Расчет неинвертирующего усилителя на оу. Расчет и анализ неинвертирующего усилителя на операционном усилителе

Как рассчитать параметры неинвертирующего усилителя на ОУ. Какие формулы использовать для определения коэффициента усиления и полосы пропускания. Почему важно учитывать шумовое усиление при анализе схемы. На что влияют паразитные емкости и как их минимизировать.

Содержание

Принцип работы неинвертирующего усилителя на ОУ

Неинвертирующий усилитель — одна из базовых схем включения операционного усилителя. В такой схеме входной сигнал подается на неинвертирующий вход ОУ, а часть выходного сигнала через резистивный делитель поступает на инвертирующий вход, образуя отрицательную обратную связь. Благодаря этому выходной сигнал повторяет входной с некоторым коэффициентом усиления, не инвертируя его полярность.

Основные формулы для расчета неинвертирующего усилителя

Коэффициент усиления неинвертирующего усилителя по напряжению определяется соотношением резисторов обратной связи и рассчитывается по формуле:

K = 1 + R2/R1

где R2 — резистор обратной связи, R1 — резистор в цепи инвертирующего входа.

Входное сопротивление схемы равно входному сопротивлению самого ОУ и очень велико (может достигать сотен МОм).

Выходное сопротивление близко к нулю благодаря действию отрицательной обратной связи.

Расчет полосы пропускания неинвертирующего усилителя

Полоса пропускания неинвертирующего усилителя определяется произведением усиления на полосу пропускания (GBW) операционного усилителя:

BW = GBW / K

где BW — полоса пропускания схемы, GBW — произведение усиления на полосу пропускания ОУ, K — коэффициент усиления схемы.

Почему важно учитывать шумовое усиление

При расчете полосы пропускания любого усилителя на ОУ, включая инвертирующий, следует использовать формулу для неинвертирующего (шумового) усиления. Это связано с тем, что шумовое усиление определяет реальную передаточную характеристику схемы на высоких частотах. Игнорирование шумового усиления может привести к ошибкам в оценке устойчивости и полосы пропускания усилителя.

Влияние паразитных емкостей на работу усилителя

Паразитные емкости могут значительно ухудшить характеристики неинвертирующего усилителя, особенно на высоких частотах. Основные проблемы:

Снижение полосы пропускания
Ухудшение переходной характеристики
Возникновение паразитных колебаний

Для минимизации влияния паразитных емкостей рекомендуется:

Использовать малоемкостные компоненты
Оптимизировать топологию печатной платы
Применять компенсирующие цепи

Выбор операционного усилителя для схемы

При выборе ОУ для неинвертирующего усилителя следует учитывать:

Требуемую полосу пропускания схемы
Необходимый коэффициент усиления
Входное и выходное напряжение
Требования по шумам и искажениям
Напряжение питания

Для широкополосных усилителей рекомендуется выбирать ОУ с запасом по GBW минимум в 5-10 раз относительно требуемой полосы схемы.

Практические рекомендации по проектированию

При разработке неинвертирующего усилителя на ОУ следует:

Использовать высокоточные резисторы для задания точного коэффициента усиления
Применять развязывающие конденсаторы по питанию ОУ
Минимизировать длину проводников, особенно в цепи обратной связи
При необходимости использовать корректирующие RC-цепи для улучшения устойчивости
Тщательно экранировать входные цепи для снижения наводок

Заключение

Неинвертирующий усилитель на ОУ — эффективная и широко используемая схема. Правильный расчет параметров, учет шумового усиления и минимизация паразитных влияний позволяют создать высококачественный усилитель с заданными характеристиками. Внимание к деталям при проектировании обеспечит оптимальную работу схемы.

Исследование основных схем включения операционного усилителя. Исследование инвертирующего усилителя. Расчет параметров схемы

Электротехника \ Схемотехника

Страницы работы

4 страницы (Word-файл)

Посмотреть все страницы

Скачать файл

Содержание работы

Лабораторная работа № 1

Исследование основных схем включения операционного усилителя

Цель работы: изучение основных схем включения операционных усилителей (ОУ), определение параметров и характеристик усилительных устройств на базе ОУ.

K₀ = 6*10⁴

R_вых = 200 Ом

R_вх = 2.5 МОм

а) Исследование инвертирующего усилителя

1. Расчет параметров схемы

R₂ и R₁ выбираются из условий: R_вых << R₂ << R_вх

R₁ << R_вх

Исходя из этих условий: R₂= 20 кОм; R₁ = 5 кОм

Найдем коэффициент усиления: К_ос = -R₂\R₁ = -20\5 = -4

Расчитаем R_вхос и R_выхос: R_выхос = (R_вых*R₂)\(R₁*K₀)=(200*20*10³)\(5*10³*6*10⁴) = 1.33*10^-2 Ом

R_вхос = R₁ = 5 кОм

2. Расчет схемы во временной области при различных сопротивлениях R₂

3. Исследование АЧХ усилителя

R₂, кОм

Коэффициенты усиления

Измеренные

Рассчитанные

3. 816

5.468

6.912

8.167

Вывод: коэффициент усиления реального усилителя является частотно-зависимым параметром и отличается от расчетного значения.

4. Расчет значений входных и выходных сопротивлений усилителя при различных значениях коэффициента усиления

R₁,

кОм

R₂,

кОм

K_ос,

кОм

R_вхос,

кОм

R_выхос,

кОм

1,333*10^-2

2*10^-2

2,666*10^-2

3,333*10^-2

б) Исследование неинвертирующего усилителя

K₀ = 6*10⁴

R_вых = 200 Ом

R_вх = 2. 5 МОм

1. Расчет параметров схемы

R₂ и R₁ выбираются из условий: R_вых << R₂ << R_вх

R₁ << R_вх

Исходя из этих условий: R₂= 20 кОм; R₁ = 5 кОм

Найдем коэффициент усиления: К_ос = R₂\R₁+1= 20\5+1= 5

Расчитаем R_вхос и R_выхос:

R_выхос = (R_вых)\(1+(R₁*K₀)\(R₁+R₂)) = (200)\(1+(5*10³*6*10⁴)\(5*10³+20*10³)) = 1.666*10^-2Ом

R_вхос = R_вх*(1+(R₁*K₀)\(R₁+R₂)) = 2,5*10⁶*(1+(5*10³*6*10⁴)\(5*10³+20*10³)) = 3*10¹⁰ Ом

Расчет схемы во временной области при различных сопротивлениях R₂

3. Исследование АЧХ усилителя

R₂, кОм

Коэффициенты усиления

Измеренные

Рассчитанные

4.943

6.834

8.646

10.363

Вывод: измеренный коэффициент усиления несколько отличается от рассчитанного по причине его частотной зависимости.

R₁,

кОм

R₂,

кОм

K_ос,

кОм

R_вхос,

кОм

R_выхос,

кОм

3*10¹⁰

2,143*10¹⁰

1,667*10¹⁰

1,363*10¹⁰

1,666*10^-2

2,333*10^-2

2,999*10^-2

3,666*10^-2

Вывод: цель работы выполнена, изучены основные схемы включения операционных усилителей, определены параметры и характеристики усилительных устройств на базе операционных усилителей.

Информация о работе

Скачать файл

Как работают усилители на операционниках. Дифференциальный усилитель на ОУ (схема и расчёт) — radiohlam.ru

Итак, дифференциальный усилитель — это устройство, предназначенное для усиления разности подаваемых на его входы сигналов. Вот сейчас мы построением такого усилителя и займёмся.

Рассмотрим схему, построенную на базе операционного усилителя (ОУ), приведенную на рисунке справа.

Это наиболее общая схема усилителя на операционнике. По своей сути, любой усилитель на ОУ — вариант этой схемы (ниже я покажу несколько её превращений).

Прежде чем перейти к расчётам, давайте поговорим о том, что лежит в их основе. В основе расчётов всех схем с операционными усилителями лежат два положения, характеризующие идеальный операционный усилитель:

ОУ имеет бесконечно большое входное сопротивление и как следствие — бесконечно маленький входной ток. Проще говоря — входной ток при расчётах считают равным нулю. Имеется ввиду, естественно, не входной ток построенного на ОУ усилителя, а ток, втекающий в ножки самого операционного усилителя.
ОУ имеет бесконечно большой коэффициент усиления и как следствие — разность потенциалов между его входами (между входными ножками самого ОУ) в схемах с достаточной отрицательной обратной связью, равна нулю.

— Почему? Потому что напряжение на выходе равно разнице напряжений на входах ОУ, умноженной на коэффициент усиления ОУ. Чтобы что-то умножить на бесконечно большое число и получить конечное число (напряжение на выходе — оно же конечное) — это что-то должно быть бесконечно маленьким.
— Почему это относится только к схемам с обратной связью? Потому что если нет обратной связи — у операционника нет никакой возможности повлиять на напряжение на своих входах. В этом случае на выходе по идее должно было бы установиться бесконечно большое положительное или отрицательное напряжение, но в реальности выходное напряжение операционника не может выйти за границы положительного и отрицательного напряжений питания (даже ещё меньше из-за внутренних потерь) и на выходе устанавливается одно из этих граничных напряжений (операционник работает как компаратор).
— Почему обратная связь должна быть отрицательной? Потому что только в этом случае система может прийти к состоянию устойчивого равновесия. Вообще про устойчивость, неустойчивость и колебания всяких разных систем есть целый курс отдельный в вузе. В двух словах теория устойчивости что-то не вяжется, но отмечу, что её основоположником является наш соотечественник, товарищ Ляпунов (Кто там сказал, что в России ничего не придумали? — быстро пересаживаемся из автомобиля в телегу).
Что фактически происходит в схеме с отрицательной обратной связью? Фактически через обратную связь напряжение на инвертирующим входе подтягивается к напряжению на неинвертирующем входе. На напряжение на неинвертирующем входе обратная связь не влияет.
— Почему отрицательная обратная связь должна быть достаточной? Потому что если она недостаточная, то выход операционника также упрётся в одно из крайних напряжений и дальше операционник влиять на напряжения на своём инвертирующем входе не сможет. При расчётах усилителей изначально считают, что она достаточная, потому что расчёт и сводится к тому, чтобы подобрать ООС так, чтобы на выходе получилось требуемое напряжение, естественно находящееся где-то между крайними положениями.
Абсолютно те же принципы лежат в основе расчётов не только усилителей, но и в основе всяких сумматоров, вычитателей, интеграторов и прочих, построенных на операционниках вещей, — они по своей сути те же самые усилители, только усиливают специфические вещи специфическим образом (например, имеют хитро изменяющийся во времени коэффициент обратной связи, хитро построенную схему, хитро подобранные номиналы для соблюдения всяких там балансов и т.д.).

Фу, ну вот, теперь перейдём к расчётам нашего усилителя. Итак, при расчётах усилителя будем считать, что напряжение между входами операционника равно нулю, входной ток тоже равен нулю. На рисунке слева та же схема, что и выше, но с подписанными элементами, а также с подписанными токами и напряжениями (с учётом изложенных ранее положений).

По этой схеме составляем систему из четырёх уравнений, после чего из первых двух выражаем I₁, а из третьего и четвёртого выражаем I₂:

Далее из первого и третьего уравнений составляем новое уравнение:

Подставляем в него, найденные ранее, выражения для I₁, I₂ и преобразуем следующим образом:

Ну и, наконец, из последнего выражения находим формулу для определения выходного напряжения:

А вот теперь следите за руками. Преобразуем множитель перед U₂ следующим образом: R₁ перенесём из знаменателя в числитель, а оставшиеся в знаменателе скобки умножим и разделим на R₂. Получится следующее выражение:

Из этого выражения очевидно, что если в нашей схеме R_ОС/R₁=R₃/R₂, то множитель перед U₂ можно заменить просто на R₃/R₂ или на R_ос/R₁ (без разницы, мы ведь как раз рассматриваем случай, когда эти соотношения одинаковы). Тогда формулу (1) можно преобразовать к такому виду:

То есть в этом случае наша схема усиливает разницу напряжений на входах, — вот и получился дифференциальный усилитель.

Но это ещё не всё, — следите за руками дальше. Если в этой схеме вход U₁ подключить к общему проводу, резистор R₂ взять равным нулю (закоротить его просто), а резистор R₃ взять равным бесконечности (оторвать его нафиг от общего провода), то получится схема простейшего неинвертирующего усилителя, а формула (1) преобразуется к виду:

Далее. Если же вход U₂ подключить к общему проводу, резистор R₁ взять равным R₂, а резистор R₃ взять равным R_OC, то получится схема простейшего инвертирующего усилителя, а формула (1) преобразуется к виду:

При этом эквивалентное сопротивление параллельно включенных резисторов R₂, R₃ (которые, как мы договорились, равны R₁, R_OC) превратилось в условие баланса.

Вот такие забавные превращения. На этом, пожалуй, всё, надеюсь кому-нибудь пригодится.

Update

Что такое напряжение смещения? Помните, мы при расчётах считали операционник идеальным и полагали, что схема стремится поддерживать напряжение между входами ОУ равным нулю? Так вот, в случае с реальным операционником схема стремится поддерживать между входами ОУ не ноль, а некоторое очень маленькое, но вполне конкретное напряжение. Именно это напряжение и называется напряжением смещения (или точнее напряжением смещения нуля).

На что оно влияет? В первую очередь оно влияет на точностные характеристики схем с ОУ. Чтобы понять, как это происходит, — давайте вернёмся к схеме, с которой мы начинали расчёт, только теперь будем считать, что напряжение на обоих входах не одинаковое, а отличается на величину U_см. На неинверирующем входе пусть так и останется U_в, а на инвертирующем пусть будет U_в-U_см. Тогда в нашей системе из четырёх уравнений, для первых двух придётся написать не «=U_в«, а «=U_в-U_см«, и решение этой системы примет вот такой вид:

При соблюдении условия R_ОС/R₁=R₃/R₂ формула, определяющая выходное напряжение дифференциального усилителя, превратится вот в такую:

Из этой формулы видно, что если входной дифференциальный сигнал сравним по величине с напряжением смещения, то и их вклады в выходной сигнал тоже будут одного порядка. А учитывая, что напряжение смещения для каждого операционника своё (даже для одного типа операционников оно всё равно чуть-чуть отличается от экземляра к экземпляру) — становится совершенно невозможно предсказать, что в итоге будет на выходе. Чтобы исключить влияние напряжения смещения на выходной сигнал — входной дифференциальный сигнал должен быть на порядок больше, чем U_см. То есть, например, операционник, у которого напряжение смещения может составлять до 0,5 мВ НЕТ НИКАКОГО СМЫСЛА ставить в схему измерения напряжения величиной порядка 0,5 мВ (скажем для измерения падения на токоизмерительном резисторе 0,02 Ом при токе 25 мА).

P.S. Примеры применения:

Простейший компенсационный стабилизатор напряжения

Простейший светодиодный драйвер

Усилитель сигнала электретного микрофона

Самодельная электронная нагрузка

Что такое уравнение для неинвертирующего операционного усилителя – Wira Electrical

Как и для инвертирующего операционного усилителя, уравнение для неинвертирующего операционного усилителя является обязательным для нас. Уравнение ничем не отличается от инвертирующего.

Уравнение неинвертирующего операционного усилителя

Другим важным применением идеального операционного усилителя является неинвертирующий усилитель, показанный на рисунке (1).

Рис. 1. Неинвертирующий усилитель.

В этом случае входное напряжение v _i подается непосредственно на неинвертирующую входную клемму, а резистор R ₁ подключается между землей и инвертирующей клеммой. Нас интересует выходное напряжение и коэффициент усиления по напряжению.

Применение KCL на инвертирующем терминале дает

(1)

Но v ₁ = v ₂ = v _i . Уравнение. (1) становится

(2)

Коэффициент усиления по напряжению равен Av = v _o /v _i = 1 + Rf/R1 , что не имеет отрицательного знака. Таким образом, выход имеет ту же полярность, что и вход.

Неинвертирующий усилитель — это схема операционного усилителя, предназначенная для обеспечения положительного коэффициента усиления по напряжению.

Снова замечаем, что усиление зависит только от внешних резисторов.

Обратите внимание, что если резистор обратной связи R _f = 0 (короткое замыкание) или R ₁ = ∞ (разомкнутая цепь) или и то, и другое, усиление становится равным 1. В этих условиях ( R _f = 0 и R ₁ = ∞), схема на рис. (1) становится показанной на рис. (2), которая называется повторитель напряжения (или усилитель с единичным усилением ), потому что выход следует за входом.

Рис. 2. Повторитель напряжения.

Таким образом, для повторителя напряжения

(3)

Такая схема имеет очень высокий входной импеданс и поэтому может использоваться в качестве промежуточного (или буферного) усилителя для изоляции одной цепи от другой, как показано на рисунке (3). . Повторитель напряжения сводит к минимуму взаимодействие между двумя каскадами и устраняет межкаскадную нагрузку.

Рисунок 3.

Повторитель напряжения, используемый для развязки двух каскадных каскадов цепи

См. также: кроссоверная сеть

Пример уравнения для неинвертирующего операционного усилителя

Для схемы операционного усилителя на рис. (4) рассчитайте выходное напряжение v _o .

Рисунок 4

Решение:
Мы можем решить это двумя способами: с помощью суперпозиции и с помощью узлового анализа.

■ СПОСОБ 1: Используя суперпозицию, положим

, где v _o1 связано с источником напряжения 6 В, а v _o2 из-за входа 4 В. Чтобы получить v _o1 , мы устанавливаем источник 4 В равным нулю. В этом случае схема становится инвертором. Следовательно, уравнение (2) в «Инвертирующий операционный усилитель» дает

. Чтобы получить v _o2 , мы устанавливаем источник 6 В равным нулю. Схема становится неинвертирующим усилителем, так что применяется уравнение (3)

Таким образом,

a ,

Но v _a = v _b = 4, и, таким образом,

или v _o2, как раньше = -V 1 .

Полоса пропускания — неинвертирующее усиление и полюса

Учебный центр TI
Лаборатория точности TI
TI Precision Labs — Усилители
Операционные усилители
Теория полосы пропускания операционных усилителей
Полоса пропускания — неинвертирующее усиление и полюса

Лаборатория точности TI

МЕНЮ

Операционные усилители (61)
- Введение в операционные усилители (2)
- Входное напряжение смещения и входной ток смещения (2)
- Ограничения ввода и вывода (4)
- Мощность и температура (1)
- Теория полосы пропускания операционных усилителей (5)
- Скорость нарастания (4)
- Отклонение общего режима и отклонение источника питания (2)
- Шум (9)
- Конструкция с низким уровнем искажений (3)
- Стабильность (7)
- Электростатический разряд (ESD) (1)
- Электрическое перенапряжение (EOS) (4)
- Поиск и устранение неисправностей на уровне платы (1)
- Усилители с обратной связью по току (3)
- Полностью дифференциальные усилители (5)
- Основные схемы и анализ (2)
- Датчики токовой петли (4)
- Схема печатной платы (2)
Усилители измерения тока (24)
Инструментальные усилители (7)
Компараторы (5)
Полностью дифференциальные усилители (5)
Усилители со специальными функциями (4)

Электронная почта

Здравствуйте и добро пожаловать в лабораторию TI Precision, где обсуждается полоса пропускания операционных усилителей, часть 3. В этом видео мы обсудим, почему вы всегда должны использовать неинвертирующее усиление для расчета полосы пропускания, а также вторичные эффекты на полосу пропускания, такие как расположение высокочастотного полюса. Во второй части этой серии статей мы обсудили определение произведения усиления на полосу пропускания. Мы продемонстрировали, как графически определить полосу пропускания схемы для определенного коэффициента усиления, используя график коэффициента усиления без обратной связи, или Aol, из таблицы данных. Однако мы не обсуждали низкочастотный или доминирующий полюс, который появляется на графике. Доминирующий полюс — это точка на графике Aol, где Aol начинает спадать с частотой. Этот параметр важен при разработке макромоделей. Частоту полюса можно оценить по кривой Aol, но более точным подходом является ее расчет с использованием этого уравнения, где GBW — произведение усиления на полосу пропускания, а Aol — коэффициент усиления устройства без обратной связи. Используя в качестве примера OPA827, мы находим, что произведение усиления на полосу пропускания устройства составляет 22 мегагерца, а усиление без обратной связи составляет 126 децибел. Мы можем преобразовать 126 дБ в его линейное представление, используя это уравнение. Подставляем 22 мегагерца и 1,995 умножить на 10 к 6 для ширины полосы усиления и усиления без обратной связи соответственно дает доминирующую полюсную частоту 11,03 Гц. Этот расчет согласуется с графиком из таблицы данных. На этом слайде мы дополнительно исследуем кривую усиления без обратной связи OPA827. Мы видим, что усиление по постоянному току без обратной связи составляет 120 дБ и остается постоянным, пока мы не достигнем доминирующего полюса. На частотах выше доминирующего полюса усиление без обратной связи уменьшается со скоростью минус 20 дБ за декаду. Обратите внимание, что для OPA827 наклон Aol постоянен до тех пор, пока мы не пересечем единицу усиления. Следовательно, произведение усиления на полосу пропускания является постоянным для коэффициентов усиления с обратной связью от 0 до 120 дБ. Хотя обычно кривые усиления без обратной связи уменьшаются с постоянной скоростью 20 дБ за декаду, это не всегда так. Например, давайте взглянем на высокоскоростной OPA847. На этом слайде показана кривая Aol для OPA847, произведение коэффициента усиления на полосу пропускания которого определено только для части кривой Aol. В этом случае он определяется только для коэффициентов усиления с обратной связью, превышающих 50 вольт на вольт. Глядя на кривую усиления без обратной связи, мы видим, что для коэффициентов усиления более 50 вольт на вольт, или 34 дБ, наклон кривой Aol составляет минус 20 дБ за декаду. Следовательно, произведение коэффициента усиления на ширину полосы равно 3,900 мегагерц для всех коэффициентов усиления с обратной связью, превышающих 50 вольт на вольт. Однако при уменьшении коэффициента усиления ниже 50 вольт на вольт наклон кривой Aol меняется. Таким образом, произведение усиления на полосу пропускания не указано. Вместо этого указывается полоса пропускания с обратной связью для конкретных коэффициентов усиления. Также обратите внимание, что коэффициент усиления менее 12 вольт на запас по фазе указывает на нестабильность устройства. В таблице показано, как произведение коэффициента усиления и полосы пропускания не является постоянным для коэффициентов усиления менее 50 вольт на вольт, но остается постоянным для коэффициентов усиления 50 и более. В части 2 мы рассчитали пропускную способность с обратной связью для неинвертирующей конфигурации, используя произведение коэффициента усиления на полосу пропускания. Вы можете быть удивлены, узнав, что расчет пропускной способности для инвертирующей конфигурации рассчитывается с использованием неинвертирующего коэффициента усиления. Обратите внимание, что неинвертирующее усиление обычно называют шумовым усилением. В этом примере показан один и тот же усилитель, подключенный как в инвертирующей, так и в неинвертирующей конфигурации. Инвертирующая конфигурация имеет усиление минус 1, а неинвертирующая конфигурация имеет усиление плюс 1. Начнем с расчета пропускной способности для неинвертирующей конфигурации. Полоса пропускания неинвертирующего усилителя U1 рассчитывается путем деления произведения ширины полосы усиления на коэффициент усиления неинвертирующего усилителя. Таким образом, для этого примера полоса пропускания составляет 22 мегагерца, деленное на 1, что равно 22 мегагерцам. С другой стороны, полоса пропускания инвертирующего усилителя U2 рассчитывается с использованием неинвертирующего коэффициента усиления. Усиление по отношению к неинвертирующему входу рассчитывается как RF, деленное на F1 плюс 1, что в данном примере равно 2. Таким образом, полоса пропускания инвертирующего усилителя составляет 22 мегагерца, деленное на 2, что составляет 11 мегагерц. Распространенной ошибкой является рассмотрение коэффициента усиления источника сигнала, а не шумового коэффициента усиления при расчете полосы пропускания с использованием инвертирующих усилителей. Этот пример моделируется, чтобы доказать правильность ручных вычислений. Обратите внимание, что результаты расчетов моделирования в ручном режиме очень близки друг к другу. В моделировании используется простая модель однополюсного усилителя, чтобы проиллюстрировать взаимосвязь между полосой пропускания и конфигурацией схемы. Позже мы увидим, что более комплексная модель включает вторичные эффекты, оказывающие дополнительное влияние на пропускную способность. На предыдущем слайде мы продемонстрировали, что вам всегда нужно использовать неинвертирующее усиление или шумовое усиление при расчете полосы пропускания. Это заставляет задаться вопросом, какова теоретическая основа для постоянного использования усиления шума независимо от конфигурации схемы. Сначала рассмотрим инвертирующую конфигурацию. Передаточную функцию можно получить, используя либо представление системы управления, показанное слева, либо представление схемы справа. Представление системы управления более интуитивно понятно, поэтому сосредоточимся на нем. Передаточная функция инвертирующей конфигурации равна Aol, деленной на 1 плюс Aol, умноженная на бета, умноженная на коэффициент прямой связи альфа. Aol — единственный член в уравнении, который меняется с частотой. Теперь давайте сравним инвертирующую и неинвертирующую конфигурации. Здесь мы сравниваем инвертирующую и неинвертирующую конфигурации. Обратите внимание, что единственная разница между этими двумя конфигурациями заключается в коэффициенте прямой связи альфа. Альфа является постоянным скаляром и не влияет на пропускную способность. Пропускная способность определяется количеством Aol, деленным на 1 плюс бета, умноженная на Aol. Этот термин одинаков как для инвертирующей, так и для неинвертирующей конфигурации. Кроме того, поскольку Aol в обоих случаях один и тот же, пропускная способность задается бета-версией. Помните из предыдущего видео, что 1, деленная на бета, представляет собой неинвертирующий коэффициент усиления и равен RF, деленный на R1 плюс 1. Таким образом, неинвертирующий коэффициент усиления устанавливает полосу пропускания как для инвертирующей, так и для неинвертирующей конфигурации. Теперь давайте взглянем на вторичные эффекты пропускной способности. В этой симуляции у нас снова есть буфер с коэффициентом усиления 1 вольт на вольт и инвертирующий усилитель с коэффициентом усиления минус 1 вольт на вольт. Это те же конфигурации схемы, что и показанные ранее. Единственная разница, однако, заключается в том, что усилители в этом моделировании представляют собой макромодели OPA827. Принимая во внимание, что в предыдущем моделировании использовалась упрощенная модель однополюсного операционного усилителя. Расчет пропускной способности такой же, как и раньше. Используя неинвертирующие коэффициенты усиления, мы вычисляем полосы пропускания 11 мегагерц для инвертирующего усилителя и 22 мегагерца для буфера. Однако, когда мы моделируем схемы, полосы пропускания составляют 18 мегагерц и 34,7 мегагерц. Ни один из них не соответствует расчету. Почему? Реальные усилители и надежные имитационные модели имеют несколько полюсов на кривой усиления без обратной связи, также известной как Aol. Мы уже обсуждали наличие низкочастотного или доминирующего полюса. Другие полюса обычно размещаются за пределами полосы пропускания устройства с единичным усилением. Тем не менее, они все еще могут влиять на пропускную способность. На этом слайде слева показаны кривые Aol и фазы для упрощенной имитацион- ной модели. Обратите внимание, что на кривой Aol появляется только доминирующий полюс. Когда мы смотрим на соответствующий фазовый график, мы видим соответствующие 90 градусов фазового сдвига из-за доминирующего полюса. На более высокой частоте явно нет дополнительного полюса, так как фазовый график остается постоянным. Напомним, что фаза начинает изменяться за одну декаду до частоты полюса. С правой стороны мы видим кривые Aol и фазы для более полной модели двухполюсного моделирования. Опять же, мы видим наличие доминирующего полюса на низкой частоте. Глядя на фазовый график, мы видим сдвиг, который указывает на наличие высокочастотного полюса. Обратите внимание, что даже несмотря на то, что полюс расположен за пределами полосы единичного усиления, он все равно влияет на фазу в пределах полосы пропускания устройства. Второй полюс на кривой Aol будет влиять на величину и фазу отклика ОУ с обратной связью. Фактически отклик усилителя с двумя или более полюсами на кривой Aol с обратной связью задается этой передаточной функцией, где s — это j, умноженное на омегу, омега n — собственная частота, а дзета — коэффициент демпфирования. График логарифмической величины системы второго порядка показывает усиление в дБ в зависимости от частоты для различных значений дзета. Обратите внимание, что для некоторых значений дзета усиление значительно увеличивается вблизи собственной частоты. Это резкое увеличение называется пиковым усилением. Зета связана с расположением второго полюса. Когда второй полюс находится на очень высоких частотах по отношению к частоте единичного усиления, значение дзета велико, и пиков усиления фактически нет. Однако, если второй полюс близок к частоте единичного усиления, значение дзета мало, и пики могут быть значительными. Пиковое усиление происходит с реальными операционными усилителями и моделируется в большинстве макромоделей операционных усилителей. Пиковое усиление внесет ошибки для частот, близких к собственной частоте, и повлияет на полосу пропускания. Здесь у нас есть график коэффициента усиления без обратной связи усилителя и коэффициента усиления буфера с обратной связью. Кривая усиления без обратной связи показана красной пунктирной линией, а усиление с обратной связью — сплошной синей линией. Доминирующий полюс кривой Aol расположен на частоте 0,6 Гц. На частотах выше 0,6 Гц кривая Aol скатывается со скоростью минус 20 дБ за декаду, пока не пересечет единицу усиления или 0 дБ, что составляет примерно 2 мегагерца. Обратите внимание, что усиление с обратной связью начинает следовать кривой Aol, как только усиление контура заканчивается. Этот график также показывает наличие второго высокочастотного полюса, расположенного на частоте 27 мегагерц. Выше этой частоты кривая Aol уменьшается со скоростью 40 дБ за декаду. Расположение второго полюса будет влиять на пропускную способность цепи. Мы обнаружим, что по мере уменьшения частоты полюса ширина полосы будет увеличиваться, и наоборот. Теперь давайте увеличим высокочастотную часть графика. Когда второй полюс расположен на частоте 27 мегагерц, мы находим ширину полосы, или минус точка 3 дБ, составляет 2,1 мегагерц. На следующих нескольких слайдах мы уменьшим частоту расположения второго полюса с 27 мегагерц до 2,5 мегагерц. Частота второго полюса была снижена с 27 мегагерц до 12,4 мегагерц, а ширина полосы увеличилась с 2,1 мегагерц до 2,2 мегагерц. Сейчас я быстро пролистаю слайды. Обратите внимание, что полоса пропускания увеличивается по мере уменьшения частоты второго полюса. Наконец, когда второй полюс находится вблизи полосы единичного усиления, полоса пропускания замкнутого контура перестает изменяться, и мы видим значительный пик усиления. В этой таблице суммировано влияние расположения второго полюса на полосу пропускания пиков и обратной связи. Стоит отметить, что пиковый эффект будет иметь место только при низком усилении. В следующих видеороликах мы рассмотрим вопрос стабильности и покажем более подробную информацию о концепции пикового усиления. На данный момент важно знать, что пики усиления могут возникать в усилителях со вторыми полюсами в их Aol. Кроме того, этот эффект обычно включается в макромодели операционных усилителей Spice. Наконец, амплитуда пиков обычно должна быть меньше нескольких децибел, а изменение ширины полосы должно быть меньше, чем в 2 раза. Таким образом, в этом видео обсуждается, почему вы всегда должны использовать неинвертирующее усиление для расчета пропускной способности. И вторичные эффекты, а именно расположение высокочастотного полюса, на полосу пропускания. Спасибо за ваше время. Пожалуйста, пройдите тест, чтобы проверить свое понимание содержания этого видео.大家好欢迎来到来到高精度实验室，本视频将介绍放大器带宽第 3 部分。本视频中，将讨论您为何应该使用非反相增益计算带宽和的生应该使用非反相来计算宽对生效应使用非反相非反相增益效应效应，如极点位置。在本系列视频的第 2 部分，讨论了增益带宽积的定义我们展示了如何数据表带的增益增益，或称图形，图形方式电路在增益或称图形以方式确定电路在特定增益的增益带宽。但是，我们尚未讨论在中出现的低频或主极点。主极点是图形中中开始随频率的点在在宏模型时，该非常。频率可开发宏时，参数重要频率可通过 aol 曲线估算，但更准确的方法是使用该式来计算它，其中其中 gbw 是宽积宽积，是器件的增益增益以以以以以以以以以以增益带增益带增益带增益带增益带增益带增益带宽积宽积宽积宽积宽积宽积宽积具有具有具有具有具有宽积宽积宽积，而且开环增益是 126 分贝。我们可以使用该等式将 126 dB 它的线性表示。宣入的客的线性表示。宣入的客的线性表示。宣入的客的的客入的客入的客入的95 乘以 10 的 6 次方增益增益，得到 11,03 Гц 的频率。此与与数据表中的一致。此幻灯片中，数据研究了了图形一致。此幻灯片，我们研究了了 opa827 开环。我们看到流开流开进一步了了了开环我们看到流开流开流开流开流开流开流开流开流开环增益一直为为为 120 дБ ，到我们到达主极主极点当频率高于主极点时，增益以以 -20 дБ/十频程的减小。请注意注意 op opa827 的斜率定值定值小请注意注意， op 的斜率定值定值小小。注意注意注意注意直到越过单位增益。因此，对于从 0 到 120 дБ 的增益而言，增益带宽积为。虽然开环增益曲线以 20 дБ/十倍的恒定速率很常见，但情况并非十频程恒定速率很常见，情况情况并非并非情况情况情况总是如此例如，让我们来看看高速的 opa847。幻灯片显示了 opa847 的 aol 曲线，其积仅为部分部分曲线。在这种下下它仅大于大于曲线。这种下，仅大于大于大于大于大于大于定义这种下的闭环定义。纵观开环增益曲线，我们看到，当大于大于大于大于大于 50 В/V 或 34 дБ 时， aol 曲线的为为 -20 дБ/十频程。因此，所有大于大于大于大于斜率 v v/v的闭环的增益带宽积等于等于等于 3900 МГц。不过，增益降至降至降至降至降至降至降至降至降至降至降至降至降至降至降至降至降至降至降至降至降至降至降至降至降至降至降至降至降至降至降至降至降至降至降至降至降至降至降至降至降至因此，增益带尚未指定。实际上特定增益的闭环带宽被的未指定实际上，特定的是被的尚未实际上，特定的被增益带。还注意，当增益小于小于 12 В/V 时，相位裕度器件并不稳定。下表说明了当增益小于 50 В/В 时，和的乘积不是定值但当大于等于增益带宽乘积是定值但当大于等于等于增益的是定值50 В/V 时，该为定值。在第 2 部分，我们增益带宽积计算出非反相配置的。您可能会意外，在反相配置的带宽，也是使用非非计算配置带宽时也是非非非非非非非是反相增益请注意，非反相增益通常被称为噪声增益该示例显示了以反相和非反相连接的同一大器。配置的增益为 -1 ，非反相配置配置的的的增益为 1。让先来计算非反相配置的带宽。非反相放大器大器的通过让增益带宽积除以增益来计算。，在本示例中，是 22 МГц 除以，示例中带宽是是是是是是除以， 1 ，等于 22 МГц。一方面，反相放大器大器 u2 的使用非反相增益来计算。非反相输入的增益计算公式为 rf/r1+1 ，这在示例中是 2。因此因此，，，，因此因此因此因此因此因此因此因此因此因此因此因此因此因此因此为反相放大器的带宽是 22 МГц 除以 2 ，等于 11 МГц。一常见的错误是使用信号源增益而非噪声增益计算反相放的带宽我们对该示例进行以证明手算结果的请对该进行仿真以手算是。注意该示例进行进行的注意，该真和手算结果非常接近。该仿真使用个简单的单极放大器模型来带宽与电路之间的关系。器模型将更全面模型模型，对带宽影响我们看到更全面模型，对具有影响的看到更全面模型带宽额外的次生。在上一张幻灯片中，我们已您始终需要使用非反相增益或噪声增益计算带宽这导致我们知道是什么样的理论使得我们需要使用噪声计算是什么样理论基础我们需要使用噪声计算是的理论使得需要使用噪声计算带宽而考虑电路配置。首先，让我们考虑配置。传递函数可以使用所所示的系统表示或右侧示的表示推导出来。控制表示更为直观，因此我们于出来控制系统更为直观因此让侧重于这一。反相配置的传递函数是是是除以 1 加加 β β 乘以前馈 α α。 aol 是中唯一随着变化的项。现在，我们比较相非反频率的。现在，我们反和非反非反非反非反相相相相和相配置我们在此比较反相和配置。请注意，两配置之间唯一的区别是前馈 α α α α 是个常数标量，且影响带宽带宽是由由除常数标量且不带宽带宽带宽由由除以标量且影响带宽带宽是由除以标量，加 β 乘以 aol 来的。此项对反相和非反相配置而是相同的。此外，由于由于在种情况下相同的，因而带 β β β 之前的提到过因而1 除以 β 是非增益，，等于 rf/r1+1。因此反相和非反相配置的带宽由非反相决定。现在，让来看带宽的次效应。在本仿真本仿真让看带宽的生效应。在本仿真本仿真中，我们有一个增益为 1 В/V 的缓冲器一个增益为 -1 В/V 的反相大器。这些是与之前所示的电路配置。不过，的区别该仿真相同电路配置不过，的是该使用使用的。不过唯一的该的放是是 opa827 宏模型，而的仿真中使用简化的单极运算放大器模型。的计算与相同。通过放大器模型。计算反相放大器的为使用增益，我们出反相放的带宽为为且的我们计算出放的为为为且的带宽为 22 МГц。不过，我们仿真电路时，带宽是是是是。和和和和实际实际的放大器和强大仿真模型在其开环增益曲线称放大器和和的模型在其开环或曲线曲线曲线曲线曲线曲线中中中中中中中有多个极点。我们已经讨论了一个低频极点，或称主极点存在。其他极点通常位于器件的单位带宽之外。不过，它们仍可影响带宽。该灯片的描述了一个的仿真的的相位曲线。注意主极的仿真的的和曲线请只有点点仿真点点点出现在 Aol 曲线上。当我们看对应的相位图时，我们看到由主极点导致的相应 90 度相移。当频率更高时，显然无额外点，因为保持保持变。回想一下，相位在极点频率十倍频程开始改变在右侧，我们了全面的频程改变。右侧，看到了全面的双极点仿真的的 aol 和曲线。再一次，我们看到低频的主极点的存在。纵观相位图，看到一个高频极存在的相移。注意，即使极点位置极存在的。注意，即使的超出超出单位增益带宽，也仍影响器件带宽内的相位。。曲线上第二极点点会运算放大器响应的幅值相位。实际上，， aol 曲线有两个更极点放大器闭环闭环闭环闭环曲线曲线闭环闭环闭环闭环响应是该传递函数求得的，其中 S 为 j 乘以 ω ， ωn 是频率频率 ζ ζ 阻尼因数。二阶系统对数显示了不同 ζ 值下以以为单位的显示 ζ ζ 值下以以为单位的显示增益与的关系。请注意，对于 ζ ζ 值而言，在自然频率时，增益会大幅增加，一剧增被增益峰化 ζ ζ 第二极点定位有关，当第第第第第当当当当 ζ ζ二极点的高于单位增益频率时 ζ ζ 的值较大，实际上未出现增益峰化。不过，第二极点接近单位频率 ζ ζ ζ 值较，且可能出现显著峰 ζ ζ 较小且可能出现显著峰 ζ化。峰化发生在实际运算放大器中，且在运算放大器中被模型化。当频率自然频率时，增益将导致误差，并影响带宽。我们有的导致误差并影响带宽现在我们放大器开开环增益曲线的闭环增益图。红色虚线表示开环增益曲线，而实线表示闭环增益。。曲线的主极点位于 0,6 Гц 当频率大于 0,6 Гц 时， aol 曲线 -20 дБ /十频程的速度下降，直到越过单位或或 0 db ，大约为为 2 МГц。注意，当环路增益耗尽时该闭环增益开始沿着曲线。该图显示位于该闭环开始沿着沿着曲线该图显示存在该闭环增益开始沿着曲线该还显示位于该闭环增益沿着沿着该还显示存在，该该位于Mhz 处第二高频极点。高于此频率时， aol 曲线以以以以以以以以以以以以以会影响倍带宽。我们会发现当第二的影响电路带宽。会发现，当极点频率影响的。会发现当极点的的频率的下降时，宽将增加，反之亦然。现在，让来放大图形的高频部分。第二极点位于位于放大的高频部分。当极点位于位于位于放图形的高频。当第二极位于位于位于 27 МГц 处，发现发现带宽或 -3 дБ 27 МГц 2,5 МГц МГц 降至 12,4 МГц ，且从从 2,1 МГц 增至 2,2 МГц。，我将快速翻页翻页请注意，带宽随第二极频率降低翻页增加。最后，带宽极极时降低而增加最后，当极点增益带宽时，增加最后当极点增益带宽时闭环带宽停止，我们看到显著的增益峰化。该表总结了极点位置的影响与峰化和带宽的关系。注意的，峰化仅在低的情况下发生。，效应仅低增益情况下。。在以后视频中，我们将介绍稳定性这个主题，并更多关于增益峰化的细节。目前，需要的重要一点，增益峰化可能会在在曲线有第二的增益峰化会出现在在有第二的，可能会出现在曲线第二是，放大器中此外，这种影响通常被在在在运算放大器中。最后，该峰化的幅值一般小于几分贝并且带宽的变化小于 2 倍。总的来说视频并且的变化小于 2 倍总的来说本视频讨论了为何应始终使用非反相增益来计算带宽对带宽的次效应效应，即高频点位置。。请尝试测验以检查您本视频内容理解。