Усилитель тока на операционном усилителе: основы измерения тока

Как работает усилитель тока на операционном усилителе. Какие существуют схемы подключения для измерения тока. Каковы преимущества и недостатки измерения тока на стороне низкого и высокого напряжения. Какие факторы нужно учитывать при выборе компонентов для токового усилителя.

Принцип работы усилителя тока на операционном усилителе

Усилитель тока на операционном усилителе предназначен для преобразования небольшого падения напряжения на токоизмерительном резисторе (шунте) в более высокое напряжение, подходящее для последующего преобразования в цифровую форму с помощью АЦП. Основные компоненты такой схемы:

• Токоизмерительный резистор (шунт) с малым сопротивлением
• Операционный усилитель
• Резисторы для задания коэффициента усиления

Принцип работы заключается в следующем:

1. Протекающий ток создает небольшое падение напряжения на шунте
2. Это напряжение усиливается операционным усилителем
3. Коэффициент усиления задается соотношением резисторов в цепи обратной связи
4. На выходе формируется напряжение, пропорциональное измеряемому току

Основные схемы подключения для измерения тока

Существует два основных способа включения токоизмерительного резистора в цепь:

1. Измерение тока на стороне низкого напряжения

При этом варианте шунт устанавливается между нагрузкой и общим проводом (землей). Преимущества такой схемы:

• Простота реализации
• Возможность использования усилителя с низким напряжением питания
• Не требуется высокое подавление синфазного сигнала

Основной недостаток — нагрузка не имеет прямого соединения с землей.

2. Измерение тока на стороне высокого напряжения

В этом случае шунт включается между источником питания и нагрузкой. Ключевые преимущества:

• Возможность обнаружения коротких замыканий в нагрузке
• Отсутствие влияния колебаний потенциала земли на измерение

Главный недостаток — необходимость использования усилителя с высоким коэффициентом ослабления синфазного сигнала.

Выбор компонентов для токового усилителя

При разработке усилителя тока на операционном усилителе необходимо учитывать следующие факторы:

Выбор операционного усилителя

• Необходимый диапазон входного синфазного напряжения
• Требуемый коэффициент ослабления синфазного сигнала
• Входное напряжение смещения и входные токи
• Полоса пропускания и скорость нарастания выходного сигнала

Выбор резисторов

• Точность и температурная стабильность
• Соотношение резисторов для задания нужного коэффициента усиления
• Номинал шунта в зависимости от диапазона измеряемых токов

При измерениях больших токов важно также учитывать рассеиваемую на шунте мощность и обеспечить его соответствующее охлаждение.

Интегрированные усилители тока

Помимо схем на дискретных компонентах, существуют специализированные интегральные токовые усилители. Их основные преимущества:

• Оптимизированная топология для измерения тока
• Высокая точность благодаря лазерной подгонке резисторов
• Компактность и простота применения
• Наличие дополнительных функций (защита от перегрузки, фильтрация и т.д.)

Однако такие усилители имеют фиксированный коэффициент усиления, что может быть ограничением для некоторых приложений.

Как правильно выбрать токовый шунт

Выбор токоизмерительного резистора (шунта) — важный этап проектирования усилителя тока. При этом необходимо учитывать следующие параметры:

• Номинальный ток шунта
• Допустимая рассеиваемая мощность
• Температурный коэффициент сопротивления
• Точность номинала
• Индуктивность шунта

Чем меньше сопротивление шунта, тем меньше он влияет на измеряемую цепь. Однако при этом падение напряжения на нем также уменьшается, что требует большего усиления.

Особенности измерения малых токов

При измерении очень малых токов (менее 1 мА) возникают дополнительные сложности:

• Влияние входных токов операционного усилителя
• Необходимость использования больших сопротивлений шунта
• Чувствительность к электромагнитным помехам

В таких случаях могут применяться специальные методы:

• Использование усилителей с малыми входными токами
• Применение дополнительной схемы компенсации смещения
• Экранирование чувствительных участков схемы

Заключение

Усилители тока на операционных усилителях являются эффективным решением для преобразования падения напряжения на токоизмерительном резисторе в сигнал, удобный для последующей обработки. Правильный выбор схемы включения, компонентов и учет особенностей конкретного применения позволяет создавать точные и надежные системы измерения тока для широкого диапазона приложений.

Основы измерения тока: Токоизмерительные усилители. Часть 2

В первой из трех частей этой статьи обсуждались особенности токоизмерительных резисторов. В данной части рассматривается конструкция и использование усилителей для повышения до приемлемых уровней напряжения на этих резисторах. Третья часть будет посвящена использованию Funnel-усилителей в процессе измерения тока в тех случаях, когда нагрузка находится под высоким напряжением.

Токоизмерительные резисторы, также называемые шунтами, относятся к альтернативной технологии измерения силы тока. Для того чтобы минимизировать отрицательное влияние на протекающий ток, они имеют небольшое сопротивление, которое создает пропорционально малое падение напряжения. Поэтому разработчикам приходится использовать схему, которая усиливает это небольшое напряжение перед преобразованием с помощью аналого-цифрового преобразователя (АЦП).

Речь обычно идет об увеличении небольшого, — порядка десятков или сотен милливольт, — напряжения на шунтирующем резисторе до десятых долей вольта или нескольких вольт. Эта задача часто выполняется операционным усилителем (ОУ) или токовым усилителем. Чувствительным к току  является специализированный ОУ с дополнительной цепью регулировки усиления на основе прецизионных резисторов с лазерной подстройкой. Как правило, коэффициент усиления у этого усилителя напряжения составляет 20…60, а иногда даже более.

В корпусе токоизмерительного усилителя может также размещаться токовый шунт. Для случаев с более мощными токами из-за рассеивания мощности, приводящей к нагреву, предпочтителен внешний шунтовый резистор.

Наиболее распространенная конфигурация сигнальной цепи для контроля протекающего тока включает шунтовый резистор, аналоговый интерфейс (AFE), аналого-цифровой преобразователь (АЦП) и системный контроллер (рис. 1). В качестве усилителя AFE обычно используется операционный усилитель или токовый усилитель, который преобразует небольшое дифференциальное напряжение, падающее на шунтовом резисторе, в подходящее для АЦП значение.

Рис. 1. Способ измерения силы тока с использованием шунтового резистора

Есть два основных способа подключения шунтового резистора в цепь для измерения тока: на стороне низкого и высокого напряжения. Оба подхода имеют свои преимущества и недостатки.

Измерение тока на стороне низкого напряжения

При измерении тока на стороне низкого напряжения токовый шунтовый резистор устанавливается между активной нагрузкой и заземлением. Наиболее подходящая схема измерения тока на стороне низкого напряжения показана на рисунке 2. В этой схеме используется токовый усилитель INA181 производства Texas Instruments

, хотя и многие другие усилители также можно использовать для измерений на стороне низкого напряжения.

Рис. 2. Цепь измерения тока со стороны низкого напряжения с использованием INA181

Измерение тока со стороны низкого напряжения реализовать проще, поскольку напряжение с датчика на токовом шунтовом резисторе снимается относительно земли. Эта конфигурация позволяет использовать токовый усилитель с низким напряжением питания, потому что измеряемое напряжение лишь на единицы милливольт выше потенциала заземления схемы. В данной конфигурации снимаемое с датчика напряжение не накладывается на более высокое напряжение, поэтому не требуется подавление синфазного сигнала. Метод измерения со стороны низкого напряжения — самый простой и недорогой способ реализации.

Недостатком измерения тока на стороне низкого напряжения является то, что нагрузка в этом случае не имеет прямого соединения с заземлением из-за установки шунтового резистора, в результате чего нижняя сторона нагрузки находится под напряжением в несколько милливольт относительно земли.

Схема подключения без непосредственного соединения с цепью земли может вызвать проблемы в случае короткого замыкания между нагрузкой и ее корпусом. Такое короткое замыкание может произойти, например, если заключенная в металлический кожух нагрузка, например, двигатель, имеет короткое замыкание обмотки на корпус. Токоизмерительный резистор, возможно, не сможет обнаружить это короткое замыкание.

Кроме того, синфазное входное напряжение усилителя должно включать заземление для измерения на стороне низкого напряжения. Обычно это не проблема для усилителей, работающих с двухполярными источниками питания, но проблема может возникнуть в случае однополярного. Поэтому диапазон синфазного напряжения, который включает заземление, становится важным критерием при выборе подходящего усилителя для измерений на стороне низкого уровня напряжения.

Есть еще один важный аспект данного способа измерения тока. Обратите внимание, что АЦП Texas Instruments ADS114 на рис. 2 подключен по цепи питания непосредственно к заземлению, а входные цепи АЦП и усилителя INA181 на нижней стороне напряжения подключены к одной точке заземления.

При измерении тока с использованием малых напряжений, создаваемых на низкоомных шунтовых резисторах проходящим через них большим током нагрузки, важно помнить о том, что не все точки заземления могут иметь одинаковый потенциал. Когда по цепям или шинам заземления протекают большие токи от силовых нагрузок, довольно легко получить между двумя точками заземления в системе разность потенциалов в несколько милливольт. В качестве меры предосторожности всегда располагайте подключаемые к заземлению провода на очень близком расстоянии друг от друга, чтобы минимизировать разницу напряжения между ними.

Для устранения этого источника ошибки при измерении со стороны низкого напряжения опорный вывод заземления АЦП должен быть подключен в непосредственной близости от нижней стороны токоизмерительного резистора и входа токового усилителя. Не каждая удобная часть шины заземления может быть выбрана в качестве точки подключения. Для полной уверенности отметьте эту точку и все заземляющие подключения к ней по типу «звезда» непосредственно на схеме.

Аналогично, входное напряжение смещения усилителя тока непропорционально влияет на точность усиления, когда напряжение на токоизмерительном резисторе слишком маленькое. По этой причине лучше выбирать усилитель с очень низким входным напряжением смещения. Усилитель INA181, показанный на рисунке 2, имеет входное напряжение смещения ±150 мкВ для измерительных схем со стороны низкого напряжения, где отсутствует синфазное напряжение.

Несмотря на отдельные недостатки, схема измерения тока на стороне низкого напряжения является хорошим выбором, если нагрузка не требует непосредственного соединения с заземлением и, если внутренние короткие замыкания между нагрузкой и корпусом либо не являются проблемой, либо не должны обнаруживаться схемой измерения тока.

Тем не менее, для конструкций, которые должны соответствовать требованиям функциональной безопасности, лучшим выбором является метод измерения тока на стороне высокого напряжения.

Измерение тока на стороне высокого напряжения

При измерении тока со стороны высокого напряжения в разрыв цепи между источником питания и активной нагрузкой устанавливается токовый шунтовый резистор (рис. 3) с использованием токового усилителя Texas Instruments INA240 в качестве аналогового интерфейса (AFE). Синфазное входное напряжение этой микросхемы может значительно превышать напряжение питания, что делает ее хорошим выбором для измерений тока на стороне высокого напряжения.

Рис. 3. В схеме измерения тока со стороны высокого напряжения токоизмерительный резистор устанавливается между источником питания и активной нагрузкой

Измерения тока со стороны высокого напряжения имеют два ключевых преимущества по сравнению с измерением со стороны низкого. Во-первых, легко обнаружить короткое замыкание на корпус, возникающее внутри нагрузки, потому что результирующий ток короткого замыкания будет протекать через токовый шунтовый резистор, создавая на нем повышенное напряжение. Во-вторых, этот метод измерения не связан с точкой заземления, поэтому дифференциальные напряжения на шине заземления, создаваемые большими протекающими токами, не влияют на измерение. Тем не менее, по-прежнему рекомендуется размещать соединение опорного заземления АЦП ближе к заземлению усилителя.

Метод измерения тока на стороне высокого напряжения имеет один главный недостаток. Как отмечалось выше, необходимо, чтобы токовый усилитель имел высокое подавление синфазного сигнала, поскольку небольшое напряжение, развиваемое на токовом шунте, лишь чуть ниже напряжения питания нагрузки. В зависимости от конструкции системы синфазное напряжение может быть довольно большим. Токовый усилитель тока INA240 на рисунке 3 имеет широкий диапазон колебаний синфазного напряжения от -4 до 80 вольт.

Интегрированные или внешние резисторы подстройки усиления?

На рисунках 2 и 3 показаны конфигурации измерения тока на стороне низкого и высокого напряжений, в которых используются токовые усилители с интегрированными резисторами для настройки усиления. Такие интегрированные резисторы предлагают целый ряд конструктивных преимуществ, в том числе — упрощение конструкции, уменьшение количества компонентов платы и повышенную точность усиления с лазерной подгонкой. Один из основных недостатков таких усилителей заключается в том, что усиление постоянное и устанавливается на заводе. Это не составит проблемы, если настройка усиления подходит для данного применения. Однако в случае, если требуется особый коэффициент усиления, поскольку значение шунтового резистора было выбрано в первую очередь для соответствия другим критериям, предпочтительнее выбирать операционный усилитель в сочетании с дискретными резисторами.

На рис. 4 показана схема усилителя для измерений тока на стороне высокого напряжения на основе операционного усилителя MCP6H01 производства Microchip Technology с дискретными настройками коэффициента усиления настроечными резисторами.

Рис. 4. Измерение тока на стороне высокого напряжения с использованием дискретных резисторов и операционного усилителя

В этой схеме коэффициент усиления усилителя задается отношением R₂ к R₁. Также обратите внимание, что R₁* = R₁, R₂* = R₂, и что номинал токового шунтового резистора R_SEN должен быть во много раз меньше, чем R₁ или R₂. Обычно это не проблема, потому что номинал токового шунтового резистора обычно составляет порядка миллиом или даже долей миллиом для схем с очень высоким током.

Формулы на рис. 4 дают понять, что использование операционного усилителя и дискретных резисторов требует больших знаний о параметрах компонентов, чем при использовании токовых усилителей с задающими усиление интегрированными резисторами.

Заключение

Токовые усилители преобразуют низкие напряжения, возникающие на шунтовых резисторах, в повышенные напряжения, более совместимые с преобразованием АЦП. Возможны два типа измерения тока: со стороны низкого и со стороны высокого напряжений питания. При измерениях со стороны низкого напряжения токоизмерительный резистор вставляют в разрыв цепи между нагрузкой и заземлением, тогда как при измерениях со стороны высокого напряжения токоизмерительный резистор вставляют между источником питания и нагрузкой. Конфигурации измерения как с низкой, так и с высокой стороны напряжения имеют свои достоинства и недостатки, поэтому выбор варианта для конкретного применения требует некоторого анализа и обсуждения.

При измерении тока можно использовать либо специально разработанный токовый усилитель с установкой усиления на заводе-изготовителе с помощью встроенных резисторов с лазерной подстройкой, либо подходящий операционный усилитель и дискретные резисторы. Первый вариант уменьшает количество компонентов на плате и упрощает проектирование AFE. Однако если конструкция AFE требует подстраиваемого усиления для согласования с определенным значением шунтового резистора и диапазоном входного напряжения АЦП, второй вариант является более подходящим.

Основы измерения тока: Токоизмерительные усилители. Часть 1

Автор: Стив Лейбсон Перевод: Виктор Чистяков, г. Малоярославец

Разделы: Операционные усилители, Аналого-цифровые преобразователи, Токовые мониторы

Опубликовано: 20.03.2019

Как буферизовать выход операционного усилителя для получения более высокого тока, часть 1

Добавлено 6 октября 2019 в 14:03

Вы можете значительно увеличить выходной ток операционного усилителя (ОУ), добавив в схему чуть более, чем один биполярный транзистор.

Вспомогательная информация

• Введение в операционные усилители

Нужна ли нам схема с буферизацией тока?

Операционные усилители, разумеется, универсальны, но их область применения ограничена ограничениями выходного тока. Можно ожидать, что обычный операционный усилитель будет непрерывно выдавать ток не более чем 30 или 40 мА. Хотя некоторые компоненты могут работать с токами, близкими к 100 мА, другие будут пытаться дать вам хотя бы 10 мА. Существует особая категория усилителей с высоким выходным током, ток которых приближается или даже превышает 1000 мА. Если компонент с высоким выходным током совместим с вашим приложением, обязательно используйте его.

Но есть несколько причин, по которым вы можете предпочесть буферизовать выход усилителя более общего назначения. Во-первых, некоторые усилители с высоким выходным током представляют собой сложные компоненты, предназначенные для специализированных применений, и, следовательно, они менее универсальны и более дороги – например, LT1210, компонент от Linear Tech, который может выдавать 1100 мА, обойдется вам в 12 долларов, если вы покупаете в розницу. Кроме того, некоторые компоненты с высоким выходным током (включая LT1210) являются усилителями с обратной связью по току, и вы не можете просто вставить устройство с обратной связью по току в схему, разработанную для топологии с обратной связью по напряжению.

К счастью, на самом деле нет необходимости использовать усилители с высоким выходным током, когда всё, что вам нужно, это простая схема на операционном усилителе плюс мощный выходной каскад. Вы можете использовать один из 75-центовых усилителей общего назначения, которые есть у вас в лаборатории/мастерской/гараже, и объединить его со стандартными компонентами (стоимостью тоже около доллара), и вы получите схему, которая вам нужна.

Всего один биполярный транзистор

Самая простая схема для буферизации выходного тока операционного усилителя выглядит так:

Рисунок 1 – Схема для буферизации выходного тока операционного усилителя на биполярном транзисторе

А вот соответствующая схема LTspice:

Рисунок 2 – Схема для буферизации выходного тока операционного усилителя на биполярном транзисторе в LTspice

Давайте получим четкое понимание идеи этой схемы, прежде чем двигаться дальше. Входной сигнал подается на неинвертирующий вход операционного усилителя, а выход ОУ подключается непосредственно к базе биполярного транзистора. Операционный усилитель и биполярный транзистор могут использовать один и тот же положительный источник питания, но в этом случае мы предполагаем, что доступны два напряжения – источник питания 5 В для маломощных, малошумящих схем и 12 В для мощной части проекта. Значение резистора нагрузки очень низкое, поэтому выходные напряжения более 200 мВ, приложенные непосредственно к нагрузке, потребуют большего выходного тока, чем может обеспечить LT6203. Транзистор, выбранный в схеме LTspice, может работать с токами около 1000 мА, что означает, что он подходит для напряжений на нагрузке до 5 В.

Ключевым моментом этой схемы является соединение обратной связи. Помните «виртуальное короткое замыкание»: при анализе операционного усилителя в схеме с отрицательной обратной связью мы можем предположить, что напряжение на неинвертирующем входе равно напряжению на инвертирующем входе. Уже одно это говорит нам о том, что выходное напряжение (то есть напряжение на нагрузке) будет равно входному напряжению. Но давайте пойдем немного глубже, чтобы убедиться, что мы действительно понимаем, что происходит; виртуальное короткое замыкание – это своего рода суеверие, которое может отвлечь нас от реальной работы операционного усилителя. Операционный усилитель умножает дифференциальное входное напряжение на очень большой коэффициент усиления. Таким образом, с отрицательной обратной связью операционный усилитель быстро достигает равновесия, потому что большие изменения выходного напряжения уменьшают дифференциальное напряжение, которое вызывает эти самые выходные изменения. В этом состоянии равновесия выход стабилизируется при любом напряжении, что устраняет разницу между напряжениями на инвертирующем и неинвертирующем входах – иными словами, операционный усилитель автоматически регулирует свой выходной сигнал любым способом, необходимым для того, чтобы V_вх– было равно V_вх+.

В контексте этой схемы буферизации выходного сигнала операционный усилитель автоматически генерирует любое выходное напряжение, необходимое для того, чтобы сделать напряжение эмиттера биполярного транзистора равным входному напряжению. Подумайте, насколько сложно это было бы в ситуации разомкнутой петли – каким-то образом необходимо было бы рассчитать соотношение между входным и выходным сигналами усилителя, чтобы компенсировать падение напряжения база-эмиттер биполярного транзистора, которое не является ни линейным, ни предсказуемым. Но с операционным усилителем и некоторой отрицательной связью проблема становится тривиальной.

Давайте подкрепим это понимание идеи парой симуляций. Первая не очень захватывающая; она просто подтверждает, что выходное напряжение следует за входным напряжением (график входного напряжения V_in скрыт под графиком выходного напряжения V_out):

Рисунок 3 – График входного и выходного напряжений схемы

На следующем графике показано, что должно быть на выходном выводе операционного усилителя, чтобы обеспечить нужное напряжение на нагрузке.

Рисунок 4 – График входного напряжения схемы, выходного напряжения операционного усилителя и выходного напряжения схемы

Добавление усиления

Эта базовая схема не ограничена конфигурацией с коэффициентом усиления по напряжению, равным 1. Как и в случае небуферизованного операционного усилителя, вы можете вставить резисторы в петлю обратной связи, чтобы увеличить общий коэффициент усиления схемы от входного напряжения до напряжения нагрузки. Вот версия схемы с коэффициентом усиления более единицы:

Рисунок 5 – Схема для буферизации выходного тока операционного усилителя на биполярном транзисторе с регулируемым коэффициентом усиления по напряжению

А вот новая схема LTspice, за которой следует график с входным напряжением V_IN, выходным напряжением V_OUT и напряжением, приложенным к базе биполярного транзистора.

Рисунок 6 – Схема для буферизации выходного тока операционного усилителя на биполярном транзисторе с регулируемым коэффициентом усиления по напряжению в LTspiceРисунок 7 – График входного напряжения схемы, выходного напряжения схемы (напряжения на нагрузке) и выходного напряжения ОУ (напряжения на базе транзистора)

Просто, но без «защиты от дурака»

При такой надежной и понятной схеме всегда существует риск самоуспокоения. Вот некоторые потенциальные проблемы, которые вы должны иметь в виду:

1. Это очевидно, но убедитесь, что биполярный транзистор может справиться с вашим током нагрузки. Например, транзистор 2N2222, который вы найдете среди своих запчастей, вероятно, рассчитан только на постоянный ток коллектора 800 мА.
2. Это не так очевидно: не превышаете ли вы максимальную рассеиваемую мощность транзистора? Эта проблема особенно неуловима, потому что это то, что вы можете не заметить в симуляции – например, симуляции, выполненные в этой статье, как-то не предупредили нас о том, что мы сжигали транзистор 2SCR293P. Максимальная рассеиваемая мощность для этого компонента с «каждым выводом, установленным на опорной земле» (я не совсем уверен, что это значит) составляет 0,5 Вт. В нашей схеме, если V_вых = 3 В, ток через нагрузку будет равен (3 В) / (5 Ом) = 600 мА, а напряжение коллектор-эмиттер на транзисторе составляет 12 В — 3 В = 9 В. Таким образом, рассеиваемая мощность составляет около (600 мА) × (9 В) = 5,4 Вт. Хотя ток коллектора находится в пределах допустимого диапазона, мы превысили максимальную мощность в 10 раз! Вы можете исправить это, используя более низкое напряжение питания, если это возможно, и после этого вам нужно выбрать более мощный транзистор.
3. Когда биполярный транзистор работает в активной области, ток, текущий через базу, приблизительно равен току нагрузки, деленному на коэффициент бета, иначе известный как h_FE или коэффициент усиления по току. Таким образом, операционный усилитель все еще должен подавать некоторый ток, и вы можете столкнуться с проблемами, если у вас будет высокий ток нагрузки в сочетании с относительно слабым выходным каскадом операционного усилителя. Например, если ваш ток нагрузки составляет 2500 мА, и вы используете транзистор с h_FE = 100, вам потребуется ток базы около 25 мА; а некоторые операционные усилители не способны его обеспечить.
4. Имейте в виду, что выходное напряжение операционного усилителя примерно на 0,7–0,9 В выше напряжения нагрузки. Это необходимо учитывать при выборе напряжения питания операционного усилителя. Например, допустим, вам необходимо напряжение нагрузки в диапазоне от 0 до 4 В. Подходит ли вам напряжение питания 5 В? Возможно, нет: напряжение базы может доходить до 4,9 В; и если размах выходного сигнала операционного усилителя ограничен положительной шиной минус 0,8 В, у вас будут проблемы.
5. Биполярный транзистор начинает входить в режим насыщения, когда напряжение базы превышает напряжение коллектора примерно на 0,5 В, а поскольку напряжение базы примерно на 0,7–0,9 В выше напряжения нагрузки, напряжение коллектора биполярного транзистора (которое в этой схеме такое же, как напряжение питания) должно быть как минимум на (0,9 В – 0,5 В) = 0,4 В выше, чем максимально необходимое напряжение нагрузки. (Эти числа приблизительны и будут варьироваться в зависимости от условий эксплуатации и электрических характеристик транзистора.) Насыщение биполярного транзистора приведет к выравниванию напряжения нагрузки, прежде чем оно достигнет напряжения питания транзистора.

Заключение

Думаю, что мы достаточно подробно рассмотрели схему буферизации тока операционного усилителя. В следующей статье мы рассмотрим варианты этой схемы, которые делают ее совместимой с более широким спектром приложений.

Оригинал статьи:

• Robert Keim. How to Buffer an Op-Amp Output for Higher Current, Part 1

Теги

LTspiceБиполярный транзисторОУ (операционный усилитель)Усилитель с высоким выходным током

Оглавление

Вперед

Операционный усилитель

— входной/выходной ток от операционного усилителя

спросил 7 лет, 1 месяц назад

Изменено 1 год, 1 месяц назад

Просмотрено 31к раз

\$\начало группы\$

Я изучаю операционные усилители и не понимаю одну концепцию. Выходной ток ОУ. Предполагая идеальные операционные усилители, входная сторона будет иметь бесконечное сопротивление и, следовательно, 0 ампер. Однако выходная сторона будет иметь 0 сопротивление.

Использование V=IR V/R = I

, если R = 0, то он не определен…

Это как-то связано с R2 на чертеже? Значения резисторов являются просто произвольными значениями.

^{имитация этой схемы – схема создана с помощью CircuitLab}

• операционный усилитель

\$\конечная группа\$

1

\$\начало группы\$

Выходной ток операционного усилителя (как показано на рисунке в вопросе) — это ток, необходимый для поддержания инвертирующего входа при потенциале земли.

Таким образом, при 1 В на резисторе R1 (слева) на выходе должно быть -1 В, чтобы на инвертирующем входе было нулевое напряжение.

Это означает, что ток составляет -1В/100R = -10 мА.

Если бы сопротивление R2 было (скажем) в два раза больше (200 Ом), напряжение на выходе было бы -2В, но ток остался бы прежним.

На самом деле ток, протекающий через резистор R2, равен , что ток протекает через R1 из-за входного напряжения. Помните, что операционный усилитель заставляет инвертирующий узел всегда равняться неинвертирующему узлу, и, если неинвертирующий узел равен 0 В, то ток R1 равен просто входному вольту/R1. Это то, что подразумевается под усилителем виртуальной земли.

\$\конечная группа\$

2

\$\начало группы\$

Энди ака прав, ток в точке на вашей диаграмме -10мА. Однако имейте в виду, что ток через R2 составляет +10 мА и течет слева направо, поскольку левая сторона R2 положительна.

Также имейте в виду, что как только вы добавите нагрузку в цепь, ток в обозначенной точке изменится. Допустим, вы добавили нагрузку 100\$\Omega\$ с выхода на землю, сопротивление этой нагрузки теперь параллельно R2 из-за виртуальной земли на инвертирующем входе OA1. Таким образом, новый ток в указанной точке цепи становится \$i_O=v_O(\frac{R_2+R_L}{R_2R_L})=-1\text{V}(\frac{100\Omega +100\Omega} {100\Omega*100\Omega})=-20mA\$

Ток через резисторы R1 и R2 останется неизменным.

\$\конечная группа\$

Зарегистрируйтесь или войдите в систему

Зарегистрируйтесь с помощью Google

Зарегистрироваться через Facebook

Зарегистрируйтесь, используя электронную почту и пароль

Опубликовать как гость

Электронная почта

Требуется, но никогда не отображается

Опубликовать как гость

Электронная почта

Требуется, но не отображается

Нажимая «Опубликовать свой ответ», вы соглашаетесь с нашими условиями обслуживания, политикой конфиденциальности и политикой использования файлов cookie

.

Расчет тока в инвертирующем ОУ

спросил 5 лет, 1 месяц назад

Изменено 5 лет, 1 месяц назад

Просмотрено 7к раз

\$\начало группы\$

Итак, я знаю «правильный» способ расчета тока.

Разберем сначала схему:

КВЛ левая сторона:

\$ -V_{in} + i_1 \cdot R_{in} + 0 = 0 \$

\$ V_{in} = i_1 \cdot R_{in} \$

КВЛ правая сторона:

\ $V_{out} = -R_f \cdot i_f \$

\$ i_1 = i_f = i \$

Прирост равен:

\$ \frac{V_{out}}{V_{in}} = \frac {-R_f \cdot i}{i \cdot R_1} = \frac{-R_f}{R_{in}} \$

\$ V_{out} = -18,6 В \$

\$ i = \frac {V_{out}}{-16k} = 1,1625 мА \$

---

Почему, применяя рассуждение о том, что поскольку имеется только один источник напряжения, ток через \$R_{in}\$ и \$R_f\$ равен всего напряжение разделить на эквивалентное сопротивление?

\$R_{in}\$ и \$R_f\$ расположены последовательно

\$ i = \frac{V_{in}}{R_{in} + R_f} = \frac{7}{6k + 16k} = 0,318 мА\$

Что не так с этим рассуждением? Почему ток не правильный?

• ток
• инвертирующий усилитель
• операционный усилитель

\$\конечная группа\$

3

\$\начало группы\$

Вы правы, предполагая, что \$R_{in}\$ и \$R_f\$ соединены последовательно, но разность потенциалов между ними не \$V_{in}\$, а \$V_{in} — V_ {выход}\$. Итак, вместо текущего существа (как вы предлагаете): $$i = \frac{V_{in}}{R_{in}+R_f}$$ Это: $$i = \frac{V_{in} — V_{out}}{R_{in}+R_f}$$

Другое требуемое уравнение: $$V_{вход} — iR_{вход} = AV_{выход}$$ Решая эти уравнения, вы можете рассчитать коэффициент усиления усилителя, и если вы возьмете предел как \$A -> \infty\$, вы получите тот же результат, что и ранее.
Таким образом, вы можете видеть, что вы могли бы сохранить все эти расчеты, предположив, что усиление равно \$\infty\$, а разность потенциалов между его входами равна нулю, как вы сделали в своих первоначальных расчетах с виртуальной землей.

\$\конечная группа\$

\$\начало группы\$

Используя Nodal Analysis, проанализируйте токи в узле схемы, который включает инвертирующий вход идеального операционного усилителя:

$$ \frac{V_i-V_{in}}{R_{in}} + \frac{V_i-V_{out}}{R_f} = 0 \;\;\;\;\;\;\;\;\;\;(1) $$

где

 Vi := Напряжение на инвертирующем входе операционного усилителя
 

Предполагая идеальный операционный усилитель и схему инвертирующего усилителя напряжения, показанную на вашем рисунке, напряжения на инвертирующем и неинвертирующем входах операционного усилителя равны; следовательно, \$V_i=0\,V\$, и уравнение (1) можно упростить, как показано в уравнении (2):

$$ \frac{-V_{in}}{R_{in}} + \frac{-V_{out}}{R_f} = 0 \;\;\;\;\;\;\;\;\;\;(2) $$

и уравнение (2) преобразовано в уравнение выхода (3):

$$ \frac{-V_{out}}{R_f} = \frac{V_{in}}{R_{in}} \;\;\;\;\;\;\;\;\;\;(3) $$

Относительно уравнения (3) обратите внимание на следующее:

1. Левая часть уравнения (3) представляет собой ток \$i_{R_{f}}\$, протекающий через резистор \$R_{f }\$ и
2. Правая часть уравнения (3) представляет собой ток \$i_{R_{in}}\$, протекающий через резистор \$R_{in}\$, и
3. Токи, протекающие через два резистора, равны по величине (уравнение 4).