Включение операционного усилителя. Основные схемы включения и характеристики операционных усилителей

Какие основные схемы включения операционных усилителей существуют. Каковы их ключевые характеристики и особенности применения. Как выбрать оптимальную схему включения ОУ для конкретной задачи.

Основные схемы включения операционных усилителей

Операционные усилители (ОУ) являются одними из наиболее универсальных и широко используемых компонентов в аналоговой электронике. Существует три основные схемы включения ОУ, каждая из которых имеет свои особенности и области применения:

• Инвертирующее включение
• Неинвертирующее включение
• Дифференциальное включение

Рассмотрим подробнее каждую из этих схем и их ключевые характеристики.

Инвертирующее включение операционного усилителя

При инвертирующем включении входной сигнал подается на инвертирующий вход ОУ через резистор R1, а неинвертирующий вход заземляется. Обратная связь организуется с помощью резистора R2, соединяющего выход ОУ с инвертирующим входом.

Ключевые особенности инвертирующего включения:

• Выходной сигнал находится в противофазе со входным
• Коэффициент усиления определяется отношением R2/R1
• Входное сопротивление схемы равно R1
• Возможно получение коэффициента усиления меньше единицы

Инвертирующее включение часто используется в схемах сумматоров, интеграторов и активных фильтров.

Неинвертирующее включение операционного усилителя

В неинвертирующей схеме входной сигнал подается на неинвертирующий вход ОУ. Обратная связь организуется с помощью делителя напряжения на резисторах R1 и R2, подключенного между выходом и инвертирующим входом.

Основные характеристики неинвертирующего включения:

• Выходной сигнал синфазен с входным
• Коэффициент усиления равен 1 + R2/R1
• Входное сопротивление схемы очень высокое
• Минимальный коэффициент усиления равен 1 (повторитель напряжения)

Неинвертирующая схема часто применяется в буферных каскадах и усилителях с высоким входным сопротивлением.

Дифференциальное включение операционного усилителя

При дифференциальном включении входной сигнал подается на оба входа ОУ через резисторы. Это позволяет усиливать разность напряжений между входами.

Ключевые особенности дифференциальной схемы:

• Усиливает разностный сигнал между входами
• Подавляет синфазные помехи
• Коэффициент усиления определяется отношением резисторов
• Высокое входное сопротивление

Дифференциальное включение широко используется в измерительных усилителях и схемах обработки сигналов с датчиков.

Как выбрать оптимальную схему включения ОУ?

При выборе схемы включения ОУ для конкретной задачи следует учитывать следующие факторы:

• Требуемый коэффициент усиления
• Необходимое входное сопротивление
• Наличие синфазных помех во входном сигнале
• Фазовые соотношения между входом и выходом
• Тип источника входного сигнала

Правильный выбор схемы включения позволяет максимально эффективно использовать возможности операционного усилителя и получить оптимальные характеристики разрабатываемого устройства.

Частотные характеристики и устойчивость схем на ОУ

При разработке схем на операционных усилителях важно учитывать их частотные свойства и обеспечивать устойчивость работы. Основные параметры, характеризующие динамические свойства ОУ:

• Полоса пропускания
• Частота единичного усиления
• Скорость нарастания выходного напряжения
• Время установления

Для обеспечения устойчивой работы схемы на ОУ с отрицательной обратной связью необходимо выполнение условия:

fср < fкр

где fср — частота среза, а fкр — критическая частота ОУ.

Запас устойчивости по фазе определяет скорость нарастания и затухания переходных процессов в схеме. Для коррекции частотных характеристик применяют внутреннюю и внешнюю коррекцию ОУ.

Современные типы операционных усилителей

В настоящее время выпускается множество типов специализированных ОУ для различных применений:

• Прецизионные ОУ с малым напряжением смещения
• Быстродействующие ОУ для работы на высоких частотах
• Микромощные ОУ с малым током потребления
• Rail-to-rail ОУ с расширенным диапазоном входных/выходных напряжений
• Мощные ОУ с большим выходным током
• Высоковольтные ОУ

Правильный выбор типа ОУ позволяет оптимизировать характеристики разрабатываемого устройства под конкретную задачу.

Заключение

Операционные усилители являются чрезвычайно гибкими и универсальными компонентами. Знание основных схем включения ОУ и их особенностей позволяет разработчику эффективно применять эти устройства при создании самых разнообразных аналоговых схем. При этом важно учитывать как статические, так и динамические характеристики ОУ, обеспечивая устойчивость работы и требуемые параметры схемы.

Каскадное включение операционных усилителей

На рисунке 1 изображена схема на операционном усилителе с коэффициентом усиления по напряжению равным 1000. Схема на рисунке 2 тоже имеет коэффициент усиления 1000, но она состоит их трёх последовательно соединённых каскадов на операционных усилителях, каждый из каскадов усиливает сигнал в 10 раз, и соответственно суммарное усиление схемы К_сум составляет 10*10*10=1000 раз.

Казалось бы, зачем нужна вторая схема, если первая гораздо проще? Это утверждение было бы верно для схем на идеальных операционных усилителях, но при использовании реальных компонент некоторые важные параметры обеих схем будут сильно различаться.

Рис. 1. К = R2/R1+1

Рис. 2. К_сум = (R1/R2+1)*(R4/R3+1)*(R5/R6+1)

Рассмотрим амплитудно-частотные характеристики (АЧХ) обеих схем (рис. 3.), в которых применён операционный усилитель LM741. Ось X — частота, ось Y — усиление в децибелах. Красным цветом изображена АЧХ схемы с рисунка 1, а зелёным — АЧХ с рисунка 2. Поскольку реальные операционные усилители имеют ограничения по ширине полосы пропускания, и в частности операционный усилитель LM741, который использовался при моделировании обеих схем, имеет ширину полосы пропускания f_Т = 1 мГц, то оба графика пересекаются в одной точке с частотой 1 мГц, в которой усиление равно 0 дБ или 1 раз — т.е. амплитуда сигнала на выходе схемы точно такая же, как и на её входе.

Рис. 3. Амплитудно-частотные характеристики схем с рис. 1 и 2.

Из этих АЧХ видно, что частота среза схемы на одном операционном усилителе составляет 1 кГц, а схемы, в которой усиление распределено по каскадам, составляет 50 кГц, и следовательно спад АЧХ начинается гораздо позже, чем у первой схемы. Частота среза — это та точка, в которой уровень сигнала уменьшается на 3 дБ, в данном случае К

ус = 1000, что составляет 60 дБ, и частота среза будет начинаться в той точке, где усиление падает до 57 дБ.

Перевод коэффициента усиления по напряжению в децибелы осуществляется по формуле

К_дб = 20*Lg(K),

где К — коэффициент усиления по напряжению, а Lg — десятичный логарифм.

Как рассчитать частоту среза для схем, выполненных на одном операционном усилителе? Для этого нужно разделить полосу единичного усиления F₁ на коэффициент усиления К_ус. Например, для схемы с рисунка 1 (F₁ = 1мГц, К_ус = 1000) частота среза будет равна:

F_ср = F₁/К_ус = 1мГц/1000 = 1кГц.

Для схем, в которых применены несколько операционных усилителей с одинаковыми коэффициентами усиления в каждом из каскадов, формула расчёта частоты среза будет следующая:

F_ср = F₁/К_n*(2^1/n-1)^0.5

В этой формуле
F₁ — частота единичного усиления;
К_n — коэффициент усиления каждого каскада;
n — количество каскадов.

Для схемы, изображённой на рисунке 2 (F₁ = 1мГц, К_n = 10, n = 3), частота среза будет равна:

F_ср = F₁/К_n*(2^1/n-1)^0.5 = 1мГц/10*(2^1/3-1) = 1мГц/10*0,509 = 50,9 кГц.

Этот расчёт совпадает с графиком АЧХ с рисунка 3.

Фазочастотные характеристики (ФЧХ) обеих схем приведены на рисунке 4.

Рис. 4. Фазочастотные характеристики схем с рис. 1 и 2.

Из этих ФЧХ видно, что у схемы на одном операционном усилителе сдвиг фазы по всему частотному диапазону не превосходит 120°, а в схеме с тремя операционными усилителями сдвиг фазы гораздо больше, и в точке с F = 155,6 кГц фаза сигнала достигает величины 180° и изменяется на противоположную. В некоторых схемах такое изменение фазы может привести к возникновению самовозбуждения.

Шумы в каскадных схемах с операционными усилителями. Уровень собственных шумов схемы на одном ОУ определяется по формуле

К_ш.вых = К_ш * К

где
К_ш — уровень шумов операционного усилителя,
К — коэффициент усиления схемы по напряжению.

Если уровень собственных шумов К_ш операционного усилителя составляет, к примеру, 3 мкВ, то на выходе схемы с коэффициентом усиления К = 1000 он увеличится в 1000 раз и станет равен 3 мВ (см.

рис. 5).

Рис. 5. Шумы одиночного операционного усилителя

Для схем, в которых операционные усилители включены последовательно, уровень шумов рассчитывается иначе. Дело в том, что уровни шумов от нескольких сигналов суммируются по следующей формуле:

К_ш.сум = (К²_ш1+К²_ш2+К²_ш3+..+К²_шN)^1/2

При сложении сигналов от двух источников эта формула будет такой:

К_ш.сум = (К²_ш1+К²_ш2)^1/2

Поэтому для схемы из трёх последовательно включённых ОУ следует учитывать шумы на выходе первого ОУ DA1 и на входе второго, DA2, а так же на выходе второго и на входе третьего ОУ DA3 (рис. 6).

Рис. 6. Расчёт шумов в схеме из трёх последовательно включённых операционных усилителей.

Если уровень шумов первого ОУ DA1 будет равен 3 мкВ, то на его выходе К

ш*К = 3*10 = 30 мкВ. Складывая это значение с шумами на входе ОУ DA2 по выше приведённой формуле, получаем следующую величину:

К_ш = (30²+3²)^1/2 = 30. 15 мкВ.

На выходе второго ОУ DA2 уровень шумов будет равен К_ш*К = 30.15*10 = 301.5 мкВ.

Складывая два шумовых сигнала, получаем

К_ш = (301.5²+3²)^1/2 = 301.51 мкВ.

Умножая полученный результат на коэффициент усиления третьего каскада, получаем коэффициент шума на выходе схемы:

К_ш.вых = К_ш*К = 301.51*10 = 3015.1 мкВ.

В общем виде формула для расчёта шумов последовательно включённых ОУ в схеме, где у всех каскадов равные коэффициенты усиления, будет выглядеть так:

К_ш.вых = К_ш*(K^(2*1)+K^(2*2)+…+K^(2*N))^1/2,

Здесь К_ш — коэффициент шума первого ОУ;
K — коэффициент усиления каскада;
N — количество каскадов.

Если в эту формулу подставить данные для схемы с рисунка 3, то получим

К_ш.вых = 3*(10⁽²⁾+10⁽⁴⁾+10⁽⁶⁾)^1/2 = 3015.1 мкВ.

Выводы. Если в схеме использовать несколько ОУ, равномерно распределив усиление между каскадами, то:

1. Увеличится частота среза схемы;
2. Сдвиг фазы между входом и выходом схемы может достигать 180° и более градусов;
3. Общие шумы схемы незначительно увеличатся.

BACK

«Основные схемы включения операционного усилителя», Коммуникационные технологии

• Выдержка
• Другие работы
• Помощь в написании

Реферат Основные схемы включения операционного усилителя

Параметры и свойства устройств обработки сигналов, использующих ОУ в качестве базового элемента, существенно зависят от схемотехнических решений, применяемых в соответствующих устройствах. В связи с эти необходимо рассмотреть основные схемы включения ОУ и сопоставить их характеристики.

а) Дифференциальное включение Рис. 1. Дифференциальное включение ОУ Нa рис. 1 приведена схема дифференциального включения ОУ. В силу свойств идеального ОУ разность потенциалов между его неинвертирующим p и инвертирующим n входами равна нулю, а I₁=I₂. Учитывая это можно показать, что

(1)

Если выполняется соотношение R₁R₄ = R₂R₃, то

б) Инвертирующее включение При инвертирующем включении (рис. 2) неинвертирующий вход ОУ соединяется с общей шиной.

Рис. 2. Инвертирующее включение ОУ; а — типовое, б — с Т-образным включением резисторов обратной связи В типовой схеме (рис. 2а) R₃ = ?, a R₄ = 0 и из формулы (1) следует

(2)

Таким образом, выходное напряжение ОУ в инвертирующем включении находится в противофазе по отношению к входному. Коэффициент усиления входного сигнала по напряжению в зависимости от соотношения сопротивлений резисторов может быть как больше единицы, так и меньше единицы.

В силу свойств идеального ОУ потенциал незаземленного инвертирующего входа при заземленном неинвертирующем входе также равен нулю. Поэтому инвертирующий вход в этой схеме иногда называют виртуальным нулем или мнимой землей. При этом входной ток схемы I₁= V₂/R₁, а входное сопротивление схемы R_вх =R₁.

Если от схемы необходимо получить высокое усиление, то в соответствии с формулой (2) придется либо применить резистор R₁ с очень низким сопротивлением, либо использовать высоокоомный резистор R₂. В первом случае низким R₁=R_вх нагружается источник входного сигнала, во втором — снижается стабильность коэффициента усиления. В этом случае задача решается применением в цепи обратной связи четырехполюсника в виде Т-образно включенных резисторов (рис.). На основании свойств 2 и 3 идеального ОУ и законов Кирхгофа можно записать систему уравнений электрического равновесия схемы, решив которую можно прийти к следующему выражению для коэффициента усиления:

Выбрав R₄ небольшим, можно получить большой коэффициент усиления схемы при достаточно высоком R_вх=R₁.

Рис. 3. Неинвертирующее включение ОУ в) Неинвертирующее включение При неинвертирующем включении входной сигнал подается на неинвертируютий вход ОУ, a на инвертирующий вход через делитель на резисторах R₁ и R₂, поступает сигнал с выхода усилителя.

Коэффициент усиления схемы можно найти, предположив, что в формуле (1) при дифференциальном включении V₂ = 0, R₃ = 0, a R₄ = ?. Получим

(3)

Как следует из выражения (3) выходной сигнал синфазен со входным и коэффициент усиления по напряжению не может быть меньше единицы. В предельном случае, если выход ОУ накоротко соединен с инвертирующим входом, коэффициент усиления равен единице. Такую схему называют неинвертирующим повторителем. Ее входное сопротивление в идеале бесконечно. У повторителя на реальном операционном усилителе это сопротивление конечно, хотя и весьма велико.

Примечание. Для упрощения анализа схем с операционным усилителем, работающим в линейном режиме, обычно используют две предпосылки: а) разность потенциалов между входами равна нулю; б) входные токи усилителя равны нулю.

Динамические характеристики ОУ (полоса пропускания f_п, частота единичного усиления f_T, время установления t_уст, скорость нарастания выходного напряжения) характеризуют его быстродействие и устойчивость. Они определяются частотной характеристикой ОУ. Из-за паразитных емкостей и многокаскадной структуры ОУ по своим частотным свойствам аналогичен фильтру нижних частот высокого порядка. Паразитные емкости приводят к появлению обратной связи и вследствие большого коэффициента усиления ОУ склонны к самовозбуждению (потере устойчивости): даже при отсутствии сигнала на входе на их выходе могут возникать стационарные или прерывистые колебания относительно большой амплитуды.

В линейном режиме (при малых входных сигналах) поведение ОУ во временной области описывается линейным дифференциальным уравнением, а в частотной — комплексным коэффициентом передачи (либо передаточной функцией K_V(s)) дробно-рационального вида. Корни полинома в числителе передаточной функции называют нулями передаточной функции, а корни полинома в знаменателе — полюсами. Если все полюса передаточной функции ОУ лежат в левой полуплоскости на комплексной плоскости, то ОУ устойчив. Для устойчивости ОУ с внешней обратной связью необходимо чтобы в левой полуплоскости находились все корни характеристического уравнения, где в (s) передаточная функция четырехполюсника обратной связи.

Устойчивость ОУ удобно исследовать по асимптотическим характеристикам (диаграммам Боде) — графикам, на которых его АЧХ и ФЧХ изображаются асимптотически в декартовой системе координат в логарифмическом масштабе по оси абсцисс и называются соответственно ЛАЧХ и ЛАФХ. Асимптотической называют характеристику, образованную соединенными отрезками касательных, проведенных к точной ЛАЧХ с наклоном кратным 20 дБ/дек. По ней легко определить положение нулей и полюсов передаточной функции усилителя на частотной оси: они находятся в точках пересечения асимптот. Частота f_кр, на которой фазовый сдвиг ОУ равенр называется критической, а частоту f_ср, на которой модуль петлевого коэффициента усиления называют частотой среза.

Рис. 4. Переходные характеристики ОУ с отрицательной обратной связью Для коррекции частотных характеристик применяют внутреннюю и внешнюю коррекцию. Внутренняя коррекция выполняется разработчиками ИС ОУ, внешняя может применяться инженерами-разработчиками устройств обработки сигналов на ОУ. Такую коррекцию выполняют путем введения цепей частотно-зависимых обратных связей, которые выбирают таким образом, чтобы скорректировать положение нулей и полюсов передаточной функции ОУ без цепей обратной связи.

При резистивной обратной связи коэффициент обратной связи в определяется формулой. В этом случае для устойчивости ОУ с отрицательной обратной связью должно выполняться условие f_ср< f_кр. Степень устойчивости (а также скорость нарастания и затухания переходных процессов) определяется запасом устойчивости по фазе, под которым понимают разность, где — фазовый сдвиг сигнала на частоте f_кр. Типичные переходные характеристики ОУ с отрицательной обратной связью и f_ср=100 кГц в зависимости от б приведены на рис.  4.

В настоящее время промышленностью выпускаются сотни наименований ОУ. Их можно разделить на группы, объединенные общей технологией и внутренней структурой, точностными, динамическими или эксплуатационными характеристиками.

С точки зрения внутренней структуры ОУ можно разделить на биполярные, биполярно-полевые и КМОП (на комплементарных полевых транзисторах с изолированным затвором). В биполярно-полевых ОУ полевые транзисторы с управляющим p-n-переходом или МОП-транзисторы используются в дифференциальном входном каскаде. За счет этого достигается высокое входное сопротивление и малые входные токи (9, https://bakalavr-info.ru).

ОУ общего назначения — недорогие усилители со средним быстродействием, невысокой точностью и малой выходной мощностью. Их типовые параметры: К_V= 20 000ч.200 000; V_OFF = 0.1…20 мВ; f_T = 0.1… 10 МГц. К этой группе относится большая часть ОУ. Типичные представители: 140УД6, 140УД8, 153УДб; LF411.

Быстродействующие ОУ при средних точностных параметрах имеют высокие динамические характеристики (f_T = 20…1000 МГц, с = 10…1000 В/мкс). Типичные представители высокочастотных ОУ обычного типа: 574УДЗ, 154УД4, AD825, AD8042, П65. Заметное повышение скорости нарастания выходного напряжения дает применение в ОУ обратной связи по току (LM7171, THS3001).

Модели высокоскоростных ОУ с одним каскадом усиления и низким коэффициентом усиления (менее 10 000) отличаются высокой устойчивостью и не требуют коррекции (AD9632, OPA680). Их применяют, в основном, для усиления видеосигналов, в качестве буферов для высокоскоростных АЦП, драйверов для высокочастотных линий передачи.

Прецизионные ОУ имеют высокий дифференциальный коэффициент усиления по напряжению, малые напряжения смещения нуля, малые входные токи и, как правило, низкое быстродействие, например: AD707, 140УД26, МАХ400М (без прерывания — периодической компенсации дрейфа нуля), 140УД24, МАХ430,|AD8571 (с прерыванием).

Микромощные ОУ используются в устройствах с питанием от гальванических элементов или аккумуляторов. Они потребляют очень малый ток (например, ОУ МАХ406 потребляет ток не более 1. 2 мкА). Все другие параметры (особенно быстродействие) у них обычно! невысокие. Появился целый класс так называемых наноамперных ОУ, работающих при напряжении питания 3 В и потребляющих при этом ток менее 1 мкА. Примеры: TLV2401 (880 нА) и сдвоенный LMC6442 (950 нА на усилитель). Такие устройства могут работать от одной литиевой батарейки непрерывно десятки лет.

Программируемые ОУ дают возможность разработчику самому выбрать компромисс между малым потреблением и низким быстродействием. Такой ОУ имеет специальный вывод, который через внешний резистор соединяется с общей точкой или источником питания определенной полярности. Уменьшение этого резистора приводит к увеличению быстродействия ОУ и увеличению потребляемого тока, увеличение — к обратному результату. Типичные примеры: 140УД12, 1407УД2, МАХ480. Обычная величина тока потребления для микромощных и программируемых ОУ — десятки микроампер.

ОУ с однополярным питанием позволяют питать усилитель от одной батареи или даже одного гальванического элемента, например (литиевого с напряжением 3 В). Характерная особенность ОУ с однополярным питанием состоит в том, что диапазон выходных сигналов должен обязательно лежать в пределах верхнего и нижнего уровней напряжения питания, даже если диапазон входных синфазных сигналов выходит за эти рамки. При этом один из этих уровней (в зависимости от полярности напряжения питания) при вязан к потенциалу земли. Выпускаются ОУ, у которых диапазоны входных и выходных напряжений могут изменяться от нижнего до верхнего значении питающих напряжений — так называемые усилители rail-to-rail (от уровня до уровня). Типичный пример: МАХ495, с потреблением от однополярного источника тока 150 мкА.

Многоканальные ОУ — это микросхемы, в которых на одном кристалле реализовано два, три или четыре одинаковых ОУ. Например, микросхема 140УД20 содержит в своем составе два ОУ 140УД7. Микромощные ОУ MAX406/407/409 включают соответственно два, три и четыре однотипных усилителя. При применении многоканальных ОУ необходимо учитывать наличие перекрестных связей между отдельными усилителями в микросхеме. На высоких частотах такие связи могут достигать уровня 100%. Например, гармонический сигнал с частотой 10МГц проходит с входа одного усилителя двухканального ОУ THS4052 на выход другого практически без ослабления.

Мощные и высоковольтные операционные усилители. Большинство типов ОУ общего применения рассчитаны на напряжение питания ±15 В, некоторые допускают питание до ±22 В. К высоковольтным ОУ относят усилители, имеющие разность положительного и отрицательных питающих напряжений свыше 50 В. Большинство ОУ с напряжением питания более 100 В выпускается в виде гибридных микросхем. Наряду с этим известны и другие варианты. Например, фирма Apex microtechnology (США) выпускает полупроводниковый интегральный ОУ PA41 c номинальным напряжением питания ±175 В, выходным напряжением ±165 В и выходным током до 60мА. Одна из наиболее высоковольтных моделей этой фирмы гибридный ОУ PA69 с напряжением питания до ±600 В и выходным током до 75 мА. Ом может обеспечить на нагрузке размах напряжения до ±570 В. К мощным ОУ относят усилители, допускающие выходной ток свыше 100 мА. Например, интегральный ОУ LM12 допускает выходной ток до 10А и рассеивает мощность до 90 Вт. Гибридный ОУ PA03 допускает выходной ток до 30А рассеивает мощность до 500 Вт.

Выводы и результаты

1. При разработке схем функциональных узлов устройств обработки сигналов используют три основных схемы включения ОУ: дифференциальную, инвертирующую и неинвертирующую. Эти схемы существенно отличаются друг от друга по величинам коэффициентов усиления, входным и выходным сопротивлениям, однако во всех схемах они определяются параметрами резистивных цепей обратных связей.

2. Для повышения устойчивости работы устройств на ОУ инженерами-разработчиками внешняя коррекция частотных характеристик ОУ путем введения цепей частотно-зависимых обратных связей, которые выбирают таким образом, чтобы скорректировать положение нулей и полюсов передаточной функции ОУ без цепей обратной связи. Для устойчивости ОУ с резистивной отрицательной обратной связью должно выполняться условие f_ср< f_кр. Степень устойчивости (а также скорость нарастания и затухания переходных процессов) определяется запасом устойчивости по фазе — величины фазового сдвига .

сигнал усилитель цифровой электронный

1. Волович Г. И. Схемотехника аналоговых и аналого-цифровых электронных устройств. 2-е изд. — М.: ДОДЭКА-XXI, 2007. — 528 с.

2. Полонников Д. Е. Операционные усилители: принципы построения, теория, схемотехника. — М.: Энергоатомиздат, 1983. — 216с.

3. Пейтон А.Дж., Волш В. Аналоговая электроника на операционных усилителях. — М.: БИНОМ, 1994. — 352с.

Показать весь текст

Заполнить форму текущей работой

Почему время запуска операционного усилителя важно и как его измерить?

В этой статье обсуждаются различия между временем запуска операционного усилителя, временем установления и скоростью нарастания. Мы также рассмотрим пример измерения времени запуска.

Фейсбук

Твиттер

LinkedIn

Ссылка на страницу скопирована в буфер обмена

---

Современные операционные усилители (операционные усилители) используются во многих устройствах с батарейным питанием. Некоторые примеры включают портативные медицинские устройства, фитнес-трекеры, мобильные телефоны, планшеты, датчики мониторинга состояния и т. д. Чтобы продлить срок службы батареи между заменой батареи или зарядкой, система может отключать активные компоненты в спящем режиме. В зависимости от приложений, когда система выходит из спящего режима по таймеру или инициирующему событию, система должна быстро запускаться и работать, чтобы обеспечить обработку сигналов и регистрацию событий. Скорость готовности системы зависит от того, насколько быстро каждый активный компонент переходит из выключенного состояния в полностью функциональное или устойчивое состояние. В этой статье мы обсудим разницу между временем установления и скоростью нарастания по сравнению со временем запуска или включения питания. Затем мы представим пример для измерения времени запуска.

После включения напряжения питания операционного усилителя и достижения установившегося состояния время установления и скорость нарастания измеряются на выходе путем изменения входного сигнала. Время установления — это время, за которое операционный усилитель достигает определенной точности на выходе. Скорость нарастания представляет собой скорость изменения выходного напряжения во времени и обычно указывается как В/мкс. Рисунок 1 ниже иллюстрирует эти два параметра.

Рисунок 1: Время установления и скорость нарастания

Время запуска или включения — это время, которое требуется операционному усилителю для достижения устойчивого состояния при включении напряжения питания. На рис. 2 ниже показано время запуска.

Рисунок 2: Время запуска

Почему нас волнует время запуска? Операционные усилители используются в различных устройствах с батарейным питанием. Многие из этих приложений переводили активные схемы в спящий режим для экономии заряда батареи, а в некоторых конструкциях систем Vsupply просто отключалось на блоках цепей. Таким образом, чем быстрее блок может достичь устойчивого состояния, тем скорее система сможет выполнить согласование цепи сигналов и регистрацию данных. Затем система может снова вернуться в спящий режим для экономии заряда батареи.

Вот пример измерения времени запуска. На рис. 3 ниже представлена ​​упрощенная схема пусковой тестовой схемы.

Рис. 3: Схема проверки времени запуска

Напряжение Vsupply или Vdd представлено «прямоугольным импульсом от 0 до 3 В». Когда Vdd равно 0 В, операционный усилитель «выключен», а выходное сопротивление операционного усилителя высокое. Поскольку выходное напряжение операционного усилителя напрямую связано с напряжением нагрузки (VLoad, 1 В), ожидаемое значение Vout равно 1 В.

Когда мы включаем Vsupply (прямоугольный импульс при 3 В), включается операционный усилитель, и выход становится низкоимпедансным. В этот момент выход становится функцией приложенного входного напряжения. Время, в течение которого выходной сигнал следует за входной синусоидой, является временем запуска операционного усилителя.

Обратите внимание, что вход постоянного тока 50 мВ необходим для предотвращения насыщения выхода на отрицательной шине при включении Vsupply операционного усилителя. Это не должно увеличивать время запуска тестируемого устройства. Кроме того, в тестовой цепи не используются шунтирующие конденсаторы для минимизации пускового тока во время измерения тока питания.

Пример времени запуска MCP6007 по сравнению с конкурентами

Основываясь на рассмотренной ранее тестовой схеме, мы измерили время запуска нового MCP6006/7/9 от Microchip.. На Рисунке 4 ниже видно, что время запуска продуктов серии MCP6006/7/9 составляет 6 мкс, что почти в 10 раз быстрее, чем у ближайшего конкурента. В то же время MCP6006/7/9 поддерживает высокое выходное сопротивление при запуске. Рисунок 4. Время запуска MCP6006/7/9 во время запуска. Потребление пускового тока почти в 40 раз ниже, чем у ближайших конкурентов. Наконец, 3-мегагерцовая версия MCP6006/7/9.серия имеет аналогичные характеристики времени запуска. Рисунок 5: Ток питания MCP6007 (IDD) во время запуска Затем мы разработали метод измерения времени запуска. Имея больше информации о времени запуска, мы надеемся, что это даст вам больше гибкости при проектировании ваших систем.

Для получения дополнительной информации посетите https://www.microchip.com/en-us/products/amplifiers-and-linear-ics/operational-amplifier-ics.

 

Ссылки:

https://microchipdeveloper.com/asp0107:settling-time-overshoot

http://ww1.microchip.com/downloads/en/appnotes/00723a.pdf

John Wu, Dec 10, 2021

Теги/Ключевые слова: Промышленность и Интернет вещей

Маломощные операционные усилители

Здравствуйте, это Candy. С ростом популярности электроники с батарейным питанием в последние годы разработчики аналоговых схем все больше беспокоятся об энергопотреблении. В этой статье рассказывается, как использовать маломощные операционные усилители при проектировании систем, а также маломощные операционные усилители с низким напряжением питания и их применение, а также как правильно читать и понимать спецификации операционных усилителей. Схема с энергосберегающими технологиями для более эффективного выбора устройств.

Ⅰ. Понимание рассеиваемой мощности в схемах операционных усилителей

Сначала мы рассмотрим усилители с малым током покоя (I _Q ) и то, как изменение значения цепи обратной связи резистора влияет на рассеиваемую мощность .

Рассмотрим следующую схему, в которой используется датчик с питанием от батареи для генерации аналогового синусоидального сигнала с амплитудой 50 мВ и смещением 50 мВ на частоте 1 кГц. Для формирования сигнала , сигнал должен быть увеличен до диапазона от 0 В до 3 В (рис. 1). Для максимально возможной экономии заряда батареи требуется неинвертирующий усилитель архитектуры с коэффициентом усиления 30В/В (рис. 2). Итак, как мы должны уменьшить энергопотребление схемы?

Рис. 1 Входные и выходные сигналы в примерной схеме

Рис. 2 Цепь усилителя датчика

Статическая мощность, выходная мощность операционного усилителя и мощность нагрузки влияют на рассеиваемую мощность схемы операционного усилителя. Мощность покоя (или для краткости P _Quiescent  ) – это мощность, необходимая для поддержания включенного усилителя, и обычно она указывается в спецификациях как I _Q  (ток покоя), как показано ниже.

Рис. 3 Ток покоя операционного усилителя

Мощность, используемая выходным каскадом операционного усилителя при управлении нагрузкой, называется выходной мощностью (P _Output ). Наконец, мощность нагрузки (P _{Нагрузка} ) относится к количеству энергии, потребляемой нагрузкой.

В этом примере у нас есть операционный усилитель с однополярным питанием с синусоидальным выходным сигналом со смещением постоянного напряжения. В результате мы применим приведенное ниже уравнение, чтобы вычислить общую среднюю мощность (P _{total, avg} ). V+ — это напряжение питания, V _off — смещение постоянного тока выходного сигнала, V _amp — амплитуда выходного сигнала, а R _Load — полное сопротивление нагрузки операционного усилителя. Стоит отметить, что общая мощность связана с I _Q и обратно пропорциональна R _{Загрузить} .

Рис. 4

Ⅱ. Выбирайте компоненты правильно I _Q

Поскольку в уравнениях 5 и 6 так много переменных, при выборе материалов предпочтительнее сосредоточиться только на одной. Наиболее очевидный метод снижения общего энергопотребления — это выбор усилителя с низким значением I _Q . Есть, конечно, определенные жертвы в этом процессе. Устройства с нижним I _Q , например, часто имеют меньшую полосу пропускания и больше шума, и их труднее стабилизировать.

Поскольку I _Q  различных типов операционных усилителей могут отличаться в десять раз, важно потратить время на поиск идеального варианта. Для сравнения приведены следующие эталоны: TI TLV9042, OPA2333, OPA391 и TLV8802. TLV8802 был бы отличным выбором для приложений, которым требуется максимальная энергоэффективность на основе чисто численного анализа.

Рис. 5 Сравнение различных типов маломощных операционных усилителей

Ⅲ. Уменьшите значение сопротивления сети нагрузки

Перейдите к уравнениям 5 и 6, чтобы рассмотреть оставшиеся условия. Условия V _amp  отменяют друг друга, поэтому P _{total, avg} и V _off , которые обычно предопределяются приложением, не затрагиваются. Другими словами, система не может сократить энергопотребление на 90 090 9.0091, используя V _с .

Аналогично, напряжение на шине V+ обычно определяется напряжением питания схемы . Кроме того, R _Load определяется программой. R _Load , с другой стороны, относится к любому выходу нагрузки, а не только к нагрузочному резистору R _L . R _{Нагрузка} будет содержать R _L и компоненты обратной связи R1 и R2 в схеме, показанной на рисунке 1. В результате уравнения 7 и 8 будут определять R _{Загрузите} следующим образом:

Рис. 6

Выходная мощность усилителя в системе уменьшается за счет увеличения значения резистора обратной связи . Этот подход очень полезен, когда выход P превышает количество P _Quiescent , но у него есть свои недостатки. Если сопротивление обратной связи превышает R _L на значительную величину, R _L возьмет на себя управление R _{Нагрузка} , вызывая рассеивание мощности до плато. Огромный резистор обратной связи взаимодействует с входной емкостью усилителя, в результате чего схема становится нестабильной и шумной.

Рекомендуется сравнить тепловой шум соответствующего резистора на входе каждого операционного усилителя (см. рис. 7 ниже) со спектральной плотностью шума напряжения усилителя, чтобы уменьшить вклад шума от этих компонентов. Как правило, усилитель Требования к плотности шума входного напряжения должны как минимум в три раза превышать шум напряжения эквивалентных резисторов , измеренных на каждом входе.

Рис. 7 Тепловой шум резистора

Ⅳ. Пример из реальной жизни

Вернемся к исходной задаче, которая требует коэффициента усиления сигнала 30 В/В для датчика с батарейным питанием, который обеспечивает аналоговый сигнал от 0 до 100 мВ на частоте 1 кГц. Две конструкции показаны на рисунке 8 ниже. Стандартный источник питания 3,3 В, энергосберегающие резисторы и TLV9.Операционный усилитель общего назначения 002 используется в конструкции слева. В конструкции справа используется операционный усилитель TLV9042, который имеет больший номинал резистора и меньшую мощность.

Спектральная плотность шума меньше одной трети широкополосного шума усилителя , когда эквивалентное сопротивление на инвертирующем входе TLV9042 составляет примерно 9,667 кОм, гарантируя, что шум операционного усилителя доминирует над любым шумом, вызванным состояние резисторов .

Рис. 8 Типовая конструкция и тонкая конструкция

Уравнение 6 может быть использовано для получения общего P _{, среднего значения} для конструкций TLV9002 и TLV9042, соответственно, на основе чисел на Рисунке 8, параметров конструкции и спецификаций двух операционных систем. ампер Уравнения 9 и 10 иллюстрируют результаты для каждого из них.

Рис. 9

Потребляемая мощность конструкции TLV9002 более чем в четыре раза выше, чем у TLV9042, основанный на предыдущих выводах. Это связано с большим значением I _Q усилителя, а также демонстрирует, что даже при использовании резисторов обратной связи с низкими значениями не происходит существенной экономии энергии при использовании операционного усилителя с высоким значением I _Q . В приведенном выше примере мы можем использовать две стратегии: увеличить значение резистора до и выбрать операционный усилитель с более низким током покоя. В большинстве приложений на операционных усилителях возможны оба метода.

 

Ⅴ. Используйте низковольтные шины для экономии энергии

Снова вернитесь к уравнениям 1 и 6, чтобы определить среднюю рассеиваемую мощность для схемы операционного усилителя с однополярным питанием с синусоидальным сигналом и напряжением смещения постоянного тока:

Рис. 10

Кроме того, как показано в уравнении 6, V+ — это шина питания (V+), которая символизирует линию, а рассеиваемая мощность прямо пропорциональна V+, поэтому понижение V+ до наименьшего достижимого напряжения питания в цепи является еще одним техника уменьшения потребляемая мощность Методы .

Минимальный диапазон напряжения питания для многих операционных усилителей s составляет 2,7 В или 3,3 В. Минимальное напряжение, необходимое для поддержания внутренних  транзисторов в пределах предполагаемого рабочего диапазона , является причиной этого ограничения. Некоторые операционные усилители s способны работать при напряжении до 1,8 В или даже ниже. Операционный усилитель общего назначения TLV9042 . например, может работать от шины 1,2 В.

 

Ⅵ. Приложения с питанием от аккумуляторов

Большинство современных датчиков и интеллектуальных гаджетов питаются от аккумуляторов, и когда они разряжаются, напряжение на их клеммах падает ниже номинального номинального напряжения . Щелочная батарея AA на 1,5 В, например, имеет номинальное напряжение 1,5 В. Фактическое напряжение на клеммах во время первоначального измерения без нагрузки может быть близко к 1,6 В. Напряжение на этой клемме упадет до 1,2 В или даже ниже, когда батарея разряжена .

Разработка с использованием операционного усилителя, который может работать при напряжении 1,2 В вместо операционного усилителя с более высоким напряжением  имеет следующие преимущества: Схема усилителя будет продолжать работать дольше.

2. Вместо использования двух батарей 1,5 В для генерирования шины 3 В схема операционного усилителя может использовать только одну батарею 1,5 В.

Рассмотрим схему разрядки аккумулятора на рис. 11, чтобы понять, почему операционный усилитель с более низким напряжением может увеличить срок службы батареи. Циклы разрядки аккумуляторов часто похожи на этот график. Напряжение на клеммах аккумулятора начнет приближаться к номинальному значению. Напряжение на клеммах будет неуклонно снижаться по мере разрядки батареи. Напряжение на клеммах аккумулятора будет быстро падать по мере приближения к концу цикла зарядки . Рабочий период схемы операционного усилителя t1 будет коротким, если он предназначен только для работы при напряжении, близком к номинальному напряжению батареи, скажем, V1. Использование операционного усилителя, который может работать при несколько более низких напряжениях, таких как V2, может значительно увеличить срок службы батареи, t2.

Рис. 11 Типичная кривая разряда для одного элемента

Хотя эффект зависит от типа батареи, нагрузки на батарею и других переменных, очевидно, что операционных усилителей с низким рабочим питанием работают дольше раз.

 

Ⅶ. Низковольтные цифровые логические уровни

Низкая мощность Операционный усилитель с с низким напряжением питания можно использовать в приложениях, использующих шины низкого напряжения для цифровых и аналоговых цепей. Стандартные диапазоны напряжения для цифровой логики составляют от 5 В до 1,8 В и ниже (рис. 12). При более низких напряжениях цифровая логика, такая как схемы операционных усилителей , становится более энергоэффективной. В результате часто предпочитают более низкие уровни цифровой логики.

Вы можете использовать одни и те же уровни напряжения питания для аналоговых и цифровых схем, чтобы упростить процесс проектирования. 9В этой ситуации может пригодиться операционный усилитель 0090 с возможностями 1,8 В, например, высокоточный , широкополосный OPA391 или оптимизированный по стоимости TLV9001. Тем не менее, стоит отметить, что если конструкция должна работать с цифровой шиной 1,2 В, система проводки должна устранять любые помехи, которые могут выходить из цифровой схемы на контакты питания аналогового устройства.

Рис. 12. Стандартные логические уровни

 

Ⅷ. Подведите итоги

В этом посте мы покажем вам, как быстро определить маломощный операционный усилитель , взглянув на характеристики операционного усилителя . Выбор операционного усилителя с малым током покоя, насколько это позволяет полоса пропускания, и выбор операционного усилителя в цепи обратной связи — два из этих способов.