Работа операционного усилителя для чайников: 10 схем на (почти) все случаи жизни / Хабр

Содержание

10 схем на (почти) все случаи жизни / Хабр

Всем привет!

В последнее время я по большей части ушел в цифровую и, отчасти, в силовую электронику и схемы на операционных усилителях использую нечасто. В связи с этим, повинуясь неуклонному закону полураспада памяти, мои знания об операционных усилителях стали постепенно тускнеть, и каждый раз, когда все-таки надо было использовать ту или иную схему с их участием, мне приходилось гуглить ее расчет или искать его в книгах. Это оказалось не очень удобно, поэтому я решил написать своего рода шпаргалку, в которой отразил наиболее часто используемые схемы на операционных усилителях, приведя их расчет, а также результаты моделирования в LTSpice.



Введение

В рамках данной статьи будет рассмотрено десять широко используемых схем на операционных усилителя. При написании данной статьи я исходил из того, что читатель знает, что такое операционный усилитель и хотя бы в общих чертах представляет, как он работает. Также предполагается, что ему известны базовые вещи теории электрических цепей, такие как закон Ома или расчет делителя напряжения.

Не следует воспринимать эту статью как законченное руководство по применению операционных усилителей в любых ситуациях. Для большого количества задач, действительно, этих схем может быть достаточно, однако в сложных проектах всегда может потребоваться что-то нестандартное.

1. Неинвертирующий усилитель

Неинвертирующий усилитель – наверное, наиболее часто встречающаяся схема включения операционного усилителя, она приведена на рисунке ниже.

В этой схеме усиливаемый сигнал подается на неинвертирующий вход операционного усилителя, а сигнал с выхода через делитель напряжения попадает на инвертирующий вход.

Расчет этой схемы прост, он строится исходя из того, что операционный усилитель, охваченный петлей обратной связи, отрабатывает входное воздействие таким образом, чтобы напряжение на инвертирующем входе было равно напряжению на неинвертирующем:

Из этой формулы легко получается коэффициент усиления неинвертирующего усилителя:

Рассчитаем и промоделируем неинвертирующий усилитель со следующими параметрами:

  • Операционный усилитель LT1803
  • Коэффициент усиления
  • Частота входного сигнала
  • Амплитуда входного сигнала
  • Постоянная составляющая входного сигнала

Выберем из ряда Е96

и

. Тогда коэффициент усиления будет равен

Результат моделирования данной схемы приведен на рисунке (картинка кликабельна):


Давайте теперь рассмотрим граничные случаи этого усилителя. Допустим, величина сопротивления резистора . При этом мы получим, что коэффициент усиления будет стремиться к бесконечности. На самом деле, конечно, это хоть и очень большая, но все-таки конечная величина, она обычно приводится в документации на микросхему конкретного операционного усилителя. С другой стороны, величина выходного напряжения реального операционного усилителя даже при бесконечно большом коэффициенте усиления не может быть бесконечно большой: она ограничена напряжением питания микросхемы. На практике она зачастую даже несколько меньше, за исключением некоторых типов усилителей, которые отмечены как rail-to-rail. Но в любом случае не рекомендуется загонять операционные усилители в предельные состояния: это приводит к насыщению их внутренних выходных каскадов, нелинейным искажениям и перегрузкам микросхемы.

Поэтому данный предельный случай не несет какой-то практической пользы.

Гораздо больший интерес представляет собой другой предельный случай, когда величина сопротивления . Его мы рассмотрим в следующем разделе.

2. Повторитель

Как уже говорилось ранее, включение операционного усилителя по схеме повторителя – это предельный случай неинвертирующего усилителя, когда один из резисторов имеет нулевое сопротивление. Схема повторителя приведена на рисунке ниже.

Как видно из формулы, приведенной в прошлом разделе, коэффициент передачи для повторителя равен единице, то есть выходной сигнал в точности повторяет входной. Зачем же вообще нужен операционный усилитель в таком случае? Он выступает в роли буфера, обладая высоким входным сопротивлением и маленьким выходным. Когда это бывает нужно? Допустим, мы имеем какой-то источник сигнала с большим выходным сопротивлением и хотим этот сигнал без искажения передать на относительно низкоомную разгрузку. Если мы это сделаем напрямую, без каких бы то ни было буферов, то неизбежно потеряем какую-то часть сигнала.

Убедимся в этом с помощью моделирования схемы со следующими основными параметрами:

  • Выходное сопротивление источника сигнала 10 кОм
  • Сопротивление нагрузки 1 кОм
  • Частота входного сигнала
  • Амплитуда входного сигнала
  • Постоянная составляющая входного сигнала

Моделирования будем проводить для двух случаев: в первом случае пусть источник сигнала работает на нагрузку через повторитель, а во втором случае — напрямую.

Результаты моделирования приведены на рисунке ниже (картинка кликабельна): на верхней осциллограмме выходной и входной сигналы в точности совпадают друг с другом, тогда как на нижней сигнал на выходе в несколько раз меньше по амплитуде относительно сигнала на входе.

Вместо повторителя на операционном усилителе можно также использовать и эмиттерный повторитель на транзисторе, не забывая, однако, про присущие ему ограничения.

3. Инвертирующий усилитель (классическая схема)

В схеме инвертирующего усилителя входной сигнал подается на инвертирующий вывод микросхемы, на него же заведена и обратная связь.

Неинвертирующий вход при этом подключается к земле (иногда к источнику смещения). Типовая схема инвертирующего усилителя приведена на рисунке ниже.

Для входной цепи инвертирующего усилителя можно записать следующее выражение:

Где

— напряжение на инвертирующем входе операционного усилителя.

Поскольку операционный усилитель, охваченный петлей обратной связи, стремится выровнять напряжения на своих входах, то

, и при заземленном неинвертирующем входе получаем

Отсюда коэффициент усиления инвертирующего усилителя равен

По инвертирующему усилителю можно сделать следующие выводы:

  1. Инвертирующий усилитель инвертирует сигнал. Это значит, что необходимо применение двухполярного питания.
  2. Величина модуля коэффициента усиления инвертирующего усилителя равна отношению резисторов цепи обратной связи. При равенстве номиналов двух резисторов коэффициент усиления равен -1, т.е. инвертирующий усилитель работает просто как инвертор сигнала.
  3. Величина входного сопротивления инвертирующего усилителя равна величине резистора R1. Это важно, потому что при маленьких значениях R1 может сильно нагружаться предыдущий каскад.

Для примера рассчитаем инвертирующий усилитель со следующими параметрами:

  • Операционный усилитель LT1803
  • Коэффициент усиления
  • Частота входного сигнала
  • Амплитуда входного сигнала
  • Постоянная составляющая входного сигнала

В качестве резисторов в цепи обратной связи выберем резисторы номиналами

и

: их отношение как раз равно десяти.

Результаты моделирования усилителя приведены на рисунке (картинка кликабельна).


Как видим, выходной сигнал в 10 раз больше по амплитуде, чем входной, и при этом проинвертирован.

Входное сопротивление данной схемы равно . А что будет, если источник сигнала будет иметь значительное выходное сопротивление, допустим, эти же 10 кОм? Результат моделирования этого случая представлен на рисунке ниже (картинка кликабельна).


Амплитуда выходного сигнала просела в два раза по сравнению с предыдущим случаем! Очевидно, что это все из-за того, что выходное сопротивление генератора в этом случае равно входному сопротивлению инвертирующего усилителя. Таким образом, стоит всегда помнить про эту особенность инвертирующего усилителя. Как же быть, если все-таки требуется обеспечить работу источника сигнала с высоким выходным сопротивлением на инвертирующий усилитель? В теории надо увеличивать сопротивление R1. Однако одновременно с эти будет расти и сопротивление R2. Если мы хотим обеспечить входное сопротивление схемы в 500 кОм при коэффициенте усиления 10, резистор R2 должен иметь сопротивление в 5 МОм! Такие большие номиналы сопротивлений применять не рекомендуется: схема будет очень чувствительной к наводкам, пыли и флюсу на печатной плате. Есть ли какие-то выходы из этой ситуации? На самом деле да. Можно, например, использовать буфер-повторитель, который мы рассмотрели в прошлом разделе. А можно еще применить схему с Т-образным мостом в обратной связи, про нее поговорим в следующем разделе.

4. Инвертирующий усилитель с Т-образным мостом в цепи ОС

Схема инвертирующего усилителя с Т-образным мостом в цепи обратной связи приведена на рисунке ниже.

Коэффициент усиления этой схемы равен

Рассчитаем усилитель со следующими параметрами:

Расчет показывает, что следящие номиналы резисторов должны сформировать усилитель с Т-образным мостом, отвечающий заявленным требованиям:

Результаты моделирования схемы усилителя приведены на рисунке ниже (картинка кликабельна).


Попробуем теперь подключить источник с выходным сопротивлением 10 кОм, как мы это сделали в предыдущем разделе. Получим такую картинку (кликабельно):


Выходной сигнал практически не изменился по амплитуде по сравнению с предыдущим моделированием, и это ни в какое сравнение не идет с тем, насколько он проседал в схеме простого инвертирующего усилителя без Т-моста. Кроме того, как мы видим, эта схема позволяет обойтись без мегаомных резисторов даже при больших коэффициентах усиления и значительном входном сопротивлении.

5. Инвертирующий усилитель в схемах с однополярным питанием

Схемы с однополярным питанием распространены гораздо больше, чем схемы с двухполярным. Вместе с тем, как мы выяснили в прошлых двух разделах, при использовании схемы инвертирующего усилителя у нас меняется знак выходного напряжения, что влечет за собой обязательное применение двухполярного источника питания. Можно ли как-то обойти это ограничение и использовать инвертирующий усилитель в схемах с однополярным питанием? На самом деле можно, для этого надо на неинвертирующий вход усилителя подать напряжение смещения как показано на рисунке ниже


Примечание

Позиционные обозначения R1 и R2 показаны условно. Они одни и те же для разных резисторов на схеме, что, конечно, невозможно для реальной схемы, однако допускается на рисунке для подчеркивания того, что эти резисторы имеют одинаковые номиналы.

Расчет этой схемы строится все на том же принципе равенства напряжений на инвертирующем и неинвертирующем входах усилителя. Ток через цепочку резисторов R1-R2 инвертирующего плеча равен.

Отсюда напряжения на инвертирующем входе равно

Напряжение на неинвертирующем входе равно

Исходя из принципа равенства напряжения на инвертирующем и неинвертирующем входах получаем

Таким образом, напряжение на выходе операционного усилителя равно

Отсюда делаем вывод, что для корректной работы напряжения смещения

должно быть больше максимального входного напряжения с учетом подаваемого на вход напряжения смещения.

Промоделируем схему инвертирующего усилителя со следующими параметрами:

Результаты моделирования приведены на рисунке ниже (картинка кликабельна)


Как видим, мы получили усиленный в 10 раз инвертированный сигнал, при этом сигнал проинвертировался, однако, не залез в отрицательную область.

6. Инвертирующий сумматор

Операционный усилитель можно использовать для суммирования различных сигналов. С помощью резисторов можно задавать «вес» каждого из сигнала в общей сумме. Схема инвертирующего сумматора приведена на рисунке ниже.

Расчет инвертирующего сумматора очень прост и основывается на принципе суперпозиции: суммарный выходной сигнал равен сумме отдельных составляющих:

Рассчитаем и произведем моделирование инвертирующего сумматора со следующими параметрами:

Для обеспечения требуемых «весов»

,

и

выберем следущие номиналы резисторов из ряда Е96:

Результат моделирования приведен на рисунке ниже (картинка кликабельна).


Видим, что выходной сигнал проинвертирован и усилен в соответствии с выражением, приведенным выше. Однако стоит всегда помнить, что приведенное выше выражение верно для постоянных напряжений (либо же мгновенных значений переменного сигнала). Если же сдвинуть сигналы по фазе или если они будут обладать разной частотой, то результат будет совершенно другим. Аналитически его можно рассчитать, воспользовавшись формулами преобразования тригонометрических выражений (в случае, если мы имеем дело с синусоидальными сигналами). В качестве примера на рисунке ниже приведен результат моделирования инвертирующего сумматора для случая сдвинутых по фазе входных сигналов (изображение кликабельно).


Как видим, итоговый сигнал не превышает по амплитуде сигнал , а также имеет в начальной части артефакты, вызванные постепенным появлениями сигналов на входах.
Необходимо также помнить, что инвертирующий сумматор – по сути все тот же инвертирующий усилитель, и его входное сопротивление определяется величиной резистора в цепи обратной связи, поэтому его надо аккуратно применять в случаях, если источник сигнала имеет большое выходное сопротивление.

7. Дифференциальный усилитель

Дифференциальный усилитель предназначен для усиления разности сигналов, поступающих на его входы. Такое включение усилителей широко используется, например, для усиления сигнала с резистора-шунта-датчика тока. Что немаловажно, операционный усилитель в таком включении помимо, собственно, усиления сигнала, давит синфазную помеху.

Схема дифференциального усилителя приведена на рисунке.

Для дифференциального усилителя можно записать следующие выражения:

Решая эту систему уравнений, получаем

Если мы примем, что

то данное выражение упрощается и преобразуется в

Таким образом, коэффициент усиления дифференциального сигнала определяется отношением R2 к R1.

Эта формула (да и сама схема включения дифференциального усилителя) очень похожа на рассмотренный ранее случай инвертирующего усилителя в схеме с однополярным питанием. Действительно, все так и есть: схема инвертирующего усилителя с однополярным питанием и напряжением смещения есть частный случай дифференциального усилителя, просто в ней на один из входов подается не какой-то переменный сигнал, а постоянное напряжение.

Произведем моделирование схемы со следующими параметрами:

Результаты моделирования приведены на рисунке ниже (изображение кликабельно).


Как видим, разница между сигналами и в 5 мВ оказалась усиленной в 50 раз и стала 250 мВ.

Посмотрим теперь, как дифференциальный усилитель давит синфазную помеху. Для этого подключим к сигналам и общий генератор белого шума и произведем моделирование, его результаты представлены на рисунке (картинка кликабельна).


На верхней осциллограмме приведены сигналы и с добавленной помехой: самого сигнала уже даже не видно за шумами. На нижней осциллограмме приведен результат работы дифференциального усилителя. Поскольку помеха одна и та же для инвертирующего и неинвертирующего входа, дифференциальный усилитель ее убирает, и в результате мы имеем чистый сигнал, не отличающийся от случая без помехи.

Однако стоит все же помнить, что способность операционного усилителя давить синфазную помеху не бесконечна, данный параметр обычно приводится в документации на операционный усилитель. Кроме того, нельзя забывать и про величину входного сопротивления дифференциального усилителя со стороны инвертирующего входа: оно по-прежнему может быть невелико.

8. Источник тока

Операционный усилитель при определенном включении может работать как источник тока. Источник тока поддерживает постоянный ток вне зависимости от величины сопротивления нагрузки (в идеальном источнике нагрузка может быть вообще любая, в реальном – не больше какой-либо величины, пропорциональной максимально возможному напряжению, которое может сформировать на ней источник тока). Возможно как минимум две схемы источника тока на операционном усилителе: с плавающей нагрузкой и с заземленной нагрузкой. Схема источника тока с плавающей нагрузкой предельно проста и приведена на рисунке ниже

Как видим, на неинвертирующий вход подается опорное напряжение, а в роли нагрузки выступает один из элементов обратной связи. Величина тока при этом определяется следующим выражением

Однако все-таки чаще требуется, чтобы нагрузка была заземлена. В этому случае схема немного усложняется: потребуется дополнительный транзистор. Для этих целей лучше брать полевой транзистор: у биполярного транзистора токи коллектора и эмиттера немного отличаются из-за тока базы, что приведет к менее стабильной работе источника тока. Схема источника тока на операционном усилителе с заземленной нагрузкой приведена на рисунке ниже

Величина тока рассчитывается так:

Произведем расчет и моделирование источника тока со следующими параметрами:

  • Операционный усилитель LT1803
  • Величина силы тока
  • Величина сопротивления нагрузки

Для обеспечения заданных характеристик подойдут следующие номиналы сопротивлений резисторов:

Результат моделирования источника тока с заданными параметрами представлен на рисунке ниже (изображение кликабельно).


На рисунке приведено два графика. Верхний график показывает величину тока через сопротивление нагрузки, и она равна 10 мА. Нижний график показывает напряжение на нагрузке, оно равно 100 мВ. Попробуем теперь изменить сопротивление нагрузки: вместо 10 Ом возьмем 100 Ом и промоделируем (изображение кликабельно):


Как мы видим, через нагрузку течет все тот же самый ток в 10 мА: операционный усилитель отработал изменение нагрузки, повысив на ней напряжение, оно теперь стало равным 1 В. Но в реальности операционный усилитель не сможет поднимать напряжение бесконечно: оно ограничено напряжением источника питания (а зачастую еще и несколько меньше него). Что же будет, если задать сопротивление нагрузки слишком высоким? По сути, источник тока перестает работать. На рисунке ниже пример моделирования источника с сопротивление нагрузки в 1 кОм (изображение кликабельно).


Согласно графику, ток через нагрузку теперь уже никакие не 10 мА, а всего лишь 4 мА. При дальнейшем повышении сопротивления нагрузки ток будет все меньше и меньше.

Дополнительно по приведенным схемам источников тока на операционных усилителях надо отметить, что стабильность выходного тока в них зависит от стабильности напряжения , в связи с этим оно должно быть хорошо стабилизированным. Существуют более сложные схемы, которые позволяют уйти от этой зависимости, но в рамках данной статьи мы их рассматривать не будем.

9. Интегратор на операционном усилителе

Думаю, что все читатели знакомы с классической схемой интегратора на RC-цепочке:

Эта схема чрезвычайно широко используется на практике, однако имеет в себе один серьезный недостаток: выходное сопротивление этой схемы велико и, как следствие, входной сигнал может существенно ослабляться. Для устранения этого недостатка возможно использование операционного усилителя.

Простейшая схема интегратора на операционном усилителе, встречающаяся во всех учебниках, приведена на рисунке ниже.

Как видно из рисунка — это инвертирующий интегратор, т.е. помимо интегрирования сигнала, он меняет также и его полярность. Следует отметить, что это требуется далеко не всегда. Еще один серьезный недостаток этой схемы — конденсатор интегратора накапливает в себе заряд, который надо как-то сбрасывать. Для этого можно либо применять резистор, включенный параллельно с конденсатором (однако необходимо учитывать также его влияние на итоговый сигнал), либо же сбрасывать заряд с помощью полевого транзистора, открывая его в нужные моменты времени. По этой причине я решил рассмотреть более подробно другую схему интегратора с использованием операционного усилителя, которая, на мой взгляд, заслуживает больший практический интерес:

Как видно из рисунка, эта схема представляет собой классический интегратор на RC-цепочке, к которому добавлен повторитель на операционном усилителе: с помощью него решается проблема выходного сопротивления.

Интегратор можно также рассматривать как фильтр нижних частот. Частота среза АЧХ фильтра высчитывается по формуле

Тут стоит обратить внимание на один очень важный момент. Надо всегда помнить, что частота среза, рассчитанная выше, верна только для RC-цепочки и не учитывает частотных свойств самого операционного усилителя. Частотными свойствами операционного усилителя можно пренебречь, если мы попадаем в его рабочий диапазон частот, но если мы вдруг выйдем за него, то итоговая частотная характеристика схемы будет совсем не такой, как мы ожидали. Грубо говоря, если у нас RC-цепочка настроена на 1 МГц, а операционный усилитель позволяет работать до 100 МГц – все хорошо. Но если у нас цепочка на 10 МГц, а операционный усилитель работает до 1 МГц – все плохо.

В качестве примера рассчитаем ФНЧ со следующими параметрами частотой среза АЧХ в 1 МГц. Для такой частоты можно выбрать

  • Частота среза АЧХ
  • Операционный усилитель LT1803 (Максимальная частота 85 МГц)

Для заданной частоты среза АЧХ подойдут следующие номиналы сопротивления и емкости RC-цепочки:

Результат моделирования приведен на рисунке ниже (изображение кликабельно). На этом рисунке показаны две частотные характеристики: отдельно для RC-цепочки (красная линия) и для всей схемы целиком (RC-цепочка+операционный усилитель, зеленая линия).


Как видно из рисунка, красная и зеленая линии сначала совпадают, а начиная с определенной частоты зеленая идет вниз гораздо круче. Это как раз и объясняется тем, что на частотные свойства схемы начинает оказывать влияние уже сам операционный усилитель.

Ну и поскольку все-таки мы рассматриваем интегратор, то на следующем рисунке (кликабельно) приведена классическая картинка из учебников: интегрирование прямоугольных импульсов. Параметры интегратора те же, какие были в предыдущем моделировании частотной характеристики.

10. Дифференциатор на операционном усилителе

Схема простейшего дифференциатора на RC-цепочке известна ничуть не меньше, чем схема интегратора:

Эта схема имеет все тот же недостаток, связанный с высоким выходным сопротивлением, и для его устранения можно аналогичным образом применить операционный усилитель. Схема инвертирующего дифференциатора получается из схемы инвертирующего интегратора путем замены конденсаторов на резисторы и резисторов на конденсаторы, она приведена на рисунке ниже.

Однако и в этом случае более подробно рассмотрим другую схему, состоящую из классического дифференциатора на RC-цепочке и повторителя на операционном усилителе:

Если интегратор мы рассматривали как простейший фильтр нижних частот, то дифференциатор наоборот – фильтр верхних частот. Частота среза АЧХ считается все по той же формуле

В случае дифференциатора также нельзя забывать про частотные свойства самого операционного усилителя: здесь они выражены даже более ярко, чем в случае с интегратором. Как мы уже убедились в прошлом разделе, начиная с определенной частоты операционный усилитель работает как фильтр нижних частот, тогда как дифференциатор – это фильтр верхних частот. Вместе они будут работать как полосовой фильтр.

В качестве примера рассчитаем ФВЧ с частотой среза АЧХ равной тем же 1 МГц. Для такой частоты можно выбрать все те же номиналы компонентов, которые были в случае ФНЧ:

Результат моделирования приведен на рисунке ниже (картинка кликабельна). На этом рисунке показаны две частотные характеристики: отдельно для RC-цепочки (красная линия) и для всей схемы целиком (RC-цепочка + операционный усилитель, зеленая линия).


Как видно из рисунка, красная и зеленая линии сначала совпадают, а начиная с определенной частоты, зеленая линия идет резко вниз, тогда как красная линия, отражающая работу непосредственно самой RC-цепочки, горизонтальна.

Работа дифференциатор при подаче на его вход прямоугольных импульсов приведена на рисунке ниже (изображение кликабельно).

Заключение

В данной статье мы рассмотрели десять наиболее часто встречающихся схем на операционных усилителях. Операционный усилитель – мощный инструмент в умелых руках, и количество схем, которые можно создать с его помощью, конечно, многократно превосходит то, что было рассмотрено, однако, надеюсь, данный материал будет кому-то полезен и поможет более уверенно использовать этот компонент в своих разработках.

Полезные ссылки
  1. Хоровиц П., Хилл У. Искусство схемотехники: — Изд. 2-е. — М.: Издательство БИНОМ — 2014. — 704 с
  2. Картер Б., Манчини Р. Операционные усилители для всех — М.: Издательский дом «Додэка — XXI» — 2011. — 509 с
  3. LT1803

принцип работы, схемы и т.д.

Дифференциальный усилитель — операционный усилитель, являющийся сочетанием инвертирующего и неинвертирующего усилителей.

Дифференциальные усилители могут определить и усиливать разницу между входными сигналами. Поскольку многие дифференциальные усилители способны определять очень маленькую по величине разницу, они очень часто используются в контрольно-измерительных устройствах.

Схема дифференциального усилителя
Обратите внимание на основы электричества и на приборы электроники.

Дифференциальный усилитель состоит из одного операционного усилителя и нескольких резисторов. Отличие дифференциального усилителя от других усилителей состоит в том, что обычно напряжение подается на оба его входа. Именно это позволяет легко отличить дифференциальный усилитель на принципиальной схеме.

К недостатка дифференциальных усилителей можно отнести входное сопротивление усилителя, которое слишком низкое для его широкого использования. Также затруднительно регулировать коэффициент усиления усилителя так, чтобы это не влияло на его входное сопротивление, поскольку входному резистору и резистору цепи обратной связи должны соответствовать уравновешивающие их резисторы.

Принцип действия дифференциального усилителя

В схемах других операционных усилителей напряжение на опорном соединении всегда было равно входному напряжению, но с дифференциальным усилителем дело обстоит иначе. В дифференциальном усилителе напряжение на опорном соединении всегда будет отличаться от напряжения на неинвертирующем входе; фактически, оно всегда будет ниже напряжения на неинвертирующем входе.

Инвертирующий вход дифференциального усилителя имеет те же характеристики, что и инвертирующего усилителя.

В дифференциальном усилителе выходное напряжение, образующееся при подаче напряжения на инвертирующий вход, если его рассматривать отдельно, и выходное напряжение, образующееся при подаче напряжения на неинвертирующий вход, если его также рассматривать отдельно, равны указанным входным напряжениям, умноженным на коэффициент усиления усилителя. Кроме того, коэффициент усиления усилителя равен отношению сопротивления резистора цепи обратной связи к входному резистору, Rfb/Rin.

Некоторые дифференциальные усилители имеют встроенные защитные схемы, предохраняющие от чрезмерного входного напряжения. Другие усилители не имеют внутренних компенсирующих элементов и поэтому должны использовать внешние элементы. Для этих целей обычно используются диоды, называемые фиксирующими диодами. Вместо обычных диодов могут быть использованы стабилитроны. Если превышено предельно допустимое дифференциальное входное напряжение, стабилитроны переходят в проводящее состояние, отводя чрезмерное входное напряжение в обход входных зажимов усилителя. И наконец, дифференциальные усилители могут иметь элементы частотной коррекции.

Операционный усилитель — это… Что такое Операционный усилитель?

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

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

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

История

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

Ламповый операционный усилитель K2-W.

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

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

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

Обозначения

Обозначение операционного усилителя на схемах

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

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

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

Основы функционирования

ОУ 741 в корпусе TO-5

Питание

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

  • U+ (к нему подключается VS+)
  • 0
  • U (к нему подключается VS-)

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

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

Простейшее включение ОУ

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

((1))

здесь

  • Vout: напряжение на выходе
  • V+: напряжение на неинвертирующем входе
  • V: напряжение на инвертирующем входе
  • Gopenloop: коэффициент усиления с разомкнутой петлёй обратной связи

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

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

Идеальный операционный усилитель

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

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

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

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

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

Другими словами, при указанных условиях всегда выполняется равенство:

(2)

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

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

Простейший неинвертирующий усилитель на ОУ

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

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

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

Обозначение операционного усилителя на схемах, неинвертирующая схема включения

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

Пусть, K — коэффициент деления напряжения резистивным делителем R1R2:

K = R1 / (R1 + R2)

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

V+ = Vin
V = K Vout
Vout = Gopenloop(VinK Vout)

Решая данную систему относительно Vout / Vin, получаем:

Vout/Vin = Gopenloop/(1 + Gopenloop K)

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

Vout/Vin = 1/K = 1 + (R2/R1)

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

Отличия реальных ОУ от идеального

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

Параметры по постоянному току

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

Параметры по переменному току

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

Нелинейные эффекты

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

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

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

Ограничения тока и напряжения

  • Ограниченное выходное напряжение. У любого ОУ потенциал на выходе не может быть выше, чем потенциал положительной шины питания и не может быть ниже, чем потенциал отрицательной шины питания (в случае, если нагрузка отсутствует, или является резистивной и не содержит источник тока). Другими словами, выходное напряжение не может выйти за пределы питающего напряжения. Например, для ОУ opa277[1] выходное напряжение находится в пределах от VS−+0,5 В до VS+-2 В при сопротивлении нагрузки 10 кОм. Ширина этих «мертвых зон» выходного напряжения, которых выход ОУ не может достичь, зависит от ряда условий (сопротивление нагрузки, направление выходного тока и др.). Существуют ОУ, у которых мертвые зоны минимальны, например, по 50 мВ до шин питания при нагрузке 10 кОм для opa340[2], эта особенность ОУ называется «rail-to-rail» (от шины до шины).
  • Ограниченный выходной ток. Большинство ОУ широкого применения имеют встроенную защиту от превышения выходного тока — типичное значение максимального тока 25 мА. Защита предотвращает перегрев и выход ОУ из строя.
Мощные ОУ, такие как К157УД1, могут иметь крепление для радиатора.
  • Ограниченная выходная мощность. Большинство ОУ предназначено для применений, не требовательных к мощности: сопротивление нагрузки не должно быть менее 2 кОм.

Классификация ОУ

По типу элементной базы

[7]

По области применения

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

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

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

Другие классификации

По входным сигналам:

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

По выходным сигналам:

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

Использование ОУ в схемотехнике

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

Принципиальная схема операционного усилителя

Схемы на операционных усилителях

Операционные усилители являются основным элементом для дифференциаторов.

Области применения

См. также

Примечания

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

Ссылки

Схемы включения операционных усилителей | HomeElectronics

Прошлая статья открыла цикл статей про строительные кирпичики современной аналоговой электроники – операционные усилители. Было дано определение ОУ и некоторые параметры, также приведена классификация операционных усилителей. Данная статья раскроет такое понятие как идеальный операционный усилитель, и будут приведены основные схемы включения операционного усилителя.

Для сборки радиоэлектронного устройства можно преобрески DIY KIT набор по ссылке.

Идеальный операционный усилитель и его свойства

Так как наш мир не является идеальным, так и идеальных операционных усилителей не существует. Однако параметры современных ОУ находятся на достаточно высоком уровне, поэтому анализ схем с идеальными ОУ даёт результаты, очень близкие к реальным усилителям.

Для понимания работы схем с операционными усилителями вводится ряд допущений, которые приводят реальные операционные усилители к идеальным усилителям. Таких допущений всего пять:

  1. Ток, протекающий через входы ОУ, принимается равным нулю.
  2. Коэффициент усиления ОУ принимается бесконечно большим, то есть выходное напряжение усилителя может достичь любых значений, однако в реальность ограничено напряжением питания.
  3. Разность напряжений между входами идеального ОУ равна нулю, то есть если один из выводов соединён с землёй, то и второй вывод имеет такой же потенциал. Отсюда также следует, что входное сопротивление идеального усилителя бесконечно.
  4. Выходное сопротивление идеального ОУ равно нулю.
  5. Амплитудно-частотная характеристика идеального ОУ является плоской, то есть коэффициент усиления не зависит от частоты входного сигнала.

Близость параметров реального операционного усилителя к идеальным определяет точность, с которой может работать данный ОУ, а также выяснить ценность конкретного операционного усилителя, быстро и правильно сделать выбор подходящего ОУ.

Исходя из вышеописанных допущений, появляется возможность проанализировать и вывести соотношения для основных схем включения операционного усилителя.

Основные схемы включения операционного усилителя

Как указывалось в предыдущей статье, операционные усилители работают только с обратными связями, от вида которой зависит, работает ли операционный усилитель в линейном режиме или в режиме насыщения. Обратная связь с выхода ОУ на его инвертирующий вход обычно приводит к работе ОУ в линейном режиме, а обратная связь с выхода ОУ на его неинвертирующий вход или работа без обратной связи приводит к насыщению усилителя.

Неинвертирующий усилитель

Неинвертирующий усилитель характеризуется тем, что входной сигнал поступает на неинвертирующий вход операционного усилителя. Данная схема включения изображена ниже



Схема включения неинвертирующего усилителя.

Работа данной схемы объясняется следующим образом, с учётом характеристик идеального ОУ. Сигнала поступает на усилитель с бесконечным входным сопротивлением, а напряжение на неинвертирующем входе имеет такое же значение, как и на инвертирующем входе. Ток на выходе операционного усилителя создает на резисторе R2 напряжение, равное входному напряжению.

Таким образом, основные параметры данной схемы описываются следующим соотношением



Отсюда выводится соотношение для коэффициента усиления неинвертирующего усилителя



Таким образом, можно сделать вывод, что на коэффициент усиления влияют только номиналы пассивных компонентов.

Необходимо отметить особый случай, когда сопротивление резистора R2 намного больше R1 (R2 >> R1), тогда коэффициент усиления будет стремиться к единице. В этом случае схема неинвертирующего усилителя превращается в аналоговый буфер или операционный повторитель с единичным коэффициентом передачи, очень большим входным сопротивлением и практически нулевым выходным сопротивлением. Что обеспечивает эффективную развязку входа и выхода.

Инвертирующий усилитель

Инвертирующий усилитель характеризуется тем, что неинвертирующий вход операционного усилителя заземлён (то есть подключен к общему выводу питания). В идеальном ОУ разность напряжений между входами усилителя равна нулю. Поэтому цепь обратной связи должна обеспечивать напряжение на инвертирующем входе также равное нулю. Схема инвертирующего усилителя изображена ниже



Схема инвертирующего усилителя.

Работа схемы объясняется следующим образом. Ток протекающий через инвертирующий вывод в идеальном ОУ равен нулю, поэтому токи протекающие через резисторы R1 и R2 равны между собой и противоположны по направлению, тогда основное соотношение будет иметь вид










Тогда коэффициент усиление данной схемы будет равен



Знак минус в данной формуле указывает на то, что сигнал на выходе схемы инвертирован по отношению к входному сигналу.

Интегратор

Интегратор позволяет реализовать схему, в которой изменение выходного напряжения пропорционально входному сигналу. Схема простейшего интегратора на ОУ показана ниже



Интегратор на операционном усилителе.

Данная схема реализует операцию интегрирования над входным сигналом. Я уже рассматривал схемы интегрирования различных сигналов при помощи интегрирующих RC и RL цепочек. Интегратор реализует аналогичное изменение входного сигнала, однако он имеет ряд преимуществ по сравнению с интегрирующими цепочками. Во-первых, RC и RL цепочки значительно ослабляют входной сигнал, а во-вторых, имеют высокое выходное сопротивление.

Таким образом, основные расчётные соотношения интегратора аналогичны интегрирующим RC и RL цепочкам, а выходное напряжение составит



Интеграторы нашли широкое применение во многих аналоговых устройствах, таких как активные фильтры и системы автоматического регулирования

Дифференциатор

Дифференциатор по своему действию противоположен работе интегратора, то есть выходной сигнал пропорционален скорости изменения входного сигнала. Схема простейшего дифференциатора показана ниже



Дифференциатор на операционном усилителе.

Дифференциатор реализует операцию дифференцирование над входным сигналом и аналогичен действию дифференцирующих RC и RL цепочек, кроме того имеет лучшие параметры по сравнению с RC и RL цепочками: практически не ослабляет входной сигнал и обладает значительно меньшим выходным сопротивлением. Основные расчётные соотношения и реакция на различные импульсы аналогична дифференцирующим цепочкам.

Выходное напряжение составит



Логарифмирующий преобразователь

Одной из схем на операционном усилителе, которые нашли применение, является логарифмирующий преобразователь. В данном схеме используется свойство диода или биполярного транзистора. Схема простейшего логарифмического преобразователя представлена ниже



Логарифмирующий преобразователь.

Данная схема находит применение, прежде всего в качестве компрессора сигналов для увеличения динамического диапазона, а так же для выполнения математических функций.

Рассмотрим принцип работы логарифмического преобразователя. Как известно ток, протекающий через диод, описывается следующим выражением



где IO – обратный ток диода,
е – число е, основание натурального логарифма, e ≈ 2,72,
q – заряд электрона,
U – напряжение на диоде,
k – постоянная Больцмана,
T – температура в градусах Кельвина.

При расчётах можно принимать IO ≈ 10-9 А, kT/q = 25 мВ. Таким образом, входной ток данной схемы составит



тогда выходное напряжение



Простейший логарифмический преобразователь практически не используется, так как имеет ряд серьёзных недостатков:

  1. Высокая чувствительность к температуре.
  2. Диод не обеспечивает достаточной точности преобразования, так как зависимость между падением напряжения и током диода не совсем логарифмическая.

Вследствие этого вместо диодов применяют транзисторы в диодном включении или с заземлённой базой.

Экспоненциальный преобразователь

Схема экспоненциального преобразователь получается из логарифмического преобразователя путём перемены места диода и резистора в схеме. А работа такой схемы так же как и логарифмического преобразователя основана на логарифмической зависимости между падение напряжения на диоде и током протекающим через диод. Схема экспоненциального преобразователя показана ниже



Экспоненциальный преобразователь.

Работа схемы описывается известными выражениями






Таким образом, выходное напряжение составит



Также как и логарифмический преобразователь, простейший экспоненциальный преобразователь с диодом на входе применяют редко, вследствие вышеописанных причин, поэтому вместо диодов на входе используют биполярные транзисторы в диодном включении или с общей базой.

Схемы включения операционных усилителей, описанные выше, не являются исчерпывающими, а лишь только призваны дать основные понятия. Более подробно схемы включения операционных усилителей я рассмотрю в следующих статьях. Всем удачи.

Теория это хорошо, но без практического применения это просто слова.Здесь можно всё сделать своими руками.

Компаратор. Описание и применение. Часть 1

В данной статье разберёмся как работает компаратор на операционном усилителе.

Операционные усилители – очень мощный инструмент современного радиолюбителя. Одной из самых простых схем его использования является подключение по схеме компаратора.

Название компаратор прижилось в отечественной литературе. Произошло оно от заимствования с английского слова compare = сравнить. Поэтому многие радиолюбители называют компаратор сравнивающим устройством.

Обычно для экономии стоимости данные схемы реализуют на операционных усилителях, но бывают и специализированные микросхемы компараторов. Они, как правило, имеют лучшее быстродействие и меньшее падение напряжения на самой микросхеме, но их невозможно использовать в качестве операционного усилителя. В данной статье речь пойдёт о использовании именно операционника (ОУ) в качестве компаратора. А вариант с использованием специализированных компараторов будет рассмотрен позже.

Наглядно эта схема показана на следующем рисунке:


Рис.1. Схема подключения операционного усилителя в качестве компаратора.

Компаратор напряжения — выход с открытым коллектором

Как правило, выход компаратора напряжения представляет собой выход с открытым коллектором.

Выход открытый коллектор имеет отрицательную полярность. Это означает, что на этом выходе не бывает положительного сигнала и нагрузка должна подключаться между этим выходом и источника питания.

В некоторых схемах к выходу компаратора подключают нагрузочный (подтягивающий) резистор для того, чтобы обеспечить сигнал высокого уровня поступающего на вход следующего элемента схемы.

Операционные усилители (ОУ), такие как LM324, LM358 и LM741 обычно не используются в радиоэлектронных схемах в качестве компаратора напряжения из-за их биполярных выходов. Тем не менее, эти операционные усилители могут быть использованы в качестве компараторов напряжения, если к выходу ОУ подключить диод или транзистор для того чтобы создать выход с открытым коллектором.

Ниже представлена логика работы компаратора имеющий выход с открытым коллектором:

Ток будет течь через открытый коллектор, когда напряжение на входе (+) будет ниже, чем напряжение на входе (-). И соответственно ток не будет протекать через открытый коллектор, когда напряжение на входе (+) будет выше, чем напряжение на входе (-).

Принцип работы

Для того, чтобы продемонстрировать, как работает быстродействующий компаратор с гистерезисом, нужно взять схему с двумя выходами.


Фото — схема работы компаратора

Схема включения, по которой можно понять принцип работы компаратора, показана выше. Используя аналоговый сигнал во + входе, именуемым «неинвертируемым», и выходе, который называется под названием «инвертируемый», устройство использует два аналогичных разнополярных сигнала. При этом если аналоговый вход больше, чем аналоговый выход, то выход будет «1», и это включит открытый коллектор транзистора Q8 на эквивалентной схеме LM339, которую нужно включить. Но, если вход находится на отрицательном уровне, то сигнал будет равняться «0», из-за чего, коллектор будет находиться в закрытом виде.

Практически всегда двухпороговый или фазовый компаратор (например, на транзисторах, без усилителя) воздействует на входы в логических цепях, соответственно, работает по уровню определенной сети питания. Это своеобразный элемент перехода между аналоговыми и цифровыми сигналами. Такой принцип действия позволяет не уточнять определенность или неопределенность выходов сигналов, т. к. компаратор всегда имеет некий захват петли гистерезиса (независимо от её уровня) или окончательный коэффициент усиления.

Схема эквивалента компаратора напряжения с однополярным источником питания

Принципиальная схема «компаратор напряжения» эквивалентна работе операционного усилителя, например, LM358 или LM324, имеющим на выходе два транзистора типа NPN (см. выше). Таким образом, можно сделать все 4 выхода ОУ (LM339) с открытым коллектором. Каждый такой выход может выдерживать ток нагрузки 15 мА и напряжение до 50 вольт.

Выход включается или выключается в зависимости от относительных напряжений на плюсовом (+) и минусовом (-) входах компаратора. Входы компаратора крайне чувствительны и разница напряжения между ними всего лишь в несколько милливольт приводит к переключению его выхода.

Назначение

Зачем нужен компаратор и как его использовать без усилителя? В большинстве случаев, этот прибор применяется в несложных компьютерных схемах, где нужно сравнивать сигналы входящего напряжения. Это может быть зарядное устройство для ноутбука или телефона, весы (определитель массы), датчик сетевого напряжения AVR, таймер (компоратор типа lm 358, микроконтроллер и т. д. Также его применяют различные интегральные микросхемы для контроля входных импульсов, обеспечивая связь между источником сигнала и его центром назначения.


Фото — компараторы для компьютера

Наиболее популярным примером является компаратор триггер (регулятор) Шиммера. Он работает в режиме многоканальности, соответственно, может сравнивать большое количество сигналов. В частности, данный триггер применяется для того, чтобы восстановить цифровой сигнал, который искажает связь в зависимости от уровня напряжения и расстояния источника питания.

Это аналог стандартного компаратора, просто с более расширенным функционалом, который обеспечивает измерение нескольких входящих сигналов.


Фото — ОУ компаратор

Также есть компаратор шероховатости. Это устройство, которое помогает визуально определить состояние поверхности, которая уже подвергалась обработке. Применение этого приспособления обосновано необходимостью определять допуски обработанных ранее поверхностей.

Схема эквивалента компаратора напряжения с двухполярным источником питания

Компараторы напряжения LM339, LM393 и LM311могут работать с одно- или двухполярным источником питания до 32 вольт максимум.

При работе с двухполярным питанием, режим сравнения напряжения остается таким же, за исключением того, что для большинства схем эмиттер выходного транзистора подключается к отрицательной шине питания, а не к общей цепи. Исключением из этого правила является операционный усилитель LM311, имеющий изолированный эмиттер, который можно подключить как к минусу однополярного источника питания, так или к общему проводу двухполярного.

При работе с двухполярным источником питания, входное напряжение может быть выше или ниже относительно общего провода блока питания. Кроме того, один из входов компаратора может быть подключен к общему проводу, таким образом создается детектор «пересечение нуля».

Как обозначается компаратор на схемах

На схемах компаратора и в электротехнических схемах графическое обозначение измерителя выполняется в форме треугольника, имеющего три выхода. Они обозначаются символами «+» и «-», соответствующих неинвертирующим/инвертирующим показателям, также представляется выходной маркирующий знак «Uout».


Обозначение на схемах

Когда (+) на входе микрочипа, степень сигнала станет больше, чем конкретно на инверсном ( — ), то на выводе будет образовываться устойчивое значение. Исходя из схемотехнической базы компаратора, это число имеет возможность принимать вариант логического «0» либо «1». В цифровых электронных устройствах за «12» принимается сигнал, степень напряжения которого имеет 5В, а за «0» установлено его отсутствие. Другими словами, положение выхода измерителя устанавливается как высокое либо низкое. Хотя обычно на практике за логический «0» принимают разность потенциалов до 2.7 В.

Описание работы компаратора

Следующий рисунок показывает простейшую конфигурацию для компаратора напряжения, а так же графическое изображение режима его работы. В этой схеме опорное напряжение составляет половину напряжения питания, а входное напряжение может меняться от нуля до напряжения питания. В теории опорное и входное напряжение могут иметь значение от нуля и до напряжения источника питания, но есть реальные ограничения, зависящие от конкретно используемого компаратора.

Сигнал на выходе:

  1. Ток будет течь через открытый коллектор, когда напряжение на входе плюс (+) ниже, чем напряжение на входе минус (-).
  2. Ток не будет протекать через открытый коллектор, когда напряжение на входе плюс выше, чем напряжение на входе минус.

Компараторы. Устройство и работа. Виды и применение. Особенности

Компараторы — название произошло от принципа работы – сравнения. Так функционируют приборы, производящие измерения способом сравнивания с эталоном: весы с одинаковыми плечами, электрические потенциометры.

По своей принципиальной работе компараторы делятся на механические, электрические и оптические. Приборы с механической конструкцией применяются для проверки конечных мер длины. Компараторы для таких целей впервые применены во Франции в 1792 году, об этом имеется информация в энциклопедиях. Такой компаратор на механической основе работал для поверки эталонного метра во время появления метрической системы Франции. Точность таких замеров компаратора рычагами доходила до 0,0005 мм. Это большая точность для того периода времени.

Наша задача рассмотреть компараторы, применяющиеся в современное время в электротехнике для напряжения.

Принцип работы и виды интегральных компараторов

Компаратор с двумя входами и одним выходом. Причем один из входов является прямым, а другой инверсным. На эти входы поступает напряжение, которые устройство сравнивает. В зависимости от этого сравнения на своем выходе устройство устанавливает либо логический ноль, когда напряжение на инверсном входе выше, чем на прямом, либо логическую 1, когда напряжение входа прямого выше, чем на инверсном.

На схеме видно стандартное обозначение компаратора. Компаратор сам по себе достаточно универсален и находит широкое применение в радиолюбительской деятельности. На основе компаратора можно собрать таймер, мультивибратор и даже драйвер для светодиодов.

При выборе компаратора следует обратить внимание на следующие параметры:
  • Диапазон напряжения питания.
  • Диапазон входных напряжений.
  • Максимальный ток на выходе компаратора.
  • Тип выхода.

Не все компараторы могут установить плюс питания на выходе. Рассмотрим работу компаратора на простой схеме.

Данная схема построена на переменном резисторе 20 кОм, двух постоянных резисторов 10 кОм, которые образуют собой делитель напряжения на постоянных резисторах. Они подключены к инвертирующему входу. К нему же подключен делитель напряжения на переменном резисторе.

Выход компаратора представляет собой коллектор внутреннего транзистора, эмиттер которого подключен к земле. Этот транзистор либо подключает выход к земле, либо отключает его, поэтому плюса питания на выходе быть не может. Поэтому мы подтягиваем выход компаратора через резистор номиналом 1 кОм к плюсу питания.

Когда на неинвертирующем входе напряжение выше, чем на инвертирующем, транзистор закрывается. Добавленный нами резистор подтягивает к его к плюсу питания, вследствие чего светодиод загорается. Когда на неинвертирующем входе напряжение ниже, чем на инвертирующем, то транзистор открывается и притягивает выход компаратора к земле, вследствие чего светодиод перестает светиться.

Если же на двух входах напряжение примерно одинаковое, то выход компаратора логично переключается из одного состояния в другое и обратно под воздействием внутренних и внешних помех. Для борьбы с помехами и четкого переключения компаратора из одного состояния в другое собираются схемы с гистерезисом.

Обозначения выводов выглядят следующим образом:

Первая ножка – это выход первого компаратора, вторая ножка – инвертирующий вход первого компаратора, третья – неинвертирующий вход первого компаратора, четвертая – земля, восьмая ножка – напряжение питания. Второй компаратор не используется. Выход подключен желтым проводом к подтягивающему резистору и к светодиоду, зеленый провод подключен к делителю напряжения на постоянных резисторах, белый провод подключен к средней ножке переменного резистора, который является делителем напряжения.

При измерении напряжения питания на делителе напряжения на постоянных резисторах 10 кОм. При включении схемы загорается красный светодиод. Включаем мультиметр для измерения постоянного напряжения диапазона до 20 В, подключим его ко второй ножке микросхемы. Показания напряжения 2,4 В. Это постоянные резисторы, делитель напряжения не будет изменять само напряжение. Так как переменный резистор установлен на неинвертирующем входе, то переключаемся на него. Показания 0,87 В. На неинвертирующем входе напряжение ниже, чем на инвертирующем. Следовательно светодиод не горит.

При превышении напряжения выше 2,4 В светодиод начинает светиться. При воздействии внешних помех происходит хаотичное переключение выхода компаратора. Здесь может пригодиться схема гистерезиса.

Компараторы применяются в интегральном исполнении в качестве составных деталей микросхем. Интегральные таймеры имеют в составе два входных компаратора. Этим определяется особенность работы прибора. Микроконтроллеры производят со встроенными компараторами. Независимо от конструкции и схемы принцип действия прибора не отличается.

Новые компараторы похожи на операционные усилители, у них высокий усиливающий коэффициент, не имеют обратной связи, входы такого же типа.

Работа компаратора напряжения

В различных описаниях работы устройства приводятся примеры сравнения с рычажными весами. На одну сторону весов ложится гиря – эталон, на другую товар. Когда вес товара станет равным массе гири, или больше, то гири поднимаются вверх, на этом взвешивание окончено.

С работой компаратора напряжения происходит похожий процесс. Вместо гирь выступает опорное напряжение, вместо товара – сигнал входа. При возникновении логической единицы на выходе устройства происходит сравнение напряжений. Это называют «пороговой чувствительностью» компаратора.

Для тестирования устройства не нужно сложной схемы. Необходимо включить вольтметр на выход устройства, а на входы подключить напряжение, которое регулируется. При изменении входного напряжения на вольтметре будет видна работа компаратора.

Характеристики компараторов

При применении приборов нужно учесть характеристики, делящиеся на динамические и статические. Статические – это параметры установившегося режима. Это пороговая чувствительность. Она является наименьшей разностью сигналов входа. При ней возникает логический сигнал на выходе.

Некоторые компараторы оснащены выводами для смещающего напряжения, осуществляющего смещение характеристики передачи от идеального положения. Важным параметром является гистерезис, то есть разница напряжений входа. Он обусловлен обратной связью положительного значения, предназначенного для устранения «дребезга» сигнала выхода при переключении компаратора.

Устройство

Схема прибора довольно сложная, большая и не слишком понятная. Рассмотрим простую функциональную схему по рисунку.

Показан дифференциальный каскад входа, схема уровневого смещения, логика выхода. Дифференциальный каскад производит основное усиление сигнала разности. Устройством смещения осуществляется оптимальное состояние выхода. Это дает возможность выбрать тип логики для работы. Такая настройка производится подстроченным резистором на выводах «балансировки».

Компаратор с памятью и стробированием

Современные инновационные компараторы оснащены стробирующим входом. Это значит, что сравнение сигналов входа осуществляется только при подаче импульса. Это дает возможность сравнить сигналы входа в необходимый момент.

Простая схема структуры устройства со стробированием.

Устройства по рисунку с парафазным выходом, подобно триггеру – прямой верхний выход, нижний (кружок) – инверсный. С – стробирующий вход. На рисунке а) стробирование сигналов входа осуществляется по высокому уровню входа С. На обозначении входа С изображают знак инверсии маленьким кружком.

Рисунке б) стробирующий вход с чертой /. Это значит, что стробирование проходит по восходящему импульсу. Стробирующий сигнал – разрешение сравнения. Итог сравнения появляется на выходе при действии импульса стробирования. На некоторых устройствах есть память (с триггером). Они сохраняют результат до следующего импульса.

Время импульса стробирования (фронта) должно хватать для того, чтобы сигнал входа успевал проходить через дифференциальный каскад до срабатывания ячейки памяти. Использование стробирования повышает защиту от помех, так как помеха изменяет состояние устройства за время импульса.

Классификация

Компараторы делятся на три группы: общего применения, прецизионные и быстродействующие. В практической деятельности чаще применяются устройства общего применения.

Такие устройства имеют особенности и свойства, привлекающие к себе внимание. Они потребляют небольшую мощность, могут работать при малом напряжении питания. В одном корпусе можно разместить 4 устройства. Эта группа иногда дает возможность производить полезные устройства.

Это простой преобразователь сигнала в унитарный цифровой код, который можно преобразовать в двоичный, цифровым преобразованием. На схеме имеется 4 компаратора. Напряжение опорное подается на инвертирующие входы по делителю резистивного типа. При одинаковых резисторах на инвертирующих входах устройства напряжение будет равно n * Uоп / 4, n – номер устройства. Напряжение входа подается на неинвертирующие входы, которые соединены вместе.

В итоге сравнения напряжения входа с опорным, на компараторных выходах образуется цифровой унитарный код напряжения входа.

Похожие темы:
  • Реле приоритета. Виды и особенности. Принцип действия
  • Реле напряжения. Принцип действия, виды, применения
  • Электронные весы. Виды и устройство. Работа и применение
  • Переключатель фаз. Виды и работа. Применение и как выбрать

Входное напряжение смещения компаратора

Компараторы не являются совершенными устройствами, и их работа может иметь недостаток от последствий такого параметра, как входное напряжение смещения. Входное напряжение смещения для многих компараторов может составлять всего несколько милливольт и в большинстве схем может быть проигнорировано.

В основном проблема, связанная с входным напряжением смещения возникает, когда входное напряжение изменяется очень медленно. Конечным результатом входного напряжения смещения является то, что выходной транзистор не полностью открывается или закрывается, когда входное напряжение находится недалеко от опорного напряжения.

Следующая диаграмма иллюстрирует эффект смещения входного напряжения возникающий в результате медленного изменения входного напряжения. Этот эффект возрастает при увеличении выходного тока транзистора. Поэтому, для уменьшения этого эффекта, необходимо обеспечить максимальное сопротивление резистора R4.

Последствия входного напряжения смещения можно уменьшить, добавив в схему гистерезис. Это приведет к тому, что опорное напряжение будет меняться, когда выход компаратора переходит на высокий или низкий уровень.

Программирование и компаратор

Компоратор используется не только как часть электрической схемы ШИМ и т. д., его часто используют для создания отдельных программ или их компонентов. Например, устройство часто используется для создания java-коллекций.

  1. Чтобы работать, Вам понадобится специальная программа Maven. Для начала Вам нужно создать проект, для полноценной работы необходимо подключение к интернету. Создаете новый проект, в структуре выберете два компонента: comparator и pojo. Наличие проверяется при помощи утилиты JUnit 4.11;
  2. Установите pom.xml и создайте новый файл. Прерывание процесса недопустимо, поэтому очень важно на каждом этапе сохранять. После осуществляется создание и настройка POJO, где указываются нужные настройки. Параметры зависят от требований к конкретной библиотеке. Это могут быть даты рождения, общая информация по проживанию и т. д.;
  3. И только после создается компаратор. Это класс, который используется для поверки данных и их распределения по нужным папкам. Использование данного класса необходимо, если нужно отсортировать определенную информацию по заданным параметрам (цвета, размеры, даты). Благодаря этому обеспечивается защита данных и их классификация по определенному принципу.

Купить готовый компаратор можно в любом магазине радиотехнических приборов и электротехники. Цена прибора варьируется в зависимости от его назначения и количества каналов.

Общая информация

Компаратор сравнивает два напряжения, откуда происходит название. При необходимости формируется либо условный сигнал в виде двоичного кода, либо знак разницы выдаётся иным способом:

  1. Крутой перепад напряжения (фронт или спад).
  2. Импульс с заданными характеристиками.
  3. Сменой полярности выходного напряжения.
  4. Двоичным кодом в системе логики данного набора микросхем.

Компаратор территориально входит в аналого-цифровой преобразователь, способен применяться и отдельно. От элемента напрямую зависит точность, как и от разрядности. К характеристикам компаратора относят:

  • Чувствительность.
  • Быстродействие.
  • Стоимость.
  • Долговечность.
  • Стабильность.
  • Нагрузочная способность.
  • Входное сопротивление и пр.

Большинство компараторов реализуется на базе операционных усилителей, данные в справочниках приводятся совместные. Это достигается за счёт введения обратной связи, что придумано в 30-е годы XX века.

Проектирование гистерезиса компаратора

уравнения (1) е (2) Они могут помочь решить, если сопротивление хочет создать напряжение порога гистерезиса VH и VL. Единственное значение (RX) Требуется быть выбраны произвольно.

В этой иллюстрации, RX был определен 47K, чтобы помочь уменьшить потребление тока. Резус Рассчитанное 270,25k, следовательно, была осуществлена ​​немедленно стандартное значение 270K.

Где применяется компаратор напряжения

Часто КН применяют в градиентном реле — схема, которая реагирует на скорость изменения сигнала, например, фотореле. Такое устройство может использоваться в тех ситуациях, когда освещение меняется довольно стремительно. Например, в охранных установках либо датчиках контроля выпущенных изделий на конвейерах, где прибор станет реагировать на прерывание светового потока.

Еще одна часто используемая схема — датчик измерения температуры и изменения «аналогового» сигнала в «электронный». Оба измерителя преобразовывают амплитуду входящего сигнала в ширину выходящего импульса. Такое превращение довольно часто применяется в разнообразных цифровых схемах. Преимущественно, в измерительных устройствах, блоках питания импульсного типа, электронных усилителях.

Триггер Шмитта

Как сказано выше для устранения ложных срабатываний компаратора, известных, как «дребезг контактов» необходимо использовать схему компаратора с петлёй гистерезиса, которая получила название триггера Шмитта.

В одной из статей я рассказывал о триггере Шмитта выполненном на транзисторах. Он характеризуется тем, что в отличие от компаратора имеет так называемую петлю гистерезиса. То есть компаратор переключается из высокого уровня напряжения в низкий при одной и той же величине входного напряжения, а триггер Шмитта имеет два уровня (порога) переключения

. Данное различие иллюстрирует изображение ниже


Изменение входного и выходного напряжения компаратора (справа) и триггера Шмитта (слева).
Уровни напряжения, при которых происходит переключение триггера Шмитта называются верхним уровнем (порогом) срабатывания триггера UВП и нижним уровнем (порогом) срабатывания триггера UНП.

Для реализации триггера Шмитта применяют ОУ охваченные положительной обратной связью (ПОС), которая реализуется подачей на неинвертирующий вход части выходного напряжения. Схема триггера Шмитта изображена ниже


Триггер Шмитта на операционном усилителе.

Работа триггера Шмитта во многом похожа на работу компаратора, только в отличие от него в триггере опорное напряжение не постоянно, а зависит от разности выходного и опорного напряжений, то есть имеет различные значения.

Рассмотрим инвертирующий триггер Шмитта. В исходном входное напряжение не превышает верхнего уровня срабатывания триггера UВП, поэтому на выходе присутствует положительное напряжение насыщения UНАС+ (примерно на 1 – 2 В ниже положительного напряжения питания UПИТ+). Когда входное напряжение достигает верхнего порога переключения UВП выходное напряжение резко упадёт до уровня отрицательного напряжения насыщения UНАС-(примерно на 1 – 2 В выше отрицательного напряжения питания UПИТ-). Верхний уровень напряжения переключения триггера Шмитта определяется следующим выражением

Далее триггер остаётся в устойчивом состоянии до тех пор, пока входное напряжение не станет меньше нижнего порога срабатывания UНП, а на выходе триггера установится положительное напряжение насыщения UНАС+. Нижний порог срабатывания триггера определяется следующим выражением

Таким образом, петля гистерезиса будет зависеть от соотношения резисторов R2 и R3, а ширина петли гистерезиса UГИС определяется разностью верхнего порога срабатывания UВП и нижнего порога срабатывания UНП

Триггеры Шмитта на ОУ являются основой для построения различных генераторов импульсов, поэтому важнейшими характеристиками ОУ работающих в импульсных схемах является быстродействие, которое зависит от задержек срабатывания и времени нарастания выходного напряжения.

Гистерезис с практическим примером

В эти дни я посвященные конструкции зарядного устройства, одна ниже упрощенная версия, используемая мной на макете, чтобы установить на фактическое поле значений, которые будут использоваться. Запрограммированный первоначально установлен таким образом, что выходной сигнал операционного усилителя становится высоким, когда pin3 напряжения выходит чуть выше значения стабилитрона pin2. Когда это происходит, PIN6 становится высокой и достигает следующий потенциал к напряжению питания. Это означает, что резистор обратной связи РЧ (в альт) Это практически параллельно с заданным сопротивлением в верхней половине потенциометра (показано в розовом цвете)

Это означает, что контактное напряжение 3 еще больше увеличивается. в настоящее время, когда напряжение батареи падает, шпилька 6 не отвечает, так как штифт 3 Он должен упасть стать гораздо ниже, чем штифт 2, Это означает, что уровень заряда батареи должен идти вниз относительно долго, чтобы штифт 3 упасть ниже штифта 2. Это заставило задержку между переключателем ОУ ВКЛ и ВЫКЛ в связи с резистором обратной связи называется гистерезис в операционном усилителе. После того, как PIN6 переключается на низком уровне этот раз РЧ расположена параллельно с нижней половиной потенциометра (зеленый) в результате чего порог pin3 еще ниже, и, таким образом, избегая, что несколько мВ изменения батареи может из снова переключить выходной.

На чертеже, зеленый светодиод на означает, что аккумулятор заряжен, а красный означает, что она заряжается. Этот операционный выходной усилитель может управлять теперь зарядкой батареи в автономном режиме без вмешательства схемы п дезактивации активации п.

Привет из A_X_C и AMILCARE

Примеры и использование устройств уточнения веса

Российским стандартом массы является платиновый цилиндр. Он был скопирован с французского образца 125 лет назад. За прошедшие годы, эталон потерял в виде окислов около 40 мкг от первоначального веса. Соответственно, его использование для нужд производств, с высокой точностью измерения массы сейчас затруднительно.

Был разработан новый стандарт массы. Ученые назначили таковым кремниевый шар с четным количеством атомов. Сейчас это наиболее точный вариант эталона килограмма. Его характеристики приняты международным сообществом для использования.

Созданный образец нуждается в многократном копировании. Так как современные направления в науке, особенно фармакология, биоинженерия, компьютерная электроника, нанотехнологические разработки требуют прецизионной точности измерений. Для таких областей науки и техники критичны сотые доли микрограмма. Эту задачу должен решить атомный компаратор массы – устройство способное определить разницу в несколько частиц.

Атомный компаратор использует для измерений опорный сигнал, полученный от высокоточного кварцевого генератора. Измеряемое напряжение берется с квантового дискриминатора, определяющего стабильность линии мельчайших частиц. Ее изменения вызываются расхождением в количестве атомов образца. Поэтому сейчас – это самый точный прибор измерения.

Существуют и менее точные компараторы массы. Их стоимость гораздо ниже атомных, но для них всех находится работа в промышленности, торговле, стандартизации.

Конструкция компаратора

КН нашли обширную область применения в радиоэлектронике разнообразной направленности. В магазинах радиотоваров можно увидеть огромное количество разнообразных микросхем. Но особенно часто применяемыми микросхемами у пользователей считаются:

  • LM No 339;
  • LM No 311;
  • MAX No 934;
  • К554СА3.

Они легкодоступны в торговой сети и имеют довольно бюджетную цену. Такие КН выделяются обширным спектром входных параметров. К выходу КН способна присоединяться разнообразная токовая нагрузка, как правило, не превосходящая 50.0 мА. Это могут быть микрореле, варистор, световой диод, оптрон либо абсолютно разные исполнительные модули, однако с предельными по току компонентами.

Фотореле контроля

Подобное реле выпускается методом навесного монтажа. Его применяют в охранных контролирующих системах либо для контролирования степени света. Входящее напряжение попадает на делитель R1 и фотодиод VD3. Их объединенная точка сочетания использует ограничивающие диоды VD1/ VD2, подключенные к входам DA1. В итоге входящая разность потенциалов КН будет отсутствовать, а следовательно, и восприимчивость измерителя станет максимальной.


Фотореле

Чтобы выходящий сигнал смог инвертироваться, потребуется обеспечить входную разницу в 1 мВ. По той причине, что к входу подсоединены С1 и сопротивление R1, размер U на нем станет увеличиваться с незначительной задержкой, равноправной периоду заряда С1.

Зарядный блок

Такой блок питания принимается функционировать непосредственно после сборки. Его базовые опции сводятся к установлению рабочего зарядного тока и порогов, по которым срабатывает КН. При подключении прибора зажигается световой диод, позиционирующий подачу напряжения. На протяжении процесса зарядки обязан непрерывно гореть алый световой диод, который погаснет после того, как аккумуляторная батарея будет полностью заряжена


Зарядный блок

Подводимое напряжение от питающего блока настраивается R2, а зарядный ток устанавливается с применением R4. Наладка выполняется с применением сопротивления на 160 Ом, подключающегося в параллель к контактам, которые держат батарейку. Транзистор VT1 размещается на радиаторе, взамен его можно применять КТ814Б. Подобную схему надо будет комплектовать на плате с размером не более 50×50 мм.

Кварцевый генератор

Этот генератор ортогональных импульсов выполняется с использованием российского компаратора K544C3, функционирующего на тактовой гармонике 32.768 Гц. Схема станет рабочей в спектре входящего напряжения 7-11В с частотой установленной кварцем ZQ1. Тем не менее, для эксплуатации такого девайса сверх 50.0 кГц потребуется понизить значение R5-R6.


Генератор

При замыкании другого вывода с 0-проводом КН становится подсоединённым по варианту с незакрытым коллектором, а R7 становится нагрузкой. Подстраивание частотности производится совместно, с применением C1. С применением R4 выполняется автозапуск генератора. Меняя значение R2, изменяется импульсная характеристика.

Дополнительная информация! Выбирая конденсаторы С1 или С2, генератор сможет применяться в виде бесконтактного жидкостного датчика. В роли детектора для этой цели потребуется применять микроконтроллер с ПО. Однако возможно использовать и ещё дополнительно компаратор, который станет фиксировать деформации напряжения.

Отсюда следует, что компаратор способен предназначать действия по уровням значений на собственных вводах. Когда они отличаются, то, исходя от дельты U, выход прибора меняет качественное положение. Именно такие их качества используют создатели, разрабатывая самые разные электроприборы с операционным усилителем.

Практическое введение в операционные усилители

Добавлено 11 ноября 2018 в 21:08

Сохранить или поделиться

Операционные усилители, или ОУ, являются одним из фундаментальных строительных блоков, которые инженер-электронщик может использовать в своих проектах схем. Для операционных усилителей существует множество полезных приложений. В данной статье мы рассмотрим лишь несколько основных схем, которые вы можете реализовать в своих проектах!

Основы: повторители напряжения

Первая схема настолько проста, что выглядит почти немного сумасшедшей:

Рисунок 1 – Повторитель напряжения

Данная схема называется повторителем напряжения и ведет себя следующим образом

\[V_{вх} = V_{вых}\]

На первый взгляд это не очень полезно. Почему я должен заплатить несколько дополнительных центов за операционный усилитель, если создается впечатление, что эту же работу может выполнять провод между двумя компонентами? Ответ прост, если вы знаете несколько простых вещей об операционных усилителях. Когда вы начинаете отбрасывать схему с операционными усилителями, вы должны учитывать два основных принципа:

  1. входные выводы операционного усилителя V+ и V- не потребляют ток;
  2. напряжения V+ и V– всегда равны. Это свойство иногда называют виртуальным коротким замыканием.

Рассматривая первое правило, мы видим, что схема нашего повторителя напряжения не создает никакого тока на входном выводе, подключенном к V+. Это действительно простой способ сказать, что V+ имеет действительно высокий импеданс – фактически, поскольку мы говорим об идеальных операционных усилителях, мы склонны просто сказать, что он имеет бесконечное входное сопротивление. На практике это имеет некоторые замечательные последствия: если V+ не потребляет никакого тока, это означает, что мы могли бы подключить Vвх к любому узлу любой схемы и измерить его без изменения исходной схемы. Нам не пришлось бы проходить через утомительную процедуру решения кучи новых уравнений для напряжений узлов и контурных токов, потому что мы не будем изменять их, добавляя повторитель напряжения. Довольно круто, да?

Примечание: Как и в большинстве правил, из этих правил для операционных усилителей есть некоторые исключения. На протяжении всей этой статьи мы будем игнорировать эти исключения – они будут мешать анализу нашего повторителя напряжения.

Вместо того чтобы проводить прямое измерение на Vвх в нашей гипотетической схеме, мы бы измерили Vвых. Это второе правило операционных усилителей в действии – напряжения V+ и V- всегда считаются равными. Поскольку мы соединили выводы V- и выход, мы можем продолжить и сказать что Vвых = V- = V+ из-за виртуального короткого замыкания.

Использование повторителей напряжения обеспечивает очень простой способ взаимодействия различных цепей с разными импедансами. Здорово! Что еще мы можем сделать с операционными усилителями?

Изменение коэффициента усиления – инвертирующий усилитель

Как следует из названия, операционные усилители являются усилителями. Они могут усиливать сигналы с определенным отношением входного сигнала к выходному. Это отношение обычно называется коэффициентом усиления операционного усилителя. В идеальном мире коэффициент усиления операционного усилителя был бы бесконечно высоким – настолько высоким, что он мог бы усилить любой уровень сигнала до любого другого уровня сигнала. В реальном мире это не так, но мы будем считать это фактом, пока анализируем следующую схему: инвертирующий усилитель.

Рисунок 2 – Инвертирующий усилитель

Давайте шаг за шагом проведем эту работу. Во-первых, давайте применим наши два правила для операционных усилителей, чтобы определить некоторые узловые напряжения в этой схеме. Простейшим из них является виртуальное короткое замыкание, где V+ и V- всегда находятся на одинаковом напряжении. Мы видим, что V+ привязан к земле; следовательно, V- также должен быть на земле. Как насчет тока, поступающего в узел и выходящего из узла V-? По закону токов Кирхгофа мы знаем, что сумма всех токов в этом узле должна быть следующей:

\[i_{Rвх} + i_{Rос} + i_{V-} = 0\]

Поначалу это выглядит так, что для решения могут потребоваться некоторые усилия, так как это уравнение содержит три неизвестных. Но так ли это? Если вы вспомните правила для операционных усилителей, изложенные ранее, вы увидите, что это уравнение простое: входы операционного усилителя не потребляют ток! Поэтому мы знаем, что iV- равен нулю. Затем мы можем привести это уравнение к следующему виду:

\[i_{Rвх} = — (i_{Rос})\]

Поскольку V- привязан к земле виртуальным коротким замыканием, закон Ома позволяет нам заменить эти токи на напряжения и сопротивления:

\[\frac{V_{вх}}{R_{вх}} = — \frac{V_{вых}}{R_{ос}}\]

Что при небольшой помощи алгебры возвращает нас туда, где мы начали:

\[V_{вых} = V_{вх}{R_{ос} \over R_{вх}}\]

Понятно, почему эта схема полезна – она позволяет применять линейный коэффициент усиления к входу и выходу, выбирая (Roc/Rвх), чтобы сформировать любое соотношение, которое вы захотите. У схемы также есть дополнительный бонус, позволяющий вам в значительной мере контролировать ее входной импеданс – так как вы можете выбрать значение резистора Rвх, вы можете сделать его таким большим или маленьким, чтобы соответствовать любому выходному импедансу, с которым вам нужно достичь согласованности!

Зачем нужна резисторная цепь для достижения такого поведения? Чтобы понять это, нам нужно понять немного больше о том, как работает операционный усилитель. Операционный усилитель – это тип усилителя по напряжению. В идеальном случае операционный усилитель обеспечивает бесконечный коэффициент усиления – он может усиливать любое напряжение до любого другого уровня напряжения. Мы можем масштабировать бесконечный коэффициент усиления операционного усилителя, используя резисторную цепь, которая соединяет входной узел, V-, и выходной узел. Подключив выход операционного усилителя к входу, мы используем процесс под названием обратная связь для регулировки выходного напряжения до желаемого уровня. Обратная связь – действительно важная концепция электронной техники и достаточно сложная, чтобы потребовать целую статью, посвященную этой теме. На данный момент достаточно понять базовый принцип, который применим к операционным усилителям: путем подключения выхода к входу вы можете изменить поведение схемы действительно полезными способами.

Перевернутый инвертор?

Давайте посмотрим, что произойдет, когда мы начнем извращаться с базовой схемой инвертирующего усилителя. Что произойдет, если мы поменяем цепь обратной связи, а входной сигнал подадим на другой вход?

Рисунок 3 – Что делает данная схема?

Мы можем пройти ту же последовательность шагов, что и раньше, с инвертирующим усилителем, но начнем с замены напряжения на узле V-. Из-за виртуального короткого замыкания V- = V+ = Vвх. В результате мы можем написать следующее уравнение для тока, проходящего через Rз:

\[i = {V_{вх} \over R_з}\]

Поскольку мы знаем, что операционный усилитель не потребляет никакого входного тока, мы знаем, что токи через Rз и Rос должны раны, что позволяет нам написать следующее уравнение:

\[V_{вых} — V_{-} = i R_{ос} \Rightarrow V_{вых} — V_{-} = V_{вх}\frac{R_{ос}}{R_з}\]

Виртуальное короткое замыкание позволяет избавиться от V-, поскольку мы знаем, что оно равно Vвх.

\[V_{вых} — V_{вх} = V_{вх}\frac{R_{ос}}{R_{з}}\]

И еще немного перестановок, и мы получим следующее:

\[V_{вых} = (1 +\frac{R_{ос}}{R_{з}})V_{вх}\]

В отличие от предыдущей схемы, коэффициент усиления этой цепи не отрицателен. В результате данная схема называется неинвертирующим усилителем: она обеспечивает линейное усиление, но с положительным знаком. В отличие от предыдущего схемы, неинвертирующий усилитель не может обеспечить коэффициент усиления меньше единицы – невозможно установить цепь обратной связи ниже! С другой стороны, эта схема обеспечивает одну вещь, которую инвертирующий усилитель обеспечить не может. Поскольку выходной сигнал положительный, он совпадает по фазе с входным сигналом. Инвертирующий усилитель, благодаря отрицательному коэффициенту усиления, переключает выходной сигнал на 180 градусов. Неинвертирующий усилитель этого не делает!

Резюме

Операционные усилители – это действительно универсальные компоненты схем. Данная статья едва касается того, что с ними можно сделать, – диапазон функциональности, который они могут привнести, огромен.

Оригинал статьи:

Теги

Анализ цепейБазовые схемыОУ (операционный усилитель)

Сохранить или поделиться

Схема тестера для проверки операционных усилителей. Операционный усилитель для чайников. Принцип работы операционного усилителя

Операционные усилители (ОУ) широко используются радиолюбителями в конструкциях различных радиотехнических устройств. Причем в условиях растущей дороговизны на радиоэлементы и их дефицита приходится порою применять микросхемы, которые уже использовались ранее в работе. Чтобы быть уверенным в пригодности такого ОУ, его следует проверить, например, с помощью пробника, описанного в [Л].
Однако практические испытания этого устройства показали, что при проверке некоторых серий ОУ (таких, как КР544УД1Б, К153УД2) пробник всегда сигнализирует о неисправности этих микросхем независимо от их состояния.
Проанализировав работу устройства и режимы работы ОУ, мне удалось выяснить причину такого избирательного «поведения» пробника и, устранив ее, значительно расширить номенклатуру проверяемых усилителей.
Принципиальная схема модернизированного пробника показана на рис.1. Практически он мало чем отличается от предшественника: в цепь базы транзистора VT1 включены диоды VD2-VD4, изменены значения номиналов некоторых резисторов.

Рис.1 Принципиальная схема

Тестируемый ОУ подключают к гнездам разъема X1 (в качестве примера показано подключение ОУ К140УД2). Такое включение образует релаксационный генератор, вырабатывающий прямоугольные импульсы (меандр) с частотой 1…2 Гц. Напряжение питания поступает на генератор с параметрического стабилизатора R1VD1.
Если ОУ окажется годным, генератор начнет работать, а светодиод HL1 — вспыхивать в такт с частотой генерируемых импульсов.
В случае, если проверяемый ОУ окажется негодным, генератор работать не будет, а светодиод, в зависимости от причины неисправности усилителя, будет либо гореть непрерывно, либо вовсе не вспыхнет.
В чем же причина того, что при испытании годных ОУ серий КР544УД1Б, К153УД2 пробником [Л] светодиод HL1 сигнализировал о неисправности усилителей?
При снятии осциллограммы в точке «а» видно, что минимальное напряжение (U2, рис.2,а) генерируемых импульсов слишком велико но абсолютному значению, чтобы закрыть транзистор структуры n-p-n (в зависимости от серии ОУ это напряжение может достигать значения 2 В): U2 > U1, где U1 — пороговое значение напряжения, при котором эмиттерный переход транзистора открывается. Поэтому, несмотря на то, что генератор работает (т.к. микросхема исправна), транзистор VT1 постоянно открыт, а светодиод HL1 горит, указывая на негодность микросхемы.

Рис.2

Чтобы уменьшить напряжение в точке «а», в цепь базы транзистора VT1 включены диоды VD2-VD4. Теперь осциллограмма в этой точке имеет вид, представленный на рис.2,б: минимальное напряжение генерируемых импульсов меньше порогового значения эмиттерного перехода транзистора. Транзистор будет открываться и закрываться, а светодиод вспыхивать с частотой генерируемых импульсов.
В пробнике можно применить, кроме указанных на схеме, транзисторы КТ312А-КТ312В, КТ315А, КТ315В-КТ315И, КТ503А-КТ503Е, диоды КД521А-КД521Г, КД103А, КД103Б, стабилитрон Д814 Г. Разъем X1 — монтажная панель для микросхем, тип корпуса которых 2103.16.
Детали устройства размещают на печатной плате (рис.3), выполненной из одностороннего фольгированного стеклотекстолита толщиной 1…1.5 мм.
Правильно собранный пробник не нуждается в наладке.
С помощью пробника можно проверить практически все наиболее используемые в практике ОУ, кроме тех, выходное сопротивление которых сравнимо или превышает сопротивление резистора R7, например, микромощные ОУ К140УД12, К153УД4.

Рис.3

ЛИТЕРАТУРА
Козлов Ф., Прилепко А. «Кубик» для проверки ОУ. — Радио. 1986, № 11, с. 59.

Источник: Радио №5, 1994 г., стр.29.

C этой схемой также часто просматривают:

Существует большое разнообразие данных микросхем, и они несовместимы между собой по расположению выводов. Эти микросхемы можно проверить, задав рабочий режим, что можно сделать на специально собранном для конкретного случая стенде, куда микросхема подключается при помощи универсальной контактной панельки, либо же проверку проводить уже в составе собранной на них схеме. Второе более удобно, так как требуег меньше времени.

Теперь непосредственно о проверке. Прежде всего, надо измерить уровни питающих напряжений, напряжения на входах микросхемы, атакже на выходе (цифровым вольтметром). Обычно, если известны номиналы резисторов отрицательной обратной связи, то, посчитав коэффициентусиления, можно сделать выводы о том, что должно быть на выходе и с каким знаком, конечно, если это линейный усилитель.

Сомнения могут возникнуть при проверке более сложных схем (интеграторов, автогенераторов и др.). В этом случае можно воспользоваться другим методом. Как вы знаете, любой операционный усилитель легко заставить работать в режиме компаратора. Для этого мы можем временно подать поочередно на прямой и инверсный входы микросхемы от внешнего источника небольшое напряжение через ограничивающий ток резистор (рис. 6.17). Напряжение на выходе «операционника» при этом надо контролировать цифровым вольтметром или осциллографом (при нормальной работе мы увидим переключение выхода).

Рис. 6.17. Принцип проверки операционных усилителей

Осциллограф для проведения таких измерений более удобен, так как он дает возможность обнаружить не только изменение уровней на выходе, но и наличие непредусмотренного самовозбуждения каскадов (автогенерацию).

Источник: Радиолюбителям: полезные схемы. Книга 6. — M / СОЛОН-Пресс, 2005. 240 с.

Related Posts

В табл. 1.4 и 1.5 представлены электрические характеристики сол­нечных модулей и батарей. Таблица 1.4. Электрические характеристики солнечных модулей отечественного производства ФСМ-50 50 21 2,95 10720 ФСМ-55 55 21 3,15 1028x450x28…….

В исправном элементе при прозвонке между силовыми цепями должно быть бесконечно большое сопротивление, а между управляющим электродом и одним из выводов (катодом у тиристо- pa) небольшое сопротивление (от 30 до…….

Чтобы в труднодоступных местах быстро закрутить маленькие винты (и не потерять их при отвинчивании) потребуется отвертка с магнитом. Такую отвертку несложно сделать из обычной. Достаточно намотать на стержень отвертки 100-200…….

Будьте осторожны, обезопасьте себя от ударов током или разъединения разъемов и частей стиральной машины при поиске неисправностей. Соблюдайте меры электробезо­пасности! Прежде всего, проверьте соединения каждого разъема. Если вы заменяете PWB…….

дистанционного управления (ПДУ) В пультах 90% занимают дефекты двух типов: 1) некоторые кнопки не работают (обычно те, которые часто нажимали). В этом случае необходимо вырезать кусочек фольги и…….

На днях купил в магазине операционный усилитель(ОУ) за 1.5$, пришёл домой, запаял, тишина. То что виноват в работоспособности схемы ОУ сомнений не было, поэтому выпаял купленный ОУ и решил проверить. Соединил инвертирующий вход с выходом, подал питание и напряжение на прямой вход(1V), исправный ОУ на выходе должен был выдать то, что подал ему на вход, собственно в этом и заключается проверка ОУ, а у меня на выходе ноль.

Интересно, подумал тогда, либо перегрел его когда паял, что вряд ли, либо купил неисправный. Снова пошёл в магазин, купил ещё один, но решил проверить его перед тем как запаивать и о чудо, этот то же неисправный, но теперь его хоть можно вернуть продавцу, судя по всему, у него таких целая партия…

Но разбираться времени не было, пошёл в другой магазин и купил такой же ОУ, но уже за 4$, при покупке договорились, что если он не заработает то, принесу его обратно. Пришёл домой, проверил — работает, запаял — работает. Вывод из этого можно сделать следующий, после покупки детали, перед тем как её запаивать желательно проверить, а продавец, скорее всего, заказал партию этих ОУ с Китая и когда получил, не проверил, это и понятно когда у тебя целый магазин с радиодеталями проверять все устанешь.

К чему всё это писал, после этого поискал эти ОУ на али и когда нашёл их был приятно удивлён, на те деньги, которые потратил у себя в городе чтобы купить исправный ОУ(4$) в Китае можно было купить 5 штук, но они были в корпусе soic8, а имея негативный опыт, описанный выше, конечно же, хотелось их проверить когда они придут. Решить этот вопрос можно было несколькими способами, вытравить макетку, в которую можно было впаивать ОУ каждый раз, с другой стороны, чтобы не впаивать можно было просто прижимать ОУ к плате прищепкой, уже лучше, но есть вариант ещё интереснее, так как часто приходиться иметь дело с soic8, решил поискать ZIF адаптер soic8 – dip8 , тогда можно будет собрать схему на breadboard , что значительно ускорит процесс.


В общем нашел такой переходник на али за 1.7$ и это с учётом доставки. Когда ОУ пришли, переходник был уже на руках, а так как у меня в арсенале есть генератор сигналов, то проверял их по схеме из даташита.

Что то часто мне стали задавать вопросы по аналоговой электронике. Никак сессия студентов за яцы взяла? 😉 Ладно, давно пора двинуть небольшой ликбезик. В частности по работе операционных усилителей. Что это, с чем это едят и как это обсчитывать.

Что это
Операционный усилитель это усилок с двумя входами, невье… гхм… большим коэфициентом усиления сигнала и одним выходом. Т.е. у нас U вых = K*U вх а К в идеале равно бесконечности. На практике, конечно, там числа поскромней. Скажем 1000000. Но даже такие числа взрывают мозг при попытке их применить напрямую. Поэтому, как в детском саду, одна елочка, две, три, много елочек — у нас тут много усиления;) И баста.

А входа два. И один из них прямой, а другой инверсный.

Более того, входы высокоомные. Т.е. их входное сопротивление равно бесконечности в идеальном случае и ОЧЕНЬ много в реальном. Счет там идет на сотни МегаОм, а то и на гигаомы. Т.е. оно замеряет напряжение на входе, но на него влияет минимально. И можно считать, что ток в ОУ не течет.

Напряжение на выходе в таком случае обсчитывается как:

U out =(U 2 -U 1)*K

Очевидно, что если на прямом входе напряжение больше чем на инверсном, то на выходе плюс бесконечность. А в обратном случае будет минус бесконечность.

Разумеется в реальной схеме плюс и минус бесконечности не будет, а их замещать будет максимально высокое и максимально низкое напряжение питания усилителя. И у нас получится:

Компаратор
Устройство позволяющее сравнивать два аналоговых сигнала и выносить вердикт — какой из сигналов больше. Уже интересно. Применений ему можно придумать массу. Кстати, тот же компаратор встроен в большую часть микроконтроллеров и как им пользоваться я показывал на примере AVR в статьях и про создание . Также компаратор замечательно используется для создания .

Но одним компаратором дело не ограничивается, ведь если ввести обратную связь, то из ОУ можно сделать очень многое.

Обратная связь
Если мы сигнал возьмем со выхода и отправим прямиком на вход, то возникнет обратная связь.

Положительная обратная связь
Возьмем и загоним в прямой вход сигнал сразу с выхода.

  • Напряжение U1 больше нуля — на выходе -15 вольт
  • Напряжение U1 меньше нуля — на выходе +15 вольт

А что будет если напряжение будет равно нулю? По идее на выходе должен быть ноль. Но в реальности напряжение НИКОГДА не будет равно нулю. Ведь даже если на один электрон заряд правого перевесит заряд левого, то уже этого достаточно, чтобы на бесконечном усилении вкатить потенциал на выход. И на выходе начнется форменный ад — скачки сигнала то туда, то сюда со скоростью случайных возмущений, наводящихся на входы компаратора.

Для решения этой проблемы вводят гистерезис. Т.е. своего рода зазор между переключениями из одного состояния в другое. Для этого вводят положительную обратную связь, вот так:


Считаем, что на инверсном входе в этот момент +10 вольт. На выходе с ОУ минус 15 вольт. На прямом входе уже не ноль, а небольшая часть выходного напряжения с делителя. Примерно -1.4 вольта Теперь, пока напряжение на инверсном входе не снизится ниже -1.4 вольта выход ОУ не сменит своего напряжения. А как только напряжение станет ниже -1.4, то выход ОУ резко перебросится в +15 и на прямом входе будет уже смещение в +1.4 вольта.

И для того, чтобы сменить напряжение на выходе компаратора сигналу U1 надо будет увеличиться на целых 2.8 вольта, чтобы добраться до верхней планки в +1.4.

Возникает своеобразный зазор где нет чувствительности, между 1.4 и -1.4 вольтами. Ширина зазора регулируется соотношениями резисторов в R1 и R2. Пороговое напряжение высчитывается как Uout/(R1+R2) * R1 Скажем 1 к 100 даст уже +/-0.14 вольт.

Но все же ОУ чаще используют в режиме с отрицательной обратной связью.

Отрицательная обратная связь
Окей, воткнем по другому:


В случае отрицательной обратной связи у ОУ появляется интересное свойство. Он всегда будет пытаться так подогнать свое выходное напряжение, чтобы напряжения на входах были равны, в результате давая нулевую разность.
Пока я в великой книге от товарищей Хоровица и Хилла это не прочитал никак не мог вьехать в работу ОУ. А оказалось все просто.

Повторитель
И получился у нас повторитель. Т.е. на входе U 1 , на инверсном входе U out = U 1 . Ну и получается, что U out = U 1 .

Спрашивается нафига нам такое счастье? Можно же было напрямую кинуть провод и не нужен будет никакой ОУ!

Можно, но далеко не всегда. Представим себе такую ситуацию, есть датчик выполненный в виде резистивного делителя:


Нижнее сопротивление меняет свое значение, меняется расклад напряжений выхода с делителя. А нам надо снять с него показания вольтметром. Но у вольтметра есть свое внутреннее сопротивление, пусть большое, но оно будет менять показания с датчика. Более того, если мы не хотим вольтметр, а хотим чтобы лампочка меняла яркость? Лампочку то сюда никак не подключить уже! Поэтому выход буфферизируем операционным усилителем. Его то входное сопротивление огромно и влиять он будет минимально, а выход может обеспечить вполне ощутимый ток (десятки миллиампер, а то и сотни), чего вполне хватит для работы лампочки.
В общем, применений для повторителя найти можно. Особенно в прецезионных аналоговых схемах. Или там где схемотехника одного каскада может влиять на работу другого, чтобы разделить их.

Усилитель
А теперь сделаем финт ушами — возьмем нашу обратную связь и через делитель напряжения подсадим на землю:

Теперь на инверсный вход подается половина выходного напряжения. А усилителю то по прежнему надо уравнять напряжения на своих входах. Что ему придется сделать? Правильно — поднять напряжение на своем выходе вдвое выше прежнего, чтобы компенсировать возникший делитель.

Теперь будет U 1 на прямом. На инверсном U out /2 = U 1 или U out = 2*U 1 .

Поставим делитель с другим соотношением — ситуация изменится в том же ключе. Чтобы тебе не вертеть в уме формулу делителя напряжения я ее сразу и дам:

U out = U 1 *(1+R 1 /R 2)

Мнемонически запоминается что на что делится очень просто:

При этом получается, что входной сигнал идет по цепи резисторов R 2 , R 1 в U out . При этом прямой вход усилителя засажен на нуль. Вспоминаем повадки ОУ — он постарается любыми правдами и неправдами сделать так, чтобы на его инверсном входе образовалось напряжение равное прямому входу. Т.е. нуль. Единственный вариант это сделать — опустить выходное напряжение ниже нуля настолько, чтобы в точке 1 возник нуль.

Итак. Представим, что U out =0. Пока равно нулю. А напряжение на входе, например, 10 вольт относительно U out . Делитель из R 1 и R 2 поделит его пополам. Таким образом, в точке 1 пять вольт.

Пять вольт не равно нулю и ОУ опускает свой выход до тех пор, пока в точке 1 не будет нуля. Для этого на выходе должно стать (-10) вольт. При этом относительно входа разность будет 20 вольт, а делитель обеспечит нам ровно 0 в точке 1. Получили инвертор.

Но можно же и другие резисторы подобрать, чтобы наш делитель выдавал другие коэффициенты!
В общем, формула коэффициента усиления для такого усилка будет следующей:

U out = — U in * R 1 /R 2

Ну и мнемоническая картинка для быстрого запоминания ху из ху.

Допустим U 2 и U 1 будет по 10 вольт. Тогда на 2й точке будет 5 вольт. А выход должен будет стать таким, чтобы на 1й точке стало тоже 5 вольт. То есть нулем. Вот и получается, что 10 вольт минус 10 вольт равняется нуль. Все верно:)

Если U 1 станет 20 вольт, то выход должен будет опуститься до -10 вольт.
Сами посчитайте — разница между U 1 и U out станет 30 вольт. Ток через резистор R4 будет при этом (U 1 -U out)/(R 3 +R 4) = 30/20000 = 0.0015А, а падение напряжения на резисторе R 4 составит R 4 *I 4 = 10000*0.0015 = 15 вольт. Вычтем падение в 15 вольт из входных 20 и получим 5 вольт.

Таким образом, наш ОУ прорешал арифметическую задачку из 10 вычел 20, получив -10 вольт.

Более того, в задачке есть коэффициенты, определяемые резисторами. Просто у меня, для простоты, резисторы выбраны одинакового номинала и поэтому все коэффициенты равны единице. А на самом деле, если взять произвольные резисторы, то зависимость выхода от входа будет такой:

U out = U 2 *K 2 — U 1 *K 1

K 2 = ((R 3 +R 4) * R 6) / (R 6 +R 5)*R 4
K 1 = R 3 /R 4

Мнемотехника для запоминания формулы расчета коэффициентов такова:
Прям по схеме. Числитель у дроби вверху поэтому складываем верхние резисторы в цепи протекания тока и множим на нижний. Знаменатель внизу, поэтому складываем нижние резисторы и множим на верхний.

Тут все просто. Т.к. точка 1 у нас постоянно приводится к 0, то можно считать, что втекающие в нее токи всегда равны U/R, а входящие в узел номер 1 токи суммируются. Соотношение входного резистора и резистора в обратной связи определяет вес входящего тока.

Ветвей может быть сколько угодно, я же нарисовал всего две.

U out = -1(R 3 *U 1 /R 1 + R 3 *U 2 /R 2)

Резисторы на входе (R 1 , R 2) определяют величину тока, а значит общий вес входящего сигнала. Если сделать все резисторы равными, как у меня, то вес будет одинаковым, а коэффициент умножения каждого слагаемого будет равен 1. И U out = -1(U 1 +U 2)

Сумматор неинвертирующий
Тут все чуток посложней, но похоже.


Uout = U 1 *K 1 + U 2 *K 2

K 1 = R 5 /R 1
K 2 = R 5 /R 2

Причем резисторы в обратной связи должны быть такими, чтобы соблюдалось уравнение R 3 /R 4 = K 1 +K 2

В общем, на операционных усилителях можно творить любую математку, складывать, умножать, делить, считать производные и интегралы. Причем практически мгновенно. На ОУ делают аналоговые вычислительные машины. Одну такую я даже видел на пятом этаже ЮУрГУ — дура размером в пол комнаты. Несколько металлических шкафов. Программа набирается соединением разных блоков проводочками:)

Операционные усилители очень широко применяются в современных схемотехнических решениях. ОУ используются в качестве усилителей, компараторов, повторителей, сумматоров и т.п. Широко распространенные ОУ 741, TL071, CA3130, CA3140 и их отечественные аналоги (544УД2, КР1409УД1 и др.) имеют корпус 8DIP с одинаковым расположением выводов.

Пин 1, 5 — Баланс
Пин 2 — Инвертирующий вход
Пин 3 — Неинвертирующий вход
Пин 4 — Минус питания
Пин 6 — Выход
Пин 7 — Плюс питания
Пин 8 — Не используется

Представленная ниже схема тестера операционных усилителей отличается простотой изготовления и поможет быстро проверить работоспособность ОУ.

Испытуемый ОУ вставляется в 8-выводной сокет для DIP-корпусов. Второй вывод ОУ (инвертирующий вход) подключается к R2, R3 и т.о. на входе получается половина напряжения питания, т.е. 4.5 Вольта. Третий вывод ОУ (неинвертирующий вход) подключается к плюсу питания через резистор R1 и кнопку. Шестой вывод ОУ (выход) подключается через токоограничительный резистор R4 к светодиоду LED, который индицирует исправность ОУ.

Операционный усилитель здесь включен по схема компаратора напряжения. Вставьте испытуемый ОУ в сокет, при этом соблюдайте ключ (точечка или выемка возле первого вывода). В режиме компаратора, на выходе операционного усилителя появиться положительный потенциал, при условии, что на входе 3 напряжение будет больше, чем на 2-ом входе ОУ. При исправном ОУ, на 2-ом выводе ОУ будет напряжение 4.5 Вольта, а на 3-ем выводе ОУ будет 0 Вольт. Т.о. на выходе операционного усилителя будет 0 Вольт и светодиод гореть не будет. Как только нажимается кнопка S1, напряжение на 3-ем выводе ОУ (неинвертирующий вход) будет выше, чем на 2-ом, следовательно на выходе появиться напряжение, от которого загорится светодиод LED. Это будет означать, что операционный усилитель работает правильно.

Список радиоэлементов
Обозначение Тип Номинал Количество Примечание Магазин Мой блокнот
C1 Электролитический конденсатор 10мкФ 25В 1 В блокнот
R1-R3 Резистор

10 кОм

3 В блокнот
R4 Резистор

1 кОм

1 В блокнот
LED Светодиод 1 В блокнот
S1 Кнопка 1
Операционные усилители

: Руководство для начинающих | ОРЕЛ

Мы все живем в мире, окруженном чудесными усилителями. Если вы когда-нибудь были на концерте и слышали громкий электрический визг гитарного звука по стадиону, значит, это усилитель в действии. Или динамики, воспроизводящие музыку через ваше радио ленивым воскресным днем, снова усилители. В этом мире усиления цель проста — повысить электрический ток и напряжение на ступеньку выше. Но все ли усилители созданы одинаково или используются для одних и тех же целей? Точно нет.Мы здесь, чтобы узнать о таинственном черном ящике семейства усилителей и о том, как он играет гораздо большую роль, чем просто звуки. Это операционный усилитель, и он здесь, чтобы усилить вас!

Краткий обзор усилителей

Прежде чем погрузиться в тонкости операционного усилителя, давайте сначала разберемся, что делают усилители как общая категория компонентов для мира электроники. Вы когда-нибудь получали слуховой аппарат? Они прекрасный пример. Слуховые аппараты используют микрофон для улавливания звуков из внешней среды, которые затем преобразуются в электрический сигнал.Внутри этого слухового аппарата есть усилитель, который принимает этот сигнал, усиливает его, чтобы сделать его громче, и отправляет его в динамик, расположенный внутри вашего слухового прохода. Это не магия, а просто инженерия!

Благодаря усилителям слуховые аппараты возможны. (Источник изображения)

Весь этот процесс приема входного сигнала, его усиления и отправки в качестве выходного сигнала является сутью схем усилителя. Повышение, которое усилитель производит для данного сигнала, измеряется коэффициентом усиления или коэффициентом усиления.Это просто разница в напряжении между входным и выходным сигналами. Например, если вы начинаете с 1 вольта на входе и получаете 5 вольт на выходе, тогда у вас есть коэффициент усиления 5. Для усиления, связанного со звуком, это усиление измеряется в децибелах (дБ).

Так что же делает операционный усилитель особенным?

Хотя все усилители могут иметь одно и то же общее назначение, когда вам нужен идеальный усилитель, вы можете использовать операционный усилитель. В аналоговой электронике ничто не может сравниться с идеальными характеристиками усилителя, подобного этому устройству.Прекрасная особенность операционного усилителя заключается в том, что вы можете смешивать и сопоставлять активные части, такие как транзисторы, с пассивными компонентами, такими как резисторы, конденсаторы и т. Д., Чтобы получить некоторые полезные характеристики усиления, например:

  • Высокое усиление . Одна из самых известных особенностей операционных усилителей — их очень высокий коэффициент усиления, который может варьироваться от 10 000 до 100 000! Конечно, такой уровень усиления, используемый в усилителе с разомкнутым контуром, немного бесполезен и избыточен, поэтому вы добавите источники обратной связи для управления уровнями усиления и искажениями.
  • Высокое входное сопротивление . Еще один ключевой атрибут — это высокий импеданс, и производимые в наши дни операционные усилители поставляются с практически бесконечным входным сопротивлением, измеряемым на уровне 0,25 МОм или даже сотнях миллионов Ом.
  • Низкое выходное сопротивление . В идеальном усилителе вы получите нулевой выходной импеданс, а операционный усилитель — единственный физический компонент, который приближается к этому. Вы найдете большинство операционных усилителей на базе микросхем с выходным сопротивлением менее одной сотой ома.
  • Ограниченная пропускная способность . Операционные усилители также имеют ограниченную полосу пропускания, что может работать в вашу пользу. Многие микросхемы операционных усилителей, используемые для аудиоприложений, испытывают полное усиление только в небольшой полосе пропускания. Но в других схемах вы захотите уменьшить это усиление, и здесь ограниченная полоса пропускания пригодится.

Внутреннее устройство операционного усилителя

Самое замечательное в операционных усилителях то, что они используются не только для усиления звука, как традиционный усилитель.Вы также увидите, что они используются для:

  • Предварительные усилители и буферы звуковой и видеочастоты
  • Регуляторы напряжения и тока
  • Аналоговые калькуляторы
  • Прецизионные пиковые детекторы
  • Аналого-цифровые и цифро-аналоговые преобразователи
  • И многое другое!

Независимо от своего конкретного назначения, операционный усилитель всегда стремится обеспечить выходное напряжение, повышающее или понижающее входные напряжения до тех пор, пока они не станут равными. Но как это сделать? Давайте посмотрим на типичное схематическое обозначение операционного усилителя, чтобы объяснить, как он работает.Вот что вам нужно знать:

Идеальное схемное обозначение операционного усилителя само по себе без добавления обратной связи.

Входные сигналы

Есть два входных сигнала: инвертирующий вход, отмеченный отрицательным (-) символом, и неинвертирующий вход, обозначенный положительным (+) символом. Когда у вас есть положительный сигнал на инвертирующем входе, вы получите усиленный выход, который является инверсным или противоположным этому сигналу. Таким образом, если поступает положительный сигнал, то ваш выходной сигнал будет отрицательным.Неинвертирующий вход работает наоборот. Если вы отправите положительный сигнал на неинвертирующий вход, то вы получите выход, который соответствует входному сигналу, только что усиленному.

Тип используемого входа напрямую влияет на выходные сигналы в схеме операционного усилителя. (Источник изображения)

Выходные сигналы

На другой стороне условного обозначения этого операционного усилителя находится выход. Этот выходной сигнал использует разницу между вашими инвертирующими и неинвертирующими входными сигналами для создания усиленного выходного сигнала до тех пор, пока входные напряжения не станут равными.Вот почему операционный усилитель обычно называют дифференциальным усилителем, поскольку он обеспечивает выходной результат, основанный на разнице между двумя входными сигналами.

Силовые сигналы

Вам необходимо запитать ваше устройство. Вверху и внизу символа операционного усилителя у вас есть V + и V-, которые отмечают положительную и отрицательную стороны подключения к источнику постоянного тока. Эти шины питания часто не отображаются на принципиальных схемах, поскольку предполагается, что они всегда будут подключены. Независимо от того, видите вы их или нет, вы найдете операционные усилители, подключенные к шине питания + 5-15 В и -5-15 В, и все это основано на характеристиках микросхемы операционного усилителя, которую вы планируете использовать.

Самые распространенные схемы операционных усилителей

Операционные усилители

имеют чрезвычайно высокий коэффициент усиления, который вы не сможете изменить. Вот почему вы добавляете обратную связь в свою схему операционного усилителя с добавлением резисторов, конденсаторов или катушек индуктивности для управления усилением и получения различных результатов от вашей схемы. Это добавление контуров обратной связи также позволяет легко создавать вариации схемы операционного усилителя для получения совершенно разных результатов. Вот наиболее распространенные схемы, которые вы будете строить, когда только начнете:

  • Триггер Шмитта операционного усилителя .Эта конфигурация схемы обеспечивает невосприимчивость к шуму и различным уровням переключения, которые зависят от того, находится ли ваша схема операционного усилителя в состоянии высокого или низкого напряжения.
  • Суммирующий усилитель ОУ . Эта конфигурация схемы идеальна для суммирования аудиовходов и обычно используется в аудиомикшерах.
  • Компаратор ОУ . Это конфигурация выбора, когда вам нужно обеспечить высокий или низкий сигнал в зависимости от состояния ваших двух входов.
  • Инвертирующий усилитель ОУ . Эта схема является наиболее распространенной конфигурацией операционного усилителя и хорошо известна тем, что обеспечивает усиление, а также используется в качестве усилителя виртуального заземления.
  • Неинвертирующий усилитель операционного усилителя . Эта конфигурация схемы обеспечивает высокое усиление и высокое входное сопротивление и используется во многих входных каскадах усилителей.

Инвертирующая и неинвертирующая схемы операционного усилителя, расположенные рядом. (Источник изображения)

Покупка операционных усилителей

У вашего любимого поставщика запчастей вы найдете множество различных типов корпусов операционных усилителей.Большинство из них классифицируются по многим значениям, в том числе:

  • Номинальная скорость нарастания
  • Количество каналов
  • Максимальное входное напряжение смещения
  • Максимальное напряжение питания
  • Тип упаковки
  • Полоса пропускания с номинальным усилением

Наиболее распространенные диапазоны номинального усиления операционного усилителя, которые вы найдете, составляют 1 МГц, 1,3 МГц и 4 МГц. Вы также найдете количество каналов от 1 до 8, причем наиболее распространенные операционные усилители имеют 1, 2 или 4 канала.

Что касается типов корпусов, то самым известным операционным усилителем, с которым вы встретитесь, является 741, который поставляется в 8-контактном корпусе mini-DIP. Этот операционный усилитель состоит из 20 транзисторов и 11 резисторов и является предпочтительной конфигурацией операционного усилителя с 1968 года. Он также оказывается самым дешевым из всех, стоит менее доллара.

UA741 ИС операционного усилителя, готовая к установке в вашу макетную плату или пайке!

Вы также увидите ИС операционных усилителей, доступные в корпусах SOIC, что позволяет легко добавлять их в схему, не занимая слишком много места.Однако чаще операционные усилители будут доступны в виде DIP-пакетов с восемью, четырнадцатью или шестнадцатью контактами. Этот пакет позволяет легко припаять их вручную на следующем прототипе или быстро вставить в макетную плату.

Усиление

Вот и все, что вам может понадобиться знать об операционных усилителях как новичку в проектировании электроники! Эта ИС является предпочтительным компонентом, когда вам нужен высокопроизводительный усилитель с высоким коэффициентом усиления, высоким входным сопротивлением и низким выходным сопротивлением.А благодаря возможности поменять местами различные компоненты обратной связи, такие как резисторы, конденсаторы и катушки индуктивности, вы можете собрать вместе массу различных вариантов для создания собственного мультивибратора, аналого-цифрового преобразователя или схемы точного таймера.

Вы готовы спроектировать свою собственную схему операционного усилителя? Попробуйте Autodesk EAGLE бесплатно сегодня!

Каковы золотые правила операционных усилителей?

В большинстве схемотехнических решений операционный усилитель является одним из наиболее часто используемых компонентов.Операционные усилители или операционные усилители — это линейные устройства, обладающие свойствами, жизненно важными для усиления постоянного тока. Операционные усилители широко используются при формировании сигналов, фильтрации и выполнении математических операций, таких как сложение, вычитание, интегрирование и дифференцирование. Общие схемы, в которых используются операционные усилители, — это буферы, усилители, предусилители и схемы выравнивания.

При проектировании схемы на базе операционного усилителя хорошо знать его характеристики.Зная характеристики операционных усилителей, легче понять и добавить необходимые компоненты. Чтобы помочь разработчикам схем и энтузиастам, были разработаны правила проектирования схем с использованием операционных усилителей на основе их характеристик. Такие правила широко известны как «Золотые правила».

Вот золотые правила операционных усилителей:

1) Бесконечное усиление разомкнутого контура

Усиление разомкнутого контура — это усиление операционного усилителя без положительной или отрицательной обратной связи.В идеале коэффициент усиления разомкнутого контура операционного усилителя будет бесконечным, но типичные реальные значения находятся в диапазоне примерно от 20 000 до 200 000.

В большинстве случаев характеристика усиления разомкнутого контура операционного усилителя не принимается во внимание при проектировании схем. Но при работе с высокоточными схемами этому нужно уделять больше внимания. Коэффициент усиления разомкнутого контура влияет на точность измерения постоянного тока и ошибку усиления вашей схемы. Коэффициент усиления без обратной связи также влияет на произведение коэффициента усиления на полосу пропускания.

Типичное практическое правило: чем выше коэффициент усиления разомкнутого контура, тем лучше характеристики вашей схемы.

2) Нет тока, протекающего через оба входа.

Входное сопротивление операционного усилителя представляет собой отношение входного напряжения к входному току и предполагается бесконечным. Благодаря такому очень высокому входному сопротивлению любой ток, протекающий от источника питания, не может попасть во входную схему усилителя. Хотя в идеале предполагается, что входной импеданс операционного усилителя является бесконечным и имеет нулевой ток, протекающий внутрь, реальные операционные усилители имеют входные токи утечки от нескольких пикоампер до нескольких миллиампер.

Как вы могли заметить на уроках по операционным усилителям, эта характеристика используется при выводе формул усиления для различных конфигураций операционных усилителей.

3) Разница потенциалов между входными контактами — НУЛЬ

Отрицательная обратная связь — это процесс обратной связи выхода таким образом, чтобы отменить некоторую часть входного сигнала. В свою очередь, наш усилитель улучшает такие характеристики, как линейность, равномерность отклика и предсказуемость.

Когда к операционному усилителю добавляется отрицательная обратная связь, входные контакты становятся идентичными.Это означает, что какое бы напряжение ни было на неинвертирующем входе, оно также присутствует на инвертирующем входе.

В приведенном ниже примере конфигурации инвертирующего операционного усилителя мы видим, что неинвертирующий вход подключен к земле. Неинвертирующий вход теперь установлен на 0В, что означает, что инвертирующий вход также на 0В.

Другим примером является конфигурация неинвертирующего операционного усилителя с напряжением смещения, приложенным к его неинвертирующему входу. Неинвертирующий сигнал смещается цепью делителя напряжения, смещая неинвертирующий вход на половину V CC .Это означает, что напряжение на инвертирующем входе также равно половине V CC .

Эту характеристику операционного усилителя можно использовать практически при проверке операционного усилителя, исправен он или вышел из строя. Вы можете построить буферную схему с одним питанием, используя проверяемый операционный усилитель. Поскольку это конфигурация с одним источником питания, необходимо установить виртуальное заземление. Это просто делается с помощью делителя напряжения на неинвертирующем входе операционного усилителя, см. Схему ниже. После построения схемы измерьте уровни напряжения на обоих входных клеммах операционного усилителя, они должны быть одинаковыми или близкими.В этом случае уровни напряжения на входе должны быть близки к 4,5 В. Если напряжения на входе не близки или не равны друг другу, возможно, у вас плохой или поврежденный операционный усилитель или, возможно, вы просто неправильно сконструировали схему, поэтому вы можете сначала проверить это дважды.


Вкратце, вот «золотые правила» операционных усилителей:

  1. Операционный усилитель имеет бесконечное усиление без обратной связи. В идеале это означает, что любой перепад напряжения на двух входных клеммах приведет к бесконечному напряжению на выходе.Но в реальных операционных усилителях выходное напряжение ограничено напряжением источника питания. Поскольку выходное напряжение не может быть бесконечным, коэффициент усиления также не может быть бесконечным.
  2. Нет тока, протекающего через любой из входов операционного усилителя. Это также означает, что он не нагружает источник возбуждения и не влияет на входное напряжение.
  3. В цепи с отрицательной обратной связью разность потенциалов между инвертирующим и неинвертирующим входами равна нулю. Добавление отрицательной обратной связи в схему операционного усилителя стабилизирует характеристики операционного усилителя.Кроме того, при отрицательной обратной связи контролируется и вычисляется усиление операционного усилителя.

Теперь, когда вы это усвоили, вы можете лучше разрабатывать схемы, используя операционные усилители, а также лучше разбираться в схемах, связанных с операционными усилителями.

Идеальный операционный усилитель (операционный усилитель)

Ultimate Electronics: практическое проектирование и анализ схем


Идеальная модель операционного усилителя является ключевым строительным блоком при разработке аналоговых фильтров, усилителей, генераторов, источников и многого другого.Читать 13 мин

Операционные усилители, обычно сокращаемые до «операционных усилителей», являются важным строительным блоком аналоговых электронных систем. В различных конфигурациях с несколькими другими компонентами операционные усилители могут использоваться для обработки и управления аналоговым сигналом напряжения множеством различных способов. Сюда входят многие виды фильтров (низкочастотный, высокочастотный, полосовой, интегратор, дифференциатор), усилители (буферные, инвертирующие, неинвертирующие, дифференциальные, суммирующие, измерительные), генераторы, компараторы, источники (напряжение, ток ), преобразователи (напряжение-ток, ток-напряжение) и даже некоторые нелинейные приложения.

Эти приложения чрезвычайно полезны, и мы рассмотрим каждое из них по отдельности в следующих разделах, но сначала давайте разберемся с идеальным операционным усилителем самостоятельно.


Сегодня операционный усилитель — это интегральная схема (ИС), содержащая несколько десятков отдельных транзисторов и пассивных компонентов. Исторически, до эпохи ИС (1960-1970-е годы) большинство усилителей или каскадов обработки аналоговых сигналов были специально разработаны для конкретного применения, чтобы избежать относительно высокой сложности и стоимости операционного усилителя.Но теперь, когда операционные усилители на ИС имеют всего несколько выводов и стоят всего несколько копеек, обычно имеет смысл воспользоваться их огромным потенциалом для упрощения аналоговых схем.

Большинство операционных усилителей стремятся работать как идеальный операционный усилитель , теоретическая модель, которая хорошо работает при моделировании и позволяет легко решать схемы вручную. В результате большинство разработчиков и аналитиков рассматривают операционный усилитель как идеальный, и с этого мы начнем.

Позже мы обсудим, каким образом эта идеальность нарушается в реальных неидеальных операционных усилителях.Эти ограничения имеют решающее значение для понимания того, когда вы можете приблизить свой анализ к идеальному операционному усилителю, а когда нет. Они также могут помочь вам выбрать правильный операционный усилитель для реализации вашего проекта.


Идеальный операционный усилитель — это усилитель напряжения с двумя входами и одним выходом:

Два входа называются неинвертирующим входом (+) и инвертирующим входом (-) .

Внимательно следите за знаками + и — внутри треугольника! Операционный усилитель обычно рисуется в любом направлении, со знаком + сверху или снизу, в зависимости от того, что упрощает рисование остальной схемы.(В CircuitLab выберите операционный усилитель и нажмите «V», чтобы перевернуть символ по вертикали.) Если вы случайно поменяете местами два входа, ваш дизайн не будет работать ни на бумаге, ни в реальном мире!

Концептуально идеальный операционный усилитель вычитает два входа, а затем умножает эту разницу на огромное число, называемое усилением разомкнутого контура AOL :

Vвых. = AOL (V + -V-)

В качестве шагов обработки сигнала это вычитание и умножение выглядит так:

В качестве альтернативы, идеальный операционный усилитель можно смоделировать как источник напряжения с регулируемым напряжением (VCVS):

Если вы посмотрите внимательно, модель VCVS выше поднимает новый вопрос: почему внутри операционного усилителя внезапно появилась земля? Поскольку напряжения всегда относительны, это означает, что Voffset = 0 в более полном и правильном уравнении:

(Vout − Voffset) = AOL (V + −V-) Vout = AOL (V + −V -) + Voffset

Если мы возьмем операционный усилитель и закоротим входные клеммы так, чтобы V + −V- = 0 , на выходе будет Vout = Voffset .В реальном мире, в реальном операционном усилителе с закороченными входами, на выходе не обязательно будет какое-то конкретное напряжение, и какое бы оно ни было напряжение, оно обязательно будет относительно того, что мы измеряем. Однако при анализе схемы идеального операционного усилителя мы обычно предполагаем Voffset = 0. в качестве упрощающего предположения, потому что либо:

  • Операционный усилитель используется в конфигурации с обратной связью с обратной связью , где статическое смещение становится несущественным после применения правил обратной связи (особенно с учетом того, что коэффициент усиления AOL такой большой), или
  • Операционный усилитель используется в разомкнутой конфигурации без обратной связи, и в этом случае мы все равно быстро доводим выход до нелинейного, неидеального поведения.

Насколько велик выигрыш? В реальных неидеальных операционных усилителях типичные значения коэффициента усиления разомкнутого контура составляют от сотен тысяч до десятков миллионов:

AOL, неидеальный, тип = 105-107

Это действительно здорово! Разница в милливольтах на входах становится на выходе сотнями или тысячами вольт! Он настолько велик, что в анализе идеального операционного усилителя мы делаем еще одно упрощающее предположение, принимая предел, предполагающий, что коэффициент усиления стремится к бесконечности:

Vout = AOL (V + −V-) AOL, идеальный → ∞

Это алгебраическая модель идеального операционного усилителя : она вычитает напряжение на инвертирующем входе из неинвертирующего входа, а затем умножает разницу на очень большой коэффициент усиления, приближающийся к бесконечности.

Даже в реальных операционных усилителях таблица часто гарантирует только минимальное усиление при разомкнутом контуре , но не максимальное. Вы не можете и не должны разрабатывать схему, полагаясь на точное значение коэффициента усиления без обратной связи операционного усилителя.

Трудно думать о бесконечности! Один полезный умственный трюк — приостановить время и представить, что происходит в динамике: вместо того, чтобы сразу прыгать в бесконечность, представьте, что при небольшой разнице входных сигналов выходное напряжение идеального операционного усилителя просто начинает расти, расти, приближаться к бесконечности! Позже мы представим различные конфигурации обратной связи с обратной связью, и вы увидите, что это быстрое повышение выходного напряжения в конечном итоге возвращается, чтобы повлиять на один или оба входа одного и того же операционного усилителя, так что не беспокойтесь: бесконечность долго не протянет.

С бесконечностями тоже может быть сложно справиться с алгеброй. Предлагается оставить AOL на месте в качестве переменной, и только в конце возьмем предел AOL → ∞ .


Идеальный операционный усилитель непрерывно измеряет напряжения на входах и регулирует выходное напряжение:

  • Если неинвертирующий (+) вход находится на более высоком напряжении , чем инвертирующий (-) вход, операционный усилитель на увеличит свое выходное напряжение на .
  • Если на неинвертирующем (+) входе на ниже напряжение на , чем на инвертирующем (-) входе, то операционный усилитель на снизит свое выходное напряжение.

В форме уравнения:

Vout увеличивается, если V +> V-Vout уменьшается, если V +

Если обратная связь присутствует и в правильном направлении, то операционный усилитель будет постоянно корректировать свое выходное напряжение до тех пор, пока два входных напряжения не станут одинаковыми.


Есть ряд других предположений, которые инженеры делают об идеальных операционных усилителях. Все эти предположения будут нарушены для реальных (неидеальных) операционных усилителей, поэтому следите за тем, как они могут повлиять на вашу схему.

Узнав об этих предположениях об идеальности, мы можем решить, когда мы можем спроектировать схему, предполагая, что операционный усилитель идеален (и, следовательно, его намного легче анализировать), и когда эта упрощенная модель может вступить в противоречие с реальностью. Мы рассмотрим эти вопросы более подробно в следующих разделах.

Никакой ток не может течь на входные клеммы идеального операционного усилителя или выходить из них. Входные клеммы могут измерять только свое напряжение. От Thevenin Equivalent Circuits это все равно что сказать, что входной импеданс, смотрящий на входные клеммы, бесконечен: Zin = ∞

Выход идеального операционного усилителя может удерживать Vout и подавать любое количество тока, входящего или выходящего, без изменения напряжения.В эквивалентной модели Thevenin, если смотреть на выходную клемму (и землю), она выглядит как источник напряжения с нулевым сопротивлением — следовательно, с нулевым выходным сопротивлением: Zout = 0

В идеальных операционных усилителях мы предполагаем, что неинвертирующий и инвертирующий входы идеально сбалансированы, так что Vout = AOL (V + −V-) . В реальном мире из-за производственных процессов существует некоторое входное напряжение смещения, такое что Vout = AOL (V + −V- + Vinput offset) . Вы можете подумать об этом концептуально, просто добавив небольшой источник напряжения последовательно с одним из входов.Если точность по постоянному току имеет значение, это входное смещение (даже всего несколько милливольт!) Может иметь большое значение, особенно потому, что оно может дрейфовать во время работы схемы. Но в идеальном операционном усилителе мы предполагаем: смещение Vinput = 0

На схематическом изображении идеального операционного усилителя отсутствуют подключения к источнику питания, но настоящий операционный усилитель должен откуда-то получать питание и подавать питание на схему. В техническом описании это начинается с тока покоя операционного усилителя IQ. . (См. Раздел «Питание» для обсуждения учета мощности и энергии в цепях.В идеальных операционных усилителях мы рассматриваем это как VCVS: это активный источник, который может подавать питание на схему.

Скорость, с которой операционный усилитель может изменять свое выходное напряжение, называется скоростью нарастания . В реальных операционных усилителях существует предел скорости роста или падения выходной мощности, измеряемый в Vs. . (Это похоже на мысленный трюк с размышлением о бесконечном усилении разомкнутого контура, о котором говорилось выше.) В идеальных операционных усилителях мы допускаем бесконечную скорость нарастания напряжения: выходной сигнал может двигаться бесконечно быстро.

В дополнение к пределу скорости нарастания напряжения (который является нелинейным пределом), существует также ограничение полосы пропускания в реальных операционных усилителях: они не реагируют на все частоты.Реальные операционные усилители имеют коэффициент усиления без обратной связи, который зависит от частоты, AOL (f). , а на высоких частотах он уменьшается. В частности, произведение коэффициента усиления на полосу пропускания (GBW) — это частота, на которой коэффициент усиления разомкнутого контура операционного усилителя падает до 1. Примечательно, что коэффициент усиления начинает падать намного раньше этой частоты. Но в идеальных операционных усилителях мы предполагаем, что коэффициент усиления разомкнутого контура постоянный и большой (приближающийся к бесконечности) для всех частот.

Как подробно обсуждалось выше, мы предполагаем, что идеальные операционные усилители имеют коэффициент усиления, приближающийся к бесконечности.Реальные операционные усилители имеют конечное усиление без обратной связи, что может ограничивать степень усиления, которую мы можем получить от одного каскада операционного усилителя.

В идеальных операционных усилителях мы предполагаем, что если мы удвоим разницу входного напряжения, мы удвоим выходное напряжение. Настоящие операционные усилители состоят из нелинейных компонентов, и это неверно. Однако, поскольку операционные усилители используются в конфигурациях с обратной связью с обратной связью, обратная связь сохраняет разницу входного напряжения чрезвычайно малой, в пределах диапазона, в котором мы видим в основном линейное поведение.Можно с уверенностью предположить линейность идеального операционного усилителя.

Идеальный операционный усилитель может иметь входы любого значения; имеет значение только их различие. Но в реальном операционном усилителе будут ограничения на допустимые входные напряжения, чтобы предотвратить повреждение входных транзисторов. Вычитание не будет работать должным образом, если ваши входные данные превышают эти пределы, и ваша схема не будет работать так, как задумано. (Более тонко, вы получите нелинейные искажения до того, как достигнете жестких пределов.) В большинстве случаев пределы соответствуют положительному и отрицательному напряжению источника питания, но вы должны проверить таблицу, чтобы быть уверенным.

Идеальный операционный усилитель может выдавать любое напряжение. Но в реальном операционном усилителе вы ограничены возможностями выходных транзисторов. Эти пределы обычно соответствуют положительному и отрицательному напряжению источника питания, но вам следует проверить таблицу данных.

Идеальный операционный усилитель реагирует только на изменение напряжения на его неинвертирующих и инвертирующих входных контактах. Но настоящий операционный усилитель может «просачивать» некоторые отклонения от контактов источника питания на выход. (Это зафиксировано как спецификация коэффициента отклонения источника питания [PSRR] в таблице данных.) Это позволяет источнику питания с шумами испортить сигнал.

Идеальный операционный усилитель не добавляет шума к сигналу. Но в реальном операционном усилителе шум добавляется и, возможно, даже усиливается.


Идеальный операционный усилитель — это просто фантастика! К сожалению, все они распроданы. Настоящие операционные усилители на ИС, которые вы можете купить, не идеальны во всех описанных выше способах, и производители полупроводников должны идти на собственные уступки, чтобы достичь своих целевых характеристик и ценовой категории.

В результате, если проблема аналогового дизайна, которую вы пытаетесь решить, особенно сложна в каком-либо направлении, вы, возможно, не захотите использовать операционный усилитель.Например, если вам нужно спроектировать каскад усилителя с абсолютно высокими частотными характеристиками или с абсолютно низким энергопотреблением, вы, вероятно, не собираетесь использовать операционный усилитель.

К счастью, в продаже есть тысячи различных моделей операционных усилителей, и все они идут на разные компромиссы между этими неидеальными идеалами. Во многих случаях, понимая свою дизайнерскую проблему и то, как она соотносится с этими неидеальными идеалами, вы сможете найти тот, который отвечает вашим потребностям прямо из коробки!


Часто бывает полезно ослабить допущение о «неограниченном диапазоне выходного напряжения», указанное выше, и вместо этого смоделировать идеальный операционный усилитель с шинами напряжения , где выходной сигнал должен находиться в пределах указанного диапазона.

Полезно запустить симуляцию DC Sweep, чтобы увидеть, как выглядит выходной сигнал идеального операционного усилителя с разомкнутым контуром, с шинами напряжения и без них. Две выходные кривые перекрываются посередине, когда пределы не превышены. Но с шинами напряжения линия В (Output_with) обрезается, чтобы стать плоской и горизонтальной после превышения пределов:

Exercise Щелкните, чтобы открыть и смоделировать схему, описанную выше, и понаблюдать за тем, как один выход кажется ограниченным при изменении входа.

(обратите внимание, что для многих реальных операционных усилителей его выход не может полностью качаться до положительной шины питания и не может полностью опускаться до отрицательной.)

Теперь, когда у нас есть идеальный операционный усилитель с шинами напряжения, мы можем использовать его в качестве компаратора напряжения без обратной связи. Бесконечное усиление идеального операционного усилителя на превосходит за счет ограничений по выходному напряжению, так что фактически:

Vout = Vlimit, pos для V +> V- + ϵVout = Vlimit, negfor V +

для очень маленьких ϵ .

Это можно продемонстрировать, подключив два генератора синусоидальных функций с разными частотами к двум входам операционного усилителя:

Exercise Щелкните, чтобы открыть и смоделировать схему выше. Посмотрите, как выходной сигнал достигает крайних значений при пересечении входов.

В реальном мире операционный усилитель — не лучший аналоговый компаратор напряжения: есть гораздо лучшие специализированные детали. Однако это одно из немногих приложений операционных усилителей без обратной связи, так что вы можете создать и протестировать его в своей лаборатории.


Полезно моделировать схемы операционного усилителя в области Лапласа, потому что мы можем решать системы с обратной связью алгебраически. В частности, полезная модель для идеального операционного усилителя предполагает наличие конечного коэффициента усиления без обратной связи AOL. :

Еще более полезная модель включает в себя конечное произведение коэффициента усиления на полосу пропускания GBW. . Это моделируется как имеющий конечный коэффициент усиления AOL. на постоянном токе, с однополюсным фильтром нижних частот с угловой частотой fc = GBWAOL . Компонент нижних частот имеет передаточную функцию Glpf (s) = 11 + sω. , где ω = 2πfc .Сочетание усиления и низких частот дает:

G (с) = AOL1 + s (AOL2πGBW)

и может быть реализован в CircuitLab, как показано:

Мы будем использовать эту модель в следующих разделах приложения для алгебраического решения примеров обратной связи с обратной связью.


Насколько полезно иметь усилитель с действительно огромным (в идеале бесконечным!) Усилением? Само по себе не так уж и много. В этом разделе мы изучили поведение разомкнутого контура, и наиболее полезным результатом является посредственный аналоговый компаратор напряжения.

Но как только мы построим схему вокруг идеального операционного усилителя, мы сможем «замкнуть контур» и приручить дико огромное усиление во что-то, что мы можем спроектировать и контролировать с помощью обратной связи с обратной связью . Оказывается, что наличие компонента вычитания и умножения на бесконечность является почти магически полезным строительным блоком для широкого спектра потребностей в обработке аналоговых сигналов. Мы рассмотрим их в следующих нескольких разделах, начиная с одного из самых простых: буфера напряжения операционного усилителя.


Роббинс, Майкл Ф. Ultimate Electronics: Практическое проектирование и анализ схем. CircuitLab, Inc., 2021, ultimateelectronicsbook.com. Доступно. (Авторское право © CircuitLab, Inc., 2021)

Основы операционного усилителя

: принцип работы и схема усилителя

Операционный усилитель (называемый «операционным усилителем») представляет собой схемный блок с очень большим увеличением. В реальных схемах определенный функциональный модуль обычно объединен с сетью обратной связи. Это усилитель со специальной схемой связи и обратной связью.Выходной сигнал может быть результатом математических операций, таких как сложение, вычитание, дифференцирование и интегрирование входного сигнала. Из-за своего раннего применения в аналоговых компьютерах для реализации математических операций он получил название «операционный усилитель».

Каталог

Ⅰ Принцип операционного усилителя

Операционный усилитель — это схемный блок, названный с функциональной точки зрения, который может быть реализован в виде дискретного устройства или полупроводниковой микросхемы.С развитием полупроводниковой технологии большинство операционных усилителей существует в виде единой микросхемы. Есть много типов операционных усилителей, которые широко используются в электронной промышленности.

Операционный усилитель, показанный на рисунке, имеет две входные клеммы (, инвертирующая входная клемма ), b ( неинвертирующая входная клемма ) и выходная клемма o . Когда напряжение U- приложено между выводом a и общим выводом (общий вывод — это точка, в которой напряжение равно нулю, что эквивалентно опорному узлу в цепи.), и его фактическое направление выше, чем общая клемма от клеммы a, фактическое направление выходного напряжения U — от общего конца к концу o, то есть два направления полностью противоположны. Когда входное напряжение U + приложено между клеммой b и общей клеммой, фактические направления U и U + точно такие же относительно общей клеммы. Для различения клеммы a и b помечены как «-» и «+» соответственно, но не путайте их с положительной и отрицательной полярностью направления опорного напряжения.Положительную и отрицательную полярность напряжения следует маркировать отдельно или указывать стрелками. Инвертирующий усилитель и неинвертирующий усилитель представлены ниже:

Рисунок 1. Инвертирующий усилитель

Рисунок 2. Неинвертирующий усилитель

Как правило, операционные усилители можно рассматривать как высокопроизводительные усилители. Усилитель напряжения с прямой связью с усилением с портом вывода сигнала (Out) и двумя входными клеммами с высоким импедансом, синфазными и противофазными.Следовательно, операционные усилители могут использоваться для создания синфазных, противофазных и дифференциальных усилителей.

Режим питания операционного усилителя разделен на двойной источник питания и одиночный источник питания. Для операционного усилителя с двойным источником питания его выход может изменяться с обеих сторон от нулевого напряжения, а выход также может быть установлен на ноль, когда дифференциальное входное напряжение равно нулю. При использовании операционного усилителя с одним источником питания выходная мощность варьируется в определенном диапазоне между источником питания и землей.

Входной потенциал операционного усилителя обычно должен быть выше определенного значения отрицательного источника питания и ниже определенного значения положительного источника питания. Специально разработанный операционный усилитель позволяет изменять входной потенциал от отрицательного источника питания к положительному источнику питания, даже немного выше, чем положительный источник питания, или немного ниже, чем отрицательный источник питания. Этот тип операционного усилителя называется операционным усилителем с железнодорожным входом.

Выходной сигнал операционного усилителя пропорционален разности напряжений между двумя входными клеммами. В аудиосегменте: выходное напряжение = A0 (E1-E2), где A0 — это низкочастотное усиление разомкнутого контура операционного усилителя (например, 100 дБ, что в 100000 раз), E1 — напряжение входного сигнала при отсутствии -инвертирующий терминал, а E2 — напряжение входного сигнала на инвертирующем терминале.

Ⅱ Принципиальная схема классического операционного усилителя

Принципиальная схема классического операционного усилителя 1

Ненаправленная клемма операционного усилителя на рисунке 3 заземлена = 0 В, обратная клемма и ненаправленная клемма являются виртуальные короткие замыкания, так что это тоже 0В.Входное сопротивление обратной входной клеммы очень велико, и почти нет подачи и оттока тока. Тогда R1 и R2 включены последовательно, ток, протекающий через каждый компонент в последовательной цепи, одинаков, то есть ток, протекающий через R1, и ток, протекающий через R2, одинаковы.

Ток, протекающий через R1 I1 = (Vi-V -) / R1 …… a

Ток, протекающий через R2 I2 = (V — Vout) / R2 …… b

V- = V + = 0 …… c

I1 = I2 …… d

Решите вышеуказанное алгебраическое уравнение: Vout = (- R2 / R1) * Vi

Это соотношение входа и выхода легендарного инвертирующего усилителя.

Принципиальная схема классического операционного усилителя 2

На рисунке 4, Vi и V- виртуально замкнуты, тогда Vi = V …… a

Из-за виртуального обрыва нет токового входа и выхода на реверсе входной терминал, и токи через R1 и R2 равны. Установите этот ток как I. Из закона Ома: I = Vout / (R1 + R2) …… b

Vi равно парциальному давлению на R2, а именно: Vi = I * R2 …… c

c получается по формуле формула abc. Vout = Vi * (R1 + R2) / R2

Это формула легендарного сонаправленного усилителя.

Принципиальная схема классического операционного усилителя 3

На рисунке 5 мы знаем из виртуального короткого замыкания: V- = V + = 0 …… a

a Согласно виртуальному отключению и закону Кирхгофа, сумма ток через R2 и R1 равен току через R3, поэтому (V1 – V -) / R1 + (V2– V -) / R2 = (Vout – V -) / R3 …… b

b подставляется в формулу a, а формула b принимает вид V1 / R1 + V2 / R2 = Vout / R3.

Если R1 = R2 = R3, приведенная выше формула становится Vout = V1 + V2, это легендарный сумматор.

Принципиальная схема классического операционного усилителя 4

На рисунке 6 из-за виртуальной разомкнутой цепи ток через операционный усилитель не течет в одном направлении, поэтому токи, протекающие через R1 и R2, равны, а токи, протекающие через R4 и R3, также равны. Итак (V1 – V +) / R1 = (V + -V2) / R2 …… a

(Vout – V -) / R3 = V- / R4 …… b

Из недостатков: V + = V- …… c

, если R1 = R2, R3 = R4, то V + = (V1 + V2) / 2V- = Vout / 2.

Мы можем получить из приведенной выше формулы, поэтому Vout = V1 + V2 также является сумматором.

Ⅲ Введение в схему усилителя

Схема усиления также называется усилителем. Это одна из наиболее широко используемых электронных схем и базовая единичная схема, составляющая другие электронные схемы. Так называемое усиление заключается в усилении входного слабого сигнала (называемого сигналом, который относится к изменяющимся напряжению, току и т. Д.) До требуемого значения амплитуды и сигнала, соответствующего исходному закону изменения входного сигнала, то есть , чтобы выполнить неискаженное усиление.Имеет смысл только увеличивать без искажений. Суть усилительной схемы заключается в управлении и преобразовании энергии. В соответствии с общим концом входного и выходного контуров схема усиления имеет три основных вида: схема усилителя с общим эмиттером, схема усилителя с общим коллектором и схема усилителя с общей базой.

Фактическая схема усилителя обычно состоит из источника сигнала, усилителя, состоящего из транзистора, и нагрузки.

Характеристики схемы усилителя:

1.Есть два рабочих состояния: статическое и динамическое, поэтому иногда бывает необходимо нарисовать путь постоянного и переменного тока для анализа;

2. Схемы часто добавляются с отрицательными отзывами. Такая обратная связь иногда присутствует на этом этапе, иногда от последнего этапа к предыдущему, поэтому, анализируя этот этап, мы должны иметь возможность «смотреть вперед и назад». После понимания принципа каждого уровня вся схема может быть объединена для всестороннего синтеза.

Принципиальная схема транзисторного усилителя:

Это типичная схема транзисторного усилителя.Направление тока и роль каждого резистора смещения можно увидеть из вышеизложенного.

Ⅳ Разница между операционным усилителем и схемой усилителя

Схема усиления выполняет только функцию усиления. Обычно он используется для усиления аналогового сигнала различных устройств обнаружения. Конечно, некоторые схемы аналоговых усилителей могут также выполнять функции арифметической логики. Выходной сигнал схемы усиления — аналоговая величина.

Операционные усилители обычно интегрируются в микросхему, а несколько операционных усилителей интегрируются в микросхему.Операционные усилители также называют компараторами, которые можно использовать для сравнения и усиления сигналов. Выход цифровой. Операционный усилитель имеет входы как для положительного, так и для отрицательного сигнала. Какой сигнал является входом на клемму положительного сигнала, то такой же сигнал является выходом. Клемма входа отрицательного сигнала является противоположной, например, клемма отрицательного сигнала вводит положительный сигнал, а выходная клемма противоположна, что является отрицательным сигналом.

Например, электромобиль на 36 В использует четыре индикатора для отображения мощности и подает 5 В на микросхему операционного усилителя.Сделайте несколько фиксированных напряжений, равные 40, 38, 36 и 34 соответственно. Они подключены к четырем отрицательным входным клеммам микросхемы с четырьмя операционными усилителями, а четыре положительных входных клеммы сигнала подключены к выборке батареи. Когда напряжение аккумулятора превышает 40 В, операционный усилитель выдает высокий уровень, и световой индикатор горит. Когда оно ниже 40 В, входной терминал положительного сигнала ниже входного терминала отрицательного сигнала, индикатор низкого уровня выходного сигнала не загорается.Остальные три группы операционных усилителей такие же. В обычных схемах усилителя не будет такой ситуации, когда напряжение сигнала на входе будет выше, чем на выходе.

Кроме того, входной конец операционного усилителя используется в качестве заземления сигнала, а другой конец подключается к входному сигналу. Его можно использовать как усилитель, например передний каскад усилителя мощности. Схему усилителя можно понять как операционный усилитель.

Эти две схемы различаются, прежде всего, принципиально.В некоторых схемах используются транзисторы для усиления и операционные усилители, поскольку напряжение входного сигнала не может напрямую работать на операционном усилителе.

Введение в характеристики схемы идеального операционного усилителя

Введение

Операционный усилитель (сокращенно ОУ) — это в основном устройство усиления напряжения, предназначенное для использования с такими компонентами, как конденсаторы и резисторы, между его входными / выходными клеммами, или просто линейная интегральная схема (ИС) с несколькими клеммами.В электронике коэффициент усиления по напряжению без обратной связи реального операционного усилителя очень велик, что можно увидеть в дифференциальном усилителе с бесконечным коэффициентом усиления без обратной связи, бесконечным входным сопротивлением и нулевым выходным сопротивлением. Кроме того, он имеет положительные и отрицательные входы, которые позволяют схемам, использующим обратную связь, выполнять широкий спектр функций. Между тем, его можно еще больше упростить до идеальной модели операционного усилителя, называемой идеальным операционным усилителем (также называемой , идеальным OPAMP ).

1 Характеристики идеального операционного усилителя

При анализе различных схем применения операционных усилителей интегральный операционный усилитель часто рассматривается как идеальный операционный усилитель. Так называемый идеальный операционный усилитель предназначен для идеализации различных технических показателей операционных усилителей и должен иметь следующие характеристики.

1.1 Бесконечное входное сопротивление

Входной терминал идеального операционного усилителя не пропускает ток. В электронике операционные усилители являются устройствами усиления напряжения.Они усиливают напряжение, подаваемое на операционный усилитель, и выдают тот же сигнал, что и выходной, с гораздо большим усилением. Чтобы операционный усилитель принимал сигнал напряжения в качестве своего входа, сигнал напряжения должен падать на операционный усилитель. Если вы знаете концепцию делителя напряжения, напряжение падает в основном на компонентах с высоким импедансом, пропорционально согласно закону Ома по формуле V = IR. Таким образом, чем больше сопротивление (или импеданс) устройства, тем больше падение напряжения на этом устройстве.Чтобы убедиться, что сигнал напряжения полностью падает на операционном усилителе, он должен иметь очень высокий входной импеданс, чтобы напряжение на нем полностью падало. Если бы у него был низкий входной импеданс, напряжение на нем не могло бы упасть, и он не принял бы сигнал. Вот почему операционные усилители должны иметь высокое входное сопротивление.
Также легко сделать входной импеданс ниже (подключив резистор параллельно) или импеданс источника выше (подключив резистор последовательно).

Рис. 1. Символ идеального операционного усилителя и кривая передаточной характеристики

1.2 Нулевой выходной импеданс

Выход идеального операционного усилителя является идеальным источником напряжения, независимо от того, как изменяется ток, протекающий в нагрузке усилителя, выходное напряжение усилителя всегда имеет определенное значение, то есть выходное сопротивление равно нулю. На практике нулевой выходной импеданс на самом деле является отличным свойством от бесконечного входного импеданса, но в течение очень долгого времени к бесконечному входному сопротивлению подходили только с компромиссом в напряжении смещения и шума.

1.3 Бесконечное усиление без обратной связи

В разомкнутом состоянии дифференциальный сигнал на входе имеет бесконечное усиление по напряжению.Эта особенность делает операционный усилитель очень подходящим для практических приложений с верхней отрицательной обратной связью.

1,4 Бесконечный коэффициент подавления синфазного сигнала

Идеальный операционный усилитель может реагировать только на разницу напряжений на обоих концах V + и V-. Кроме того, одна и та же часть двух входных сигналов (т. Е. Синфазный сигнал) будет полностью проигнорирована. Более того, высокий CMRR требуется, когда дифференциальный сигнал должен быть усилен при наличии возможно большого синфазного входа, такого как сильные электромагнитные помехи (EMI).Примером может служить передача звука по симметричной линии при звукоусилении или записи.

1.5 Бесконечная пропускная способность

Идеальный операционный усилитель будет усиливать входной сигнал любой частоты с таким же дифференциальным коэффициентом усиления, который не изменяется при изменении частоты сигнала.

2 предположения об идеальном ОУ

Операционный усилитель можно рассматривать как источник тока, управляемый напряжением, или как интегральную схему, которая может усиливать слабые электрические сигналы.Исходя из этого, для идеального OPAMP, какова связь между ним и этими электрическими сигналами?
Во-первых, предположим, что ток, протекающий на входе операционного усилителя, равен нулю. Это предположение почти полностью верно для операционных усилителей на полевых транзисторах, поскольку входной ток для операционных усилителей на полевых транзисторах ниже 1 пА. Но для двойных высокоскоростных операционных усилителей это предположение не всегда верно, поскольку входной ток в них иногда может достигать десятков микроампер.
Во-вторых, предположим, что коэффициент усиления операционного усилителя бесконечен, поэтому операционный усилитель может изменять выходное напряжение до любого значения в соответствии с требованиями к входу.Это означает, что выходное напряжение операционного усилителя может достигать любого значения. Фактически, когда выходное напряжение близко к напряжению источника питания, операционный усилитель будет насыщаться. Возможно, эта гипотеза и выходит, но требует практического ограничения. Например, на более высоких частотах в игру вступают внутренние переходные конденсаторы транзистора, что снижает выходную мощность и, следовательно, коэффициент усиления усилителя. Реактивное сопротивление конденсатора уменьшается с увеличением частоты в обход большей части выхода. Операционный усилитель находится в состоянии насыщения.

Рисунок 2. Насыщение ОУ

Например, согласно таблице данных LM741, усиление напряжения большого сигнала составляет 200 В / мВ. Это означает усиление разомкнутого контура 200000. Если вы используете операционный усилитель в разомкнутом контуре (то есть без отрицательной обратной связи), даже микровольты входного напряжения (входное напряжение смещения LM741 составляет 3 мВ) приведут выход к насыщению.
В большинстве схем усилителя операционный усилитель настроен на использование отрицательной обратной связи, что значительно снижает коэффициент усиления по напряжению (т.е.е. усиление замкнутого контура). В генераторах и триггерах Шмита операционный усилитель настроен на использование положительной обратной связи. Схема компаратора является примером схемы, в которой используется коэффициент усиления операционного усилителя без обратной связи. Его выход всегда будет с насыщением, положительным или отрицательным. В схеме интегратора усиление по постоянному току должно быть ограничено добавлением резистора обратной связи параллельно конденсатору; иначе выход станет насыщенным.
Даже в схемах усилителя амплитуда входного сигнала и коэффициент усиления по напряжению схемы должны быть сбалансированы, чтобы выходное напряжение не превышало напряжение источника питания.Например, для неинвертирующего усилителя с коэффициентом усиления 100 по напряжению максимально допустимое входное напряжение будет 150 мВ, если VCC составляет 15 В. Если вы подадите сигнал 200 мВ, выход операционного усилителя перейдет в состояние насыщения, так как требуемый выход будет 20 вольт, что превышает VCC в 15 вольт.
В-третьих, предположение о бесконечном усилении также означает, что входной сигнал должен быть нулевым. Коэффициент усиления операционного усилителя будет управлять выходным напряжением до тех пор, пока напряжение (напряжение ошибки) между двумя входными клеммами не станет равным нулю.Напряжение между двумя входными клеммами равно нулю. Нулевое напряжение между двумя входными клеммами означает, что если одна входная клемма подключена к жесткому источнику напряжения, например к земле, другая входная клемма также будет иметь такой же потенциал. Кроме того, поскольку ток, протекающий на входной клемме, равен нулю, входное сопротивление операционного усилителя бесконечно.
В-четвертых, выходное сопротивление идеального операционного усилителя равно нулю. Идеальный операционный усилитель может управлять любой нагрузкой без падения напряжения из-за своего выходного сопротивления.При малых токах выходное сопротивление большинства операционных усилителей находится в диапазоне нескольких десятых на один Ом, поэтому в большинстве случаев это предположение верно.

3 Рабочие характеристики идеальных операционных усилителей

3.1 Работа в линейной области

Когда идеальный операционный усилитель работает в линейной области, выходное и входное напряжение имеют линейную зависимость. Где u0 — выходное напряжение интегрированного операционного усилителя; u + и u- — напряжения на неинвертирующей входной клемме и инвертирующей входной клемме соответственно.Auo — это увеличение дифференциального напряжения разомкнутого контура. Согласно характеристикам идеального операционного усилителя, две важные характеристики идеального операционного усилителя в линейной области.
1) Нулевое дифференциальное входное напряжение
Поскольку увеличение дифференциального напряжения разомкнутого контура идеального операционного усилителя равно бесконечности, а выходное напряжение является определенным значением, значения напряжения на неинвертирующем входном терминале и инвертирующем входном терминале примерно равны. Точно так же, как короткое замыкание между входом и выходом, но это подделка.Поскольку это эквивалентное короткое замыкание, а не настоящее короткое замыкание, это явление называется «виртуальным коротким замыканием».
2) Нулевой входной ток
Поскольку входное сопротивление разомкнутого контура идеального операционного усилителя бесконечно, ток в операционный усилитель не течет ни на одном из входов. В это время ток на неинвертирующей входной клемме и инвертирующей входной клемме равен нулю. Как отключение, но эквивалентное отключение, поэтому это явление называется «виртуальный разрыв». Виртуальный короткий и виртуальный разрыв — две важные концепции для анализа идеального операционного усилителя, работающего в линейной области.
Фактически, идеальный операционный усилитель обладает характеристиками «виртуального короткого замыкания» и «виртуального разрыва». Эти две характеристики очень полезны для анализа схем линейных усилителей. Необходимое условие виртуального короткого замыкания — отрицательная обратная связь. Когда вводится отрицательная обратная связь, в это время, если напряжение на прямом выводе немного выше, чем напряжение на обратном выводе, на выходе выводится высокое напряжение, эквивалентное напряжению источника питания после усиления операционного усилителя.Фактически, время отклика операционного усилителя изменяется от исходного состояния выхода до состояния высокого уровня (золотое правило анализа аналоговых схем: изменение сигнала — это непрерывный процесс изменения). Из-за сопротивления обратной связи изменение обратного конца неизбежно повлияет на его напряжение, когда обратное конечное напряжение бесконечно близко к прямому конечному напряжению, схема достигает сбалансированного состояния. Выходное напряжение больше не меняется, то есть напряжение на переднем конце и обратном конце всегда близко.(Примечание: метод анализа аналогичен при понижении напряжения.)

3.2 Работа в нелинейной области

Когда операционный усилитель работает в нелинейной области, выходное напряжение больше не увеличивается линейно с входным напряжением, а насыщается. Идеальный операционный усилитель также имеет две важные характеристики при работе в нелинейной области.
1) Когда u + ≠ u-, выходное напряжение идеального операционного усилителя достигает значения насыщения.
Когда u +> u-, операционный усилитель работает в области положительного насыщения с положительным выходным напряжением.
Когда u + Идеальный операционный усилитель работает в нелинейной области u + ≠ u-, «виртуального замыкания» нет.
2) Входной ток равен нулю.
Хотя входное напряжение u + ≠ u- выше, входной ток считается нулевым.

4 Анализ характеристик идеального операционного усилителя

Что касается операционного усилителя, там, вероятно, есть такое описание: трехконтактный элемент (структура схемы с двусторонним входом, несимметричный выход), идеальный транзистор, усилитель постоянного тока с высоким коэффициентом усиления.
(1) Высокое входное сопротивление
В этой ситуации ток, протекающий на входной клемме, близок к 0, почти не используется ток источника сигнала, что близко к характеристике управления напряжением. И виртуальный разрыв происходит из этого.
(2) Низкое выходное сопротивление
Он имеет характеристики адаптации к любой нагрузке. И сопротивление последующей цепи нагрузки не повлияет на выходное напряжение.
(3) Бесконечное усиление напряжения
(4) При определенных условиях напряжения питания усилитель может работать только в режиме замкнутого контура (отрицательная обратная связь), а фактическое усиление ограничено.Поскольку сами операционные усилители не имеют соединения 0 В, но их конструкция предполагает, что типичные сигналы будут ближе к центру их положительного и отрицательного источников питания. Таким образом, если ваше входное напряжение находится на одном пределе или вынуждает выход к одному источнику питания, скорее всего, он не будет работать должным образом. Работа в режиме разомкнутого контура аналогична работе компаратора, и выходной сигнал имеет высокий или низкий уровень.
В состоянии замкнутого контура (ограниченное усиление) усилитель случайным образом сравнивает потенциалы двух входных клемм.Когда они не равны, выходной каскад вносит немедленные корректировки. Таким образом, конечная цель усиления — уравнять потенциалы двух входных клемм. И виртуальный шорт получен из этого.

5 предустановок сбалансированного сопротивления

5.1 Роль сбалансированного сопротивления

1) Для согласования входного импеданса обычно требуется подходящее сопротивление.
2) Чтобы уменьшить дисбаланс входного тока, синфазный резистор теоретически должен быть равен параллельному сопротивлению двух резисторов на обратном конце.На практике, в результате замкнутого контура, особенно в условиях глубокой отрицательной обратной связи, рассогласование на выходе не очевидно. И нет необходимости в синфазном заземляющем резисторе, когда несоосность не является основной проблемой. Потому что симметричный резистор — это отправная точка для идеального операционного усилителя. Синфазное сопротивление заземления полезно для биполярных операционных усилителей и не имеет значения для операционных усилителей МОП-типа.
3) Оконечное сопротивление входа заземления: необходимо для согласования импеданса и настройки высокой частоты.
4) Ток смещения и ток смещения.
Для операционных усилителей с током смещения, превышающим ток смещения, согласование входного сопротивления может быть уменьшено, а прецизионные схемы могут компенсировать ток смещения до минимума. Если ток смещения и ток смещения одинаковы, согласованное сопротивление увеличит ошибку.
5) Установите для тока смещения на входе, цель которого состоит в том, чтобы уравнять импеданс инвертирующего и неинвертирующего входов, так что предполагается, что два входа с одинаковыми токами смещения имеют равные падения напряжения, тем самым может быть обеспечено противодействие. сделал.

5.2 Входной балансировочный резистор Описание

Операционный усилитель подключен к инвертирующему усилителю:
Установите входное сопротивление для R1, сопротивление обратной связи для Rfi,
Предположим, что неинвертирующий конец не подключен к симметричному резистору, а заземлен напрямую.
Установите входной ток смещения для операционного усилителя IB (одинаковое напряжение в инвертирующем и неинвертирующем концах).
Ток, протекающий через R1, и Rf представлен I1 и If.
Инвертирующее напряжение V-, усиление операционного усилителя A.
Используйте KCL в инвертирующем конце (установите входной сигнал на 0).
Где (0-V -) / R1- (A + 1) V- / Rf = IB

Из приведенного выше уравнения следует, что V — = — (IB × R1 × Rf / (Rf + (A + 1) R1))

В это время выходное напряжение операционного усилителя составляет Vo = A × (IB × R1 × Rf / (Rf + (A + 1) R1)) <

Приведенную выше формулу можно приблизительно представить как Vo = IB × ((A × R1) / Rf)

Если синфазный вывод проходит через резистор R2 на землю и R2 = R1 / Rf, то напряжение на синфазном выводе составляет В + = — IB × R2

KCL применяется к инвертированной клемме, где (0-V -) / R1 + (A × (V + -V -) — V -) / Rf = IB

> В это время выходное напряжение операционного усилителя Vo = 0.

6 уравнений идеального ОУ

Понимание основных условий идеального операционного усилителя и их комбинирование с методом узлового напряжения по закону тока Кирхгофа (KCL) и теоремой суперпозиции узла является эффективным методом анализа идеальной схемы операционного усилителя.
Как показано ниже, найдите выходное напряжение uo
1) Уравнение на основе KCL
Из концепции виртуального разрыва, i + = i- = 0, тогда i1 = i2, i3 = i4, поэтому

(а)

На основе виртуального разрыва u + = u-, затем

(б)

2) Метод напряжения узла
Составьте список уравнений напряжения узла для узла 1 и узла 2 и получите

(в)

Примечание. Поскольку выходной ток операционного усилителя неизвестен в пунктах 1) и 2), невозможно перечислить уравнение KCL или уравнение напряжения узла на выходе операционного усилителя.Кроме того, выход uo операционного усилителя в 2) следует рассматривать как независимый источник напряжения.
3) Теорема суперпозиции
При наличии нескольких входных сигналов выбор теоремы суперпозиции для решения может упростить процесс анализа и вычислений. Размер выходного сигнала uo можно рассматривать как суперпозицию выходного сигнала, полученного независимым действием u1 и u2. Когда u1 действует один, клемма u2 заземлена, а выход операционного усилителя:

(г)

Следовательно, конечный выход операционного усилителя:

(д)

7 нескольких общих схем операционных усилителей

Схема неинвертирующего усилителя
Неинвертирующий усилитель представляет собой конфигурацию схемы операционного усилителя, которая выдает усиленный выходной сигнал.Он обеспечивает высокий входной импеданс и все преимущества, полученные от использования операционного усилителя.

Рисунок 3. Схема неинвертирующего усилителя

Схема инвертирующего усилителя
Инвертирующий усилитель (также известный как инвертирующий операционный усилитель или инвертирующий операционный усилитель) — это тип схемы операционного усилителя, который выдает выходной сигнал, который не совпадает по фазе с его входом на 180 градусов по фазе. относительно входного сигнала. На следующем рисунке показаны два внешних резистора для создания цепи обратной связи и замыкания цепи через усилитель.

Рисунок 4. Схема инвертирующего усилителя

Операционный усилитель в качестве сумматора
Сумматор можно создать, подключив больше входов к инвертирующему операционному усилителю. Принципиальная схема суммирующего усилителя показана на следующем рисунке.

Рисунок 5. Операционный усилитель как сумматор

Дифференциальный усилитель
Дифференциальный усилитель — это аналоговая схема с двумя входами и одним выходом, выход которой идеально пропорционален разнице между двумя напряжениями.Это очень полезная схема операционного усилителя, в которой параллельно с входными резисторами добавляются дополнительные резисторы, как показано ниже.

Рисунок 6. Дифференциальный усилитель

Составной усилитель
Составной усилитель — это комбинация нескольких операционных усилителей, которые соединены каскадом вместе с контуром отрицательной обратной связи по всей сети.

Рисунок 7. Композитный усилитель

Сопротивление в цепи обычно выбирается на уровне кОм, соотношение сопротивлений влияет на усиление и смещение, кроме того, ток питания, частотная характеристика и способность управления емкостной нагрузкой операционного усилителя определяют свои конкретные значения в схемах. .Если он используется в высокочастотной цепи, сопротивление необходимо уменьшить, чтобы получить лучший высокочастотный отклик, но это увеличит входной ток смещения, тем самым увеличивая ток источника питания.

8 различий между идеальным операционным усилителем и практичным операционным усилителем

Идеальные операционные усилители не потребляют питание, имеют бесконечное входное сопротивление, неограниченную полосу усиления и скорость нарастания, не имеют входного тока смещения и входного смещения. У них неограниченное соблюдение напряжения.
Практические операционные усилители потребляют некоторую мощность, имеют очень высокий входной импеданс, ограниченную полосу усиления и ограниченную скорость нарастания, имеют некоторый входной ток смещения и входное напряжение смещения.Соответствие напряжению ограничивается шиной питания, а часто даже меньше.
Практичные операционные усилители по-прежнему очень полезны, потому что большинство перечисленных выше ограничений намного лучше, чем то, что нужно вашей схеме.
Для идеального усилителя он вообще не потребляет ток со своего входа. Предполагая, что усилитель с двумя входами, ток сигнала в обоих входных пробниках равен нулю. Другими словами, входное сопротивление должно быть бесконечным. Выход должен работать как выход идеального источника напряжения.Это означает, что потенциал между выходом и землей должен быть A (v2-v1), независимо от того, какой ток потребляет нагрузка, подключенная к выходу. Другими словами, выходной импеданс должен быть равен нулю.
Для реального усилителя входное сопротивление должно быть как можно большим, а выходное сопротивление — как можно более низким.
На самом деле, в реальной жизни операционный усилитель не может работать с нулевым током.

9 Артикул

Обзор основ работы с электронным операционным усилителем

Обзор основ работы с неинвертирующим и инвертирующим усилителями

Основные проблемы Анализ основных операций с операционным усилителем

8.1: Введение в операционные усилители (операционные усилители)

Что такое операционный усилитель (операционный усилитель)?

Операционные усилители

, также известные как операционные усилители, в основном представляют собой устройства усиления напряжения, предназначенные для использования с такими компонентами, как конденсаторы и резисторы, между его входными / выходными клеммами. По сути, они являются основной частью аналоговых устройств. Подобные компоненты обратной связи используются для определения работы усилителя. Усилитель может выполнять множество различных операций (резистивных, емкостных или и того, и другого), что дало ему название Operational Amplifier.

Пример операционного усилителя на схеме.

Операционные усилители

— это линейные устройства, которые идеально подходят для усиления постоянного тока и часто используются для преобразования сигналов, фильтрации или других математических операций (сложение, вычитание, интегрирование и дифференцирование).

Операционный усилитель, пожалуй, самый полезный отдельный прибор в аналоговой электронной схеме. Имея всего несколько внешних компонентов, он может выполнять широкий спектр задач обработки аналоговых сигналов.Это также вполне доступные усилители общего назначения, которые продаются по цене менее доллара за штуку. Современные конструкции также разработаны с учетом долговечности: производится несколько операционных усилителей, способных выдерживать прямые короткие замыкания на своих выходах без повреждений.

Одним из ключей к полезности этих маленьких схем является инженерный принцип обратной связи, особенно отрицательной обратной связи , которая составляет основу почти всех процессов автоматического управления.Принципы, представленные в этом разделе, выходят далеко за рамки непосредственной электроники. Студенту-электронщику стоит потратить время на то, чтобы изучить эти принципы и хорошо их усвоить.

Дополнительная литература

Операционные усилители, или операционные усилители, являются одними из самых фундаментальных строительных блоков, которые инженер-электрик может использовать при проектировании схем. Для операционных усилителей существует масса полезных приложений. В этой статье будут рассмотрены лишь несколько основных схем, которые вы можете реализовать в своих проектах!

Основы: повторители напряжения

Первая схема настолько проста, что выглядит немного сумасшедшей:

Рисунок 1: Повторитель напряжения

Эта схема называется повторителем напряжения и ведет себя следующим образом:

Vin = VoutVin = Vout

На первый взгляд, это не очень полезно.Зачем мне платить несколько дополнительных центов за операционный усилитель, если похоже, что провод будет выполнять ту же работу между двумя компонентами? Ответ прост, если вы знаете несколько простых вещей об операционных усилителях. Когда вы начинаете нарушать схему с помощью операционных усилителей, вы должны помнить два основных принципа:

  1. Входные клеммы операционного усилителя, V + и V-, не потребляют ток.
  2. Напряжение V + и V- всегда равно. Это свойство иногда называют виртуальным коротким приближением .

Глядя на первое правило, мы видим, что наша схема повторителя напряжения не потребляет ток на входной клемме, подключенной к V +. На самом деле это просто способ сказать, что V + имеет действительно высокий импеданс — на самом деле, поскольку мы говорим об идеальных операционных усилителях, мы склонны просто сказать, что у него бесконечный входной импеданс. На практике это имеет довольно приятные последствия: если V + не потребляет ток, это означает, что мы можем подключить Vin к любому узлу в любой цепи и измерить его , не изменяя исходную схему .Нам не пришлось бы проходить через утомительную процедуру решения кучи новых уравнений для узловых напряжений и токов сетки, потому что мы не будем мешать ни одному из них, добавляя повторитель напряжения. Довольно круто, да?

(Примечание: как и для большинства правил, из этих правил для операционных усилителей есть некоторые исключения. На протяжении всей статьи мы игнорируем эти исключения — они будут мешать анализу нашего повторителя напряжения.)

Вместо того, чтобы проводить прямое измерение на Vin в нашей гипотетической схеме, мы бы измеряли на Vout.Это второе действующее правило операционных усилителей — напряжения V + и V- всегда считаются равными. Поскольку мы подключили V- и выход операционного усилителя, мы можем расширить это на шаг дальше и сказать, что Vout = V- = V + из-за виртуального короткого приближения.

Использование повторителей напряжения обеспечивает действительно простой способ сопряжения различных цепей с разным импедансом. Прохладный! Что еще мы можем сделать с операционными усилителями?

Изменение усиления — инвертирующий усилитель

Как следует из названия, операционные усилители — это усилители.Они могут усиливать сигналы за счет определенного соотношения входа и выхода. Это соотношение обычно называют коэффициентом усиления операционного усилителя. В идеальном мире коэффициент усиления операционного усилителя был бы бесконечным — настолько высоким, что он мог бы усилить любой уровень сигнала до любого другого уровня сигнала. В реальном мире это не так, но мы рассмотрим это как факт при анализе следующей схемы: инвертирующего усилителя.

Рисунок 2: Инвертирующий усилитель

Давайте шаг за шагом рассмотрим работу этой схемы.Во-первых, давайте применим наши два правила для операционных усилителей, чтобы вычислить некоторые узловые напряжения этой схемы. Самым простым в применении является виртуальное короткое приближение, когда V + и V- всегда находятся под одним и тем же напряжением. Мы видим, что V + заземлен; следовательно, V- также должен быть на земле. А как насчет тока, входящего и выходящего из узла V-? Согласно действующему закону Кирхгофа, мы знаем, что сумма всех токов в этом узле должна быть следующей:

Изначально кажется, что для решения этого уравнения может потребоваться некоторая работа, поскольку это уравнение имеет три неизвестных.Но так ли это? Если вы вспомните правила операционных усилителей, изложенные ранее, вы увидите, что мы бесплатно получаем один член этого уравнения: входы операционных усилителей не потребляют ток! Следовательно, мы знаем, что iV- равно нулю. Затем мы можем преобразовать это уравнение в следующую форму:

Поскольку V- связан с землей посредством виртуального короткого замыкания, закон Ома позволяет нам подставлять эти токи как напряжения и сопротивления:

Что, с небольшой алгеброй, возвращает нас к тому, с чего мы начали:

Довольно ясно, почему эта схема полезна — она ​​позволяет вам применять линейное усиление к входу и выходу, выбирая (Rf / Rin) для формирования любого отношения, которое вы хотите.Схема также имеет дополнительный бонус, позволяющий вам в значительной степени контролировать ее входное сопротивление — поскольку вы можете выбрать значение резистора Rin, вы можете увеличить его до максимального или минимального значения, чтобы соответствовать любому выходному импедансу, который вы нужно соответствовать!

Зачем нам нужна сеть резисторов для достижения такого поведения? Чтобы понять это, нам нужно немного больше понять, как работает операционный усилитель. Операционный усилитель — это тип усилителя напряжения. В идеальном случае операционный усилитель обеспечивает бесконечное усиление — он может усилить любое напряжение до любого другого уровня напряжения.Мы можем масштабировать бесконечное усиление операционного усилителя, используя цепь резисторов, которая соединяет входной узел V- и выходной узел. Подключая выход операционного усилителя к входу, мы используем процесс, называемый _feedback_, для регулировки выходного напряжения до желаемого уровня. Обратная связь — действительно важная концепция энергоэффективности и достаточно сложная, чтобы оправдать целую статью, посвященную этой теме. На данный момент достаточно понять основной принцип применительно к операционным усилителям: подключив выход ко входу, вы можете изменить поведение схемы действительно полезными способами.

Инверсия инвертора?

Давайте посмотрим, что произойдет, когда мы начнем дурачиться с базовой конструкцией инвертирующего усилителя. Что произойдет, если мы переключим цепь обратной связи на другой входной вывод, V-?

Рисунок 3: Что делает эта схема?

Мы можем проделать ту же серию шагов, что и раньше с инвертирующим усилителем, но мы начинаем заменять напряжения в V-узле. Из-за виртуального короткого приближения V- = V + = Vin.В результате мы можем записать следующее уравнение для тока, проходящего через Rg:

Поскольку мы знаем, что операционный усилитель не потребляет ток, мы знаем, что ток через Rg и ​​Rf должен быть одинаковым, что позволяет нам написать это уравнение:

Виртуальное короткое приближение позволяет нам избавиться от V-, поскольку мы знаем, что оно равно Vin.

И после небольшой алгебраической перестановки получаем следующее:

В отличие от предыдущей схемы, коэффициент усиления этой схемы неотрицательный.В результате эта схема называется неинвертирующим усилителем : она обеспечивает линейное усиление, но с положительным знаком. В отличие от предыдущего неинвертирующего усилителя, он не может обеспечить усиление меньше единицы — установить цепь обратной связи ниже невозможно! С другой стороны, в этой схеме есть то, чего нет в инвертирующем усилителе. Поскольку выход положительный, он находится в фазе с входом. Инвертирующий усилитель, применяя отрицательное усиление, сдвигает выходной сигнал на 180 градусов.Неинвертирующий усилитель этого не делает!

Завершение

Операционные усилители

— действительно универсальные схемные компоненты. В этой статье мы даже не догадались, что с ними можно сделать — диапазон функциональных возможностей, которые они могут использовать, огромен. Какие еще схемы вы можете сделать с ними? Есть ли у вас какие-нибудь крутые схемы с операционными усилителями? Оставьте нам сообщение в разделе комментариев и расскажите нам об этом!

Введение в операционные усилители с LTSpice

Добавлено в избранное Любимый 12

Введение

Если вы еще не ознакомились с руководством «Приступая к работе с LTSpice», вам обязательно следует подождать, поскольку крайне необходимо обновить качество звука.Для тех из вас, кто смотрел это и закончил — благослови вас. Я подумал, что убью здесь двух зайцев и продолжу учебник по LTSpice введением в операционные усилители — или для краткости операционный усилитель. Мы рассмотрим здесь только основы — что такое операционные усилители, некоторые распространенные конфигурации и пару примеров — и закончим красивым простым проектом, который, надеюсь, вдохновит вас немного больше на работу с аналоговыми схемами.

Для начала загрузите схемы, символы и модели, нажав кнопку ниже.

Введение в операционные усилители

Операционный усилитель — это устройство усиления напряжения. С помощью некоторых внешних компонентов операционный усилитель, который представляет собой активный элемент схемы , может выполнять математические операции, такие как сложение, вычитание, умножение, деление, дифференцирование и интегрирование. Если мы посмотрим на общий корпус операционного усилителя (внутреннее устройство будет в следующем руководстве), такое как вездесущий 741, мы заметим стандартный 8-контактный DIP (двухрядный корпус):

Фото любезно предоставлено Learning About Electronics

В основном нас интересуют пять контактов.Обозначение схемы операционного усилителя представляет собой треугольник с пятью контактами, показанный ниже.

Фото предоставлено Virtual Labs

Операционный усилитель имеет широкий спектр применений, и, в зависимости от того, как подключен каждый вывод, результирующая схема может быть одной из следующих (это ни в коем случае не исчерпывающий список):

  • Компаратор
  • Инвертирующий усилитель , например суммирующий усилитель
  • A Неинвертирующий усилитель , например повторитель напряжения
  • Разностный усилитель
  • Дифференциатор или Интегратор
  • Фильтр
  • Пиковый детектор
  • Аналого-цифровой преобразователь
  • Осциллятор

В этом руководстве я покажу вам, как измерить типичные характеристики операционного усилителя, такие как усиление, полоса пропускания, ошибка, скорость нарастания, потребляемый ток, размах выходного сигнала и другие характеристики, указанные в технических паспортах устройств.

Идеальный операционный усилитель

Операционный усилитель предназначен для определения разницы в напряжении, подаваемом на вход (клеммы «плюс» (v2) и «минус» (v1), либо контакты 2 и 3 корпуса операционного усилителя). Разница также известна как дифференциальное входное напряжение . Таким образом, выходной сигнал представляет собой разницу, измеренную на входе, умноженную на некоторое значение A — коэффициент усиления разомкнутого контура . Операционный усилитель ведет себя как источник напряжения, управляемый напряжением, который мы сейчас смоделируем.Мы смоделируем конфигурацию усилителя как с разомкнутым контуром, так и с замкнутым контуром .

Идеальный операционный усилитель имеет следующие характеристики:

  • Бесконечное усиление без обратной связи
  • Бесконечное входное сопротивление
  • Нулевое выходное сопротивление
  • Ноль синфазное усиление = бесконечное подавление синфазного сигнала
  • Бесконечная полоса пропускания
  • Нулевой шум
  • Нулевой вход Смещение

Модель операционного усилителя любезно предоставлена ​​Википедией

Поскольку входное сопротивление (Rin) бесконечно, мы можем сделать вывод, что ток на выводах (+) (v2) и (-) (v1) равен нулю, используя законы Кирхгофа.Поскольку выходное сопротивление (Rout) равно нулю, потери напряжения на выходе отсутствуют. Источник напряжения в форме ромба на изображении выше известен как источник напряжения, зависящий от напряжения, и в этом случае напряжение представляет собой коэффициент усиления (G), умноженный на разницу между входными клеммами (Vin). В текстах коэффициент усиления обычно обозначается буквой (A), поэтому уравнение для выхода имеет следующий вид:

Давайте смоделируем источник напряжения, управляемый напряжением, и посмотрим, сможем ли мы заставить его поведение имитировать идеальный операционный усилитель.

Обратная связь с усилителями

Операционные усилители

не предназначены для использования в качестве автономных устройств. Мы просто проверили уравнение Vout в видео об идеальном операционном усилителе, чтобы показать, почему его обычно называют источником напряжения, управляемым напряжением. Мы собираемся поговорить о коэффициенте усиления с обратной связью, и с обратной связью, и применении. Что такое обратная связь? Обратная связь возникает, когда выход системы возвращается в качестве входа (ов).Есть два типа обратной связи: положительная (восстанавливающая) и отрицательная (дегенеративная). Обратная связь применяется к системе, чтобы влиять на одно или несколько из следующих свойств:

  • Снижение чувствительности усиления — значение усиления становится менее чувствительным к изменениям значений компонентов схемы, например к температурным воздействиям на транзисторы.
  • Уменьшите нелинейные искажения — выход пропорционален входу.
  • Уменьшает влияние шума — уменьшает количество нежелательных электрических помех на выходе.Эти помехи могут быть внешними или исходить от самих компонентов схемы.
  • Управление входным и выходным сопротивлениями — с соответствующей конфигурацией обратной связи можно управлять входным и выходным сопротивлениями.
  • Увеличьте полосу пропускания усилителя. Здесь нам нужно знать о продукте «прирост-пропускная способность». Вы можете расширить полосу пропускания (до определенной степени), но за счет выигрыша. Произведение коэффициента усиления на полосу пропускания является постоянным и описывает поведение усиления операционного усилителя в зависимости от частоты.

Краткое примечание о единицах

Когда мы говорили об усилении, мы берем отношение выхода к входу. Если и выход, и вход выражены в виде напряжения, то единицы измерения будут вольт / вольт. В анализе .ac усиление выражается в децибелах. Вот формула преобразования.

Фото предоставлено Planet Analog

Вся обратная связь имеет свою цену, и эта цена — выгода. Отрицательная обратная связь способствует приобретению более желаемых свойств; увеличение входного сопротивления также увеличивает полосу пропускания.

Коэффициент усиления замкнутого контура

В отличие от усиления без обратной связи, усиление с обратной связью зависит от внешней схемы из-за обратной связи. Однако его можно обобщить.

Фото предоставлено https://paginas.fe.up.pt/~fff/eBook/MDA/Teo_realim.html

Инвертирующие усилители

Пример инвертирующей конфигурации состоит из одного операционного усилителя и двух резисторов R1 и R2. R2 подключен от выходной клеммы операционного усилителя к инвертирующей или отрицательной клемме операционного усилителя.R2 замыкает петлю вокруг операционного усилителя.

Одна вещь, не упомянутая в видео ниже, но считается подразумеваемой , потому что мы все еще используем идеальный операционный усилитель, — это отсутствие тока через операционный усилитель. Весь ток (I1), протекающий через R1, также течет через R2. Также следует отметить, что если R1 и R2 равны по значению, то обычно используется эта схема convert -vout to + vout (изменяет фазу). Это известно как инвертор с единичным усилением.

Проект

: Суммирующий усилитель

Типичным применением инвертирующего усилителя является суммирующий усилитель, также известный как микшер виртуального заземления, используемый при микшировании звука. У меня случайно валяется довольно много операционных усилителей LM741, поэтому я пошел дальше и построил суммирующий усилитель. Сначала я смоделировал это в LTSpice.

Усилители неинвертирующие

Повторитель напряжения

Повторитель напряжения — хороший пример неинвертирующего усилителя.Свойство очень высокого входного импеданса является желательной особенностью неинвертирующей конфигурации. Повторитель напряжения можно использовать в качестве буферного усилителя с единичным усилением, подключенного от источника с высоким импедансом к источнику с низким импедансом — это помогает избежать воздействия нагрузки на схему управления.

Разностные усилители

Разностные усилители реагируют на разницу между двумя сигналами, подаваемыми на его вход, и отклоняют сигналы, общие для двух входов.

Разностный усилитель с одним операционным усилителем

Помните, что коэффициент усиления неинвертирующего усилителя положительный и определяется выражением:

и что коэффициент усиления инвертирующего усилителя отрицательный и определяется выражением:

Комбинируя эти две топологии, мы приближаемся к возможности разработать схему, которая сможет получить разницу между двумя входными сигналами. Чтобы добиться этого, мы должны сначала убедиться, что величины усиления (думайте, что абсолютные значения всегда положительны) равны.Ослабив усиление положительного пути от (1+ R2 / R1) до (R2 / R1), мы сделали именно это. Теперь у нас есть четыре резистора; нам нужно убедиться, что коэффициенты усиления равны, поэтому важно соотношение резисторов:

Проблема с этой схемой заключается в том, что для получения высокого усиления R1 должен быть относительно низким. Это вызывает падение входного сопротивления. Другая проблема в том, что изменить коэффициент усиления этого усилителя непросто. Обе эти проблемы решаются с помощью инструментального усилителя.Используя три операционных усилителя, мы можем получить точно настроенный дифференциальный усилитель. Поскольку у нас есть проблема низкого входного сопротивления при использовании одного операционного усилителя, мы можем добавить дополнительный повторитель напряжения или буфер на каждый вход. Еще более удивительно то, что буферы могут увеличивать усиление, уменьшая нагрузку на дифференциальный усилитель во втором каскаде.

Инструментальный усилитель прекрасно сочетает в себе весь предыдущий материал: инвертирующие и неинвертирующие усилители в каскаде.

В этом руководстве мы не будем рассматривать интеграторы, дифференциаторы, генераторы или аналого-цифровые преобразователи.Как только мы начнем добавлять конденсаторы и катушки индуктивности, математика станет немного более специализированной и обобщенной с точки зрения импеданса, а не сопротивления. Это будет отдельный урок.

Тактико-технические характеристики

Если мы посмотрим на технический паспорт аудиоусилителя LM386, то увидим массу параметров, которые помогают охарактеризовать операционный усилитель. Большинство из них можно проверить с помощью моделирования в LTSpice. Прежде чем мы дойдем до этого, давайте определим некоторые из этих характеристик.

Коэффициент подавления синфазного сигнала

Коэффициент подавления синфазного сигнала (CMRR) измеряет количество сигнала, общего для обоих входов, который не усиливается. Желательно, чтобы коэффициент синфазного усиления был очень низким, что соответствует очень высокому CMRR.

Коэффициент подавления синфазного сигнала — это отношение абсолютного значения дифференциального усиления к абсолютному значению синфазного усиления. Дифференциальное усиление обычно составляет половину внутреннего усиления МОП-транзистора, установленного производителем.Операционные усилители с высоким выходным сопротивлением будут иметь лучший CMRR.

Коэффициент отклонения блока питания

Коэффициент подавления помех от источника питания

или PSRR является мерой влияния пульсаций источника питания на выходное напряжение операционного усилителя. PSSR важен для устройств MOSFET, поскольку они обычно находятся на ИС со смешанными сигналами, где цифровое переключение в цепи вызывает повышенную пульсацию источника питания. Последнее, что вам нужно в своем дизайне, — это усилить эту пульсацию через операционный усилитель.

Вывод состоит в том, что для минимизации эффекта пульсации в источниках питания операционный усилитель должен иметь большой PSRR.Так что имейте это в виду, просматривая таблицы данных для любых предстоящих проектов.

Скорость нарастания

Скорость нарастания означает максимальную скорость изменения, возможную на выходе операционного усилителя. Для большинства операционных усилителей скорость нарастания нарастания ограничена, и она рассчитывается путем взятия максимума производной по времени выходного напряжения операционного усилителя.

Полное гармоническое искажение

Задача усилителя звука — принять слабый сигнал и усилить его, не внося никаких изменений, кроме усиления.Это сложная задача, потому что нежелательные сигналы (т. Е. Пульсации) могут усиливаться вместе с полезным сигналом. Любое отклонение от линейности считается искажением. Гармонические искажения — распространенная форма искажения в аудиоприложениях, когда пики выходного сигнала «срезаются». Чем ниже процентное значение, указанное для THD, тем лучше, но после определенного момента оно становится практически незаметным для человеческого уха.

Усилитель звука LM386

Моделировать, проверять, строить — мой девиз.В этом случае с проектом мини-портативного гитарного усилителя я зашел слишком далеко. Мне не удалось найти модель, которую можно было бы импортировать в LTSpice, и я начал с нуля. Ниже находится кнопка, с помощью которой вы можете загрузить файлы проекта для того, что я собираюсь вам показать. Я разработал операционный усилитель на основе LM386, но с MOSFET вместо BJT. На самом деле я получил этот дизайн, чтобы он немного превосходил ту часть, на которой я основал свой дизайн, но он работает только от 2 до 6 вольт. Несмотря на то, что моя модель LM386 не совсем похожа на деталь, используемую в проекте, она все же удобна для изучения электрических характеристик операционных усилителей и более глубокого знакомства с LTSpice.

Проект

: портативный мини-гитарный усилитель

Я встроил в корпус своей гитары небольшой усилитель с батарейным питанием, используя LM386 и минимум дополнительных деталей. Вся сборка стоила около 5 долларов, и на ее сборку ушло меньше часа. Схема, которую я взял прямо из раздела технических данных приложений (усиление 200):

Единственные изменения, которые я внес, были в выходной конденсатор. У меня не было под рукой конденсатора емкостью 250 мкФ, я заменил его на 470 мкФ. Я также добавил 1/4-дюймовую розетку моно аудио для гитарного кабеля и добавил индикатор состояния, чтобы я знал, когда я буду готов к игре.В моем футляре для гитары есть небольшой отсек для кабелей и медиаторов, поэтому я использовал это пространство для встраивания усилителя.

Схема:

Примечание. J1 — это гнездо для монофонического аудиоразъема 1/4 дюйма.

Посмотрите это в действии:

Ресурсы и движение вперед

Лаборатория виртуальных операционных усилителей:

Создатель

Music from Outer Space Рэй Уилсон создал это приложение для виртуального операционного усилителя MFOS, которое позволяет нам экспериментировать с операционными усилителями, просматривая выходной сигнал на смоделированном осциллографе.

Примечание: Если ссылка сообщает, что приложение Operational Amp Application не найдено, щелкните вкладку «Synth-DIY» вверху, и она должна обновиться соответствующим образом. Кроме того, вы можете найти «MFOS In The Classroom» в меню слева и выбрать «Virtual Op Amp Lab».

Музыка из космоса

Вы когда-нибудь хотели заняться DIY-синтезаторами, но не знаете, с чего начать? Music From Outer Space — отличный ресурс, предлагающий сотни схем, разработанных Рэем Уилсоном.

Любители

Если вы только начинаете заниматься проектами в области аналоговой электроники, я не могу порекомендовать Mini Notebooks от Форреста Мимса.

Измерение CMRR

В

EE Times есть фантастическая статья о коэффициенте подавления синфазного сигнала и дифференциальных усилителях.

.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *