Разностный усилитель на оу: Расчет разностного усилителя (вычитателя) на ОУ (Курсовая работа)

Содержание

Расчет операционных усилителей

Дорога в десять тысяч ли начинается с первого шага. Дело было вечером, делать было нечего… И так вдруг захотелось спаять что-нибудь. Этакое… Электронное!.. Спаять — так спаять. Компьютер имеется, Интернет подключен.


Поиск данных по Вашему запросу:

Схемы, справочники, даташиты:

Прайс-листы, цены:

Обсуждения, статьи, мануалы:

Дождитесь окончания поиска во всех базах.

По завершению появится ссылка для доступа к найденным материалам. ПОСМОТРИТЕ ВИДЕО ПО ТЕМЕ: Электроника от простого к сложному. Урок 8. Первые схемы на оу. (PCBWay)

Primary Menu


Рубрика: Коммуникации и связь. Скачать файл: referat. Краткое описание работы: Структурная схема операционного разностного усилителя и его характеристики.

Особенности расчета параметров разностного усилителя на операционных усилителях, его схемы электрической принципиальной. Расчет компенсационного стабилизатора напряжения. Министерство науки и образования Украины. В курсовом проекте рассматривается разностный усилитель. Курсовой проект состоит из двух частей. В первой части рассчитываем параметры разностного усилителя на операционных усилителях.

Во второй части разрабатываем компенсационный стабилизатор напряжения. Коэффициент усиления, операционный усилитель, повторитель напряжения, вычитатель, транзистор, компенсационный стабилизатор, источник сигнала, сопротивление, разностный усилитель. Обмен информацией в электронных системах происходит с помощью сигналов. Многие электронные устройства, используемые в быту и на производстве требуют определенных параметров напряжения на входе, отличных от параметров сети.

Для создания нужного напряжения и используют стабилизаторы напряжения, один из которых требуется разработать во второй части проекта. Стабилизатор разрабатывается на базе стандартных аналоговых элементов, выпускающихся серийно и может использоваться для работы с широким спектром устройств, требующих напряжения, укладывающегося в его выходной диапазон. Носителями сигналов могут быть разные физические величины — токи, напряжения, световые волны.

Выделяют аналоговые и дискретные сигналыДискретные сигналы проще хранить и обрабатывать, они более стойкие к помехам. Поэтому дискретные сигналы чаще используют на практике, чем аналоговые, так как аналоговое преобразование сигналов является необходимым этапов обработки информации и мощности этих сигналов. Для сигналов, имеющих информационную сущность, такая последовательность преобразования с аналоговыми сигналами на входе и выходе и цифровыми на промежуточном этапе.

Для сигналов, имеющих энергетическую сущность, аналоговое преобразование является единственно возможным. Поэтому, в зависимости от особенностей сигналов, существует три группы преобразований:. Полностью вытеснить аналоговую технику цифровая не сможет, потому что физические процессы, от которых электронная система получает информацию, имеют аналоговую природу. Операционный усилитель ОУ — унифицированный многокаскадный усилитель постоянного тока, удовлетворяющий следующим требованиям к электрическим параметрам:.

История названия операционного усилителя связана с тем, что подобные усилители постоянного тока использовались в аналоговой вычислительной технике для реализации различных математических операций, например суммирования, интегрирования и др. В настоящее время эти функции хотя и не утратили своего значения, однако составляют лишь малую часть списка возможных применений ОУ.

Являясь, по существу, идеальным усилительным элементом, ОУ составляет основу всей аналоговой электроники, что стало возможным в результате достижений современной микроэлектроники, позволившей реализовать достаточно сложную структуру ОУ в интегральном исполнении на одном кристалле и наладить массовый выпуск подобных устройств. Все это позволяет рассматривать ОУ в качестве простейшего элемента электронных схем подобно диоду, транзистору и т. Следует отметить, что на практике ни одно из перечисленных выше требований к ОУ не может быть удовлетворено полностью.

Достоверность допущений об идеальности свойств в каждом конкретном случае подтверждается сопоставлением реальных параметров ОУ и требований к разрабатываемым электронным средствам ЭС. Он характеризует способность ослаблять не усиливать сигналы, приложенные к обоим входам одновременно;. Эта частота соответствует уменьшению коэффициента усиления на —3дБ, при задании коэффициента усиления в логарифмическом масштабе.

Положительный запас устойчивости по фазе является показателем устойчивости ОУ. Для получения максимально быстрого отклика на импульсный входной сигнал и одновременно исключения звона или неустойчивости желательно иметь запас устойчивости по фазе порядка 45 0. Для ОУ фазово-частотная характеристика, которого приведена на рис. Для большинства типов ОУ величина U вых. Важной характеристикой ОУ является его амплитудная передаточная характеристика. Она приведена на рис. При упрощенном анализе схем, содержащих ОУ, удобно пользоваться понятием «идеального ОУ», для которого:.

I вх — входной ток 0А. Реально идеальных ОУ не существует. Однако параметры реальных ОУ, с точки зрения погрешностей создаваемых ими, близки к идеальным. Это позволяет использовать понятие идеального ОУ, что существенно упрощает анализ схем, содержащих ОУ. Обычно в устройствах содержащих ОУ он используется не самостоятельно, а с элементами внешней обратной связи, которые целиком определяют его передаточную и частотную характеристику.

В действительности при расчете схем содержащих ОУ следует учитывать конечные значения R вх оу , R вых оу и полосы пропускания. Так номиналы резисторов, подключаемые к выводам ОУ, должны удовлетворять очевидным неравенствам.

Номиналы емкостей, с одной стороны должны быть значительно больше паразитных емкостей схемы. С другой стороны, эти емкости не должны быть большими, так как при этом увеличиваются габариты устройства и потери в конденсаторах. Для низкочастотных устройств фильтров частота единичного усиления должна удовлетворять неравенству.

Операционные усилители, выполняемые в виде монолитных ИМС, можно классифицировать следующим образом. Параметры некоторых типов ОУ могут изменяться за счет введения частотной коррекции и токового программирования. Частотная коррекция может быть введена в схему ОУ при его изготовлении. Это, так, называемые ОУ с внутренней коррекцией. На рис. Как известно, такая форма АЧХ обеспечивает устойчивость схем на ОУ при любом требуемом коэффициенте усиления, что достигается за счет существенного ухудшения частотных свойств ОУ.

В случае широкого спектра усиливаемого сигнала частотные свойства ОУ накладывают ограничения на значение коэффициента усиления, который можно получить в схеме усилителя, используя данный ОУ. Использование внешних корректирующих элементов позволяет, как правило, обеспечить устойчивую работу ОУ в требуемом диапазоне изменения коэффициента усиления при меньшем ухудшении частотных свойств, но приводит к усложнению схемы усилителя.

Операционный усилитель — это аналоговая интегральная схема, снабженная, как минимум, пятью выводами. Ее условное графическое изображение приведено на рисунке 1. Два вывода ОУ используются в качестве входных, один вывод является выходным, два оставшихся вывода используются для подключения источника питания ОУ. С учетом фазовых соотношений входного и выходного сигналов один из входных выводов вход 1 называется неинвертирующим, а другой вход 2 — инвертирующим.

На основе ОУ выполнен разностный дифференциальный усилитель, схема на рис. Это усилитель, в котором выходное напряжение пропорционально разности входных сигналов U вх2 и U вх1 рис. Поскольку для идеального.

Такие входные напряжения называются синфазными U cc. Поскольку усилитель разности усиливает только разностный дифференциальный сигнал, то такой усилитель часто называют дифференциальным усилителем. Дифференциальный операционный усилитель — универсальный и наиболее широко применяемый тип ОУ. Чтобы уменьшить затраты, выпускают специализированные усилители, имеющие ограниченную область применения из-за того что присутствует всего один вход, но в них лучшее сочетание функциональных возможностей стоимости.

Разностный усилитель — это усилитель в котором выходное напряжение пропорционально разности входных сигналовU вх1 и U вх2. Разностный усилитель на ОУ является совокупностью инвертирующего и неинвертирующего усилителей. U вых разностного усилителя:. Это выражение объясняет происхождение названия и назначение разностного усилителя.

Если подать на оба входа разностного усилителя одинаковое напряжение, то на выходе получим напряжение равное нулю, такие входные напряжения называют синфазнымиU сс.

Синфазный сигнал это среднее значение двух входных напряжений. Если напряжение входа один равняется напряжению входа 2 которое отрицательное, то напряжение синфазного сигнала равно нулю.

Разностный усилители часто называют дифференциальным из-за того что усилитель разности усиливает только разностный дифференциальный сигнал. Дифференциальным сигналом называется разность двух входных напряжений. Синфазный сигнал в разностном усилителе на ОУ при одинаковой полярности входных напряжений увеличивает ошибку усилителя. Недостатками рассмотренного усилителя мы можем отнести трудность в регулировании коэффициента усиления и разную величину входных сопротивлений.

Помехи на входах синфазны, поэтому не усиливаются, а ошибка увеличивается и уменьшить её можно, если выбрать ОУ с полевыми транзисторами или использовать различные схемные решения.

U вых. Можно значительно уменьшить, выбрав ОУ с полевыми транзисторами или использовать другие схемные решения. Стабилизатором напряжения называется устройство, поддерживающие автоматически и с требуемой точностью напряжение на нагрузке при изменении дестабилизирующих факторов в обусловленных пределах. Основным источником питания электронных устройств в настоящее время являются выпрямительные устройства, преобразующие переменный ток в ток одного направления, называемый выпрямленным.

Постоянное напряжение или ток, получаемые от выпрямителей, по различным причинам могут изменяться, что может нарушить нормальную работу различных устройств, питание которых осуществляется от выпрямительных устройств.

Основным причинами нестабильности является изменение напряжения сети и изменение тока нагрузки. Для обеспечения постоянного напряжения на сопротивлении нагрузки применяют стабилизаторы напряжения. Существует два принципиально разных метода стабилизации напряжения: параметрический и компенсационный. Сущность компенсационного метода стабилизации сводится к автоматическому регулированию выходного напряжения. В компенсационных стабилизаторах производится сравнение фактической величины входного напряжения с его заданной величиной и в зависимости от величины и знака рассогласования между ними автоматически осуществляется корректирующее воздействие на элементы стабилизатора, направленное на уменьшение этого рассогласования.

Коэффициент стабилизации, представляющий собой отношение относительного изменения напряжения на входе к относительному изменению напряжения на выходе стабилизатора.

Коэффициенты стабилизации служат основными критериями для выбора рациональной схемы стабилизации и оценки ее параметров. Выходное сопротивление, характеризующее изменение выходного напряжения при изменении тока нагрузки и неизменном входном напряжении. Коэффициент полезного действия, равный отношению мощности в нагрузке к номинальной входной мощности.

Дрейф допустимая нестабильность выходного напряжения. Временной и температурный дрейф характеризуется величиной относительного и абсолютного изменения выходного напряжения за определенный промежуток времени или в определенном интервале температур. Схемы компенсационных стабилизаторов постоянного напряжения бывают последовательного рис. Различие приведенных схем состоит в следующем.

В последовательных стабилизаторах напряжение на регулирующем элементе возрастает при увеличении напряжения на нагрузке, а ток приблизительно равен току нагрузки. В параллельных стабилизаторах напряжение на регулирующем элементе не зависит от входного напряжения, а ток находится в прямой зависимости от напряжения на нагрузке.


Практическое занятие № 3. Расчет электронных устройств на основе операционных усилителей

Connexion :. Accueil Contact. Faire un blog. Предметная область: Коммуникация, связь, радиоэлектроника и цифровые приборы.

Расчет инвертирующего усилителя. Дано: Uвх = 80 мВ, Uвых = 4 В, Rн = 10 кОм, ОУ типа 14ОУД7 МВ=√2 – коэффициент частотных искажений в.

Основные схемы включения ОУ

Операционный усилитель — это электронный усилитель напряжения с высоким коэффициентом усиления, имеющий дифференциальный вход и обычно один выход. Напряжение на выходе может превышать разность напряжений на входах в сотни или даже тысячи раз. Своё начало операционные усилители ведут от аналоговых компьютеров, где они применялись во многих линейных, нелинейных и частото-зависимых схемах. Параметры схем с операционными усилителями определяются только внешними компонентами, а так же небольшой температурной зависимостью или разбросом параметров при их производстве, что делает операционные усилители очень популярными элементами при конструировании электронных схем. Операционные усилители являются наиболее востребованными приборами среди современных электронных компонент, они находят своё применение в потребительской электронике, применяются индустрии и в научных приборах. Многие стандартные микросхемы операционных усилителей стоят всего несколько центов. Но некоторые модели гибридных или интегрированных операционных усилителей со специальными характеристиками, выпускаемые мелкими партиями, могут стоить более сотни долларов. Операционные усилители обычно выпускаются как отдельные компоненты, а так же они могут являться элементами более сложных электронных схем. Операционный усилитель является разновидностью дифференциального усилителя. Другими разновидностями дифференциального усилителя являются:.

Операционный усилитель для чайников

Задача 1. Расчёт инвертирующего усилителя низкой частоты на базе операционного усилителя. Исходные данные приведены в таблице 3. Определить максимальное входноенапряжение синусоидального сигнала U вх m ax , при котором не будет значительных искажений выходного сигнала.

Электроника является универсальным исключительно эффективным средством при решении самых различных задач в области сбора, преобразования информации, автоматического и автоматизированного управления. Сфера применения электроники постоянно расширяется.

Расчет операционного усилителя – Операционный усилитель | Электроника для всех

В этой статье мы обсудим некоторые аспекты практического применения операционных усилителей в повседневной жизни радиолюбителя. Не растекаясь мыслею по древу и не вдаваясь в дремучие теоретические основы работы вышеозначенного усилителя, давайте все же обозначим некоторые основные термины и понятия, с которыми нам предстоит столкнуться в дальнейшем. Итак — операционный усилитель. Далее будем называть его ОУ, а то очень лень писать каждый раз полностью. На принципиальных схемах, чаще всего, он обозначается следующим образом:. На рисунке обозначены три самых главных вывода ОУ — два входа и выход.

12 Расчет усилительных каскадов на операционных усилителях

Автор: Трундов А. Источник: cyberleninka. Трундов А. Расчет и измерение напряжения смещения операционного усилителя Рассматриваются методы измерения напряжения смещения ОУ для работы в составе экспоненциальных преобразователей. Существуют различные методы измерения параметров операционных усилителей ОУ. Для выбора оптимального метода измерения необходим их анализ.

Задача 1. Расчёт инвертирующего усилителя низкой частоты на базе операционного усилителя. На основе заданного операционного.

Поваренная книга разработчика аналоговых схем: Операционные усилители 3

Войдите , пожалуйста. Хабр Geektimes Тостер Мой круг Фрилансим. Мегапосты: Криминальный квест HR-истории Путешествия гика.

Цель указаний: Обеспечить студентам возможность самостоятельной подготовки к выполнению и защите лабораторной работы. Ознакомиться с методикой расчета и обеспечения оптимальных режимов работы схем с использованием операционных усилителей в электронных устройствах. Экспериментально исследовать основные методы включения операционных усилителей. В аналоговой электронике ОУ используются как базовые элементы для реализации различных функциональных устройств: усилителей постоянного и переменного тока, компараторов, сумматоров, логарифматоров и пр.

При подаче сигнала на инвертирующий вход выходной сигнал будет сдвинут по фазе на 80 относительно входного полярность выходного сигнала противоположна входному это так называемое инвертирующее включение ОУ. При неинвертирующем включении ОУ сигнал подаётся на неинвертирующий вход, выходной сигнал совпадает по фазе с входным сигналом.

Рубрика: Коммуникации и связь. Скачать файл: referat. Краткое описание работы: Структурная схема операционного разностного усилителя и его характеристики. Особенности расчета параметров разностного усилителя на операционных усилителях, его схемы электрической принципиальной. Расчет компенсационного стабилизатора напряжения.

Прошлая статья открыла цикл статей про строительные кирпичики современной аналоговой электроники — операционные усилители. Было дано определение ОУ и некоторые параметры, также приведена классификация операционных усилителей. Данная статья раскроет такое понятие как идеальный операционный усилитель, и будут приведены основные схемы включения операционного усилителя. Так как наш мир не является идеальным, так и идеальных операционных усилителей не существует.


Разновидности УУ на ОУ

 

На основе ОУ может быть выполнен разностный (дифференциальный) усилитель, схема которого приведена на рисунке 6.10.

 

 

Разностный усилитель на ОУ можно рассматривать как совокупность инвертирующего и неинвертирующего вариантов усилителя. Для разностного усилителя можно записать:

.

Как правило, и , следовательно, . Раскрыв значения коэффициентов усиления, получим:

,

Для частного случая при получим:

.

Последнее выражение четко разъясняет происхождение названия и назначение рассматриваемого усилителя.

В разностном усилителе на ОУ при одинаковой полярности входных напряжений имеет место синфазный сигнал, который увеличивает ошибку усилителя. Поэтому в разностном усилителе желательно использовать ОУ с большим КОСС. К недостаткам рассмотренного разностного усилителя можно отнести разную величину входных сопротивлений и трудность в регулировании коэффициента усиления. Эти трудности устраняются в устройствах на нескольких ОУ, например, в разностном усилителе на двух повторителях (рисунок 6.11).

 

Данная схема симметрична и характеризуется одинаковыми входными сопротивлениями и малым напряжением ошибки, но работает только на симметричную нагрузку.

На основе ОУ может быть выполнен логарифмический усилитель, принципиальная схема которого приведена на рисунке 6.12.

 

 

P-n переход диода VD смещен в прямом направлении. Полагая ОУ идеальным, можно приравнять токи и .Используя выражение для ВАХ p-n перехода , нетрудно записать:

,

откуда после преобразований получим:

,

из чего следует, что выходное напряжение пропорционально логарифму входного, а член представляет собой ошибку логарифмирования. Следует заметить, что в данном выражении используются напряжения, нормированные относительно одного вольта.

При замене местами диода VD и резистора R получается антилогарифмический усилитель.

Широкое распространение получили инвертирующие и неинвертирующие сумматорына ОУ, называемые еще суммирующими усилителями или аналоговыми сумматорами. На рисунке 6.13 приведена принципиальная схема инвертирующего сумматора с тремя входами. Это устройство является разновидностью инвертирующего усилителя, многие свойства которого проявляются и в инвертирующем сумматоре.

 

 

При использовании идеального ОУ можно считать, что входных токов усилителя, вызванных входными напряжениями , и , равна току, протекающему по , т.е.

,

откуда

.

Из полученного выражения следует, что выходное напряжение устройства представляет собой сумму входных напряжений, умноженную на коэффициент усиления . При и .

При выполнении условия токовая ошибка мала, и ее можно рассчитать по формуле , где — коэффициент усиления сигнала ошибки, который имеет большее значение, чем .

Неинвертирующий сумматор реализуется также как и инвертирующий сумматор, но для него следует использовать неинвертирующий вход ОУ по аналогии с неинвертирующим усилителем.

При замене резистора конденсатором С (рисунок 6.14) получаем устройство, называемое аналоговым интегратором или просто интегратором.

 

При идеальном ОУ можно приравнять токи и , откуда следует:

,

или

.

Точность интегрирования тем выше, тем больше .

Кроме рассмотренных УУ, ОУ находят применение в целом ряде устройств непрерывного действия, которые будут рассмотрены ниже.

 


Операционный усилитель. Примеры схем с описанием работы ч. 3

▌Антилогарифический усилитель

Если переставить диод в логарифмическом усилителе, то получим антилогарифмический, с экспоненциальным усилением. Работает точно также, ток, ничем не ограниченный, течет в виртуальное заземление, увеличиваясь примерно по экспоненте, как это принято у pn перехода. Ну, а поскольку это тот же ток, что течет в ООС, то помноженный на сопротивление резистора он даст нам выходное напряжение увеличивающееся по экспоненте. Все просто :))) Правда вместо диода лучше использовать транзистор. Используя его БЭ переход в качестве диодного pn перехода, а база при этом заземляется. У него характеристика лучше. Или, вообще специализированные усилители с готовой характеристикой.

Зачем такой усилок нужен? Ну у меня не нашлось идей для чего его можно применить отдельно, но вот в сочетании с логарифмическим он вполне может использоваться для умножения и деления аналоговых сигналов.

▌Умножитель и делитель
Как упростить умножение? Заменить его сложением логарифмов. Ln(A*B) = Ln(A) + Ln(B). А деление это, соответственно Ln(A/B) = Ln(A)-Ln(B). Проще некуда, лол. Но так на самом деле выходит сильно проще 🙂 Т.е. если нам надо помножить два аналоговых сигнала, то мы сначала прогоняем их через логарифмирующие усилители, потом загоняем в сумматор с коэффициентом усиления 1, а дальше прогоном через антилогарифмический усилитель достаем из под логарифма.

Правда тут есть нюанс, как в том анекдоте. Попасть в чисто логарифмическую характеристику на диоде или транзисторе можно с оооочень большой натяжкой. А тут это критически важно. Так что вот так вот, на рассыпухе, собрать схему умножения на логарифмах/антилогарифмах задачка нетривиальная. Ее все время будет выносить черт знает куда. Про то, что надо будет скорректировать все смещения и перекосы самих усилителей я и не говорю. Поэтому я даже схему приводить не буду. Из описания и так понятно, если уж сильно заинтересует кого.

Для таких задач есть специальные микросхемы, вроде AD633 (умножитель) или AD734 (умножитель/делитель), тысячи их.

▌Суммирующие и комбинированные схемы
За что я люблю ОУ так это за то, что тут можно на одном ОУ склепать сразу несколько узлов одновременно. Интегратор, плюс сумматор и сверху еще усилителем обмазать… Помните, может быть, схему аналогового реобаса.

Там на одном ОУ я брал значение с термостабилитрона, вычитал из него опорное напряжение смещения, а результат еще и домножал на коэффициент, чтобы смасштабировать — #3. На двух ОУ сделал генератор пилы (меандр плюс интегратор) — #1 И еще из одного ОУ получился компаратор, который из пилы и постоянки сделал мне ШИМ — #2.

Точно также можно комбинировать, усиливающие интегрирующие и дифференцирующие схемы.

Вот, например, суммирующий усилитель:

Ток от входных напряжений течет в виртуальное КЗ через входные резисторы согласно их номиналам, просто по закону Ома. А в итоге все токи суммируется в узле и утекают в цепь ООС через резистор Roc — это суммирующая часть.

Дальше все домножается на сопротивление Roc — это уже усиливающая часть. Если все элементы взять одинаковые, скажем по 10кОм, то получим простой сумматор. Если резистор Roc взять вдвое больше, то результат суммирования умножится на два (опять же по закону Ома, ток то в ООС прежним останется). Если менять входные резисторы, то можно каждое слагаемое еще и на коэффициент домножить. В результате мы на одном элементе делаем и масштабирование входных сигналов и масштабирование выходных. Красота же!

А еще можно засунуть сумматор, например, в интегратор, а чего нет то? Получим суммирующий интегратор.

В соответствии с током через конденсатор, который вычисляется как I = C(dU/dt), суммарный ток даст нам с учетом сопротивления резисторов:

-C*dUвых/dt = (U1/R1)+(U2/R2)+…+(Un/Rn)

Если резисторы одинаковые, то на выходе будет -1/RC * ∫ (U1+U2+..+Un) dt.

Добавив вторую ветвь, можно сделать разностный интегратор:

Если считать, что резисторы равны, то:

Uвых = 1/RC ∫(U2-U1)dt

Или можно сунуть интегратору в ОС резистор и тогда к нему добавится еще и коэффициент усиления.

Он именно что добавится, то есть не результат интеграции умножится на коэффициент усиления, а к результату интеграции прибавится еще и функция обычного усиления. Т.к. результирующее напряжение теперь поделится на напряжение конденсатора (интегрирующая часть) и напряжение падения на резисторе (пропорциональная часть). На скорость зарядки конденсатора это не повлияет никак, т.к. ток в ОС зависит только от входного напряжения и входного резистора, а там ток течет в виртуальное КЗ. Ну вы поняли 😉

Uвых = -(Roc/R)*Uвх-(1/RC) ∫ Uвх dt

С дифференциатором та же история. Можно сделать суммирующий дифференциатор, добавив конденсаторов в параллель. Или добавить коэффициент усиления в сумму, поставив резистор параллельно конденсатору. Схема разностного дифференциатора аналогична интегратору.

Продолжение следует…

В чем разница между операционными усилителями и инструментальными усилителями?

Термин инструментальный усилитель часто используется неправильно, имея в виду скорее приложение, чем архитектуру устройства. Исторически сложилось так, что любой усилитель, который считался прецизионным (т.е. реализовывал какую-либо коррекцию входного смещения), считался «инструментальным усилителем», поскольку он был разработан для использования в измерительных системах. Инструментальные усилители, или INA, связаны с операционными усилителями в том смысле, что они основаны на тех же основных строительных блоках. Но INA — это специализированное устройство, предназначенное для определенной функции, а не фундаментальный строительный блок. В этом отношении инструментальные усилители не являются операционными усилителями, поскольку они предназначены для работы, так сказать, по-другому.

Возможно, наиболее заметным различием между INA и операционным усилителем с точки зрения использования является отсутствие петли обратной связи. Операционные усилители могут быть настроены для выполнения широкого спектра функций, включая инвертирующее усиление, неинвертирующее усиление, повторитель напряжения, интегратор, фильтр нижних частот, фильтр верхних частот и многие другие. Во всех случаях пользователь обеспечивает контур обратной связи от выхода операционного усилителя к входу, и этот контур обратной связи определяет функцию схемы усилителя. Эта гибкость является причиной того, что операционные усилители так широко используются в самых разных приложениях. INA, с другой стороны, имеет эту обратную связь внутри, поэтому нет внешней обратной связи для входных контактов. Для INA конфигурация ограничена одним или двумя внешними резисторами или, возможно, программируемым регистром, чтобы установить коэффициент усиления усилителя.

INA специально разработаны и используются для обеспечения возможности подавления дифференциального усиления и подавления синфазного сигнала. Инструментальный усилитель будет усиливать разницу между инвертирующим и неинвертирующим входами, отклоняя любой сигнал, общий для обоих входов, в результате чего на выходе INA не будет синфазного компонента. Операционный усилитель, настроенный на усиление (инвертирующий или неинвертирующий), будет усиливать входной сигнал на установленный коэффициент усиления с обратной связью, но синфазный сигнал останется на выходе. Разница в усилении между интересующим сигналом и синфазным сигналом приводит к уменьшению синфазного сигнала (в процентах от дифференциального сигнала), но общий режим все еще присутствует на выходе операционного усилителя, что ограничивает динамический диапазон вывода.

Как уже упоминалось, INA используются для извлечения слабого сигнала в присутствии большого синфазного сигнала, но этот синфазный компонент может принимать различные формы. При использовании датчика в конфигурации моста Уитстона (которую мы рассмотрим позже) существует большое постоянное напряжение, которое является общим для обоих входов. Однако сигналы помех могут принимать разные формы; один общий источник — это помехи 50 или 60 Гц от линий электропередач, не говоря уже о гармониках. Этот источник изменяющейся во времени ошибки часто также сильно колеблется по частоте, что чрезвычайно затрудняет компенсацию на выходе инструментального усилителя. Эти отклонения делают важным определение подавления синфазного сигнала не только на постоянном токе, но и в диапазоне частот.

Разностный усилитель

Первый вопрос, который может возникнуть, это: «Можно ли сделать инструментальный усилитель из простых операционных усилителей?» Короткий ответ — да, можете. Но всегда есть компромиссы! Сначала можно подумать о простой схеме разностного усилителя (картинка ниже), иногда называемой вычитателем.

Схема разностного усилителя

Это очень простая схема, которая обеспечивает дифференциальное усиление и имеет некоторое подавление синфазного сигнала, для чего и предназначен INA. Ранее мы упоминали о компромиссах, и в этой схеме есть пара. Прежде всего, давайте посмотрим на входное сопротивление. Это относительно мало, что определяется номиналами резисторов, которые могут быть порядка 100 кОм. Также, входные импедансы не совпадают, что означает, что через каждую ногу будет протекать разный ток, вызывая подавление синфазного сигнала. Другой недостаток этой простой схемы — необходимость согласования резисторов. Подавление синфазного сигнала этой схемы в основном определяется уровнем согласования в парах резисторов, а не самим операционным усилителем. Любое несоответствие в этих парах резисторов уменьшит подавление синфазного сигнала.

Где: Rt = полное рассогласование пар резисторов в дробной форме

Например, предположим, что R1 = R2 = R3 = R4 (обеспечивает единичное усиление), а рассогласование резисторов составляет 1%. Используя приведенное выше уравнение с подставлением чисел, получаем:

CMR = 46 дБ

Как показывает этот пример, производительность, которую можно достичь с помощью этой простой схемы, чрезвычайно ограничена. Даже при согласовании резисторов вручную будет трудно добиться подавления синфазного сигнала более 66 дБ. Кроме того, здесь не учитываются колебания из-за температуры, так как любая разница в температурных коэффициентах между резисторами еще больше увеличит рассогласование и приведет к ухудшению подавления синфазного сигнала. Принимая во внимание все эти факторы и ограничения, монолитный дифференциальный усилитель обычно является лучшим решением для относительно высокопроизводительных приложений.

Обсуждаемая ранее схема дифференциального усилителя технически не является инструментальным усилителем, но полезна для определенных приложений, требующих высокой скорости и / или высоких уровней синфазного напряжения. Для прецизионных приложений зачастую лучшим выбором является настоящий инструментальный усилитель. Для создания инструментального усилителя используются две общие схемы: одна основана на двух усилителях, а другая — на трех. Оба будут подробно рассмотрены. Обратите внимание, что эти базовые схемы могут быть построены с использованием стандартных операционных усилителей, но они также являются базовыми схемными концепциями, используемыми во многих монолитных инструментальных усилителях, предлагаемых сегодня.

Два операционных усилителя INA

Схема инструментального усилителя с двумя операционными усилителями

На картинке выше показана популярная схема инструментального усилителя на основе двух усилителей. В этой схеме общий коэффициент усиления устанавливается с помощью одного резистора, обозначенного ниже как «RG», вот что получается:

Одним из ограничений этой схемной архитектуры является то, что она не поддерживает единичное усиление. Хотя большинство инструментальных усилителей используются для обеспечения усиления (и, следовательно, единичное усиление не критично), в некоторых приложениях инструментальный усилитель используется специально для подавления синфазного сигнала. Таким образом, разумно предположить, что INA может использоваться в конфигурации с единичным усилением для некоторых приложений. Еще одно ограничение INA с двумя операционными усилителями заключается в том, что диапазон синфазного сигнала на входе ограничен, особенно при более низких коэффициентах усиления и при использовании с операционными усилителями с однополярным питанием. Имейте в виду, что усилитель в левой части схемы должен усиливать входной сигнал в неинвертирующем узле на 1+. Таким образом, если общий режим входного сигнала слишком высок, усилитель перейдет в режим насыщения (на выходе закончится запас по уровню).

Одним из ограничений схемы разностного усилителя, был низкий входной импеданс. Как видно на второй картинке, схема INA с двумя операционными усилителями не имеет этой проблемы, поскольку два дифференциальных входных сигнала поступают непосредственно на входные контакты усилителей, которые обычно имеют импедансы в миллионы Ом. Однако из-за разницы в трактах входных сигналов существует разница в задержках между дифференциальными входными сигналами, что приводит к плохому подавлению синфазных сигналов по частоте — критически важной спецификации для инструментальных усилителей. Подобно схеме разностного усилителя, подавление синфазного сигнала на постоянном токе снова ограничивается согласованием соотношений резисторов.

Монолитный INA, основанный на архитектуре с двумя операционными усилителями, по своей природе будет иметь лучшее согласование резисторов и отслеживание температуры по сравнению с дискретным решением, поскольку резисторы на основе кремния могут быть подрезаны для обеспечения согласования порядка 0,01%. Тем не менее, архитектура INA с двумя операционными усилителями имеет некоторые определенные ограничения, которые невозможно преодолеть без изменения архитектуры схемы.

INA

INA с тремя операционными усилителями основана на трех операционных усилителях, как показано на картинке ниже. Можно заметить, что задняя половина этой схемы идентична разностному усилителю, который обсуждался ранее. Добавление двух буферов операционных усилителей на входе схемы обеспечивает источник с высоким и хорошо согласованным импедансом. Это устраняет одну из основных проблем, связанных с простой дифференциальной схемой. Дифференциальный усилитель на конце обеспечивает подавление синфазной составляющей.

Традиционная измерительная схема на 3 ОУ

В этой конфигурации коэффициент усиления схемы устанавливается через значение резистора, обозначенного RG. Если посмотреть на входной каскад, состоящий из двух операционных усилителей, любой синфазный сигнал усиливается только с единичным усилением, независимо от дифференциального усиления (установленного RG) в первых двух усилителях. Следовательно, эта схема может работать в широком диапазоне синфазных сигналов (ограниченном запасом мощности первых двух усилителей), независимо от коэффициента усиления. Это преимущество перед рассмотренными ранее двумя операционными усилителями INA. Затем дифференциальный усилитель удалит все синфазные компоненты. Подобно предыдущим архитектурам, которые обсуждались, эффективность подавления синфазного сигнала зависит от согласования соотношения резисторов, как показано ниже:

Где: Rt = полное несовпадение пар резисторов

Из-за того, что синфазный компонент всегда видит единичное усиление, подавление синфазного сигнала инструментального усилителя с тремя операционными усилителями будет увеличиваться пропорционально величине дифференциального усиления.

На этой принципиальной схеме основаны несколько монолитных инструментальных усилителей. Монолитное решение предлагает очень хорошо согласованные усилители, а возможность использования подстроечных резисторов обеспечивает хорошее подавление синфазного сигнала и точность усиления. В последнее время монолитные инструментальные усилители внесли дополнительные улучшения в эту базовую архитектуру. Например, топологии с токовым режимом устраняют необходимость в прецизионном согласовании резисторов для достижения высокого подавления синфазного сигнала. В любом случае дискретное решение, использующее операционные усилители и дискретные компоненты, обычно будет более дорогостоящим и приведет к снижению производительности.

Технические характеристики INA

Технические характеристики INA и операционного усилителя, как упоминалось ранее, операционные усилители и инструментальные усилители связаны между собой, и, как мы показали, операционные усилители могут использоваться для построения INA. Из-за этого сходства существуют некоторые характеристики, общие как для операционных, так и для инструментальных усилителей. Однако есть также спецификации, которые уникальны для INA из-за специфической функциональности такого устройства. Двумя важными характеристиками для измерительных приложений, которые являются общими для операционных усилителей и INA, являются входной ток смещения и входное напряжение смещения / дрейф напряжения смещения.

Входной ток смещения — это величина тока, протекающего на входах усилителя, необходимого для смещения входных транзисторов. Величина этого тока может варьироваться от мкА до пА и сильно зависит от архитектуры входной схемы усилителя. Этот параметр становится чрезвычайно важным при подключении высокоомного датчика ко входу усилителя. Поскольку ток смещения протекает через этот высокий импеданс, на импедансе происходит падение напряжения, что приводит к ошибке напряжения. Независимо от того, содержит ли схема операционный усилитель или инструментальный усилитель, ток смещения может играть решающую роль в общем бюджете ошибок схемы.

Другой важной характеристикой усилителя, общей для операционных и инструментальных усилителей, является входное напряжение смещения. Как следует из названия, эта спецификация представляет собой разницу напряжений усилителя между инвертирующим и неинвертирующим входами. Это смещение напряжения зависит от топологии усилителя и может варьироваться от микровольт до милливольт. Как и все электрические компоненты, усилители изменяют поведение в зависимости от температуры. Это, безусловно, относится к смещению напряжения усилителя. Смещение напряжения является источником ошибки, и, поскольку смещение дрейфует по температуре, эта ошибка становится коррелированной с температурой. Даже высокоточный усилитель будет подвержен температурному дрейфу.

Из-за специализированного характера инструментальных усилителей существуют дополнительные спецификации, которые обычно не встречаются в технических паспортах стандартных операционных усилителей, включая ошибку усиления и характеристики нелинейности. Ошибка усиления обычно указывается как максимальный процент и представляет собой максимальное отклонение от идеального уравнения усиления для этого конкретного усилителя. Вариации номиналов резисторов и температурные градиенты в цепях резисторов могут вносить свой вклад в погрешность усиления. Спецификация нелинейности также описывает характеристику усиления усилителя. Эта спецификация определяет максимальное отклонение от идеальной прямолинейной передаточной функции при сравнении выхода и входа. Например, если инструментальный усилитель настроен на коэффициент усиления десять, то вход постоянного тока 100 мВ должен давать 1В на выходе. Если на входе принимается до 500 мВ, то на выходе должно быть 5 В. Эти две точки представляют собой прямолинейную передаточную функцию от входа к выходу для усилителя. Любое отклонение от этой прямой отмечается спецификацией нелинейности.

Пример применения: мост Уитстона

Как отмечалось ранее, инструментальные усилители предназначены для обеспечения дифференциального усиления и хорошего подавления синфазных сигналов. Эти характеристики делают INA очень популярными для датчиков (например, тензодатчиков), расположенных в классической конфигурации моста Уитстона. Мост Уитстона для тензодатчика состоит из четырех элементов, расположенных в виде ромба, каждая сторона которого состоит из резистивного элемента (тензодатчика или фиксированного резистора). Затем на мост подается напряжение возбуждения и измеряется выходное напряжение в середине моста. Четверть моста состоит только из одного элемента переменного резистора — тензодатчика. Полумост имеет два элемента с переменным сопротивлением, а полный мост имеет все четыре элемента как элементы с переменным сопротивлением — в данном случае тензодатчики. Преимущество наличия большего количества тензодатчиков — повышение чувствительности. При прочих равных, конфигурация полумоста будет иметь в два раза большую чувствительность, чем четверть моста, а полный мост будет иметь в четыре раза большую чувствительность, чем четверть моста.

Инструментальный усилитель, используемый с мостом Уитстона

В этом примере мост Уитстона возбуждается источником постоянного тока. Предполагая, что VDD установлен на 5 В, это создает общий режим постоянного тока примерно 2,5 В на центральных отводах моста. Сила, приложенная к тензодатчикам, вызовет изменение их соответствующих сопротивлений, создавая небольшой перепад напряжения на центральных ответвлениях. Это изменение напряжения очень мало по сравнению с синфазным напряжением — обычно порядка 10 милливольт — отсюда необходимость усиления этого небольшого дифференциального напряжения. Инструментальный усилитель идеально подходит для этой задачи, не только обеспечивая необходимое усиление, но также подавляя относительно высокий синфазный сигнал (и любой дополнительный шум, который является общим для обоих входных сигналов).

Вывод

В мире системного проектирования термин «инструментарий» может иметь несколько значений. Исторически этот термин использовался для описания приложения, обычно физического явления, которое измеряется или регистрируется. Следовательно, любые операционные усилители, которые были разработаны для использования в таких приложениях, стали известны как «инструментальные усилители». Путаницу усугубляет тот факт, что реальные инструментальные усилители могут быть сконструированы с использованием операционных усилителей.

На самом деле операционные усилители и инструментальные усилители — это очень разные устройства, предназначенные для выполнения разных функций. Инструментальные усилители можно рассматривать как специализированные усилители, специально используемые для обеспечения дифференциального усиления и подавления синфазного сигнала. Как мы видели в этой статье, схемы, реализующие традиционные операционные усилители, могут быть созданы для выполнения тех же функций. Однако в большинстве случаев монолитный инструментальный усилитель обеспечивает существенно более высокий уровень производительности и надежности.

С Уважением, МониторБанк

Инвертирующий усилитель на оу

Инвертирующий усилитель

Наибольшее распространение среди схем на ОУ, получила схема инвертирующего усилителя и производные от данной схемы: различные типы инвертирующих сумматоров. Схема инвертирующего усилителя показана ниже

Инвертирующий усилитель.

Данная схема состоит из операционного усилителя DA1 и резисторов R1 и R2. В данной схеме операционный усилитель DA1 охвачен параллельной отрицательной обратной связью (ООС) по напряжению.

Для рассмотрения работы данной схемы вспомним одно из основных соотношений в идеальном ОУ: напряжение между входами равно нулю. Исходя из этого, неинвертирующий и инвертирующий входы ОУ имеют одинаковый потенциал относительно общего вывода, в данном случае этот потенциал равен нулю (часто точку соединения резисторов R1 и R2 называют виртуальной землёй). Вследствие этого токи протекающие через резисторы R1 и R2 должны уравновешивать друг друга, то есть быть одинаковыми по значению но разными по знаку

где IR1, IR2 – токи, протекающие через резисторы R1 и R2 соответственно.

Исходя из этого, коэффициент усиления данной схемы составит

Знак «-» показывает, что выходной сигнал инвертирован по отношению к входному .

Входное сопротивление данной схемы получается из последовательно соединённых сопротивлений R1 и параллельно соединённых входного сопротивления ОУ RBX.ОУ и уменьшенного в 1+KОУ раз сопротивления обратной связи R2

где КОУ – коэффициент усиления ОУ.

В общем случае, когда коэффициент усиления операционного усилителя КОУ имеет достаточно большую величину можно считать, что входное сопротивления инвертирующего ОУ будет равно сопротивлению R1.

Выходное сопротивление инвертирующего усилителя, состоящего из ОУ охваченного параллельной ООС по напряжению, вычисляется по той же формуле, что и неинвертирующий усилитель.

Как рассчитать величину тока, который должен обеспечивать ОУ ?

Очень просто! Допустим, что в роли нагрузки выступает резистор сопротивлением в 10 Ом. На повторитель приходит напряжение в 5 вольт, которое он должен передать нагрузке. В таком случае, применяя закон ома (I=U/R), выясняем, что для поддержания 5 вольт на резисторе операционнику требуется обеспечивать ток в 0.5 ампера. (Это грубая прикидка, но вполне применимая на практике)

Обычные ОУ не смогут справиться с такой задачей. Конечно выход можно умощнить транзистором, но тогда применение повторителя на ОУ становится менее оправданным.

Для таких целей предлагается использовать TDA2030, TDA2040 или TDA2050 включенных по схеме повторителя. Микросхемы представляют собой уже готовые, умощненые транзисторами, операционные усилители, которые между собой отличаются максимальной выходной мощность.

Корректная подача опорного напряжения в ИУ

Часто полагают, что вход для подачи опорного напряжения высокоомный (поскольку это вход). Так, разработчики могут соблазниться подключить высокоомный источник, например резистивный делитель, к выводу ИУ для опорного напряжения. С некоторыми типами инструментальных усилителей это может привести к значительным погрешностям (рис. 8).

Рис. 8. Неправильное использование простого делителя напряжения для непосредственной подачи опорного напряжения в инструментальный усилитель из трех ОУ

Например, в конструкции популярного ИУ применено три ОУ, соединенных, как показано выше. Общий коэффициент усиления равен:

где R2/R1 = R4/R3.

Коэффициент передачи для входа опорного напряжения равен единице (при подаче напряжения от источника с низким импедансом). Однако в рассматриваемом случае вывод опорного напряжения ИУ подключен к простому делителю напряжения на резисторах. Это приводит к разбалансу схемы вычитания и нарушает коэффициент деления делителя напряжения. В свою очередь, это снижает коэффициент подавления синфазного сигнала в ИУ и точность его коэффициента усиления. Однако если бы внутренний резистор R4 был нам доступен, то при снижении его сопротивления на величину, равную параллельному соединению двух резисторов делителя напряжения (здесь 50 кОм), схема вела бы себя так, будто к изначальному сопротивлению резистора R4 подключен низкоомный источник, равный (в данном примере) половине напряжения питания, и точность схемы вычитания была бы сохранена.

Этот подход невозможен, если ИУ — интегральная схема в закрытом корпусе. Еще одна проблема заключается в том, что температурные коэффициенты сопротивления (ТКС) внешних резисторов делителя отличаются от ТКС резистора R4 и других резисторов схемы вычитания. И, наконец, такой подход не позволяет регулировать значение опорного напряжения. Если, с другой стороны, попытаться использовать в делителе напряжения низкоомные резисторы, чтобы влияние их добавленного сопротивления было бы пренебрежимо малым, то ток потребления от источника питания и рассеиваемая мощность схемы увеличатся. В любом случае, такой метод «грубой силы» не приносит успеха.

На рис. 9 показано лучшее решение — применение буфера на ОУ с малым потреблением энергии между делителем напряжения и входом опорного напряжения ИУ. Это ликвидирует необходимость подбора сопротивления и проблему резисторов с разными ТКС, а также дает возможность легко регулировать опорное напряжение.

Рис. 9. Подача опорного напряжения на ИУ с низкоимпедансного выхода ОУ

Применение аналогового сумматора

В настоящее время аналоговый сумматор используется в схемах, где надо суммировать два и более аналоговых сигналов. Это могут быть микшеры звукового диапазона, где надо объединить выходные сигналы от микрофонов, а также от устройств, которые создают различные спецэффекты и которые потом можно добавить к основной звуковой дорожке. Вся прелесть микшеров на ОУ заключается в том, что входные сигналы никак не влияют друг на друга. А также это могут быть схемы операционной обработки сигналов для выполнения арифметической обработки сигналов (сложение/вычитание).

при участии JEER

Рекомендую посмотреть классное видео про сумматор:

Активные фильтры

Для оценки требуемого значения GBW обычно используется формула:

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

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

Что будет, если забыть про требование к GBW?

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

ФНЧ 250 кГц на идеальном ОУ и с GBW 1 МГц

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

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

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

Зачем использовать инструментальные усилители?

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

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

Давайте сначала взглянем на классическую схему дифференциального усилителя:

Рисунок 1 – Дифференциальный усилитель

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

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

Рисунок 2 – Инструментальный усилитель

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

Корпусы операционных усилителей

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

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

Виртуальное короткое замыкание

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

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

Рисунок 1 – Инвертирующий усилитель на операционном усилителе

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

Бесконечный коэффициент усиления

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

Рисунок 2 – Определение выходного напряжения

\

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

\

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

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

Конечный коэффициент усиления

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

\

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

Идеальный операционный усилитель и его свойства

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

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

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

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

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

Дифференциатор

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



Дифференциатор на операционном усилителе.

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

Выходное напряжение составит

LM358 DataSheet на русском, описание и схема включения

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

LM358 цоколевка

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

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

Технические характеристики

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

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

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

Подверженность устройства повреждению от электростатического разряда (ESD):

Также у данного устройства есть тепловые характеристики:

Схемы подключения

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

Схема в мощном неинвертирующим усилителе.

Преобразователь напряжения — ток.

Схема с дифференциальным усилителем.

Неинвертирующий усилитель средней мощности.

Аналоги

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

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

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

Маркировка

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

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

Применение

Lm358 широко используется в:

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

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

Виды и обозначения на схеме

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

Классификация по сферам применения:

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

По входным сигналам ОУ делятся на 2 типа:

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

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

Основные обозначения выводов ИМС:

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

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

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

Где применяются

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

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

Можно выделить устройства, в которых применяются ОУ:

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

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

Что такое биполярный транзистор и какие схемы включения существуют

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

Что такое аттенюатор, принцип его работы и где применяется

Что такое компаратор напряжения и для чего он нужен

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

Что такое делитель напряжения и как его рассчитать?

Обозначение на схеме операционного усилителя

На схемах операционный усилитель обозначается вот так:

или так

Чаще всего ОУ на схемах обозначаются без выводов питания

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

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

Пример работы инвертирующего усилителя

Давайте посмотрим, как работает наш усилитель в программе-симуляторе электронных схем Proteus. Здесь мы собираем базовую схему с двухполярным питанием

В Proteus она будет выглядеть вот так:

Здесь мы взяли значение резисторов R2=10 кОм и R1=1 кОм, следовательно, коэффициент усиления такой схемы будет равен -10. Знак “минус” в данном случае просто инвертирует усиленный сигнал, что мы и видим на осциллограмме ниже. Входной сигнал – это розовая осциллограмма, а выходной – это желтая осциллограмма. Выходной сигнал находится в противофазе относительно входного, то есть инвертирует его. Отсюда и название “инвертирующий усилитель”.

Применение в биомедицине

Если к вам в больнице когда-либо подключали какое-либо электронное оборудование для снятия с вас показаний, то вы были подключены к датчикам, управляемым инструментальным усилителем. Схемы инструментальных усилителей находят широкое применение почти в каждом медицинском устройстве, как из-за вышеупомянутых преимуществ, так и из-за того, что инструментальные усилители также являются прецизионными усилительными устройствами.

Для инструментальных усилителей не требуются внешние резисторы обратной связи; вместо этого они содержат резисторы, изготовленные в самой микросхеме с использованием лазерной подгонки, и используют только один внешний настроечный резистор для настройки коэффициента усиления, что избавляет от несовпадения номиналов резисторов. Это позволяет устройству устанавливать точное значение коэффициента усиления в зависимости от требований схемы. Большинство биомедицинских датчиков, такие как датчики артериального давления, ультразвуковые преобразователи, поляризованные и неполяризованные электроды и датчики радиационной термометрии, имеют очень высокий импеданс и генерируют очень слабые сигналы.

Эти датчики требуют очень высокого импеданса, обеспечиваемого инструментальным усилителем, поскольку характеристики биопотенциальных электродов могут подвергаться воздействию нагрузки, что может вызвать искажение сигнала. Кроме того, усилители должны иметь высокий уровень подавления шума; больницы – одна из самых шумных сред, в которых датчик должен будет работать, с сотнями беспроводных устройств, работающих поблизости, и постоянно присутствующим фоном 50 Гц от света и электросети. Эти неустойчивые шумовые сигналы часто на несколько порядков больше, чем сигнал от биопотенциального электрода, который сам по себе составляет всего несколько милливольт. Легко узнаваемое медицинское применение таких усилителей – это электрокардиографы или аппараты ЭКГ, которые отслеживают изменения в дипольном электрическом поле сердца. Ниже приведен пример применения инструментального усилителя Analog Device серии AD82X в ЭКГ из руководства по применению.

Рисунок 4 – Применение инструментального усилителя Analog Device серии AD82X в ЭКГ

Все три инструментальных усилителя снимают разность сигналов с электродов датчиков, а последний электрод «F» действует как земля. Для этого устройства используются измерительные усилители, поскольку биопотенциальные электроды улавливают огромное количество шума от линий электросети, который необходимо ослаблять, чтобы устройство могло давать точные показания.

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

Логарифмирующий преобразователь

Одной из схем на операционном усилителе, которые нашли применение, является логарифмирующий преобразователь. В данном схеме используется свойство диода или биполярного транзистора. Схема простейшего логарифмического преобразователя представлена ниже

Логарифмирующий преобразователь.

Данная схема находит применение, прежде всего в качестве компрессора сигналов для увеличения динамического диапазона, а так же для выполнения математических функций.

Рассмотрим принцип работы логарифмического преобразователя. Как известно ток, протекающий через диод, описывается следующим выражением

где IO – обратный ток диода,е – число е, основание натурального логарифма, e ≈ 2,72,q – заряд электрона,U – напряжение на диоде,k – постоянная Больцмана,T – температура в градусах Кельвина.

При расчётах можно принимать IO ≈ 10-9 А, kT/q = 25 мВ. Таким образом, входной ток данной схемы составит

тогда выходное напряжение

Простейший логарифмический преобразователь практически не используется, так как имеет ряд серьёзных недостатков:

  1. Высокая чувствительность к температуре.
  2. Диод не обеспечивает достаточной точности преобразования, так как зависимость между падением напряжения и током диода не совсем логарифмическая.

Вследствие этого вместо диодов применяют транзисторы в диодном включении или с заземлённой базой.

Упрощенная принципиальная схема неинвертирующего усилителя на ОУ приведена на рисунке 6.8.

Рисунок 6.8. Неинвертирующий усилитель на ОУ

 

Нетрудно показать, что в неинвертирующем усилителе ОУ охвачен ПООСН. Поскольку Uвх иUос подаются на разные входы, то для идеального ОУ можно записать:

Uвх = UвыхR1/(R1 + Rос),

откуда коэффициент усиления по напряжению неинвертирующего усилителя:

KU неинв = 1 + Rос/R1,

Или

KU неинв = 1 + |KU инв|.

Для неинвертирующего усилителя на реальном ОУ полученные выражения справедливы при глубине ООС F>10.

Входное сопротивление неинвертирующего усилителя Rвх неинв велико и определяется глубокой последовательной ООС и высоким значением RвхОУ:

Rвх неинв = RвхОУ·F = RвхОУ·KU ОУ/KU неинв.

Выходное сопротивление неинвертирующего усилителя на ОУ определяется как для инвертирующего, т.к. в обоих случаях действует ООС по напряжению:

Rвых неинв = RвыхОУ/F = RвыхОУ/KU неинв/KU ОУ.

Расширение полосы рабочих частот в неинвертирующем усилителе достигается также, как и в инвертирующем, т.е.

 

fвОС = fT/KU неинв.

Для снижения токовой ошибки в неинвертирующем усилителе, аналогично инвертирующему, следует выполнить условие:

Rг = R1Rос.

Неинвертирующий усилитель часто используют при больших Rг (что возможно за счет большого Rвх неинв), поэтому выполнение этого условия не всегда возможно из-за ограничения на величину номиналов резисторов.

Наличие на инвертирующем входе синфазного сигнала (передаваемого по цепи: неинвертирующий вход ОУ ⇒ выход ОУ ⇒ Rос ⇒ инвертирующий вход ОУ) приводит к увеличению Uош, что является недостатком рассматриваемого усилителя.

При увеличении глубины ООС возможно достижение KU неинв=1, т.е. получение неинвертирующего повторителя, схема которого приведена на рисунке 6.9.

Рисунок 6.9. Неинвертирующий повторитель на ОУ

 

Здесь достигнута 100% ПООСН, поэтому данный повторитель имеет максимально большое входное и минимальное выходное сопротивления и используется, как и любой повторитель, в качестве согласующего каскада. Для неинвертирующего повторителя можно записать:

UошUсм + Iвх срRгIвх срRг,

Т.е. напряжение ошибки может достигать довольно большой величины.

На основе рассмотренного неинвертирующего УПТ также возможно создание усилителя переменного тока путем включения на вход и выход разделительных конденсаторов, номиналы которых определяются исходя из заданного коэффициента частотных искаженийMн (см. подраздел 2.5).

Помимо инвертирующего и неинвертирующего усилителей на основе ОУ выполняются различные варианты УУ, некоторые из них будут рассмотрены ниже.

Разновидности УУ на ОУ

На основе ОУ может быть выполнен разностный (дифференциальный) усилитель, схема которого приведена на рисунке 6.10.

Рисунок 6.10. Разностный усилитель на ОУ

 

Разностный усилитель на ОУ можно рассматривать как совокупность инвертирующего и неинвертирующего вариантов усилителя. Для Uвых разностного усилителя можно записать:

Uвых = KU инвUвх1 + KU неинвUвх2R3/(R2 + R3).

Как правило, R1=R2 и R3=Rос, следовательно, R3/R2=Rос/R1=m. Раскрыв значения коэффициентов усиления, получим:

Uвых = m(Uвх2Uвх1),

Для частного случая при R2=R3 получим:

Uвых = Uвх2Uвх1.

Planet Analog — отличие дискретного усилителя от интегрированного решения

Вопрос: Зачем платить больше за меньшие деньги?

Ответ: Классическая схема усилителя на дискретной разности довольно проста. Что может быть сложного в операционном усилителе и цепи из четырех резисторов?

Однако производительность этой схемы может быть не такой высокой, как хотелось бы разработчикам. В этой статье, основанной на реальных производственных проектах, показаны некоторые недостатки дискретных резисторов, в том числе точность усиления, дрейф усиления, подавление синфазного сигнала переменного тока (CMR) и дрейф смещения.

Классический дифференциальный усилитель с четырьмя резисторами, показанный на рисунке 1.

Рисунок 1

Классический дискретный дифференциальный усилитель.

Передаточная функция этого усилителя:

При R1 = R3 и R2 = R4 уравнение 1 упрощается до

Это упрощение может быть быстрым способом аппроксимации ожидаемого сигнала, но эти резисторы никогда не бывают точно равными. Кроме того, резисторы обычно имеют низкую точность и высокий температурный коэффициент, что вносит в схему значительные погрешности.

Например, при использовании хорошего операционного усилителя и стандартных 1%, 100 ppm/ o C резисторов для установки коэффициента усиления начальная погрешность усиления может составлять до 2% и может изменяться до 200 ppm/ o C. Одним из решений этой проблемы было бы использование монолитных резисторных цепей для точной настройки коэффициента усиления, но это громоздко и дорого. В дополнение к низкой точности и значительному температурному дрейфу большинство дискретных схем дифференциальных операционных усилителей имеют плохой CMR и диапазон входного напряжения меньше, чем напряжение источника питания.Кроме того, монолитные инструментальные усилители (in-amps) будут иметь дрейф усиления, потому что внутренняя цепь резисторов предусилителей не совпадает с внешним резистором установки усиления, идущим к выводу RG.

Лучшим решением всех этих проблем является использование разностного усилителя с внутренними резисторами для настройки усиления, такого как AD8271. Как правило, эти продукты состоят из высокоточного операционного усилителя с низким уровнем искажений и нескольких подстроенных резисторов. Эти резисторы могут быть подключены для создания широкого спектра конфигураций усилителей, включая разностные, неинвертирующие и инвертирующие конфигурации.Резисторы на микросхеме можно соединить параллельно для более широкого диапазона возможностей. Использование встроенных резисторов дает разработчику несколько преимуществ по сравнению с дискретной конструкцией.

Большая часть характеристик схем операционных усилителей по постоянному току зависит от точности окружающих резисторов. Эти внутренние резисторы расположены таким образом, чтобы обеспечить точное согласование, они подгоняются лазером и проверяются на точность их согласования. Благодаря этому гарантируется высокая точность таких характеристик, как дрейф усиления, подавление синфазного сигнала и ошибка усиления.Схема на Рисунке 1, когда она интегрирована, может обеспечить точность усиления 0,1% с дрейфом усиления менее 10 ppm/ o C, как показано на Рисунке 2.

Рисунок 2

Сравнение ошибки усиления и температуры — AD8271 и дискретное решение.

Характеристики переменного тока

Размер схемы в интегральной схеме намного меньше, чем в печатной плате (PCB), поэтому соответствующие паразитные факторы также меньше и, следовательно, улучшают характеристики переменного тока.Например, положительный и отрицательный входы операционного усилителя AD8271 не распинованы намеренно. Поскольку эти узлы не подключены к дорожкам на печатной плате, емкость остается низкой, что приводит как к повышению стабильности контура, так и к подавлению синфазных помех по частоте. См. Рисунок 3 для сравнения производительности.

Рисунок 3

Сравнение КОСС и частоты — AD8271 и КОСС дискретного решения.

Важной функцией дифференциального усилителя является подавление сигналов, общих для обоих входов.Ссылаясь на рисунок 1, если резисторы с R1 по R4 не полностью согласованы (или если R1, R2 и R3, R4 не согласованы по отношению, когда коэффициент усиления больше 1), часть синфазного напряжения будет усиливаться за счет дифференциальный усилитель и появляются на V OUT как допустимая разница между V1 и V2, которую нельзя отличить от реального сигнала. Если резисторы неидеальны, часть синфазного напряжения будет усиливаться разностным усилителем и появится на V OUT как допустимая разница между V1 и V2, которую нельзя отличить от реального сигнала.Способность дифференциального усилителя подавлять это называется подавлением синфазного сигнала. Это может быть выражено как коэффициент подавления синфазного сигнала (CMRR) или преобразовано в децибелы (дБ). В дискретном решении резисторы не так хорошо согласованы, как резисторы с лазерной подстройкой в ​​интегрированном решении, как видно из графика зависимости выходного напряжения от CMV на рис. 4.

Рисунок 4

Выходное напряжение в сравнении с синфазным напряжением — AD8271 в сравнении с дискретным решением.

CMRR для идеального операционного усилителя:

, где A d — коэффициент усиления дифференциального усилителя, а t — допуск резистора. Таким образом, при единичном усилении и резисторах 1% CMRR составляет 50 В/В, или около 34 дБ; с резисторами 0,1% CMRR увеличивается до 54 дБ. Даже при наличии идеального операционного усилителя с бесконечным подавлением синфазного сигнала общий CMRR ограничивается согласованием резисторов. Некоторые недорогие операционные усилители имеют минимальный CMRR в диапазоне от 60 до 70 дБ, что усугубляет ошибки.

Резисторы с малыми допусками

Хотя усилители обычно хорошо работают в указанном диапазоне рабочих температур, необходимо учитывать температурный коэффициент внешних дискретных резисторов. В случае усилителя со встроенными резисторами резисторы можно подстроить и согласовать по дрейфу. В компоновке обычно резисторы расположены близко друг к другу, так что все они дрейфуют вместе, что снижает их температурный коэффициент смещения. В дискретном корпусе резисторы разбросаны дальше по печатной плате и не так хорошо согласованы, как в интегрированном корпусе, что приводит к худшему температурному коэффициенту смещения, как показано на рис. 5.

Рисунок 5

Смещение системы в зависимости от температуры — AD8271 в сравнении с дискретным решением.

Широко используется дифференциальный усилитель с четырьмя резисторами, как дискретный, так и монолитный. Размещая на печатной плате только одну деталь, а не несколько отдельных компонентов, плату можно построить быстрее, эффективнее и со значительной экономией площади.

Чтобы получить надежную, достойную для производства конструкцию, тщательно рассмотрите усиление шума, диапазон входного напряжения и CMR 80 дБ или лучше.Эти резисторы также изготавливаются из того же тонкопленочного материала с малым дрейфом, что обеспечивает превосходное согласование их соотношения по температуре.

Заключение

Легко увидеть разницу между усилителями с внутренними резисторами, задающими усиление, и дискретными дифференциальными усилителями.

Об авторах

Джордин Ансари [[email protected]] — инженер по продуктам в группе линейных продуктов и решений в ADI. Она присоединилась к Analog Devices в январе 2014 года после получения степени бакалавра в области электротехники и вычислительной техники в Вустерском политехническом институте (WPI).

Чау Тран [[email protected]] присоединился к Analog Devices в 1984 году, где он работает в группе Instrumentation Amplifier Products (IAP) в Уилмингтоне, Массачусетс. В 1990 году он окончил M.S.E.E. степень Университета Тафтса. Чау имеет более 10 патентов и является автором более 10 технических статей.

Orange представляет фирменный усилитель MK Ultra, разработанный в США для Маркуса Кинга | Guitar.com

Orange Amplification объявила о выпуске своего первого усилителя, разработанного и произведенного в США, фирменной модели Маркуса Кинга под названием MK Ultra.

В отличие от одноименного усилителя — запутанной истории о контроле над разумом, психотропных препаратах и ​​поддерживаемых правительством пытках — само устройство довольно простое. Эквалайзер невероятно минималистичный, всего два элемента управления: Deep и Sing. Два регулятора эквалайзера воздействуют на разные части сигнальной цепи и организованы соответствующим образом — регулятор Sing работает перед регулятором громкости, регулируя яркость входного сигнала. После регулятора громкости находится регулятор Deep, который сгущает звук после регулятора громкости.

Два регулятора эквалайзера и регулятор громкости составляют в общей сложности три ручки на усилителе. Регулятор громкости регулирует насыщенность усилителя, а регулятор громкости вашей гитары является неотъемлемой частью настройки вашего звука.

Усилитель основан на двух лампах предусилителя 12AX7, подключенных к каскаду усилителя мощности Dual-6L6 с выходной мощностью 30 Вт. Он также предназначен для того, чтобы подтолкнуть лампы усиления мощности к разрыву, по крайней мере, на более высоких уровнях громкости — учитывая отсутствие основного регулятора громкости, это, возможно, не тот усилитель для тех, кому нужен усилитель для домашней практики.Тем не менее, Orange заявляет, что при более низких настройках громкости усилитель по-прежнему имеет большой запас мощности и быстрый отклик, что делает его отличным партнером для педалей по вашему выбору.

Конструкция ультра-премиум-усилитель собирается вручную в США с использованием заказных трансформаторов Heyboer. Это отражено в цене, так как усилитель продается за довольно опасную для кармана сумму в 2499 фунтов стерлингов.

Кинг сказал об усилителе: «Для меня иметь фирменный усилитель с Orange — это как сбывшаяся детская мечта.Это уникальный американский усилитель британской компании для уникального американского человека».

Посмотрите, как он демонстрирует и обсуждает свой усилитель ниже.

60 лет Marshall: как создавался и продолжает процветать звук Marshall Sound

Слова Питера Ходжсона и фотографии Marshall Amplification

Взгляд на знаменитую разработку продукции Marshall с международным демонстратором продукции Стивом Смитом

Большинство из нас уже знает эту историю: барабанщик и владелец музыкального магазина Джим Маршалл заставил нескольких клиентов закачаться и пожаловаться на неадекватность существующих усилителей для того, чтобы справиться с огромной громкостью, которую они хотели выдать.Эти ребята — Ричи Блэкмор из Deep Purple, Пит Тауншенд из The Who и сессионный профи Большой Джим Салливан — знали, чего хотят, просто этого еще не было.

Читайте все последние новости, интервью и колонки с практическими рекомендациями здесь.

Джим Маршалл был толковым парнем: нанял дизайнеров и приступил к работе. Эти ранние разработки были вдохновлены усилителями Fender, доступными по всему пруду, усилителями, которые было очень трудно достать в Лондоне 1962 года.Но доступные детали различались между США и Великобританией, поэтому было сделано много замен и усовершенствований, таких как лампы мощности 5881 и лампы предусилителя ECC83 с более высоким коэффициентом усиления по сравнению с лампами 6L6 и 12AX7, используемыми в таких усилителях, как Fender Bassman.

К шестому прототипу Джим и его команда пришли к тому, что мы теперь знаем как «звук Marshall», чего просто нельзя было достичь ни с одним другим усилителем в то время. Названный JTM45, это был усилитель, который Джими Хендрикс, Эрик Клэптон и другие использовали для революции.

Стив Смит, международный демонстратор продукции Marshall, давний фанат Marshall с откровенно ошеломляющими знаниями об усилителях, педалях, усилителях мощности, динамиках, лампах/клапанах, стойках, комбо и обо всем остальном с этим культовым шрифтом. логотип спереди. Он знает Marshall Sound лучше, чем большинство других, и участвовал в создании многих продуктов.

«Когда мы думаем о новом продукте, некоторые из них падают нам на колени, например цифровые продукты серии CODE», — говорит Смит.«Это похоже на «нам нужно сделать это сейчас», потому что рынок меняется. Но что касается ламповых усилителей, новых линеек, таких как Studio Series, например, это не проблема, потому что мы заметили, что у людей были меньшие установки.

«Ну, что нам делать? По сути, мы даем им маленький Marshall, который точно такой же, как и большой, сделанный в Великобритании, полностью вентильный. Но поскольку у нас есть наследие, мы хотим придерживаться того, что делает Marshall, и нам также нужно отвечать более молодым игрокам, у которых могут быть другие потребности.”

Итак, заглянуть за кулисы процесса разработки продукта Marshall можно так: «Маркетинговая команда будет следить за тем, что происходит, что в тренде. Они проведут много исследований о том, что больше интересует людей. 

«Затем отдел продаж проводит собственное исследование. Они разговаривают с парнями в магазинах, разговаривают с дистрибьюторами и спрашивают: «Чего люди хотят от Marshall?» Это может быть переиздание, потому что все просят конкретный продукт, или это может быть новый взгляд на какой-то продукт. существующий продукт, который действительно хорошо продается, но его нужно улучшить тем или иным образом.

«Что мы сделаем, так это объединим эти два потока информации, а затем перейдем к чертежной доске и начнем рассматривать продукты, начнем проектирование, спецификацию, а затем, когда дело дойдет до рабочих единиц, обычно я и моя команда приступаем к тестированию».

Затем идет много переговоров с командой R’n’D. Попробуйте этот динамик, измените эту частоту и так далее. Весь процесс не так уж далек от того, что Джим Маршалл и его команда сделали в 1962 году, за исключением того, что сейчас мы говорим не о нескольких усилителях для нескольких будущих рок-звезд, мы говорим о самой узнаваемой компании по производству усилителей в мире. .

Очень интересно окунуться в прошлое Marshalls, чтобы увидеть, где был бренд и куда он может двигаться. Например, усилители JCM2000 DSL50 и DSL100 на протяжении многих лет использовались многими музыкантами, включая Нуно Бетанкура, Джеффа Бека, Стива Морса и Iron Maiden. Линия была снята с производства на какое-то время, но спрос не ослабевал, поэтому серия DSL была возвращена с некоторыми улучшениями.

«В нем было несколько изменений и пара настроек», — говорит Смит.«Мы хотели иметь некоторые усилители, которые не были бы произведены по ценам, произведенным в Великобритании, поэтому они по-прежнему отличного качества, все еще полностью ламповые, но по цене, более доступной для большего количества людей. Это почти тот же усилитель, но мы просто делаем его на нашем заводе во Вьетнаме».

На самом деле Marshall найдется для всех: от цифровой серии CODE, разработанной совместно с Softube (которую автор ежедневно использует в качестве усилителя лапши в гостиной), и аналоговой серии MG до серии Vintage Reissue (с Jubilee, JTM45 и модели Plexi мощностью 50 Вт) и серию Handwired (комбо Plexi мощностью 100 Вт и 18 Вт 1974X).

Еще одна примечательная линейка усилителей «старая, но другая» — это Studio Series, линейка 20-ваттных головок и комбоусилителей, произведенных в Великобритании и предназначенных для того, чтобы дать игрокам полное звучание Marshall, но в более компактной, более удобной для барабанных перепонок конфигурации, которая поражает своей мощностью. -ампер на гораздо меньших объемах, чем стек на 100 Вт. Все началось с маловаттного переиздания усилителя Jubilee, усилителя на базе JCM800 с некоторыми хитростями в рукаве, такими как выбираемая секция диодного ограничения, отражающая то, как гитаристы начали усиливать усилители с помощью педалей овердрайва.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.