Типы операционных усилителей: классификация, характеристики и применение — Производство и поставка электростанций, Бензиновые и дизельные генераторы от 1 до 100 кВт. Мини ТЭЦ на базе двигателя Стирлинга.

Какие бывают основные типы операционных усилителей. Как классифицируются ОУ по элементной базе и области применения. Каковы ключевые характеристики и особенности разных типов ОУ. Где применяются различные виды операционных усилителей.

Содержание

Классификация операционных усилителей по элементной базе

Операционные усилители (ОУ) можно классифицировать по типу элементной базы, используемой для построения входных цепей:

Биполярные ОУ — построены на биполярных транзисторах
Полевые ОУ — используют полевые транзисторы на входе
Комбинированные ОУ — сочетают биполярные и полевые транзисторы

Каждый тип имеет свои преимущества и недостатки. Биполярные ОУ обычно имеют меньшее напряжение смещения, но больший входной ток. Полевые ОУ характеризуются очень малым входным током, но большим напряжением смещения.

Основные типы операционных усилителей по области применения

По области применения выделяют следующие основные типы операционных усилителей:

1. ОУ общего назначения (индустриальный стандарт)

Это наиболее распространенные и универсальные ОУ со средними характеристиками. Они дешевы и подходят для большинства типовых применений. Примеры: LM324 (биполярный вход), TL084 (полевой вход).

2. Прецизионные ОУ

Характеризуются очень малым напряжением смещения (единицы микровольт). Применяются в точных измерительных схемах. Обладают высокой долговременной стабильностью параметров. Пример: AD707 с напряжением смещения 30 мкВ.

3. ОУ с малым входным током (электрометрические)

Имеют исключительно малый входной ток, что важно при работе с высокоомными источниками сигнала. Обычно выполнены на полевых транзисторах. Пример: AD549 с входным током 60 фА.

4. Микромощные ОУ

Отличаются сверхнизким потреблением. Применяются в портативной аппаратуре с батарейным питанием. Имеют пониженное быстродействие. Существуют программируемые ОУ с возможностью задания тока потребления.

Специализированные типы операционных усилителей

Помимо основных типов, существует ряд специализированных ОУ для решения конкретных задач:

Мощные (сильноточные) ОУ

Способны отдавать в нагрузку значительный ток (до сотен мА). Допускают работу на низкоомную нагрузку. Применяются для управления исполнительными устройствами.

Быстродействующие ОУ

Имеют высокую скорость нарастания выходного сигнала и широкую полосу пропускания. Используются для обработки высокочастотных сигналов. Обычно выполнены на биполярных транзисторах.

Малошумящие ОУ

Характеризуются минимальным уровнем собственных шумов. Применяются для усиления слабых сигналов, например, от датчиков.

Особенности применения разных типов операционных усилителей

При выборе типа ОУ для конкретной схемы необходимо учитывать следующие факторы:

Требования к точности — для прецизионных схем выбирают ОУ с минимальным смещением
Входной импеданс источника сигнала — для высокоомных источников нужны ОУ с малым входным током
Быстродействие схемы — для высокочастотных сигналов требуются быстродействующие ОУ

Энергопотребление — в портативной аппаратуре применяют микромощные ОУ
Нагрузочная способность — для работы на низкоомную нагрузку выбирают мощные ОУ

Правильный выбор типа ОУ позволяет оптимизировать характеристики схемы и снизить ее стоимость.

Современные тенденции в развитии операционных усилителей

Основные направления совершенствования ОУ в настоящее время:

Снижение напряжения питания и энергопотребления
Повышение быстродействия и расширение полосы пропускания
Улучшение точностных параметров (уменьшение смещения, дрейфа)
Интеграция дополнительных функций (АЦП, ЦАП, компараторы и др.)
Уменьшение размеров корпуса

Это позволяет создавать все более компактные и энергоэффективные устройства обработки аналоговых сигналов.

Критерии выбора операционного усилителя для конкретного применения

При выборе ОУ для разрабатываемой схемы следует учитывать следующие ключевые параметры:

Напряжение питания и диапазон входных/выходных напряжений
Ток потребления
Входной ток и входное сопротивление
Напряжение смещения и его температурный дрейф
Коэффициент усиления и частота единичного усиления
Скорость нарастания выходного напряжения
Выходной ток и сопротивление нагрузки
Уровень шумов
Стоимость

Необходимо найти оптимальный баланс между требуемыми характеристиками и ценой ОУ.

Ошибка 404. Страница не найдена!

К сожалению, запрошенная вами страница не найдена на портале. Возможно, вы ошиблись при написании адреса в адресной строке браузера, либо страница была удалена или перемещена в другое место.

Операционный усилитель — это… Что такое Операционный усилитель?

Разные операционные усилители в различных корпусах, в том числе несколько в одном корпусе

Операционный усилитель (ОУ, OpAmp) — усилитель постоянного тока с дифференциальным входом и, как правило, единственным выходом, имеющий высокий коэффициент усиления. ОУ почти всегда используются в схемах с глубокой отрицательной обратной связью, которая, благодаря высокому коэффициенту усиления ОУ, полностью определяет коэффициент передачи полученной схемы.

В настоящее время ОУ получили широкое применение как в виде отдельных чипов, так и в виде функциональных блоков в составе более сложных интегральных схем. Такая популярность обусловлена тем, что ОУ является универсальным блоком с характеристиками, близкими к идеальным, на основе которого можно построить множество различных электронных узлов.

История

Операционный усилитель изначально был спроектирован для выполнения математических операций (отсюда его название), путём использования напряжения как аналоговой величины. Такой подход лежит в основе аналоговых компьютеров, в которых ОУ использовались для моделирования базовых математических операций (сложение, вычитание, интегрирование, дифференцирование и т. д.). Однако идеальный ОУ является многофункциональным схемотехническим решением, он имеет множество применений помимо математических операций. Реальные ОУ, основанные на транзисторах, электронных лампах или других активных компонентах, выполненные в виде дискретных или интегральных схем, являются приближением к идеальным.

Ламповый операционный усилитель K2-W.

Первые промышленные ламповые ОУ (1940-е гг.) выполнялись на паре двойных триодов, в том числе в виде отдельных конструктивных сборок в корпусах с октальным цоколем. В 1963 Роберт Видлар, инженер Fairchild Semiconductor, спроектировал первый интегральный ОУ — μA702. При цене в 300 долларов прибор, содержавший 9 транзисторов использовался только в военных применениях. Первый доступный интегральный ОУ, μA709, также спроектированный Видларом, был выпущен в 1965; вскоре после выпуска его цена упала ниже 10 долларов, что было всё ещё слишком дорого для бытового применения, но вполне доступно для массовой промышленной автоматики и т. п. гражданских задач.

В 1967 National Semiconductor, куда перешёл работать Видлар, выпустила LM101, а в 1968 Fairchild выпустило практически идентичный μA741 — первый ОУ со встроенной частотной коррекцией. ОУ LM101/μA741 был более стабилен и прост в использовании, чем предшественники. Многие производители до сих пор выпускают версии этого классического чипа (их можно узнать по числу «741» в наименовании). Позднее были разработаны ОУ и на другой элементной базе: на полевых транзисторах с p-n переходом (конец 1970х) и с изолированным затвором (начало 1980х), что позволило существенно улучшить ряд характеристик. Многие из более современных ОУ могут быть установлены в схемы, спроектированные для 741 без каких-либо доработок, при этом характеристики схемы только улучшатся.

Применение ОУ в электронике чрезвычайно широко — операционный усилитель, вероятно, наиболее часто встречающийся элемент в аналоговой схемотехнике. Добавление лишь нескольких внешних компонентов делает из ОУ конкретную схему аналоговой обработки сигналов. Многие стандартные ОУ сто́ят всего несколько центов в крупных партиях (1000шт), но усилители с нестандартными характеристиками (в интегральном или дискретном исполнении) могут стоить $100 и выше.

Обозначения

Обозначение операционного усилителя на схемах

На рисунке показано схематичное изображение операционного усилителя. Выводы имеют следующее значение:

Указанные пять выводов присутствуют в любом ОУ, они необходимы для его функционирования. Однако, существуют операционные усилители, не имеющие неинвертиующего входа^[1]. В частности, такие ОУ находят применение в аналоговых вычислительных машинах (АВМ). ОУ, применяемые в АВМ, принято делить на 5 классов, из которых ОУ первого и второго класса имеют только один вход. Операционные усилители первого класса — усилители высокой точности (УВТ) с одним входом. Они предназначены для работы в составе интеграторов, сумматоров, устройств слежения-хранения, электронных коэффициентов. Высокий коэффициент усиления, предельно малые значения смещения нуля, входного тока и дрейфа нуля, высокое быстродействие обеспечивают снижение погрешности, вносимой усилителем, ниже 0,01 %. Операционные усилители второго класса — усилители средней точности (УСТ) также с одним входом, обладающие меньшим коэффициентом усиления и большими значениями смещения и дрейфа нуля. Эти ОУ предназначены для применения в составе электронных устройств установки коэффициентов, инверторов, электронных переключателей, в функциональных преобразователях, множительных устройствах. Помимо этого, некоторые ОУ могут иметь дополнительные выводы (предназначенные, например, для установки тока покоя, частотной коррекции, балансировки или других функций).

Выводы питания (V_S+ и V_S−) могут быть обозначены по-разному (см. выводы питания интегральных схем). Часто выводы питания не рисуют на схеме, чтобы не загромождать её несущественными деталями, при этом способ подключения этих выводов явно не указывается или считается очевидным (особенно часто это происходит при изображении одного усилителя из микросхемы с четырьмя усилителями с общими выводами питания). При обозначении ОУ на схемах можно менять местами инвертирующий и неинвертирующий входы, если это удобно; выводы питания, как правило, всегда располагают единственным способом (положительный вверху).

Основы функционирования

ОУ 741 в корпусе TO-5

Питание

В общем случае ОУ использует двуполярное питание, то есть источник питания имеет три вывода с потенциалами:

U₊ (к нему подключается V_S+)
0
U_— (к нему подключается V_S-)

Вывод источника питания с нулевым потенциалом непосредственно к ОУ обычно не подключается, но, как правило, является сигнальной землёй и используется для создания обратной связи. Часто вместо двуполярного используется более простое однополярное, а общая точка создаётся искусственно или совмещается с отрицательной шиной питания.

ОУ способны работать в широком диапазоне напряжений источников питания, типичное значение для ОУ общего применения от ±1,5 В до ±15 В при двуполярном питании (то есть U₊ = 1,5…15 В, U_— = -15…-1,5 В, допускается значительный перекос).

Простейшее включение ОУ

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

((1))

здесь

V_out: напряжение на выходе
V₊: напряжение на неинвертирующем входе
V₋: напряжение на инвертирующем входе
G_openloop: коэффициент усиления с разомкнутой петлёй обратной связи

Все напряжения считаются относительно общей точки схемы. Рассматриваемый способ включения ОУ (без обратной связи) практически не используется^[2] вследствие присущих ему серьёзных недостатков:

Коэффициент усиления с разомкнутой петлёй обратной связи G_openloop нормируется в очень широких пределах и может изменяться в тысячи раз (зависит сильнее всего от частоты сигнала и температуры).
Коэффициент усиления очень велик (типичное значение 10⁶ на постоянном токе) и не поддаётся регулировке.
Точка отсчёта входного и выходного напряжений не поддаются регулировке.

Идеальный операционный усилитель

Для того, чтобы рассматривать функционирование ОУ в режиме с обратной связью, необходимо вначале ввести понятие идеального операционного усилителя. Идеальный ОУ является физической абстракцией, то есть не может реально существовать, однако позволяет существенно упростить рассмотрение работы схем на ОУ благодаря использованию простых математических моделей.

Идеальный ОУ описывается формулой (1) и обладает следующими характеристиками:

Бесконечно большой коэффициент усиления с разомкнутой петлей обратной связи G_openloop.^[3]
Бесконечно большое входное сопротивление входов V_— и V₊. Другими словами, ток, протекающий через эти входы, равен нулю.
Нулевое выходное сопротивление выхода ОУ.
Способность выставить на выходе любое значение напряжения.
Бесконечно большая скорость нарастания напряжения на выходе ОУ.
Полоса пропускания: от постоянного тока до бесконечности.

Пункты 5 и 6 в действительности следуют из формулы (1), поскольку в неё не входят временны́е задержки и фазовые сдвиги. Из перечисленных условий следует важнейшее свойство идеального ОУ, упрощающее рассмотрение схем с его использованием:

Идеальный ОУ, охваченный отрицательной обратной связью, поддерживает одинаковое напряжение на своих входах ^[4]^[5]

Другими словами, при указанных условиях всегда выполняется равенство:

(2)

Не следует думать, что ОУ выравнивает напряжения на своих входах, подавая напряжение на входы «изнутри». На самом деле ОУ выставляет на выходе такое напряжение, которое через обратную связь подействует на входы таким образом, что разность входных напряжений уменьшится до нуля.

Легко убедиться в справедливости равенства (2). Допустим, (2) нарушено — имеет место небольшая разность напряжений. Тогда входное дифференциальное напряжение, усиленное в ОУ, вызвало бы (вследствие бесконечного коэффициента усиления) бесконечно большое выходное напряжение, которое, в соответствии с определением ООС, ещё уменьшило бы разность входных напряжений. И так до тех пор, пока равенство (2) не будет выполнено. Заметим, что выходное напряжение может быть любым — оно определяется видом обратной связи и входным напряжением.

Простейший неинвертирующий усилитель на ОУ

Из рассмотрения принципа работы идеального ОУ следует очень простая методика проектирования схем:

Пусть необходимо построить цепь на ОУ с требуемыми свойствами. Требуемые свойства заключаются прежде всего в заданном состоянии выхода (выходное напряжение, выходной ток и т. д.), которое, возможно, зависит от какого-либо входного воздействия. Для создания схемы нужно подключить к ОУ такую обратную связь, чтобы при требуемом выходном состоянии достигалось равенство напряжений на входах ОУ (инвертирующем и неинвертирующем), а обратная связь была бы отрицательной.

Таким образом, требуемое состояние системы будет устойчивым состоянием равновесия, и система будет в нем находиться неограниченно долго^[6]. Пользуясь этим упрощённым подходом, несложно получить простейшую схему усилителя.

Обозначение операционного усилителя на схемах, неинвертирующая схема включения

От усилителя требуется наличие на выходе напряжения, превышающего входное в K раз. В соответствии с приведённой выше методикой подадим на неинвертирующий вход ОУ сам входной сигнал, а на инвертирующий — выходной сигнал, поделённый в K раз резистивным делителем напряжения.

Пусть, K — коэффициент деления напряжения резистивным делителем R₁R₂:

K = R₁ / (R₁ + R₂)

тогда для неидеального ОУ (с конечным коэффициентом усиления G_openloop) имеем:

V₊ = V_in

V₋ = K V_out

V_out = G_openloop(V_in − K V_out)

Решая данную систему относительно V_out / V_in, получаем:

V_out/V_in = G_openloop/(1 + G_openloop K)

то есть получен усилитель, коэффициент усиления которого зависит от усиления ОУ и номиналов резисторов. Если же ОУ имеет очень большой коэффициент усиления G_openloop (много больший, чем 1/K), то коэффициент G_openloop в выражении сокращается и получаем более простое выражение:

V_out/V_in = 1/K = 1 + (R₂/R₁)

Таким образом, коэффициент передачи усилителя, построенного на ОУ с достаточно большим усилением, практически зависит только от параметров обратной связи. Это полезное свойство позволяет проектировать системы с очень стабильным коэффициентом передачи, необходимые, например, при измерениях и обработке сигналов.

Отличия реальных ОУ от идеального

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

Параметры по постоянному току

Ограниченное усиление: коэффициент G_openloop не бесконечен (типичное значение 10⁵ ÷ 10⁶ на постоянном токе). Этот эффект заметно проявляется только в случаях, когда коэффициент передачи каскада с ОУ отличается от параметра G_openloop в небольшое число раз (усиление каскада отличается от G_openloop на 1÷2 порядка или еще меньше).
Ненулевой входной ток (или, что почти то же самое, ограниченное входное сопротивление): типичные значения входного тока составляют 10⁻⁹ ÷ 10⁻¹² А. Это накладывает ограничения на максимальное значение сопротивлений в цепи обратной связи, а также на возможности согласования по напряжению с источником сигнала. Некоторые ОУ имеют на входе дополнительные цепи для защиты входа от чрезмерного напряжения — эти цепи могут значительно ухудшить входное сопротивление. Поэтому некоторые ОУ выпускаются в защищенной и незащищенной версии.
Ненулевое выходное сопротивление. Данное ограничение не имеет большого значения, так как наличие обратной связи эффективно уменьшает выходное сопротивление каскада на ОУ (практически до сколь угодно малых значений).
Ненулевое напряжение смещения: требование о равенстве входных напряжений в активном состоянии для реальных ОУ выполняется не совсем точно — ОУ стремится поддерживать между своими входами не точно ноль вольт, а некоторое небольшое напряжение (напряжение смещения). Другими словами, реальный ОУ ведет себя как идеальный ОУ, у которого внутри последовательно с одним из входов включен генератор напряжения с ЭДС U_см. Напряжение смещения — очень важный параметр, он ограничивает точность ОУ, например, при сравнении двух напряжений. Типичные значения U_см составляют 10⁻³ ÷ 10⁻⁶ В.
Ненулевое усиление синфазного сигнала. Идеальный ОУ усиливает только разницу входных напряжений, сами же напряжения значения не имеют. В реальных ОУ значение входного синфазного напряжения оказывает некоторое влияние на выходное напряжение. Данный эффект определяется параметром коэффициент ослабления синфазного сигнала (КОСС, англ. common-mode rejection ratio, CMRR), который показывает, во сколько раз приращение напряжения на выходе меньше, чем вызвавшее его приращение синфазного напряжения на входе ОУ. Типичные значения: 10⁴ ÷ 10⁶.

Параметры по переменному току

Ограниченная полоса пропускания. Любой усилитель имеет конечную полосу пропускания, но фактор полосы не особенно значим для ОУ, поскольку они имеют внутреннюю частотную коррекцию для увеличения запаса по фазе.
Ненулевая входная ёмкость. Образует паразитный фильтр нижних частот.
Ненулевая задержка сигнала. Данный параметр, косвенно связанный с ограничением полосы пропускания, может ухудшить действие ООС при повышении рабочих частот.
Ненулевое время восстановления после насыщения .

Нелинейные эффекты

Насыщение — ограничение диапазона возможных значений выходного напряжения. Обычно выходное напряжение не может выйти за пределы напряжения питания. Насыщение имеет место в случае, когда выходное напряжение «должно быть» больше максимального или меньше минимального выходного напряжения. ОУ не может выйти за пределы, и выступающие части выходного сигнала «срезаются» (то есть ограничиваются).

В моменты насыщения усилитель не действует в соответствии с формулой (1), что вызывает отказ в работе ООС и появлению разности напряжений на его входах, что обычно является признаком неисправности схемы (и это легко обнаруживаемый наладчиком признак проблем). Исключение — работа ОУ в режиме компаратора.

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

Ограничения тока и напряжения

Ограниченное выходное напряжение. У любого ОУ потенциал на выходе не может быть выше, чем потенциал положительной шины питания и не может быть ниже, чем потенциал отрицательной шины питания (в случае, если нагрузка отсутствует, или является резистивной и не содержит источник тока). Другими словами, выходное напряжение не может выйти за пределы питающего напряжения. Например, для ОУ opa277[1] выходное напряжение находится в пределах от V_S−+0,5 В до V_S+-2 В при сопротивлении нагрузки 10 кОм. Ширина этих «мертвых зон» выходного напряжения, которых выход ОУ не может достичь, зависит от ряда условий (сопротивление нагрузки, направление выходного тока и др.). Существуют ОУ, у которых мертвые зоны минимальны, например, по 50 мВ до шин питания при нагрузке 10 кОм для opa340[2], эта особенность ОУ называется «rail-to-rail» (от шины до шины).
Ограниченный выходной ток. Большинство ОУ широкого применения имеют встроенную защиту от превышения выходного тока — типичное значение максимального тока 25 мА. Защита предотвращает перегрев и выход ОУ из строя.

Мощные ОУ, такие как К157УД1, могут иметь крепление для радиатора.

Ограниченная выходная мощность. Большинство ОУ предназначено для применений, не требовательных к мощности: сопротивление нагрузки не должно быть менее 2 кОм.

Классификация ОУ

По типу элементной базы^[7]

По области применения

Выпускаемые промышленностью операционные усилители постоянно совершенствуются, параметры ОУ приближаются к идеальным. Однако улучшить все параметры одновременно технически невозможно или нецелесообразно из-за дороговизны полученного чипа. Для того, чтобы расширить область применения ОУ, выпускаются различные их типы, в каждом из которых один или несколько параметров являются выдающимися, а остальные на обычном уровне (или даже чуть хуже). Это оправдано, так как в зависимости от сферы применения от ОУ требуется высокое значение того или иного параметра, но не всех сразу. Отсюда вытекает классификация ОУ по областям применения.

Индустриальный стандарт. Так называют широко применяемые, очень дешевые ОУ общего применения со средними характеристиками. Пример «классических» ОУ: с биполярным входом — LM324, с полевым входом — TL084.
Прецизионные ОУ имеют очень малые напряжения смещения, применяются в точных измерительных схемах. Обычно ОУ на биполярных транзисторах по этому показателю несколько лучше, чем на полевых. Также от прецизионных ОУ требуется долговременная стабильность параметров. Исключительно малыми смещениями обладают стабилизированные прерыванием ОУ. Примеры: AD707, AD708, с напряжением смещения 30 мкВ, а также новейшие AD8551 с типичным напряжением смещения 1 мкВ.
С малым входным током (электрометрические) ОУ. Все ОУ, имеющие полевые транзисторы на входе, обладают малым входным током. Но среди них существуют специальные ОУ с исключительно малым входным током. Чтобы полностью реализовать их преимущества, при проектировании устройств с их использованием необходимо даже учитывать утечку тока по печатной плате. Пример: AD549 с входным током 6·10⁻¹⁴ А.
Микромощные и программируемые ОУ потребляют малый ток на собственное питание. Такие ОУ не могут быть быстродействующими, так как малый потребляемый ток и высокое быстродействие — взаимоисключающие требования. Программируемыми называются ОУ, для которых все внутренние токи покоя можно задать с помощью внешнего тока, подаваемого на специальный вывод ОУ.
Мощные (сильноточные) ОУ могут отдавать большой ток в нагрузку, то есть допустимое сопротивление нагрузки меньше стандартных 2 кОм, и может составлять до 50 Ом.
Низковольтные ОУ работоспособны при напряжении питания 3 В и даже ниже. Как правило, они имеют rail-to-rail выход.
Высоковольтные ОУ. Все напряжения для них (питания, синфазное входное, максимальное выходное) значительно больше, чем для ОУ широкого применения.
Быстродействующие ОУ имеют высокую скорость нарастания и частоту единичного усиления. Такие ОУ не могут быть микромощными, и как правило выполнены на биполярных транзисторах.
Малошумящие ОУ.
Звуковые ОУ. Имеют минимально возможный коэффициент гармоник (THD).
Для однополярного питания. CMOS ОУ обеспечивают выходное напряжение, практически равное напряжению питания (rail-to-rail, R2R), биполярные ОУ — примерно на 1.2 В меньше, что существенно при небольших значениях Ucc.
Специализированные ОУ. Обычно разработаны для конкретных задач (подключение фотодатчика, магнитной головки, и др.). Могут содержать в себе готовые цепи ООС или отдельные необходимые для этого прецизионные резисторы.

Возможны также комбинации данных категорий, например, прецизионный быстродействующий ОУ.

Другие классификации

По входным сигналам:

Обычный двухвходовый ОУ;
ОУ с тремя входами ^[8]: третий вход, имеющий коэффициент передачи +1 (для чего используется внутренняя ООС), используется для расширения возможностей ОУ, например, смещение по напряжению выходных сигналов относительно входных, или возможность построения каскада с высоким выходным сопротивлением синфазному сигналу, что напоминает трансформатор с двумя обмотками, однако каскад на AD8132 передаёт и постоянный ток, что трансформатор не может.

По выходным сигналам:

Обычный ОУ с одним выходом;
ОУ с дифференциальным выходом ^[9]

Использование ОУ в схемотехнике

Использование ОУ как схемотехнического элемента гораздо проще и понятнее, чем оперирование отдельными элементами, его составляющими (транзисторов, резисторов и т. д.). При проектировании устройств на первом (приближённом) этапе операционные усилители можно считать идеальными. Далее для каждого ОУ определяются требования, которые накладывает на него схема, и подбирается ОУ, удовлетворяющий этим требованиям. Если получается, что требования к ОУ слишком жёсткие, то можно частично перепроектировать схему для обхода данной проблемы.

Принципиальная схема операционного усилителя

Схемы на операционных усилителях

Операционные усилители являются основным элементом для дифференциаторов.

Области применения

См. также

Примечания

↑ http://cxem.net/beginner/beginner96.php
↑ Единственным исключением является простейший аналоговый компаратор
↑ Казалось бы, это бессмысленное допущение, поскольку при этом на выходе было бы бесконечное напряжение всегда, за исключением редкого случая, когда напряжения на входах V_— и V₊ равны. В действительности выходное напряжение даже в теоретической модели всегда ограничено из-за использования отрицательной обратной связи.
↑ Путём изменения выходного напряжения
↑ Если система (ОУ с ОС) устойчива
↑ Это очень упрощённый подход, в действительности необходимо учитывать другие возможные состояния равновесия, а также ряд других факторов.
↑ По типу элементной базы, используемой для построения входных цепей (моста)
↑ AD8132 — ОУ, имеющий третий вход с усилением +1
↑ AD8132 — ОУ с дифференциальным выходом

Ссылки

Операционные усилители с однополярным питанием: примеры применения

11 февраля

Бонни Бейкер (Microchip Technology)

Ведущий инженер Microchip рассказывает о схемах базовых функциональных узлов на операционных усилителях (ОУ), типовых схемах систем управления на их базе и типичных ошибках при проектировании устройств на ОУ.

Операционный усилитель (ОУ) представляет собой основной после транзистора функциональный элемент для построения аналоговых схем. С помощью ОУ легко реализуются такие базовые функции как усиление сигнала, изоляция нагрузки, инвертирование сигнала, смещение уровня, сложение и/или вычитание сигналов. Также на базе ОУ можно реализовать и более сложные схемы, такие как инструментальные усилители, преобразователи тока в напряжение и фильтры. Независимо от сложности схемы собственно операционного усилителя, знание основных принципов его работы позволит сэкономить много времени на начальных этапах проектирования.

В курсе изучения операционных усилителей дается множество важной и полезной информации. Однако при этом часто упускают из виду вопросы, касающиеся практического применения ОУ. Так, при проектировании схем с операционными усилителями разработчики постоянно забывают о такой «мелочи» как блокировочные конденсаторы по питанию. С теоретической точки зрения эти компоненты не нужны. В то же время при отсутствии блокировочного конденсатора схема усилителя может возбудиться и в ней возникнут колебания, чего в теории быть не должно. Если же при проектировании схемы использовались только готовые решения из книг, эта проблема может оказаться трудноразрешимой.

Данное руководство состоит из трех частей. В первой части рассматриваются схемы базовых функциональных узлов на ОУ вместе с уравнениями для их расчета. Эти схемы были выбраны с учетом их применимости во встраиваемых системах.

Во второй части руководства рассматриваются более сложные аналоговые схемы для встраиваемых систем управления, построенные с использованием базовых функциональных узлов.

В третьей части руководства приведены наиболее распространенные ошибки, которые допускаются при проектировании схем на ОУ с однополярным питанием. Данный перечень ошибок – результат многолетней работы множества разработчиков по поиску неисправностей в аналоговых схемах. Большей части этих ошибок можно избежать, если применить рекомендации, приведенные в данной статье.

Основные принципы работы операционных усилителей

Операционный усилитель – это такой же «кирпичик» для построения аналоговых схем, как логический элемент – для цифровых. При помощи операционных усилителей мы можем кардинально изменять аналоговые сигналы, подобно тому как с помощью инверторов и логических элементов И/ИЛИ мы изменяем цифровые сигналы. В этой части мы рассмотрим такие базовые функциональные узлы на ОУ как повторитель напряжения, неинвертирующий и инвертирующий усилители, расщепитель питания (формирователь искусственной средней точки), дифференциальный и суммирующий усилители, а также преобразователь тока в напряжение.

Повторитель напряжения

Начнем с самой простой схемы – схемы буферного усилителя (рисунок 1). Буферный усилитель применяется для управления большими нагрузками для согласования входных/выходных сопротивлений или для развязки силовых цепей и чувствительных прецизионных схем.

Рис. 1. Буферный усилитель (повторитель напряжения)

Буферный усилитель, показанный на рисунке 1, может быть реализован на любом ОУ с однополярным питанием, устойчиво работающем при единичном коэффициенте усиления. В этой схеме, как и во всех схемах с ОУ, должен присутствовать блокировочный конденсатор по питанию. Для усилителей с однополярным питанием, работающих в полосе частот от нуля до единиц мегагерц, как правило, достаточно конденсатора емкостью 1 мкФ. Если полоса частот усилителя составляет десятки мегагерц, может потребоваться конденсатор меньшей емкости. В этом случае обычно используют конденсатор емкостью 0,1 мкФ. При отсутствии блокировочного конденсатора или при неправильном выборе его емкости операционный усилитель может самовозбудиться.

Коэффициент усиления схемы, приведенной на рисунке 1, равен +1 В/В. Обратите внимание, что хотя усиление всей схемы положительно, цепь обратной связи с выхода усилителя подключена к инвертирующему входу. Полагать, будто бы схема на ОУ, имеющая положительное усиление, требует наличия положительной обратной связи – очень распространенное заблуждение. Если мы охватим ОУ положительной обратной связью, то на выходе усилителя, скорее всего, установится уровень одной из шин питания.

Данная схема обеспечивает хорошую линейность в пределах всей полосы пропускания усилителя. Однако существуют и определенные ограничения – уровень синфазного сигнала на входе и размах выходного сигнала не должны выходить за определенные границы. Указанные ограничения обсуждаются в разделе «Подводные камни проектирования схем с ОУ».

Если эта схема предназначена для управления мощной нагрузкой, то примененный ОУ должен обеспечивать необходимый уровень выходного тока. Также данная схема может применяться для управления емкостной нагрузкой. Следует отметить, что далеко не каждый ОУ способен сохранять устойчивость при работе на емкостную нагрузку. Если усилитель рассчитан на управление емкостной нагрузкой, то в его документации это будет явно указано. С другой стороны, если ОУ не может работать на емкостную нагрузку, то в его документации это, как правило, особо не оговаривается.

Кроме того, буферный усилитель используется для решения задачи согласования входного и выходного сопротивлений. Это может потребоваться в том случае, если источник аналогового сигнала имеет достаточно высокое выходное сопротивление по сравнению со входным сопротивлением схемы. При прямом подключении источника к схеме уровень сигнала уменьшится из-за падения напряжения на делителе, образованном выходным сопротивлением источника и выходным сопротивлением схемы. Буферный усилитель прекрасно решает эту проблему. Входное сопротивление неинвертирующего входа КМОП ОУ может достигать значения 10¹³ Ом. В то же время выходное сопротивление буферного усилителя обычно не превышает 10 Ом.

Еще один вариант использования буферного усилителя – изоляция чувствительной прецизионной схемы от источника тепла, как показано на рисунке 2. Представьте, что схема, к которой подключен буферный усилитель, усиливает сигнал величиной 100 мкВ.

Рис. 2. Развязка нагрузки с использованием буферного усилителя

Усиление подобных сигналов – непростая задача, независимо от требуемой точности. При таких прецизионных измерениях из-за изменения выходного тока схемы усилителя может легко возникнуть погрешность. Увеличение тока нагрузки вызывает саморазогрев кристалла, что в свою очередь приводит к росту напряжения смещения. В таких ситуациях для управления мощной нагрузкой лучше использовать отдельный аналоговый буфер, а входным каскадам оставить только прецизионные измерения.

Усиление аналоговых сигналов

Буфер позволяет решить многие проблемы, связанные с передачей аналогового сигнала, однако на практике часто возникает необходимость усиления сигнала. Для этого можно использовать усилители двух типов. В усилителе первого типа, схема которого приведена на рисунке 3, сигнал не инвертируется. Этот вариант усилителя очень удобен для схем с однополярным питанием, в которых отрицательные сигналы, как правило, отсутствуют.

Рис. 3. Неинвертирующий усилитель на ОУ

Примечание. Когда в данной публикации говорится об однополярном питании, то подразумевается, что отрицательный вывод питания операционного усилителя соединен с общим проводом, а положительный вывод питания подключен к линии +5 В. Все рассуждения в этой статье можно экстраполировать и на другие значения напряжения питания, если напряжение однополярного источника превышает 5 В или же если используется двуполярное питание.

В данном случае входной сигнал подается на высокоимпедансный неинвертирующий вход операционного усилителя. Выходное напряжение данной схемы определяется по формуле 1:

$$V_{OUT}=\left(1+\frac{R_{2}}{R_{1}} \right)\times V_{IN}\qquad{\mathrm{(}}{1}{\mathrm{)}}$$

В схемах с однополярным питанием значение сопротивления резистора R₂, как правило, берется не менее 2 кОм. Сопротивление резистора R₁ выбирается исходя из требуемого значения коэффициента усиления с учетом уровня шумов операционного усилителя и входного напряжения смещения, указанных в технической документации на ОУ. Стоит отметить, что данная схема имеет некоторые ограничения, касающиеся величины входного и выходного сигналов. Так, напряжение на неинвертирующем входе ОУ не должно превышать максимально допустимого для данного ОУ значения синфазного напряжения. Размах выходного сигнала ОУ также ограничен; допустимый диапазон указывается в технической документации на усилитель. Как правило, большая часть ошибок возникает из-за ограничения слишком большого выходного сигнала усилителя, а не из-за слабого сигнала на входе. При возникновении ограничения выходного сигнала коэффициент усиления схемы следует уменьшить.

Схема инвертирующего усилителя приведена на рисунке 4. Эта схема усиливает и инвертирует сигнал, поданный на входной резистор (R₁). Выходное напряжение этой схемы определяется по формуле 2:

$$V_{OUT}=-\left(\frac{R_{2}}{R_{1}} \right)\times V_{IN}+\left(1+\frac{R_{2}}{R_{1}} \right)\times V_{BIAS}\qquad{\mathrm{(}}{2}{\mathrm{)}}$$

Рис. 4. Инвертирующий усилитель на ОУ

Сопротивления резисторов R₁ и R₂ выбираются из тех же соображений, что и для схемы неинвертирующего усилителя, приведенной на рисунке 3.

При использовании этой схемы в условиях однополярного питания легко допустить ошибку. Пусть, к примеру, R₂ равен 10 кОм, R₁ равен 1 кОм, V_BIAS равно 0 В, а напряжение на входном резисторе R₁ равно 100 мВ. В этом случае выходное напряжение, казалось бы, должно быть равно -1 В. Однако это значение выходит за границы диапазона выходного напряжения ОУ, поэтому на выходе ОУ установится минимально возможное положительное напряжение.

Для решения этой проблемы следует добавить в схему источник напряжения смещения V_BIAS. Вернемся к предыдущему примеру. Если бы мы подали на вход V_BIAS напряжение 225 мВ, то выходной сигнал оказался бы смещен на 2,475 В. Соответственно, вместо отрицательного напряжения на выходе ОУ было бы напряжение 2,475 В – 1 В = 1,475 В. Как правило, схемы рассчитывают таким образом, чтобы среднее значение выходного напряжения ОУ было равно половине напряжения питания V_DD/2.

Схемы с однополярным питанием и расщепители питания

Как было показано на примере схемы инвертирующего усилителя (рисунок 4), при однополярном питании часто требуется смещать уровень сигнала, чтобы он оставался в пределах диапазона, определенного потенциалами выводов питания. Такое смещение можно обеспечить с использованием одного ОУ и нескольких пассивных элементов, как показано на рисунке 5. Во многих случаях эту схему можно реализовать на обычном буферном усилителе без конденсаторов частотной коррекции. В других ситуациях, например, при использовании этой схемы в качестве источника опорного напряжения аналого-цифрового преобразователя (АЦП), ее нагрузка будет динамически изменяться. В подобных приложениях напряжение смещения должно оставаться неизменным, иначе может возникнуть ошибка преобразования.

Рис. 5. Расщепитель питания на одном операционном усилителе. Данная схема особенно полезна при однополярном питании

Неизменное напряжение смещения можно легко сформировать, используя делитель напряжения (R₃ и R₄) или источник опорного напряжения с последующей буферизацией посредством ОУ. Выходное напряжение схемы, приведенной на рисунке 5, определяется по формуле 3:

$$V_{OUT}=V_{DD}\times \left(\frac{R_{4}}{R_{3}+R_{4}} \right)\qquad{\mathrm{(}}{3}{\mathrm{)}}$$

Схема, представленная на рисунке 5, имеет дополнительную цепь коррекции, обеспечивающую работу на большую емкостную нагрузку C₁. Такая большая емкость используется потому, что имеет очень маленькое сопротивление переменному току по входу опорного напряжения АЦП. Этот конденсатор сглаживает кратковременные скачки тока, которые обязательно присутствуют на входе опорного напряжения АЦП.

Дифференциальный (разностный) усилитель

Дифференциальный усилитель представляет собой сочетание неинвертирующего и инвертирующего усилителей (рисунки 3 и 4). Схема дифференциального усилителя приведена на рисунке 6.

Рис. 6. Дифференциальный усилитель на ОУ

Выходное напряжение этой схемы определяется по формуле 4:

$$V_{OUT}=\left(V_{1}-V_{2} \right)\times \left(\frac{R_{2}}{R_{1}} \right)+V_{REF}\qquad{\mathrm{(}}{4}{\mathrm{)}}$$

Данная схема будет усиливать разность двух сигналов с хорошей точностью с условием, что выходное сопротивлении источников этих сигналов мало. Если выходные сопротивления этих источников окажутся большими по сравнению с сопротивлением R₁, то уровень сигнала на входах ОУ снизится из-за влияния делителя напряжения, созданного выходным сопротивлением источника и входными резисторами дифференциального усилителя. Помимо этого, погрешности могут создавать различные значения выходных сопротивлений источников сигналов. Коэффициент усиления данной схемы может превышать или равняться единице.

Суммирующий усилитель

Суммирующие усилители (рисунок 7) используются, когда необходимо объединить несколько сигналов путем их сложения или вычитания. Дифференциальный усилитель, обрабатывающий только два сигнала, представляет собой частный случай суммирующего усилителя.

Рис. 7. Суммирующий усилитель на ОУ

Выходное напряжение этой схемы определяется по формуле 5:

$$V_{OUT}=\left(V_{1}+V_{2}-V_{3}-V_{4} \right)\times \left(\frac{R_{2}}{R_{1}} \right)\qquad{\mathrm{(}}{5}{\mathrm{)}}$$

На инвертирующий и неинвертирующий входы ОУ в этой схеме можно подавать любое равное количество сигналов через резисторы с одинаковым сопротивлением.

Преобразователь тока в напряжение

Операционный усилитель может применяться для преобразования токового сигнала от датчика, такого как фотодиод, в напряжение. Для этого в цепь обратной связи включается единственный резистор и (опционально) конденсатор, как показано на рисунке 8.

Свет, попадая на фотодиод, вызывает протекание через него обратного тока. При использовании операционного усилителя, изготовленного по технологии КМОП, который обладает высоким входным сопротивлением, весь ток фотодиода (I_D1) будет течь по цепи с наименьшим сопротивлением – через резистор обратной связи R₂. А благодаря очень малому входному току смещения КМОП-усилителей (обычно менее 200 пА), обусловленная им погрешность также будет невелика. Неинвертирующий вход операционного усилителя подключен к общему проводу, то есть все сигналы в схеме отсчитываются относительно общего провода. Обе схемы будут работать только в том случае, если ОУ допускает подачу на свои входы нулевого синфазного напряжения.

На рисунке 8 приведены две схемы. Верхняя схема обеспечивает измерение освещенности с высокой точностью. В ней напряжение на фотодиоде близко к нулю и равно напряжению смещения операционного усилителя. При такой конфигурации основным источником тока, протекающего через резистор R₂, является воздействие света на фотодиод.

Рис. 8. Преобразователь тока в напряжение на ОУ и одном резисторе: схема (а) измерения освещенности обеспечивает повышенную точность, а схема (б) обладает повышенным быстродействием

Схема измерения освещенности, изображенная в нижней части рисунка 8, обеспечивает более высокое быстродействие. Это достигается путем смещения фотодиода в обратном направлении, в результате чего уменьшается его паразитная емкость. Недостатком данной схемы является увеличенная погрешность по постоянному току из-за большого обратного тока фотодиода.

Применение базовых схем

Инструментальный усилитель

Инструментальные усилители находят применение в самых разных областях: от медицинского оборудования до промышленных контроллеров. Инструментальный усилитель аналогичен дифференциальному усилителю в том смысле, что он тоже вычитает один аналоговый сигнал из другого, однако его входной каскад построен совершенно иначе. Классическая схема инструментального усилителя на трех ОУ приведена на рисунке 9.

Рис. 9. Инструментальный усилитель на трех ОУ

В этой схеме оба входных сигнала поступают на высокоомные неинвертирующие входы операционных усилителей. Поэтому, в отличие от дифференциального усилителя, данную схему можно использовать в случае, если выходные сопротивления источников сигналов велики и/или различаются. Коэффициент усиления входного каскада определяется сопротивлением резистора R_G.

Второй каскад представляет собой обычный дифференциальный усилитель. Этот каскад подавляет синфазное напряжение входных сигналов и вычитает один сигнал из другого. Выходные сопротивления источников сигналов, поступающих на вход дифференциального усилителя, малы, имеют одинаковое значение и их легко контролировать.

Напряжение смещения дифференциального каскада измерительного усилителя можно изменять в широких пределах. В схемах с однополярным питанием напряжение смещения обычно выбирается равным половине напряжения питания. Для формирования напряжения смещения можно использовать расщепитель питания, схема которого приведена на рисунке 5. Выходное напряжение инструментального усилителя определяется по формуле 6:

$$V_{OUT}=\left(V_{1}-V_{2} \right)\times \left(1+\frac{2R_{2}}{R_{G}} \right)\times \left(\frac{R_{4}}{R_{3}} \right)+V_{REF}\qquad{\mathrm{(}}{6}{\mathrm{)}}$$

Другая схема инструментального усилителя показана на рисунке 10. В этой схеме оба ОУ служат для изоляции нагрузки и усиления сигнала. Кроме того, второй ОУ работает как дифференциальный усилитель.

Рис. 10. Инструментальный усилитель на двух ОУ. Эта схема лучше всего подходит, если нужно обеспечить высокий коэффициент усиления (более 3 В/В)

На первый ОУ можно подать напряжение смещения. Как правило, в схемах с однополярным питанием напряжение смещения выбирают равным половине напряжения питания. Выходное напряжение этой схемы определяется по формуле 7:

$$V_{OUT}=\left(V_{1}-V_{2} \right)\times \left(1+\frac{R_{1}}{R_{2}}+\frac{2R_{1}}{R_{G}} \right)+V_{REF}\qquad{\mathrm{(}}{7}{\mathrm{)}}$$

Плавающий источник тока

Плавающий источник тока может пригодиться для задания тока, протекающего через элемент с изменяющимся сопротивлением, например, резистивного термодатчика (RTD). Схема, приведенная на рисунке 11, представляет собой источник тока величиной 1 мА для RTD-датчика, хотя можно установить и любое другое значение тока.

Рис. 11. Плавающий источник тока, построенный на двух ОУ и прецизионном источнике опорного напряжения

В этой схеме из-за наличия резистора R1 напряжение V_REF уменьшается на величину V_R₁. Соответственно, напряжение на неинвертирующем входе верхнего в схеме ОУ равно V_REF – V_R₁. Это напряжение после усиления в два раза дает на выходе ОУ напряжение, равное 2 × (V_REF – V_R₁). При этом выходное напряжение нижнего ОУ схемы составляет V_REF – 2 × V_R₁. Вычитая выходное напряжение верхнего ОУ из напряжения на неинвертирующем входе нижнего ОУ, получаем:

2(V_REF – V_R₁) – (V_REF – 2V_R₁), что равно V_REF.

Величина тока, формируемого данной схемой, определяется по формуле 8:

$$I_{OUT}=\frac{V_{REF}}{R_{L}}\qquad{\mathrm{(}}{8}{\mathrm{)}}$$

Фильтры

На входе любого АЦП крайне желательно наличие полосового или низкочастотного фильтра, позволяющего удалить нежелательные составляющие сигнала. Фильтр нижних частот, схема которого приведена на рисунке 12, имеет два полюса, которые можно сконфигурировать таким образом, чтобы получить фильтр Баттерворта. Фильтры Баттерворта имеют плоскую АЧХ в полосе пропускания и хорошие характеристики в целом.

Рис. 12. Активные фильтры нижних частот с двумя полюсами легко реализовать на одном операционном усилителе

С другой стороны, на переходной характеристике фильтра этого типа присутствует небольшой выброс, а также звон. Это может быть проблемой, а может и не быть – все зависит от требований конкретного приложения. Коэффициент усиления этого фильтра определяется сопротивлением резисторов R₃ и R₄.

Обратите внимание на сходство уравнений для вычисления коэффициента усиления данного фильтра и неинвертирующего усилителя, показанного на рисунке 3.

Фильтры этого типа также называют антиалиасинговыми, если они используются для устранения составляющих сигнала, частота которых превышает половину частоты Найквиста конкретной дискретной системы. Таким образом, из спектра сигнала удаляются высокочастотные помехи, которые в противном случае наложились бы на полезный сигнал.

Коэффициент усиления по постоянному току схемы, приведенной на рисунке 12, определяется по формуле 9:

$$\frac{V_{OUT}}{V_{IN}}=\left(1+\frac{R_{4}}{R_{3}} \right)\qquad{\mathrm{(}}{9}{\mathrm{)}}$$

Полосовой фильтр, схема которого приведена на рисунке 13, имеет частотную характеристику с одним нулем и двумя полюсами и предназначен для обработки речевых сигналов. Фильтр высоких частот первого порядка реализован на конденсаторе C₁ и резисторах R₁ и R₂, соединенных параллельно. Обратите внимание, что резисторы R₁ и R₂ также образуют делитель, формирующий на неинвертирующих входах операционных усилителей напряжение смещения. Это обеспечивает работу обеих ОУ в линейной области. На втором операционном усилителе U2 и компонентах R₃, R₄, C₃ и C₄ реализован фильтр низких частот второго порядка.

Рис. 13. Полосовой фильтр можно реализовать на двух ОУ: первый ОУ будет работать как фильтр верхних частот, а второй – как фильтр нижних частот

Этот фильтр подавляет высокочастотные помехи, которые в противном случае могли бы наложиться на полезный сигнал при аналого-цифровом преобразовании. Выходное напряжение данной схемы определяется по формуле 10:

$$V_{OUT}=V_{IN}\times \left(\frac{R_{3}}{R_{4}} \right)\times \left(\frac{R_{2}}{R_{1}+R_{2}} \right)\qquad{\mathrm{(}}{10}{\mathrm{)}}$$

Для получения дополнительной информации о фильтрах нижних частот ознакомьтесь с руководством по применению AN699 «Anti-Aliasing Analog Filters for Data Acquisitions Systems» («Антиалиасинговые аналоговые фильтры для систем сбора данных»).

Соединяем все вместе

Схема, приведенная на рисунке 14, реализует законченное устройство измерения температуры с однополярным питанием. В этой схеме применены четыре операционных усилителя и 12-разрядный аналого-цифровой преобразователь. В качестве датчика температуры используется RTD-датчик, который требует возбуждения током. Этот ток формируется плавающим источником тока, схема которого была приведена на рисунке 11. Усилительный каскад и антиалиасинговый фильтр реализованы по схеме, приведенной на рисунке 13.

Рис. 14. Законченная схема с однополярным питанием для измерения температуры

Сигнал с RTD-датчика поступает на усилительный каскад, который представляет собой комбинацию инвертирующего и неинвертируюшего усилителей.

С выхода этого усилительного каскада сигнал поступает на фильтр нижних частот второго порядка с коэффициентом усиления 6 В/В. Такое усиление было выбрано в соответствии со входным диапазоном аналого-цифрового преобразователя. Полагая, что частота дискретизации АЦП, также известная как частота Найквиста, равна 75 кГц, частота среза антиалиасингового фильтра (U4) была задана равной 10 кГц. Такой полосы пропускания фильтра достаточно для эффективного подавления составляющих сигнала с частотами, меньшими чем половина частоты Найквиста. В качестве аналого-цифрового преобразователя используется 12-битный АЦП последовательного приближения, выход которого подключен к микроконтроллеру PIC12C509.

Подводные камни проектирования схем с ОУ

В этой части руководства перечислены типичные проблемы, связанные с работой операционных усилителей, установленных на печатную плату. Эти проблемы разбиты на четыре категории:

общие советы;
входные каскады;
ширина полосы пропускания ОУ;
ОУ класса «rail-to-rail» при однополярном питании.

Общие советы

Соблюдайте осторожность при выборе напряжений, подаваемых на выводы питания ОУ. Не превышайте значений, указанных в спецификации на операционный усилитель, и, в то же время, не делайте их слишком маленькими. Высокие значения напряжений приведут к повреждению компонента, а низкие не смогут обеспечить требуемое смещение транзисторов на кристалле ОУ, необходимое для нормальной работы усилителя.
Убедитесь, что отрицательный вывод питания (обычно – земля) действительно подключен к шине с низким потенциалом. Кроме того, убедитесь, что источник положительного напряжения действительно обеспечивает требуемое напряжение относительно отрицательного вывода питания ОУ. Для проверки подключите вольтметр между отрицательным и положительным выводами питания ОУ.
Тщательно проверьте земляную шину, особенно при наличии на плате цифровых узлов. Хорошо продумайте трассировку земляной шины. Если схема содержит много цифровых цепей, подумайте над использованием отдельных слоев земли и питания. Очень сложно, а зачастую просто невозможно убрать из аналогового сигнала помехи, вызванные работой цифровых компонентов.
Развязывайте цепи питания операционных усилителей с помощью блокировочных конденсаторов, располагая их как можно ближе к ОУ. Для КМОП-усилителей обычно рекомендуется использовать конденсаторы емкостью 0,1 мкФ. Также выполните развязку самого источника питания с помощью конденсатора емкостью 10 мкФ.
Используйте короткие проводники на входах ОУ. Если вы применяете для макетирования беспаечные макетные платы, то имейте в виду, что они могут стать причиной появления в схеме паразитных шумов и колебаний. Можно надеяться, что эти проблемы не возникнут при реализации схемы на печатной плате.
Операционные усилители чувствительны к статическому электричеству. Если микросхема будет повреждена, то ОУ либо просто перестанет работать, либо возникнут непонятные погрешности (например, изменится напряжение смещения или входной ток смещения), которые со временем будут только увеличиваться.

Входные каскады

Учитывайте диапазон входных напряжений вашего ОУ. Если напряжение на любом из входов усилителя выйдет за допустимые пределы, то на выходе, скорее всего, установится напряжение одной из шин питания.
Если ваша схема имеет большой коэффициент усиления, не забывайте о напряжении смещения ОУ. Это напряжение усиливается вместе с полезным сигналом и может «забить» полезный сигнал на выходе усилителя.
Не используйте ОУ со входами типа «rail-to-rail», если в этом нет прямой необходимости. Заметим, что такие ОУ обычно требуются только для буферных усилителей и, в некоторых случаях, для реализации инструментальных усилителей. Если схема имеет усиление, то ограничение выходного сигнала в любом случае наступит до возникновения проблем со входом.

Ширина полосы пропускания ОУ

Учитывайте ширину полосы пропускания ОУ. Если у вас реализован усилитель с коэффициентом усиления 10, а величина выходного сигнала переменного тока намного меньше ожидаемой, то вам, возможно, следует подыскать усилитель с более широкой полосой пропускания.
Для обеспечения устойчивости ОУ обычно достаточно установить конденсатор параллельно резистору в цепи обратной связи усилителя. Но это помогает не всегда. Если усилитель теряет устойчивость, быстрый ее расчет укажет проблему и, возможно, подскажет пути ее решения.

ОУ класса «rail-to-rail» при однополярном питании

Операционный усилитель способен отдавать в нагрузку ограниченный ток.
Емкостная нагрузка опасна для ОУ. Убедитесь, что используемый усилитель рассчитан на нагрузки, имеющиеся в вашей схеме.
Большая редкость, когда операционный усилитель с однополярным питанием действительно обеспечивает полный размах выходного напряжения. На практике предельные значения выходного напряжения большинства таких усилителей отличаются от напряжения каждой из шин питания на 50…200 мВ. Проверьте это по технической документации на ваш усилитель.

Литература

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

Оригинал статьи

Перевел Андрей Евстифеев по заказу АО КОМПЭЛ

•••

Наши информационные каналы

Классификация операционных усилителей — Студопедия

Параметры ОУ подразделяются на статические (входные, выходные, усилительные, шумовые), динамические (скоростные, частотные, временные), эксплуатационные (энергетические, предельные). Для ОУ принципиальное значение имеют три параметра: DU_см/DТ, R_вх, V_U_вых. Уместно отметить, что любой из них может быть улучшен, но за счет ухудшения других.

Классификация ОУ предлагается по числовому значению отдельного параметра или по совокупному значению отдельных параметров.

Быстродействующие широкополосные ОУ. Используются для преобразования быстроменяющихся сигналов. Характеризуются высокой скоростью нарастания выходного сигнала (V_Uвых³ 30 В/мкс), малым временем установлением (t_уст£ 1 мкс), высокой частотой единичного усиления (f₁ более 10 МГц). По остальным параметрам уступают, как правило, операционным усилителям общего применения. К сожалению, не нормируется время восстановления после перегрузки.

Прецизионные (высокоточные) операционные усилители. Используются для усиления малых сигналов, сопровождаемых высоким уровнем помех. Характеризуются малыми значениями напряжения смещения
(U_см£ 250 мкВ) и температурного дрейфа (DU_см/DТ £ 250 мкВ /°C), большим значением коэффициента усиления (K_y_u ³ 150×10³) и подавления синфазного сигнала, большим входным сопротивлением и низким уровнем шумов. Как правило, имеют невысокое быстродействие.

Операционные усилители общего применения. Используются для построения узлов аппаратуры, имеющих суммарную приведенную погрешность на уровне 1%. Характеризуются относительно малой стоимостью и средним уровнем параметров (напряжение смещения U_см — единицы мВ, температурный дрейф DU_см/DТ — десятки мкВ/°C, коэффициент усиления К_{у u} — десятки тысяч, скорость нарастания V_U_{вых.мах} — от десятых долей до единиц В/мкс).

Операционные усилители с малым входным током. Имеют входной каскад, построенный на полевых транзисторах. Входной ток не превышает 100 пикоампер (10^-12А).

Многоканальные операционные усилители. Имеют параметры, аналогичные усилителям общего применения или микромощным усилителям с добавлением такого параметра, как коэффициент разделения каналов. Служат для улучшения массогабаритных показателей и снижения энергопотребления аппаратуры.

Мощные и высоковольтные операционные усилители. Это усилители с выходными каскадами (выходной ток I_вых=> 100 мА, выходное напряжение U_вых => 15 В), построенными на мощных высоковольтных элементах.

Микромощные операционные усилители. Ток потребления I_{потр. макс} от источника питания для этой группы ОУ не превышает 1 мА. Необходимы в случаях, когда потребляемая мощность жестко лимитирована (переносные приборы с автономным питанием, работающие в ждущем режиме).

24 Операционные усилители, их основные параметры и схемы включения.

Усилители, позволяющие выполнять операции суммирования, интегрирования, дифференцирования и логарифмирования, представляют основу аналоговых вычислительных машин. Используемые обычно для этих целей усилители постоянного тока, помимо малого дрейфа, должны иметь большой коэффициент усиления и допускать охват их глубокой обратной связью без нарушения устойчивости.

ОУ – это усилители постоянного тока с дифференциальным входом, обладающие весьма большим коэффициентом усиления (до 100 дБ), широкой полосой пропускания (от постоянного тока до 100 МГц), высоким (до 100 МГц) входным и низким (десятки Ом) выходным сопротивлениями.

Основные параметры операционных усилителей

1. К – собственный коэффициент усиления ОУ ( без обратной связи).

2. Uсдв — Выходное напряжение сдвига. Небольшое напряжение, возникающее из-за несимметрии плеч ОУ при нулевом напряжении на обоих входах. Обычно Uсдв имеет значение 10 — 100 мВ.

3. Iсм — Входной ток смещения. Ток на входах усилителя, необходимый для работы входного каскада операционного усилителя.

4. Iсдв — Входной ток сдвига. Разность токов смещения появляется вследствие неточного согласования входных транзисторов. сдв см1 см2 I = I − I .

5. Rвх — Входное сопротивление. Как правило, Rвх имеет значение до 1-10мегаом.

6. Rвых — Выходное сопротивление. Обычно Rвых не превосходит сотен Ом.

7. Косс — Коэффициент ослабления синфазного сигнала. Характеризует способность ослаблять сигналы, приложенные к обоим входам одновременно.

8. Ток потребления. Ток покоя, потребляемый операционным усилителем.

9. Потребляемая мощность. Мощность, рассеиваемая операционным усилителем.

10.Максимальная скорость нарастания выходного напряжения (В/мкс) .

11. U пит. — Напряжение питания.

12.Переходная характеристика. Сигнал на выходе усилителя при подаче на его вход скачка напряжения.

Основные схемы включения ОУ.

В инвертирующем усилителе (рис.3.18.), входной и выходной сигналы сдвинуты по фазе на 180º. Если Uвх, положительное то напряжение в точке А, а значит и Uд , также станет положительным, а Uвых уменьшится, что приведет к уменьшению на инвертирующем входе до величины Uд =Uвых / К ≈ 0. Точку А часто называют виртуальной землей, потому, что ее потенциал почти равен потенциалу земли, так как Uд, как правило, весьма мало.

Коэффициент усиления с обратной связью рассматриваемой схемы равен Кос.

Выходное напряжение инвертировано, о чем говорит и отрицательное значение К_ос.

Так как, благодаря обратной связи, в точке А сохраняется приблизительно нулевой потенциал, входное сопротивление схемы инвертирующего усилителя равно R1.. Сопротивление R1 должно быть выбрано так, чтобы не нагружать источник входного сигнала, и, естественно, R_ос должно быть достаточно большим, чтобы чрезмерно не нагружать операционный усилитель.

Неинвертирующий усилитель может быть также реализован на ОУ с высоким входным сопротивлением, коэффициент усиления которого по напряжению также может быть задан с помощью сопротивлений R1 и Rос.

В схеме повторителя напряжения на ОУ Uвых обратная связь поступает с выхода усилителя на инвертирующий вход. Так как усиливается разность напряжения на входах ОУ — Uд, то можно увидеть, что напряжение на выходе усилителя Uвых = Uд · К.

Входное напряжение связано с землей только через входное сопротивление усилителя, которое очень велико, поэтому повторитель может служить хорошим согласующим каскадом.

Усилитель с дифференциальным входом имеет два входа, причем инвертирующий и неинвертирующий входы находятся под одинаковым напряжением, в данном случае равным Uос, так как разность напряжений между инвертирующим и неинвертирующим входами очень мала (обычно меньше 1мВ),.Если задать U1 равным нулю и подать входной сигнал по входу U2, то усилитель будет действовать как неинвертирующий усилитель, у которого входное напряжение снимается с делителя, образованного резисторами R2 и R΄ос. Если оба напряжения U1 и U2 подаются на соответствующие входы одновременно, то сигнал на инвертирующем входе вызовет такое изменение выходного напряжения, что напряжение в точке соединения резисторов R1 и Rос станет равным Uос. Полярность выходного напряжения определяется большим из напряжений U1 и U2. Очевидно, что если U2 на рис.3.21 равно нулю, то усилитель будет действовать по отношению к U1 как инвертирующий усилитель.

Идеальный ОУ отрабатывает изменения только дифференциального входного сигнала и не реагирует на изменения синфазного напряжения. В реальных же ОУ изменение синфазного входного напряжения вызывает изменение (правда, весьма незначительное) выходного напряжения. Способность ОУ отличать дифференциальный входной сигнал от изменений синфазного напряжения является одной из его важнейших характеристик. Количественно эта способность называется коэффициентом ослабления синфазных входных напряжений, равным отношению коэффициента усиления ОУ к его коэффициенту усиления синфазных входных напряжений.

Коэффициент усиления напряжения ОУ определяют как отношение приращения выходного напряжения к вызвавшему это приращение значению входного напряжения. Частота входного сигнала, при которой уменьшается на 3 дБ (1,4 раза) по сравнению с его значением на низших частотах, определяет верхнюю границу полосы пропускания усилителя.

Отношение приращения входного напряжения к приращению активной составляющей входного тока на заданной частоте сигнала называют входным сопротивлением. Это сопротивление следует отличать от входного сопротивления ОУ для синфазных входных напряжений, которое определяется как отношение приращения синфазных входных напряжений к приращению активной составляющей среднего входного тока на заданной частоте сигнала.

Важнейшим выходным параметром ОУ является максимальное выходное напряжение: наибольшее неискаженное напряжение при определенном входном напряжения и заданном сопротивлении нагрузки. Для некоторых типов ОУ это напряжение может быть различным для положительной и отрицательной полярности сигнала.

Использование усилительных операций для реализации вычислительного алгоритма

Рисунок 1.1 — Схема дифференциального усилителя

Стандартная схема ДУ на ОУ представлена на рис. 1.1. Нетрудно увидеть, что в отличие от рассмотренных ранее усилителей в схеме рис.1.1 усиливаемый сигнал подается на дифференциальный вход ОУ. Предположим, что на вход подается ДУ только полезный сигнал, который может быть представлен в виде разности двух источников напряжения U₁ – U₂ = E₀, включенных по схеме с общей точкой. Как известно из теории работы ОУ, для них справедливо правило виртуального нуля, то есть потенциалы инвертирующего и неинвертирующего входов можно считать одинаковыми (Uд = 0). Исходя из схемы включения, оба входа будут находиться под напряжением U₀. Применив метод суперпозиции, рассмотрим две конфигурации схемы. В схеме на рис. 1.2 U₂ = 0 и схема превращается в стандартный инвертирующий усилитель.

Рисунок 1.2

Так как входными токами ОУ можно пренебречь, через резисторы R₂ и R₄ токи не протекают, а значит напряжение U₀ = 0. В этом случае напряжение на выходе:

В схеме на рис. 1.3 U₁ = 0 и конфигурация схемы соответствует неинвертирующему усилителю, входным напряжением которого является U₀, подаваемое на вход с делителя R₂ — R₄. Напряжение на выходе:

где

Если подать напряжение на оба входа одновременно, то в соответствии с теорией работы ОУ, напряжение на инвертирующем входе всегда будет поддерживаться на уровне U₀.

Рисунок 1.3

Приняв входное сопротивление ОУ равным бесконечности, можно записать

I₁ = I₃; I₂ = I₄.

В то же время справедливо соотношение:

то есть:

Преобразуем данное выражение и получим:

Как следует из полученного выражения , выходное напряжение представляет собой алгебраическую сумму напряжений, полученных на выходах неинвертирующего и инвертирующего усилителей при заземлении соответствующих входов ДУ. Если в полученное выражение подставить значение для U₀, то получим:

Если в данной схеме выполнить равенство R1 = R2, R3 = R4, то получим:

Можно считать это соотношение основным, связывающим выходное и входное напряжения дифференциального усилителя, то есть:

U_ВЫХ = К · Е0,

где Е0 = (U2 – U1) – входное дифференциальное напряжение ДУ; – коэффициент усиления ДУ. Следует помнить, что на вход ДУ подается дифференциальное напряжение, то есть это может быть сигнал от изолированного источника, не связанного с «землей». На выходе ДУ получается униполярный сигнал, снимаемый относительно «земли». Причем полярность выходного напряжения определяется большим из U₁ и U₂, то есть, фактически, полярностью входного напряжения. Выбор сопротивлений в схеме ДУ производится исходя из тех же соображений, что и для инвертирующего и неинвертирующего усилителей. С учетом того, что инвертирующий и неинвертирующий входы ОУ потенциально объединены, входное сопротивление ДУ может считаться равным R_ВХ = R₁ + R₂.

Генераторы гармонических колебаний

Генератор (производитель) гармонических колебаний представляет собой усилитель с положительной обратной связью. Усилитель с отрицательной обратной связью является дискриминатором(подавителем,активным фильтром). Усилитель генератора может быть как однокаскадным, так и многокаскадным.

Цепи положительной обратной связи выполняют две функции: сдвиг сигнала по фазе для получения петлевого сдвига близкого к n*2π и фильтра, пропускающего нужную частоту. Функции сдвига фазы и фильтра могут быть распределены на две составные части генератора — на усилитель и на цепи положительной обратной связи или целиком возложены на цепи положительной обратной связи. В цепи положительной обратной связи могут стоять усилители.

Необходимыми условиями для возникновения гармонических незатухающих колебаний являются: 1. петлевой сдвиг фазы равный n*360°±90°, 2. петлевое усиление >1, 3. рабочая точка усилительного каскада в середине диапазона входных значений. Необходимость третьего условия. Петлевой сдвиг фазы и в триггере и в генераторе равен около 360°. Петлевое усиление в триггере почти вдвое больше, чем в генераторе, но триггер не генерирует, так как рабочие точки каскадов в триггере смещены на края диапазона входных значений и эти состояния в триггере устойчивы, а состояние со средней величиной входных значений — неустойчиво. Такой характеристикой обладает компаратор. В гармоническом генераторе среднее состояние устойчивое, а отклонения от среднего состояния неустойчивые.

Условия баланса фаз и амплитуд. Амплитудные характеристики

Структурная схема генератора

Для возбуждения колебаний в системе рис необходимо выполнение двух условий. Первое состоит в обеспечении баланса фаз, которое заключается в том, чтобы фазовые сдвиги, создаваемые усилителем(φ_Y) и звеном обратной связи(φ_γ) , в сумме должны быть кратными 2П

Второе условие , необходимое для возникновения генерации, это условие баланса амплитуд , которое вытекает из общей формулы для усилителя, охваченного положительной обратной связью:

При выполнении баланса амплитуд усилитель компенсирует ослабление сигнала, создаваемое звеном обратной связи, и в схеме возникают устойчивые автоколебания. Для получения синусоидальной формы выходного сигнала используют несколько способов построения схем.

Классификация операционных усилителей

На практике в одном типе ОУ невозможно обеспечить все эти свойства, но в некоторых типах усилителей с достаточной для практики точностью к некоторым из этих свойств можно приблизиться.

В зависимости от степени приближения свойств реальных усилителей к свойствам идеального осуществляется классификация ОУ.

1. Усилители общего применения.

Для них K_u < 100 дБ.

Если K_u  100 дБ, то это прецизионный усилитель.

2. Быстродействующие усилители имеют скорость нарастания выходного напряжения больше и частоту единичного усиления больше

3. Микромощные усилители имеют малое потребление энергии (для портативных аппаратов).

4. Программируемые усилители

Можно регулировать свойства усилителей с той или иной целью.

Структурная схема операционного усилителя. Определения дифференциального и синфазного сигналов

В настоящее время большинство ОУ выпускаются по схеме прямого усиления и имеют следующую структуру:

Рис. 6. Структурная схема ОУ по схеме прямого усиления

Входной дифференциальный каскад содержит два равнозначных по электрическим свойствам дифференциальных (разностных) входа, и основная его задача максимальное усиление дифференциального (разностного) сигнала, наблюдаемого между входами усилителя.

На эквивалентной схеме можно следующим образом показать присутствие этого сигнала и дать его определение:

Рис. 7. Дифференциальный сигнал

Дифференциальные сигналы – сигналы одинаковой амплитуды, но противоположной фазы, присутствующие на обоих входах усилителя независимо от точки заземления источника.

Вторая задача входного дифференциального каскада – максимальное подавление синфазного сигнала.

Схема присутствия синфазного сигнала:

Рис. 8. Синфазный сигнал

Синфазные сигналы – сигналы одинаковой амплитуды и одинаковой фазы одновременно присутствующие на обоих входах.

Рис. 9. К пояснению понятия дифференциального и синфазного сигналов

(7)

(8)

Дополнительные и вспомогательные каскады – это, как правило, каскады дополнительного усиления, схемы частотной коррекции, схемы сдвига постоянной составляющей сигнала.

Выходной каскад – обычно усилитель мощности со схемой защиты от короткого замыкания.

В аппаратуре ОУ запитывается, как правило, от двухполярного источника питания, хотя, в принципе может работать и от однополярного питания. Но двухполярное питание необходимо для того, чтобы входные и выходные сигналы могли меняться в положительную и отрицательную сторону относительно нуля. При этом, если в усилителе заземлить неинвертирующий вход, и подавать сигнал на инвертирующий, то фаза выходного сигнала будет противоположна фазе входного, и такое устройство будет называться инвертирующим усилителем, и, наоборот, если заземлить инвертирующий вход и подавать сигнал на неинвертирующий – фаза выходного сигнала будет совпадать с фазой входного, и устройство будет называться неинвертирующий усилитель.

На рис. 10 приведена амплитудно-передаточная характеристика (АПХ).

Рис. 10. Амплитудная передаточная характеристика ОУ

Из этой АПХ приведенной для случая без обратной связи можно сделать следующий важный вывод: величина дифференциального сигнала характерная для линейного режима работы усилителя имеет очень маленькое значение, потому что и тогда получается, что при имеющихсяK_u величина U_д может изменяться от единиц мкВ до нескольких мВ.

Поэтому возникает важный метод анализа схем с ОУ: в любой схеме включения потенциал инвертирующего входа примерно равен потенциалу неинвертирующего за счет большого собственного коэффициента усиления ОУ.

Второй принцип анализа схем: в любой схеме включения за счет большого входного сопротивления ОУ не потребляет ток от источника входного сигнала.

Контрольные вопросы

1. Основные сведения об интегральном ОУ.

2. Основные свойства идеального ОУ.

3. Классификация ОУ.

4. Основные принципы анализа схем с ОУ.

5. Понятие дифференциального и синфазного сигналов.

Операционные усилители: основы, характеристики, типы и применение

Что такое операционные усилители?

Операционные усилители являются основными строительными блоками аналоговых электронных схем. Это линейные устройства со всеми свойствами усилителя постоянного тока. Мы можем использовать внешние резисторы или конденсаторы к операционному усилителю множеством разных способов сделать их различными формами усилителей, такими как инвертирующий усилитель, неинвертирующий усилитель, повторитель напряжения, компаратор, дифференциальный усилитель, суммирующий усилитель, интегратор и т. Д.OPAMP могут быть одиночными, двойными, четырехъядерными и т. Д. OPAMP, такие как CA3130, CA3140, TL0 71, LM311 и т. Д., Имеют отличную производительность при очень низком входном токе и напряжении. Идеальный операционный усилитель имеет три важных терминала в дополнение к другим терминалам. Входные клеммы — это инвертирующий вход и неинвертирующий вход. Третий вывод — это выход, который может принимать и передавать ток и напряжение. Выходной сигнал — это коэффициент усиления усилителя, умноженный на значение входного сигнала.

5 Идеальных символов операционного усилителя:

1.Коэффициент усиления разомкнутого контура

Коэффициент усиления разомкнутого контура — это усиление операционного усилителя без положительной или отрицательной обратной связи. Идеальный операционный усилитель должен иметь бесконечное усиление без обратной связи, но обычно оно находится в диапазоне от 20 000 до 2 00 000.

2. Входное сопротивление

Это отношение входного напряжения к входному току. Он должен быть бесконечным без утечки тока от источника питания на входы. Но в большинстве операционных усилителей будет несколько утечек тока пикоампера.

3.Выходное сопротивление

Идеальный операционный усилитель должен иметь нулевой выходной импеданс без какого-либо внутреннего сопротивления. Чтобы он мог подавать полный ток на нагрузку, подключенную к выходу.

4. Ширина полосы частот

Идеальный операционный усилитель должен иметь бесконечную частотную характеристику, чтобы он мог усиливать любую частоту от сигналов постоянного тока до самых высоких частот переменного тока. Но у большинства операционных усилителей пропускная способность ограничена.

5. Смещение

Выход операционного усилителя должен быть равен нулю, когда разность напряжений между входами равна нулю.Но в большинстве операционных усилителей выходной сигнал не будет нулевым в выключенном состоянии, а будет иметь минутное напряжение.

Конфигурация контактов OPAMP:

В типичном операционном усилителе будет 8 контактов. Это

Pin1 — смещение нуля

Pin2 — инвертирующий вход INV

Pin3 — неинвертирующий вход Non-INV

Pin4 — земля — отрицательное питание

Pin5 — смещение нуля

Pin6 — выход

Pin7 — положительное питание

Pin8 — Строб

4 типа усиления в OPAMP:

Коэффициент усиления по напряжению — Входное и выходное напряжение

Коэффициент усиления по току — Входной и выходной ток

Крутизна — Напряжение на входе и токе на выходе

Трансмиссионное сопротивление — Ток на входе и выходе

Работа операционного усилителя:

Здесь мы использовали операционный усилитель LM358.Обычно неинвертирующий вход должен использоваться для смещения, а инвертирующий вход — это настоящий усилитель; подключил это к обратной связи резистора 60k от выхода к входу. И резистор 10 кОм соединен последовательно с конденсатором, и на схему подается синусоидальная волна 1 В, теперь мы увидим, как усиление будет регулироваться усилением R2 / R1 = 60 кОм / 10 кОм = 6, тогда на выходе будет 6 В. . Если мы изменим коэффициент усиления на 40, то на выходе будет синусоида 4 В.

Видео о работе операционного усилителя

Обычно это усилитель с двумя источниками питания, его легко настроить на один источник питания с помощью сети резисторов.При этом резисторы R3 и R4 подают напряжение, равное половине напряжения питания, на неинвертирующий вход, что приводит к тому, что выходное напряжение также составляет половину напряжения питания, образуя своего рода резисторы напряжения смещения R3 и R4 могут иметь любое значение от От 1k до 100k, но во всех случаях они должны быть равны. К неинвертирующему входу добавлен дополнительный конденсатор емкостью 1 Ф для уменьшения шума, вызванного конфигурацией. Для этой конфигурации требуется использование разделительных конденсаторов на входе и выходе.

3 приложения OPAMP:

1. Усиление

Усиленный выходной сигнал операционного усилителя представляет собой разницу между двумя входными сигналами.

На схеме выше показано простое подключение операционного усилителя. Если на оба входа подается одинаковое напряжение, операционный усилитель примет разницу между двумя напряжениями, и она будет равна 0. Операционный усилитель умножит это значение на свой коэффициент усиления 1 000 000, так что выходное напряжение будет равно 0. Когда 2 вольта на выходе. подается на один вход и 1 вольт на другой, тогда операционный усилитель принимает свою разницу и умножается на коэффициент усиления.Это 1 вольт x 1000000. Но это усиление очень велико, поэтому для уменьшения усиления обратная связь с выхода на вход обычно осуществляется через резистор.

Инвертирующий усилитель:

Схема, показанная выше, представляет собой инвертирующий усилитель с неинвертирующим входом, подключенным к земле. Два резистора R1 и R2 включены в схему таким образом, что R1 подает входной сигнал, а R2 возвращает выходной сигнал на инвертирующий вход. Здесь, когда входной сигнал положительный, выходной будет отрицательным, и наоборот.Изменение напряжения на выходе относительно входа зависит от соотношения резисторов R1 и R2. R1 выбран как 1K, а R2 как 10K. Если на вход поступает 1 вольт, то через R1 будет ток 1 мА, а выход должен стать — 10 вольт, чтобы подавать ток 1 мА через R2 и поддерживать нулевое напряжение на инвертирующем входе. Следовательно, коэффициент усиления по напряжению равен R2 / R1. То есть 10K / 1K = 10

Неинвертирующий усилитель:

Схема, показанная выше, представляет собой неинвертирующий усилитель.Здесь неинвертирующий вход получает сигнал, в то время как инвертирующий вход подключен между R2 и R1. Когда входной сигнал движется в положительную или отрицательную сторону, выход будет синфазным, и напряжение на инвертирующем входе будет таким же, как и на неинвертирующем входе. Коэффициент усиления по напряжению в этом случае всегда будет больше единицы (1 + R2 / R1).

2. Повторитель напряжения

Схема выше представляет собой повторитель напряжения. Здесь он обеспечивает высокий входной импеданс и низкий выходной импеданс.При изменении входного напряжения выходной и инвертирующий вход изменяются одинаково.

3. Компаратор

Операционный усилитель сравнивает напряжение, приложенное на одном входе, с напряжением, приложенным на другом входе. Любая разница между напряжениями, даже если она небольшая, приводит к насыщению операционного усилителя. Когда напряжения, подаваемые на оба входа, имеют одинаковую величину и одинаковую полярность, тогда на выходе операционного усилителя будет 0 Вольт.

Компаратор вырабатывает ограниченное выходное напряжение, которое может легко взаимодействовать с цифровой логикой, даже если совместимость требует проверки.

Видео об операционном усилителе в качестве компаратора Принципиальная схема

Здесь у нас есть операционный усилитель, используемый в качестве компаратора с инвертирующим и неинвертирующим выводами, и к ним подключены некоторый делитель напряжения и измеритель, а также вольтметр на выходе и Светодиод на выход. Основная формула для компаратора состоит в том, что когда ‘+’ больше, чем ‘–’, выход высокий (единица), в противном случае выход равен нулю. Когда напряжение на входе является отрицательным ниже опорного напряжения, выход высок, и, когда вход отрицательного поднимается выше напряжения на положительной, то выход переходит в низкий уровень.

3 Требования к OPAMP:

1. Обнуление смещения

Большая часть OPAMP имеет напряжение смещения на выходе, даже если входные напряжения одинаковы. Чтобы установить на выходе нулевое напряжение, используется метод обнуления смещения. В большинстве операционных усилителей есть небольшое смещение из-за присущих им свойств и возникает из-за несоответствия входного смещения. Таким образом, на выходе некоторых операционных усилителей доступно небольшое выходное напряжение, даже если входной сигнал равен нулю.Этот недостаток можно исправить, подав на входы небольшое напряжение смещения. Это известно как входное напряжение смещения. Для удаления или обнуления смещения у большинства операционных усилителей есть два контакта, позволяющих обнулить смещение. Для этого между контактами 1 и 5 должен быть подключен потенциометр или пресет с типичным значением 100 кОм, а его дворник должен быть заземлен. Регулируя предустановку, выход может быть установлен на нулевое напряжение.

2. Стробирование или фазовая компенсация

Операционные усилители могут иногда становиться нестабильными, и чтобы сделать их стабильными для всех диапазонов частот, конденсатор обычно подключается между его выводом 8 строба и выводом 1.Обычно дисковый конденсатор 47 пФ добавляется для фазовой компенсации, чтобы операционный усилитель оставался стабильным. Это наиболее важно, если операционный усилитель используется в качестве чувствительного усилителя.

3. Обратная связь

Как вы знаете, операционный усилитель имеет очень высокий уровень усиления, обычно около 1 000 000 раз. Предположим, что операционный усилитель имеет коэффициент усиления 10 000, тогда операционный усилитель будет усиливать разницу напряжений на своем неинвертирующем входе (V +) и инвертирующем входе (V-). Таким образом, выходное напряжение V out равно
10 000 x (V + — V-)

На схеме сигнал подается на неинвертирующий вход, а при инвертирующем входе подключается к выходу.Итак, V + = V in и V- = Vout. Следовательно, Vout = 10,000 x (Vin — Vout). Следовательно, выходное напряжение почти равно входному.

Теперь давайте посмотрим, как работает обратная связь. Простое добавление резистора между инвертирующим входом и выходом значительно снизит усиление. Подав часть выходного напряжения на инвертирующий вход, можно значительно уменьшить усиление.

Согласно предыдущему уравнению, V out = 10 000 x (V + — V-). Но здесь добавлен резистор обратной связи.Итак, здесь V + — это Vin, а V- — это R1.R1 + R2 x V out. Следовательно, V out равен 10 000 x (Vin — R1.R1 + R2xVout). Итак, V out = R1 + R2.R1x Vin

Отрицательная обратная связь:

Здесь выход операционного усилителя соединен с его инвертирующим (-) входом, таким образом, выход возвращается на вход, чтобы достичь равновесия. . Таким образом, входной сигнал на неинвертирующем (+) входе будет отражаться на выходе. Операционный усилитель с отрицательной обратной связью будет доводить свой выход до необходимого уровня, и, следовательно, разница напряжений между его инвертирующим и неинвертирующим входами будет почти нулевой.

Положительная обратная связь:

Здесь выходное напряжение возвращается на неинвертирующий (+) вход. Входной сигнал поступает на инвертирующий вход. В конструкции с положительной обратной связью, если инвертирующий вход подключен к земле, выходное напряжение операционного усилителя будет зависеть от величины и полярности напряжения на неинвертирующем входе. Когда входное напряжение положительное, тогда выход операционного усилителя будет положительным, и это положительное напряжение будет подаваться на неинвертирующий вход, что приведет к полностью положительному выходу.Если входное напряжение отрицательное, условие будет обратным.

Применение операционных усилителей — предусилитель звука

Фильтры и предварительные усилители:

Усилители мощности появятся после предварительных усилителей и перед динамиками. Современные проигрыватели компакт-дисков и DVD не нуждаются в предварительных усилителях. Им нужен регулятор громкости и селектор источников. Используя элементы управления переключением и пассивную громкость, мы можем избежать предварительных усилителей.

Audio pre-amplifier circuit using op-amp

Позвольте нам кратко рассказать об усилителях мощности звука

Усилитель мощности — это компонент, который может управлять громкоговорителями путем преобразования сигнала низкого уровня в сигнал большого уровня.Усилители мощности создают относительно высокое напряжение и большой ток. Обычно диапазон усиления по напряжению находится в пределах от 20 до 30. Усилители мощности имеют очень низкое выходное сопротивление.

Технические характеристики усилителя мощности звука

Выходное напряжение не зависит от нагрузки, как для малых, так и для больших сигналов. Данное напряжение, приложенное к нагрузке, вызывает удвоение тока. Следовательно, будет передано вдвое больше мощности. Номинальная мощность представляет собой непрерывную среднюю мощность синусоидальной волны, так что мощность может быть измерена с помощью синусоидальной волны, среднеквадратичное напряжение которой измеряется на долгосрочной основе.

Частотная характеристика должна расширять весь звуковой диапазон с 20 Гц до 20 кГц. Допуск по частотной характеристике составляет ± 3 дБ. Обычный способ задания полосы пропускания — это значение усилителя на 3 дБ ниже номинального значения 0 дБ.

Усилители мощности должны производить низкий уровень шума, когда усилители мощности используют высокие частоты. Параметр шума может быть взвешенным или невзвешенным. Невзвешенный шум будет указан для полосы пропускания 20 кГц. Учитываются характеристики взвешенного шума, основанные на чувствительности уха.Измерение взвешенного шума имеет тенденцию ослаблять шум на более высоких частотах, поэтому взвешенное измерение шума намного лучше, чем измерение невзвешенного шума.

Общие гармонические искажения — это общие искажения, обычно указываемые на разных частотах. Это будет определено на уровне мощности, который задается импедансом нагрузки усилителя мощности.

Основные характеристики и классификации операционных усилителей

Теплые подсказки: слово в этой статье составляет около 3500 , а время чтения составляет около 18 минут.

Введение

Прошло более 40 лет с момента рождения аналогового операционного усилителя. Самым ранним процессом является использование процесса кремния NPN , позже усовершенствованного до процесса кремния NPN-PNP (далее называемого стандартным процессом кремния).После того, как технология полевого транзистора (JFET) созрела, она была дополнительно добавлена с помощью процесса JFET. Когда технология МОП-трубок созрела. Аналоговый операционный усилитель совершил качественный скачок, особенно после того, как технология CMOS достигла зрелости. В этой статье в основном говорится о классификации и характеристиках операционного усилителя, включая его основные параметры, типовые типы операционных усилителей и т. Д.

Каталог

I Классификация и характеристики операционных усилителей

Прошло более 40 лет с момента рождения аналогового операционного усилителя.Самый ранний процесс — это использование кремниевого процесса NPN, позже усовершенствованного до кремниевого процесса NPN-PNP (далее называемого стандартным кремниевым процессом). После того, как технология переходного полевого транзистора ( JFET ) достигла совершенства, он был дополнительно дополнен процессом JFET. Когда технология МОП-трубок созрела. Аналоговый операционный усилитель совершил качественный скачок, особенно после того, как технология CMOS достигла зрелости. С одной стороны, решает проблему низкого энергопотребления; с другой стороны, проблема прямой обработки слабого сигнала постоянного тока решается за счет использования гибридных аналоговых и цифровых схем.

Прежде чем мы познакомимся с характеристиками операционного усилителя, давайте посмотрим видео:

Это видео объясняет характеристики идеального операционного усилителя

После многих лет развития технология аналоговых операционных усилителей стала очень зрелой, и ее характеристики идеальны при большом разнообразии. Это заставляет новичков не знать, как правильно выбрать. Чтобы облегчить новичкам выбор, в этой статье используются два вида методов классификации, такие как классификация процессов и классификация функций / характеристик для классификации интегрированного аналогового операционного усилителя, что легко понять читателю, и этот метод может отличаться от метода обычные методы классификации.

1.1 Классификация на основе производственного процесса

В соответствии с производственным процессом, используемый в настоящее время интегрированный аналоговый операционный усилитель можно разделить на стандартные операционные усилители кремниевого процесса, операционные усилители, использующие процесс JFET в стандартном процессе кремния, и операционный усилитель, включающий процесс MOS в стандартный процесс кремния. Классификация в соответствии с процессом призвана помочь новичкам понять влияние технологии обработки на характеристики интегрированного аналогового операционного усилителя и быстро понять характеристики операционного усилителя.

Характеристики интегрированного аналогового операционного усилителя на основе стандартной кремниевой технологии: низкое входное сопротивление разомкнутого контура, низкий уровень входного шума, немного меньшее усиление, низкая стоимость, более низкая точность и более высокое энергопотребление. Это связано с тем, что все встроенные аналоговые операционные усилители стандартного кремниевого процесса представляют собой внутреннюю трубку NPN-PNP. Принимая во внимание частотные характеристики, средний каскад усиления не может быть слишком большим, что приведет к уменьшению общего усиления, обычно в пределах 80 ~ 110 дБ.Стандартный кремниевый процесс может быть объединен с технологией лазерной коррекции для значительного повышения точности интегрированного аналогового операционного усилителя. Параметр температурного дрейфа в настоящее время может достигать 0,15 ppm. Изменяя стандартный процесс изготовления кремния, мы можем разработать универсальный операционный усилитель и высокоскоростной операционный усилитель. Типичный пример — LM324.
Операционные усилители, включающие процесс JFET в стандартный процесс кремния, в основном улучшают входной каскад интегрированного аналогового операционного усилителя стандартного процесса кремния до JFET, что значительно улучшает входное сопротивление разомкнутого контура операционного усилителя и скорость преобразования. кстати увеличен универсальный операционный усилитель.Другие интегрированные аналоговые операционные усилители аналогичны стандартным кремниевым операционным усилителям. Типичный входной импеданс разомкнутого контура составляет порядка 1000 Ом. Типичный пример — TL084.
Операционные усилители, использующие МОП-процесс в стандартном кремниевом процессе, делятся на три категории:

(1) Первый тип заключается в том, что входной каскад интегрированного аналогового операционного усилителя в стандартном кремниевом процессе улучшен до MOS FET, что значительно улучшает входной импеданс операционного усилителя без обратной связи по сравнению с JFET и увеличивает преобразование быстродействие универсального операционного усилителя.12 Ом.
(3) Третий вид — аналогово-цифровой гибридный операционный усилитель, использующий технологию полного МОП-транзистора, которая в основном используется для повышения точности обработки сигнала постоянного тока за счет использования технологии стабилизации прерывателя. Входное напряжение смещения может достигать 0,01 мкВ. Параметр температурного дрейфа в настоящее время может достигать 0,02 ppm. Он близок к идеальным характеристикам операционного усилителя при обработке сигналов постоянного тока. Его типичное входное сопротивление разомкнутого контура составляет порядка 10-12 Ом.Типичный пример — ICL7650.1.

1.2 Классификация по функциям / характеристикам

В соответствии с классификацией функций / характеристик аналоговые операционные усилители в целом можно разделить на универсальные операционные усилители, операционные усилители малой мощности, прецизионные операционные усилители, операционные усилители с высоким входным сопротивлением, высокоскоростные операционные усилители, широкополосные операционные усилители и операционные усилители высокого напряжения. Существуют также некоторые специальные операционные усилители, такие как программируемые операционные усилители, операционные усилители тока, повторители напряжения и так далее.На самом деле, существует множество видов операционных усилителей, соответствующих потребностям приложения. Эта статья основана на приведенной выше простой классификации.

То есть с развитием технологий порог классификации менялся. Например, предыдущий LM108 изначально классифицировался как прецизионный операционный усилитель, а теперь его можно классифицировать только как универсальный операционный усилитель. Кроме того, существуют также операционные усилители с низким энергопотреблением и высоким входным сопротивлением, или, аналогично, он также может принадлежать более чем к одному классу.

Универсальные операционные усилители — это самые дешевые операционные усилители с самыми основными функциями. Этот тип усилителей получил наибольшее распространение.
Потребляемая мощность маломощного операционного усилителя значительно снижена на основе универсального операционного усилителя. Его можно использовать в местах с ограниченным энергопотреблением, например в карманных устройствах (КПК). Он имеет низкое статическое энергопотребление и низкое рабочее напряжение, близкое к напряжению батареи.Также он может поддерживать хорошие электрические характеристики на стадии низкого напряжения. С развитием технологии MOS усилитель малой мощности больше не является индивидуальным явлением. Статическая потребляемая мощность операционного усилителя малой мощности обычно составляет менее 1 МВт.
Прецизионный операционный усилитель — это интегрированный операционный усилитель с очень низким дрейфом и шумом, очень высоким коэффициентом усиления и подавления синфазного сигнала, который также известен как операционный усилитель с низким дрейфом или операционный усилитель с низким уровнем шума.Температурный дрейф этого типа операционных усилителей обычно не превышает 1 мкВ / ℃. Из-за технологических достижений напряжение смещения раннего операционного усилителя относительно высокое, возможно, до 1 мВ; Теперь напряжение смещения прецизионного операционного усилителя может достигать 0,1 мВ; Напряжение смещения прецизионного операционного усилителя, использующего метод прерывистой стабилизации, может достигать 0,005 мВ. Прецизионный операционный усилитель в основном используется в областях, где требуется точность обработки усиления, например, в автоматических приборах и т. Д.
Под операционным усилителем с высоким входным сопротивлением обычно понимают интегрированный операционный усилитель с полевым транзистором или МОП-трубкой в качестве входного каскада. Сюда входит интегрированный операционный усилитель с полной МОП лампой. Входное сопротивление операционного усилителя с высоким входным сопротивлением обычно превышает 109 Ом. Дополнительной особенностью операционного усилителя с высоким входным сопротивлением является относительно высокая скорость преобразования. Широко используются операционные усилители с высоким входным сопротивлением.Например, схемы хранения выборки, интегратор, логарифмические усилители, инструментальные усилители, полосовые фильтры и так далее.
Высокоскоростной операционный усилитель — это операционный усилитель с высокой скоростью преобразования. Как правило, скорость преобразования превышает 100 В / мкс. Высокоскоростной операционный усилитель используется в высокоскоростном аналого-цифровом преобразователе, высокоскоростном фильтре, высокоскоростном удержании выборки, фазовой автоподстройке частоты, аналоговом умножителе, конфиденциальном компараторе и видеосхеме.В настоящее время максимальная скорость преобразования может достигать 6000 В / мкс.
Широкополосный операционный усилитель — это интегрированный операционный усилитель с полосой пропускания -3 дБ, что намного шире, чем у обычного операционного усилителя. Многие высокоскоростные операционные усилители имеют широкую полосу пропускания, которую также можно назвать высокоскоростным широкополосным операционным усилителем. Эта классификация относительна. Классификация одного и того же операционного усилителя в разных условиях эксплуатации может различаться.Широкополосный операционный усилитель в основном используется для обработки более широкополосных схем входных сигналов.
Операционный усилитель высокого напряжения разработан с учетом требований высокого выходного напряжения или высокой выходной мощности. Он в основном предназначен для решения проблем выдерживаемого напряжения, динамического диапазона и энергопотребления. Напряжение питания высоковольтного операционного усилителя может быть выше ± 20 В постоянного тока. выходное напряжение может быть выше ± 20 В постоянного тока.

II Основные параметры операционного усилителя

Интегрированный операционный усилитель имеет множество параметров, среди которых основными параметрами являются параметр постоянного и переменного тока.

Основные параметры постоянного тока включают в себя входное напряжение смещения, температурный дрейф смещения входа (относящийся к дрейфу входного напряжения смещения), входной ток смещения, входной ток смещения, температурный дрейф тока смещения входа (называемый дрейфом входного тока смещения), дифференциальный режим открытия — коэффициент усиления постоянного напряжения контура, коэффициент подавления синфазного сигнала, коэффициент подавления напряжения источника питания, пиковое напряжение на выходе, максимальное входное напряжение синфазного режима и максимальное входное напряжение дифференциального режима.

Основные параметры переменного тока включают полосу пропускания разомкнутого контура, полосу единичного усиления, коэффициент преобразования SR, полосу пропускания полной мощности, время нарастания, эквивалентное входное шумовое напряжение, входное сопротивление дифференциального режима, входное сопротивление синфазного и выходное сопротивление.

Возьмем для примера NE5532 :

2.1 Параметр постоянного тока

Вот DC электрические характеристики NE5532:

Входное напряжение смещения определяется как напряжение компенсации между двумя входными клеммами, когда выходное напряжение интегрированного операционного усилителя равно нулю.Входное напряжение смещения фактически отражает симметрию внутренней схемы операционного усилителя. Чем лучше симметрия, тем меньше будет входное напряжение смещения. Входное напряжение смещения очень важно для операционных усилителей, особенно для прецизионных усилителей или усилителей постоянного тока. Таким образом, это чрезвычайно важный параметр для прецизионного операционного усилителя.

Температурный дрейф входного напряжения смещения определяется как отношение изменения входного напряжения смещения к изменению температуры в заданном диапазоне температур.Фактически, этот параметр является дополнением к входному напряжению смещения. Это позволяет легко рассчитать дрейф усилителя из-за изменения температуры в заданном рабочем диапазоне. Входное напряжение смещения обычного операционного усилителя находится в диапазоне ± 10 ~ 20 мкВ / ℃. Температурный дрейф входного напряжения смещения прецизионного операционного усилителя составляет менее ± 1 мкВ / ℃.

Входной ток смещения определяется как средний ток смещения между двумя входными клеммами, когда выходное постоянное напряжение операционного усилителя равно нулю.Входной ток смещения зависит от производственного процесса. Входной ток смещения биполярного процесса (т. Е. Стандартного кремниевого процесса, упомянутого выше) составляет от ± 10 нА до 1 мкА. Входной ток смещения усилителя с полевым транзистором в качестве входного каскада обычно меньше 1 нА.

Входной ток смещения определяется как разность токов смещения между двумя входными клеммами, когда выходное напряжение постоянного тока усилителя равно нулю. Входной ток смещения также отражает симметрию внутренней схемы усилителя.Чем лучше симметрия, тем меньше будет входной ток смещения. Входной ток смещения очень важен для операционных усилителей, особенно для прецизионных усилителей или усилителей постоянного тока.

Температурный дрейф текущего смещения входного сигнала определяется как отношение изменения входного тока смещения к изменению температуры в заданном диапазоне температур. Этот параметр фактически является дополнением к входному току смещения. Это позволяет легко рассчитать дрейф усилителя из-за изменения температуры в заданном рабочем диапазоне.

Максимальное синфазное входное напряжение определяется как синфазное входное напряжение операционных усилителей, когда усилитель работает в линейной области и коэффициент подавления синфазного сигнала (CMR) значительно ухудшается. Входное напряжение синфазного режима обычно определяется как максимальное входное напряжение синфазного сигнала, когда коэффициент подавления синфазного сигнала снижается до 6 дБ. Максимальное синфазное входное напряжение ограничивает максимальное синфазное входное напряжение во входном сигнале. В случае возникновения помех следует обратить внимание на эту проблему в схемотехнике.

Коэффициент подавления синфазного сигнала определяется как отношение коэффициента усиления дифференциального режима к усилению синфазного сигнала, когда операционный усилитель находится в линейной области. Коэффициент подавления синфазного сигнала является очень важным параметром, который может подавить вход дифференциального режима. Коэффициент подавления синфазного сигнала при нормальной работе составляет от 80 до 120 дБ.

Пиковое напряжение на выходе определяется как максимальная амплитуда напряжения, которое операционный усилитель может выдавать, когда на него подается большое напряжение источника питания, когда операционный усилитель работает в линейной области и под указанной нагрузкой.

2.2 Параметр переменного тока

Вот электрические характеристики AC NE5532:

Ширина полосы разомкнутого контура определяется как соответствующая частота сигнала, когда на вход операционного усилителя поступает синусоидальный сигнал малой амплитуды, измеренный на выходе операционного усилителя. Коэффициент усиления напряжения разомкнутого контура от падения усиления постоянного тока операционного усилителя 3 дБ (или эквивалентный усиление 0,707 постоянного тока). Это используется при обработке очень слабого сигнала.

Полоса пропускания единичного усиления определяется как соответствующая частота сигнала, когда на вход операционного усилителя поступает синусоидальный сигнал малой амплитуды, измеренный на выходе падения напряжения обратной связи операционного усилителя на 3 дБ (или эквивалентно 0.707 входного сигнала операционного усилителя). Ширина полосы единичного усиления является очень важным показателем. Для синусоидального усиления слабого сигнала ширина полосы единичного усиления равна произведению частоты входного сигнала и максимального усиления на этой частоте. Другими словами, зная частоту сигнала и сигнал, который необходимо обработать, вы можете рассчитать полосу пропускания с единичным усилением и выбрать соответствующий операционный усилитель. Это для выбора операционного усилителя при обработке малых сигналов.

Скорость нарастания операционного усилителя определяется как выходная скорость усилителя, которая измеряется на выходе усилителя, когда на входной конец операционного усилителя поступает большой сигнал (включая ступенчатый сигнал) при условии, что операционный усилитель, подключенный к замкнутому контуру. Скорость нарастания напряжения — очень важный индикатор для обработки больших сигналов.Для обычных операционных усилителей скорость нарастания составляет SR <= 10 В / мкс; для высокоскоростного операционного усилителя скорость нарастания составляет SR> 10 В / мкс. Текущая максимальная скорость нарастания напряжения SR для высокоскоростных операционных усилителей достигла 6000 В / мкс. Это используется для выбора операционного усилителя при обработке больших сигналов.

Полоса пропускания при полной мощности определяется как диапазон частот, в котором операционный усилитель работает на полной мощности. Эта частота ограничена скоростью нарастания напряжения операционного усилителя. Примерно ширина полосы полной мощности = SR / 2πVop (Vop — пиковая выходная амплитуда операционного усилителя).Полоса пропускания полной мощности — очень важный показатель для выбора операционного усилителя при обработке больших сигналов.

Дифференциальный входной импеданс (DMI) определяется как отношение изменения напряжения между двумя входными клеммами и соответствующего входного тока, когда операционный усилитель работает в линейной области. Входное сопротивление дифференциального режима включает входное сопротивление и входную емкость. На низкой частоте это относится только к входному сопротивлению. Обычный продукт дает только входное сопротивление.Входное сопротивление операционного усилителя, использующего биполярный транзистор в качестве входного каскада, не более 10 МОм; Входное сопротивление полевого транзистора (FET) на входном каскаде обычно больше 109 Ом.

Выходное сопротивление определяется как отношение этого изменения напряжения к соответствующему изменению тока при добавлении напряжения сигнала к выходу операционного усилителя, работающего в линейной области. . На низкой частоте это относится только к выходному сопротивлению операционного усилителя.

Символ операционного усилителя

III Общие типы операционных усилителей

Модель (Спецификация)	Описание функций	Совместимая модель
CA3130	Операционный усилитель с высоким входным сопротивлением	Intersil [ДАННЫЕ]
CA3140	Операционный усилитель с высоким входным сопротивлением
CD4573	Четырехпрограммируемый операционный усилитель	MC14573
ICL7650	Усилитель со стабилизированным нулевым током
LF347 (NS [ДАННЫЕ])	Счетверенный операционный усилитель с полосой пропускания	KA347
LF351	Одиночный операционный усилитель BI-FET	(NS [ДАННЫЕ])
LF353	Двойной операционный усилитель BI-FET	(NS [ДАННЫЕ])
LF356	Одиночный операционный усилитель BI-FET	(NS [ДАННЫЕ])
LF357	Одиночный операционный усилитель BI-FET	(NS [ДАННЫЕ])
LF398	Усилитель выборки и хранения	(NS [ДАННЫЕ])
LF411	Одиночный операционный усилитель BI-FET	(NS [ДАННЫЕ])
LF412	Двойной операционный усилитель BI-FET	(NS [ДАННЫЕ])
LM124	Четырехоперационный усилитель малой мощности (военный)	(NS [ДАННЫЕ]) / (TI [ДАННЫЕ])
LM1458	Сдвоенный операционный усилитель	NS [ДАННЫЕ
LM148	Четырехместный операционный усилитель	NS [ДАННЫЕ
LM2902	Четырехместный операционный усилитель	(NS [ДАННЫЕ]) /
LM2904	Сдвоенный операционный усилитель	(NS [ДАННЫЕ]) /
LM301	Операционный усилитель	NS [ДАННЫЕ]
LM308H	Операционный усилитель (металлический корпус)	NS [ДАННЫЕ]
LM318	Операционный усилитель быстродействующий	NS [ДАННЫЕ]
LM358 NS [ДАННЫЕ]	Универсальный сдвоенный операционный усилитель	HA17358 / LM358P (TI)
LM380	Усилитель мощности звука	NS [ДАННЫЕ]
LM386-1 NS [ДАННЫЕ]	Усилитель звука	NJM386DUTC386
LM3886	Усилитель звука высокой мощности	NS [ДАННЫЕ]
LM725	Прецизионный операционный усилитель	NS [ДАННЫЕ]
LM733	Операционный усилитель полосы пропускания
LM741 NS [ДАННЫЕ]	Универсальный операционный усилитель	HA17741
MC34119	Усилитель звука малой мощности

Ⅳ Рекомендуемая литература

Учебное пособие по усилителю : базовая схема усилителя и схема усилителя
Основные сведения об операционном усилителе в электронике
Принцип работы операционного усилителя и схема
Типы операционного усилителя и их сравнение
20 формул для проектирования схемы операционного усилителя
Базовый анализ неинвертирующих и инвертирующих усилителей
Core Проблемы, связанные с основами работы усилителя