Как работает вычитающий усилитель на операционном усилителе. Какова схема вычитающего усилителя с дифференциальным входом. Для чего применяются вычитающие усилители в электронике. Какие параметры важны при расчете вычитающего усилителя.
Что такое вычитающий усилитель и его принцип работы
Вычитающий усилитель (также называемый дифференциальным усилителем) — это электронная схема на основе операционного усилителя (ОУ), которая вычитает один входной сигнал из другого и усиливает полученную разность. Основные особенности вычитающего усилителя:
- Имеет два входа — инвертирующий и неинвертирующий
- На выходе формирует сигнал, пропорциональный разности входных напряжений
- Позволяет усилить небольшую разность напряжений на фоне значительного синфазного сигнала
- Обладает высоким коэффициентом ослабления синфазного сигнала
Принцип работы вычитающего усилителя основан на свойствах операционного усилителя, охваченного отрицательной обратной связью. За счет высокого коэффициента усиления ОУ напряжение между его входами стремится к нулю. Это позволяет организовать вычитание входных сигналов с помощью резистивных делителей.
Схема вычитающего усилителя с дифференциальным входом
Рассмотрим типовую схему вычитающего усилителя на ОУ:
[Здесь должна быть схема вычитающего усилителя]
Основные элементы схемы:
- Операционный усилитель
- Резисторы R1, R2 — входной делитель для инвертирующего входа
- Резисторы R3, R4 — входной делитель для неинвертирующего входа
- Входные напряжения U1 и U2
- Выходное напряжение Uвых
При R1 = R2 = R3 = R4 выходное напряжение определяется выражением:
Uвых = (U2 — U1) * R2/R1
То есть на выходе формируется усиленная разность входных напряжений. Коэффициент усиления задается отношением R2/R1.
Основные параметры вычитающего усилителя
При расчете и проектировании вычитающих усилителей важно учитывать следующие ключевые параметры:
- Коэффициент усиления — определяется отношением резисторов R2/R1
- Коэффициент ослабления синфазного сигнала (КОСС) — показывает способность подавлять одинаковые сигналы на входах
- Входное сопротивление — зависит от номиналов входных резисторов
- Полоса пропускания — определяется свойствами ОУ и цепями коррекции
- Смещение нуля — влияет на точность усиления малых сигналов
- Температурный дрейф — изменение параметров при нагреве схемы
Выбор конкретных значений этих параметров зависит от требований к усилителю в конкретном применении.
Применение вычитающих усилителей в электронике
Вычитающие усилители находят широкое применение в различных областях электроники и измерительной техники:
- Измерение малых разностей напряжений на фоне больших синфазных помех
- Усиление сигналов с дифференциальных датчиков (тензорезисторы, термопары)
- Выделение полезного сигнала из шумов в системах связи
- Построение схем автоматического регулирования
- Обработка биомедицинских сигналов (ЭКГ, ЭЭГ)
- Схемы сравнения и компараторы напряжения
Способность вычитающих усилителей подавлять синфазные помехи делает их незаменимыми при работе со слабыми сигналами в условиях сильных электромагнитных наводок.
Особенности расчета вычитающих усилителей
При проектировании вычитающего усилителя на ОУ необходимо учитывать следующие факторы:
- Выбор типа ОУ с требуемыми параметрами (полоса, быстродействие, шумы)
- Расчет резисторов входных делителей для задания нужного коэффициента усиления
- Обеспечение согласования резисторов для высокого КОСС
- Коррекция частотной характеристики для обеспечения устойчивости
- Минимизация влияния паразитных элементов на работу схемы
- Расчет и компенсация смещения нуля и температурного дрейфа
Правильный учет этих факторов позволяет спроектировать вычитающий усилитель с оптимальными характеристиками для конкретного применения.
Преимущества и недостатки вычитающих усилителей
Основные достоинства вычитающих усилителей на ОУ:
- Высокий коэффициент подавления синфазного сигнала
- Возможность усиления малых разностных сигналов
- Высокое входное сопротивление
- Низкий уровень шумов и искажений
- Простота схемотехнической реализации
К недостаткам можно отнести:
- Необходимость точного согласования резисторов
- Ограниченная полоса пропускания на высоких частотах
- Чувствительность к разбалансу входов
- Наличие смещения нуля и температурного дрейфа
Однако в большинстве применений преимущества вычитающих усилителей перевешивают их недостатки.
Альтернативы вычитающим усилителям
Помимо классической схемы вычитающего усилителя на одном ОУ существуют и другие схемотехнические решения для вычитания сигналов:
- Инструментальные усилители на трех ОУ — обеспечивают лучшие параметры, но более сложны
- Дифференциальные усилители на согласованных транзисторах — для работы на высоких частотах
- Коммутируемые конденсаторные схемы — для прецизионного вычитания на низких частотах
- Цифровые схемы вычитания на АЦП и микроконтроллерах — для обработки медленноменяющихся сигналов
Выбор конкретного решения зависит от требований к точности, быстродействию и стоимости разрабатываемого устройства.
Вычитающий усилитель (усилитель с дифференциальным входом)
В вычитающем усилителе (рис. 10.6) один входной сигнал подается на инвертирующий вход, а второй – на неинвертирующий.
Рис. 10.6. Вычислительный усилитель с дифференциальным входом
Предположим, что ОУ работает в линейном режиме. Тогда все устройство можно считать линейным и для анализа принцип суперпозиции (наложения).
Если uвх2 = 0, тогда соответствующее выходное напряжение u’вых будет определяться выражением, соответствующим инвертирующему усилителю:
.
Если uвх1 = 0, определим напряжение на выходе u»вых. Для оценки воздействия напряжения uвх2 целесообразно на основе теоремы об эквивалентном генераторе преобразование цепи, подключенной к неинвертирующему входу (рис. 10.7).
Как следует из теоремы,
, .
Рис. 10.7
В соответствии с принципом суперпозиции, общее напряжение на выходе uвыхопределяется из выражения
,
при R1=R2
.
Схемы с диодами и стабилитронами на основе ОУ
Рассматриваемые схемы являются нелинейными, так как содержат нелинейные элементы – диоды и стабилитроны. Однако такие схемы часто рассматривают как линейные, считая диоды и стабилитроны идеальными и заменяя открытые диоды и стабилитроны закоротками, запертые диоды и стабилитроны – разрывами, а стабилитроны, работающие в режиме пробоя, — источниками напряжения.
При использовании подобных способов линеаризации нелинейных схем основная проблема состоит в том, чтобы определить, в каком режиме работает каждый нелинейный элемент.
Для примера выполним анализ схемы на рис.
10.8, предполагая, что диоды – идеальные. Пусть вначале uвх = 1 В. Если диод D1 открыт (заменяем его закороткой), а диод D2 – закрыт (заменим его разрывом), то получим эквивалентную схему, приведенную на рис. 10.9.
Рис. 10.8. Схема усилителя на ОУ с диодами
Рис. 10.9. Эквивалентная схема усилителя на ОУ
Из схемы на рис. 10.9 следует, что
.
Проверим правильность сделанного предположения, для чего определим ток iD1 диода D1 и напряжение uD2 диода D2. Используя допущение о том, что uдиф = 0, получаем uD2 = –2 В и iD1 = 0,2 мА. Так как напряжение на диоде D2 отрицательное, а ток через диод D1 положителен, можно утверждать, что предположение было правильным.
Пусть теперь uвх = –1 В.
.
Рис. 10.10. Эквивалентная схема усилителя с обратной связью
Для проверки правильности сделанного предположения определим iD2:
.
Очевидно, что uD1 = 0. Полученные результаты позволяют утверждать, что предположение было правильным.
Усилители постоянного тока
Усилитель называют усилителем постоянного тока (УПТ), если он может усиливать постоянные и медленно изменяющиеся сигналы. Такой усилитель можно использовать и для усиления переменных сигналов. К таким усилителям можно отнести и операционные усилители.
Для того, чтобы постоянные или медленно изменяющиеся сигналы могли быть переданы с входа усилителя на его выход, должны использоваться только гальванические связи между отдельными частями усилителя или эти сигналы должны быть преобразованы в переменные.
Характерным свойством УПТ является дрейф нуля. Под дрейфом нуля понимают самопроизвольное изменение выходного напряжения при неизменном нулевом входном под действием влияния внешней среды (изменений температуры, питающего напряжения, старения электронных элементов).
Основными методами снижения дрейфа являются жесткая стабилизация источников питания усилителей, использование отрицательных обратных связей, применение балансных компенсационных схем УПТ, использование элементов с нелинейной зависимостью параметров от температуры.
Для устранения отмеченных недостатков УПТ строят в виде параллельно-балансных каскадов, представляющих собой сбалансированный мост, который можно назвать дифференциальным усилителем.
Что делает отдел по эксплуатации и сопровождению ИС? Отвечает за сохранность данных (расписания копирования, копирование и пр.)…
Живите по правилу: МАЛО ЛИ ЧТО НА СВЕТЕ СУЩЕСТВУЕТ? Я неслучайно подчеркиваю, что место в голове ограничено, а информации вокруг много, и что ваше право…
Конфликты в семейной жизни. Как это изменить? Редкий брак и взаимоотношения существуют без конфликтов и напряженности. Через это проходят все…
Система охраняемых территорий в США Изучение особо охраняемых природных территорий(ООПТ) США представляет особый интерес по многим причинам…
Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском гугл на сайте:
Вычитающий усилитель на оу
Усилители, имеющие точное нормированное значение коэффициента усиления, называют масштабными. Иногда в их составе выделяют измерительные и электрометрические усилители. Измерительные усилители относятся к числу прецизионных. Значения их параметров нормированы и в диапазоне рабочих частот и температур не выходят за пределы, оговоренные в технических условиях.
Поиск данных по Вашему запросу:
Схемы, справочники, даташиты:
Прайс-листы, цены:
Обсуждения, статьи, мануалы:
Дождитесь окончания поиска во всех базах.
По завершению появится ссылка для доступа к найденным материалам.
Содержание:
- Суммирующий усилитель
- Параметры схем суммирующего и вычитающего усилителей
- Повторитель напряжения на основе ОУ
- Please turn JavaScript on and reload the page.
- Вычитающий усилитель
- Повторитель напряжения на основе ОУ
- Основные схемы включения операционных усилителей
- Основные схемы включения операционных усилителей
- Суммирующий и вычитающий усилители
ПОСМОТРИТЕ ВИДЕО ПО ТЕМЕ: Лекция 54.
Усилитель неинвертирующего типа на операционном усилителе.
Суммирующий усилитель
Сумматор на основе ОУ — инвертирующий усилитель с дополнительными входами рис. В этой схеме также используются свойства мнимой земли. Поскольку инвертирующий вход ОУ в этой схеме является мнимой землей, токи можно выразить через напряжения сигналов и сопротивления резисторов следующим образом:. Заметим, что хотя выходной сигнал и равен по величине сумме входных сигналов, все же знак его — обратный, это свойство схем с мнимой землей.
В схеме дифференциального усилителя рис. Относительное ослабление синфазного сигнала, в принципе, может быть таким же большим, каким оно является у самого ОУ, но на практике оно ограничено допусками на сопротивления резисторов.
Но ведь одним из важных применений дифференциального усилителя является подавление с его помощью фона и помех, которые наводятся на проводящих проводах.
Если сопротивление источника сигнала не мало, то значительное различие входных сопротивлений становится существенным недостатком. Для получения больших значений этого коэффициента используют дифференциальные усилители на нескольких ОУ. Если ООС, которой охвачен ОУ, образуется конденсатором, то схема выполняет математическую операцию интегрирования по времени рис.
В связи с тем, что инвертирующий вход имеет потенциальное заземление, выходное напряжение определяется следующим образом:. Представленной здесь схеме присущ один недостаток, связанный с тем, что выходное напряжение имеет тенденцию к дрейфу, обусловленному сдвигами ОУ и током смещения в схеме отсутствует ООС по постоянному току. Это нежелательное явление можно ослабить, если использовать ОУ на полевых транзисторах, отрегулировать входное напряжение сдвига ОУ и выбрать большие величины R и C.
Кроме того, на практике часто прибегают к периодическому сбросу в нуль интегратора с помощью подключенного к конденсатору переключателя обычно на полевом транзисторе рис.
Если остаточный дрейф по-прежнему слишком велик для конкретного случая использования интегратора, то к конденсатору С следует подключить резистор с очень большим сопротивлением R 2 , который обеспечит стабильное смещение за счет обратной связи по постоянному току рис.
Интегратор может служить источником линейно-изменяющегося напряжения, необходимого, например, в осциллографах в качестве генератора развертки, используемого также при реализации некоторых методов цифро-аналогового преобразования.
Если на вход интегратора подать постоянное напряжение, на выходе получим линейно-возрастающее напряжение, которое будет увеличиваться вплоть до напряжения насыщения. Когда на входе действует симметричные относительно земли периодические колебания, это приводит к возникновению на выходе треугольных колебаний.
Схему Для этого на вход необходимо подать постоянное напряжение, а на вход полевого транзистора — периодические прямоугольные импульсы рис. При отрицательном напряжении на затворе полевой транзистор запирается, интегратор вырабатывает на выходе линейно-возрастающее напряжение, по приходу положительного импульса полевой транзистор открывается, конденсатор быстро разряжается, выходное напряжение сбрасывается до нуля.
Периодические импульсы сброса формируют на выходе пилообразное напряжение. Дифференциаторы подобны интеграторам, в них только меняются местами резистор R и конденсатор C. На практике с дифференциаторами на основе ОУ работать трудно из-за их большой чувствительности к всевозможным шумам во входной цепи. Действующее напряжение шума может быть совсем небольшим, но часто скорость его изменения весьма велика и приводит к большим по величине паразитным сигналам на выходе дифференциатора.
По этой причине избегают применения дифференциаторов везде, где это возможно. Если нельзя обойтись без дифференциатора, то можно понизить чувствительность к помехам, ослабляя эффективное усиление в усилителе на высоких частотах.
Для этого последовательно с конденсатором С включают резистор типичное значение — 1кОм , а параллельно резистору R — конденсатор небольшой емкости типичное значение — пФ , и экспериментально подбирают значения этих параметров так, чтобы достичь приемлемого компромисса между чувствительностью к помехам и точностью дифференцирования рис.
Предыдущая 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 Следующая. Поделитесь с друзьями:. Гидравлические и пневматические усилители Двухкаскадные усилители Дифференциальные усилители. Организация лечебных мероприятий Коррозионные диаграммы Дидактические принципы Каменского Кислотный и щелочной гидролиз пептидов. Производство строительной извести по мокрому способу из влажного мела Устройство и производительность дноуглубительных снарядов.
Орг — год. Материал сайта представляется для ознакомительного и учебного использования.
Параметры схем суммирующего и вычитающего усилителей
В вычитающем усилителе рис. Предположим, что ОУ работает в линейном режиме. Тогда все устройство можно считать линейным и для анализа принцип суперпозиции наложения. Для оценки воздействия напряжения u вх2 целесообразно на основе теоремы об эквивалентном генераторе преобразование цепи, подключенной к неинвертирующему входу рис. В соответствии с принципом суперпозиции, общее напряжение на выходе u вых определяется из выражения.
Левый ОУ просто генерит опорное Vcc/2, правый ОУ вычитает. Вычитающий усилитель — первый попавшийся на рынке Rail-To-Rail ОУ.
Повторитель напряжения на основе ОУ
На рис. Применяя операторный метод см. Так как k очень велико, то примем его стремящемся к. Левая часть последнего уравнения превращается в ноль, поэтому. Далее получаем:. Вычитающий усилитель. В этой схеме, для получения высокого значения коэффициента отрицательной обратной связи необходимо обеспечить точное согласование резисторов. Суммирующий усилитель.
Please turn JavaScript on and reload the page.
В настоящее время электронные устройства широко используются в системах безопасности, что значительно повышает требования к их точности. Задача определения точности электронного устройства и его выходных параметров играет важную роль при создании приборов, которые будут в дальнейшем использоваться в системах безопасности. Вычитающий усилитель используется для усиления разности двух напряжений подаваемых на его вход.
Он может применяться для выделения небольшой разности напряжений на фоне значительной синфазной составляющей, согласования электрических цепей, управления режимом электропитания, отслеживания изменения параметров выходных напряжений двух разных цепей, подаваемых на его входы, осуществления контроля срабатывания датчиков в шлейфах, за счёт изменения его выходного напряжения. Так как выше перечисленные операции выполняются за счёт подачи на вход усилителя двух напряжений и формирование из них выходного напряжения путём вычитания, то определение точности выходного напряжения и отклонений его значения за счёт разброса параметров усилителя является важной задачей.
Бобровский Павел Леонидович, кандидат технических наук.
Вычитающий усилитель
В дальнейшем быстрое развитие цифровой электроники привело к тому, что аналоговые компьютеры были полностью вытеснены с рынка. Вот о том, какими бывают операционные усилители, мы и поговорим в этой статье. Затем будут более детально исследованы свойства реального операционного усилителя.
Усилитель осуществляет усиление дифференциального напряжения U D. Выходное напряжение U А определяется по следующей формуле:.
Повторитель напряжения на основе ОУ
Исследование усилителей сигналов. Цель работы : исследование параметров усилителей сигналов переменного тока в зависимости от схемы включения биполярных транзисторов и начального смещения, задаваемого на базе, эмиттере и коллекторе транзисторов. Описание схемы исследуемого устройства. В лабораторной работе исследуются усилители сигналов на биполярных транзисторах, включенных по схеме с общим эмиттером ОЭ, с общей базой ОБ и общим коллектором ОК рисунок, а — в. Расчет схем таких усилителей осуществляется в 2 этапа и включает расчет по постоянному и переменному токам. Расчет по постоянному току. Расчет позволяет задать исходные смещения на базе, эмиттере и коллекторе транзисторов с помощью резисторов, благодаря чему транзистор работает как регулируемый генератор тока и обеспечивает усиление по току и напряжению.
Термин «операционный усилитель» (ОУ) был впервые использован в теории вычитающих устройств, интеграторов, дифференциаторов, частотно-.
Основные схемы включения операционных усилителей
Войдите , пожалуйста. Хабр Geektimes Тостер Мой круг Фрилансим. Войти Регистрация.
Основные схемы включения операционных усилителей
ВИДЕО ПО ТЕМЕ: Разбираемся с операционным усилителем
Операционный усилитель ОУ ; англ. 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. Операционный усилитель изначально был спроектирован для выполнения математических операций отсюда его название , путём использования напряжения как аналоговой величины.
Главная Случайная страница. Как сделать разговор полезным и приятным Как сделать объемную звезду своими руками Как сделать то, что делать не хочется?
Суммирующий и вычитающий усилители
Измерительные схемы: измерение напряжения; измерение тока.
Измерительный усилитель представляет собой ОУ или схему с ОУ, используемые для измерения малых разностей напряжения на фоне синфазного напряжения, которое часто бывает больше, чем измеряемое разностное напряжение. Этот тип усилителя часто называют также усилителем датчика, разностным усилителем, усилителем ошибки рассогласования и мостовым усилителем. Измерительный усилитель должен иметь дифференциальный вход, высокое значение коэффициента усиления, низкий сдвиг нулевого уровня и очень большой обычно больше 80 дБ коэффициент ослабления синфазного сигнала КОСС. Большое значение КОСС необходимо потому, что напряжение, которое должно быть усилено, часто наложено на более высокое синфазное напряжение. Чтобы измерить напряжение на выходе высокоомного источника сигнала и при этом не внести заметной погрешности, можно использовать для преобразования импеданса электрометрический усилитель.
Схема повторителя рис. Здесь предполагается, что операционный усилитель работает в режиме усиления u диф 0.
Предположим, что операционный усилитель работает в режиме усиления, тогда u диф 0.
Схема дифференциального усилителя или вычитателя напряжения
Операционные усилители изначально разрабатывались для аналоговых математических расчетов, с тех пор сегодня они доказали свою полезность во многих приложениях проектирования. Как правильно сказали мои профессора, операционные усилители являются арифметическими калькуляторами напряжения, они могут выполнять сложение двух заданных значений напряжения, используя схему суммирующего усилителя, и разницу между двумя значениями напряжения, используя дифференциальный усилитель . Помимо этого, операционный усилитель также широко используется в качестве инвертирующих усилителей и неинвертирующих усилителей.
Мы уже узнали, как использовать операционный усилитель в качестве сумматора напряжения или суммирующего усилителя, поэтому в этом руководстве мы узнаем , как использовать операционный усилитель в качестве дифференциального усилителя , чтобы найти разность напряжений между двумя значения напряжения.
Его также называют вычитателем напряжения . Мы также попробуем схему вычитателя напряжения на макетной плате и проверим, работает ли схема должным образом.
Основы ОУ
Прежде чем мы углубимся в дифференциальные операционные усилители, давайте быстро пройдемся по основам операционных усилителей. Операционный усилитель представляет собой пятиконтактное устройство (в одном корпусе) с двумя клеммами (Vs+, Vs-) для питания устройства. Из оставшихся трех клемм две (V+, V-) используются для сигналов, которые называются инвертирующей и неинвертирующей клеммой, а оставшаяся клемма (Vout) является выходной клеммой. Основной символ операционного усилителя показан ниже.
Работа операционного усилителя очень проста, он принимает разное напряжение с двух контактов (V+, V-), усиливает его на значение усиления и выдает в качестве выходного напряжения (Vout). Усиление операционного усилителя может быть очень высоким, что делает его подходящим для аудиоприложений.
Всегда помните, что входное напряжение операционного усилителя должно быть меньше его рабочего напряжения. Чтобы узнать больше об операционных усилителях, проверьте их применение в различных схемах на основе операционных усилителей.
Для идеального операционного усилителя входное сопротивление будет очень высоким, то есть ток не будет протекать внутрь или наружу операционного усилителя через входные контакты (V+, V-). Чтобы понять работу операционного усилителя, мы можем разделить схемы операционного усилителя на разомкнутую и замкнутую петлю .
Разомкнутая схема операционного усилителя (компараторы)
В разомкнутой схеме операционного усилителя выходной контакт (Vout) не соединен ни с одним из входных контактов, то есть обратная связь не обеспечивается . В таких условиях без обратной связи операционный усилитель работает как компаратор . Ниже показан простой компаратор на операционных усилителях.
Обратите внимание, что контакт Vout не соединен с входными контактами V1 или V2.
В этом состоянии , если напряжение, подаваемое на V1, больше, чем V2, выходное напряжение Vout станет высоким. Аналогичным образом, если напряжение, подаваемое на V2, больше, чем на V1, то выходное напряжение Vout станет низким.
Операционный усилитель с обратной связью (усилители)
В схеме операционного усилителя с замкнутым контуром выходной контакт операционного усилителя соединен с любым из входных контактов для обеспечения обратной связи . Эта обратная связь называется соединением с обратной связью. В замкнутом контуре операционный усилитель работает как усилитель , именно в этом режиме операционный усилитель находит множество полезных применений, таких как буфер, повторитель напряжения, инвертирующий усилитель, неинвертирующий усилитель, суммирующий усилитель, дифференциальный усилитель, вычитатель напряжения и т.
д. , Если контакт Vout подключен к инвертирующей клемме, то он называется цепью отрицательной обратной связи (показана ниже), а если он подключен к неинвертирующей клемме, он называется цепью положительной обратной связи.
Дифференциальный усилитель или вычитатель напряжения
Теперь давайте перейдем к нашей теме, Дифференциальный усилитель. Дифференциальный усилитель в основном принимает два значения напряжения, находит разницу между этими двумя значениями и усиливает их. Результирующее напряжение можно получить с выходного вывода. Базовая схема дифференциального усилителя показана ниже.
Но подождите! Разве это не то, что операционный усилитель делает по умолчанию, даже если у него нет обратной связи, он принимает два входа и передает их различия на выходной контакт. Тогда зачем нам все эти навороченные резисторы?
Ну да, но операционный усилитель при использовании в разомкнутом контуре (без обратной связи) будет иметь очень высокий неконтролируемый коэффициент усиления, что практически бесполезно.
Таким образом, мы используем описанную выше схему для установки значения усиления с помощью резисторов в цепи отрицательной обратной связи . В приведенной выше схеме резистор R3 действует как резистор отрицательной обратной связи, а резисторы R2 и R4 образуют делитель потенциала. Значение коэффициента усиления можно установить, используя правильное значение резисторов.
Как установить коэффициент усиления дифференциального усилителя?
Выходное напряжение показанного выше дифференциального усилителя может быть определено по следующей формуле
Vout = -V1 (R3/R1) + V2 (R4/(R2+R4))((R1+R3)/R1)
Приведенная выше формула была получена из передаточной функции приведенной выше схемы с использованием суперпозиции теорема. Но не будем вдаваться в подробности. Мы можем еще больше упростить приведенное выше уравнение, рассматривая R1=R2 и R3=R4. Таким образом, мы получим
.Vвых = (R3/R1)(V2-V1) , когда R1=R2 и R3=R4
Vвых = (R3/R1)(V2-V1) , когда R1=R2 и R3=R4
Из приведенной выше формулы можно сделать вывод, что отношение между R3 и R1 будет равно коэффициенту усиления усилителя.
Коэффициент усиления = R3/R1
Теперь давайте заменим значения резисторов для приведенной выше схемы и проверим, работает ли схема должным образом.
Моделирование схемы дифференциального усилителя
Значение резистора, которое я выбрал, составляет 10 кОм для R1 и R2 и 22 кОм для R3 и R4. Моделирование схемы для того же показано ниже.
В целях моделирования я подал 4 В для V2 и 3,6 В для V1. Резистор 22к и 10к по формулам установит коэффициент усиления 2,2 (22/10). Таким образом, вычитание будет 0,4 В (4-3,6), и оно будет умножено на значение усиления 2,2, поэтому результирующее напряжение будет 0,88 В, как показано в приведенном выше моделировании. Давайте также проверим то же самое, используя формулу, которую мы обсуждали ранее.
Vвых = (R3/R1)(V2-V1) , когда R1=R2 и R3=R4 = (22/10)(4-3,6) = (2,2) х (0,4) = 0,88 В
Проверка схемы дифференциального усилителя на оборудовании
Теперь самое интересное: давайте создадим ту же схему на макетной плате и проверим, сможем ли мы добиться таких же результатов. Я использую операционный усилитель LM324 для построения схемы и модуль питания макетной платы, который мы построили ранее. Этот модуль может обеспечить выход 5 В и 3,3 В, поэтому я использую шину питания 5 В для питания моего операционного усилителя и шину питания 3,3 В в качестве V1. Затем я использовал свой RPS (регулируемый источник питания), чтобы подать 3,7 В на контакт V2. Разница между напряжениями составляет 0,4, а усиление 2,2, что должно дать нам 0,88 В, и это именно то, что я получил. На рисунке ниже показана установка и мультиметр с показаниями 0,88 В.
Это доказывает правильность нашего понимания дифференциального операционного усилителя, и теперь мы знаем, как спроектировать его самостоятельно с требуемым коэффициентом усиления.
Полную работу также можно увидеть в видео ниже . Эти схемы чаще используются в приложениях управления громкостью.
Но поскольку схема имеет резисторы на стороне входного напряжения (V1 и V2), она не обеспечивает очень высокого входного импеданса, а также имеет высокий коэффициент усиления синфазного сигнала, что приводит к низкому коэффициенту CMRR. Чтобы преодолеть эти недостатки, существует импровизированная версия дифференциального усилителя, называемая инструментальным усилителем, но давайте оставим это для другого урока.
Надеюсь, вы поняли руководство и получили удовольствие от изучения дифференциальных усилителей. Если у вас есть какие-либо вопросы, оставьте их в разделе комментариев или используйте форумы для получения дополнительных технических вопросов и более быстрого ответа.
Операционный усилитель
Содержание
Операционный усилитель, также известный как операционный усилитель или просто операционный усилитель, представляет собой электронный усилитель напряжения с высоким коэффициентом усиления и связью по постоянному току с дифференциальным входом и, как правило, несимметричным выходом.
В этой конфигурации операционный усилитель создает выходной потенциал (относительно земли схемы), который обычно в 100 000 раз превышает разность потенциалов между его входными клеммами. Операционные усилители возникли в аналоговых компьютерах, где они использовались для выполнения математических операций во многих линейных, нелинейных и частотно-зависимых схемах.
Операционные усилители являются сегодня одними из наиболее широко используемых электронных устройств, используемых в широком спектре бытовых, промышленных и научных устройств. Многие стандартные операционные усилители на интегральных схемах стоят всего несколько центов при умеренном объеме производства; однако некоторые интегрированные или гибридные операционные усилители со специальными характеристиками могут стоить более 100 долларов США в небольших количествах. Операционные усилители могут быть упакованы как компоненты или использоваться как элементы более сложных интегральных схем.
Базовый операционный усилитель Характеристики идеального операционного усилителя- Обычно считается, что идеальный операционный усилитель имеет следующие характеристики:
- Бесконечное усиление без обратной связи G = vout / vin
- Бесконечное входное сопротивление Rin и, следовательно, нулевой входной ток
- Нулевое входное напряжение смещения
- Бесконечный диапазон выходного напряжения
- Бесконечная полоса пропускания с нулевым фазовым сдвигом и бесконечной скоростью нарастания
- Нулевой выходной импеданс Rout
- Нулевой шум
- Бесконечный коэффициент ослабления синфазного сигнала (CMRR)
- Бесконечный коэффициент ослабления источника питания
Реальные операционные усилители отличаются от идеальной модели в различных аспектах.
Основное применение операционного усилителя
Инвертирующий усилитель
Это означает, что если входной импульс положительный, то выходной импульс будет отрицательным и наоборот. На рисунке ниже показан инвертирующий операционный усилитель, построенный с использованием операционного усилителя и двух резисторов. Здесь мы подаем входной сигнал на инвертирующий вывод операционного усилителя через резистор Ri. Подключаем неинвертирующую клемму к земле. Кроме того, мы обеспечиваем обратную связь, необходимую для стабилизации схемы и, следовательно, для управления выходом, через резистор обратной связи Rf.
Инвертирующие усилители обладают превосходными линейными характеристиками, что делает их идеальными в качестве усилителей постоянного тока. Кроме того, они часто используются для преобразования входного тока в выходное напряжение в виде трансрезистивных или трансимпедансных усилителей.
Кроме того, их также можно использовать в аудиомикшерах при использовании в виде суммирующих усилителей.
Неинвертирующий усилитель
Неинвертирующий усилитель принимает входной сигнал через свой неинвертирующий терминал и выдает его усиленную версию на выходе. Как следует из названия, этот усилитель просто усиливает входной сигнал без инвертирования или изменения знака выходного сигнала. Когда мы подаем любой сигнал на неинвертирующий вход, он не меняет своей полярности при усилении на выходной клемме. Так что в этом случае коэффициент усиления усилителя всегда положительный.
Неинвертирующий усилительДифференциатор и интегратор
Дифференциатор на операционном усилителе представляет собой, по сути, инвертирующий усилитель с конденсатором подходящей емкости на входе. На рисунке ниже показана принципиальная принципиальная схема дифференциатора операционного усилителя.
Операционный усилитель в качестве дифференциатора Интегратор на основе операционного усилителя выдает выходной сигнал, являющийся интегралом входного напряжения, подаваемого на его инвертирующий вывод.
Принципиальная схема интегратора на основе операционного усилителя показана ниже
Сумматор, также известный как сумматор, представляет собой электронную схему, которая выдает выходной сигнал, равный сумме приложенных входных сигналов. В этом разделе обсуждается схема сумматора на основе операционного усилителя. Сумматор на основе операционного усилителя выдает выходной сигнал, равный сумме входных напряжений, приложенных к его инвертирующему выводу. Он также называется суммирующим усилителем, так как выход является усиленным.0002 Дифференциальный усилитель или вычитатель на операционном усилителе — это специально разработанная схема усилителя на основе операционного усилителя, которая усиливает разницу между двумя входными сигналами и подавляет любые сигналы, общие для обоих входов. Вычитатель на основе операционного усилителя производит выходной сигнал, равный разнице входных напряжений, приложенных к его инвертирующему и неинвертирующему выводам.
Его также называют дифференциальным усилителем, так как выходной сигнал является усиленным.
Операционные усилители представляют собой особенно универсальные схемные блоки. Они находят применение во множестве различных схем, где их характеристики высокого коэффициента усиления, высокого входного импеданса, низкого выходного импеданса и дифференциального входа позволяют обеспечить высокоэффективную схему с минимальным количеством компонентов. Используя отрицательную, а иногда и положительную обратную связь вокруг микросхемы операционного усилителя, их можно использовать во многих приложениях и схемах для обеспечения множества различных функций от усилителей и фильтров до генераторов, интеграторов и многих других функций. Существует множество схем операционных усилителей, которые охватывают большинство основных необходимых аналоговых функций. В результате операционные усилители стали рабочей лошадкой разработчиков аналоговой электроники.
