Усилитель на оу. Усилитель на операционном усилителе: принципы работы и применение

Что такое операционный усилитель и как он работает. Какие бывают виды усилителей на ОУ. Как рассчитать параметры усилителя на ОУ. Где применяются усилители на операционных усилителях. Каковы преимущества и недостатки усилителей на ОУ.

Основы работы операционного усилителя

Операционный усилитель (ОУ) — это универсальный электронный компонент, широко применяемый в аналоговой схемотехнике. Он представляет собой дифференциальный усилитель с высоким коэффициентом усиления и двумя входами — инвертирующим и неинвертирующим.

Ключевые характеристики идеального ОУ:

• Бесконечно большое входное сопротивление
• Нулевое выходное сопротивление
• Бесконечно большой коэффициент усиления
• Бесконечно широкая полоса пропускания
• Нулевые входные токи смещения

Реальные ОУ лишь приближаются к этим идеальным параметрам. Тем не менее, их характеристики достаточны для построения высокоэффективных усилительных схем.

Инвертирующий усилитель на ОУ

Инвертирующий усилитель — одна из базовых схем на основе ОУ. В этой конфигурации входной сигнал подается на инвертирующий вход через резистор R1, а выход соединен с инвертирующим входом через резистор обратной связи R2.

Коэффициент усиления инвертирующего усилителя рассчитывается по формуле:

K = -R2/R1

Знак минус означает, что выходной сигнал инвертирован (находится в противофазе) по отношению к входному.

Неинвертирующий усилитель на ОУ

В схеме неинвертирующего усилителя входной сигнал подается на неинвертирующий вход ОУ. Коэффициент усиления определяется отношением резисторов в цепи обратной связи:

K = 1 + R2/R1

Преимущество неинвертирующего усилителя — более высокое входное сопротивление по сравнению с инвертирующей схемой.

Дифференциальный усилитель на ОУ

Дифференциальный усилитель усиливает разность двух входных сигналов. Это позволяет эффективно подавлять синфазные помехи. Коэффициент усиления дифференциального усилителя:

K = R2/R1

При этом важно обеспечить точное соответствие пар резисторов R1-R3 и R2-R4 для достижения высокого коэффициента ослабления синфазного сигнала.

Интегратор и дифференциатор на ОУ

Интегратор и дифференциатор — это схемы на ОУ, выполняющие математические операции интегрирования и дифференцирования входного сигнала соответственно.

В интеграторе вместо резистора обратной связи используется конденсатор. Выходное напряжение пропорционально интегралу входного:

Uвых = -(1/RC) ∫ Uвх dt

В дифференциаторе конденсатор включен на входе, а в цепи ОС — резистор. Выходной сигнал пропорционален производной входного:

Uвых = -RC dUвх/dt

Расчет параметров усилителя на ОУ

При проектировании усилителя на ОУ необходимо учитывать следующие параметры:

• Требуемый коэффициент усиления
• Входное и выходное сопротивление
• Полоса пропускания
• Уровень шумов и искажений
• Температурная стабильность

Выбор конкретной модели ОУ и номиналов внешних компонентов производится исходя из этих требований. Важно также учитывать ограничения реального ОУ, такие как конечный коэффициент усиления и ограниченная скорость нарастания выходного напряжения.

Применение усилителей на ОУ

Усилители на основе операционных усилителей находят широкое применение в различных областях электроники:

• Аудиотехника (предусилители, активные фильтры)
• Измерительная техника (усилители датчиков)
• Системы автоматического управления
• Аналоговые вычислительные устройства
• Источники питания (стабилизаторы напряжения)
• Телекоммуникационное оборудование

Универсальность и простота применения делают ОУ незаменимыми компонентами во многих электронных устройствах.

Преимущества и недостатки усилителей на ОУ

Основные преимущества усилителей на операционных усилителях:

• Высокий коэффициент усиления
• Широкая полоса пропускания
• Высокое входное и низкое выходное сопротивление
• Простота схемотехнических решений
• Возможность реализации различных передаточных функций

К недостаткам можно отнести:

• Необходимость двухполярного питания (для большинства ОУ)
• Ограниченный динамический диапазон
• Чувствительность к электростатическим разрядам
• Возможность самовозбуждения при неправильном проектировании

Тем не менее, преимущества усилителей на ОУ значительно перевешивают их недостатки, что обусловливает их широкое распространение в современной электронике.

Особенности выбора ОУ для конкретных применений

При выборе операционного усилителя для конкретного применения необходимо учитывать ряд факторов:

• Требуемая полоса пропускания
• Уровень шумов
• Скорость нарастания выходного напряжения
• Напряжение смещения нуля
• Входные токи
• Диапазон питающих напряжений
• Допустимый диапазон рабочих температур

Для аудиоприменений важны низкий уровень шумов и малые нелинейные искажения. В измерительной технике критичны низкий дрейф и высокая линейность. Высокочастотные приложения требуют большой скорости нарастания и широкой полосы пропускания.

Методы улучшения характеристик усилителей на ОУ

Существует ряд методов, позволяющих улучшить характеристики усилителей на ОУ:

• Применение прецизионных резисторов для повышения точности
• Использование термокомпенсации для уменьшения температурного дрейфа
• Частотная коррекция для расширения полосы пропускания
• Применение схем балансировки для минимизации напряжения смещения
• Использование каскадного включения для увеличения коэффициента усиления

Эти методы позволяют создавать усилители с характеристиками, максимально приближенными к идеальным.

Современные тенденции в разработке ОУ

Развитие технологий производства интегральных схем привело к появлению новых типов ОУ с улучшенными характеристиками:

• ОУ с rail-to-rail входом и выходом, работающие во всем диапазоне питающих напряжений
• Малошумящие ОУ для прецизионных измерений
• Высокоскоростные ОУ для обработки видеосигналов
• ОУ с ультранизким энергопотреблением для портативных устройств
• Программируемые ОУ с возможностью настройки параметров

Эти инновации расширяют сферу применения ОУ и позволяют создавать более совершенные электронные устройства.

Инвертирующий усилитель на ОУ

Схема инвертирующего усилителя приведена на рис. 1.1. Нетрудно увидеть , что за счет резистора R2 в схеме обеспечивается глубокая отрицательная обратная связь. Обратная связь создает особый режим точки А схемы. Операционный усилитель всегда усиливает дифференциальное напряжение Uд , которое приложено непосредственно между инвертирующим и неинвертирующим входами. При этом

Любое изменение входного напряжения приведет к изменению напряжения на выходе, причем выходное напряжение будет изменяться до тех пор, пока за счет влияния отрицательной обратной связи потенциал точки А не станет равным

В современных ОУ , поэтому потенциал точки А можно считать равным нулю, т.е. она является потенциально заземленной (так называемый «виртуальный нуль»). Однако гальванически точка А отделена от «земли», т.к. дифференциальное входное сопротивление ОУ можно считать равным бесконечности

Рисунок 1. 1 — Инвертирующий усилитель на ОУ

Учитывая большой дифференциальный коэффициент усиления ОУ и свойства усилителя, охваченного глубокой отрицательной обратной связью, можно предположить, что коэффициент усиления инвертирующего усилителя будет определяться только параметрами цепи обратной связи. Действительно, если принять и пренебречь входными токами смещения, то для точки А по закону Кирхгофа

В свою очередь

С учетом этого можно получить

откуда коэффициент усиления инвертирующего усилителя

Знак минус перед правой частью означает, что выход инвертирован.

Входные токи смещения ОУ чрезвычайно малы, однако при усилении сигналов низкого уровня, к которым относятся и биомедицинские сигналы, токи смещения могут привести к появлению погрешности усиления.

Для повышения точности усилителя целесообразно в цепь неинвертирующего входа включать резистор, как показано на рис. 1.2.

Рисунок 1.2

Наличие резисторов одинаковой величины на инвертирующем и неинвертирующем входах при протекании токов смещения вызывает одинаковое падение напряжения, т.е. дифференциальный входной сигнал будет равен нулю. Кроме того, для уменьшения влияния тока смещения сопротивление R2 выбирать не более нескольких сотен килоОм.

Входное сопротивление инвертирующего усилителя (рис. 1.1) равно R1, так как благодаря обратной связи потенциал точки А приблизительно равен нулю . Поэтому сопротивление R1 должно выбираться так, чтобы не нагружать источник входного сигнала, а R2 должно быть достаточно большим, чтобы не нагружать выходную цепь операционного усилителя.

Нравится

Твитнуть

Операционный усилитель. Дифференцирующий усилитель на ОУ.

Нелинейные функциональные преобразователи. Усилители-ограничители. Счетчики с недвоичным коэффициентом деления

1. 

Операционный усилитель

По принципу действия ОУ сходен с обычным усилителем однако свойства и параметры обычного усилителя определяются его схемой, а свойства ОУ определяется преимущественно параметрами цепи ОС.

ОУ выполняется по схеме усилителя постоянного тока с 0-значениями напряжения смешения и выходного напряжения. Характеризуется:

·  Высоким входным сопротивлением

·  Низким выходным сопротивлением

·  Высоким коэффициентом усиления

·  Как правило, содержит несколько усилительных каскадов, из которых первый дифференциальный, а последний двухтактный

Идеальный ОУ:

Гладкие АЧХ и ФЧХ

 

Параметры ОУ

·  і_вх – средний входной ток – среднее арифметическое значение токов инвертирующего и неинвертирующего входов при .

Падение напряжения на внешних элементах входного тока приводит к погрешности.

•  при

Параметр говорит на сколько велика нессиметрия входного каскада.

Если  то погрешность может быть уменьшена.

·  R_вх сопротивление со стороны одного из входов, в то время, когда второй заземлён.

·  R_вых

·  М_{сф– коэффициент ослабления синфазного сигнала}

               60..100 дБ

·  Граничная частота коэффициента передачи – частота, на которой коэффициент усиления равен 1.

·  Максимальная скорость нарастания входного напряжения. Измеряется при подаче на вход ОУ импульсов прямоугольной формы.

Температурные свойства

Все параметры ОУ зависят от температуры

· 

· 

· 

2. 

Масштабные усилители на ОУ

Инвертирующий усилитель

Т. к. , то

Т. к. , то

                 

Неинвертирующий усилитель

Точность ОУ

Погрешности усилителей определяются неточностью резисторов и неидеальностью ОУ

                       

Относительная мультипликативная погрешность усилителя, вызванная неточностью резисторов равна разности относительных погрешностей этих резисторов.

Для снижения погрешности следует применять точные резисторы с одинаковыми относительными погрешностями.

Погрешность от

Погрешности, вызванные ЭДС смещения и входными токами.

При , то можно было бы скомпенсировать погрешности входных токов при

Т. к.  то остаётся погрешность от разности входных токов

 при

Поскольку при настройке усилителей погрешность может быть уменьшена до 0, а затем появиться из-за температурного дрейфа

Для увеличения точности следует уменьшить сопротивление резисторов

То входные токи почти не будут влиять на аддитивную погрешность

3.   Интегратор на ОУ.

Наиболее важные значения для аналоговых вычислений имеет применение операционных усилителей для реализации операций интегрирования.

1.  На вход интегратора подается постоянное напряжение 

     2. На вход интегратора подается напряжение , то на выходе получается 

Основные составляющие ошибок интегрирования обусловлены напряжением смещения и входными токами.

При ЭДС смещения равном 0, входные токи протекают через конденсатор заряжая его. Если не инвертирующий вход заземлен через резистор , то на погрешность будет влиять только разность входных токов.

4.  Дифференцирующий усилитель на ОУ.

Рассмотрим выходное напряжение как сумму 2-х составляющих, одна из которых обусловлена сигналом U1, а другая – U2.

Если выполняется условие , то мы получаем из этой схемы дифференциальный усилитель, у которого выходное напряжение определяется выражением: .

Для подавления погрешности от входных токов следует  и .

Недостатком простейшего дифференциального усилителя на операционном усилителе является низкое входное сопротивление (к тому же еще и разное) и трудность регулирования коэффициента усиления. Для того, чтобы менять коэффициент усиления необходимо, чтобы  и .

Усовершенствованный дифференциальный усилитель называется инструментальным. Такие усилители имеют высокое входное сопротивление по обоим входам, и позволяют регулировать коэффициент усиления одним резистором.

Если , то .

5.  Решение дифференциальных уравнений с помощью операционных усилителей.

Дополнительно.

6.  Нелинейные функциональные преобразователи. Усилители-ограничители.

Часто возникает необходимость сформировать такое напряжение U₂, которое было бы функцией напряжения U₁. Например: U₂=-cosU₁ или U₂=U₁².

Для реализации таких зависимостей могут быть использованы физические эффекты, которые описываются такими же зависимостями, либо используют кусочно-линейную аппроксимацию.

Если в цепи ООС установить диод, можно сказать, что операционный усилитель преобразует что , тогда напряжение выхода составит .

Такая схема будет иметь большой температурный дрейф и малый диапазон входного сигнала.

Лучшие характеристики имеет схема логарифмирующего усилителя с транзистором в цепи с ООС.

Применяя в цепи обратной связи параллельно резистору обратной связи цепи, состоящие из диодов и стабилитронов можно получить различные варианты усилителей–ограничителей, в том числе и несимметричных.

 для возможности обеспечения разного уровня стабилизации. Если одну из ветвей убрать, то ли +U_ст (1-ая ветвь убирается) или -U_ст (2-ая ветвь убирается) будет максимальным.

Мы, люди — Усилитель: Усилитель

Помогите заправить нашу художественную машину:

We the People — это беспристрастная кампания, направленная на разжигание национального диалога об американской идентичности и ценностях посредством паблик-арта и обмена историями.

В день инаугурации и с тех пор эти изображения наводнили Америку и весь мир новыми символами надежды на борьбу с растущим могуществом национализма, фанатизма и нетерпимости. Amplifier объединяется с движениями за изменения, педагогами и мыслителями-новаторами, чтобы представить We The People в школах и сообществах по всей стране. На следующем этапе «Мы, люди» мы будем продолжать представлять образы, которые бросают вызов господствующим мировоззрениям, но будут выходить за рамки этого, чтобы спровоцировать диалог, который пополняет запас идей и вдохновения нашей страны.

Создано затронутыми сообществами и внутри них

Посредством ряда языковых лабораторий, организованных по всей стране в преддверии инаугурации президента в 2017 году, мы провели несколько вечеров, которые мы называем «лингвистическими лабораториями», с лидерами мнений со всего мира. страна. Мы привлекли художников, организаторов, журналистов, поэтов, педагогов, политических и общественных деятелей и других лидеров, чтобы ответить на вопрос: что вы хотите сказать, когда весь мир смотрит?

1,3 миллиона долларов собрано за восемь дней

We The People — это беспристрастная кампания, направленная на разжигание национального диалога об американской идентичности и ценностях посредством паблик-арта и обмена историями. В январе 2017 года в сотрудничестве с известными художниками-активистами Шепардом Фейри, Эрнесто Йерена и Джессикой Сабогал компания Amplifier запустила на Kickstarter рекордную художественную кампанию We The People , которая за восемь дней собрала 1,3 миллиона долларов.

Поддержали 22 840 сторонников

При поддержке 22 840 сторонников Amplifier решил заполнить инаугурацию новыми символами надежды. Большая часть Вашингтона, округ Колумбия, была закрыта в день инаугурации, а в некоторых районах были введены строгие ограничения на вывески и баннеры. 20 января 2017 года Amplifier разместила полностраничную рекламу в газетах Washington Post, New York Times, и USA Today, и распространила изображения на более чем 30 000 больших плакатов в округе Колумбия и на остановках метро. Мы делали это в кузовах наших фургонов и в пунктах выдачи, которые координировались через социальные сети. В общей сложности около 700 000 человек скачали принты бесплатно за 19 лет.3 страны, и превратили их во все, от знаков протеста и фресок до футболок и платьев.

700 000 ЗАГРУЗОК ИЗ 193 стран ЗА 24 ЧАСА

С тех пор эти изображения наводнили Соединенные Штаты и весь мир новыми символами надежды на борьбу с растущим могуществом национализма, фанатизма и нетерпимости. Люди повсюду использовали We The People, чтобы рассказать новую историю о том, что значит быть американцем. We The People продолжает вдохновлять и вызывать широкий интерес у различных сообществ по всему миру от Найроби до Новой Зеландии.

Бесплатные загрузки

Загрузите бесплатные изображения в высоком разрешении или сделайте пожертвование, чтобы это произведение искусства было доставлено к вашему порогу.

Партнер сообщества:

Посмотрите, как вы можете стать Усилителем перемен!

Примите участие

Искусство в мире

Хотите поделиться с нами интересной историей о том, как вы используете искусство? Поделитесь им с нами в социальных сетях, отметив @amplifierart или отправив письмо по электронной почте [email protected]

За кулисами

Партнеры сообщества

Подписаться
на обновления

Главная

• Дом
• Услуги
• Поколение
• отдел новостей
• устойчивость
• О

• Инвесторы
• Потребители
• Члены
• Экономическое развитие
• Усилитель

Авторизоваться

Авторизоваться

• Инвесторы
• Потребители
• Члены
• Экономическое развитие
• Усилитель

Подробнее

11–12 апреля 2023 г.