сигнала.

Блок питания для операционного усилителя

Как видно из приведенного выше символа схемы, он имеет две входные клеммы питания +V CC и –V CC . Для работы операционного усилителя необходим источник постоянного тока с двойной полярностью. При двухполярном питании подключаем +V CC к положительному источнику постоянного тока, а клемма –V CC к отрицательному источнику постоянного тока. Однако лишь немногие операционные усилители могут работать от питания с одной полярностью. Обратите внимание, что в операционных усилителях нет общей клеммы заземления, поэтому заземление должно быть установлено снаружи.

Принцип работы операционного усилителя

Работа операционного усилителя без обратной связи

Как сказано выше, операционный усилитель имеет дифференциальный вход и несимметричный выход. Итак, если мы подадим два сигнала, один на инвертирующий, а другой на неинвертирующий вывод, идеальный операционный усилитель усилит разницу между двумя поданными входными сигналами. Мы называем эту разницу между двумя входными сигналами дифференциальным входным напряжением. Уравнение ниже дает выходной сигнал операционного усилителя. Где V OUT — это напряжение на выходе операционного усилителя. OL — это коэффициент усиления без обратной связи для данного операционного усилителя, который является постоянным (в идеале). Для IC 741 A OL составляет 2 x 10 5 .
В 1 — напряжение на неинвертирующем выводе.
В 2 — напряжение на инвертирующем выводе.
(V 1 – V 2 ) – дифференциальное входное напряжение.
Из приведенного выше уравнения ясно, что выход будет ненулевым тогда и только тогда, когда дифференциальное входное напряжение отлично от нуля (V 1 и V 2 не равны), и будет равен нулю, если оба V 1 и V 2 равны. Учтите, что это идеальное состояние, практически в ОУ есть небольшие дисбалансы. Коэффициент усиления операционного усилителя без обратной связи очень высок. Следовательно, операционный усилитель с разомкнутым контуром усиливает небольшое приложенное дифференциальное входное напряжение до огромной величины.
Также верно, что если мы прикладываем небольшое дифференциальное входное напряжение, операционный усилитель усиливает его до значительного значения, но это значительное значение на выходе не может выйти за пределы напряжения питания операционного усилителя. Следовательно, это не нарушает закон сохранения энергии.

Работа с замкнутым контуром

Вышеописанная работа операционного усилителя была для разомкнутого контура, т.е. без обратной связи. Мы вводим обратную связь в конфигурации с замкнутым контуром. Этот путь обратной связи подает выходной сигнал на вход. Следовательно, на входах одновременно присутствуют два сигнала. Один из них является исходным приложенным сигналом, а другой — сигналом обратной связи. Уравнение ниже показывает выход операционного усилителя с замкнутым контуром. Где V OUT — это напряжение на выходной клемме операционного усилителя. А CL — коэффициент усиления замкнутого контура. Цепь обратной связи, подключенная к операционному усилителю, определяет усиление обратной связи A CL . V D = (V 1 – V 2 ) дифференциальное входное напряжение. Мы говорим, что обратная связь положительная, если путь обратной связи подает сигнал от выходной клеммы обратно к неинвертирующей (+) клемме. Положительная обратная связь используется в осцилляторах. Обратная связь является отрицательной, если цепь обратной связи подает часть сигнала с выходной клеммы обратно на инвертирующую (-) клемму. Мы используем отрицательную обратную связь для операционных усилителей, используемых в качестве усилителей. Каждый тип обратной связи, отрицательный или положительный, имеет свои преимущества и недостатки.

Положительная обратная связь ⇒ Генератор
Отрицательная обратная связь ⇒ Усилитель
Приведенное выше объяснение является самым основным принципом работы операционных усилителей .

Характеристики идеального операционного усилителя

Идеальный операционный усилитель должен иметь следующие характеристики:

  1. Бесконечный коэффициент усиления по напряжению (чтобы получить максимальный выходной сигнал)
  2. Бесконечное входное сопротивление (благодаря этому практически любой источник может управлять им )
  3. Нулевое выходное сопротивление (Чтобы выходное сопротивление не менялось из-за изменения тока нагрузки)
  4. Бесконечная полоса пропускания
  5. Нулевой шум
  6. Коэффициент подавления нулевого источника питания (PSSR = 0)
  7. Бесконечный коэффициент подавления синфазного сигнала (CMMR = ∞)

Практический операционный усилитель

Ни один из приведенных выше параметров практически не может быть задан осуществленный. Практический или реальный операционный усилитель имеет некоторые неизбежные недостатки и, следовательно, его характеристики отличаются от идеальных. Настоящий операционный усилитель будет иметь ненулевые и небесконечные параметры.

Применение операционного усилителя

Интегрированные операционные усилители обладают всеми преимуществами интегральных схем, такими как высокая надежность, малые размеры, дешевизна, меньшее энергопотребление. Они используются в различных приложениях, таких как инвертирующий усилитель и неинвертирующий усилитель, буфер с единичным коэффициентом усиления, суммирующий усилитель, дифференциатор, интегратор, сумматор, инструментальный усилитель, осциллятор с мостом Вина, фильтры и т. д.

Хотите учиться быстрее? 🎓

Каждую неделю получайте электротехнические товары на свой почтовый ящик.
Кредитная карта не требуется — это абсолютно бесплатно.

О Electrical4U

Electrical4U посвящен обучению и распространению всего, что связано с электротехникой и электроникой.

Принцип и схема операционного усилителя

Теплые подсказки: Эта статья содержит около 6000 слов, а время ее прочтения составляет около 22 минут.

Введение

Операционный усилитель называется операционным усилителем. Он был назван «Операционный усилитель», потому что в первые дни он использовался в аналоговых компьютерах для выполнения математических операций. В основном используется в аналоговых схемах, таких как усилители, компараторы, аналоговые операторы, это устройство, которое часто используют инженеры-электронщики. Операционный усилитель — это схемотехника с очень высоким коэффициентом усиления. В реальной схеме функция обратной связи обычно объединяется с сетью обратной связи для формирования определенного функционального модуля. Это усилитель со специальной цепью связи и обратной связью. Выходной сигнал может быть результатом математических операций, таких как сложение, вычитание или дифференцирование входного сигнала, интегрирование и т. п. Операционный усилитель — это функциональный блок, названный с функциональной точки зрения, и он может быть реализован в дискретных устройствах или в полупроводниковых микросхемах. Чтобы узнать, как работает операционный усилитель? Лучше знать его принцип работы и схему.

Работа операционного усилителя: как он работает?

Каталог

ВВЕДЕНИЕ

ⅰ Принцип работы

1,1 Терминология

1.2 Закрытый LOOP. Отрицатель

1.1 Terminology

1.2 Close Loop Officebger

1.1 Terminology

1.2 Close Loop Officebger

1.1. операционного усилителя

2.1 Типовые параметры

2.2 Важные индикаторы

Ⅲ Common Operational Amplifier Circuit Analysis

3.1 Inverter Amp

3.2 Non-inverter Amp

3.3 Voltage Follower

3.4 Comparator

Ⅳ Operational Amplifier Classification

4. 1 General Purpose Operational Amplifier

4.2 Высокоимпедансный операционный усилитель

4.3 Низкотемпературный дрейфовый операционный усилитель

4.4 Высокоскоростной операционный усилитель

4.5 Рабочий усилитель с низким энергопотреблением

4.6 Высокое напряжение и высокоэффективное усилитель. Рабочий P Принцип O Рабочий A Усилитель

1.1 Терминология

С развитием полупроводниковых технологий большинство операционных усилителей существуют в виде одной микросхемы. Существует много типов операционных усилителей, которые широко используются в электронной промышленности. Для лучшего использования операционного усилителя необходимо полное понимание принципа работы операционного усилителя.

Операционный усилитель (сокращенно OP, OPA, OPAMP ) представляет собой связанный по постоянному току дифференциально-режимный (дифференциально-режимный) вход, обычно несимметричный выходной (усиление) усилитель напряжения, т. к. в основном использовался в арифметических схемах, таких как сложение и умножение, отсюда и название. Идеальный операционный усилитель должен иметь следующие характеристики: бесконечный входной импеданс, выходной импеданс, равный нулю, бесконечный коэффициент усиления без обратной связи, бесконечная часть коэффициента ослабления синфазного сигнала и бесконечная полоса пропускания. Самый простой операционный усилитель показан на рис. 1-1. Модуль операционного усилителя обычно включает в себя положительный вход (OP_P), отрицательный вход (OP_N) и выход (OP_O). 9Рисунок 1-1. Самый простой операционный усилитель Причина в том, что коэффициент усиления по напряжению ОУ очень большой, от сотен до десятков тысяч раз, с использованием отрицательной обратной связи для обеспечения стабильной работы схемы. Однако это не означает, что ОУ нельзя подключить к положительной обратной связи. И наоборот, во многих системах, которым необходимо генерировать колебательный сигнал, операционный усилитель с конфигурацией положительной обратной связи является очень распространенным компонентом.

Рисунок 1-2 Операционный усилитель с разомкнутым контуром

Операционные усилители с разомкнутым контуром показаны на Рисунке 1-2. Когда идеальный операционный усилитель работает в режиме разомкнутой системы, отношение между его выходным сигналом и входным напряжением выглядит следующим образом:

Vout = (V+ -V-) * Aog

операционный усилитель.

Поскольку коэффициент усиления разомкнутого контура операционного усилителя очень высок, даже если дифференциальный сигнал на входе мал, выходной сигнал все равно будет насыщенным, что приведет к нелинейным искажениям. Поэтому операционные усилители редко появляются в схемах с разомкнутым контуром. Несколько исключений — использование операционных усилителей в качестве компараторов. Выход компаратора обычно представляет собой «0» и «1» логического уровня.

 

1.2 Отрицательная обратная связь с замкнутым контуром

При подключении инвертирующего входа операционного усилителя к выходу схема усилителя находится в конфигурации с отрицательной обратной связью, и эту схему часто можно назвать просто замкнутой. контурный усилитель. Усилитель с обратной связью входит в конец усилителя в соответствии с входным сигналом и может быть разделен на два типа: инвертирующий усилитель и неинвертирующий усилитель.

Инвертирующий усилитель с обратной связью показан на рис. 1-3. Если предположить, что в усилителе с обратной связью используется идеальный операционный усилитель, коэффициент усиления без обратной связи бесконечен, поэтому два входа операционного усилителя являются виртуальной землей, а соотношение между выходным и входным напряжением выглядит следующим образом:

Vout = -(Rf / Rin) * Vin

Рис. 1-3 Инвертированный усилитель с обратной связью

Неинвертированные усилители с обратной связью показаны на Рис. В идеальном операционном усилителе коэффициент усиления разомкнутого контура операционного усилителя бесконечен, поэтому разница напряжений между двумя входами операционного усилителя почти равна нулю. Соотношение между выходным и входным напряжением следующее:

Vout = ((R2 / R1) + 1) * Vin

Рисунок 1-4 Неинвертирующий усилитель с обратной связью

 

1. 3 Положительная обратная связь с обратной связью

Положительный вход и выход операционного усилителя соединены, и схема усилителя находится в состоянии положительной обратной связи. Поскольку конфигурация с положительной обратной связью работает в очень нестабильном состоянии, она в основном используется в приложениях, которым необходимо генерировать колебательный сигнал.

 

 

Ⅱ Основные параметры операционного усилителя

2.1 Типовые параметры
  • Сопротивление синфазного входа (RINCM)

Этот параметр указывает отношение диапазона входного синфазного напряжения к величине изменения тока смещения в диапазоне, когда операционный усилитель работает в линейной области.

 

  • Отклонение синфазного сигнала постоянного тока (CMRDC)

Этот параметр используется для измерения способности операционного усилителя подавлять один и тот же сигнал постоянного тока, подаваемый на оба входа.

 

  • Подавление синфазного сигнала переменного тока (CMRAC)

CMRAC является мерой способности операционного усилителя подавлять один и тот же сигнал переменного тока, действующий на оба входа, в зависимости от коэффициента усиления разомкнутого контура в дифференциальном режиме, деленного на коэффициент усиления разомкнутого контура в синфазном режиме.

 

  • Продукт полосы пропускания (GBW)

Произведение коэффициента усиления на полосу пропускания AOL * ƒ представляет собой константу, определяемую в области, где коэффициент усиления без обратной связи изменяется в зависимости от частоты и колебаний на -20 дБ/декаду.

 

  • Входной ток смещения (IB)

Этот параметр относится к среднему току, протекающему на вход, когда операционный усилитель работает в линейной области.

 

  • Температурный дрейф входного тока смещения (TCIB)

Этот параметр представляет величину изменения входного тока смещения при изменении температуры. TCIB обычно выражается в единицах pA/°C.

 

  • Входной ток смещения (IOS)

Этот параметр относится к разнице в токе, подающемся на два входа.

 

  • Входное смещение текущего температурного дрейфа (TCIOS)

Этот параметр представляет величину изменения входного тока смещения при изменении температуры. TCIOS обычно выражается в единицах pA/°C.

 

  • Входное сопротивление дифференциального режима (RIN)

Этот параметр указывает отношение величины изменения входного напряжения к величине изменения соответствующего входного тока. Изменение напряжения вызывает изменение тока. При измерении на одном входе другой вход подключается к фиксированному синфазному напряжению.

 

  • Выходное сопротивление (ZO)

Этот параметр относится к внутреннему эквивалентному сопротивлению слабого сигнала на выходе операционного усилителя при работе в линейной области.

 

  • Колебание выходного напряжения (VO)

Этот параметр относится к размаху максимального колебания напряжения, которое может быть достигнуто без фиксации выходного сигнала. VO обычно определяется при определенном сопротивлении нагрузки и напряжении питания.

 

  • Потребляемая мощность (Pd)

Указывает статическую мощность, потребляемую устройством при заданном напряжении питания. Pd обычно определяется в условиях холостого хода.

 

  • Коэффициент подавления источника питания (PSRR)

Этот параметр используется для измерения способности операционного усилителя сохранять выходной сигнал при изменении напряжения питания. PSRR обычно выражается как величина изменения входного напряжения смещения, вызванного изменением напряжения питания.

 

  • Скорость преобразования/скорость нарастания (SR)

Этот параметр относится к максимальному значению отношения величины изменения выходного напряжения ко времени, необходимому для того, чтобы это изменение произошло. SR обычно выражается в единицах В/мкс, а иногда выражается как положительное изменение и отрицательное изменение соответственно.

 

  • Ток источника питания (ICC, IDD)

Этот параметр представляет собой ток покоя, потребляемый устройством при указанном напряжении питания. Эти параметры обычно определяются в условиях холостого хода.

 

  • Полоса пропускания при единичном усилении (BW)

Этот параметр относится к максимальной рабочей частоте операционного усилителя, когда коэффициент усиления без обратной связи больше единицы.

 

  • Входное напряжение смещения (VOS)

Этот параметр указывает разность напряжений, которую необходимо подать на вход, когда выходное напряжение равно нулю.

 

  • Дрейф входного напряжения смещения (TCVOS)

Этот параметр относится к изменению входного напряжения смещения, вызванному изменениями температуры, обычно выражаемому в единицах мкВ/°C.

 

  • Входной конденсатор (CIN)

CIN представляет собой эквивалентную емкость любого входа, когда операционный усилитель работает в линейной области (другой вход заземлен).

 

  • Диапазон входного напряжения (VIN)

Этот параметр относится к диапазону допустимых входных напряжений, когда операционный усилитель работает нормально (получен ожидаемый результат), а VIN обычно определяется при указанном напряжении питания.

 

  • Плотность шума входного напряжения (eN)

Для операционных усилителей шум входного напряжения можно рассматривать как последовательный источник шумового напряжения, подключенный к любому из входов, и eN обычно выражается в нВ/Гц, определяемом на заданной частоте.

 

  • Плотность входного тока (iN)

Для операционных усилителей входной шумовой ток можно рассматривать как два источника шумового тока, подключенные к каждому входу и общие, обычно выражаемые в пА/корень в Гц, определенные на заданной частоте.

 

2.2 Важные индикаторы
  • Входное напряжение смещения UIO

Идеальный интегральный операционный усилитель, когда входное напряжение равно нулю, выходное напряжение также должно быть равно нулю (без устройства обнуления). Однако на практике в дифференциальном входном каскаде интегрального ОУ сложно добиться полной симметрии. Обычно, когда входное напряжение равно нулю, имеется определенное выходное напряжение. Входное напряжение смещения представляет собой компенсационное напряжение, подаваемое на вход, чтобы сделать выходное напряжение равным нулю. Фактически, когда входное напряжение равно нулю, выходное напряжение делится на коэффициент усиления напряжения, а значение, преобразованное на входную клемму, называется входным напряжением смещения, то есть

Размер UIO отражает степень симметрии и согласования потенциалов операционного усилителя. Чем меньше UIO, тем лучше величина между 2 мВ и 20 мВ. UIO операционных усилителей со сверхмалым смещением и малым дрейфом обычно составляет от 1 мкВ до 20 мкВ.

 

  • Входной ток смещения IIO

При нулевом выходном напряжении разность между током покоя дифференциальной пары и базой дифференциального входного каскада называется входным током смещения IIO, то есть: из-за внутреннего сопротивления источника сигнала изменение IIO приведет к изменению входного напряжения, в результате чего выходное напряжение операционного усилителя не равно нулю. Чем меньше IIO, тем лучше симметрия трубки дифференциальной пары входного каскада, которая обычно составляет около 1 нА ~ 0,1 мкА.

 

  • Входной ток смещения IIB

Когда выходное напряжение интегрированного операционного усилителя равно нулю, среднее значение статического тока смещения двух входов операционного усилителя определяется как входной ток смещения:

С точки зрения использования, ток смещения мал, а изменение выходного напряжения из-за изменения внутреннего сопротивления источника сигнала меньше, поэтому входной ток смещения является важным техническим показателем. Как правило, IIB составляет от 1 нА до 0,1 мкА.

 

  • Температурный дрейф входного напряжения смещения △UIO/△T

Входное напряжение смещения Температурный дрейф — это отношение величины изменения входного напряжения смещения в зависимости от температуры к величине изменения температуры в указанном диапазоне рабочих температур. Это важный показатель для измерения температурного дрейфа контура, и его нельзя компенсировать методом внешнего устройства установки нуля. Температурный дрейф входного напряжения смещения сведен к минимуму. Входное напряжение смещения обычного операционного усилителя дрейфует между ±1 мВ/°C и ±20 мВ/°C.

 

  • Смещение входного тока Дрейф температуры △IIO/△T

В указанном диапазоне рабочих температур отношение величины изменения входного тока смещения в зависимости от температуры к величине изменения температуры называется температурным дрейфом входного тока смещения. Температурный дрейф входного тока смещения является мерой дрейфа тока схемы усилителя и не может быть компенсирован внешним устройством регулировки нуля. Высококачественные операционные усилители составляют несколько пА на градус.

 

  • Максимальное входное напряжение дифференциального режима Uidmax

Максимальное входное напряжение в дифференциальном режиме Uidmax — это максимальное входное напряжение в дифференциальном режиме, которое могут выдержать два входа операционного усилителя. При превышении этого напряжения входной каскад операционного усилителя войдет в нелинейную область, что приведет к значительному ухудшению характеристик операционного усилителя или даже к его повреждению. Uidmax составляет около ± 5 В ~ ± 30 В в зависимости от процесса.

 

  • Максимальное синфазное входное напряжение Uicmax

Максимальное синфазное входное напряжение Uicmax относится к максимальному синфазному входному напряжению, которое операционный усилитель может выдержать при нормальных условиях работы операционного усилителя. Когда синфазное напряжение превышает это значение, рабочая точка входной дифференциальной пары входит в нелинейную область, усилитель теряет способность подавления синфазного сигнала, и коэффициент подавления синфазного сигнала значительно падает.

Максимальное синфазное входное напряжение Uicmax определяется как значение синфазного входного напряжения, при котором выходное напряжение создает 1%-ную ошибку рассогласования, когда операционный усилитель подключен к повторителю напряжения при номинальном напряжении питания; или определяется как общий режим, добавляемый при снижении мощности усилителя на 6 дБ. Введите значение напряжения.

Коэффициент усиления напряжения в дифференциальном режиме без обратной связи Aud относится к отношению изменения выходного напряжения к изменению входного напряжения на входном порту операционного усилителя, когда интегральный операционный усилитель работает в линейной области, доступ указанная нагрузка. Aud операционного усилителя составляет от 60 до 120 дБ. Разные функции ОУ, Ауд очень разные.

Входное сопротивление дифференциального режима Rid — это входное сопротивление операционного усилителя, когда на вход подается сигнал дифференциального режима. Чем больше Rid, тем меньше влияние на источник сигнала, а входное сопротивление Rid ОУ обычно составляет несколько сотен кОм и более.

Определение коэффициента ослабления синфазного сигнала KCMR для операционного усилителя такое же, как и для схемы дифференциального усилителя. Это отношение коэффициента усиления дифференциального напряжения к коэффициенту усиления синфазного напряжения, которое обычно выражается в децибелах. Различные функции операционного усилителя, KCMR также различаются, некоторые из них составляют от 60 до 70 дБ, а некоторые достигают 180 дБ. Чем больше KCMR, тем сильнее подавление синфазных помех.

 

  • Полоса пропускания без обратной связи BW

Полоса пропускания без обратной связи, также известная как полоса пропускания -3 дБ, относится к частоте fH коэффициента усиления напряжения дифференциального режима операционного усилителя Aud, который падает на 3 дБ в полосе высоких частот.

Ширина полосы единичного усиления BWG относится к частоте fT, соответствующей увеличению частоты сигнала и уменьшению Aud до 1, то есть частоте сигнала fT, когда Aud равно 0 дБ. Это важный параметр для интегральных операционных усилителей. Частота fT=7 Гц операционного усилителя 741 относительно низкая.

 

  • Slew Rate SR (скорость качания)

Скорость нарастания SR представляет собой максимальную скорость изменения выходного напряжения схемы усиления по отношению ко времени, когда на вход поступает сильный сигнал (например, ступенчатый сигнал) при условии, что коэффициент усиления напряжения равен 1, как показано на рис. 7-1-1. Он отражает способность операционного усилителя реагировать на быстро меняющиеся входные сигналы. Выражение скорости преобразования SR:

Скорость нарастания SR является важным показателем при работе с большими сигналами и высокочастотными сигналами. В настоящее время скорость нарастания напряжения в операционных усилителях общего назначения составляет около 1~10 В/мкс.

 

Представленный выше операционный усилитель имеет два входа a, b и один выход o. Также известен как обратный вход (инвертирующий вход), неинвертирующий вход (синфазный вход) и выход. При добавлении напряжения — добавляется между клеммой а и общей клеммой (общая клемма — это ноль напряжения, что эквивалентно опорному узлу в схеме), а фактическое направление выходного напряжения U — от терминал к общему терминалу. Общий конец указывает на конец о, то есть направление двух противоположно. Когда входное напряжение U+ добавляется между концом b и общим концом, фактическое направление U и U+ точно такое же, как и на общем конце. Для удобства клеммы a и b обозначены знаком «-» и «+» соответственно, но не путайте их с положительной и отрицательной полярностью опорного напряжения. Положительная и отрицательная полярность напряжения должны быть отмечены или указаны стрелками. Инвертирующие усилители и нереверсивный Усилитель поворота показан ниже:

Операционный усилитель обычно можно рассматривать просто как усилитель напряжения с прямой связью и высоким коэффициентом усиления с одним выходным портом сигнала (Out) и двумя синфазными инвертирующими входами с высоким импедансом, поэтому можно использовать операционные усилители. для изготовления синфазных, инвертирующих и дифференциальных усилителей. .

Режим питания операционного усилителя делится на двойной источник питания и один источник питания. Для операционных усилителей с двойным питанием выходной сигнал может изменяться при нулевом напряжении, а выходной сигнал может быть установлен равным нулю, когда дифференциальное входное напряжение равно нулю. Выходной сигнал операционного усилителя с однополярным питанием изменяется в зависимости от мощности и земли.

Обычно требуется, чтобы входной потенциал операционного усилителя был выше определенного значения отрицательного источника питания и ниже определенного значения положительного источника питания. Специально разработанный операционный усилитель позволяет изменять входной потенциал от отрицательного до положительного, даже немного выше положительного или немного ниже отрицательного. Этот тип операционного усилителя называется операционным усилителем с рельсовым входом.

Выходной сигнал операционного усилителя пропорционален разнице между сигнальными напряжениями двух входов. В звуковом сегменте: выходное напряжение = A0 (E1-E2), где A0 — низкочастотный коэффициент усиления операционного усилителя без обратной связи (например, 100 дБ, т. е. в 100 000 раз), E1 — напряжение входного сигнала неинвертирующего усилителя. клемма, а E2 — напряжение входного сигнала инвертирующей клеммы.

ⅲ Анализ общего операционного усилителя

3.1 Инвертор AMP

. Увеличение составляет AV = R2 / R1, но необходимо рассматривать значение свидного усиления.

R3 = R4 обеспечивает смещение мощности 1/2

C3 является развязывающим фильтром питания

C1, C2 вход и выход разделены постоянным током

В этот момент фаза выходного сигнала противоположна входной.

3.2 Не инверторный AMP

Увеличение AV = R2 / R1

R3 = R4 обеспечивает 1/2 смещения питания

C1, C2, C3-DC

на этом точка, фаза выходного сигнала совпадает с входной.

 

3.3 Повторитель напряжения

Потенциал выхода O/P такой же, как потенциал входа I/P. Доступны как одиночные, так и двойные блоки питания.

 

3.4 Компаратор

Выход O/P имеет низкий логический уровень, когда напряжение I/P выше опорного.

Выход O/P имеет высокий логический уровень, когда напряжение I/P ниже опорного.

R2 = 100 * R1 используется для устранения состояния гистерезиса, которое должно усилить выход O/P, логическую высокую и низкую разность потенциалов для улучшения чувствительности компаратора.

(R1=10 K, R2=1 M), доступны как одиночные, так и двойные блоки питания.

 

  • Виртуальные короткие и мнимые значения в операционных усилителях

Когда идеальный операционный усилитель работает в линейной области, можно сделать два важных вывода:

 

  • Virtual Short

Поскольку коэффициент усиления напряжения идеального операционного усилителя очень велик, а операционный усилитель работает в линейной области, это линейная усилительная схема, и выходное напряжение не превышает линейный диапазон (т. е. конечное значение). Таким образом, потенциал неинвертирующего и инвертирующего входов операционного усилителя очень близок к одинаковому. Когда напряжение питания операционного усилителя составляет ±15 В, максимальное выходное напряжение обычно составляет 10–13 В. Следовательно, разность напряжений между двумя входными клеммами операционного усилителя ниже 1 мВ, и эти две входные клеммы замкнуты накоротко. Эта функция называется виртуальным шортом. Очевидно, что это не настоящее короткое замыкание, а разумное приближение в пределах допустимого диапазона ошибок при анализе цепи.

 

  • Виртуальный перерыв

Поскольку входное сопротивление операционного усилителя обычно составляет несколько сотен кОм и более, ток, протекающий через неинвертирующий вход и инвертирующий вход операционного усилителя, очень мал, на несколько порядков меньше, чем ток в внешней цепи, и ток, протекающий в операционный усилитель, часто можно игнорировать, это вполне обрыв цепи на входе операционного усилителя. Эта функция называется виртуальным перерывом. Очевидно, что вход операционного усилителя не может толком открыть дорогу.

Используя две концепции «виртуального короткого замыкания» и «виртуального разрыва», можно упростить процесс анализа прикладной схемы при анализе линейной прикладной схемы операционного усилителя. Все рабочие схемы, образованные операционными усилителями, требуют определенной функциональной связи между входом и выходом, поэтому можно применить оба вывода. Если операционный усилитель не работает в линейной области, функции «виртуального короткого замыкания» или «виртуального разрыва» нет. Если потенциал двух входов ОУ измерен и достигает нескольких милливольт и более, ОУ часто не работает в линейной области или поврежден.

 

 

 

Ⅳ Классификация операционных усилителей

В зависимости от параметров интегрального операционного усилителя, интегральный операционный усилитель можно разделить на следующие категории.

4.1 Операционный усилитель общего назначения

Операционные усилители общего назначения предназначены для использования в общих целях. Основными особенностями этого типа устройств являются низкая цена, широкий ассортимент продукции, а его рабочие показатели могут быть пригодны для общего использования. Примеры µA741 (один операционный усилитель), LM358 (двойной операционный усилитель), LM324 (четыре операционных усилителя) и LF356 с полевым транзистором в качестве входного каскада попадают в эту категорию. В настоящее время они являются наиболее широко используемыми интегральными операционными усилителями.

 

4.2 Высокоимпедансный операционный усилитель

Характеристики интегрированного операционного усилителя этого типа таковы, что дифференциальный входной импеданс очень высок, а входной ток смещения очень мал. Как правило, rid>1ГОм~1ТОм, IB составляет от нескольких пикоампер до нескольких десятков пикоампер. Основной мерой для достижения этих показателей является использование высокого входного сопротивления полевого транзистора, и использование полевого транзистора для формирования дифференциального входного каскада операционного усилителя. При использовании полевого транзистора в качестве входного каскада не только высокое входное сопротивление, низкий входной ток смещения, но и высокая скорость, широкая полоса пропускания и низкий уровень шума, но большое входное напряжение смещения. Распространенными интегрированными устройствами являются LF355, LF347 (четыре операционных усилителя) и CA3130, CA3140 с более высоким входным сопротивлением.

 

4.3 Низкотемпературный дрейфовый операционный усилитель

В приборах автоматического управления, таких как прецизионные приборы и средства обнаружения слабых сигналов, всегда желательно, чтобы напряжение смещения операционного усилителя было небольшим и не менялось в зависимости от температуры. Для этой цели разработаны операционные усилители с низким температурным дрейфом. В настоящее время широко используемые высокоточные низкотемпературные операционные усилители с дрейфом включают OP07, OP27, AD508 и устройство ICL7650 с малым дрейфом, стабилизированное прерывателем, состоящее из МОП-транзисторов.

 

4.4 Высокоскоростной операционный усилитель

В быстродействующих аналого-цифровых и цифро-аналоговых преобразователях и видеоусилителях скорость преобразования SR встроенного операционного усилителя должна быть высокой, а ширина полосы единичного усиления BWG должна быть достаточно большой, как интегральный операционный усилитель общего назначения, не подходит для высокоскоростных приложений. Время от времени. Основными особенностями быстродействующих операционных усилителей являются высокая скорость нарастания и широкая частотная характеристика. Обычные операционные усилители включают LM318, μA715 и т. д., SR = 50 ~ 70 В / мкс, BWG> 20 МГц.

 

4.5 Маломощный операционный усилитель

Поскольку самым большим преимуществом интеграции электронных схем является возможность сделать сложные схемы небольшими и легкими, с расширением области применения портативных инструментов необходимо использовать операционный усилитель. с низким напряжением питания и низким энергопотреблением. Обычно используются операционные усилители TL-022C, TL-060C и т. д., их рабочее напряжение составляет ± 2 В ~ ± 18 В, а потребляемый ток составляет 50 ~ 250 мкА. В настоящее время некоторые продукты достигли уровня энергопотребления мкВт. Например, питание ICL7600 составляет 1,5 В, а потребляемая мощность — 10 мВт. Он может питаться от одной батареи.

 

4.6 Высоковольтный и мощный операционный усилитель

Выходное напряжение операционного усилителя в основном ограничивается источником питания. В обычном операционном усилителе максимальное значение выходного напряжения обычно составляет всего несколько десятков вольт, а выходной ток — всего несколько десятков миллиампер. Чтобы увеличить выходное напряжение или увеличить выходной ток, необходимо добавить вспомогательную цепь снаружи интегрированного операционного усилителя. Высоковольтные, сильноточные интегральные операционные усилители могут выдавать высокие напряжения и большие токи без каких-либо дополнительных схем. Например, интегральный ОУ Д41 имеет напряжение питания ±150В, а мкА791 встроенный операционный усилитель имеет выходной ток 1А.

 

4.7 Операционный усилитель с программируемым управлением

В процессе использования прибора задействован диапазон. Чтобы получить на выходе фиксированное напряжение, усилитель должен быть изменен в увеличении. Например, если операционный усилитель имеет увеличение в 10 раз и входной сигнал 1мВ, выходное напряжение. Для 10 мВ, когда входное напряжение составляет 0,1 мВ, выход составляет всего 1 мВ. Чтобы получить 10 мВ, увеличение необходимо изменить на 100. Программируемый операционный усилитель создан для решения этой проблемы. Например, PGA103A, управляя уровнями 1 и 2 фута, чтобы изменить кратность усиления.

 

 

Ⅴ Идеальный операционный усилитель и условия идеального операционного усилителя

Параметры идеального операционного усилителя: усиление в дифференциальном режиме, входное сопротивление в дифференциальном режиме, коэффициент подавления синфазного сигнала, верхняя предельная частота бесконечны; входное напряжение смещения и его температурный дрейф, входной ток смещения и его температурный дрейф, а также шум равны нулю.

При анализе и интеграции схем применения операционных усилителей в большинстве случаев интегральный операционный усилитель можно считать идеальным операционным усилителем. В идеале идеальный операционный усилитель идеально подходит по техническим показателям интегрального операционного усилителя. Поскольку технические характеристики реального операционного усилителя ближе к идеальному операционному усилителю, погрешность, вызванная идеализацией, очень мала и в общетехнических расчетах ею можно пренебречь.

Технические показатели идеального операционного усилителя следующие:

1. Коэффициент усиления напряжения в дифференциальном режиме без обратной связи Aod = ∞;

2. Входное сопротивление RВыходное сопротивление Rod =0

3. Входной ток смещения IB1 = IB2 = 0;

4. Напряжение смещения UIO, ток смещения IIO, дрейф напряжения смещения, дрейф тока смещения равны нулю;

5. Коэффициент подавления синфазного сигнала CMRR = ∞;;

6. Ширина полосы -3 дБ fH = ∞;

7. Отсутствие внутренних помех и шумов.

Фактические параметры операционного усилителя можно считать идеальными со следующими уровнями:

Коэффициент усиления напряжения 104-105 раз; входное сопротивление достигает 105 Ом; выходное сопротивление менее нескольких сотен Ом; ток во внешней цепи намного больше тока смещения; напряжение смещения, ток смещения и его температурный дрейф малы, что позволяет обеспечить дрейф цепи. В пределах объема стабильность цепи может соответствовать требованиям; при вводе минимального сигнала имеется определенное отношение сигнал/шум, а коэффициент подавления синфазного сигнала больше или равен 60 дБ; пропускная способность может соответствовать требованиям пропускной способности канала.

 

Часто задаваемые вопросы о принципе и схеме операционного усилителя

1. Что такое операционный усилитель и его типы?
Операционный усилитель (операционный усилитель) представляет собой блок аналоговой схемы, который принимает на вход дифференциальное напряжение и выдает на выходе несимметричное напряжение. Операционные усилители обычно имеют три входа: два входа с высоким импедансом и выходной порт с низким импедансом.

 

2. Каковы «золотые правила» операционных усилителей?
Вот золотые правила операционных усилителей:
1) Бесконечное усиление без обратной связи.
2) Через оба входа не протекает ток.
3) Разность потенциалов между входными контактами НОЛЬ.

 

3. Что находится внутри операционного усилителя?
Операционные усилители — для краткости операционные усилители — это интегральные схемы, состоящие в основном из транзисторов и резисторов. Эти интегральные схемы умножают входной сигнал на больший выходной сигнал. Вы можете использовать эти компоненты с напряжением и током как в цепях постоянного, так и переменного тока.

 

4. Что такое усилитель и его применение?
Как следует из названия, целью усилителя или операционного усилителя является усиление или увеличение входного сигнала для создания выходного сигнала, который намного больше, чем входной, с такой же формой волны, как и входная. Основным изменением выходного сигнала будет увеличение уровня мощности.

 

5. Почему операционный усилитель усиливает переменный и постоянный ток?
Идеальный операционный усилитель усиливает только разность напряжений между двумя входами, полностью подавляя все напряжения, общие для обоих. Однако дифференциальный входной каскад операционного усилителя никогда не бывает идеальным, что приводит к некоторому усилению этих общих напряжений.

Рекомендуемые показания

Основные характеристики операционного усилителя и классификации
Типы оперативных усилителей и базисного сравнения
Не инвертирование и инвертирующие усилители Основные Amplifier Amplifier Amplifier Appistier Amplifier Appistier Applifier Applifier Applifier Applifier Applifier Applifier Applifier Applifier Applifier Applifier Amplifier Основные базовые усилители.

Лучшие продажи диода

Фото Деталь Компания Описание Цена (долл. США)

Альтернативные модели

Деталь Сравнить Производители Категория Описание

Заказ и качество

Изображение Произв. Деталь № Компания Описание Пакет ПДФ Кол-во Цена (долл. США)

Поделиться

Основы работы с операционным усилителем: Работа и применение

Gadgetronicx > Электроника > Учебники по электронике > Основы работы с операционным усилителем: работа и применение

Операционный усилитель, также известный как операционный усилитель, является одним из наиболее полезных элементов аналоговой схемы. Он имеет множество применений, таких как усилитель, буфер, инвертор, интегратор, дифференциатор, осциллятор, компаратор и многое другое. Поскольку он настолько универсален, он используется во всех видах приложений. Поэтому понимание операционного усилителя и его работы очень важно для инженера-электронщика.

В этой статье объясняется

  1. Что такое операционный усилитель
  2. Характеристики операционного усилителя
  3. Работа операционного усилителя
  4. Режимы работы операционного усилителя
  5. Применение операционного усилителя

Что такое операционный усилитель

Операционный усилитель — это интегральная схема (ИС), которая используется для усиления слабых сигналов в аналоговых схемах. Один операционный усилитель имеет два входа и один выход. Один из входов называется Неинвертирующий или положительный вход , в то время как другой вход называется Инвертирующий или отрицательный вход . В двух словах, операционный усилитель можно описать как компонент, который выводит усиленную версию разности напряжений между сигналами, подаваемыми на его положительный и отрицательный вход.

Важные характеристики операционного усилителя

Это наиболее важные характеристики операционного усилителя.

  1. Высокое входное сопротивление — Это позволяет операционному усилителю потреблять слабый ток на своих входных контактах и ​​делает его пригодным для работы в качестве усилителя.
  2. Низкий выходной импеданс — это позволяет операционному усилителю обеспечивать максимальный ток через выходной контакт для управления нагрузкой высокой мощности. Это опять-таки необходимое качество для усилителя.
  3. Высокий коэффициент усиления — Операционные усилители имеют высокий коэффициент усиления, что означает, что они способны эффективно усиливать слабые низковольтные входные сигналы до высоковольтных выходных сигналов.
  4. Высокочастотная характеристика — Операционные усилители универсальны для работы в широком диапазоне частот входного сигнала.

Работа операционного усилителя

Есть несколько вещей, которые являются основными для понимания операционных усилителей и их работы. Схема на рисунке 0 показывает символ операционного усилителя U1 и упрощенную схему внутренних компонентов операционного усилителя. Операционный усилитель имеет положительное и отрицательное подключение питания. Это обеспечивает питание от источника питания для работы этого устройства.

Библиотека схем — более 220 практичных схем

В зависимости от применения можно использовать одиночные или разделенные источники питания. Операционный усилитель имеет три сигнальных контакта: вход положительного сигнала, вход отрицательного сигнала и выход сигнала операционного усилителя. Операционный усилитель состоит из дифференциального входного каскада, состоящего из транзисторов (Q1, Q2), каскада сдвига уровня Q3 и выходного каскада (Q4, Q5), как показано на рисунке 0.

Когда положительное напряжение подается на + Вход, который является базой Q1 и – Вход, привязанный к земле, Q3 будет активирован (читайте о работе транзисторов, чтобы лучше понять это). Это позволяет току течь от эмиттера к коллектору Q3. В результате на резисторах R3 и R4 появится положительное напряжение. Это напряжение активирует Q4, и на выходе будет уровень напряжения +V.

С другой стороны, при подаче положительного напряжения на вход «–» и «+» на землю. Q3 не будет активирован, поэтому Q4 будет в выключенном состоянии, однако Q5 включится, так как это PNP-транзистор, и низкая логика в его базе активирует их. Теперь выходной контакт будет находиться в низком состоянии, а Q5 обеспечивает путь стока тока через эмиттер к клемме коллектора.

Режимы работы Операционного усилителя

Операционный усилитель работает в двух режимах. Это работа с разомкнутым контуром и с замкнутым контуром.

Работа без обратной связи: Это режим работы, при котором выходной сигнал с выходных клемм операционного усилителя не возвращается на его входные клеммы. При отсутствии обратной связи операционный усилитель действует как компаратор (поясняется позже).

Работа по замкнутому контуру: Это режим работы, при котором выходной сигнал с выходной клеммы операционного усилителя возвращается на входные клеммы операционного усилителя.

Существует два способа настройки работы операционного усилителя с замкнутым контуром. Это положительные и отрицательные отзывы.

Положительная обратная связь

Когда есть обратная связь на положительный вход, это называется положительной обратной связью и используется в схемах генератора или используется для гистерезиса в схемах компаратора. Из-за высокого внутреннего коэффициента усиления операционного усилителя, когда положительный вход более положительный, чем отрицательный вход, выход будет полностью положительным. Когда положительный вход менее положительный, чем отрицательный, выход будет полностью отрицательным.

Отрицательная обратная связь

Когда есть обратная связь от выхода к отрицательному входу, это называется отрицательной обратной связью и обычно используется в усилителях. Самое важное, что следует помнить, это то, что при использовании отрицательной обратной связи операционный усилитель заставит входные напряжения на положительной и отрицательной клеммах быть равными.

Читайте также: 

  1. Резисторы: работа и применение в цепях
  2. Конденсаторы: работа и применение в схемах
  3. Индуктор: работа и применение в цепях

Как использовать операционный усилитель в схемах

Применение операционных усилителей варьируется от фильтров, выпрямителей, усилителей, генераторов сигналов, модуляторов до схем и многого другого. Перечисленные ниже приложения помогут вам понять, как использовать операционные усилители в схемах так, как вы задумали.

1. Буфер

Первый — это буфер, это самое простое из всех применений. Буфер используется для соединения последовательностей цепей усилителя, не беспокоясь об импедансе. Он существенно усиливает ток или мощность входного сигнала. Поскольку входной импеданс операционного усилителя высок, в качестве входа можно использовать сигнал с очень низким током. Кроме того, выходное сопротивление операционного усилителя низкое, поэтому выходной сигнал будет иметь большой ток. Это делает операционный усилитель идеальным буфером.

Буферизируемый сигнал подается на положительный вход. Здесь отрицательная обратная связь представляет собой прямое соединение выхода с инвертирующим входом, поэтому выход будет следовать за входным сигналом, подаваемым на положительный вывод операционного усилителя. Это делается для того, чтобы поддерживать напряжение на положительном и отрицательном входе равным. Эта схема обеспечивает единичное усиление (1X) и преобразует слабый входной сигнал в сильный буферизованный выходной сигнал.

2. Инвертирующий усилитель

Вторая базовая схема представляет собой инвертирующий усилитель. Обратитесь к рисунку 2 для дальнейшего обсуждения. Входной сигнал подключен через входной резистор R1 к отрицательному входу ОУ. R2 подключен от отрицательного входа к выходу операционного усилителя. Положительный вход может быть подключен к земле или опорному напряжению.

Операционный усилитель инвертирует входной сигнал и усиливает его по формуле ).

В примере на рис. 2 коэффициент усиления усилителя равен -10.

Если VREF1 = 2 В и IN2 = 2,1 В, тогда Vo = 2 В + (2 В – 2,1 В) * 100K.10K = 1 вольт.

Когда мы используем разделенные источники питания и VREF1 подключен к земле, тогда будет применяться упрощенная формула на рисунке 2. Если коэффициент усиления инвертирующего усилителя равен единице, мы называем его инвертором.

Инвертирующие усилители широко используются там, где операционный усилитель обеспечивает управляемое усиление входного сигнала. Теоретически операционные усилители имеют бесконечный коэффициент усиления, поэтому без использования отрицательной обратной связи входной сигнал будет иметь непредсказуемое усиление, и поэтому выходной сигнал будет колебаться до максимального напряжения, эквивалентного напряжению питания или V2 (10 В на рисунке выше) самой микросхемы операционного усилителя. Конфигурация отрицательной обратной связи, используемая в инвертирующем усилителе, предотвращает это и обеспечивает контролируемое усиление входного сигнала.

3. Неинвертирующий усилитель

Третья базовая схема представляет собой неинвертирующий усилитель или просто усилитель. Обратитесь к рисунку 3 для дальнейшего обсуждения. Входной сигнал на IN3 подключен к положительному входу операционного усилителя. Резисторы R4 и R3 образуют резистивный делитель для обеспечения обратной связи на его отрицательном входе.

Как мы читали ранее, операционный усилитель будет пытаться заставить входы быть равными по амплитуде. Поэтому, когда на положительный вход подается 100 мВ, операционный усилитель попытается сделать отрицательный вход равным 100 мВ через цепь обратной связи.

Выходное напряжение операционного усилителя определяется по формуле

Vout = Vin * (1 + R4/R3)

В этом примере Vout = 100 мВ * (1 + 100K/10k) = 1,1 вольт.

Здесь коэффициент усиления этого усилителя задается R4/R3 до 10.

4. Интегратор/ фильтр нижних частот

Четвертая базовая схема операционного усилителя представляет собой интегратор/фильтр нижних частот. Когда на его вход подается сигнал прямоугольной формы, на выходе будет пилообразная волна. Следующее обсуждение относится к схеме на рис. 4. Когда входной сигнал подается на IN4, ток течет через R5. VERF2 может быть подключен к земле или любому другому опорному напряжению.

Это настройка отрицательной обратной связи операционного усилителя. Когда вход мгновенного шага на IN4 имеет высокий уровень, а VERF2 подключен к земле, конденсатор C1 будет в незаряженном состоянии, и, следовательно, через него протекает максимальный ток, и конденсатор начинает заряжаться. Теперь мы знаем, что при настройке отрицательной обратной связи операционный усилитель примет меры для выравнивания напряжений как на отрицательном, так и на положительном входе. Поэтому на отрицательный вход операционного усилителя течет нулевой ток, и напряжение в этой точке будет равно нулю.

Выходной сигнал операционного усилителя в этот момент будет низким или нулевым. Как только напряжение на конденсаторе начинает расти, зарядный ток уменьшается, и напряжение на конденсаторе становится равным ступенчатому входному напряжению. Теперь напряжение начинает развиваться на отрицательном входе операционного усилителя, и в попытке уравнять его с его положительным входом, выход начинает линейно повышаться и заряжать конденсатор.

Когда конденсатор достигает напряжения, эквивалентного OUT4, напряжение на выходе операционного усилителя начинает снижаться. Цикл повторяется для генерации пилообразного сигнала на выходе.

Линейная зарядка и разрядка конденсатора C1 приводит к образованию пилообразной формы. Это определяется формулой

dVo/dt = (VREF2 – IN2)/(R5 * C1).

Скорость линейного изменения dVo/dt представляет собой изменение выходного напряжения в зависимости от изменения во времени. Когда R5 или C1 уменьшается, это увеличивает скорость линейного изменения выходного сигнала OUT4.

Если на вход IN4 подается синусоидальный сигнал, схема действует как фильтр нижних частот. Частоты ниже угловой частоты Fo будут проходить практически без затухания. Частоты выше угловой частоты Fo ослабляются на 6 децибел на октаву. Угловая частота определяется уравнением

Fo = 1/(2*PI*R5*C1).

При уменьшении R5 или C1 угловая частота увеличивается.

5. Дифференциатор/фильтр верхних частот

Пятая базовая схема операционного усилителя представляет собой дифференциатор/фильтр верхних частот. На рис. 5 показана схема для следующего обсуждения. Допустим, VERF3 подключен к земле, а прямоугольная волна используется в качестве входного сигнала для IN5.

Когда на IN5 подается высокий логический уровень или сигнал уровня 1, через конденсатор C2 протекает большой ток, который заряжает конденсатор. Теперь потенциал напряжения будет развиваться через R6. Поскольку это конфигурация с отрицательной обратной связью, выход операционного усилителя будет пытаться выровнять напряжение как на инвертирующих, так и на неинвертирующих клеммах. Поэтому на выходе OUT5 будет возникать отрицательный всплеск напряжения, позволяя току течь через него до тех пор, пока конденсатор не будет полностью заряжен.

Когда сигнал переключается на низкий логический уровень, конденсатор C2 будет разряжаться через IN5. Теперь на OUT5 появится положительный всплеск напряжения, чтобы заставить ток проходить через IN5 и уравнять напряжения на инвертирующем и неинвертирующем выводах.

Таким образом, входное ступенчатое напряжение (прямоугольный сигнал ) создает пик напряжения на выходе OUT5. Если на вход IN5 подается синусоидальный сигнал, схема действует как фильтр верхних частот. Частоты выше угловой частоты Fo проходят практически без затухания.

Частоты ниже угловой частоты Fo ослабляются на 6 децибел на октаву. Угловая частота определяется уравнением

Fo = 1/(2*PI*R6*C2).

При уменьшении R6 или C2 угловая частота увеличивается.

6. Генератор

Шестой базовой схемой операционного усилителя является генератор. Обратитесь к рисунку 6 для дальнейшего обсуждения. Генератор на рисунке 6 имеет два выхода: прямоугольный сигнал на выходе OUT6 и треугольный сигнал на выходе OUT7.

Первоначально вход на неинвертирующую клемму имеет Vs/2, что равно 5В. Предположим, что конденсатор находится в незаряженном состоянии, поэтому напряжение на инвертирующем входе равно нулю. Это переводит выход операционного усилителя в состояние высокого уровня или Vs. Когда выход операционного усилителя равен Vs, резистор обратной связи R9 будет параллелен R7, поскольку оба напряжения, приложенные к обоим резисторам, будут равны Vs.

Vo = Vs. ( R8 / ( R8 + R7 || R9)

= Vs. ( 100k / 100k + 50k )

= 2Vs/3

Это переводит положительный вход операционного усилителя в 2Vs/3, высокое состояние выхода операционного усилителя заставляет C3 заряжаться через R10 до тех пор, пока напряжение на инвертирующем входе входа операционного усилителя не превысит 2Vs/3 . Теперь операционный усилитель переключает свой выход на землю, теперь резисторы R8 и R9 будут параллельны, так как оба соединены с землей. Применяя это в формуле делителя напряжения

Vo = Vs. ( R8 || R9 / ( R8 || R9 + R7 )

= Vs. ( 50k / 100k + 50k )

= Vs/3

вызывает переключение положительного входа операционного усилителя на Vs/3. Резистор R10 , разряжает C3 до тех пор, пока отрицательный вход операционного усилителя не опустится ниже Vs / 3. Таким образом, напряжение на положительном входе операционного усилителя переключается между 2Vs / 3 и Vs / 3. Величина гистерезиса представляет собой разницу этих двух значений, или Vhys = 2Vs/3 – Vs/3 = Vs/3.

Выход операционного усилителя переключается между Vs и 0 с коротким интервалом времени между ними, создавая прямоугольный импульс на выходе. Тем временем R10 и C3 увеличиваются и уменьшаются, что приводит к созданию треугольной волны на конденсаторе C3.

Частоту выходного сигнала можно определить по формуле Fo = 0,69 x 1 / R10 x C3. Это дает сигнал выходной частоты 1 кГц для этой схемы.

7. Компаратор

Седьмой базовой схемой операционного усилителя является компаратор. Используйте рисунок 7 для следующего обсуждения. Без обратной связи с выхода OUT8 на отрицательный вход IN6 операционный усилитель работает как компаратор. Это означает, что напряжение, подаваемое на неинвертирующую и инвертирующую клеммы, будет сравниваться, и соответственно изменится выходной сигнал.

Когда IN6 меньше, чем VREF4, операционный усилитель будет равен V7, что составляет +10 В, минус предел выходного каскада. Это связано с тем, что выходы операционных усилителей не достигают полного размаха до напряжения питания при демонстрации высокой логики, операционные усилители от сети к шине демонстрируют выход, который близок к напряжению питания, но все же меньше на несколько милливольт от напряжения питания.

Когда IN6 больше, чем VREF4, выход операционного усилителя будет равен земле (плюс ограничение выходного каскада). В этом случае выход операционного усилителя будет не нулевым, а близким к нулю.

8. Дифференциальный усилитель

Восьмой базовой схемой операционного усилителя является дифференциальный усилитель. Дифференциальные усилители часто используются для усиления мостовых датчиков, таких как датчики давления, тензометрические датчики измерения веса. Они используются для усиления биоэлектрических сигналов, таких как ЭЭГ (электроэнцефалограф) и ЭКГ/ЭКГ (электрокардиограф).

Дифференциальные усилители используются для термопар и других изолированных источников дифференциальных сигналов, таких как балансный линейный динамический микрофон с низким импедансом. В основном дифференциальный усилитель усиливает разницу в амплитуде сигнала, подаваемого между двумя терминалами.

См. рис. 8 для дальнейшего обсуждения.

Чтобы объяснить работу дифференциального усилителя, показанного на рисунке 8, давайте подадим источник 0,1 В между IN7 и IN8 с плюсом, подключенным к IN7.

Если IN8 относится к земле, то напряжение на положительном выводе операционного усилителя можно определить по формуле делителя напряжения.

Поскольку IN8 заземлен, отрицательная клемма операционного усилителя должна быть равна 0,09091 вольт тоже. Помните, что отрицательная обратная связь заставит напряжение на отрицательной и положительной клеммах операционного усилителя уравняться.

Теперь ток через R12 и R11 должен быть одинаковым, так как оба соединены последовательно.

I = 0,09091/10K = 9,091 мкА.

Мы можем определить напряжение на R11, используя закон Ома

В = 9,091 мкА * 100K = 0,9091 вольт.

Суммируя эти напряжения – напряжение на операционном усилителе, равное 0,09091 В, и напряжение на R11, равное 0,9091 В, мы получим выходное напряжение на выходе OUT9.

.9091V + .09091V = 1 вольт, что дает коэффициент усиления 10.

Таким образом, вы можете видеть, что эта схема усиливает разницу между входным напряжением, подаваемым на IN7 и IN8, которая составляет от 0,1 В до 1 В на выходе.

Надеюсь, эта статья познакомит вас с основами проектирования схем операционных усилителей, которые вы сможете использовать в своих проектах. Есть много других полезных схем, которые являются более сложными и используют два или более операционных усилителя.

Как работают операционные усилители?

Скачать эту статью в формате .PDF

Разработчики не должны упускать из виду тонкости операционных усилителей с обратной связью по току и напряжению — неотъемлемых игроков в мире аналоговых и смешанных сигналов. Операционные усилители усиливают крошечные сигналы от датчиков, поэтому аналого-цифровые преобразователи (АЦП) могут их оцифровывать. Они также позволяют создавать активные фильтры с лучшими характеристиками, чем фильтры, состоящие только из катушек и конденсаторов. Хотя схема операционного усилителя на ИС имеет тенденцию быть тонкой и сложной, принципы его применения — по крайней мере, в первом приближении — относительно просты.

Определение операционного усилителя

Операционный усилитель, или операционный усилитель, обычно состоит из дифференциально-входного каскада с высоким входным импедансом, промежуточного каскада усиления и двухтактного выходного каскада с низким выходным импедансом (не более 100 Ом) (рис. 1) .


1. Основные характеристики операционного усилителя включают высокое входное сопротивление, низкое выходное сопротивление и высокий коэффициент усиления без обратной связи. Все они способствуют возможности управления усилением с обратной связью посредством обратной связи и входного импеданса.

Коэффициент усиления по напряжению без обратной связи очень высок, порядка 1 миллиона. Дифференциальный входной каскад подразумевает инвертирующий и неинвертирующий вход. С двумя источниками питания (положительным и отрицательным) он может обрабатывать входные сигналы, которые не обязательно связаны с землей.

На практике операционные усилители всегда используются с отрицательной обратной связью. То есть выход возвращается на инвертирующий вход через некоторое сопротивление. Кроме того, операционные усилители могут быть оптимизированы для конкретных приложений путем акцентирования внимания на различных рабочих характеристиках 9.0941 (см. таблицу) .

Отрицательная обратная связь управляет усилением, поведением в частотной области

Отношение выходного импеданса к входному импедансу определяет усиление операционного усилителя с отрицательной обратной связью (рис. 2) . Если один из этих импедансов является реактивным (практически говоря, если это импеданс емкостной обратной связи) и имеется чисто резистивный входной импеданс, коэффициент усиления A определяется как:

 

.

В этом случае характеристика усиления зависит от частоты. С точки зрения частотной области схема представляет собой фильтр нижних частот. Во временной области выход схемы является интегралом входного сигнала. Кроме того, увеличивается кажущаяся емкость цепи. Просто изменяя входное сопротивление, становится легко построить схему с выходным напряжением, которое в 0,1, 1 или 10 раз превышает интеграл входного напряжения.

Входное смещение/смещение и синфазный сигнал

Фактические входные каскады могут быть подвержены ошибкам смещения и смещения (рис. 3) . Входные токи смещения (порядка наноампер) протекают, поскольку входное сопротивление конечно, и они в конечном итоге влияют на линейность. Разработчики операционных усилителей могут отказаться от более высоких токов смещения в пользу более высоких скоростей. Смещение представляет собой разность напряжений, вызванную изменением токов смещения на двух входах.


3. Входные токи смещения, которые влияют на линейность, присутствуют, поскольку входное сопротивление не бесконечно. Смещение напряжения отражает любую разницу между токами смещения на двух входах.

Реальные операционные усилители также имеют ограничения по максимально допустимому входному напряжению. Такой допустимый синфазный сигнал обычно падает ниже напряжения питания. Некоторые операционные усилители рассчитаны на колебания входного напряжения от напряжения питания к питанию (или почти от напряжения питания к питанию).

Операционные усилители с обратной связью по напряжению и току

Между топологиями операционных усилителей с обратной связью по напряжению и току существуют практические различия как в способе их построения, так и в способах их использования.

Усилители с обратной связью по напряжению (VFB) управляют выходным напряжением, по сути, с помощью каскада усиления по напряжению (рис. 4) . Разность напряжений между двумя входами умножается на безразмерную постоянную усиления (A). В усилителе VFB с отрицательной обратной связью выходной сигнал изменяется, чтобы свести к нулю разницу напряжений между инвертирующим и неинвертирующим входом.


4. В усилителях VFB используется каскад усиления по напряжению, в котором постоянная усиления (A) умножает напряжение на входах.

Идеальный VFB должен иметь очень большой коэффициент усиления холостого хода, не зависящий от входной частоты. Однако в реальных условиях VFB коэффициент усиления разомкнутого контура велик на постоянном токе, но спадает на уровне 6 дБ/октава 9.0941 (рис. 5) . По мере уменьшения коэффициента усиления без обратной связи коэффициент усиления операционного усилителя с отрицательной обратной связью падает ниже отношения R F / R I . Когда коэффициент усиления холостого хода равен R F /R I , общий коэффициент усиления схемы будет вдвое меньше его значения по постоянному току. Это называется полосой пропускания −3 дБ.


5. В VFB усиление разомкнутого контура велико на постоянном токе. Выше этого он спадает на уровне 6 дБ/октава. Произведение коэффициента усиления на полосу пропускания, произведение коэффициента усиления на полосу пропускания, является постоянным в большей части частотного диапазона схемы усилителя.

Для большей части частотного диапазона произведение усиления на полосу пропускания или произведение усиления на полосу пропускания (GBP) становится постоянным. Следовательно, для любого данного реального усилителя VFB можно разработать схему с высоким коэффициентом усиления или широкой полосой пропускания, но не с тем и другим вместе.

С топологической точки зрения усилители с обратной связью по току (CFB) отличаются от их аналогов с VFB двумя ключевыми факторами. Во-первых, между неинвертирующим входом и инвертирующим входом находится буфер с единичным усилением (рис. 6). Буфер обычно имеет очень высокий входной импеданс и очень низкий выходной импеданс.


6. Усилители CFB включают буфер с единичным усилением на входе. Выходное напряжение представляет собой ток, протекающий между входами, умноженный на передаточный импеданс.

Буфер по-разному влияет на характеристики CFB без обратной связи:

  • Очень высокий входной импеданс на неинвертирующем входе
  • Очень низкий входной импеданс на инвертирующем импедансе
  • Очень низкий выходной импеданс

Второе отличие заключается в том, что в CFB передаточная функция, работающая с током, протекающим через буфер между входами, в основном управляет выходным напряжением. Передаточное сопротивление (Z) умножает этот ток.

В CFB с отрицательной обратной связью сигнал с выхода попытается обнулить ток ошибки. Это также известно как «текущая обратная связь».

Важно отметить, что усилители CFB не имеют ограничений по коэффициенту усиления и полосы пропускания, присущих усилителям VFB. Вместо этого усилитель CFB ограничивает размер импеданса обратной связи, который указывается как значение сопротивления в таблицах данных.

Коэффициент усиления по напряжению в усилителе с CFB (и в усилителях с VFB) в идеальном случае по-прежнему определяется отношением сопротивления обратной связи к входному сопротивлению. Но для реальных усилителей коэффициент усиления падает с увеличением частоты. Следовательно, размер резистора обратной связи влияет на частотную характеристику, что в конечном итоге ограничивает диапазон возможных значений R F .

На практике полоса пропускания усилителя CFB немного зависит от коэффициента усиления, хотя и не так сильно, как у операционных усилителей VFB. В основном это связано с ненулевым выходным сопротивлением входного буфера, эффект которого заключается в изменении коэффициента усиления контура и, следовательно, динамики замкнутого контура.

В отличие от усилителей VFB, операционные усилители CFB не имеют ограничений по скорости нарастания. Только R F будет управлять переходной характеристикой CFB, как и в случае с частотной характеристикой. Точно так же требуется очень мало времени (наносекунды или меньше), чтобы выходной сигнал усилителя CFB стабилизировался в пределах 0,1% от его конечного значения.

Ограничения CFB

Учитывая их преимущества в полосе пропускания, почему инженеры продолжают разрабатывать схемы с усилителями VFB? Во-первых, VFB обеспечивают более низкий уровень шума и лучшие характеристики по постоянному току, чем операционные усилители с CFB. Во-вторых, усилители VFB можно использовать в качестве интеграторов, просто используя конденсатор в качестве импеданса обратной связи. Напротив, операционные усилители CFB должны избегать прямой емкости между выходом и инвертирующим входом. Есть обходные пути, но они усложняют схему.

Характеристики операционных усилителей

В спецификациях операционных усилителей с обратной связью по напряжению указаны пять различных коэффициентов усиления: усиление без обратной связи или A VOL (которое может составлять 160 дБ или выше без отрицательной обратной связи), усиление с обратной связью, усиление сигнала, шумовое усиление и петлевое усиление.

Коэффициент усиления контура представляет собой разницу между коэффициентами усиления разомкнутого и замкнутого контура или общий коэффициент усиления через усилитель и обратно на вход через цепь обратной связи. Он включает в себя усиление сигнала и усиление шума. Усиление сигнала — это усиление входного сигнала, а усиление шума отражает входное напряжение смещения и напряжение шума операционного усилителя на выходе.

Техническое описание также покажет различные измерения искажения. Полное гармоническое искажение (THD) и THD+N (THD плюс шум) являются измерениями искажения, генерируемого однотональным входным синусоидальным сигналом. Интермодуляционные искажения (IMD) — это измерение динамического диапазона, возникающее при взаимодействии двух тонов. Точка пересечения третьего порядка (IP3) измеряет влияние интермодуляционных искажений третьего порядка.

Другие спецификации включают точку сжатия 1 дБ. Он представляет собой уровень входного сигнала, при котором выходной сигнал сжимается на 1 дБ по сравнению с идеальной передаточной функцией входа/выхода. Это определяет конец динамического диапазона усилителя.

Отношение сигнал/шум (SNR) также определяет динамический диапазон. Он измеряет (в дБ) отношение максимального уровня сигнала к среднеквадратичному уровню минимального шума.

При работе с радиочастотами важными параметрами являются коэффициент шума и коэффициент шума. Коэффициент шума связывает шум, создаваемый усилителем, с тепловым шумом резистора 50 Ом при комнатной температуре. Коэффициент шума – коэффициент шума, выраженный в дБ; 10 × log 10 (коэффициент шума).

Ссылки:

  1. Юнг, Уолт, «История операционных усилителей».
  2. Малиниак, Дэвид, «Онлайн-среда проектирования развеивает загадки операционных усилителей», Electronic Design, 19 января 2004 г.

Как работает операционный усилитель?

  • Задачи проектирования

Войти

Добро пожаловать! Войдите в свою учетную запись

ваше имя пользователя

ваш пароль

Забыли пароль?

Создать учетную запись

Политика конфиденциальности

Регистрация

Добро пожаловать!Зарегистрируйте аккаунт

ваш адрес электронной почты

ваше имя пользователя

Пароль будет отправлен вам по электронной почте.

Политика конфиденциальности

Восстановление пароля

Восстановить пароль

ваш адрес электронной почты

Поиск

Изменено:

Операционный усилитель

Артикул категории

Содержание

Операционный усилитель – усилитель постоянного тока с очень высоким коэффициентом усиления. Он в основном используется для усиления напряжения или мощности на его входе и подачи «обработанного» усиленного сигнала на его выход. Это   обычно   работает в конфигурации с замкнутой обратной связью. Операционные усилители имеют высокий коэффициент усиления по напряжению , очень высокое входное сопротивление и очень низкое выходное сопротивление (для идеального операционного усилителя значение входного сопротивления должно быть близко к бесконечности, а выходное сопротивление близко к нулю).  Первые используемые операционные усилители использовались для выполнения математических операций, таких как сложение, вычитание или интегрирование (отсюда и название «операционный»).

Рис. 1 Графическое обозначение операционного усилителя

Операционный усилитель – конструкция

Вход со знаком «-» называется инвертирующим входом (сдвигает фазу входного сигнала на 180 градусов в сторону выхода) , а вход со знаком «+» — неинвертирующий вход. Чтобы допустить появление положительных и отрицательных напряжений на входе, а также на выходе, крайне важно обеспечить его от внешнего источника питания положительным и отрицательным напряжением через клеммы «x» и «y».


Операционный усилитель – Задания для школьников

Если вы учитесь или просто хотите научиться решать задачи на Операционный усилитель, посетите этот раздел нашего веб-сайта, где вы найдете большое разнообразие электронных заданий.


Операционный усилитель – обратная связь и принцип работы

В принципе нет разницы между обычным усилителем и операционным усилителем – оба используются для усиления напряжения или мощности. Однако режим работы обычного усилителя зависит от его внутренней структуры, режимы работы операционного усилителя в основном зависят от внешних цепей обратной связи. Для этого операционные усилители имеют постоянную обратную связь по току между каскадами усилителя и потенциал покоя на входных/выходных клеммах, равный нулю.

На инвертирующий вход усилителя подано отрицательное напряжение «V-», а на неинвертирующий вход — положительное напряжение «V+». Сигнал, возникающий между входами, называется дифференциальным напряжением «V D », выраженным как вычитание сигналов «V–» и «V+». Также имеется дифференциальное входное сопротивление «R D » между входами усилителя. Выходное напряжение « В ВЫХ » сравнимо с напряжением В D . К uo (A vo ) коэффициент — это коэффициент усиления по напряжению усилителя без обратной связи.

Рис. 2. Эквивалентная схема операционного усилителя

Операционный усилитель с обратной связью

Базовая система усилителя с обратной связью показана на рис. 3. Часть выходного напряжения возвращается на вход. Если из входного напряжения вычитается напряжение обратной связи, то речь идет об отрицательной обратной связи, если прибавляется – положительной обратной связи. В дальнейшем мы будем иметь дело только с отрицательными отзывами. Из приведенного выше анализа соотношение получается следующим:

Рис. 3. Принцип отрицательной обратной связи

Чтобы объяснить, как работает схема на рис. от нуля до определенного положительного значения входного напряжения «В в ». Сначала выходное напряжение «V out » (и, следовательно, напряжение «βV out ») по-прежнему равно нулю. На входе усилителя будет напряжение «В D = V в «, так как это напряжение усиливается с большим положительным коэффициентом усиления «A vd «. Следовательно, выходное напряжение «V out » быстро увеличивается в положительном направлении, а вместе с ним и «βV out ». Это снижает напряжение «V D ». Для отрицательной обратной связи характерен факт противодействия изменениям входного напряжения изменениями выходного напряжения. Из этого можно сделать вывод, что установится устойчивое конечное состояние. Это будет достигнуто, когда выходное напряжение повысится настолько, чтобы выполнить следующее условие:

В простейшем случае цепь обратной связи состоит из делителя напряжения. Тогда система работает как линейный усилитель, и его усиление зависит только от делителя. Если в системе обратной связи используется RC-система, мы создадим активный фильтр . Можно также использовать в обратной связи нелинейные компоненты, такие как диоды или транзисторы, и таким образом получить, например, лог усилитель.

Операционный усилитель — параметры идеальных компонентов

При проектировании и анализе систем на основе операционных усилителей почти всегда следует исходить из того, что усилитель является идеальным, т. е. имеет следующие характеристики:

  • Бесконечно высокий коэффициент усиления в разомкнутом контуре (k uo (A vo ) -> ∞),
  • Бесконечно высокое входное сопротивление,
  • Выходное сопротивление равно нулю,
  • Бесконечно широкая частотная характеристика,
  • Выходное напряжение равно нулю при одинаковых входных напряжениях,
  • Нулевой входной ток (ток не берется из внешних цепей),
  • Бесконечно высокий допустимый выходной ток,
  • Никаких собственных помех,
  • Его параметры не зависят от температуры.

Операционный усилитель – параметры реальных компонентов

В действительности операционные усилители описываются следующими параметрами:

  • Коэффициент усиления без обратной связи достигает очень высоких, но конечных значений,
  • 90 103 Входной импеданс имеет высокое значение, но имеет конечное значение, 90 104
  • Выходное сопротивление несколько десятков,
  • Верхний предел частоты в несколько десятков МГц,
  • Присутствует входной ток низкой силы от 10-4 до 10-15 А,
  • Они производят самоинтерференцию,
  • Параметры усилителя зависят от температуры и меняются со временем использования системы.

Операционный усилитель – основные операционные системы и приложения

Операционные усилители используются в таких системах, как:

  • Инвертирующие и неинвертирующие усилители,
  • Предварительные усилители частоты аудио/видео,
  • Суммирующие и дифференциальные усилители,
  • Интеграторы,
  • Повторители напряжения,
  • Преобразователи тока в напряжение,
  • Фазовращатели.

Операционные усилители в настоящее время являются наиболее часто используемыми компонентами во всех видах аналоговых схем, можно даже сказать, что они являются основой аналоговой электроники. Ниже вы можете найти больше самых популярных применений операционного усилителя:

  • В аналоговых электронных схемах, где они отвечают за выполнение математических операций,
  • В логарифмических усилителях,
  • В активных фильтрах,
  • В некоторых генераторах
  • В линейных детекторах и пиковых детекторах,
  • В схемах отбора проб с памятью.

Источник: А. Филипковски: «Украина электронных аналогов и цифровых технологий», WNT, Варшава 2006

Михал

Инженер электроники и телекоммуникаций с дипломом магистра электроэнергетики. Светодизайнер опытный инженер. В настоящее время работает в сфере IT.

Английский

Операционный усилитель

— Первые принципы моделирования операционного усилителя CMRR

Я пытаюсь проанализировать схему операционного усилителя из первых принципов (т.е. без использования двух правил анализа идеального операционного усилителя — виртуальное короткое замыкание и бесконечное входное сопротивление). Сама схема сложна, но для целей этого вопроса можно просто рассмотреть топологию неинвертирующего усилителя:

смоделировать эту схему — схема создана с помощью CircuitLab

Обычно коэффициент усиления операционного усилителя принимается равным \$A_v(V_+ — V_-)\$, и, выполняя анализ, я получаю следующее соотношение между \$V_{in}\$ и \$V_{ выход}\$:

\$V_{выход} = V_{вход} \frac{A_d}{1 + A_d \frac{R_2}{R_1 + R_2}}\$.

С обычным упрощающим предположением о бесконечном коэффициенте усиления операционного усилителя мы имеем

\$\lim_{A_d \to \infty} V_{in} \frac{A_d}{1 + A_d \frac{R_2}{R_1 + R_2 }} = V_{in} \left( 1 + \frac{R_1}{R_2} \right)\$,

, как и ожидалось. Однако это не влияет на CMRR операционного усилителя.

Я считаю важным обосновать свои рассуждения об этом, так как я хочу знать, верны ли модели и упрощающие предположения в конкретном контексте.

Я пытаюсь систематически анализировать источники ошибок в схеме прецизионного операционного усилителя (фактическая схема будет построена на операционном усилителе с прерывателем), и окончательная модель будет иметь дополнительные источники ошибок, такие как смещение напряжения, смещения и токи смещения, шум и т. д. Требуемая точность составляет порядка 10-100 частей на миллион, поэтому мне нужно рассмотреть все возможные источники ошибок. Конечная цель состоит в том, чтобы подключить параметры из таблицы данных данного операционного усилителя (включая CMRR, который является темой этого вопроса) и получить числовые значения ошибок, чтобы построить бюджет ошибок.

Таким образом, любые упрощающие допущения (например, в последнем разделе) могут считаться действительными, если они приводят к выражению ошибок, если и не точному, то очень близкому к фактическим ошибкам. Например, если в полном выражении заявлена ​​ошибка 1,0001 ppm, а в упрощенном выражении заявлена ​​ошибка 1 ppm, меня это устраивает.

Мой первый вопрос заключается в том, должна ли правильная модель, рассматривающая идеальный операционный усилитель, кроме конечного КОСС, определять \$V_d = V_+ — V_-\$ и \$V_{cm} = (V_+ + V_ -)/2\$, и измените выражение усиления операционного усилителя на \$V_{out} = A_d V_d + A_{cm} V_{cm}\$. В рамках этой модели новая связь между \$V_{out}\$ и \$V_{in}\$ такова:

\$V_{выход} = V_{дюйм} \frac{A_d + A_{см}/2}{1 + \frac{R_2}{R_1 + R_2} (A_d — A_{см}/2)}\ $

В качестве проверки правдоподобности результата легко увидеть, что установка \$A_{cm} = 0\$ возвращает нас к обычному уравнению, не связанному с CMRR, приведенному выше.

Второй вопрос заключается в том, как извлечь эти параметры из таблицы данных данного операционного усилителя. Рассмотрим 741 (очевидно, это не то, что я собираюсь использовать в своем прецизионном проекте, это просто вездесущий пример).

В разделе 6.5 утверждается, что минимальное усиление напряжения большого сигнала (которое в моем понимании равно \$A_d\$) составляет 25 В/мВ во всем диапазоне температур. В том же разделе утверждается, что минимальный CMRR во всем диапазоне температур составляет 80 дБ = 10 В/мВ.

Следовательно, я понимаю, что \$A_{см} = A_d/\mathrm{CMRR} = 25/10 = 2,5\ \mathrm{V/V}\$. Таким образом, для случая с 741 и предполагая, что нас интересуют гарантированные минимальные значения во всем диапазоне температур, я бы взял уравнение усиления операционного усилителя как \$V_{out} = 25000 V_d + 2,5 V_{см}\ $.

Собственно вопрос: правильно ли это?

Анализ становится немного громоздким с расширенным выражением для коэффициента усиления операционного усилителя \$V_{out} = A_d V_d + A_{cm} V_{cm}\$ по сравнению с идеальным случаем \$V_{ выход} = A_d V_d\$.

Стремясь немного упростить анализ, при проверке схемы видно, что \$V_{см} \приблизительно V_{дюйм}\$, с использованием правила виртуального короткого замыкания упрощенного анализа операционного усилителя. Это отклонение на несколько частей на миллион, но, поскольку в реальном операционном усилителе \$A_{см} \ll A_d\$, это должно означать, что любые ошибки в выходном напряжении из-за принятия \$V_{см} = V_{in}\$, вероятно, находятся в диапазоне частей на миллиард, и ими можно эффективно пренебречь. При этом предположении алгебра значительно упрощается, и мы получаем следующее выражение:

\$V_{out} = V_{in} \frac{A_d + A_{cm}}{1 + A_d \frac{R_2}{R_1 + R_2}}\$

Последний вопрос заключается в том, является ли упрощение действительно разумно применить. Я считаю, что это аргумент выше, но, возможно, есть что-то, что я упускаю.

Проведем числовую проверку, приняв для примера \$R_1 = R_2\$ и, следовательно, идеальный коэффициент усиления схемы, равный 2.

Во-первых, допуская бесконечный КОСС, но конечное усиление разомкнутого контура 25 мВ/В, мы имеем:

\$V_{out} = V_{in} \frac{25000}{1 + 25000 \times 1/2} \приблизительно 1,99984 V_{in}\$.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.