расчёт параметров схмы ОУ
расчёт параметров схмы ОУ|
ОГЛАВЛЕНИЕ СТРАНИЦА 12 Реальные операционные усилители довольно далеки от идеала в отношении выходного сопротивления. Так, рассмотренный выше ОУ типа mА741 имеет rвых порядка 1 кОм. Оно, правда, в значительной степени уменьшается применением отрицательной обратной связи по напряжению. Снижение выходного напряжения схемы, вызванное падением напряжения на rвых при подключении нагрузки, передается на n-вход усилителя через делитель напряжения R1, R2. Возникающее при этом увеличение дифференциального напряжения компенсирует изменение выходного напряжения. Выходное сопротивление операционного усилителя, не охваченного обратной связью, определяется выражением: Для усилителя, охваченного обратной связью, в соответствии со схемой на рис. При работе усилителя, охваченного обратной связью, величина Uд не остается постоянной,
а изменяется на величину Для усилителя с линейной передаточной характеристикой изменение выходного напряжения составляет Величиной тока, ответвляющегося в делитель напряжения обратной связи в данном случае можно пренебречь. Подставив в последнее выражение величину dUд из (13) с учетом (12), получим искомый результат: Если, например, b =0,1, что соответствует усилению входного сигнала в 10 раз, а KU
=105 , то выходное сопротивление усилителя mА741 снизится с 1 кОм до 0,1 Ом. Вышеизложенное, вообще говоря,
справедливо в пределах полосы пропускания усилителя fп, которая для mА741 составляет всего только 10 Гц. |
|
Вследствие наличия паразитных емкостей и многокаскадной структуры операционный усилитель по
своим частотным свойствам аналогичен фильтру нижних частот высокого порядка. Системы такого рода, имеющие большой
коэффициент усиления, при наличии обратной связи склонны к неустойчивости, проявляющейся в том, что даже при
отсутствии сигнала на входе системы, на ее выходе существуют колебания относительно большой амплитуды. Устойчивость
ОУ с обратной связью удобно исследовать по его частотным характеристикам. Типичные логарифмические асимптотическая
амплитудно-частотная (ЛАЧХ) и фазово-частотная (ЛФЧХ) характеристики (диаграмма Боде) ОУ без частотной коррекции
приведены на рис. Рис. 13. Типичные логарифмические амплитудно-частотная и фазово-частотная характеристики ОУ Выше частоты f1 частотная характеристика определяется инерционным звеном с максимальной постоянной времени. Коэффициент усиления в этой области убывает со скоростью -20 дБ/дек. Выше частоты f2 начинает действовать второе инерционное звено, коэффициент усиления убывает быстрее (-40 дБ/дек), а фазовый сдвиг между U д и Uвых достигает j = -180°. Частота, при которой выполняется это условие, называется критической fкр. Частота, при которой модуль коэффициента усиления петли обратной связи (коэффициента петлевого усиления) |Kп| = |bKU|=1, называется частотой среза fср. Коэффициент b в этом соотношении является коэффициентом передачи цепи обратной связи. Как для инвертирующего, так и для неинвертирующего включения ОУ при резистивной обратной связи он определяется как b = R1/(R1+R2) для неинвертирующего
включения. В соответствии с логарифмическим вариантом критерия Найквиста для минимально-фазовых систем, к
которым можно отнести ОУ с отрицательной обратной связью, усилитель будет устойчив, если для логарифмических
частотных характеристик разомкнутой петли обратной связи bK При резистивной обратной связи ЛФЧХ петли совпадает с ЛФЧХ усилителя, а ЛАЧХ петли проходит на 20lg(1/b) ниже ЛАЧХ усилителя, так что частота среза fср соответствует точке пересечения графика ЛАЧХ усилителя с горизонтальной прямой, проведенной на 20lg(1/b) выше оси частот. На диаграмме рис. 13 видно, что при больших значениях K (и, соответственно, малых b) условие (15) выполняется, причем имеется достаточный запас устойчивости по фазе. При K<200 операционный усилитель с частотными характеристиками, такими, как на рис. 13, неустойчив. Степень устойчивости, а также мера затухания переходных процессов приближенно определяется
запасом устойчивости по фазе. a =180° + j(fкр). На рис. 14 представлены типичные графики переходных функций (реакций на единичный скачек) операционного усилителя, включенного по схеме неинвертирующего повторителя при различных запасах устойчивости по фазе a. По диаграмме Боде разомкнутого ОУ можно непосредственно определить, какая величина затухания
окажется у схемы усилителя с заданным значением b . В качестве примера рассмотрим на рис. 13 случай для 1/b =8000.
При этом из диаграммы находим fкр =100 кГц и Рис. 14. Переходные характеристики ОУ, охваченного обратной связью |
 Если операционный усилитель разрабатывается для универсального применения, то фазовый сдвиг его при |KU| >1 должен быть по абсолютной величине меньше 120°. При этом для любого коэффициента обратной связи 0<b<1 запас по фазе будет составлять не менее 60°. Это требование выполняется коррекцией частотной характеристики, причем коррекция производится так, чтобы при |KU|>1 она была аналогична характеристике фильтра нижних частот первого порядка (т.е. имела бы вид рис. 2). Так как нежелательные инерционные звенья с частотами среза f2 и f3, как это показано на рис. 13, не могут быть устранены из схемы усилителя, то необходимо путем выбора конденсатора коррекции Ск (см. рис. 10) так уменьшить частоту среза f1 основного инерционного звена, чтобы условие |KU| <1 было бы выполнено до того, как начнется существенное влияние второго инерционного звена. На рис. 15 представлен этот вариант коррекции. Рис. 15. Логарифмические частотные характеристики ОУ с полной частотной коррекцией и без нее |
Очевидно, что при таком соотношении параметров
даже для самого неблагоприятного с точки зрения устойчивости случая обратной связи, как b=1, еще имеется
достаточный запас по фазе a=65°, а при меньших значениях b он практически равен 90°. Можно отметить также, что
из-за наличия частотной коррекции полоса пропускания разомкнутого ОУ существенно сужается. Частотная коррекция
усилителя на нижних частотах увеличивает его фазовый сдвиг на 90°, а на более высоких частотах практически на него
не влияет. Для многих универсальных ОУ достаточна емкость корректирующего конденсатора Ск = 30 пФ. У
усилителей с полной внутренней коррекцией, таких как, например, 140УД6, 140УД7, 140УД17 и др., корректирующий
конденсатор изготавливается методами интегральной технологии.
 Полная частотная коррекция операционного усилителя гарантирует достаточный запас устойчивости по фазе для резистивной отрицательной обратной связи с любыми параметрами. Однако этот способ имеет тот существенный недостаток, что ширина полосы пропускания усилителя, охваченного обратной связью, обратно пропорциональна коэффициенту усиления K. Смысл этого соотношения наглядно пояснен на рис. 16. При менее глубокой обратной связи для стабилизации усилителя достаточно было бы меньшего снижения усиления в области средних и высоких частот, так как в этом случае точка |bK U| = 1 достигается при |KU| =1/b >1. Как видно из рис. 16, при 1/b=10 ширину полосы пропускания ОУ без обратной связи можно увеличить с 10 Гц до 100 Гц уменьшением Ск от 30 пФ до 3 пФ. При этом полоса пропускания усилителя с обратной связью возрастет со 100 кГц до 1 МГц. Рис. 16. Зависимость полосы пропускания от коэффициента усиления при подстраиваемой частотной коррекции Для того, чтобы можно было осуществить такие изменения частотной коррекции, выпускаются
операционные усилители, у которых отсутствует корректирующий конденсатор, а вместо него выведены соответствующие
точки схемы (например, 153УД6, 140УД14). В комплексе мероприятий по обеспечению устойчивости схемы с операционным усилителем (особенно быстродействующим) важное место занимает его правильный монтаж. Проводники, соединяющие резисторы обратной связи с инвертирующим входом усилителя, должны иметь минимальную длину. При невыполнении этого правила на входе ОУ образуется паразитная емкость, которая при наличии плоскостей заземления может составлять 0,4 пФ на миллиметр проводника. Эта емкость совместно с резисторами обратной связи образует дополнительное инерционное звено в петле обратной связи, уменьшающее запас устойчивости по фазе. Некоторую компенсацию этого эффекта дает включение конденсатора равной емкости между выходом ОУ и инвертирующим входом. |
В других вариантах, например, в усилителях 544УД2, осуществляется неполная
частотная коррекция с уменьшенным значением корректирующей емкости. Для подключения дополнительного конденсатора
(чтобы обеспечить устойчивость при значениях b, близких к единице) также имеются соответствующие выводы. В
паспортных данных некоторых типов ОУ указываются минимальные значения коэффициентов усиления ОУ в неинвертирующем
включении, при которых усилитель сохраняет устойчивость. Например, для ОУ AD840K это значение составляет 10, для
ОРА605К — 50 и т.д. Изготавливаются усилители с одинаковой схемотехникой, одни из которых имеют встроенный
корректирующий конденсатор, а другие — без такого конденсатора. Например, некоторые фирмы выпускают ОУ типа ОР-27 и
ОР-37 (отечественные аналоги, соответственно, 140УД25 и 140УД26). Первый из них имеет встроенный корректирующий
конденсатор, частоту единичного усиления f
ОУ типа ОР-37 не имеет корректирующего конденсатора. Его
частота единичного усиления fт = 60 МГц, скорость нарастания — 17 В/мкс. Он работает устойчиво при
коэффициентах усиления входного сигнала более пяти.
 Наряду со снижением полосы пропускания усилителя частотная коррекция дает еще один нежелательный эффект: скорость нарастания выходного напряжения ограничивается при этом довольно малой величиной. Максимальное значение скорости нарастания r определяется в основном скоростью заряда корректирующего конденсатора: Максимальный выходной ток дифференциального каскада (см. рис. 10) равен току источника в цепи эмиттеров транзисторов Т1 и Т2. Принимая его равным 20 мкА, найдем для емкости корректирующего конденсатора Ск=30 пФ: rмакс = 0,67 В/мкс. Вследствие ограниченного значения этой величины, при быстрых изменениях выходного напряжения
возникают характерные искажения сигнала, которые не могут быть устранены путем введения отрицательной обратной
связи. Их называют динамическими искажениями. Если входной сигнал усилителя — синусоида, то, чем больше ее
амплитуда, тем при меньшей частоте появляются динамические искажения. |
|
Если операционный усилитель имеет емкостную нагрузку, то последняя вместе с выходным сопротивлением усилителя образует инерционное звено, которое дает дополнительный фазовый сдвиг выходного напряжения. Все это уменьшает запас по фазе, и схема усилителя может самовозбудиться уже при незначительной величине нагрузочной емкости. Порой достаточно коснуться выхода усилителя щупом осциллографа, чтобы усилитель начал самовозбуждаться. Для устранения этого явления в цепь обратной связи включается дополнительный конденсатор Сф (рис. 17). В этом случае обратная связь представляет собой интегродифференцирующее фазо-опережающее звено, создающее в окрестности частоты среза положительный фазовый сдвиг, компенсирующий запаздывание, вносимое емкостью нагрузки. Рис. 17. Компенсация емкостной нагрузки |
Используются технологии uCoz
10 схем на (почти) все случаи жизни
Всем привет!
В последнее время я по большей части ушел в цифровую и, отчасти, в силовую электронику и схемы на операционных усилителях использую нечасто.
В связи с этим, повинуясь неуклонному закону полураспада памяти, мои знания об операционных усилителях стали постепенно тускнеть, и каждый раз, когда все-таки надо было использовать ту или иную схему с их участием, мне приходилось гуглить ее расчет или искать его в книгах. Это оказалось не очень удобно, поэтому я решил написать своего рода шпаргалку, в которой отразил наиболее часто используемые схемы на операционных усилителях, приведя их расчет, а также результаты моделирования в LTSpice.
Введение
В рамках данной статьи будет рассмотрено десять широко используемых схем на операционных усилителя. При написании данной статьи я исходил из того, что читатель знает, что такое операционный усилитель и хотя бы в общих чертах представляет, как он работает. Также предполагается, что ему известны базовые вещи теории электрических цепей, такие как закон Ома или расчет делителя напряжения.
Не следует воспринимать эту статью как законченное руководство по применению операционных усилителей в любых ситуациях.
Для большого количества задач, действительно, этих схем может быть достаточно, однако в сложных проектах всегда может потребоваться что-то нестандартное.
1. Неинвертирующий усилитель
Неинвертирующий усилитель – наверное, наиболее часто встречающаяся схема включения операционного усилителя, она приведена на рисунке ниже.
В этой схеме усиливаемый сигнал подается на неинвертирующий вход операционного усилителя, а сигнал с выхода через делитель напряжения попадает на инвертирующий вход.
Расчет этой схемы прост, он строится исходя из того, что операционный усилитель, охваченный петлей обратной связи, отрабатывает входное воздействие таким образом, чтобы напряжение на инвертирующем входе было равно напряжению на неинвертирующем:
Из этой формулы легко получается коэффициент усиления неинвертирующего усилителя:
Рассчитаем и промоделируем неинвертирующий усилитель со следующими параметрами:
- Операционный усилитель LT1803
- Коэффициент усиления
- Частота входного сигнала
- Амплитуда входного сигнала
- Постоянна составляющая входного сигнала
Выберем из ряда Е96 и .
Тогда коэффициент усиления будет равен
Результат моделирования данной схемы приведен на рисунке (картинка кликабельна):
Давайте теперь рассмотрим граничные случаи этого усилителя. Допустим, величина сопротивления резистора . При этом мы получим, что коэффициент усиления будет стремиться к бесконечности. На самом деле, конечно, это хоть и очень большая, но все-таки конечная величина, она обычно приводится в документации на микросхему конкретного операционного усилителя. С другой стороны, величина выходного напряжения реального операционного усилителя даже при бесконечно большом коэффициенте усиления не может быть бесконечно большой: она ограничена напряжением питания микросхемы. На практике она зачастую даже несколько меньше, за исключением некоторых типов усилителей, которые отмечены как rail-to-rail. Но в любом случае не рекомендуется загонять операционные усилители в предельные состояния: это приводит к насыщению их внутренних выходных каскадов, нелинейным искажениям и перегрузкам микросхемы.
Поэтому данный предельный случай не несет какой-то практической пользы.
Гораздо больший интерес представляет собой другой предельный случай, когда величина сопротивления . Его мы рассмотрим в следующем разделе.
2. Повторитель
Как уже говорилось ранее, включение операционного усилителя по схеме повторителя – это предельный случай неинвертирующего усилителя, когда один из резисторов имеет нулевое сопротивление. Схема повторителя приведена на рисунке ниже.
Как видно из формулы, приведенной в прошлом разделе, коэффициент передачи для повторителя равен единице, то есть выходной сигнал в точности повторяет входной. Зачем же вообще нужен операционный усилитель в таком случае? Он выступает в роли буфера, обладая высоким входным сопротивлением и маленьким выходным. Когда это бывает нужно? Допустим, мы имеем какой-то источник сигнала с большим выходным сопротивлением и хотим этот сигнал без искажения передать на относительно низкоомную разгрузку. Если мы это сделаем напрямую, без каких бы то ни было буферов, то неизбежно потеряем какую-то часть сигнала.
Убедимся в этом с помощью моделирования схемы со следующими основными параметрами:
- Выходное сопротивление источника сигнала 10 кОм
- Сопротивление нагрузки 1 кОм
- Частота входного сигнала
- Амплитуда входного сигнала
- Постоянна составляющая входного сигнала
Моделирования будем проводить для двух случаев: в первом случае пусть источник сигнала работает на нагрузку через повторитель, а во втором случае — напрямую.
Результаты моделирования приведены на рисунке ниже (картинка кликабельна): на верхней осциллограмме выходной и входной сигналы в точности совпадают друг с другом, тогда как на нижней сигнал на выходе в несколько раз меньше по амплитуде относительно сигнала на входе.
Вместо повторителя на операционном усилителе можно также использовать и эмиттерный повторитель на транзисторе, не забывая, однако, про присущие ему ограничения.
3. Инвертирующий усилитель (классическая схема)
В схеме инвертирующего усилителя входной сигнал подается на инвертирующий вывод микросхемы, на него же заведена и обратная связь.
Неинвертирующий вход при этом подключается к земле (иногда к источнику смещения). Типовая схема инвертирующего усилителя приведена на рисунке ниже.
Для входной цепи инвертирующего усилителя можно записать следующее выражение:
Где — напряжение на инвертирующем входе операционного усилителя.
Поскольку операционный усилитель, охваченный петлей обратной связи, стремится выровнять напряжения на своих входах, то , и при заземленном неинвертирующем входе получаем
Отсюда коэффициент усиления инвертирующего усилителя равен
По инвертирующему усилителю можно сделать следующие выводы:
- Инвертирующий усилитель инвертирует сигнал. Это значит, что необходимо применение двухполярного питания.
- Величина модуля коэффициента усиления инвертирующего усилителя равна отношению резисторов цепи обратной связи. При равенстве номиналов двух резисторов коэффициент усиления равен -1, т.е. инвертирующий усилитель работает просто как инвертор сигнала.
- Величина входного сопротивления инвертирующего усилителя равна величине резистора R1. Это важно, потому что при маленьких значениях R1 может сильно нагружаться предыдущий каскад.
Для примера рассчитаем инвертирующий усилитель со следующими параметрами:
- Операционный усилитель LT1803
- Коэффициент усиления
- Частота входного сигнала
- Амплитуда входного сигнала
- Постоянна составляющая входного сигнала
В качестве резисторов в цепи обратной связи выберем резисторы номиналами и : их отношение как раз равно десяти.
Результаты моделирования усилителя приведены на рисунке (картинка кликабельна).
Как видим, выходной сигнал в 10 раз больше по амплитуде, чем входной, и при этом проинвертирован.
Входное сопротивление данной схемы равно . А что будет, если источник сигнала будет иметь значительное выходное сопротивление, допустим, эти же 10 кОм? Результат моделирования этого случая представлен на рисунке ниже (картинка кликабельна).
Амплитуда выходного сигнала просела в два раза по сравнению с предыдущим случаем! Очевидно, что это все из-за того, что выходное сопротивление генератора в этом случае равно входному сопротивлению инвертирующего усилителя. Таким образом, стоит всегда помнить про эту особенность инвертирующего усилителя. Как же быть, если все-таки требуется обеспечить работу источника сигнала с высоким выходным сопротивлением на инвертирующий усилитель? В теории надо увеличивать сопротивление R1. Однако одновременно с эти будет расти и сопротивление R2. Если мы хотим обеспечить входное сопротивление схемы в 500 кОм при коэффициенте усиления 10, резистор R2 должен иметь сопротивление в 5 МОм! Такие большие номиналы сопротивлений применять не рекомендуется: схема будет очень чувствительной к наводкам, пыли и флюсу на печатной плате. Есть ли какие-то выходы из этой ситуации? На самом деле да. Можно, например, использовать буфер-повторитель, который мы рассмотрели в прошлом разделе. А можно еще применить схему с Т-образным мостом в обратной связи, про нее поговорим в следующем разделе.
4. Инвертирующий усилитель с Т-образным мостом в цепи ОС
Схема инвертирующего усилителя с Т-образным мостом в цепи обратной связи приведена на рисунке ниже.
Коэффициент усиления этой схемы равен
Рассчитаем усилитель со следующими параметрами:
- Операционный усилитель LT1803
- Коэффициент усиления
- Частота входного сигнала
- Амплитуда входного сигнала
- Постоянна составляющая входного сигнала
- Входное сопротивление
Расчет показывает, что следящие номиналы резисторов должны сформировать усилитель с Т-образным мостом, отвечающий заявленным требованиям:
Результаты моделирования схемы усилителя приведены на рисунке ниже (картинка кликабельна).
Попробуем теперь подключить источник с выходным сопротивлением 10 кОм, как мы это сделали в предыдущем разделе. Получим такую картинку (кликабельно):
Выходной сигнал практически не изменился по амплитуде по сравнению с предыдущим моделированием, и это ни в какое сравнение не идет с тем, насколько он проседал в схеме простого инвертирующего усилителя без Т-моста.
Кроме того, как мы видим, эта схема позволяет обойтись без мегаомных резисторов даже при больших коэффициентах усиления и значительном входном сопротивлении.
5. Инвертирующий усилитель в схемах с однополярным питанием
Схемы с однополярным питанием распространены гораздо больше, чем схемы с двухполярным. Вместе с тем, как мы выяснили в прошлых двух разделах, при использовании схемы инвертирующего усилителя у нас меняется знак выходного напряжения, что влечет за собой обязательное применение двухполярного источника питания. Можно ли как-то обойти это ограничение и использовать инвертирующий усилитель в схемах с однополярным питанием? На самом деле можно, для этого надо на неинвертирующий вход усилителя подать напряжение смещения как показано на рисунке ниже
Примечание
Позиционные обозначения R1 и R2 показаны условно. Они одни и те же для разных резисторов на схеме, что, конечно, невозможно для реальной схемы, однако допускается на рисунке для подчеркивания того, что эти резисторы имеют одинаковые номиналы.
Расчет этой схемы строится все на том же принципе равенства напряжений на инвертирующем и неинвертирующем входах усилителя. Ток через цепочку резисторов R1-R2 инвертирующего плеча равен
Отсюда напряжения на инвертирующем входе равно
Напряжение на неинвертирующем входе равно
Исходя из принципа равенства напряжения на инвертирующем и неинвертирующем входах получаем
Таким образом, напряжение на выходе операционного усилителя равно
Отсюда делаем вывод, что для корректной работы напряжения смещения должно быть больше максимального входного напряжения с учетом подаваемого на вход напряжения смещения.
Промоделируем схему инвертирующего усилителя со следующими параметрами:
- Операционный усилитель LT1803
- Коэффициент усиления
- Частота входного сигнала
- Амплитуда входного сигнала
- Постоянна составляющая входного сигнала
- Напряжение источника смещения
Результаты моделирования приведены на рисунке ниже (картинка кликабельна)
Как видим, мы получили усиленный в 10 раз инвертированный сигнал, при этом сигнал проинвертировался, однако, не залез в отрицательную область.
6. Инвертирующий сумматор
Операционный усилитель можно использовать для суммирования различных сигналов. С помощью резисторов можно задавать «вес» каждого из сигнала в общей сумме. Схема инвертирующего сумматора приведена на рисунке ниже.
Расчет инвертирующего сумматора очень прост и основывается на принципе суперпозиции: суммарный выходной сигнал равен сумме отдельных составляющих:
Рассчитаем и произведем моделирование инвертирующего сумматора со следующими параметрами:
- Операционный усилитель LT1803
- Частота входного сигнала
- Амплитуда входного сигнала №1
- Амплитуда входного сигнала №2
- Амплитуда входного сигнала №3
- «Вес» сигнала №1
- «Вес» сигнала №2
- «Вес» сигнала №3
Для обеспечения требуемых «весов» , и выберем сведущие номиналы резисторов из ряда Е96:
Результат моделирования приведен на рисунке ниже (картинка кликабельна).
Видим, что выходной сигнал проинвертирован и усилен в соответствии с выражением, приведенным выше. Однако стоит всегда помнить, что приведенное выше выражение верно для постоянных напряжений (либо же мгновенных значений переменного сигнала). Если же сдвинуть сигналы по фазе или если они будут обладать разной частотой, то результат будет совершенно другим. Аналитически его можно рассчитать, воспользовавшись формулами преобразования тригонометрических выражений (в случае, если мы имеем дело с синусоидальными сигналами). В качестве примера на рисунке ниже приведен результат моделирования инвертирующего сумматора для случая сдвинутых по фазе входных сигналов (изображение кликабельно).
Как видим, итоговый сигнал не превышает по амплитуде сигнал , а также имеет в начальной части артефакты, вызванные постепенным появлениями сигналов на входах.
Необходимо также помнить, что инвертирующий сумматор – по сути все тот же инвертирующий усилитель, и его входное сопротивление определяется величиной резистора в цепи обратной связи, поэтому его надо аккуратно применять в случаях, если источник сигнала имеет большое выходное сопротивление.
7. Дифференциальный усилитель
Дифференциальный усилитель предназначен для усиления разности сигналов, поступающих на его входы. Такое включение усилителей широко используется, например, для усиления сигнала с резистора-шунта-датчика тока. Что немаловажно, операционный усилитель в таком включении помимо, собственно, усиления сигнала, давит синфазную помеху.
Схема дифференциального усилителя приведена на рисунке.
Для дифференциального усилителя можно записать следующие выражения:
Решая эту систему уравнений, получаем
Если мы примем, что
то данное выражение упрощается и преобразуется в
Таким образом, коэффициент усиления дифференциального сигнала определяется отношением R2 к R1.
Эта формула (да и сама схема включения дифференциального усилителя) очень похожа на рассмотренный ранее случай инвертирующего усилителя в схеме с однополярным питанием. Действительно, все так и есть: схема инвертирующего усилителя с однополярным питанием и напряжением смещения есть частный случай дифференциального усилителя, просто в ней на один из входов подается не какой-то переменный сигнал, а постоянное напряжение.
Произведем моделирование схемы со следующими параметрами:
- Операционный усилитель LT1803
- Коэффициент усиления
- Частота входного сигнала
- Амплитуда входного сигнала №1
- Амплитуда входного сигнала №2
- Величина усиливаемого сигнала
Результаты моделирования приведены на рисунке ниже (изображение кликабельно).
Как видим, разница между сигналами и в 5 мВ оказалась усиленной в 50 раз и стала 250 мВ.
Посмотрим теперь, как дифференциальный усилитель давит синфазную помеху. Для этого подключим к сигналам и общий генератор белого шума и произведем моделирование, его результаты представлены на рисунке (картинка кликабельна).
На верхней осциллограмме приведены сигналы и с добавленной помехой: самого сигнала уже даже не видно за шумами. На нижней осциллограмме приведен результат работы дифференциального усилителя. Поскольку помеха одна и та же для инвертирующего и неинвертирующего входа, дифференциальный усилитель ее убирает, и в результате мы имеем чистый сигнал, не отличающийся от случая без помехи.
Однако стоит все же помнить, что способность операционного усилителя давить синфазную помеху не бесконечна, данный параметр обычно приводится в документации на операционный усилитель. Кроме того, нельзя забывать и про величину входного сопротивления дифференциального усилителя со стороны инвертирующего входа: оно по-прежнему может быть невелико.
8. Источник тока
Операционный усилитель при определенном включении может работать как источник тока. Источник тока поддерживает постоянный ток вне зависимости от величины сопротивления нагрузки (в идеальном источнике нагрузка может быть вообще любая, в реальном – не больше какой-либо величины, пропорциональной максимально возможному напряжению, которое может сформировать на ней источник тока). Возможно как минимум две схемы источника тока на операционном усилителе: с плавающей нагрузкой и с заземленной нагрузкой. Схема источника тока с плавающей нагрузкой предельно проста и приведена на рисунке ниже
Как видим, на неинвертирующий вход подается опорное напряжение, а в роли нагрузки выступает один из элементов обратной связи.
Величина тока при этом определяется следующим выражением
Однако все-таки чаще требуется, чтобы нагрузка была заземлена. В этому случае схема немного усложняется: потребуется дополнительный транзистор. Для этих целей лучше брать полевой транзистор: у биполярного транзистора токи коллектора и эмиттера немного отличаются из-за тока базы, что приведет к менее стабильной работе источника тока. Схема источника тока на операционном усилителе с заземленной нагрузкой приведена на рисунке ниже
Величина тока рассчитывается так:
Произведем расчет и моделирование источника тока со следующими параметрами:
- Операционный усилитель LT1803
- Величина силы тока
- Величина сопротивления нагрузки
Для обеспечения заданных характеристик подойдут следующие номиналы сопротивлений резисторов:
Результат моделирования источника тока с заданными параметрами представлен на рисунке ниже (изображение кликабельно).
На рисунке приведено два графика.
Верхний график показывает величину тока через сопротивление нагрузки, и она равна 10 мА. Нижний график показывает напряжение на нагрузке, оно равно 100 мВ. Попробуем теперь изменить сопротивление нагрузки: вместо 10 Ом возьмем 100 Ом и промоделируем (изображение кликабельно):
Как мы видим, через нагрузку течет все тот же самый ток в 10 мА: операционный усилитель отработал изменение нагрузки, повысив на ней напряжение, оно теперь стало равным 1 В. Но в реальности операционный усилитель не сможет поднимать напряжение бесконечно: оно ограничено напряжением источника питания (а зачастую еще и несколько меньше него). Что же будет, если задать сопротивление нагрузки слишком высоким? По сути, источник тока перестает работать. На рисунке ниже пример моделирования источника с сопротивление нагрузки в 1 кОм (изображение кликабельно).
Согласно графику, ток через нагрузку теперь уже никакие не 10 мА, а всего лишь 4 мА. При дальнейшем повышении сопротивления нагрузки ток будет все меньше и меньше.
Дополнительно по приведенным схемам источников тока на операционных усилителях надо отметить, что стабильность выходного тока в них зависит от стабильности напряжения , в связи с этим оно должно быть хорошо стабилизированным. Существуют более сложные схемы, которые позволяют уйти от этой зависимости, но в рамках данной статьи мы их рассматривать не будем.
9. Интегратор на операционном усилителе
Думаю, что все читатели знакомы с классической схемой интегратора на RC-цепочке:
Эта схема чрезвычайно широко используется на практике, однако имеет в себе один серьезный недостаток: выходное сопротивление этой схемы велико и, как следствие, входной сигнал может существенно ослабляться. Для устранения этого недостатка возможно использование операционного усилителя.
Простейшая схема интегратора на операционном усилителе, встречающаяся во всех учебниках, приведена на рисунке ниже.
Как видно из рисунка — это инвертирующий интегратор, т.е. помимо интегрирования сигнала, он меняет также и его полярность.
Следует отметить, что это требуется далеко не всегда. Еще один серьезный недостаток этой схемы — конденсатор интегратора накапливает в себе заряд, который надо как-то сбрасывать. Для этого можно либо применять резистор, включенный параллельно с конденсатором (однако необходимо учитывать также его влияние на итоговый сигнал), либо же сбрасывать заряд с помощью полевого транзистора, открывая его в нужные моменты времени. По этой причине я решил рассмотреть более подробно другую схему интегратора с использованием операционного усилителя, которая, на мой взгляд, заслуживает больший практический интерес:
Как видно из рисунка, эта схема представляет собой классический интегратор на RC-цепочке, к которому добавлен повторитель на операционном усилителе: с помощью него решается проблема выходного сопротивления.
Интегратор можно также рассматривать как фильтр нижних частот. Частота среза АЧХ фильтра высчитывается по формуле
Тут стоит обратить внимание на один очень важный момент.
Надо всегда помнить, что частота среза, рассчитанная выше, верна только для RC-цепочки и не учитывает частотных свойств самого операционного усилителя. Частотными свойствами операционного усилителя можно пренебречь, если мы попадаем в его рабочий диапазон частот, но если мы вдруг выйдем за него, то итоговая частотная характеристика схемы будет совсем не такой, как мы ожидали. Грубо говоря, если у нас RC-цепочка настроена на 1 МГц, а операционный усилитель позволяет работать до 100 МГц – все хорошо. Но если у нас цепочка на 10 МГц, а операционный усилитель работает до 1 МГц – все плохо.
В качестве примера рассчитаем ФНЧ со следующими параметрами частотой среза АЧХ в 1 МГц. Для такой частоты можно выбрать
- Частота среза АЧХ
- Операционный усилитель LT1803 (Максимальная частота 85 МГц)
Для заданной частоты среза АЧХ подойдут следующие номиналы сопротивления и емкости RC-цепочки:
Результат моделирования приведен на рисунке ниже (изображение кликабельно).
На этом рисунке показаны две частотные характеристики: отдельно для RC-цепочки (красная линия) и для всей схемы целиком (RC-цепочка+операционный усилитель, зеленая линия).
Как видно из рисунка, красная и зеленая линии сначала совпадают, а начиная с определенной частоты зеленая идет вниз гораздо круче. Это как раз и объясняется тем, что на частотные свойства схемы начинает оказывать влияние уже сам операционный усилитель.
Ну и поскольку все-таки мы рассматриваем интегратор, то на следующем рисунке (кликабельно) приведена классическая картинка из учебников: интегрирование прямоугольных импульсов. Параметры интегратора те же, какие были в предыдущем моделировании частотной характеристики.
10. Дифференциатор на операционном усилителе
Схема простейшего дифференциатора на RC-цепочке известна ничуть не меньше, чем схема интегратора:
Эта схема имеет все тот же недостаток, связанный с высоким выходным сопротивлением, и для его устранения можно аналогичным образом применить операционный усилитель.
Схема инвертирующего дифференциатора получается из схемы инвертирующего интегратора путем замены конденсаторов на резисторы и резисторов на конденсаторы, она приведена на рисунке ниже.
Однако и в этом случае более подробно рассмотрим другую схему, состоящую из классического дифференциатора на RC-цепочке и повторителя на операционном усилителе:
Если интегратор мы рассматривали как простейший фильтр нижних частот, то дифференциатор наоборот – фильтр верхних частот. Частота среза АЧХ считается все по той же формуле
В случае дифференциатора также нельзя забывать про частотные свойства самого операционного усилителя: здесь они выражены даже более ярко, чем в случае с интегратором. Как мы уже убедились в прошлом разделе, начиная с определенной частоты операционный усилитель работает как фильтр нижних частот, тогда как дифференциатор – это фильтр верхних частот. Вместе они будут работать как полосовой фильтр.
В качестве примера рассчитаем ФВЧ с частотой среза АЧХ равной тем же 1 МГц.
Для такой частоты можно выбрать все те же номиналы компонентов, которые были в случае ФНЧ:
Результат моделирования приведен на рисунке ниже (картинка кликабельна). На этом рисунке показаны две частотные характеристики: отдельно для RC-цепочки (красная линия) и для всей схемы целиком (RC-цепочка + операционный усилитель, зеленая линия).
Как видно из рисунка, красная и зеленая линии сначала совпадают, а начиная с определенной частоты, зеленая линия идет резко вниз, тогда как красная линия, отражающая работу непосредственно самой RC-цепочки, горизонтальна.
Работа дифференциатор при подаче на его вход прямоугольных импульсов приведена на рисунке ниже (изображение кликабельно).
Заключение
В данной статье мы рассмотрели десять наиболее часто встречающихся схем на операционных усилителях. Операционный усилитель – мощный инструмент в умелых руках, и количество схем, которые можно создать с его помощью, конечно, многократно превосходит то, что было рассмотрено, однако, надеюсь, данный материал будет кому-то полезен и поможет более уверенно использовать этот компонент в своих разработках.
Полезные ссылки
- Хоровиц П., Хилл У. Искусство схемотехники: — Изд. 2-е. — М.: Издательство БИНОМ — 2014. — 704 с
- Картер Б., Манчини Р. Операционные усилители для всех — М.: Издательский дом «Додэка — XXI» — 2011. — 509 с
- LT1803
Автор: Олег
Источник
Операционный усилитель (OP-AMP) — формулы и уравнения
Содержание
Операционные усилители:
Инвертирующий усилитель:
Следующие термины используются в формулах и уравнениях для операционных усилителей.
- R f = Резистор обратной связи
- R в = входной резистор
- В в = Входное напряжение
- В вых = Выходное напряжение
- А В = коэффициент усиления по напряжению
Коэффициент усиления по напряжению:
Коэффициент усиления замкнутого контура инвертирующего усилителя определяется выражением;
Выходное напряжение:
Выходное напряжение не соответствует входному напряжению, поэтому он известен как инвертирующий усилитель .
Суммирующий усилитель:
Выходное напряжение:
Общий вывод данной схемы выше:
Инверсная усиленная сумма входного напряжения:
если входные резисторы одинаковые, выход представляет собой инвертированную сумму входных напряжений,
= R n = R
Суммарный выход:
Когда все резисторы в приведенной выше схеме одинаковы, выход представляет собой инвертированную сумму входных напряжений.
Если R f = R 1 = R 2 = R 3 = R n = R;
V OUT = — (V 1 + V 2 + V 3 +… + V N )
- Связанный столб: Отрицательные отрицательные системы
Неинвертирующий усилитель:
Термины, используемые для формул и уравнений неинвертирующего усилителя.
- R f = Резистор обратной связи
- R = Заземляющий резистор
- В в = Входное напряжение
- В вых = Выходное напряжение
- А В = коэффициент усиления по напряжению
Коэффициент усиления усилителя:
Общий коэффициент усиления неинвертирующего усилителя составляет;
Выходное напряжение:
Выходное напряжение неинвертирующего усилителя находится в фазе с его входным напряжением и определяется выражением;
Усилитель с единичным коэффициентом усиления / буфер / повторитель напряжения:
Если резистор обратной связи удален, т. е. R f = 0, неинвертирующий усилитель станет повторителем/буфером напряжения.
Дифференциальный усилитель:
Термины, используемые в формулах дифференциального усилителя.
- R f = Резистор обратной связи
- R a = инвертирующий входной резистор
- R b = неинвертирующий входной резистор
- R г = неинвертирующий заземляющий резистор
- В a = инвертирование входного напряжения
- В b = неинвертирующее входное напряжение
- В вых = Выходное напряжение
- А В = коэффициент усиления по напряжению
Общий вывод:
выходное напряжение указанных выше цепей равно;
Масштабированный дифференциальный выход:
Если резистор R f = R g & R a = R b , тогда выход будет масштабироваться разностью входного напряжения;
Единичная разница коэффициентов усиления:
Если все резисторы, используемые в цепи, одинаковы, т.
е. это разница входных напряжений;
В вых = В б – В а
Дифференциальный усилитель
Операционный усилитель этого типа обеспечивает выходное напряжение, прямо пропорциональное изменениям входного напряжения. Выходное напряжение определяется выражением;
Вход треугольной волны => Выход прямоугольной волны
Вход синусоидальной волны => Выход косинуса
Интегрирующий усилитель
Этот усилитель обеспечивает выходное напряжение, которое является интегралом входного напряжения.
Связанные формулы и уравнения Посты:
- Основные формулы и уравнения электротехники
- Сопротивление, емкость и индуктивность в последовательно-параллельном соединении – уравнения и формулы
- Формулы сопротивления, проводимости, импеданса и проводимости
- Уравнения и формулы для цепей RLC (последовательные и параллельные)
- Транзистор с биполярным переходом (BJT) – формулы и уравнения
- Диодные формулы и уравнения – Zenner, Schockley & Rectifier
- Формула и уравнения для законов Ома, Кирхгофа и Кулона
- Основные формулы электрических величин
- Правила делителя напряжения и тока (VDR и CDR) Уравнения
- Формулы мощности в однофазных и трехфазных цепях постоянного и переменного тока
- Магнитные термины, используемые в магнитных цепях – определения и формулы
- Формулы электрического и магнитного потока, плотности и напряженности поля
- Формула и уравнения для индуктора и индуктивности
- Формула и уравнения для конденсатора и емкости
- Правила делителя напряжения и тока (VDR и CDR) Уравнения
- Потери в электрических машинах – формулы и уравнения
- Формулы и уравнения генератора постоянного тока
- Уравнение мощности, напряжения и ЭДС двигателя постоянного тока – формулы
- Формулы и уравнения синхронного генератора и генератора переменного тока
- Формулы и уравнения синхронных, шаговых и двигателей переменного тока
- Асинхронный двигатель и линейные асинхронные двигатели Формулы и уравнения
- Трансформаторные формулы и уравнения
- Формулы и уравнения в области электротехники и электроники
- Электрические и электронные элементы и символы
URL скопирован
Показать полную статью
Связанные статьи
Кнопка «Вернуться к началу»
Формула для расчета коэффициента усиления ОУ и калькулятор
Формула для расчета коэффициента усиления ОУ и калькулятор
Контрольно-измерительные приборы и электрооборудование
Эти калькуляторы определяют коэффициент усиления и выходное напряжение как для неинвертирующего, так и для инвертирующего операционного усилителя.
Операционный усилитель (операционный усилитель) представляет собой электронный усилитель напряжения с высоким коэффициентом усиления, связанным по постоянному току, с дифференциальным входом и, как правило, несимметричным выходом. В этой конфигурации операционный усилитель создает выходной потенциал (относительно земли схемы), который обычно в сотни тысяч раз превышает разность потенциалов между его входными клеммами.
Веб-страница не работает, так как не включен JavaScript. Скорее всего, вы просматриваете с помощью веб-сайта Dropbox или другой ограниченной среды браузера.
Операционные усилители можно классифицировать по их конструкции:
- дискретные (построенные из отдельных транзисторов или ламп/клапанов)
- IC (изготовлен на интегральной схеме) ??? самый распространенный
- гибрид
Операционные усилители на ИС можно классифицировать по многим признакам, включая:
- Военный, промышленный или коммерческий класс (например: LM301 — это версия коммерческого класса LM101, LM201 — промышленная версия). Это может определять диапазоны рабочих температур и другие факторы окружающей среды или качества.
- Классификация по типу упаковки также может влиять на устойчивость к воздействию окружающей среды, а также на варианты изготовления; DIP и другие корпуса для сквозных отверстий, как правило, заменяются устройствами для поверхностного монтажа.
- Классификация по внутренней компенсации: операционные усилители могут страдать от высокочастотной нестабильности в некоторых цепях отрицательной обратной связи, если небольшой компенсационный конденсатор не изменяет фазовые и частотные характеристики. Операционные усилители со встроенным конденсатором называются «9».0390 с компенсацией «, или, возможно, с компенсацией усиления в замкнутом контуре до (скажем) 5. Все остальные считаются некомпенсированными.
- Доступны одиночные, двойные и счетверенные версии многих коммерческих ИС операционных усилителей, что означает, что 1, 2 или 4 операционных усилителя включены в один и тот же пакет.
Это может определять диапазоны рабочих температур и другие факторы окружающей среды или качества. 
