Принцип действия операционного усилителя: Страница не найдена — Практическая электроника

Содержание

Операционный усилитель или операционный усилитель | Это работает

Операционный усилитель

Изображение на обложке: Мартинко, Северное сияние — северное сияние 3, CC BY-SA 4.0

Contents [show]

Что такое операционный усилитель?

Операционный усилитель — это аббревиатура от операционного усилителя, усилителя с высоким коэффициентом усиления с прямой связью. В термине «операционный усилитель» термин «рабочий» означает, что усилитель может выполнять определенные операции, такие как суммирование, вычитание, сравнение и т. Д. Слово «усиление» предполагает, что он может усиливать входной сигнал.

Идеальный операционный усилитель

Идеального операционного усилителя практически не существует, но он обладает наилучшими характеристиками. Все практичные операционные усилители созданы для достижения близких характеристик к идеальному операционному усилителю. Обсудим некоторые особенности идеального операционного усилителя.

Идеальные характеристики операционного усилителя
  1. Идеальный операционный усилитель обеспечивает бесконечное усиление напряжения.
  2. Он имеет бесконечное входное сопротивление.
  3. Он имеет нулевое выходное сопротивление.
  4. У него бесконечная пропускная способность.
  5. Коэффициент подавления синфазного сигнала бесконечен.
  6. Коэффициент отклонения источника питания бесконечен.
  7. Скорость нарастания 0.

Инвертирующий операционный усилитель

Операционный усилитель имеет различные режимы работы. Инвертирующий операционный усилитель представляет собой тип процесса, в котором входной сигнал подается через инвертирующий терминал операционного усилителя. В процессе усиления фаза на выходе усилителя инвертируется. Инвертирующий операционный усилитель имеет более высокое усиление, чем неинвертирующий операционный усилитель.

Изображение предоставлено: Inductiveload, Op-Amp Inverting Amplifier, помечено как общественное достояние, более подробная информация на Wikimedia Commons

Неинвертирующий операционный усилитель

Неинвертирующий — еще один режим работы с операционным усилителем. Здесь входной сигнал подается через неинвертирующий вывод операционного усилителя. Таким образом, выходная фаза остается прежней и не инвертируется во время работы. Вот почему эта операция с использованием операционного усилителя известна как «неинвертирующий операционный усилитель». Этот операционный усилитель обеспечивает более высокую стабильность системы из-за системы отрицательной обратной связи, но он имеет меньшее усиление, чем инвертирующий операционный усилитель. Между неинвертирующим операционным усилителем и инвертирующим операционным усилителем больше предпочтений отдается инвертирующему усилителю.

Схемы операционных усилителей | Базовые схемы операционных усилителей

Схемы операционных усилителей специфичны для их работы. Операционный усилитель может выполнять несколько математических операций. Схемы изготавливаются по необходимости. На изображении ниже представлен типичный схемный образ операционного усилителя.

Мы можем заметить, что операционный усилитель имеет два входа (помечены как 1 и 2). Вход, помеченный знаком «-», является инвертирующим контактом. Вход, помеченный знаком «+», является неинвертирующим контактом. Пара подключения напряжения, обозначенная как + Vsat и -Vsat, представляет собой положительное напряжение насыщения и отрицательное напряжение насыщения, представляющее наивысший и наименьший предел рабочего усилителя; их можно наблюдать на выходе.

Напряжения насыщения прикладываются к операционному усилителю, чтобы сбалансировать операционный усилитель относительно земли. Выходной сигнал собирается с клеммы «O».

741 операционный усилитель

Операционные усилители теперь доступны на рынках через микросхемы. Одной из таких микросхем является операционный усилитель 741. Это монолитная ИС (все соединения выполнены на едином куске кристаллического кремния). ИС состоит из одного операционного усилителя. Впервые его разработала компания Fairchild Semiconductor в начале шестидесятых годов. Число 741 указывает на то, что ИС имеет семь функциональных контактов, четыре входных контакта и один выходной контакт.

Распиновка операционного усилителя 741

На следующей схеме показана распиновка ИС. Терминология IC, состоящая из операционного усилителя, также описывает контакты. Число 7 из 741 представляет семь функциональных контактов, четыре входных контакта и один выходной контакт.

Схема операционного усилителя 741

На следующем рисунке представлена ​​принципиальная схема операционного усилителя 741.

Интегратор операционного усилителя

Мы упоминали ранее, что операционный усилитель может выполнять несколько математических операций. Давайте узнаем, как операционный усилитель может выполнять операцию «интегрирования» по входному сигналу. Чтобы реализовать интегратор с использованием операционного усилителя, нам понадобится конденсатор, пара резисторов и операционный усилитель! На приведенной ниже принципиальной схеме изображена схема интегратора операционного усилителя.

Работа интегратора

Концепция виртуальной земли — работает из-за предположения о бесконечном усилении OP AMP. Вот почему узел «А» на изображении — это виртуальная земля. Пусть ток i течет через сопротивление R. Итак, ток можно измерить как i = V1 / R.

 Здесь V1 — это входное напряжение, подаваемое на инвертирующий вывод, а неинвертирующий вывод заземлен с помощью резистора, и из-за высокого входного импеданса тот же ток будет течь через путь обратной связи с конденсатором в нем. Итак, выходное напряжение можно записать как:

Vo = — 1 / C 0 t [i dt]

Или Vo = — 1 / RC 0 t [V1 dt]

Таким образом, мы можем сказать, что выходное напряжение пропорционально интегралу входного напряжения по времени, и поэтому схема называется интегратором или интегратором Миллера.

Компаратор операционного усилителя

Компаратор операционного усилителя, или компаратор напряжения, или компаратор — это электронное устройство, которое сравнивает два входных напряжения и обеспечивает ориентировочный выходной сигнал. Выход показывает, какое из двух входных напряжений имеет более необычные значения.

Операционный усилитель спроектирован с разомкнутой схемой для использования операционного усилителя в качестве компаратора.

  • Если напряжение на неинвертирующем выводе выше, чем напряжение на инвертирующем выводе, выход переключается на положительное напряжение насыщения операционного усилителя.
  • Если напряжение инвертирующей клеммы больше, чем напряжение на неинвертирующей клемме, реле переключается на отрицательное напряжение насыщения операционного усилителя.

Схема компаратора операционного усилителя

На изображении ниже представлена ​​схема компаратора операционного усилителя.

Усиление операционного усилителя

Коэффициент усиления операционного усилителя относится к отношению выходного напряжения к входному напряжению, а операционный усилитель имеет два следующих типа усиления.

  • Коэффициент усиления замкнутого контура: Если с системой операционного усилителя связана система обратной связи, то коэффициент усиления системы известен как коэффициент усиления с обратной связью.
  • Коэффициент усиления по разомкнутой петле: Если схема операционного усилителя не имеет связанной с ней системы обратной связи, то усиление — это усиление без обратной связи.

Для идеального операционного усилителя коэффициент усиления бесконечен для любых частот. Для реальных усилителей коэффициент усиления является абсолютной константой. Коэффициент усиления — это параметр производительности усилителя.

Коэффициент усиления неинвертирующего операционного усилителя

Общее выражение выходного напряжения неинвертирующего усилителя: Vout = k * Vin

Выходное уравнение неинвертирующего усилителя: V0 = [1 + (Rf / R1)] * Vin

Итак, сравнивая оба уравнения, значение k будет

k = [1 + (Rf / R1)]

Это выражение резистора известно как коэффициент усиления неинвертирующего усилителя. Мы можем заметить, что если Rf = R1, Vo = 2 * Vin. Таким образом, входное напряжение усиливается в 2 раза. Отношение (Rf / R1) обычно регулирует усиление. Увеличение Rf увеличивает значение усиления.

Буфер операционного усилителя

Буфер операционного усилителя, буфер с единичным усилением или схема повторителя напряжения — это специально разработанная модель неинвертирующего усилителя. Соблюдайте приведенную выше схему неинвертирующего усилителя. Если бы мы сделали нулевое сопротивление обратной связи и бесконечное сопротивление инвертирующего вывода, коэффициент усиления усилителя был бы равен единице. Вот почему эта схема известна как буфер единичного усиления. Этот буфер используется для согласования импеданса.

Дифференциальный операционный усилитель

Дифференциальный операционный усилитель или дифференциальный усилитель — это операционный усилитель, который усиливает разницу между двумя входными напряжениями и выдает их на выходе и выполняет операцию вычитания, в отличие от суммирующего усилителя, который суммирует входные напряжения.

На схеме ниже изображена схема дифференциального усилителя.

Операционный отдел

Используя концепцию виртуальной земли, мы можем заключить, что напряжение в узле A такое же, как напряжение в узле B. Используя KCL, мы можем написать, что —

(V1 — Vx) / R1 = (Vx — VO) / R2

& (V2 — Vx) / R1 = Vx / R2

Здесь V1 — входное напряжение. Vx — это напряжение на узле A (а также на узле B). Vo — выходное напряжение. Теперь предположим, что операционный усилитель имеет высокое входное сопротивление. Сравнивая и используя оба уравнения, мы можем написать —

Vo = (V2 — V1) * R2 / R1

Это выходное уравнение оправдывает операцию.

Инвертирование усиления операционного усилителя

Общее выражение выходного напряжения инвертирующего усилителя: Vout = -k * Vin

Выходное уравнение инвертирующего усилителя: V0 = — (Rf / R1) * Vin

Теперь, сравнивая оба уравнения, мы можем сказать —

k = (Rf / R1)

Это коэффициент усиления инвертирующего усилителя с обратной связью.

Суммирующий операционный усилитель

Суммирующий операционный усилитель или операционный усилитель сумматора — это усилитель, который усиливает суммирование входных напряжений и выдает их на выходе. Он выполняет операции суммирования или сложения, в отличие от дифференциального усилителя, который выполняет операции вычитания.

На изображении ниже представлен суммирующий операционный усилитель.

Эксплуатация

Используя концепцию виртуальной земли, потенциал в узле A совпадает с потенциалом в узле B. Применяя KCL, мы можем написать —

I1 + I2 + I3 +… + IN = IO

Или V1 / R1 + V2 / R2 +… + Vn / Rn = — Vo / Rf

Или Vo = — [(V1 * Rf / R1) + (Rf * V2 / R2) +… + (Rf * Vn / Rn)

Теперь, если R1 = R2 =… = Rn = Rf, то мы можем написать —

Vo = — [V1 + V2 +… + Vn]

Операционный усилитель с повторителем напряжения | Последователь операционного усилителя

Операционный усилитель с повторителем напряжения, буфер с единичным усилением или схема повторителя напряжения — это специально разработанная модель неинвертирующего усилителя, и если бы мы сделали нулевое сопротивление обратной связи и бесконечное сопротивление инвертирующего вывода, коэффициент усиления усилителя был бы равен единице. Поскольку выходное напряжение просто следует за входным напряжением без усиления, усилитель известен как повторитель напряжения op ap. Вот почему эта схема также известна как буфер с единичным усилением. Этот буфер используется для согласования импеданса.

Дискретный операционный усилитель

Дискретный операционный усилитель создан для обеспечения минимальной разницы между положительным и отрицательным входами, что дополнительно способствует высокому усилению. Дискретные операционные усилители обычно используются для аудио приложений, а не обычные операционные усилители. Он имеет несколько преимуществ по сравнению с обычными операционными усилителями, поскольку возможна индивидуальная конструкция, требуется меньше компонентов, обеспечивается лучшая температурная стабильность и т. Д.

Lm741 операционный усилитель

Lm741 — это монолитная ИС, внутри которой находится один операционный усилитель. Он имеет восемь контактов. ИС не требует внешней частотной компенсации. Он обеспечивает более высокий CMRR и потребляет меньше энергии. Распиновка lm741 приведена ниже.

Пин кодОписание
1, 5Смещение NULL для удаления смещения и балансировки с землей.
2Инвертирующий входной терминал
3Неинвертирующий терминал
4Отрицательное напряжение насыщения
6Выход операционного усилителя
7Положительное напряжение насыщения
8Нет связи (NC)

Дифференциатор операционного усилителя

ОУ дифференциатор или дифференциальный операционный усилитель выполняет операцию дифференцирования по сигналу входного напряжения. Чтобы реализовать дифференциатор с помощью операционного усилителя, нам понадобится конденсатор, пара резисторов и операционный усилитель! На приведенной ниже принципиальной схеме изображена схема дифференциатора операционного усилителя.

Уравнения операционного усилителя

Уравнения операционного усилителя обычно называют выходными уравнениями операционного усилителя. Выходные уравнения представляют собой соотношение между входным и выходным напряжениями. Коэффициент усиления также можно определить из выходных уравнений. Некоторые из выходных уравнений некоторых основных усилителей приведены ниже.

Неинвертирующие уравнения операционного усилителя: V0 = [1 + (Rf / R1)] * Vin

Инвертирование уравнений операционного усилителя: V0 = — (Rf / R1) * Vin

Типы операционных усилителей

Операционный усилитель имеет несколько типов, а не несколько режимов работы. Различные типы операционных усилителей выполняют различные математические операции. Некоторые из них —

  1. Инвертирующий операционный усилитель
  2. Неинвертирующий операционный усилитель
  3. Разница в операционном усилителе
  4. Суммирующий усилитель
  5. интегратора
  6. Дифференциальный усилитель
  7. Логарифмический усилитель
  8. Компаратор
  9. Преобразователь тока в напряжение
  10. Преобразователь напряжения в ток

Инвертирующий и не инвертирующий операционный усилитель

Давайте проведем сравнительный анализ инвертирующего и неинвертирующего ОУ.

Предмет сравнения.Инвертирующий операционный усилительНеинвертирующий операционный усилитель
Входной разъемВход осуществляется через инвертирующий терминал.Вход осуществляется через неинвертирующий терминал.
Выходная полярностьНа выходе изменяется полярность входного напряжения.Полярность входа остается той же на выходе.
УсилениеКоэффициент усиления определяется как: Av = — (Rf / R1)Коэффициент усиления определяется как: Av = (1 + Rf / R1)
Входные сопротивленияВходное сопротивление меньше, чем у неинвертирующего ОУ.Входное сопротивление выше, чем у инвертирующего операционного усилителя.
Выходной этапВход и выход находятся в фазе.Вход и выход не совпадают по фазе.

Операционный усилитель с отрицательной обратной связью

Для замкнутой системы операционного усилителя, если система обратной связи подключена к инвертирующему выводу операционного усилителя, система обратной связи известна как отрицательная обратная связь. Операционный усилитель, работающий со встроенной отрицательной обратной связью, известен как отрицательная обратная связь. Операционные усилители с отрицательной обратной связью имеют лучшую стабильность системы, но коэффициент усиления ниже, чем у операционного усилителя с положительной обратной связью.

Дополнительные статьи по электронике нажмите сюда

О судипте Рой

Я энтузиаст электроники и в настоящее время занимаюсь электроникой и коммуникациями.
Я очень заинтересован в изучении современных технологий, таких как искусственный интеллект и машинное обучение.
Мои статьи посвящены предоставлению точных и обновленных данных всем учащимся.
Мне доставляет огромное удовольствие помогать кому-то в получении знаний.

Подключимся через LinkedIn — https://www.linkedin.com/in/sr-sudipta/

Принцип работы операционного усилителя простыми словами: описание, характеристики

Автор Почемучка На чтение 21 мин. Просмотров 116

На следующем рисунке показана распиновка микросхем одиночных операционных усилителей (включая 741), когда они помещаются в 8-выводный DIP корпус.

  • iC – мгновенный ток через конденсатор;
  • C – емкость в фарадах;
  • dv/dt – скорость изменения напряжения во времени.
  • F – сила, прикладываемая к объекту;
  • m – масса объекта;
  • dv/dt – скорость изменения скорости во времени.

Это аналоговое электронное вычисление производной математического анализа известно как дифференцирование, и это естественная функция тока конденсатора по отношению к приложенному напряжению. Обратите внимание, что данная схема для выполнения этой относительно сложной математической функции не требует «программирования», как это делал бы цифровой компьютер.

Электронные схемы очень просты и недороги для создания по сравнению со сложными физическими системами, поэтому подобный аналоговый электронный симулятор широко использовался в исследованиях и разработках механических систем. Однако для реалистичного моделирования в этих ранних компьютерах были нужны схемы усилителей высокой точности и простой настройки.

На следующем рисунке показана распиновка микросхем одиночных операционных усилителей (включая 741), когда они помещаются в 8-выводный DIP корпус.

Типовая 8-выводная DIP микросхема одиночного операционного усилителя

Некоторые модели операционных усилителей поставляются двумя в одном корпусе; например, популярные модели TL082 и 1458. Они называются «двойными» и обычно размещаются в 8-выводном DIP корпусе со следующей распиновкой:

8-выводная DIP микросхема двойного операционного усилителя

Операционные усилители также доступны в корпусах с четырьмя усилителями, как правило, это 14-выводные DIP корпуса. К сожалению, назначение выводов у этих «четверных» операционных усилителей не является стандартным, как у одиночных и «двойных». Поэтому подробности необходимо искать в технических описаниях от производителя.

Схема компаратора на операционном усилителе

Еще одно приложение для показанной схемы компаратора представляет собой преобразователь прямоугольного сигнала. Предположим, что входное напряжение, подаваемое на инвертирующий (-) вход, представляет собой переменный синусоидальный сигнал, а не неизменное постоянное напряжение. В этом случае выходное напряжение будет переходить между противоположными состояниями насыщения, когда входное напряжение было равно опорному напряжению, выдаваемому потенциометром. Результатом будет прямоугольный сигнал:

Преобразователь синусоидального сигнала в прямоугольный

Подстройка потенциометра приведет к изменению опорного напряжения, подаваемого на неинвертирующий (+) вход, что может изменить точку, в которой синусоида будет пересекать опорное напряжение, изменяя соотношение включен/выключен, или коэффициент заполнения, или скважность прямоугольного сигнала:

Изменение скважности выходного сигнала преобразователя синусоидального сигнала в прямоугольный

Драйвер столбчатого индикатора (барграфа) на базе операционных усилителей

В схеме, показанной выше, светодиод LED1 будет загораться первым, когда входное напряжение будет увеличиваться в положительном направлении. По мере того, как входное напряжение продолжает увеличиваться, другие светодиоды будут загораться последовательно, пока не зажгутся все.

Эта же технология используется в некоторых аналого-цифровых преобразователях, а именно в АЦП прямого преобразования, чтобы преобразовать уровень аналогового сигнала в последовательность напряжений «вкл/выкл», представляющую цифровое число.

Сразу же становится понятно, почему усилитель называется инвертирующим Сигналы на входе и на выходе разных знаков.

Продолжаем изучать основы электроники на нашем сайте, и героем сегодняшней статьи будет еще одно замечательное устройство – а именно операционный усилитель. Сегодня разберемся, что это вообще такое, как он работает, ну и парочку основных схем по традиции разберем

Итак, по определению ОУ – это дифференциальный усилитель постоянного тока с очень большим коэффициентом усиления и несимметричным выходом. Теперь разберемся, что это значит…

ОУ имеет два входа и один выход. Один из этих входов называют неинвертирующим и обозначают на схемах плюсом, второй, соответственно, является инвертирующим. Так вот, напряжение на выходе ОУ определяется следующим образом:

K – это коэффициент усиления операционника, обычно он имеет значения порядка 100000 – 1000000. Из формулы видим, что в случае, когда сигналы на обоих входах ОУ равны, на выходе ноль. Если, например, потенциал инвертирующего входа (-) стал более положительным, чем потенциал неинвертирующего входа (+), то выходной сигнал изменится в отрицательном направлении. В этом и заключается работа операционного усилителя.

Помимо уже упомянутых входов и выхода ОУ имеет также выводы для подачи питания, и вот как выглядит его обозначение на принципиальных схемах:

Чаще всего в схемах на операционниках используется обратная связь, поскольку коэффициент усиления ОУ без обратной связи слишком уж велик В замечательной книге Хоровица и Хилла приведены несколько, а точнее два правила, которые определяют как работает операционник в схемах с обратной связью.

Для того, чтобы разобраться в работе операционного усилителя, давайте рассмотрим пару-тройку схем. И начнем со схемы неинвертирующего усилителя (кстати на схемах порой опускают обозначение выводов для подачи питания на ОУ, мы, пожалуй, тоже так поступим ):

Для начала определим, какое же значение напряжения мы получим на выходе, подав на вход U_ . Как следует из второго правила – операционник с обратной связью “добьется” того, чтобы потенциалы входов выровнялись, а это значит, что:

Но в то же время R_1 и R_2 образуют делитель напряжения и тогда:

Приравниваем эти два значения и получаем, что:

Получили такой вот коэффициент усиления для неинвертирующего усилителя на операционном усилителе с обратной связью.

Давайте рассмотрим конкретный пример, чтобы еще лучше понять работу данной схемы. Пусть будут такие номиналы: R_2 = 10medspace КОм , R_1 = 1medspace КОм . На вход подадим 1 В. В этом случае напряжение на выходе ОУ начнет расти, поскольку ( U_+medspace-medspace U_- > 0 ).

И расти оно будет до тех пор, пока потенциал на инвертирующем (-) выходе не станет равен 1 В (так как на неинвертирующем входе (+) у нас как раз-таки 1 В). Остается определить, при каком выходном значении напряжения, U_- будет равно 1 В. Входы ОУ ток не потребляют, значит ток протекает по цепи выход – R_2 – R_1 – земля:

Из этого равенства без проблем определим U_ , при значении U_- равном 1 В:

Подставив наши значения, получим U_ = 11medspace В . Это подтверждает верность выведенной нами ранее формулы U_ = U_medspace(1 + frac)

С неинвертирующим усилителем разобрались, давайте рассмотрим еще одну схему – инвертирующий усилитель.

В принципе работает эта схема практически так же, как предыдущая. На неинвертирующем (+) входе потенциал земли, значит на инвертирующем тоже будет такой же потенциал. То есть:

Не забываем, что ток входы ОУ не потребляют, а значит ток протекает по цепи выход – R_2 – R_1 – вход и равен он:

Отсюда нам остается только выразить U_ и определить коэффициент усиления цепи:

Сразу же становится понятно, почему усилитель называется инвертирующим Сигналы на входе и на выходе разных знаков.

В завершение рассмотрим, пожалуй, еще одну небольшую схемку, а именно схему повторителя на операционном усилителе с обратной связью:

Если внимательно посмотреть на эту схему, то становится понятно, что это всего лишь неинвертирующий усилитель, у которого R_1 равно бесконечности, а R_2 равно нулю. Подставив эти значения в формулу для U_ получим:

Таким образом, напряжение на выходе повторяет сигнал на входе! Огромный плюс такого повторителя заключается в том, что его входной импеданс огромен, а выходной, напротив, мал.

Наверно, на этом сегодня закончим, а в следующей статье рассмотрим и проанализируем какие-нибудь схемки посложнее До скорых встреч!

Операционные усилители – очень мощный инструмент современного радиолюбителя. Одной из самых простых схем его использования является подключение по схеме компаратора.

Разберём несколько из примеров использования компараторов (рекомендованных для домашней сборки), для того чтобы лучше разобраться в том, как работает данная схема.

1. Датчик перегрева радиатора

Данная схема работает по следующему принципу: В зависимости от температуры терморезистор R5 будет иметь разное значение сопротивления. С ростом температуры его сопротивление увеличивается.

Если температура не достигла заданной, то напряжение на выходе компаратора равно 0, и светодиод не горит.

При достижении температуры, установленной потенциометром R3, компаратор переключается, светодиод загорается, информируя нас о том, что терморезистор R5 перегрелся. В этот момент нужно как-то охладить работу вашей схемы, например, включив вентилятор или насос для прокачки воды. Это легко реализовать подключением в качестве нагрузки к выходу компаратора обычное электромагнитное реле.

Рис.3. Схема подключения датчика температуры.

2. Индикатор зарядки/разрядки батареи с двумя фиксированными уровнями.

Задача данного датчика крайне проста: проинформировать держателя батарейки о полном её заряде и скором прекращении работы. Данная схема отличается от предыдущей тем, что строиться на базе не одного, а двух компараторах, но это не беда для современной техники. Дело в том, что большинство современных операционных усилителей выпускаются в корпусе DIP8/SO8 и в своём составе содержат два операционных усилителя. К примеру, вот фрагмент даташита (технического описания микросхемы) используемого мною ОУ:

Рис. 4. Расположение выводов у микросхемы ОУ NE5532.

Решается она следующим образом: входное напряжение поступает на сложный делитель R3-R5-R7. В результате получаются два аналоговых уровня соответствующих не инвертирующим входам ОУ.

Тот, что получается между резисторами R3-R5 будет говорить нам о глубоком разряде аккумулятора, так как он будет срабатывать при достаточно низком напряжении.

Тот, что получается между резисторами R5-R7 будет говорить нам о полном заряде аккумулятора, так как он будет срабатывать при высоком напряжении на клеммах аккумулятора.

Рис.5. Схема индикатора зарядки/разрядки батареи.

ну еще конечно надо прикинуть что обратная связь работает в правильном направлении. а то допустим замкнем выход на неинвертирующий вход и подадим сигнал на инвертирующий мы исходя из всего вышеизложенного решим что это повторитель, выход=вход. тогда как связь положительная и это выйдет типа триггер.

JLCPCB, всего $2 за прототип печатной платы! Цвет — любой!

Зарегистрируйтесь и получите два купона по 5$ каждый:https://jlcpcb.com/quote

Сборка печатных плат от $30 + БЕСПЛАТНАЯ доставка по всему миру + трафарет

З.Ы.
Благодарен всем кто писал и пишет обучающие статьи и ни к кому не в претензии.

В ассортименте компании Wolfspeed имеются дискретные карбид-кремниевые диоды, изготовленные по технологиям JBS и MPS, с максимально допустимыми напряжениями 600 В, 650 В, 1200 В и 1700 В и максимальным током от 1 до 50 А. Отличительной особенностью всех моделей является низкое значение заряда затвора и высокая перегрузочная способность.

да все просто же, это куда проще всех транзисторов, проще только цифровые схемы. схема c оу считается исходя из того, что напряжения на двух входах равны, если схема вообще способна их сделать равными они будут равны, если не способна значит схема неправильная. второе — токи на входах считаем нулевыми, это почти правда

считаем от обратного, что напряжения на входах равны. зная напряжение сигнала на входе схемы и то что напряжения на входах оу равны мы легко получаем напряжение на выходе схемы, чистая математика. либо у нас получаются абсурдные результаты и это значит схема нерабочая.

ну еще конечно надо прикинуть что обратная связь работает в правильном направлении. а то допустим замкнем выход на неинвертирующий вход и подадим сигнал на инвертирующий мы исходя из всего вышеизложенного решим что это повторитель, выход=вход. тогда как связь положительная и это выйдет типа триггер.

BlueNRG-LP — новый программируемый чип SoC STMicroelectronics. Он соответствует спецификации BLE версии 5.2, поддерживает работу в сетях Bluetooth Mesh, подходит для беспроводной связи на частоте 2,4 ГГц. Новый чип отличается высокими характеристиками.

Кто помнит в самом начале обучалки были примеры с сосудами и турбиной — вот что-то наподобие было бы неплохо. В книге о которой я писал выше тоже подобные картинки были, в т.ч. с бегающими атомами и атомными решетками, что и дало представление о проистекающих процессах.

А откуда надо (к примеру с микрофона). Так же 12В батарейки простыми делителями на резисторах можно получить бесконечное множество разных напряжений меньше 12В.

_________________
Если хотите, чтобы жизнь улыбалась вам, подарите ей своё хорошее настроение

ПРИСТ расширяет ассортимент

внутри схемка на куче обычных транзисторов, цель которой минимально реагировать на абсолютный уровень напряжения на входах относительно нуля и максимально реагировать на разницу напряжений на входах. то есть на входах +/- 1в/1в на выходе середина между питающими напряжениями, на входах 3.123в/3.123в на выходе середина между питающими напряжениями. на входах 1.1234/1.1233 — на выходе плюсовое питание, на входах 1.1234/1.1235 — на выходе минусовое питание.

взяли транзистор, повысили ему коэффициент усиления в тысячи раз, сделали ему два входа вместо одного чтобы избавиться от необходимости задавать рабочую точку, сделали вход гигаомный чтобы не заботиться о согласовании входа, сделали выход низкоомный как у двухтактника чтобы избавиться от необходимости согласовывать выход, в итоге получили устройство свойства которого задаются только обратной связью.

запитать вы его может и не от +15/-15 а от +5/0. какие крайние значения на выходе хотите получить от того и питаете

в общем то вернулись обратно к пружинным весам. но разница в том что транзистор вещь в себе, со всеми его нелинейностями, а внешнюю обвязку к ОУ можно сделать какую хочешь, на более линейных и точных элементах чем транзистор

Дополню rustot:
Если обратную связь завести не сразу с выхода ОУ, а через кучу нелинейных элементов (тех же транзисторов) — система в итоге устранит все нелинейности и уравновесится.

Взять, к примеру, схемы лабораторных БП (как саме наглядные). На один вход ОУ подаём сигнал с выхода устройства, на другой — эталонное напряжение. Между выходом ОУ и выходом устройства каскады на транзисторах, которые греются, плывут и по сути нелинейны, но в целом система будет иметь погрешность равную погрешности ОУ, т.е. очень неплохие характеристики.

Принцип работы входного каскада(дифференциальный усилитель) мне понятен. Официальная трактовка принципа работы ОП не нравится, да и не очень понятна.
Есть у кого объяснение, которое объясняющий сам осознаёт? Компаратор, Триггер Шмитта, Гистерезис это я собирал в симуляторе, вот только полностью осознать что происходит не получается. Не надо в деталях описывать Триггер Шмитта. Мне достаточно было бы описание принципа работы ОП, не такое описание которое распространено в инете, а намного понятнее.
Спасибо.

Прошу написать тех кто знает в деталях работу операционного усилителя. Не формулы и цифры, а по простому народному.

Принцип работы входного каскада(дифференциальный усилитель) мне понятен. Официальная трактовка принципа работы ОП не нравится, да и не очень понятна.
Есть у кого объяснение, которое объясняющий сам осознаёт? Компаратор, Триггер Шмитта, Гистерезис это я собирал в симуляторе, вот только полностью осознать что происходит не получается. Не надо в деталях описывать Триггер Шмитта. Мне достаточно было бы описание принципа работы ОП, не такое описание которое распространено в инете, а намного понятнее.
Спасибо.

Прошу написать тех кто знает в деталях работу операционного усилителя. Не формулы и цифры, а по простому народному.

Принцип работы входного каскада(дифференциальный усилитель) мне понятен. Официальная трактовка принципа работы ОП не нравится, да и не очень понятна.
Есть у кого объяснение, которое объясняющий сам осознаёт? Компаратор, Триггер Шмитта, Гистерезис это я собирал в симуляторе, вот только полностью осознать что происходит не получается. Не надо в деталях описывать Триггер Шмитта. Мне достаточно было бы описание принципа работы ОП, не такое описание которое распространено в инете, а намного понятнее.
Спасибо.

Да, я эту книгу читать начинал. Мысли интересные в ней. Может стоит её дочитать. Перестал её читать потому что понял к чему они ведут и такое объяснение мне бы не подошло, хотя может я не прав. И кто то может сможет привести выжимку из всей книги.
Иначе как всегда самому до всего доходить надо будет.

Этот типа анекдот во первых не в тему, во вторых очень печальный.

Для корректной работы внутренних генераторов вольтдобавки выводы питания ОУ 2 и 6 необходимо зашунтировать параллельно соединенными керамическим и высококачественным электролитическим или танталовым конденсаторами емкостью 0,1 мкФ и

Патентованная схема автоматической коррекции нуля применяется также в микромощном операционном усилителе с Rail to Rail входом и выходом (RRIO) OPA333 Texas Instruments. Данный ОУ отличается очень малым током покоя (типовое значение 17 мкА) и позиционируется для применения в прецизионных устройствах с автономным питанием. Коррекция нуля осуществляется каждые 8 мкс, при этом долговременное изменение напряжения смещения (300 ч) при максимальной рабочей температуре не превышает 1 мкВ.

Значительный прогресс в улучшении параметров прецизионных операционных усилителей NSC был достигнут за счет реализации патентованного технологического процесса VIP50, позволяющего создавать на одном кристалле высококачественные комплементарные биполярные и полевые транзисторы [3]. Характерные представители семейства прецизионных RRIO ОУ серии LMP771x, выполненные по данному технологическому процессу, имеют типовое значение напряжения смещения 10 мкВ с температурным дрейфом

1 мкВ/°С, уровень шума не более 5,8 нВ/√Гц и очень низкое значение коэффициента нелинейных искажений 0,001% в звуковом диапазоне. Благодаря использованию во входном каскаде высокотехнологичных МОП-транзисторов излом зависимости шума 1/f удалось сдвинуть до частоты менее 1 кГц и тем самым значительно расширить частотный диапазон усилителя по минимуму шумов.

Последние модели прецизионных операционных усилителей, разработанные NSC в 2007 году, имеют еще лучшие параметры, например, у ОУ LMP7731 с биполярным входом типовое значение и температурный дрейф напряжения смещения не превышают ±9 мкВ и ±0,2 мкВ (максимальное значение ±40 мкВ и ±0,8 мкВ) соответственно, а уровень шумов со спектральной плотностью

3 нВ/√Гц достигается уже на частоте 3 Гц, как показано на рис. 1. Достоинством LMP7731 является также широкая полоса усиливаемых частот, большие коэффициенты усиления и подавления синфазных сигналов и низкий коэффициент нелинейных искажений. Усилитель рекомендуется фирмой для применения в научной аппаратуре и медицинской технике. Параметры LMP7731 и других рассматриваемых ОУ при напряжении питания 5 В приведены в таблице.

Для более дешевых устройств с высокоомным входом подойдут одно/четырехканальные скорректированные операционные усилители LMV841/4. Близкие по параметрам к вышеописанным прецизионным LMP7707/9, эти ОУ могут найти применение в схемах активных фильтров, усилителей сигналов датчиков и другой аппаратуре с автономным питанием.

Для корректной работы внутренних генераторов вольтдобавки выводы питания ОУ 2 и 6 необходимо зашунтировать параллельно соединенными керамическим и высококачественным электролитическим или танталовым конденсаторами емкостью 0,1 мкФ и

10 мкФ, расположенными как можно ближе к выводам ИМС. Подача на вывод 5 Shutdown напряжения более 0,6 В (при Еп = 1 В) переводит ОУ в «спящий» режим с токопотреблением менее 50 нА, время восстановления рабочего режима не превышает 3 мкс.

Полученный результат демонстрирует рис. 5, на котором можно сравнить зависимости отношения (шум + искажения)/сигнал — THD + Noise Ratio в децибелах от величины входного напряжения с частотой 10 кГц для ОУ OPA365, представляющего фирменную серию “Zero Crossover”, и обычного операционного усилителя с двойным дифференциальным входным каскадом. Значение коэффициента нелинейных искажений для OPA365 не превышает 0,0006% во всем диапазоне звуковых частот.

Для регулировки усиления от 1 до 16 с шагом 1 используется 4 бита управляющего слова, еще 2 бита необходимы для включения режимов проверки нуля (неинвертирующий вход усилителя соединяется с инвертирующим GRT) и перевода усилителя в «спящий» режим с токопотреблением 20 мкА, последние два бита определяют один из четырех уровней частотной коррекции, которые следует устанавливать в зависимости от коэффициента усиления и полосы усиливаемых частот.

Усилитель LMP8100 очень удобен для применения в различных системах сбора данных, испытательном оборудовании, измерительных приборах и т. п. Выпускается в двух разновидностях: обычный LMP8100 и улучшенный LMP8100A с точностью установки коэффициента усиления 0,075% и 0,03% соответственно.

Обучающие статьи по электронике

Дифференциатор

Дифференциатор, выполняет функцию противоположную интегратору, то есть на выходе дифференциатора напряжение пропорционально скорости изменения входного напряжения. Так же как и интегратор, дифференциатор находит широкое применение в активных фильтрах и схемах автоматического регулирования. Дифференциатор получается из интегратора путем перемены местами резистора и конденсатора.


Схемы дифференциаторов: простого RC-дифференциатора и дифференциатора на основе ОУ.

Простой дифференциатор имеет два существенных недостатка: большое выходное сопротивление и ослабление входного сигнала, поэтому в современных схемах он почти не применяется. Для дифференцирования сигналов применяют дифференциатор на ОУ, состоящий из ОУ DA1, входного конденсатора С1 и резистора R1, через который осуществляется положительная обратная связь с выхода ОУ на его вход.

При поступлении сигнала на вход дифференциатора конденсатор С1 начинает заряжаться током IBX, за счёт принципа виртуального замыкания ток такой же величины будет протекать и через резистор R1. В результате на выходе ОУ будет формироваться напряжение пропорционально скорости изменения входного напряжения.

Параметры дифференциатора определяются следующими выражениями

Основной недостаток дифференциатора на ОУ состоит в том, что на высоких частотах коэффициент усиления больше, чем на низких частотах. Поэтому на высоких частотах происходит значительное усиление собственных шумов резисторов и активных элементов, кроме того возможно возбуждение дифференциатора на высоких частотах.

Решение данной проблемы является включение дополнительного резистора на вход дифференциатора. Сопротивление резистора должно составлять несколько десятков Ом (в среднем порядка 50 Ом).

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

То есть пока входной сигнал меньше опорного — на выходе операционного усилителя будет положительное напряжение насыщения. Как только входной сигнал превысит опорный – выходное напряжение операционного усилителя станет равно нулю.

Электрическая схема инвертирующего триггера Шмитта представлена ниже.

Благодаря такому поведению схемы, зашумленный сигнал не будет вызывать колебаний на выходе усилителя.

Как и простейшая схема компаратора, триггер Шмитта имеет «неинвертирующую версию», но здесь мы на ней останавливаться уже не будем.

О расчете такой схемы и примерах ее использования в следующей статье….

Обычные три OpAmp-InAmps используют немного другую конфигурацию по сравнению с вашей картинкой, чтобы установить усиление только с одним резистором ( внешний резистор усиления в случае полностью интегрированных InAmps). Пожалуйста, обратитесь к ссылкам, которые я предоставил для более подробной информации.

Я видел несколько различных конфигураций для инструментальных усилителей, включая 2 версии операционных усилителей. Эта

тоже один. Но это просто дифференциальный усилитель, которому предшествуют входные буферы. Когда вы называете его инструментальным усилителем, другими словами, что такого особенного в этом, что оно заслуживает отдельного названия?

«Инструментальный усилитель — это прецизионное устройство дифференциального усиления напряжения [. ]». Одним из важных слов здесь является «выигрыш». Операционный усилитель имеет бесконечное усиление (теоретически) и получает определенное усиление только путем добавления схемы вокруг него. Обычно, при использовании только одного операционного усилителя, по крайней мере один из входов теряет свой чрезвычайно высокий входной импеданс, потому что необходимы внешние резисторы.

Если вам нужны два (дифференциальные) входы с обеими очень высоким входным сопротивлением и определенной выгодой, вы можете использовать два-операционник-InAmp вы говорите или три-OpAmp-InAmp-конфигурация вашего изображение показывает. Есть также готовые IC InAmps таких компаний, как Linear Technology или Analog Devices.

Обычные три OpAmp-InAmps используют немного другую конфигурацию по сравнению с вашей картинкой, чтобы установить усиление только с одним резистором ( внешний резистор усиления в случае полностью интегрированных InAmps). Пожалуйста, обратитесь к ссылкам, которые я предоставил для более подробной информации.

С тремя OpAmp-InAmp вы получаете очень высокий входной импеданс на двух дифференциальных входах (в то время как вы получите только один вход с таким высоким входным импедансом с обычным буфером OpAmp), и вы получаете очень хороший отказ от общего сигналы режима (это также возможно с помощью одного операционного усилителя, но за счет снижения входного сопротивления с помощью резисторов, которые вы должны использовать, чтобы превратить операционный усилитель в разностный усилитель).

Схема с двумя OpAmp-InAmp требует меньше деталей, но за счет не очень хорошего коэффициента подавления синфазного сигнала (CMRR).

Простейший неинвертирующий усилитель на ОУ

Рассмотрим работу ОУ как отдельного дифференциального усилителя, то есть без включения в рассмотрение каких-либо внешних компонентов. В этом случае ОУ ведёт себя как обычный усилитель с дифференциальным входом, то есть поведение ОУ описывается следующим образом:

((1))

(2)

Простейший неинвертирующий усилитель на ОУ

Параметры ОУ, характеризующие его неидеальность, можно разбить на группы:

Параметры по постоянному току

Параметры по переменному току


Искажение входного П-образного сигнала при ограниченной скорости нарастания выходного сигнала ОУ.

Ограниченная скорость нарастания. Выходное напряжение ОУ не может измениться мгновенно. Скорость изменения выходного напряжения измеряется в вольтах за микросекунду, типичные значения 1÷100 В/мкс. Параметр обусловлен временем, необходимым для перезаряда внутренних ёмкостей.

Ограничения тока и напряжения

Источники

Источник — http://radioprog.ru/post/517
Источник — http://microtechnics.ru/operacionnyj-usilitel/
Источник — http://meanders.ru.com/practicum2.shtml
Источник — http://radiokot.ru/forum/viewtopic.php?t=21209
Источник — http://www.tehnari.ru/f114/t266690/
Источник — http://kit-e.ru/usil/operaczionnye-usiliteli-stremlenie-k-sovershenstvu/
Источник — http://www.electronicsblog.ru/usilitelnaya-sxemotexnika/integrator-i-differenciator-na-ou.html
Источник — http://chipenable.ru/index.php/how-connection/99-analogovyy-komparator-trigger-shmitta.html
Источник — http://qastack.ru/electronics/15999/when-is-it-an-instrumentation-amplifier-in-amp-and-not-an-operational-amplifie
Источник — http://ilab.xmedtest.net/?q=node/3777

Операционный усилитель? Это очень просто! Неинвертирующий усилитель на ОУ. Принцип работы

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

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

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

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

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

Что такое операционный усилитель?

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

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

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

Условное графическое обозначение (УГО)

Условное обозначение операционного усилителя выглядит следующим образом.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Правильное питание ОУ

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

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

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

Пример на батарейках

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

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

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

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

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

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

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

Схемы источников двуполярного питания

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

Схема с трансформатором, с отводом от «средней» точки

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Обратная связь ОУ

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

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

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

В операционном усилителе все происходит подобным образом.

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

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

Положительная обратная связь, отрицательная обратная связь

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

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

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

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

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

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

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

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

Схемы включения операционных усилителей

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

Компаратор на ОУ

Формулы для компараторной схемы будут следующие:

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

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

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

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

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

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

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

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

Триггер Шмитта на ОУ

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

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

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

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

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

Этот зазор позволяет реализовать данная схема посредством положительной обратной связи.

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

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

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

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

Повторитель

Наиболее простой обладатель отрицательной обратной связи это повторитель.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

1В/110=Х/100, отсюда Х = 0,91В

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

С н/п Владимир Васильев.

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

  • 7. Стабилизация рабочей точки бт в схеме с коллекторной стабилизацией. Основные расчетные соотношения.
  • 8. Стабилизация рабочей точки бт в схеме с эмиттерной стабилизацией. Основные расчетные соотношения.
  • 10.Ук на бт с оэ в области средних частот: эквивалентная схема, вх и вых сопротивление, ку по току и апряжению.
  • 11. Ук на бт с об в области средних частот: эквивалентная схема, вх и вых сопротивление, ку по току и напряжению.
  • 12 Ук на бт с ок (эмиттерный повторитель) в области средних частот. Эквивалентная схема, входное и выходное сопротивление, коэффициент усиления по току и напряжению.
  • 13. Обратные связи в усилительных устройствах: основные понятия, классификация.
  • 14. Коэффициент передачи усилителя охваченного ос. Влияние обратных связей на параметры и характеристики усилителя.
  • 15. Сравнительная характеристика параметров ук на бт с оэ, ок и об: коэффициенты усиления по току и напряжению, входное и выходное сопротивление, полоса пропускания.
  • 16. Усилительные каскады на пт с общим истоком.
  • 17. Усилители постоянного тока (упт) на бт: способы устранения дрейфа нуля, согласование уровней постоянного напряжения между каскадами.
  • 18. Двухтактный бестрансформаторный оконечный каскад в режиме класса в. Переходные искажения.
  • 19. Двухтактный бестрансформаторный оконечный каскад в режиме класса ав.
  • 20.Дифференциальные усилительный каскад: принцип действия.
  • 21.Дифференциальный усилительный каскад: вх и вых сопротивление, коэффициенты усиления синф. И диф. Сигналов, Косс.
  • 22. Способы улучшения параметров дифференциальных усилительных каскадов.
  • 23. Классификация и параметры операционных усилителей(оу).
  • 24. Инвертирующий усилитель на оу.
  • 25. Неинвертирующий усилитель на оу.
  • 26. Схема сумматора на оу.
  • 27. Дифференцирующий усилитель на оу.
  • 28. Интегрирующий усилитель на оу.
  • 29. Логарифмирующий усилитель на оу.
  • 30. Антилогарифмирующий усилитель на оу.
  • 31 . Ключ на бт: принципиальная схема, передаточная характеристика, статический режим работы.
  • 32 . Ключ на бт: принципиальная схема, динамический режим работы.
  • 33. Способы повышения быстродействия ключей на бт
  • 34. Ключи на мдп-транзисторах
  • 35. Ключ на комплементарных мдп-транзисторах
  • 36.Логические элементы, логические функции, основные законы алгебры логики
  • 37.Принцип построения лог. Элементов на основе полупроводниковых диодов.
  • 37.Принцип построения лог. Элементов на основе полупроводниковых диодов.
  • 38.Базовый логический элемент транзистрно-транзисторной логики (ттл).
  • 39. Базовый логический элемент эммитерно-связанной логики (эсл).
  • 40.Интегрально-инжекционная логика.
  • 41. Основные параметры являются общими для всех существующих и возможных логических имс и позволяют сравнивать между собой микросхемы различных типов. Основными параметрами являются:
  • 42.Rs–триггер
  • 43. Синхронный rs-триггер.
  • 44. D-триггер
  • 45. Т-триггер
  • 46.Jk-триггер
  • 47.Мультивибратор на логических элементах
  • 48.Особенности диапазона свч. Деление свч диапазона на поддиапазоны.
  • 49. Особенности эп свч с динамическим управлением электронным потоком. Общий принцип действия и характеристики эп свч.
  • 50. Конструкция, принцип действия и параметры двухрезонаторного пролетного клистрона.
  • 51. Устройство и принцип действия лампа бегущей волны о-типа (лбво)
  • 52.Конструкция, принцип действия и условия самовозбуждения лампа обратной волны о-типа
  • 53.Движение электронов в скрещенных постоянных электрическом и магнитном полях.
  • 54.Конструкция,принцип действия, амплитудное и фазовое условия самовозбуждения многорезонаторного магнетрона. Парабола критического режима.
  • 55. Диоды Ганна. Эффект Ганна. Особенности многодолинных полупроводников.
  • 56. Автогенераторы на диодах Ганна. Конструкции, эквивалентная схема. Режимы работы. Параметры генераторов, области применения.
  • 58. Оптические квантовые генераторы (лазеры) на твердом теле: конструкция, принцип действия, параметры, области применения.



  • 25. Неинвертирующий усилитель на оу.

    Схема неинвертирующего усилителя показана на рис. 9.6. Выражение для коэффициента усиления по напряжению для этой схемы получим, так же, как и для предыдущей, из уравнений, составленных по закону Кирхгофа

    С учетом (9.13) выражение для коэф- фициента усиления будет иметь вид

    Из следует, что коэффициент усиления по напряжению в схеме неин- вертирующего усилителя всегда больше 1. В отличие от схемы инвертирующего усилителя в данной схеме ОУ охвачен цепью ООС по напряжению, последовательной по входу. Поэтому входное сопро- тивление этой схемы значительно больше входного сопротивления ОУ без ОС:

    Выходное сопротивление определяется, как и для инвертирующего усилителя, согласно (9.16).

    26. Схема сумматора на оу.

    К суммирующим схемам относятся сумматоры и схемы вычитания. Эти схемы используются для решения алгебраических уравнений и в устройствах аналоговой обработки сигналов. Сумматором называется устройство, на выходе которого сигналы, подаваемые на его входы, суммируются. Сумматоры строятся с использованием инвертирующих и неинвертирующих усилителей.

    Инвертирующий сумматор

    Схема инвертирующего сумматора с тремя входными сигналами приведена на рис. 11.10. Для простоты рассуждений принимаем, что R1=R2=R3=Roc.

    Поскольку у идеального ОУ K U →∞, Rвx →∞, а ток смещения очень мал по сравнению с током обратной связи, то согласно закона Кирхгофа I1+I2+I3=Iос. (11.19) Вследствие того, что инвертирующий вход имеет практически нулевой потенциал, то в нем отсутствует взаимное влияние входных сигналов. Выражение (11.19) может быть представлено в виде Следовательно на выходе получается инвертированная сумма входных напряжений. Если R1≠R2≠R3, то на выходе получается инвертированная сумма входных напряжений (11.20) с различными масштабными коэффициентами. Инвертирующий сумматор объединяет в себе функции сумматора и усилителя при сохранении простоты схемы. Резистор R служит для компенсации сдвига нуля на выходе ОУ, вызванного временными и температурными колебаниями входного тока. Сопротивление R выбирают токай величины, чтобы эквивалентные сопротивления, подключенные ко входам ОУ были одинаковы: R=Roc ||R1||R2||R3 .

    Неинвертирующий сумматор

    Схема неинвертирующего сумматора, который строится на базе неинвертирующего усилителя, приведена на рис. 11.11. Так как при U0=0 напряжения на инвертирующем и неинвертиющем входах равны, то

    Учитывая, что RвxОУ по неинвертирующему входу очень велико, то входной ток равен 0. Согласно закона Кирхгофа можно записать

    Если же в схеме (рис. 11.11) еще подаются сигналы на инвертирующие входы, то схема выполняет операцию сложения- вычитания. Для правильной работы сумматора необходимо сбалансировать инвертирующий и неинвертирующий коэффициент усиления, т.е. обеспечить равенство сумм коэффициентов усиления инвертирующей и неинвертирующей частей схемы.

    27. Дифференцирующий усилитель на оу.

    Дифференцирующий усилитель (дифференциатор) предназначен для получения выходного сигнала пропорционального скорости изменения входного. При дифференцировании сигнала ОУ должен пропускать только переменную составляющую входного напряжения, а коэффициент усиления дифференцирующего звена должен возрастать при увеличении скорости изменения входного напряжения. Схема дифференциатора, на входе которого включен конденсатор С, а в цепи ОС – резистор, представлена на рис. 11.13. Полагая, что ОУ идеальный, ток через резистор обратной связи можно считать равным току через конденсатор Iс+Ir=0,

    , тогда

    Рассмотренный дифференциатор используется редко из-за следующих недостатков:

    1. Низкого входного сопротивления на высоких частотах, определяемого емкостью С;

    2. Относительно высокого уровня шумов на выходе обусловленного большим усилением на высоких частотах;

    3. Склонности к самовозбуждению. (данная схема может быть неустойчивой в области частот, где частотная характеристика дифференциатора (кривая 1 на рис.11.14), имеющая подъем 20 дБ/дек, пересекается с АЧХ скорректированного ОУ, имеющего спад −20дБ/ дек (кривая 2 на рис. 11.14). Амплитудно-частотная характеристика разомкнутой системы в некоторой части частотного диапазона имеет

    спад –40 дБ/дек, который определяется разностью наклона кривых 1 и 2, а фазовый сдвиг ϕ = –180°, что и указывает на возможность самовозбуждения.)

    Чтобы избежать проявления этих недостатков дифференциатора принимаются следующие схемотехнические решения:

    1. Резистор обратной связи шунтируется конденсатором, ёмкость которого выбирается такой, чтобы участок АЧХ ОУ со спадом -20 дБ/дек начинался на частоте более высокой, чем максимальная частота полезного дифференциального сигнала. Это приводит к уменьшению высокочастотных составляющих шума в выходном сигнале. Такой участок начинается на частоте f=1/(2πRocCoc).

    2. Последовательно со входным конденсатором С включается резистор, который ограничивает коэффициент усиления на высоких частотах дифференциатора. Это обеспечивает динамическую устойчивость и снижает входной ёмкостной ток от источника сигнала.

    3. Использование ОУ с низким напряжением смещения и малыми входными токами, а также конденсаторов с малыми токами утечек и малошумящих резисторов.

    Практическая схема дифференциатора и его АЧХ приведены на

    рис. 11.15. Введение резистора R приводит к появлению на частотной характеристике (кривая 1 на рис. 11.15,б) горизонтального участка, где не происходит дифференцирования на частотах, превышающих частоту

    Неинвертирующий усилитель (НУ) – это усилитель, обладающий стабильным коэффициентом усиления при нулевой разности фаз между входными и выходными сигналами.

    В НУ (рис. 5.3) имеет место последовательная ООС по напряжению. При идеальном ОУ (K д = К oc сф = ¥, R ВХ = ¥ и R ВЫХ = 0) R ВЫХ. F = 0 (связь отрицательная и по напряжению), R ВХ. F = ¥ (последовательная ООС).

    , (5.6)

    и согласно рис. 5.4,

    Подставляя (5.7) в (5.6), получим

    . (5.8)

    Коэффициент усиления НУ не зависит от сопротивления источника сигнала R С , так как входное сопротивление НУ равно ¥, и ток через R С не протекает, то падение напряжения на этом сопротивлении отсутствует и . При R 2 = 0, R 1 = ¥ K e F = 1. Значит, выходное напряжение полностью повторяет входное (только на более высоком уровне мощности). Отсюда и название – повторитель напряжения.

    Единичный коэффициент передачи, бесконечно большое входное сопротивление и нулевое выходное делает повторитель идеальным буферным каскадом (трансформатором полного сопротивления).

    Метод резистивной балансировки этой схемы зависит от обстоятельств. Если R С = 0, то симметрирующий резистор R СМ включается последовательно с неинвертирующим входом (рис. 5.5).

    При этом Du ВЫХ описывается выражением (5.5). Ненулевое, но известное и фиксированное внутреннее сопротивление R C можно было бы сбалансировать только резисторами ОС, при условии, что R 1 R 2 /(R 1 +R 2)=R C . Однако при этом будет изменяться и коэффициент усиления схемы (5.8). Проще резисторы R 1 и R 2 выбрать исходя из требуемого коэффициента усиления, а токовую балансировку схемы обеспечить R CM , включённым последовательно с инвертирующим входом (рис. 5.6). Для этой схемы

    . (5.9)

    Если имеет неопределённое и нестабильное значение, то лучше применить ОУ с входным каскадом (дифференциальным) на полевых транзисторах.



    Для уменьшения потенциальной составляющей выходной статической погрешности Du ВЫХ нужно либо использовать соответствующие выводы ОУ, либо при их отсутствии, осуществлять балансировку схемы по входу (рис. 5.7). Настройка нуля в этой схеме немного снижает его коэффициент усиления.

    Конец работы —

    Эта тема принадлежит разделу:

    Аналоговые электронные устройства

    Аналоговые электронные устройства. Часть II. Конспект лекций для студентов специальности “Радиотехника” всех форм обучения..

    Если Вам нужно дополнительный материал на эту тему, или Вы не нашли то, что искали, рекомендуем воспользоваться поиском по нашей базе работ:

    Что будем делать с полученным материалом:

    Если этот материал оказался полезным ля Вас, Вы можете сохранить его на свою страничку в социальных сетях:

    Все темы данного раздела:

    Назначение, параметры
    Компараторы являются простейшими аналого-цифровыми преобразователями (АЦП), т.е. устройствами, преобразующими непрерывный сигнал в дискретный.Они предназначены для сравнения входного сиг

    Особенности применения полупроводниковых компараторов
    Компараторы, получившие наибольшее распространение, можно разделить на четыре группы: общего применения (К521СА2, К521СА5) , прецизионные (К521СА3, К597СА3), быстродействующие (К597СА1, К597СА2) и

    Специализированные компараторы на операционных усилителях
    При сравнении низкочастотных сигналов с высокой точностью (десятки микровольт) при минимальной потребляемой мощности использование компараторов на базе ОУ часто оказывается более предпочтительное,

    В статье будет рассмотрена стандартная на операционном усилителе, а также приведены примеры различных режимов работы этого прибора. На сегодняшний день ни одно устройство управления не обходится без усилителей. Это поистине универсальные приборы, которые позволяют выполнять различные функции с сигналом. О том, как работает и что конкретно позволяет сделать этот прибор, вы и узнаете далее.

    Инвертирующие усилители

    Схема инвертирующего усилителя на ОУ достаточно проста, вы ее можете увидеть на изображении. В ее основе находится операционный усилитель (схемы включения его рассмотрены в данной статье). Кроме этого, здесь:

    1. На резисторе R1 падение напряжения присутствует, по своему значению оно такое же, как входное.
    2. На резисторе R2 также имеется — оно такое же, как выходное.

    При этом отношение выходного напряжения к сопротивлению R2 равно по значению отношению входного к R1, но обратно ему по знаку. Зная значения сопротивления и напряжения, можно вычислить коэффициент усиления. Для этого необходимо разделить выходное напряжение на входное. При этом операционный усилитель (схемы включения у него могут быть любыми) может иметь одинаковый коэффициент усиления независимо от типа.

    Работа обратной связи

    Теперь нужно более детально разобрать один ключевой момент — работу обратной связи. Допустим, на входе имеется некоторое напряжение. Для простоты расчетов примем его значение равным 1 В. Допустим также, что R1=10 кОм, R2=100 кОм.

    А теперь предположим, что возникла какая-то непредвиденная ситуация, из-за которой на выходе каскада напряжение установилось на значении 0 В. Далее наблюдается интересная картина — два сопротивления начинают работать в паре, совместно они создают из себя делитель напряжения. На выходе инвертирующего каскада оно поддерживается на уровне 0,91 В. При этом ОУ позволяет фиксировать рассогласование по входам, а на выходе происходит уменьшение напряжения. Поэтому очень просто спроектировать схему на операционных усилителях, реализующую функцию усилителя сигнала от датчика, например.

    И продолжаться это изменение будет до той самой поры, покуда не установится на выходе значение стабильное в 10 В. Именно в этот миг на входах операционного усилителя потенциалы окажутся равными. И они будут такими же, как потенциал земли. С другой стороны, если на выходе устройства продолжит уменьшаться напряжение, и оно будет меньше, чем -10 В, на входе потенциал станет ниже, нежели у земли. Следствие этого — на выходе начинает увеличиваться напряжение.

    У такой схемы имеется большой недостаток — входной импеданс очень маленький, в особенности у усилителей с большим значением коэффициента усиления по напряжению, в том случае, если цепь обратной связи замкнута. А конструкция, рассмотренная дальше, лишена всех этих недостатков.

    Неинвертирующий усилитель

    На рисунке приведена схема неинвертирующего усилителя на операционном усилителе. Проанализировав ее, можно сделать несколько выводов:

    1. Значение напряжения UA равно входному.
    2. С делителя снимается напряжение UA, которое равно отношению произведения выходного напряжения и R1 к сумме сопротивлений R1 и R2.
    3. В случае, когда UA по значению равен входному напряжению, коэффициент усиления равен отношению выходного напряжения к входному (или же можно к отношению сопротивлений R2 и R1 прибавить единицу).

    Называется данная конструкция неинвертирующим усилителем, у него практически бесконечный входной импеданс. Например, для операционных усилителей 411 серии его значение — 1012 Ом, минимум. А для операционных усилителей на биполярных полупроводниковых транзисторах, как правило, свыше 108 Ом. А вот выходной импеданс каскада, равно как и в ранее рассмотренной схеме, очень мал — доли ома. И это нужно учитывать, когда производится расчет схем на операционных усилителях.

    Схема усилителя переменного тока

    Обе схемы, рассмотренные в статье ранее, работают на Но вот если в качестве связи источника входного сигнала и усилителя выступает переменный ток, то придется предусматривать заземление для тока на входе устройства. Причем нужно обратить внимание на то, что значение тока крайне мало по величине.

    В том случае, когда происходит усиление сигналов переменного тока, необходимо уменьшать коэффициент усиления сигнала постоянного до единицы. В особенности это актуально для случаев, когда коэффициент усиления по напряжению очень большой. Благодаря этому имеется возможность значительно снизить влияние напряжения сдвига, которое приводится к входу устройства.

    Второй пример схемы для работы с переменным напряжением

    В данной схеме на уровне -3 дБ можно видеть соответствие частоте 17 Гц. На ней у конденсатора импеданс оказывается на уровне двух килоом. Поэтому конденсатор должен быть достаточно большим.

    Чтобы построить усилитель переменного тока, необходимо использовать неинвертирующий тип схемы на операционных усилителях. И у него должен быть достаточно большой коэффициент усиления по напряжению. Но вот конденсатор может быть чересчур большим, поэтому лучше всего отказаться от его использования. Правда, придется правильно подобрать напряжение сдвига, приравняв его по значению к нулю. А можно применить Т-образный делитель и увеличить значения сопротивлений обоих резисторов в схеме.

    Какую схему предпочтительнее использовать

    Большинство разработчиков отдают свое предпочтение неинвертирующим усилителям, так как у них очень высокий импеданс на входе. И пренебрегают схемам инвертирующего типа. Зато у последнего имеется огромное преимущество — он не требователен к самому операционному усилителю, который является его «сердцем».

    Кроме того, характеристики, на поверку, у него значительно лучше. И с помощью мнимого заземления можно без особого труда все сигналы комбинировать, причем они не будут оказывать друг на друга какое-то влияние. Может использоваться в конструкциях и схема усилителя постоянного тока на операционном усилителе. Все зависит от потребностей.

    И самое последнее — случай, если вся схема, рассмотренная здесь, подключается к стабильному выходу другого операционного усилителя. В этом случае значение импеданса на входе не играет существенной роли — хоть 1 кОм, хоть 10, хоть бесконечность. В этом случае первый каскад всегда выполняет свою функцию по отношению к следующему.

    Схема повторителя

    Работает повторитель на операционном усилителе аналогично эмиттерному, построенному на биполярном транзисторе. И выполняет аналогичные функции. По сути, это неинвертирующий усилитель, в котором у первого резистора сопротивление бесконечно большое, а у второго равно нулю. При этом коэффициент усиления равен единице.

    Имеются специальные типы операционных усилителей, которые используются в технике лишь для схем повторителей. У них значительно лучшие характеристики — как правило, это высокое быстродействие. В качестве примера можно привести такие операционные усилители как OPA633, LM310, TL068. Последний имеет корпус, как у транзистора, а также три вывода. Очень часто такие усилители называют просто буферами. Дело в том, что они обладают свойствами изолятора (очень большой входной импеданс и крайне низкий выходной). Примерно по такому принципу строится и схема усилителя тока на операционном усилителе.

    Активный режим работы

    По сути, это такой режим работы, при котором выходы и входы операционного усилителя не перегружаются. Если на вход схемы подать очень большой сигнал, то на выходе его просто начнет резать по уровню напряжения коллектора или эмиттера. А вот когда на выходе напряжение фиксируется на уровне среза — на входах ОУ напряжение не меняется. При этом размах не может оказаться большим, нежели напряжение питания

    Большая часть схем на операционных усилителях рассчитывается таким образом, что этот размах меньше питающего напряжения на 2 В. Но все зависит от того, какая используется конкретно схема усилителя на операционном усилителе. Такое же имеется ограничение на устойчивость на базе операционного усилителя.

    Допустим, есть в источнике с плавающей нагрузкой некое падение по напряжению. В случае если ток имеет нормальное направление движения, можно встретить странную на первый взгляд нагрузку. Например, несколько переполюсованных батарей питания. Такая конструкция может применяться для того, чтобы получить прямой ток заряда.

    Некоторые предосторожности

    Простой усилитель напряжения на операционном усилителе (схема может быть выбрана любая) можно изготовить буквально «на коленке». Но потребуется учитывать некоторые особенности. Обязательно нужно удостовериться, что обратная связь в схеме отрицательная. Это также говорит о том, что недопустимо путать неинвертирующий и инвертирующий входы усилителя. Кроме того, должна присутствовать цепочка обратной связи для постоянного тока. Иначе операционный усилитель начнет быстро переходить в режим насыщения.

    У большинства операционных усилителей входное дифференциальное напряжение очень маленькое по значению. При этом максимальная разность неинвертирующего и инвертирующего входов может ограничиваться значением 5 В при любом подключении источника питания. Если пренебречь данным условием, появятся на входе довольно большие значения токов, которые приведут к тому, что все характеристики схемы ухудшатся.

    Самое страшное в этом — физическое разрушение самого операционного усилителя. В результате перестает работать схема усилителя на операционном усилителе полностью.

    Следует учитывать

    И, конечно же, нужно рассказать о правилах, которые стоит соблюдать, чтобы обеспечить стабильную и долговечную работу операционного усилителя.

    Самое главное — ОУ обладает очень высоким коэффициентом усиления по напряжению. И если между входами напряжения изменятся на долю милливольт, на выходе его значение может измениться существенно. Поэтому важно знать: у операционного усилителя выход старается стремиться к тому, чтоб между входами разница напряжений оказалась близка (в идеале равна) к нулю.

    Второе правило — потребление тока операционным усилителем крайне малое, буквально наноамперы. Если же на входах установлены полевые транзисторы, то оно исчисляется пикоамперами. Отсюда можно сделать вывод, что входы не потребляют ток, независимо от того, какой используется операционный усилитель, схема — принцип работы остается тем же.

    Но не стоит думать, что ОУ действительно постоянно меняет на входах напряжение. Физически это осуществить почти нереально, так как не было бы соответствия со вторым правилом. Благодаря операционному усилителю происходит оценка состояния всех входов. При помощи схемы обратной внешней связи передается напряжение на вход с выхода. Результат — между входами операционного усилителя разница напряжений находится на уровне нуля.

    Понятие обратной связи

    Это распространенное понятие, и оно уже применяется в широких смыслах во всех областях техники. В любой системе управления имеется обратная связь, которая сравнивает выходной сигнал и заданное значение (эталонное). В зависимости от того, какое значение текущее — происходит корректировка в нужную сторону. Причем системой управления может быть что угодно, даже автомобиль, которые едет по дороге.

    Водитель жмет на тормоза, и обратная связь здесь — начало замедления. Проведя аналогию с таким простым примером, можно лучше разобраться с обратной связью в электронных схемах. А отрицательная обратная связь — это если бы при нажимании педали тормоза автомобиль ускорялся.

    В электронике обратной связью называют процесс, во время которого происходит передача сигнала с выхода на вход. При этом происходит также погашение сигнала на входе. С одной стороны, это не очень разумная идея, ведь может показаться со стороны, что значительно уменьшится коэффициент усиления. Такие отзывы, кстати, получали основоположники разработки обратной связи в электронике. Но стоит разобраться детальнее в ее влиянии на операционные усилители — практические схемы рассмотреть. И станет ясно, что она и правда немного уменьшает коэффициент усиления, но зато позволяет несколько улучшить остальные параметры:

    1. Сгладить частотные характеристики (приводит их к необходимой).
    2. Позволяет предсказывать поведение усилителя.
    3. Способна устранить нелинейность и искажения сигнала.

    Чем глубже обратная связь (речь идет про отрицательную), тем меньшее влияние оказывают на усилитель характеристики с разомкнутой ОС. Результат — все его параметры зависят только от того, какие свойства имеет схема.

    Стоит обратить внимание на то, что все операционные усилители работают в режиме с очень глубокой обратной связью. А коэффициент усиления по напряжению (с ее разомкнутой петлей) может достигать даже нескольких миллионов. Поэтому схема усилителя на операционном усилителе крайне требовательна к соблюдению всех параметров по питанию и уровню входного сигнала.

    Всем доброго времени суток. В прошлой статье я рассказывал о питания. В данной статье я расскажу о применении ОУ в линейных схемах .

    Повторитель напряжения

    Первая схема, о которой я расскажу, является схема усилителя с единичным усилением (единичный усилитель) или так называемый . Схема данного усилителя показана ниже

    Усилитель с единичным усилением (повторитель напряжения).

    Данная схема представляет собой модификацию , отличие состоит в том, что отсутствуют резистор обратной связи и резистор на инвертирующем входе. Таким образом, напряжение с выхода ОУ полностью поступает на инвертирующий вход ОУ, а, следовательно, коэффициент передачи обратной связи равен единице (β = 1).

    Как известно, входное сопротивление ОУ с обратной связью определяется следующим выражением


    • где R BX – входное сопротивление ОУ без ОС,

    Тогда для повторителя напряжения входное сопротивление будет иметь вид

    Выходное сопротивление ОУ с обратной связью представляет собой следующее выражение


    • где R BЫX – входное сопротивление ОУ без ОС,
    • β – коэффициент передачи цепи ОС,
    • К – коэффициент усиления ОУ без ОС.

    Так как у повторителя напряжения коэффициент передачи обратной связи равен единице (β = 1), то выходное сопротивление будет иметь следующий вид


    Пример расчёта параметров повторителя напряжения

    Для примера рассчитаем повторитель напряжения на ОУ, который имеет на требуемой частоте коэффициент усиления К У = 80 (38 дБ), входное сопротивление R BX = 500 кОм, выходное сопротивление R BЫX = 300 Ом.

    Входное сопротивление повторителя напряжения составит

    Выходное сопротивление повторителя напряжения составит


    Недостатки простейшей схемы повторителя напряжения

    Вследствие того, что усиление ОУ с разомкнутой цепью ОС изменяется с частотой (с ростом частоты происходит уменьшение коэффициента усиления), поэтому входное и выходное сопротивления также зависят от частоты (с ростом частоты входное сопротивление уменьшается, а выходное – возрастает).

    Если входной сигнал имеет достаточно большую постоянную составляющую и значительный размах амплитуды, то может возникнуть ситуация, когда будет превышен предел синфазных входных напряжений. Для устранения данной проблемы сигнал на неивертирующий вход необходимо подавать, через разделительный конденсатор, а между неинвертирующим входом и «землёй» включить резистор, однако этот резистор будет влиять на входное сопротивление повторителя.

    Ещё одним способом улучшения параметров повторителя напряжения, который рекомендуют производители ОУ является включение в цепь ОС и между неинвертирующим входом и «землёй» резисторов с одинаковым сопротивлением. При этом коэффициент усиления ОУ будет также равен единице, но входное и выходное сопротивление будут зависеть от внешних резисторов, а не от параметров ОУ.

    Наиболее действенным способом улучшения параметров единичного усилителя является схема, в которой после схемы повторителя напряжения включить усилитель мощности, обеспечивающий большой выходной ток. В этом случае коэффициент усиления напряжения составит примерно единицу, а ток ОС определяется характеристика усилителя мощности (входное и выходное сопротивление умножаются на коэффициенты усиления обоих усилителей).

    Неинвертирующий усилитель

    После разбора повторителя напряжения, который, по сути, является неинвертирующим усилителем с коэффициентом усиления равным единице, перейдём к рассмотрению схемы неинвертирующего усилителя с произвольным коэффициентом усиления. Такой тип усилителя характеризуется тем, что имеет высокое входное и низкое выходное сопротивление, схема усилителя приведена ниже


    Схема неинвертирующего усилителя.

    Данная схема является одной из стандартных схем включения операционных усилителей и содержит ОУ DA1, резистор смещения R1 и резистор обратной связи R2. Операционный усилитель в данной схеме охвачен последовательной обратной связью по напряжению, коэффициент передачи цепи обратной связи составит


    Тогда входное сопротивление неинвертирующего усилителя составит

    R BX.ОУ – входное сопротивление ОУ при разомкнутой цепи ОС,

    К ОУ – коэффициент усиления ОУ при разомкнутой цепи ОС.

    Выходное сопротивление неинвертирующего усилителя можно вычислить из следующего выражения


    R ВЫХ.ОУ – выходное сопротивление ОУ при разомкнутой цепи ОС.

    Коэффициент усиления неинвертирующего усилителя


    В данном типе усилителя присутствует некоторый уровень напряжения смещения UСМ на входе, поэтому данная схема может быть применена там где уровень смещения напряжения на входе не имеет существенного влияния. Уровень напряжения смещения на входе составит


    Пример расчёта неинвертирующего усилителя

    Рассчитаем неинвертирующий усилитель, который должен обеспечить коэффициент усиления К = 10. В качестве ОУ применим К157УД2, имеющий следующие параметры: коэффициент усиления (на частоте 1 кГц) К = 1800 (65 дБ), входное сопротивление R BX.ОУ = 500 кОм, выходное сопротивление R BЫX.ОУ = 300 Ом, напряжение смещения U CM = 10 мВ, входной ток I ВХ ≤ 500 нА. Входной сигнал имеет уровень U ВХ = 40 мВ.

    Неинвертирующий сумматор

    В продолжение темы неинвертрующих усилителей расскажу о неинвертирующем сумматоре, который выполняет функцию сложения входных сигналов и находит своё применение в качестве линейных смесителей сигналов (микшеров), например, когда сигналы из нескольких источников необходимо скомбинировать и подать на вход усилителя мощности. Схема неинвертирующего сумматора представлена ниже



    Данная схема представляет собой неинвертирующий усилитель с двумя входами и состоит из ОУ DA1, токоограничительных входных резисторов R1 и R2, резистора смещения R3 и резистора обратной связи R4.

    Для данной схемы основные соотношения соответствуют схеме простого неинвертирующего усилителя, с учётом того что входное напряжение в схеме соответствует среднему напряжению входных выводов


    А сопротивление резисторов должны соответствовать следующему условию


    Коэффициенты усиления по разным каналам определяются следующим выражением


    R N – сопротивление входного резистора,

    K N – коэффициент усиления соответствующего канала усиления.

    Основным недостатком схемы неинвертирующего сумматора является отсутствие точки нулевого потенциала, поэтому коэффициент усиления по различным входам не являются независимыми. Данный недостаток проявляет себя в тех случаях, когда внутреннее сопротивление источников входных напряжений или только одного из них известно приблизительно или изменяется в процессе работы.

    Теория это хорошо, но без практического применения это просто слова.

    Инвертирующий усилитель на ОУ. Принцип работы

    Инвертирующий усилитель является одним из самых простых и наиболее часто используемых аналоговых схем. С помощью всего двух резисторов, мы можем выставить необходимый нам коэффициент усиления. Ничего не мешает нам сделать коэффициент менее 1, тем самым ослабив входной сигнал.

    Часто к схеме добавляют еще один резистор R3, сопротивление которого равно сумме R1 и R2.

    Чтобы понять, как работает инвертирующий усилитель, смоделируем простую схему. У нас на входе напряжение 4В, сопротивление резисторов составляет R1=1к и R2=2к. Можно было бы, конечно, подставить все это в формулу и сразу вычислить результат, но давайте посмотрим, как именно работает эта схема.

    Начнем с напоминания основных принципов работы операционного усилителя:

    Правило №1 — операционный усилитель оказывает воздействие своим выходом на вход через ООС (отрицательная обратная связь), в результате чего напряжения на обоих входах, как на инвертирующем (-), так и на неинвертирующем (+) выравнивается.

    Обратите внимание, что неинвертирующий вход (+) соединен с массой, то есть на нем напряжение равное 0В. В соответствии с правилом №1 на инвертирующем входе (-) так же должно быть 0В.

    Силиконовый коврик для пайки

    Размер 55 х 38 см, вес 800 гр….

    Итак, мы знаем напряжение, находящееся на выводах резистора R1 и его сопротивление 1к. Таким образом, с помощью закона Ома мы можем выполнить расчет, и рассчитать, какой ток течет через резистор R1:

    IR1 = UR1/R1 = (4В-0В)/1к = 4мА.

    Чтобы знать, куда дальше течет этот ток, мы должны знать еще принцип действия усилителя:

    Правило №2 — входы усилителя не потребляют ток

    Таким образом, ток, протекающий через R1, течет далее через R2!

    Снова воспользуемся законом Ома и вычислим, какое падение напряжения происходит на резисторе R2. Мы знаем его сопротивление и знаем какой ток через него, следовательно:

    UR2 = IR2R2 = 4мА *2к = 8В.

    Получается, что на выходе мы имеем 8В? Не совсем так. Напомню, что это инвертирующий усилитель, т. е. если на вход мы подаем положительное напряжение, а на выходе снимаем отрицательное. Как же это происходит?

    Это происходит вследствие того, что обратная связь установлена на инвертирующем входе (-), и для уравнивания напряжений на входе усилитель снижает потенциал на выходе. Соединения резисторов можно рассмотреть как простой делитель напряжения, поэтому чтобы потенциал в точке их соединения был равен нулю, на выходе должно быть минус 8 вольт: Uвых. = -(R2/R1)*Uвх.

    Есть еще один подвох, связанный с 3 правилом:

    Правило №3 — напряжения на входах и выходе должны быть в диапазоне между положительным и отрицательным напряжением питания ОУ.

    То есть нужно проверить, что рассчитанные нами напряжения можно реально получить через усилитель. Часто начинающие думают, что усилитель работает как источник свободной энергии и вырабатывает напряжение из ничего. Но надо помнить, что для работы усилителя также нужно питание.
    Классические усилители работают от напряжения -15В и +15В. В такой ситуации наши -8В, которые мы рассчитали, являются реальным напряжением, так как находится в этом диапазоне.

    Однако современные усилители часто работают с напряжением 5В и ниже. В такой ситуации нет никаких шансов, чтобы усилитель выдал нам минус 8В на выходе. Поэтому, при проектировании схем всегда помните, что теоретические расчеты всегда нужно подкреплять реальностью и физическими возможностями.

    Необходимо отметить, что инвертирующий усилитель имеет один недостаток. Мы уже знаем, что повторитель напряжения не нагружает источник сигнала, поскольку входы усилителя имеют очень большое сопротивление, и потребляют ток так мало, что в большинстве случаев его можно игнорировать (правило №2).

    Инвертирующий же усилитель имеет входное сопротивление равное сопротивлению резистора R1, на практике оно составляет от 1к…1М. Для сравнения, усилитель с входами на полевых транзисторах имеет сопротивление порядка сотен мегаом и даже гигаом! Поэтому иногда может быть целесообразно перед усилителем установить повторитель напряжения.

    Операционный усилитель это интегральная микросхема


    Операционный усилитель это элемент электроники

    Операционный усилитель это один из главных составных частей нынешней электроники. Обладая прекрасными характеристиками и легкости расчетных функций, ОУ довольно просты в использовании. У операционных усилителей есть еще другое, параллельное название — дифференциальный усилитель, из-за того, что у него имеется возможность усиления разности входных напряжений.

    В основном операционные усилители производятся в виде интегральных микросхем. В зависимости от назначения, могут размещаться по одному чипу в корпусе, а в некоторых случаях по два и более. Также производители выпускают ОУ различных модификаций, которые имеют существенные различия в технических характеристиках относительно друг друга.

    По теоретическим расчетам ОУ обладает совершенными параметрами, в практическом же применении его характеристики только на пути к безупречным. Тем не менее в определенных моментах они достигаются. Применение понятия «совершенного» операционного усилителя способствует сделать расчеты более простыми.


    Ламповый операционный усилитель K2-W

    Такими безупречными характеристиками являются:

    • бесконечно большое усиление при открытой петли обратной связи;
    • бесконечно широкая полоса передаваемых частот;
    • бесконечно большое входное сопротивление;
    • импеданс равный нулю;
    • выходное напряжение равно нулю при равенстве входных напряжений.

    Из этого можно понять, что такие параметрические данные не могут быть гарантированы в полном объеме, хотя производители ежегодно улучшают характеристики операционников, тем самым делая их почти идеальными.

    Существует некоторое количество ключевых схем, по которым работает ОУ:

    • инвертирующий
    • не инвертирующий
    • вычитание
    • сложение
    • дифференцирование
    • интегрирование
    • повторитель напряжения
    • аналоговый компаратор

    Принцип действия инвертирующего усилителя

    Данная аналоговая схема считается наиболее простой и часто используемая в электронике. Рабочие действия ОУ заключаются в усилении либо снижении сигнала на входе устройства, при этом он способен выполнять фазовую модуляцию. Функция усиливающая сигнал определяется буквенным обозначением k. Представленное графическое изображение демонстрирует определенное воздействие операционного усилителя в данной схеме:

    Амплитуда отображенная синим цветом является сигналом во входном тракте устройства, а амплитуда красного цвета — выходная цепь. Как можно заметить на графике, идет двойное усиление сигнала, при этом амплитуда имеет перевернутый вид.

    Принципиальная схема данного усилителя показана на снимке ниже:

    Принцип действие данной схемы, как бы обосновывает популярность этого электронного прибора. Для того, чтобы определить коэффициент усиления сигнала на выходе нужно воспользоваться формулой приведенной ниже:

    Включенный в схему постоянное сопротивление R3 выполняет функцию защиты микросхемы.

    Принцип действия не инвертирующего усилителя

    Схема не инвертирующего усилителя выполнена по аналогии инвертирующего усилителя, но с одним лишь отличием, в этом варианте не выполняется изменение полярности сигнала, то-есть фаза остается без изменений. Показанное ниже графическое изображение показывает прохождение выходного сигнала:

    В данной схеме, при подаче во входную цепь синусоидального сигнала, усиленный выходной импульс, так же как и в предыдущей схеме составляет k=2, то есть двойной коэффициент усиления. График показывает, что при этом изменился только размах амплитуды.

    На изображении ниже, показана схема ОУ работающего как не инвертирующий усилитель:

    Показанная здесь схема, с включенными в нее парой резисторов, так же отличается своей простотой в исполнении. Сигнальный импульс по входу поступает на плюсовой вход микросхемы. Для расчета коэффициента усиления сигнала служит следующая формула:

    Формула определяет: у усиливающего сигнала не должно быть условное значение, которое меньше «1», тем самым микросхема не даст возможности уменьшить сигнал.

    Принцип работы операционного усилителя в схеме вычисления — дифференциальный усилитель

    Следующим вариантом применения ОУ будет дифференциальный усилитель, и возможностью получения по входу разность двух сигнальных импульсов с последующим усилением. Представленный ниже график показывает работу микросхемы.

    Очередная схема, способна выполнить следующую работу ОУ:

    Данный вариант принципиальной схемы не такой простой как представленные выше, а немного посложнее. Для вычисления выходного напряжения, нужно воспользоваться формулой:

    Одна часть формулы определяет усиление либо уменьшение, другая часть высчитывает разницу 2-х напряжений.

    Операционный усилитель работающий по схеме сложения

    Этот характер работы микросхемы кардинально отличается от варианта вычитания. В данном случае имеется значительное преимущество прибора, а именно: его способность обрабатывать одновременно несколько сигнальных импульсов. Такой принцип функционирования используют все звуковые микшеры.

    Представленная схема показывает ее возможность сложения большого количества сигналов, она не очень сложная и разобраться с ней не составит никакого труда. Для вычисления данных применяется формула:

    Начинающим. Операционные усилители

    Опр. Опера. Ус.

    Основные параметры ОУ

    Интегральный ОУ имеет следующие основные параметры:

       1. Коэффициент усиления напряжения KyU˜ отношение изменения выходного напряжения к вызвавшему его изменению входного напряжения. В общем случае коэффициент напряжения ОУ, не охваченного обратной связью, равен произведению KyU всех его каскадов. В настоящее время Ky некоторых усилителей по постоянному току превышает 3.106. Однако значение его уменьшается с ростом частоты входного сигнала, при этом суммарная АЧХ имеет столько изломов, сколько усилительных каскадов в ОУ. Каждый каскад на высоких частотах вносит фазовый сдвиг, который влияет на устойчивую работу ОУ, охваченного отрицательной обратной связью (ООС). Устойчивой работы усилительных каскадов ОУ добиваются введением частотной коррекции внешних нагрузочных RC˜ цепей. Для стабилизации двухкаскадного усилителя обычно требуется одна цепь, трехкаскадного ˜ две. Многие ОУ последних выпусков не требуют внешних цепей коррекции, так как в их схему уже введены необходимые элементы.

       2. Частота единичного усиления fI˜ значение частоты входного сигнала, при котором значение коэффициента усиления напряжения ОУ падает до единицы. Этот параметр определяет максимально реализуемую полосу усиления ОУ. Выходное напряжение на этой частоте ниже, чем для постоянного тока в 30 раз.

       3. Максимальное выходное напряжение UВЫХ макс ˜ максимальное значение выходного напряжения, при котором искажения не превышают заданного значения. В отечественной практике этот измеряется относительно нулевого потенциала как в положительную, так и в отрицательную сторону ↑↓U ВЫХ макс . В зарубежных каталогах приводят значение максимального диапазона выходных напряжений, который равен 2UВЫХ . Выходное напряжение измеряется при определенном сопротивлении нагрузки. При уменьшении сопротивления нагрузки величина UВЫХ макс уменьшается.

       4. Скорость нарастания выходного напряжения VUвых ˜ отношение изменения UВЫХ от 10 до 90% от своего номинального значения ко времени, за которое произошло это изменение. Параметр характеризует скорость отклика ОУ на ступенчатое изменение сигнала на входе; при измерении ОУ охвачен ООС с общим коэффициентом усиления от 1 до 10.

       5. Напряжение смещения UСМ ˜ значение напряжения, которое необходимо подать на вход ОУ, чтобы на выходе напряжение было равно 0. Операционный усилитель реализуется в виде микросхемы со значительным числом транзисторов, характеристики которых имеют разброс по параметрам, что приводит к появлению постоянного напряжения на выходе в отсутствие сигнала на входе. Параметр UСМ помогает разработчикам рассчитывать схемы устройств, подбирать номиналы компенсационных резисторов.

       6. Входные токи IВХ ˜ токи, протекающие через входные контакты ОУ. Эти токи обусловлены базовыми токами входных биполярных транзисторов и токами утечки затворов для ОУ с полевыми транзисторами на входе. Входные токи, проходя через внутреннее сопротивление источника сигнала, создают падение напряжений, которые могут вызывать появление напряжения на выходе в отсутствие сигнала на входе.

       7. Разность входных токов ↑↓IВХ. Входные токи могут отличаться друг от друга на 10 … 20%. Зная разность входных токов, можно легко подобрать номинал балансировочного резистора. Все параметры ОУ изменяют свое значение ˜ дрейфуют с изменением температуры. Особенно важными дрейфами являются:

       8. Дрейф напряжения смещения ↑↓UСМ.
    9. Дрейф разности входных токов ↑↓IВХ.

       10. Максимальное входное напряжение UВХ ˜ напряжение, прикладываемое между входными выводами ОУ, превышение которого ведет к выходу параметров за установленные границы или к разрушению прибора. В таблицах приводятся значения ↑↓UВХ, в зарубежной литературе абсолютные значения диапазона.

       11. Максимальное синфазное входное напряжение. UВХ СФ ˜ наибольшее значение напряжения прикладываемого одновременно к обоим входным выводам ОУ относительно нулевого потенциала, превышение которого нарушает работоспособность прибора. В отечественной документации приводят модуль величины U ВХ СФ, а в зарубежной диапазон.

       12. Коэффициент ослабления синфазного сигнала КОССФ ˜ отношение коэффициента усиления напряжения, приложенного между входами ОУ, к коэффициенту усиления общего для обоих входов напряжения.

       13. Выходной ток IВЫХ ˜ максимальное значение выходного тока ОУ, при котором гарантируется работоспособность прибора. Это значение определяет минимальное сопротивление нагрузки. Очень важно при расчете комплексного сопротивления нагрузки учитывать, что при переходных процессах включения (выключения) ОУ значение емкостной или индуктивной составляющей сопротивления нагрузки резко изменяются и при неправильном подборе нагрузки схема может выйти из строя.

       Часто вместо значения IВЫХ в документации приводят минимальное значение сопротивления нагрузки RH. Большая часть ОУ, разработанных в последнее время, имеют каскад, ограничивающий величину выходного тока при внезапном замыкании выходного контакта на шину источника питания или нулевой потенциал. Предельный выходной ток при этом ˜ ток короткого замыкания IКЗ равен 25 мА.

       Конструкторы и технологи микросхем ОУ постоянно ищут способы улучшения основных параметров приборов: увеличение KyU, fI, VUвых и др. Применяя схемотехнические решения и вводя новые технологические приемы, стараются снизить значение «паразитных» параметров UСМ, IВХ, ↑↓IВХ и их дрейфов, а также мощность, потребляемую прибором. Как правило достичь максимальных значений для всех параметров невозможно. Достижение максимального значения одного параметра часто осуществляется за счет ухудшения другого. Так, увеличение коэффициента усиления по напряжению влечет за собой снижение частотных свойств, и наоборот.

    Принцип работы усилителя: операционного, магнитного, вакуумного

    Автор admin На чтение 6 мин. Просмотров 400

    Что такое операционный усилитель? Усилители сигнала используются в радиотехнической промышленности в совокупности с слабосильными передатчиками. Грамотно подключенный усилитель позволяет повышать мощность сигнала в сотни, тысячи и десятки тысяч раз. Для того, чтобы разобраться в принципах работы этих устройств рассмотрим наиболее распространенные варианты: усилители операционные, вакуумные и магнитные.

    • Операционный усилитель
    • Базовая информация
    • Принцип работы
    • Вакуумные усилители.
    • Диод и триод
    • Сеточные токи
    • Магнитные усилители
    • Общие данные
    • Принцип работы
    • Какой усилитель лучше?

    Операционный усилитель

    Чтобы понять, что такое и как работает операционный усилитель, ознакомимся с базовой информацией о нем.

    Схемы операционного усилителя

    Базовая информация

    Это продукт гением советской промышленности. По факту это наиболее распространенный в настоящий момент аппарат, поскольку он позволяет получить существенные усиления сигнала: порядка 40 – 50 тысяч. Что это значит? Если после передатчика идет сигнал мощностью 0,04 Вт, на выходе получится около 16 кВт. Актуально использование таки усилителей для больших радиостанций.

    Для большей части радиолюбителей изучение принципов работы операционного усилителя не имеет смысла. Проще воспринимать этот прибор как черный ящик, который делает свое дело. Как именно? Большую часть людей это не волнует. Зато большое значение оказывает реальная польза устройства и умения по настройке прибора. Поэтому, разберем на пальцах основной принцип работы устройства, не углубляясь в дебри теории. Поскольку выкладок для объяснения работы операционного усилителя хватит на написание небольшой монографии.

    Принцип работы

    Принцип работы операционного усилителя следующий: в базовой комплектации усилитель имеет два входа: инверсионный и не инверсионный. В зависимости от способа подключения возможны следующие варианты работы устройства:

    • Инвертирующий. Этот режим позволяет изменить полярность тока.
    • Неинвертирующий. Этот режим отвечает за повышение численных параметров.
    • Дифференционный. Это совмещенный режим, позволяющий одновременно изменить полярность и величину напряжения на входе. Однако при этом требуется подключение дополнительных источников питания.

    Операционный усилитель можно считать примером простейшей автоматики. Большой функционал в итоге привел к появлению в составе прибора трех блоков, каждый из которых отвечает за свой режим работы. Само устройство представляет собой сеть мини транзисторов.

    Вкратце работа прибора выглядит так: сравниваются токи на входе и параметры тока питания. Цель усилителя в данном случае: выровнять два сигнала, приведя их к некоторому общему значению. Для каждого из режимов существует своя схема подключения, которая помимо прибора включает в себя несколько резисторов, необходимых для работы прибора.

    Вакуумные усилители.

    Чтобы понять принцип работы вакуумного усилителя, необходимо вспомнить или изучить понятия диод и триод.

    Вакуумный усилитель

    Диод и триод

    Чтобы говорить о принципах работы вакуумного усилителя, придется вспомнить, что такое диод и триод. Диодом в общем случае называют лампу, которая состоит из двух элементов: анода и катода. Анод подключается к положительному полюсу питания, катод к отрицательному. В итоге между двумя полюсами возникает разность потенциалов, проще говоря – напряжение. Лампа загорается.

    В работе диода существует весомая проблема. Катод представляет собой трубку, в которую помещается анод. Электроны перебегают в вакуумном пространстве от катода к аноду. Отсюда и название усилителя – вакуумный. В результате образуется электронное облако, которое примерно 2/3 электронов отправляет обратно к катоду.

    Здесь и кроется самый интересный момент истории с диодом: чтобы усилить электрический ток в диоде нужно установить третий элемент: управляющую сетку. Эта спираль, которая наматывается вокруг анода. На спираль подают небольшое отрицательное напряжение в несколько вольт. В результате спираль на малых расстояниях создает столь сильное поле, что все электроды потока катод-анод оседают на аноде. В результате мы имеем увеличение сигнала.

    Сеточные токи

    Однако, подобный усилитель имеет крайне большую проблему: при подаче на сетку не положительного, а отрицательного напряжения, электроды оседают на сетке. Этот случай называется запиранием. Ток может вообще прекратить свой путь к аноду, полностью перетекая в сетку. В условиях радиотехники это означает потерю сигнала.

    Поэтому триодные вакуумные усилители используют только в условиях работы с отрицательным напряжением. В комплект к устройству в обязательном порядке подключают резистор с нагрузочным напряжением. Система из нескольких резисторов и вакуумного триода и называется вакуумным усилителем.

    Интересно, что повышающий коэффициент устройства мал относительно операционной схем. Но далеко не всегда в радиотехнике требуется усиление сигнала в десятки тысяч раз. Для вакуумных усилителей нормой считаются значения в 200-300 раз.

    Магнитные усилители

    Это другой вид усилителя. Чтобы понять принцип работы магнитного усилителя, изучим все сведения о нем.

    Магнитный усилитель

    Общие данные

    Принцип действия магнитных усилителей основан на способности ферромагнетиков издавать меньшее по силе магнитное поле при насыщении. Этот прибор представляет собой три катушки. Из них одна – центральная является управляющей, две другие – рабочими. Рабочие катушки подключаются к потребителю, управляющая к источники питания.

    Свое распространение магнитные усилители получили благодаря огромному количеству положительных качеств:

    • Дешевизне производства. Фактически любой любитель может дома изготавливать подобные конструкции в любых количествах.
    • Чувствительности. Любое изменение микротока сразу же изменяет проходящий сквозь усилитель сигнал. Это достигается за счет взаимно связанных процессов электроиндукции в катушке.
    • Пожаробезопасности. Усилитель представляет собой простой сердечник с медной обмоткой. Здесь банально нечему гореть.
    • Широкий спектр рабочих значений. Усилитель может работать с параметрами от нескольких сотых Вт до нескольких сотен Вт.

    Все это в совокупности делает магнитные усилители достаточно частым решением в радиотехнике средних и малых размеров.

    Принцип работы

    Предположим, что в нулевой момент времени, ток от абонента не поступает. В этом случае, сердечник управляющей обмотки находится в ненасыщенном состоянии. При этом сопротивление на управляемых катушкам максимально.

    Как только сквозь боковые катушки начинает проходить сигнал от потребителя – ситуации меняется. Чем сильнее сигнал, тем выше насыщение центрального сердечника, тем меньшее магнитное поле он генерирует. Как результат в боковых сердечниках значительно уменьшается сопротивление, вызванное индукционными токами.

    Уменьшение сопротивления приводит к росту силы тока. Таким образом и получается оказывать усиливающее действие за счет изменения магнитной насыщенности центрального сердечника.

    Какой усилитель лучше?

    В радиотехнике, как и в любой другой точной науке, нет ничего однозначно хорошего или однозначно плохого. Все зависит от конкретных условий. Нужно выбирать исходя из опыта радиолюбителя и потребностей машины. Ни к чему ставить сложный операционный усилитель на бытовые приемники. Зато сюда отлично подойдет вакуумное триодное устройство.

    Однако в общем случае, все чаще выбирается магнитный усилитель, как наиболее оптимальный вариант, легкий в настройке и надежный в работе.

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

    Операционный усилитель или Операционный усилитель представляет собой усилитель напряжения со связью по постоянному току с очень высоким коэффициентом усиления по напряжению.

    Операционный усилитель — это, по сути, многокаскадный усилитель, в котором несколько каскадов усилителя 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 Op Amp используется для обозначения усилителя, который может быть сконфигурирован для выполнения различных операций, таких как усиление, вычитание, дифференцирование, сложение, интегрирование и т. Д. Примером является очень популярная IC 741.

    Символ и его фактический внешний вид в форма IC показана ниже. Символ отображается в виде стрелки, означающей, что сигнал проходит 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 для подачи напряжения, как показано выше. Две входные клеммы образуют дифференциальный вход. Мы называем клемму, отмеченную отрицательным знаком (-), инвертирующей клеммой, а клемму, отмеченную положительным знаком (+), неинвертирующей клеммой операционного усилителя . Если мы подаем входной сигнал на инвертирующий вывод (-), то усиленный выходной сигнал будет сдвинут по фазе на 180 o относительно подаваемого входного сигнала.Если мы подадим входной сигнал на неинвертирующую клемму (+), то полученный выходной сигнал будет синфазным, то есть не будет иметь сдвига фазы относительно входного сигнала.

    Источник питания для операционного усилителя

    Как видно из обозначения схемы выше, он имеет две входные клеммы источника питания + V CC и –V CC . Для работы операционного усилителя необходим источник постоянного тока двойной полярности. В двухполюсном источнике питания мы подключаем + V CC к положительному источнику постоянного тока, а клемму –V CC — к отрицательному источнику постоянного тока.Однако некоторые операционные усилители также могут работать от источника питания с одной полярностью. Обратите внимание, что в операционных усилителях нет общей клеммы заземления, поэтому заземление необходимо устанавливать снаружи.

    Принцип работы операционного усилителя

    Операционный усилитель с разомкнутым контуром

    Как сказано выше, операционный усилитель имеет дифференциальный вход и несимметричный выход. Итак, если мы подадим два сигнала: один на инвертирующий, а другой на неинвертирующий, идеальный операционный усилитель усилит разницу между двумя подаваемыми входными сигналами.Мы называем эту разницу между двумя входными сигналами дифференциальным входным напряжением. Приведенное ниже уравнение дает выходной сигнал операционного усилителя, где V OUT — 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 — 2 x 10 5 .
    В 1 — напряжение на неинвертирующей клемме.
    В 2 — напряжение на инвертирующем выводе.
    1 — В 2 ) — дифференциальное входное напряжение.
    Из приведенного выше уравнения ясно, что выходной сигнал будет отличным от нуля тогда и только тогда, когда дифференциальное входное напряжение не равно нулю (V 1 и V 2 не равны), и будет нулевым, если оба V 1 и V 2 равны. Учтите, что это идеальное состояние, в операционном усилителе практически есть небольшие дисбалансы. Коэффициент усиления разомкнутого контура операционного усилителя очень высок. Следовательно, операционный усилитель без обратной связи усиливает небольшое приложенное дифференциальное входное напряжение до огромного значения.
    Кроме того, верно, что если мы применяем небольшое дифференциальное входное напряжение, операционный усилитель усиливает его до значительного значения, но это значительное значение на выходе не может выходить за пределы напряжения питания операционного усилителя. Следовательно, это не нарушает закон сохранения энергии.

    Работа с замкнутым контуром

    Выше объясненная работа операционного усилителя была для разомкнутого контура, то есть без обратной связи. Мы вводим обратную связь в конфигурации с обратной связью. Этот путь обратной связи подает выходной сигнал на вход.Следовательно, на входах одновременно присутствуют два сигнала. Один из них — исходный приложенный сигнал, а другой — сигнал обратной связи. Уравнение ниже показывает выходной сигнал операционного усилителя с обратной связью. Где V OUT — напряжение на выходном зажиме операционного усилителя. CL — это усиление с обратной связью. Схема обратной связи, подключенная к операционному усилителю, определяет коэффициент усиления с обратной связью A CL . V D = (V 1 — V 2 ) — дифференциальное входное напряжение.Мы называем обратную связь положительной, если путь обратной связи передает сигнал с выходной клеммы обратно на неинвертирующую (+) клемму. Положительная обратная связь используется в генераторах. Обратная связь является отрицательной, если тракт обратной связи подает часть сигнала с выходной клеммы обратно на инвертирующую (-) клемму. Мы используем отрицательную обратную связь для операционных усилителей, используемых в качестве усилителей. У каждого типа обратной связи, отрицательной или положительной, есть свои преимущества и недостатки.

    Положительная обратная связь ⇒ Осциллятор
    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. Бесконечное усиление напряжения (так, чтобы был получен максимальный выходной сигнал)
    2. Бесконечное входное сопротивление (благодаря этому практически любой источник может управлять им. )
    3. Нулевое выходное сопротивление (чтобы не происходило изменения выходного сигнала из-за изменения тока нагрузки)
    4. Бесконечная полоса пропускания
    5. Нулевой шум
    6. Нулевой коэффициент отклонения источника питания (PSSR = 0)
    7. Бесконечный коэффициент отклонения синфазного сигнала ( CMMR = ∞)

    Практический операционный усилитель

    Ни один из приведенных выше параметров не может быть практически реализован.Практичный или реальный операционный усилитель имеет неизбежные недостатки, поэтому его характеристики отличаются от идеальных. Настоящий операционный усилитель будет иметь ненулевые и небесконечные параметры.

    Применение операционного усилителя

    Интегрированные операционные усилители обладают всеми преимуществами ИС, такими как высокая надежность, малый размер, дешевизна и меньшее энергопотребление. Они используются в различных приложениях, таких как инвертирующий усилитель и неинвертирующие усилители, буфер с единичным усилением, суммирующий усилитель, дифференциатор, интегратор, сумматор, инструментальный усилитель, генератор моста Вина, фильтры и т. Д.

    Как работают операционные усилители?

    Загрузить статью в формате .PDF

    Хотя иногда это считается само собой разумеющимся, разработчики не должны упускать из виду сложности операционных усилителей с обратной связью по напряжению и току — неотъемлемых элементов аналогового и смешанного сигналов. Операционные усилители усиливают крошечные сигналы от датчиков, поэтому аналого-цифровые преобразователи (АЦП) могут оцифровывать их. Они также позволяют создавать активные фильтры с лучшими характеристиками, чем фильтры, построенные только из катушек и конденсаторов.Хотя схема ИС операционного усилителя имеет тенденцию быть тонкой и сложной, принципы ее применения — по крайней мере в первом приближении — относительно просты.

    Определение операционного усилителя

    Операционный усилитель или ОУ обычно состоит из каскада дифференциального входа с высоким входным сопротивлением, каскада промежуточного усиления и двухтактного выходного каскада с низким выходным сопротивлением (не более 100 Ом) (рис. 1) .


    1. Основными характеристиками операционного усилителя являются высокий входной импеданс, низкий выходной импеданс и высокий коэффициент усиления без обратной связи.Все это способствует возможности управления усилением с обратной связью и входным сопротивлением.

    Коэффициент усиления по напряжению разомкнутого контура очень высокий, порядка 1 миллиона. Каскад дифференциального входа подразумевает инвертирующий и неинвертирующий вход. Благодаря двойному (положительному и отрицательному) источникам питания 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, подчеркнув различные рабочие характеристики (см. Таблицу) .

    Отрицательная обратная связь управляет усилением, поведение в частотной области

    Отношение выходного сопротивления к входному сопротивлению определяет коэффициент усиления операционного усилителя, который использует отрицательную обратную связь (рис. 2) . Если одно из этих импедансов является реактивным (практически, если это импеданс емкостной обратной связи) и имеется чисто резистивный входной импеданс, коэффициент усиления A определяется по формуле:

    .

    В этом случае характеристика усиления зависит от частоты. С точки зрения частотной области схема представляет собой фильтр нижних частот. Во временной области выходной сигнал схемы является интегралом входного сигнала. Кроме того, умножается кажущаяся емкость цепи. Путем простого изменения входного сопротивления становится легко построить схему с выходным напряжением, которое в 0,1, или в 1, или в 10 раз больше интеграла входного напряжения.

    Входное смещение / смещение и общий режим

    Фактические входные каскады могут иметь ошибки смещения и смещения (рис.3) . Входные токи смещения (порядка наноампер) текут, потому что входной импеданс конечен, и они в конечном итоге влияют на линейность. Разработчики операционных усилителей могут найти компромисс между более высокими токами смещения в пользу более высоких скоростей. Смещение представляет собой разницу напряжений, вызванную изменением токов смещения на двух входах.


    3. Входные токи смещения, влияющие на линейность, присутствуют, поскольку входной импеданс не бесконечен. Смещение напряжения отражает любую разницу между токами смещения на двух входах.

    Реальные операционные усилители также имеют ограничения по максимально допустимому входному напряжению. Такое допустимое синфазное колебание обычно падает ниже напряжения питания. Некоторые операционные усилители рассчитаны на перепады входного напряжения между питанием от шины питания (или почти с питанием от шины).

    Операционные усилители с обратной связью по напряжению и току

    Существуют практические различия между топологиями операционных усилителей с обратной связью по напряжению и по току, как в том, как они построены, так и в том, как они используются.

    Усилители с обратной связью по напряжению (VFB) фактически управляют выходным напряжением с помощью каскада усиления по напряжению (рис.4) . Разность напряжений между двумя входами умножается на безразмерную константу усиления (A). В усилителе VFB с отрицательной обратной связью выходной сигнал изменяется, чтобы довести разность напряжений между инвертирующим и неинвертирующим входом до нуля.


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

    Идеальный VFB должен обладать очень большим коэффициентом усиления холостого хода, который не зависит от входной частоты. Однако в реальном VFB усиление разомкнутого контура велико на постоянном токе, но падает на 6 дБ / октаву (рис.5) . По мере уменьшения коэффициента усиления без обратной связи коэффициент усиления ОУ с отрицательной обратной связью падает ниже отношения R F / R I . Когда коэффициент усиления холостого хода равен R F / R I , общее усиление схемы будет вдвое меньше его значения по постоянному току. Это называется шириной полосы по уровню –3 дБ.


    5. В VFB коэффициент усиления разомкнутого контура велик на постоянном токе. Выше он спад на 6 дБ / октаву. Произведение коэффициента усиления и ширины полосы, произведение коэффициента усиления на ширину полосы, является постоянным в большей части частотного диапазона схемы усилителя.

    Для большей части частотного диапазона произведение коэффициента усиления и ширины полосы, или произведение коэффициента усиления и ширины полосы пропускания (GBP), становится постоянным. Следовательно, для любого реального усилителя VFB можно спроектировать схему с высоким коэффициентом усиления или широкой полосой пропускания, но не то и другое вместе.

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


    6. Усилители CFB имеют на входе буфер единичного усиления. Выходное напряжение — это ток, протекающий между входами, умноженный на передаточное сопротивление.

    Буфер влияет на характеристики разомкнутого контура CFB по-разному:

    • Очень высокое входное сопротивление на неинвертирующем входе
    • Очень низкий входной импеданс на инвертирующем импедансе
    • Очень низкий выходной импеданс

    Второе отличие состоит 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 будет пытаться сбросить ток ошибки до нуля. Это иначе известно как «текущая обратная связь».

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

    В идеальном случае коэффициент усиления по напряжению в усилителе CFB (и в усилителях VFB) по-прежнему определяется отношением сопротивления обратной связи к входному сопротивлению.Но для реальных усилителей коэффициент усиления спадает 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 усиления, хотя и не так сильно, как у операционных усилителей VFB. В основном это происходит из-за ненулевого выходного импеданса входного буфера, который влияет на усиление контура и, следовательно, на динамику замкнутого контура.

    В отличие от усилителей VFB, операционные усилители CFB не имеют ограничения скорости нарастания напряжения.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 установился в пределах 0,1% от его конечного значения.

    Ограничения CFB

    Почему инженеры продолжают разрабатывать схемы с усилителями VFB, учитывая их преимущества в отношении усиления в полосе пропускания? Во-первых, VFB предлагают более низкий уровень шума и лучшую производительность по постоянному току, чем операционные усилители CFB. Во-вторых, усилители VFB можно использовать в качестве интеграторов, просто используя конденсатор в качестве импеданса обратной связи.Напротив, операционные усилители CFB не должны иметь прямой емкости между выходом и инвертирующим входом. Есть обходные пути, но они усложняют схему.

    Характеристики операционного усилителя

    В таблицах данных операционного усилителя с обратной связью по напряжению

    указано пять различных коэффициентов усиления: усиление без обратной связи или A VOL (которое может быть 160 дБ или выше без отрицательной обратной связи), усиление с обратной связью, усиление сигнала, усиление шума и усиление контура.

    Коэффициент усиления контура — это разница между усилением разомкнутого и замкнутого контура или общий коэффициент усиления через усилитель и обратно на вход через сеть обратной связи.Он включает усиление сигнала и усиление шума. Коэффициент усиления сигнала — это коэффициент усиления входного сигнала, в то время как коэффициент усиления шума отражает входное напряжение смещения и шум напряжения операционного усилителя на выходе.

    Таблица данных также покажет различные измерения искажений. Общие гармонические искажения (THD) и THD + N (THD плюс шум) являются измерениями искажений, генерируемых входом однотональной синусоидальной волны. Интермодуляционные искажения (IMD) — это измерение динамического диапазона, создаваемого взаимодействием двух тонов.Точка перехвата третьего порядка (IP3) измеряет влияние интермодуляционных искажений третьего порядка.

    Другие характеристики включают точку сжатия 1 дБ. Он представляет уровень входного сигнала, при котором выходной сигнал сжимается на 1 дБ от идеальной передаточной функции входа / выхода. Это определяет конец динамического диапазона усилителя.

    Отношение сигнал / шум (SNR) также определяет динамический диапазон. Он измеряет (в дБ) от максимального уровня сигнала до среднеквадратичного уровня минимального шума.

    В ВЧ-работе важными характеристиками являются коэффициент шума и коэффициент шума.Коэффициент шума связывает шум, создаваемый усилителем, с тепловым шумом резистора 50 Ом при комнатной температуре. Коэффициент шума — это коэффициент шума, выраженный в дБ; то есть 10 × log 10 (коэффициент шума).

    Артикул:

    1. Юнг, Уолт, «История операционных усилителей».
    2. Малиняк, Дэвид, «Среда онлайн-дизайна проясняет загадки операционного усилителя», Electronic Design, 19 января 2004 г.
    Принцип работы усилителя

    и схема

    Теплые подсказки: эта статья содержит около 6000 слов, а время чтения составляет около 22 минут.

    Введение

    Операционный усилитель называется операционным усилителем. Он был назван «Операционным усилителем», потому что в первые дни он использовался в аналоговых компьютерах для реализации математических операций. В основном используется в аналоговых схемах, таких как усилители, компараторы, аналоговые операторы, это устройство, которое часто используют инженеры-электронщики. Операционный усилитель — это блок схемы с очень высоким коэффициентом усиления. В реальной схеме функция обратной связи обычно сочетается с сетью обратной связи для формирования определенного функционального модуля.Это усилитель со специальной схемой 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, который может быть реализован в дискретных устройствах или в полупроводниковых микросхемах. Чтобы узнать, как работает операционный усилитель? Лучше знать принцип его работы и схему.

    Операционный усилитель

    : как он работает?

    Каталог


    Ⅰ W orking P Принцип O perational A mplifier

    1.1 Терминология

    С развитием полупроводниковой технологии большинство операционных усилителей существует в виде единой микросхемы. Есть много типов операционных усилителей, которые широко используются в электронной промышленности. Для лучшего использования операционного усилителя необходимо доскональное понимание принципа работы операционного усилителя.

    Операционный усилитель ( OP, OPA, OPAMP для краткости) представляет собой дифференциальный (дифференциальный) вход по постоянному току, обычно несимметричный выходной (усиленный) усилитель напряжения, потому что вначале он был в основном используется 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, бесконечное усиление без обратной связи, бесконечную часть коэффициента подавления синфазного сигнала и бесконечную полосу пропускания. Самый простой операционный усилитель показан на Рисунке 1-1. Модуль операционного усилителя обычно включает в себя положительный вход (OP_P), отрицательный вход (OP_N) и выход (OP_O).

    Рисунок 1-1 Самый простой операционный усилитель

    Когда обычно используется операционный усилитель, его выход подключается к его инвертирующему входному узлу, чтобы сформировать конфигурацию отрицательной обратной связи.Причина в том, что коэффициент усиления по напряжению операционного усилителя очень велик, от сотен до десятков тысяч раз, при использовании отрицательной обратной связи для обеспечения стабильной работы схемы. Однако это не означает, что операционный усилитель нельзя подключать к положительной обратной связи. И наоборот, во многих системах, которым необходимо генерировать колебательный сигнал, очень распространенным компонентом является операционный усилитель с положительной обратной связью.

    Рисунок 1-2 Операционный усилитель с разомкнутым контуром

    Операционные усилители

    с разомкнутым контуром показаны на Рисунке 1-2.Когда идеальный операционный усилитель работает без обратной связи, соотношение между его выходным и входным напряжением будет следующим:

    Vout = (V + -V-) * Aog

    Aog — разомкнутый дифференциальный коэффициент усиления операционного усилителя.

    Поскольку коэффициент усиления разомкнутого контура операционного усилителя очень высок, даже если дифференциальный сигнал на входе невелик, выходной сигнал все равно будет насыщенным, что приведет к нелинейным искажениям. Поэтому операционные усилители редко появляются в схемных системах с разомкнутыми контурами.Несколько исключений — использование операционных усилителей в качестве компараторов. Выход компаратора обычно равен «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 обратной связью. 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 Рисунке 1-3. Предполагая, 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

    Рисунок 1-3 Усилитель с обратной связью

    Неинвертированные усилители с обратной связью показаны на рис. 1-4. Предполагая, что в усилителе с обратной связью используется идеальный операционный усилитель, коэффициент усиления без обратной связи для операционного усилителя бесконечен, поэтому разница напряжений между двумя входами ОУ почти ноль.Соотношение между выходным и входным напряжением следующее:

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

    Рисунок 1-4 Неинвертирующий усилитель с замкнутым контуром

    1.3 Положительная обратная связь с замкнутым контуром

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

    Ⅱ Основные параметры рабочего усилителя

    2.1 Типовые параметры
    • Входное сопротивление синфазного сигнала (RINCM)

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

    • Подавление синфазного сигнала постоянного тока (CMRDC)

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

    • Подавление синфазного сигнала переменного тока (CMRAC)

    CMRAC — это мера способности операционного усилителя отклонять один и тот же сигнал переменного тока, действующий на оба входа, в зависимости от коэффициента усиления разомкнутого контура в дифференциальном режиме, деленного на усиление разомкнутого контура синфазного сигнала.

    • Продукт усиления полосы пропускания (GBW)

    Произведение коэффициента усиления и ширины полосы пропускания AOL * ƒ является константой, определенной в области, где коэффициент усиления разомкнутого контура изменяется в зависимости от частоты и падения -20 дБ / декаду.

    Этот параметр относится к среднему току, протекающему на входе, 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 указывает на разницу в токе, протекающем 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.

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

    • Размах выходного напряжения (VO)

    Этот параметр относится к размаху максимального размаха напряжения, который может быть достигнут без ограничения выходного сигнала.VO обычно определяется при определенном сопротивлении нагрузки и напряжении питания.

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

    • Коэффициент отклонения блока питания (PSRR)

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

    • Коэффициент конверсии / 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 и 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.

    • Пропускная способность Unity Gain (BW)

    Этот параметр относится к максимальной рабочей частоте операционного усилителя, когда коэффициент усиления разомкнутого контура больше единицы.

    • Входное напряжение смещения (VOS)

    Этот параметр указывает разность напряжений, которая должна быть приложена на входе, когда выходное напряжение равно нулю.

    • Дрейф входного смещения напряжения (TCVOS)

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

    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 входных напряжений, разрешенных при нормальной работе операционного усилителя (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, а eN обычно выражается в нВ / Гц, определяемых на указанной частоте.

    • Плотность шума на входе (iN)

    Для операционных усилителей шум входного тока можно рассматривать как два источника шумового тока, подключенных к каждому входу и общий, обычно выражаемый в пА / корень Гц, определенных на указанной частоте.

    2.2 Важные индикаторы

    Идеальный интегрированный операционный усилитель, когда входное напряжение равно нулю, выходное напряжение также должно быть нулевым (без устройства обнуления). Однако на практике на дифференциальном входном каскаде интегрированного операционного усилителя сложно добиться полной симметрии.Обычно, когда входное напряжение равно нулю, есть определенное выходное напряжение. Входное напряжение смещения — это компенсационное напряжение, приложенное ко входу для обнуления выходного напряжения. Фактически, когда входное напряжение равно нулю, выходное напряжение делится на коэффициент усиления напряжения, и значение, преобразованное на входной терминал, 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.

    Когда выходное напряжение равно нулю, разница 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 вызовет изменение входного напряжения, в результате чего выходное напряжение операционного усилителя не равно нулю. Чем меньше IIO, тем лучше симметрия лампы дифференциальной пары входного каскада, которая обычно составляет около 1 нА ~ 0.1 мкА.

    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 небольшой, 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 индикатор для измерения температурного дрейфа цепи, и его нельзя компенсировать методом внешнего устройства регулировки нуля. Температурный дрейф входного напряжения смещения минимален.Входное напряжение смещения обычного операционного усилителя дрейфует от ± 1 мВ / ° C до ± 20 мВ / ° C.

    • Входное смещение текущего температурного дрейфа △ 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 смещения тока. Температурный дрейф входного тока смещения является мерой дрейфа тока схемы усилителя и не может быть компенсирован внешним устройством регулировки нуля.Высококачественные операционные усилители — несколько пА на градус.

    • Максимальное входное напряжение дифференциального режима Uidmax

    Максимальное входное напряжение дифференциального режима Uidmax — это максимальное входное напряжение дифференциального режима, 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 повреждению. Uidmax составляет около ± 5 В ~ ± 30 В в зависимости от процесса.

    • Максимальное входное напряжение синфазного сигнала Uicmax

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

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

    Коэффициент усиления напряжения в дифференциальном режиме с разомкнутым контуром Aud относится к отношению изменения выходного напряжения к изменению входного напряжения на входном порте операционного усилителя, когда интегрированный операционный усилитель работает в линейной области, имеет доступ к указанная нагрузка.Aud операционного усилителя составляет от 60 до 120 дБ. Разные функции операционного усилителя, Aud очень разные.

    Входное сопротивление дифференциального режима Rid — это входное сопротивление операционного усилителя при вводе сигнала дифференциального режима. Чем больше Rid, тем меньше влияние на источник сигнала, а входное сопротивление Rid операционного усилителя обычно составляет несколько сотен кОм или более.

    Определение коэффициента подавления синфазного сигнала операционного усилителя KCMR такое же, как и в схеме 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 составляют от 60 до 70 дБ, а некоторые достигают 180 дБ. Чем больше KCMR, тем сильнее подавление синфазных помех.

    Полоса пропускания разомкнутого контура, также известная как полоса пропускания -3 дБ, относится к частоте fH коэффициента усиления дифференциального напряжения операционного усилителя Aud, которая падает на 3 дБ в высокочастотной полосе.

    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 составляет 0 дБ. Это важный параметр для интегрированных операционных усилителей. Частота fT = 7 Гц операционного усилителя 741 относительно низкая.

    • Скорость нарастания SR (скорость поворота)

    Скорость нарастания SR — это максимальная скорость изменения выходного напряжения схемы усиления относительно времени, когда на вход подается большой сигнал (например, ступенчатый сигнал) при условии, что коэффициент усиления напряжения равен 1, как показано на Рисунке 7-1-1.Он отражает способность операционного усилителя реагировать на быстро меняющиеся входные сигналы. Коэффициент конверсии SR выражается так:

    .

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

    Операционный усилитель, представленный выше, имеет два входа a, b и один выход o. Также известен как обратный вход (инвертирующий вход), неинвертирующий вход (синфазный вход) и выход.Когда напряжение складывается — добавляется между клеммой a 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. Общие конечные точки указывают на конец o, 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 у общего конца.Для различения, конец a и b, клеммы отмечены «-» и «+» соответственно, но не путайте их с положительной и отрицательной полярностью направления опорного напряжения. Положительная и отрицательная полярности напряжения должны быть отмечены или обозначены стрелками. Инвертирующие усилители и нереверсивные усилители Повороты показаны ниже:

    Операционный усилитель обычно можно рассматривать просто как усилитель напряжения с прямой связью и высоким коэффициентом усиления с одним портом вывода сигнала (Out) и двумя синфазными инвертирующими входами с высоким импедансом, поэтому операционные усилители могут использоваться для -фазные, инвертирующие и дифференциальные усилители..

    Режим питания операционного усилителя разделен на два источника питания и один источник питания. Для операционных усилителей с двойным питанием выходной сигнал может изменяться при нулевом напряжении, а выход может быть установлен на ноль, когда дифференциальное входное напряжение равно нулю. В операционном усилителе с однополярным питанием выходная мощность варьируется в диапазоне мощности и заземления.

    Входной потенциал операционного усилителя обычно должен быть выше определенного значения отрицательного источника питания и ниже определенного значения положительного источника питания.Специально разработанный операционный усилитель позволяет входному потенциалу изменяться от отрицательного к положительному, даже немного выше положительного или немного ниже отрицательного. Операционный усилитель такого типа называется операционным усилителем с железнодорожным входом.

    Выходной сигнал операционного усилителя пропорционален разности сигнальных напряжений двух входов. В аудиосегменте: выходное напряжение = A0 (E1-E2), где A0 — низкочастотное усиление разомкнутого контура операционного усилителя (например, 100 дБ, то есть 100000 раз), E1 — напряжение входного сигнала неинвертирующего клемма, а E2 — напряжение входного сигнала инвертирующей клеммы.

    Ⅲ Анализ общей схемы рабочего усилителя

    3.1 Инверторный усилитель

    Увеличение Av = R2 / R1, но необходимо учитывать значение Gain-Bandwidth спецификации.

    R3 = R4 обеспечивает смещение 1/2 мощности

    C3 — фильтр развязки блока питания

    C1, C2 вход и выход разделены DC

    В этот момент фаза выходного сигнала противоположна входному.

    3.2 Неинверторный усилитель

    Увеличение Av = R2 / R1

    R3 = R4 обеспечивает смещение питания 1/2

    C1, C2, C3 блокируют постоянный ток

    На этом этапе фаза выходного сигнала совпадает с фазой входного.

    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, чем Ref.

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

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

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

    • Виртуальные краткие и мнимые значения в операционных усилителях

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

    Поскольку коэффициент усиления идеального операционного усилителя очень велик, а операционный усилитель работает в линейной области, это схема линейного усиления, и выходное напряжение не превышает линейного диапазона (т. Е. Конечного значения). Следовательно, потенциал неинвертирующего входного терминала и инвертирующего входного терминала операционного усилителя очень близок к равному.Когда напряжение питания операционного усилителя составляет ± 15 В, максимальный выход обычно составляет 10 ~ 13 В. Следовательно, разница напряжений между двумя входными клеммами операционного усилителя ниже 1 мВ, и две входные клеммы закорочены. Эта функция называется виртуальным короткометражкой. Очевидно, что это не настоящее короткое замыкание, а разумное приближение в пределах допустимого диапазона ошибок при анализе схемы.

    Поскольку входное сопротивление операционного усилителя обычно составляет несколько сотен кОм или более, ток, протекающий на неинвертирующий вход и инвертирующий вход операционного усилителя, очень мал, на несколько порядков меньше, чем ток во внешнем усилителе. цепи, а ток, протекающий в операционный усилитель, часто можно игнорировать, это довольно разомкнутая цепь на входе операционного усилителя.Эта функция называется виртуальным перерывом. Очевидно, что вход операционного усилителя не может открыть путь.

    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 определенного функционального соотношения между входом и выходом, поэтому можно применять оба вывода. Если операционный усилитель не работает в линейной области, нет функции «виртуального короткого замыкания» или «виртуального разрыва».Если потенциал двух входов операционного усилителя измеряется и достигает нескольких милливольт или более, операционный усилитель часто не работает в линейной области или выходит из строя.

    Ⅳ Классификация операционных усилителей

    По параметрам интегрированного операционного усилителя интегрированный операционный усилитель можно разделить на следующие категории.

    4.1 Операционный усилитель общего назначения

    Операционные усилители общего назначения предназначены для общего использования.Основными особенностями этого типа устройств являются невысокая цена, широкий ассортимент, а его рабочие показатели подходят для общего использования. Примеры μA741 (одиночный 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 интегрированными операционными усилителями.

    4.2 Операционный усилитель с высоким сопротивлением

    Характеристики этого типа интегрированного операционного усилителя заключаются в том, что входной импеданс дифференциального режима очень высок, а входной ток смещения очень мал.Как правило, rid> 1ГОм ~ 1ТОм, IB составляет от нескольких пикоампер до нескольких десятков пикоампер. Основная мера для достижения этих показателей — 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 высокий входной импеданс и низкий входной ток смещения, но и такие преимущества, как высокая скорость, широкая полоса пропускания и низкий уровень шума, но при этом большое входное напряжение смещения. Распространенными интегрированными устройствами являются LF355, LF347 (четыре операционных усилителя) и CA3130, CA3140 с более высоким входным сопротивлением.

    4.3 Операционный усилитель с низкотемпературным дрейфом

    В приборах автоматического управления, таких как прецизионные приборы и средства обнаружения слабого сигнала, всегда желательно, чтобы напряжение смещения операционного усилителя было небольшим и не изменялось с температурой. Для этой цели разработаны операционные усилители с низким температурным дрейфом. В настоящее время к широко используемым высокоточным операционным усилителям с низким дрейфом относятся OP07, OP27, AD508 и устройство ICL7650 со стабилизированным прерыванием и малым дрейфом, состоящее из полевых МОП-транзисторов.

    4.4 Высокоскоростной операционный усилитель

    В быстрых аналого-цифровых и цифро-аналоговых преобразователях и видеоусилителях коэффициент преобразования SR интегрированного операционного усилителя должен быть высоким, а ширина полосы единичного усиления BWG должна быть большой. Достаточно, как и интегральный операционный усилитель общего назначения не подходит для высокоскоростных приложений. Время от времени. Основными особенностями высокоскоростных операционных усилителей являются высокая скорость нарастания и широкий частотный диапазон. К распространенным операционным усилителям относятся LM318, μA715 и т. Д., SR = 50 ~ 70 В / мкс, BWG> 20 МГц.

    4.5 Операционный усилитель малой мощности

    Поскольку самым большим преимуществом интеграции электронных схем является то, что с ее помощью можно делать сложные схемы небольшими и легкими, с расширением области применения портативных инструментов необходимо использовать операционный усилитель с низкое напряжение питания и низкое энергопотребление. Обычно используются операционные усилители TL-022C, TL-060C и т. Д., Их рабочее напряжение составляет ± 2 В ~ ± 18 В, а потребление тока составляет 50 ~ 250 мкА.В настоящее время некоторые продукты достигли уровня энергопотребления в 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.Для увеличения выходного напряжения или увеличения выходного тока необходимо добавить вспомогательную цепь снаружи интегрированного операционного усилителя. Высоковольтные сильноточные интегрированные операционные усилители могут выдавать высокие напряжения и большие токи без каких-либо дополнительных схем. Например, интегральный операционный усилитель D41 имеет напряжение питания ± 150 В, а интегральный операционный усилитель μA791 имеет выходной ток 1 А.

    4.7 Операционный усилитель с программируемым управлением

    В процессе использования прибора задействуется диапазон.Чтобы получить на выходе фиксированное напряжение, необходимо изменить увеличение усилителя. Например, если операционный усилитель имеет увеличение в 10 раз и входной сигнал составляет 1 мВ, выходное напряжение. Для 10 мВ, когда входное напряжение составляет 0,1 мВ, на выходе всего 1 мВ. Чтобы получить 10 мВ, необходимо изменить увеличение на 100. Программируемый операционный усилитель создан для решения этой проблемы. Например, PGA103A, управляя уровнем 1 и 2 фута, чтобы изменить кратное усиление.

    Ⅴ Идеальный рабочий усилитель и идеальные условия работы усилителя

    Идеальные параметры операционного усилителя: усиление в дифференциальном режиме, входное сопротивление дифференциального режима, коэффициент подавления синфазного сигнала, верхняя граничная 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 прикладных схем операционного усилителя, интегрированный операционный усилитель может считаться идеальным операционным усилителем в большинстве случаев.В идеале идеальный операционный усилитель идеально подходит по техническим показателям интегрированного операционного усилителя. Поскольку технические характеристики реального операционного усилителя ближе к идеальному операционному усилителю, ошибка, вызванная идеализацией, очень мала и может быть проигнорирована в общих инженерных расчетах.

    Технические показатели идеального ОУ следующие:

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

    2.Входное сопротивление Выходное 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. Полоса пропускания -3 дБ fH = ∞;

    7. Отсутствие внутренних помех и шумов.

    Фактические параметры операционного усилителя можно рассматривать как идеальные со следующими уровнями:

    Коэффициент усиления по напряжению 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 приводит к дрейфу схемы, чтобы позволить В пределах объема стабильность схемы может соответствовать требованиям; при вводе минимального сигнала существует определенное отношение сигнал / шум, а коэффициент подавления синфазного сигнала больше или равен 60 дБ; ширина полосы может соответствовать требованиям к полосе пропускания канала.

    Часто задаваемые вопросы о принципе и схеме рабочего усилителя

    1. Что такое операционный усилитель и его типы?
    Операционный усилитель (ОУ) — это блок аналоговой схемы, который принимает входное дифференциальное напряжение и выдает несимметричный выход напряжения. Операционные усилители обычно имеют три терминала: два входа с высоким сопротивлением и выходной порт с низким сопротивлением.

    2. Каковы золотые правила операционных усилителей?
    Вот золотые правила операционных усилителей:
    1) Бесконечное усиление разомкнутого контура.
    2) Нет тока, протекающего через оба входа.
    3) Разница потенциалов между входными контактами равна нулю.

    3. Что внутри операционного усилителя?
    Операционные усилители, сокращенно операционные усилители, представляют собой интегральные схемы, построенные в основном из транзисторов и резисторов. Эти интегральные схемы умножают входной сигнал на больший выходной. 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, цель усилителя или операционного усилителя состоит в том, чтобы усилить или увеличить входной сигнал для создания выходного сигнала, который намного больше, чем входной, с формой волны, аналогичной входной. Основным изменением выходного сигнала будет увеличение уровня мощности.

    5. Почему операционный усилитель усиливает переменный и постоянный ток?
    Идеальный операционный усилитель усиливает только разницу 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.

    Рекомендуемая литература

    Основные характеристики и классификации операционных усилителей
    Типы операционных усилителей и их сравнение
    Базовый анализ неинвертирующих и инвертирующих усилителей
    Основные сведения об операционных усилителях в электронике Обзор
    Применение операционных усилителей, основы операционных усилителей

    Альтернативные модели

    Деталь Сравнить Производителей Категория Описание
    Производитель.Часть #: QS32X245Q2G Сравнить: Текущая часть Производители: Integrated Device Technology Категория: Логические ИС Описание: Коммутатор шины 2 элемента CMOS 16IN 40Pin QVSOP Tube
    Производитель.Часть #: QS32X245Q2G8 Сравнить: QS32X245Q2G VS QS32X245Q2G8 Производители: Integrated Device Technology Категория: Логические ИС Описание: Коммутатор шины 2 элемента CMOS 16IN 40Pin QVSOP T / R
    Производитель.Часть #: QS32X2245Q2G8 Сравнить: QS32X245Q2G VS QS32X2245Q2G8 Производители: Integrated Device Technology Категория: Логические ИС Описание: Коммутатор шины 2 элемента CMOS 16IN 40Pin QVSOP T / R
    Производитель.Часть #: QS32X2245Q2G Сравнить: QS32X245Q2G VS QS32X2245Q2G Производители: Integrated Device Technology Категория: Логические ИС Описание: Коммутатор шины 2 элемента CMOS 16IN 40Pin QVSOP Tube

    Основы работы с операционными усилителями: Работа и применение

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

    Эта статья объяснит

    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 блок операционного усилителя имеет два входа и один выходной контакт. Один из входов называется неинвертирующим или положительным входом , а другой вход называется инвертирующим или отрицательным входом . Вкратце, 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. Высокий входной импеданс — Это позволяет операционному усилителю потреблять низкий ток на своих входных контактах и ​​делает его пригодным для работы в качестве усилителя.
    2. Низкое выходное сопротивление — Это позволяет операционному усилителю обеспечивать максимальный ток на своем выходном контакте для управления нагрузкой большой мощности. Это опять же необходимое качество для усилителя.
    3. High gain — Операционные усилители имеют высокое усиление, что означает, что они способны эффективно усиливать слабые входные сигналы низкого напряжения до выходных сигналов высокого напряжения.
    4. Высокочастотная характеристика — Операционные усилители универсальны для работы в широком диапазоне частот входного сигнала.

    Работа операционного усилителя

    Есть несколько основных моментов для понимания операционных усилителей и их работы. Схема на рисунке 0 показывает символ операционного усилителя, U1, и упрощенную схему внутренних частей операционного усилителя. Операционный усилитель имеет положительное и отрицательное соединение питания. Это обеспечивает питание от источника для работы этого устройства.

    В зависимости от приложения можно использовать одиночный или раздельный источник 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 (Q1, Q2), каскада сдвига уровня Q3 и выходного каскада (Q4, Q5), как показано на рисунке 0.

    При подаче положительного напряжения на вход «+», который является базой Q1, и «вход», связанный с землей, активируется Q3. Это позволяет току течь от эмиттера к клемме коллектора Q3.В результате на R3 и R4 будет развиваться положительное напряжение. Это напряжение активирует Q4, и на выходе будет отображаться уровень напряжения + V.

    С другой стороны, когда положительное напряжение подается на — Вход и + Вход связаны с землей. Q3 не будет активирован, следовательно, Q4 будет в выключенном состоянии, однако Q5 включится, так как это транзистор PNP и низкий логический уровень на его базе активирует их. Теперь выходной контакт будет показывать низкое состояние, а Q5 обеспечивает путь отвода тока через свой эмиттер к клемме коллектора.

    Режимы работы операционного усилителя

    Операционный усилитель работает в двух режимах. Это операции с открытым и закрытым контуром.

    Работа с разомкнутым контуром: Это рабочий режим, при котором выходной сигнал с выходной клеммы операционного усилителя не будет подаваться обратно на его входные клеммы. Когда нет обратной связи, операционный усилитель действует как компаратор (поясняется позже).

    Работа в замкнутом контуре: Это режим работы, при котором выходной сигнал с выходной клеммы операционного усилителя подается обратно на входные клеммы операционного усилителя.

    Существует два способа настройки работы операционного усилителя с обратной связью. Это положительные и отрицательные отзывы.

    Положительный отзыв

    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 усиления операционного усилителя, когда положительный вход более положительный, больше отрицательного входа, выход будет полностью положительным.Когда положительный вход менее положительный, чем отрицательный, выход будет полностью отрицательным.

    Отрицательный отзыв

    Когда есть обратная связь от выхода к отрицательному входу, это называется отрицательной обратной связью и обычно используется в усилителях. Самая важная вещь, о которой следует помнить, — это при использовании отрицательной обратной связи операционный усилитель заставляет входные напряжения на положительной и отрицательной клеммах равняться.

    Также читайте:

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

    Как использовать операционный усилитель в схемах

    Области применения операционных усилителей: фильтры, выпрямители, усилители, генераторы сигналов, схемы модуляторов и многое другое.Перечисленные ниже приложения помогут вам понять, как использовать операционные усилители в схемах так, как вы планировали.

    1. Буфер

    Первый — это буфер, это самый простой способ использования. Буфер используется для соединения серии схем усилителя вместе, не беспокоясь об импедансе. Он существенно усиливает ток или мощность входного сигнала. Поскольку входной импеданс операционного усилителя высокий, в качестве входа можно использовать сигнал с очень меньшим током. Также выходной импеданс операционного усилителя низкий, следовательно, выходной сигнал будет иметь высокий ток.Это делает операционный усилитель идеальным буфером.

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

    2.Инвертирующий усилитель

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

    Операционный усилитель инвертирует входной сигнал и усиливает его в соответствии с формулой

    Vo = VREF1 + (Vin * (-R2 / R1))

    , где Vo = выходное напряжение и Vin = (VREF1 — Vin2).

    В примере на Рисунке 2 показано усиление усилителя -10.

    Если VREF1 = 2 В и IN2 = 2,1 В, то Vo = 2 В + (2 В — 2,1 В) * 100 К. 10 К = 1 В.

    Когда мы используем раздельные 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 операционные усилители обеспечивают контролируемое усиление входного сигнала.Теоретически операционные усилители имеют бесконечное усиление, поэтому без использования отрицательной обратной связи входной сигнал будет иметь непредсказуемое усиление и, следовательно, размах выходного сигнала 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 основная схема — это неинвертирующий усилитель или просто усилитель.Обратитесь к Рисунку 3 для дальнейшего обсуждения. Входной сигнал на IN3 подключается 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 сделать входы одинаковыми по амплитуде. Следовательно, когда на положительный вход подается 100 мВ, операционный усилитель будет пытаться сделать отрицательный вход равным 100 мВ через сеть обратной связи.

    Выходное напряжение операционного усилителя определяется формулой

    Выход = Vin * (1 + R4 / R3)

    В этом примере Vout = 100 мВ * (1 + 100K / 10k) = 1.1 вольт.

    Здесь коэффициент усиления этого усилителя равен R4 / R3 равным 10.

    4. Интегратор / фильтр нижних частот

    Четвертая основная схема операционного усилителя — это интегратор / фильтр нижних частот. Когда на его вход подается прямоугольный сигнал, на выходе будет пилообразная волна. Следующее обсуждение ссылается на схему на рисунке 4. Когда входной сигнал подается на IN4, ток течет через R5. VERF2 может быть подключен к земле или любому другому опорному напряжению.

    Это установка операционного усилителя с отрицательной обратной связью.Когда на входе мгновенного шага на IN4 высокий уровень и VERF2 связан с землей, 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. Следовательно, нулевой ток течет на отрицательный вход операционного усилителя, и напряжение в этой точке будет равно нулю.

    Выходной сигнал операционного усилителя в этот момент будет низким или нулевым.Когда напряжение на конденсаторе начинает расти, зарядный ток уменьшается, и напряжение на конденсаторе становится равным входному напряжению ступени. Теперь напряжение начинает расти на отрицательном входе операционного усилителя, и в попытке уравновесить его с положительным входом, выход начнет 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 зубьев пилы. Это дается 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 нарастания выхода на OUT4.

    Если на вход IN4 подается синусоидальный сигнал, схема действует как фильтр нижних частот. При частотах ниже угловой частоты Fo будет проходить практически без затухания.Частоты выше угловой частоты Fo ослабляются на 6 децибел на октаву. Частота излома задается уравнением

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

    При уменьшении R5 или C1 частота среза увеличивается.

    5. Дифференциатор / фильтр высоких частот

    Пятая основная схема операционного усилителя — это дифференциатор / фильтр высоких частот. На рисунке 5 показана схема для следующего обсуждения. Допустим, VERF3 подключен к земле, а прямоугольная волна используется как входной сигнал для IN5.

    Когда на IN5 подается высокий логический сигнал или сигнал уровня 1, через C2 протекает большой ток, который заряжает конденсатор. Теперь на R6 будет развиваться потенциал напряжения. 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 произойдет всплеск отрицательного напряжения, позволяющий току течь через него, пока конденсатор не будет полностью заряжен.

    Когда сигнал переключается на низкий логический уровень, конденсатор C2 разряжается через IN5.Теперь OUT5 покажет положительный всплеск напряжения, чтобы протолкнуть ток через IN5 и уравнять напряжения на инвертирующем и неинвертирующем терминалах.

    Таким образом, вход ступенчатого напряжения (прямоугольный сигнал) вызывает выброс 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.Частота излома задается уравнением

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

    Когда R6 или C2 уменьшается, частота среза увеличивается.

    6. Осциллятор

    Шестая основная схема операционного усилителя — это генератор. Обратитесь к Рисунку 6 для дальнейшего обсуждения. Генератор на рисунке 6 обеспечивает два выхода: прямоугольный сигнал на выходе OUT6 и треугольный сигнал на выходе OUT7.

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

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

    = Вс. (100 тыс. / 100 тыс. + 50 тыс.)

    = 2Vs / 3

    Это заставляет положительный вход операционного усилителя составлять 2 В / 3, высокое состояние выхода операционного усилителя заставляет C3 заряжаться через R10 до тех пор, пока напряжение на инвертирующем входе входа операционного усилителя не превысит 2 В / 3.Теперь операционный усилитель переключает свой выход на землю, теперь резисторы R8 и R9 будут подключены параллельно, поскольку оба подключены к земле. Применяя это в формуле делителя напряжения

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

    = Вс. (50 тыс. / 100 тыс. + 50 тыс.)

    = VS / 3

    , в результате чего положительный вход операционного усилителя переключается на Vs / 3. Резистор R10 разряжает C3 до тех пор, пока отрицательный вход операционного усилителя не станет ниже Vs / 3. Таким образом, напряжение на положительном входе операционного усилителя переключается между 2Vs / 3 и Vs / 3.Величина гистерезиса — это разница этих двух значений, или Vhys = 2Vs / 3 — Vs / 3 = Vs / 3.

    Выход операционного усилителя переключается между Vs и 0 с коротким промежутком времени между ними, создавая, таким образом, прямоугольный импульс на выходе. Между тем R10 и C3 увеличиваются и уменьшаются, что приводит к образованию 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

    Седьмая основная схема операционного усилителя — это компаратор. Используйте рисунок 7 для следующего обсуждения. Без обратной связи от выхода OUT8 к отрицательному входу IN6 операционный усилитель работает как компаратор. Это означает, что напряжение, приложенное к неинвертирующему и инвертирующему терминалам, будет сравниваться, и выход будет соответствующим образом изменен.

    Когда IN6 меньше VREF4, операционный усилитель будет равен V7, что составляет +10 В, минус предел выходного каскада.Это связано с тем, что выходы операционного усилителя не будут достигать полного размаха напряжения питания, когда демонстрируют высокую логику, операционные усилители Rail-to-Rail демонстрируют выход, близкий к напряжению питания, но все же короткий в милливольтах от напряжения питания.

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

    8. Дифференциальный усилитель

    Восьмой основной схемой операционного усилителя является дифференциальный усилитель.Дифференциальные усилители часто используются для усиления мостовых датчиков, например, в датчиках давления, тензометрических датчиках 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 сбалансированный линейный динамический микрофон с низким сопротивлением. Обычно дифференциальный усилитель усиливает разницу в амплитуде сигнала, подаваемого между двумя клеммами.

    См. Рисунок 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 связан с землей, то напряжение на положительной клемме операционного усилителя можно определить по формуле делителя напряжения

    Положительная клемма операционного усилителя = (100K / 100K + 10K) * .1V = 0,09091 В.

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

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

    I = 0,09091 / 10K = 9,091 мкА.

    Мы можем определить напряжение на R11, используя закон Ома

    В = 9,091 мкА * 100К = 0,9091 В.

    Суммирование этих напряжений — напряжения на операционном усилителе — 0,09091 вольт и напряжения на R11, равного 0,9091 вольт, даст выходное напряжение на OUT9

    .

    .9091 В + 0,09091 В = 1 В, что дает коэффициент усиления 10.

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

    Надеюсь, эта статья даст вам основы для проектирования схем операционных усилителей, которые вы сможете использовать в своих проектах. Есть много других более сложных схем, в которых используются два или более операционных усилителя.

    Связанное содержание

    Операционный усилитель с обратной связью — Операционные усилители

    Операционные усилители

    Операционные усилители могут работать как в замкнутом, так и в разомкнутом контуре. операция.Операция (с обратной связью или без обратной связи) определяется тем, или не используется обратная связь. Без обратной связи операционный усилитель имеет разомкнутый цикл. Эта операция разомкнутого контура практична только тогда, когда операционный усилитель используется в качестве компаратора (схема, сравнивающая два входные сигналы или сравнивает входной сигнал с некоторым фиксированным уровнем напряжения). В качестве усилителя работа с разомкнутым контуром нецелесообразна из-за очень высокого коэффициент усиления операционного усилителя создает плохую стабильность.(Шум и прочее нежелательные сигналы настолько усиливаются при работе с разомкнутым контуром, что операционный усилитель обычно не используется.) Поэтому большинство операционные усилители используются с обратной связью (работа с обратной связью).

    Используются операционные усилители с дегенеративной (или отрицательной) обратной связью, которая снижает коэффициент усиления операционного усилителя, но значительно увеличивает стабильность схемы. В конфигурации с обратной связью выходной сигнал подается обратно на одну из входных клемм.Эта обратная связь всегда дегенеративный (отрицательный). Другими словами, сигнал обратной связи всегда противостоит эффекты исходного входного сигнала. Один из результатов дегенеративной обратной связи состоит в том, что инвертирующий и неинвертирующий входы операционного усилителя будет сохранен в том же потенциале.

    Замкнутые схемы могут быть как инвертирующей, так и неинвертирующей конфигурации. конфигурация. Поскольку инвертирующая конфигурация используется чаще, чем неинвертирующая конфигурация, инвертирующая конфигурация будет показано первым.

    Конфигурация инвертирующего усилителя

    Инвертирующая конфигурация.

    На рисунке выше показан операционный усилитель в инвертирующем усилителе с обратной связью. конфигурация. Резистор R 2 служит для питания части выходной сигнал возвращается на вход операционного усилителя.

    На этом этапе важно помнить о разнице между всеми схема (или операционная схема) и операционный усилитель.Оперативный усилитель представлен треугольником, в то время как рабочий схема включает резисторы и любые другие компоненты, а также операционный усилитель. Другими словами, вход в схему показан в рисунок выше, но сигнал на инвертирующем входе рабочего усилитель определяется сигналом обратной связи, а также входом схемы сигнал.

    Как видно на рисунке выше, выходной сигнал сдвинут по фазе на 180 градусов. с входным сигналом.Сигнал обратной связи — это часть выходного сигнала. и, следовательно, также на 180 градусов не совпадают по фазе с входным сигналом. В любое время входной сигнал становится положительным, выходной сигнал и сигнал обратной связи идут отрицательный. Результатом этого является то, что инвертирующий вход к рабочему В этой конфигурации усилитель всегда очень близок к 0 вольт. По факту, при заземленном неинвертирующем входе напряжение на инвертирующем входе вход для операционного усилителя настолько мал по сравнению с другими напряжениями в цепи, которая считается виртуальной землей .(Помните, в замкнутом цикле инвертирующий и неинвертирующий входы находятся на тот же потенциал.) Виртуальная земля — ​​это точка в цепи, которая находится на земле. потенциал (0 вольт), но не подключен к земле .

    Поскольку на инвертирующем входе 0 вольт, ток не будет (для всех практических целей) поступающие в операционный усилитель от подключения точка R 1 и R 2 . В этих условиях характеристики этой схемы почти полностью определяются значениями из R 1 и R 2 .Рисунок ниже должен помочь показать как значения R 1 и R 2 определяют характеристики схемы.

    Протекание тока в рабочей цепи.

    Примечание: здесь следует подчеркнуть, что в целях объяснения Операционный усилитель — теоретически совершенный усилитель. На практике мы имеем дело с несовершенным. В практическом операционном усилителе будет небольшой входной ток, что приведет к потере мощности.Этот маленький сигнал может быть измерен в теоретической точке виртуальной земли. Этот не указывает на неправильную работу.

    Входной сигнал заставляет ток течь через R 1 . (Отображается и будет обсуждаться только положительный полупериод входного сигнала.) Поскольку напряжение на инвертирующем входе операционного усилителя находится на уровне 0 вольт, входной ток ( I в ) вычисляется по формуле:

    Выходной сигнал (противоположный по фазе входному сигналу) вызывает ток обратной связи. ( I fdbk ) для протекания через R 2 .Левая сторона из R 2 находится под напряжением 0 вольт (точка A), а правая сторона находится под напряжением В из . Следовательно, ток обратной связи рассчитывается по формуле:

    (Знак минус указывает, что V out сдвинут по фазе на 180 градусов с В с и не следует путать с выходной полярностью.)

    Поскольку на инвертирующий вход рабочего усилителя, любой ток, достигающий точки A от R 1 , должен вытекать точки A через R 2 .Следовательно, входной ток (, , , ) и ток обратной связи ( I fdbk ) должен быть одинаковым. Теперь мы можем развиваться математическая взаимосвязь между входными и выходными сигналами и R 1 и R 2 . Математически:

    Путем замены:

    Если умножить обе части уравнения на R 1 :

    Если разделить обе части уравнения на V из :

    Обращая обе части уравнения:

    Вы должны помнить, что усиление напряжения каскада определяется как выходной сигнал. напряжение, деленное на входное напряжение:

    Следовательно, коэффициент усиления по напряжению инвертирующей конфигурации рабочего усилитель выражается уравнением:

    (Как указывалось ранее, знак минус означает, что выходной сигнал равен 180 градусов не совпадают по фазе с входным сигналом.)

    Конфигурация неинвертирующего усилителя

    Неинвертирующая конфигурация.

    На рисунке выше показана неинвертирующая конфигурация с использованием операционного усилителя. Входной сигнал ( В, , в ) подается непосредственно на неинвертирующий (+) вход операционного усилителя. Обратная связь обеспечивается соединительной частью выходной сигнал ( В, , , выход ) обратно на инвертирующий (-) вход операционный усилитель. R 1 и R 2 действуют как напряжение делитель, позволяющий использовать только часть выходного сигнала в качестве обратной связи ( V fdbk ).

    Обратите внимание, что входной сигнал, выходной сигнал и сигнал обратной связи совпадают по фазе. (Отображается только положительное чередование сигнала.) Может показаться, что обратная связь является регенеративной (положительной), потому что обратная связь и входные сигналы в фазе. В действительности обратная связь носит дегенеративный (отрицательный) характер, поскольку входные сигналы поступают на неинвертирующий вход, а сигнал обратной связи применяется к инвертирующему входу. (Помните, что операционный усилитель будет реагировать на разницу между двумя входами.)

    Как и в инвертирующей конфигурации, сигнал обратной связи равен входному сигнал (для всех практических целей). Однако на этот раз сигнал обратной связи находится в фазе с входным сигналом. Следовательно:

    Учитывая это условие, вы можете рассчитать усиление каскада в терминах резисторы ( R 1 и R 2 ).

    Коэффициент усиления каскада определяется как:

    С:

    Потом:

    Сигнал обратной связи ( V fdbk ) может быть показан в виде выходного сигнала. сигнал ( В выход ) и делитель напряжения ( R 1 и R 2 ).Делитель напряжения имеет выходной сигнал на одном конце. и заземление (0 вольт) на другом конце. Сигнал обратной связи — это часть выходной сигнал, развиваемый R 1 (в точке A). Другой способ взглянуть на это то, что сигнал обратной связи — это количество оставшегося выходного сигнала (в точке A) после того, как часть выходного сигнала была сброшена на R 2 . В в любом случае сигнал обратной связи ( V fdbk ) является соотношением R 1 на весь делитель напряжения ( R 1 + R 2 ), умноженное на выходной сигнал ( V out ).

    Математически соотношение выходного сигнала, сигнала обратной связи и делитель напряжения:

    Если разделить обе части уравнения на V из :

    Обращая обе части уравнения:

    Отделяя правую часть:

    Помните:

    Следовательно, подстановкой:

    Теперь вы можете видеть, что коэффициент усиления неинвертирующей конфигурации определяется резисторами.Формула отличается от той, которая используется для инвертирования. конфигурации, но коэффициент усиления по-прежнему определяется значениями R 1 и R 2 .

    Как работает операционный усилитель?

    Operational Amplifier — усилитель постоянного тока с очень высоким коэффициентом усиления. Он в основном используется для усиления напряжения или мощности со своего входа и подачи «обработанного» усиленного сигнала на его выход. Это обычно работает в конфигурации замкнутого контура обратной связи.Операционные усилители имеют высокое усиление по напряжению , очень высокое входное сопротивление и очень низкое выходное сопротивление (для идеального операционного усилителя значение входного сопротивления должно быть близким к бесконечности, а выходное сопротивление близко к нулю). Первые использованные операционные усилители использовались для выполнения математических операций, таких как сложение, вычитание или интегрирование (отсюда и название «операционные»).

    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 «+» является неинвертирующим входом.Чтобы допустить возникновение положительного и отрицательного напряжения на входе и выходе, очень важно подавать на него от внешнего источника питания положительное и отрицательное напряжение через клеммы «x» и «y».


    Операционный усилитель — Задачи для студентов

    Если вы студент или просто хотите научиться решать задачи с операционным усилителем, посетите этот раздел нашего веб-сайта, где вы можете найти широкий спектр электронных задач.


    Операционный усилитель — обратная связь и принцип работы

    По сути, 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.

    Отрицательное напряжение «V-» было подано на инвертирующий вход усилителя, а положительное напряжение «V +» — на неинвертирующий вход. Сигнал, который возникает между входами, называется дифференциальным напряжением «V D », выраженным как вычитание сигналов «V–» и «V +». Между входами усилителя также имеется дифференциальное входное сопротивление «R D ». Выходное напряжение « V OUT » сравнимо с напряжением V D .Коэффициент K uo (A vo ) — это обозначение коэффициента усиления по напряжению усилителя разомкнутого контура.

    Рис. 2. Эквивалентная схема операционного усилителя

    Операционный усилитель — обратная связь

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

    Рис. 3. Принцип отрицательной обратной связи

    Чтобы пояснить, как работает схема на рис. 3., предположим, что выходное напряжение «V out » изменяется от нуля до некоторого положительного значения входного напряжения «. V в “. Сначала выходное напряжение «V out » (и, следовательно, напряжение «βV out ») все еще равно нулю.На входе усилителя будет напряжение «V D = V в », потому что 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 изменению входного напряжения изменением выходного напряжения.Из этого можно сделать вывод, что будет установлено стабильное конечное состояние. Это будет достигнуто, когда выходное напряжение повысится настолько, чтобы соответствовать следующему условию:

    В простейшем случае цепь обратной связи состоит из делителя напряжения. В этом случае система работает как линейный усилитель, и ее усиление зависит только от делителя. Если в системе обратной связи используется RC-система, мы создадим активный фильтр . Одна банка
    также используйте нелинейные компоненты в обратной связи, такие как диоды или транзисторы, и таким образом получите e.г. лог усилитель.

    Операционный усилитель — идеальные параметры компонентов

    При проектировании и анализе систем на основе операционных усилителей почти всегда следует исходить из того, что усилитель идеален, а это значит, что он имеет следующие характеристики:

    • Бесконечно высокий коэффициент усиления в разомкнутом контуре (k uo (A vo ) -> ∞),
    • Бесконечно высокое входное сопротивление,
    • Выходной импеданс равен нулю,
    • Бесконечно широкий частотный диапазон,
    • Выходное напряжение равно нулю при тех же входных напряжениях,
    • Нулевой входной ток (ток не отводится от внешних цепей),
    • Бесконечно большой допустимый выходной ток,
    • Без собственного вмешательства,
    • Его параметры не зависят от температуры.

    Операционный усилитель — параметры реальных компонентов

    В действительности операционные усилители описываются следующими параметрами:

    • Коэффициент усиления в разомкнутом контуре достигает очень высоких, но конечных значений,
    • Входное сопротивление имеет высокое значение, но конечное,
    • Выходное сопротивление несколько десятков,
    • Верхняя граница частоты в несколько десятков МГц,
    • Имеется входной ток низкой скорости от 10-4 до 10-15 А,
    • Они создают 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 аудио / видеочастоты,
    • Суммирующие и дифференциальные усилители,
    • Интеграторы,
    • Датчик напряжения,
    • Преобразователи «ток 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 другие наиболее популярные применения 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 выборки с памятью.

    Источник: А. Филипковски: «Układy elektroniczne analogowe i cyfrowe», WNT, Warszawa 2006

    Операционные усилители

    — обзор

    12.2 Операционный усилитель

    Операционный усилитель или операционный усилитель является основным строительным блоком для большого разнообразия аналоговых схем. Одним из первых его применений было выполнение математических операций, таких как сложение и интегрирование, в аналоговых компьютерах, отсюда и название «операционный» усилитель. Хотя функции, обеспечиваемые аналоговыми компьютерами, теперь выполняются цифровыми компьютерами, операционный усилитель остается ценным, возможно, самым ценным инструментом в проектировании аналоговых схем.

    В своей идеализированной форме операционный усилитель имеет те же свойства, что и идеальный усилитель, описанный выше, за исключением одного любопытного отклонения: он имеет бесконечное усиление . Таким образом, идеальный операционный усилитель имеет бесконечное входное сопротивление (идеальная нагрузка), нулевое выходное сопротивление (идеальный источник) и бесконечное усиление A v . (Символы A v или A VOL обычно используются для обозначения коэффициента усиления операционного усилителя.Очевидно, что усилитель с бесконечным коэффициентом усиления имеет ограниченную ценность, поэтому операционный усилитель редко используется отдельно, но обычно используется вместе с другими элементами, которые снижают его коэффициент усиления до конечного уровня.

    Отрицательная обратная связь может использоваться для ограничения усиления. Рассмотрим систему обратной связи на рисунке 12.5. Предположим, что верхний путь (то есть путь прямой связи) представляет операционный усилитель с его коэффициентом усиления A, v , а нижний путь представляет собой усиление обратной связи, β .

    Рисунок 12.5. Базовая система управления с обратной связью, используемая для иллюстрации использования обратной связи для установки конечного коэффициента усиления в системе, которая имеет бесконечное усиление с прямой связью, A V .

    Коэффициент усиления всей системы можно найти из основного уравнения обратной связи, введенного и выведенного в примере 5.1. Когда мы вставляем A V и β в уравнение обратной связи, уравнение 5.10, общее усиление системы, G , становится равным:

    (12.4) G = AV1 + AVβ

    Теперь, если мы позволим коэффициенту прямого усиления, A V , коэффициенту усиления операционного усилителя стремиться к бесконечности:

    (12,5) G = limAV → ∞ | AV1 + AVβ = limAV → ∞ | AVAVβ = 1β

    Общее усиление, выраженное в дБ, принимает следующий вид:

    (12,6) GdB = 20logG = 20log (1β) = — 20logβ

    Если β <1, то усиление составляет G ,> 1, и если β = 1, G = 1. β > 1 приводит к усилению < 1 и уменьшению амплитуды сигнала.Если требуется уменьшение коэффициента усиления, проще использовать пассивный делитель напряжения — пару последовательно соединенных резисторов с одним резистором, соединенным с землей. Таким образом, в реальных схемах операционного усилителя коэффициент обратной связи, β , составляет ≤1, чтобы получить коэффициент усиления ≥1. Это к счастью, так как все, что нам нужно для получения коэффициента обратной связи <1, - это сеть делителя напряжения: один конец пары последовательно соединенных резисторов подключен к выходу, другой конец - к земле, а уменьшенный сигнал обратной связи берется с пересечение двух резисторов (рисунок 12.6). Усиление обратной связи β = 1 еще проще; просто верните весь вывод обратно на ввод.

    Рисунок 12.6. Схема делителя напряжения, которая может использоваться для передачи части выходного сигнала на инвертирующий или отрицательный вход операционного усилителя.

    Подход, начинающийся с усилителя с бесконечным коэффициентом усиления, а затем его уменьшение до конечного уровня с добавлением обратной связи, кажется излишне запутанным. Почему бы для начала не спроектировать усилитель так, чтобы он имел конечное фиксированное усиление? Ответ резюмируется двумя словами: гибкость и стабильность .Если обратная связь используется для установки коэффициента усиления схемы операционного усилителя, то необходимо создать только один базовый усилитель: с бесконечным (или просто очень высоким) коэффициентом усиления. Любого желаемого усиления можно достичь, настроив простую сеть обратной связи. Что еще более важно, сеть обратной связи почти всегда реализуется с использованием пассивных компонентов, резисторов, а иногда и конденсаторов. Пассивные компоненты всегда более стабильны, чем устройства на базе транзисторов; то есть они более устойчивы к колебаниям из-за изменений температуры, влажности, возраста и других факторов окружающей среды.

    Добавить комментарий

    Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *