Операционный усилитель принцип работы схемы: Операционные усилители — принцип действия и параметры.

Содержание

Операционный усилитель. Принцип работы и схемы включения.

Продолжаем изучать основы электроники на нашем сайте, и героем сегодняшней статьи будет еще одно замечательное устройство — а именно операционный усилитель. Сегодня разберемся, что это вообще такое, как он работает, ну и парочку основных схем по традиции разберем 🙂

Итак, по определению ОУ — это дифференциальный усилитель постоянного тока с очень большим коэффициентом усиления и несимметричным выходом. Теперь разберемся, что это значит…

ОУ имеет два входа и один выход. Один из этих входов называют неинвертирующим и обозначают на схемах плюсом, второй, соответственно, является инвертирующим. Так вот, напряжение на выходе ОУ определяется следующим образом:

U_{вых} = K(U_+\medspace-\medspace U_-)

K — это коэффициент усиления операционника, обычно он имеет значения порядка 100000 — 1000000. Из формулы видим, что в случае, когда сигналы на обоих входах ОУ равны, на выходе ноль. Если, например, потенциал инвертирующего входа (-) стал более положительным, чем потенциал неинвертирующего входа (+), то выходной сигнал изменится в отрицательном направлении. В этом и заключается работа операционного усилителя.

Помимо уже упомянутых входов и выхода ОУ имеет также выводы для подачи питания, и вот как выглядит его обозначение на принципиальных схемах:

Чаще всего в схемах на операционниках используется обратная связь, поскольку коэффициент усиления ОУ без обратной связи слишком уж велик 🙂 В замечательной книге Хоровица и Хилла приведены несколько, а точнее два правила, которые определяют как работает операционник в схемах с обратной связью.

  • Итак, первое правило заключается в том, что входы ОУ не потребляют ток. Конечно, в реальности потребление все-таки есть, поскольку идеального ничего не бывает, но это потребление составляет единицы нА, а то и меньше.
  • Второе правило заключается в том, что выход ОУ стремится к тому, чтобы разность напряжений между его входами была равна нулю. Вот эта формулировка мне, честно говоря, не слишком нравится. А суть тут заключается в том, что часть выходного напряжения через цепь обратной связи передается на вход и в результате этого потенциал обоих входов ОУ выравнивается.

Для того, чтобы разобраться в работе операционного усилителя, давайте рассмотрим пару-тройку схем. И начнем со схемы неинвертирующего усилителя (кстати на схемах порой опускают обозначение выводов для подачи питания на ОУ, мы, пожалуй, тоже так поступим 🙂 ):

Для начала определим, какое же значение напряжения мы получим на выходе, подав на вход U_{вх}. Как следует из второго правила — операционник с обратной связью «добьется» того, чтобы потенциалы входов выровнялись, а это значит, что:

U_- = U_{вх}

Но в то же время R_1 и R_2 образуют делитель напряжения и тогда:

U_- = \frac{U_{вых}\medspace R_1}{R_1\medspace+\medspace R_2}

Приравниваем эти два значения и получаем, что:

U_{вых} = U_{вх}\medspace (1 + \frac{R_2}{R_1})

K_{ус} = \frac{U_{вых}}{U_{вх}} = 1\medspace+\medspace\frac{R_2}{R_1}

Получили такой вот коэффициент усиления для неинвертирующего усилителя на операционном усилителе с обратной связью.

Давайте рассмотрим конкретный пример, чтобы еще лучше понять работу данной схемы. Пусть будут такие номиналы: R_2 = 10\medspace КОм , R_1 = 1\medspace КОм. На вход подадим 1 В. В этом случае напряжение на выходе ОУ начнет расти, поскольку (U_+\medspace-\medspace U_- > 0).

И расти оно будет до тех пор, пока потенциал на инвертирующем (-) выходе не станет равен 1 В (так как на неинвертирующем входе (+) у нас как раз-таки 1 В). Остается определить, при каком выходном значении напряжения, U_- будет равно 1 В. Входы ОУ ток не потребляют, значит ток протекает по цепи выход — R_2 — R_1 — земля

:

I = \frac{U_{вых}}{R_1\medspace+\medspace R_2} = \frac{U_-}{R_1}

Из этого равенства без проблем определим U_{вых}, при значении U_- равном 1 В:

U_{вых} = U_-\frac{R_1\medspace+\medspace R_2}{R_1}

Подставив наши значения, получим U_{вых} = 11\medspace В. Это подтверждает верность выведенной нами ранее формулы U_{вых} = U_{вх}\medspace(1 + \frac{R_2}{R_1}) 🙂

С неинвертирующим усилителем разобрались, давайте рассмотрим еще одну схему — инвертирующий усилитель.

В принципе работает эта схема практически так же, как предыдущая. На неинвертирующем (+) входе потенциал земли, значит на инвертирующем тоже будет такой же потенциал. То есть:

U_- = 0

Не забываем, что ток входы ОУ не потребляют, а значит ток протекает по цепи выход — R_2 — R_1 — вход и равен он:

I = \frac{U_{вых}\medspace-\medspace U_-}{R_2} = \frac{U_-\medspace-\medspace U_{вх}}{R_1}

Отсюда нам остается только выразить U_{out} и определить коэффициент усиления цепи:

U_{вых} = -U_{вх}\medspace\frac{R_2}{R_1}

K_{ус} = -\frac{R_2}{R_1}

Сразу же становится понятно, почему усилитель называется инвертирующим 🙂 Сигналы на входе и на выходе разных знаков.

В завершение рассмотрим, пожалуй, еще одну небольшую схемку, а именно схему повторителя на операционном усилителе с обратной связью:

Если внимательно посмотреть на эту схему, то становится понятно, что это всего лишь неинвертирующий усилитель, у которого R_1 равно бесконечности, а R_2 равно нулю. Подставив эти значения в формулу для U_{out} получим:

U_{вых} = U_{вх}\medspace(1\medspace+\medspace\frac{R_2}{R_1}) = U_{вх}

Таким образом, напряжение на выходе повторяет сигнал на входе! Огромный плюс такого повторителя заключается в том, что его входной импеданс огромен, а выходной, напротив, мал.

Наверно, на этом сегодня закончим, а в следующей статье рассмотрим и проанализируем какие-нибудь схемки посложнее 🙂 До скорых встреч!

схемы включения, принцип работы. Схема усилителя на операционном усилителе неинвертирующего. Схема усилителя напряжения постоянного тока на операционном усилителе

В статье будет рассмотрена стандартная схема усилителя на операционном усилителе, а также приведены примеры различных режимов работы этого прибора. На сегодняшний день ни одно устройство управления не обходится без использования операционных усилителей. Это поистине универсальные приборы, которые позволяют выполнять различные функции с сигналом. О том, как работает и что конкретно позволяет сделать этот прибор, вы и узнаете далее.

Инвертирующие усилители

Схема инвертирующего усилителя на ОУ достаточно проста, вы ее можете увидеть на изображении. В ее основе находится операционный усилитель (схемы включения его рассмотрены в данной статье). Кроме этого, здесь:

  1. На резисторе R1 падение напряжения присутствует, по своему значению оно такое же, как входное.
  2. На резисторе R2 также имеется падение напряжения — оно такое же, как выходное.

При этом отношение выходного напряжения к сопротивлению R2 равно по значению отношению входного к R1, но обратно ему по знаку. Зная значения сопротивления и напряжения, можно вычислить коэффициент усиления. Для этого необходимо разделить выходное напряжение на входное. При этом операционный усилитель (схемы включения у него могут быть любыми) может иметь одинаковый коэффициент усиления независимо от типа.

Работа обратной связи

Теперь нужно более детально разобрать один ключевой момент – работу обратной связи. Допустим, на входе имеется некоторое напряжение. Для простоты расчетов примем его значение равным 1 В. Допустим также, что R1=10 кОм, R2=100 кОм.

А теперь предположим, что возникла какая-то непредвиденная ситуация, из-за которой на выходе каскада напряжение установилось на значении 0 В. Далее наблюдается интересная картина – два сопротивления начинают работать в паре, совместно они создают из себя делитель напряжения. На выходе инвертирующего каскада оно поддерживается на уровне 0,91 В. При этом ОУ позволяет фиксировать рассогласование по входам, а на выходе происходит уменьшение напряжения. Поэтому очень просто спроектировать схему на операционных усилителях, реализующую функцию усилителя сигнала от датчика, например.

И продолжаться это изменение будет до той самой поры, покуда не установится на выходе значение стабильное в 10 В. Именно в этот миг на входах операционного усилителя потенциалы окажутся равными. И они будут такими же, как потенциал земли. С другой стороны, если на выходе устройства продолжит уменьшаться напряжение, и оно будет меньше, чем -10 В, на входе потенциал станет ниже, нежели у земли. Следствие этого – на выходе начинает увеличиваться напряжение.

У такой схемы имеется большой недостаток – входной импеданс очень маленький, в особенности у усилителей с большим значением коэффициента усиления по напряжению, в том случае, если цепь обратной связи замкнута. А конструкция, рассмотренная дальше, лишена всех этих недостатков.

Неинвертирующий усилитель

На рисунке приведена схема неинвертирующего усилителя на операционном усилителе. Проанализировав ее, можно сделать несколько выводов:

  1. Значение напряжения UA равно входному.
  2. С делителя снимается напряжение UA, которое равно отношению произведения выходного напряжения и R1 к сумме сопротивлений R1 и R2.
  3. В случае, когда UA по значению равен входному напряжению, коэффициент усиления равен отношению выходного напряжения к входному (или же можно к отношению сопротивлений R2 и R1 прибавить единицу).

Называется данная конструкция неинвертирующим усилителем, у него практически бесконечный входной импеданс. Например, для операционных усилителей 411 серии его значение — 1012 Ом, минимум. А для операционных усилителей на биполярных полупроводниковых транзисторах, как правило, свыше 108 Ом. А вот выходной импеданс каскада, равно как и в ранее рассмотренной схеме, очень мал – доли ома. И это нужно учитывать, когда производится расчет схем на операционных усилителях.

Схема усилителя переменного тока

Обе схемы, рассмотренные в статье ранее, работают на постоянном токе. Но вот если в качестве связи источника входного сигнала и усилителя выступает переменный ток, то придется предусматривать заземление для тока на входе устройства. Причем нужно обратить внимание на то, что значение тока крайне мало по величине.

В том случае, когда происходит усиление сигналов переменного тока, необходимо уменьшать коэффициент усиления сигнала постоянного до единицы. В особенности это актуально для случаев, когда коэффициент усиления по напряжению очень большой. Благодаря этому имеется возможность значительно снизить влияние напряжения сдвига, которое приводится к входу устройства.

Второй пример схемы для работы с переменным напряжением

В данной схеме на уровне -3 дБ можно видеть соответствие частоте 17 Гц. На ней у конденсатора импеданс оказывается на уровне двух килоом. Поэтому конденсатор должен быть достаточно большим.

Чтобы построить усилитель переменного тока, необходимо использовать неинвертирующий тип схемы на операционных усилителях. И у него должен быть достаточно большой коэффициент усиления по напряжению. Но вот конденсатор может быть чересчур большим, поэтому лучше всего отказаться от его использования. Правда, придется правильно подобрать напряжение сдвига, приравняв его по значению к нулю. А можно применить Т-образный делитель и увеличить значения сопротивлений обоих резисторов в схеме.

Какую схему предпочтительнее использовать

Большинство разработчиков отдают свое предпочтение неинвертирующим усилителям, так как у них очень высокий импеданс на входе. И пренебрегают схемам инвертирующего типа. Зато у последнего имеется огромное преимущество – он не требователен к самому операционному усилителю, который является его «сердцем».

Кроме того, характеристики, на поверку, у него значительно лучше. И с помощью мнимого заземления можно без особого труда все сигналы комбинировать, причем они не будут оказывать друг на друга какое-то влияние. Может использоваться в конструкциях и схема усилителя постоянного тока на операционном усилителе. Все зависит от потребностей.

И самое последнее – случай, если вся схема, рассмотренная здесь, подключается к стабильному выходу другого операционного усилителя. В этом случае значение импеданса на входе не играет существенной роли – хоть 1 кОм, хоть 10, хоть бесконечность. В этом случае первый каскад всегда выполняет свою функцию по отношению к следующему.

Схема повторителя

Работает повторитель на операционном усилителе аналогично эмиттерному, построенному на биполярном транзисторе. И выполняет аналогичные функции. По сути, это неинвертирующий усилитель, в котором у первого резистора сопротивление бесконечно большое, а у второго равно нулю. При этом коэффициент усиления равен единице.

Имеются специальные типы операционных усилителей, которые используются в технике лишь для схем повторителей. У них значительно лучшие характеристики – как правило, это высокое быстродействие. В качестве примера можно привести такие операционные усилители как OPA633, LM310, TL068. Последний имеет корпус, как у транзистора, а также три вывода. Очень часто такие усилители называют просто буферами. Дело в том, что они обладают свойствами изолятора (очень большой входной импеданс и крайне низкий выходной). Примерно по такому принципу строится и схема усилителя тока на операционном усилителе.

Активный режим работы

По сути, это такой режим работы, при котором выходы и входы операционного усилителя не перегружаются. Если на вход схемы подать очень большой сигнал, то на выходе его просто начнет резать по уровню напряжения коллектора или эмиттера. А вот когда на выходе напряжение фиксируется на уровне среза — на входах ОУ напряжение не меняется. При этом размах не может оказаться большим, нежели напряжение питания усилительного каскада.

Большая часть схем на операционных усилителях рассчитывается таким образом, что этот размах меньше питающего напряжения на 2 В. Но все зависит от того, какая используется конкретно схема усилителя на операционном усилителе. Такое же имеется ограничение на устойчивость источника тока на базе операционного усилителя.

Допустим, есть в источнике с плавающей нагрузкой некое падение по напряжению. В случае если ток имеет нормальное направление движения, можно встретить странную на первый взгляд нагрузку. Например, несколько переполюсованных батарей питания. Такая конструкция может применяться для того, чтобы получить прямой ток заряда.

Некоторые предосторожности

Простой усилитель напряжения на операционном усилителе (схема может быть выбрана любая) можно изготовить буквально «на коленке». Но потребуется учитывать некоторые особенности. Обязательно нужно удостовериться, что обратная связь в схеме отрицательная. Это также говорит о том, что недопустимо путать неинвертирующий и инвертирующий входы усилителя. Кроме того, должна присутствовать цепочка обратной связи для постоянного тока. Иначе операционный усилитель начнет быстро переходить в режим насыщения.

У большинства операционных усилителей входное дифференциальное напряжение очень маленькое по значению. При этом максимальная разность неинвертирующего и инвертирующего входов может ограничиваться значением 5 В при любом подключении источника питания. Если пренебречь данным условием, появятся на входе довольно большие значения токов, которые приведут к тому, что все характеристики схемы ухудшатся.

Самое страшное в этом – физическое разрушение самого операционного усилителя. В результате перестает работать схема усилителя на операционном усилителе полностью.

Следует учитывать

И, конечно же, нужно рассказать о правилах, которые стоит соблюдать, чтобы обеспечить стабильную и долговечную работу операционного усилителя.

Самое главное – ОУ обладает очень высоким коэффициентом усиления по напряжению. И если между входами напряжения изменятся на долю милливольт, на выходе его значение может измениться существенно. Поэтому важно знать: у операционного усилителя выход старается стремиться к тому, чтоб между входами разница напряжений оказалась близка (в идеале равна) к нулю.

Второе правило – потребление тока операционным усилителем крайне малое, буквально наноамперы. Если же на входах установлены полевые транзисторы, то оно исчисляется пикоамперами. Отсюда можно сделать вывод, что входы не потребляют ток, независимо от того, какой используется операционный усилитель, схема — принцип работы остается тем же.

Но не стоит думать, что ОУ действительно постоянно меняет на входах напряжение. Физически это осуществить почти нереально, так как не было бы соответствия со вторым правилом. Благодаря операционному усилителю происходит оценка состояния всех входов. При помощи схемы обратной внешней связи передается напряжение на вход с выхода. Результат – между входами операционного усилителя разница напряжений находится на уровне нуля.

Понятие обратной связи

Это распространенное понятие, и оно уже применяется в широких смыслах во всех областях техники. В любой системе управления имеется обратная связь, которая сравнивает выходной сигнал и заданное значение (эталонное). В зависимости от того, какое значение текущее — происходит корректировка в нужную сторону. Причем системой управления может быть что угодно, даже автомобиль, которые едет по дороге.

Водитель жмет на тормоза, и обратная связь здесь – начало замедления. Проведя аналогию с таким простым примером, можно лучше разобраться с обратной связью в электронных схемах. А отрицательная обратная связь – это если бы при нажимании педали тормоза автомобиль ускорялся.

В электронике обратной связью называют процесс, во время которого происходит передача сигнала с выхода на вход. При этом происходит также погашение сигнала на входе. С одной стороны, это не очень разумная идея, ведь может показаться со стороны, что значительно уменьшится коэффициент усиления. Такие отзывы, кстати, получали основоположники разработки обратной связи в электронике. Но стоит разобраться детальнее в ее влиянии на операционные усилители — практические схемы рассмотреть. И станет ясно, что она и правда немного уменьшает коэффициент усиления, но зато позволяет несколько улучшить остальные параметры:

  1. Сгладить частотные характеристики (приводит их к необходимой).
  2. Позволяет предсказывать поведение усилителя.
  3. Способна устранить нелинейность и искажения сигнала.

Чем глубже обратная связь (речь идет про отрицательную), тем меньшее влияние оказывают на усилитель характеристики с разомкнутой ОС. Результат – все его параметры зависят только от того, какие свойства имеет схема.

Стоит обратить внимание на то, что все операционные усилители работают в режиме с очень глубокой обратной связью. А коэффициент усиления по напряжению (с ее разомкнутой петлей) может достигать даже нескольких миллионов. Поэтому схема усилителя на операционном усилителе крайне требовательна к соблюдению всех параметров по питанию и уровню входного сигнала.

РАБОТА ОПЕРАЦИОННОГО УСИЛИТЕЛЯ LM358

Под термином «операционный усилитель» подразумевается микросхема дифференциальный усилитель постоянного тока, с высоким коэффициентом усиления и высоким входным сопротивлением, адаптированная для работы с внешней цепью отрицательной обратной связи.

Операционный усилитель (ОУ) имеет сложную внутреннюю структуру, в которую не будем углубляться сосредоточившись на практическом применении. Графический символ операционного усилителя относится не к его внешнему виду (тем более что он может быть доступен в различных корпусах), а к принципу работы:

Графический символ операционного усилителя. We (In) — вход, Wy (Out) — выход

Символ этот очень упрощен. Если бы мы хотели разместить на нем все необходимые детали обвязки и коррекции, пришлось бы нарисовать еще контакты. Но чаще всего этого достаточно.

Принцип действия ОУ

Подаем на усилитель через входы, обозначенные здесь символом We (+) так называемый неинвертирующий вход и / или We (-) так называемый инвертирующий вход некоторый сигнал. У него может быть даже очень небольшое напряжение. Разница входного напряжения называется дифференциальным напряжением.

Этот усилитель является своего рода компаратором — он будет сравнивать оба сигнала друг с другом и вести себя по-разному в зависимости от того, какой сигнал будет сильнее:

We (+) > We (-) => Wy ~ Uпит — Uwo

Если подадим более высокое напряжение на неинвертирующий вход We (+), чем на инвертирующий вход We (-), выход будет близок к напряжению Uпит, подаваемому на усилитель, за вычетом падения напряжения на усилителе Uwo.

We (+) < We (-) => Wy ~ 0 В

Если подадим более низкое напряжение на вход неинвертирующего We (+), чем на вход инвертирующего We (-) контакта, выход будет близок к нулю.

We (+) = We (-) => Wy ~ 0 В

Если подадим один и тот же сигнал на оба входа (называемый в данном случае недифференциальным сигналом), выходное напряжение будет близко к нулю.

Операционный усилитель, с которым будем проводить тесты, имеет обозначение LM358 (это наверное самая распространённая микросхема ОУ). Согласно информации из документации, это двойной усилитель напряжения (то есть два усилителя в одном корпусе), поэтому он имеет восемь контактов:

Слева операционный усилитель LM358; Справа схема его контактов

Вывод 8 (напряжение питания) и вывод 4 (масса) являются общими для обоих усилителей. Остальные ножки раздельные:

  1. первый усилитель состоит из ножек: 3 (We (+)), 2 (We (-)), 1 (выход).
  2. второй усилитель состоит из ножек: 5 (We (+)), 6 (We (-)), 7 (выход)

Если присмотритесь, то заметите небольшое углубление на одной стороне корпуса. На схеме в примечании вместо углубления рядом с цифрой 1 есть черная точка. Это стандартный способ маркировки передней части микросхемы. Ножки всегда нумеруются последовательно, начиная с выемки (или точки) против часовой стрелки.

Операционный усилитель LM358 с маркировкой ключа

Проверим как это выглядит на практике — соберем макетную плату. Напряжение питания 6 В. Для желто-зеленого светодиода выбран резистор 220 Ом. Потенциометр P1 на 10 кОм.

Внимание! Перед подключением блока питания к схеме на плате убедитесь, что операционный усилитель подключен правильно, иначе можете его повредить.

Вариант 1. Резистор R1 и светодиод D1 (желтый) подключены между плюсом блока питания и выходом операционного усилителя; неинвертирующий вход We (+) (третий вывод усилителя) также подключен к плюсу питания.

Схема из источника питания B1, операционного усилителя LM358, резистора R1, потенциометра P1 и диода D1

Напряжение на входе We (+) (вывод 3) выше напряжения на входе We (-) (вывод 2), поэтому на выходе усилителя (вывод 1) получаем напряжение близкое к напряжению питания, минус падение напряжения на усилителе. Разность потенциалов между источником питания B1 и выходом операционного усилителя будет слишком низкой для питания светодиода, поэтому он останется выключенным.

Вариант 2. Резистор R1 и светодиод R1 (в моем случае желтый) подключены между «плюсом» блока питания и выходом операционного усилителя; неинвертирующий вход We (+) (третий вывод усилителя) подключен к земле.

Напряжение на входе We (+) (вывод 3) ниже напряжения на входе We (-) (вывод 2), поэтому выход усилителя (вывод 1) будет близок к 0 В. Разности потенциалов между источником питания B1 и выходом операционного усилителя будет достаточно для питания светодиода, поэтому он будет светиться.

Вариант 3. Резистор R1 и светодиод D1 (теперь зеленый) подключены между выходом операционного усилителя и землей; неинвертирующий вход We (+) (третий выходной контакт усилителя) подключен к «плюсу» источника питания.

Напряжение на входе We (+) (вывод 3) выше напряжения на входе We (-) (вывод 2), поэтому на выходе усилителя (вывод 1) получаем напряжение, близкое к напряжению питания минус падение напряжения на усилителе. Разности потенциалов между выходом операционного усилителя и землей будет достаточно для питания светодиода, поэтому он будет светиться.

Вариант 4. Резистор R1 и светодиод D1 (зеленый) подключены между выходом операционного усилителя и массой; неинвертирующий вход We (+) (третий вывод усилителя) подключен к земле.

Напряжение на входе We (+) (вывод 3) ниже напряжения на входе We (-) (вывод 2), поэтому выход усилителя (вывод 1) будет близок к 0 В. Никакая разность потенциалов между выходом операционного усилителя и землей не предотвратит включение светодиода, поэтому он останется выключенным.

Собраны результаты опытов в таблице ниже:

Результаты проведенного эксперимента — влияние подключения We (+) — третьей ножки усилителя и свечения светодиода

Верна ли приведенная выше схема для всех операционных усилителей? Нет. Возьмем, к примеру, еще один, очень похожий операционный усилитель LM393. Он может проводить электричество только от точки в цепи с более высоким потенциалом (аналогично линиям 1 и 2 в таблице). Он не проводит ток от выхода усилителя к точке в цепи с более низким потенциалом напряжения, например к земле (позиции 3 и 4 в таблице). Другими словами, если бы мы использовали усилитель LM393 для эксперимента который только что проводили, зеленый светодиод не светился бы независимо от входных сигналов. Почему это происходит? Здесь более подробно рассмотрим внутреннюю структуру обоих усилителей:

Схема внутреннего устройства операционных усилителей: а) LM358; б) LM393

Схема слева (a) показывает внутреннюю структуру усилителя LM358, а схема справа (b) — LM393. Обе схемы сложны, поэтому не будем вдаваться в подробности. Сосредоточимся только на транзисторах, размещенных перед выходом (помечены как OUT или OUTPUT). В LM358 прямо перед выходом есть два транзистора, которые проводят электричество в разных направлениях (пометили их красным кружком). LM393 имеет только один транзистор непосредственно перед выходом (также в красном кружке), который предотвращает прохождение тока от усилителя через выход к земле (или к части схемы с более низким потенциалом).

Операционный усилитель адаптирован для работы с внешней цепью отрицательной обратной связи. Дело в том, что часть выходного сигнала может подаваться обратно на вход или наоборот со входа на выход усилителя. Может быть несколько конфигураций с использованием операционного усилителя и усилителя обратной связи (например, суммирующий, вычитающий, интегрирующий и дифференцирующий усилитель), но тут рассмотрим только две из самых простых и наиболее популярных из них — неинвертирующий и инвертирующий.

Неинвертирующий усилитель

Графический символ неинвертирующего усилителя

Напряжение, подаваемое на вход We (+) выше, чем подаваемое на We (-), поэтому выходной сигнал большой, потому что он близок к напряжению питания Uпит, за вычетом падения напряжения на усилителе Uwo (We (+) > We (-) => Wy ~ Uпит — Uwo). Часть выходного сигнала возвращается через резистор на вход We (-), таким образом этот сигнал становится больше, чем напряжение на We (+), и напряжение на выходе становится близким к 0 В (We (+) < We (-)) => Wy ~ 0 В). Вследствие падения напряжения на выходе (и отсутствия на нем усиления сигнала на We (-)) напряжение на We (+) снова будет больше We (-).

На практике быстро устанавливается состояние равновесия при котором выходной сигнал будет постоянным. Его размер легко рассчитать по формуле:

Uwy = Uwe (+) x [(R1 + R2) / R1]

Предположим, что на вход We (+) поступает напряжение 0,5 В, а на выходе хотим получить в 5 раз больше, то есть 2,5 В. Подставим данные в формулу:

Uwy = Uwe (+) x [(R1 + R2) / R1]

2,5 В = 0,5 В x [(R1 + R2) / R1]

[(R1 + R2) / R1] = 2,5 В / 0,5 В

[(R1 + R2) / R1] = 5

Отношение суммы сопротивлений резисторов R2 и R1 к R1 должно дать нам 5. Итак, предположим, что сопротивление R2 = 10 кОм и R1 = 2,2 кОм (соотношение их сопротивлений составляет 5,54).

Соберем всё на макетной плате по следующей схеме:

Прежде всего необходимо убедиться, что на вход We (+) подается соответствующее напряжение. Для этого подключите вольтметр между землей и третьей ножкой усилителя, а затем поверните ручку потенциометра до тех пор, пока мультиметр не покажет результат 0,5 В (или как можно более близкий).

Теперь измерьте напряжение на выходе усилителя, то есть между первым контактом и массой. Теоретически должны получить результат близкий к 2,5 В. Между тем, показание вольтметра составляет целых 2,88 В.

Откуда эта разница? Помните, мы не использовали резисторы с коэффициентом 5,54, а не 5. Давайте снова подставим данные (на этот раз реальные) в формулу:

Uwy = Uwe (+) x [(R1 + R2) / R1]

Uwy = 0,51 В x [(2,16 кОм + 10 кОм) / 2,16 кОм

Uwy = 0,51 В x 5,63

Uwy = 2,87 В

Теоретически и практически получили почти такой же результат — 2,87 В.

Инвертирующий усилитель

Графический символ инвертирующего усилителя

Принцип действия будет объяснен на основе схемы:

Некоторым нововведением на схеме выше являются два источника питания (B1, B2), каждый из которых будет иметь напряжение 3 В. Но в нашем распоряжении только одна аккумуляторная батарейка. Это не будет проблемой — подключим вывод из центра за второй батареей. Таким образом получаем два источника питания по 3 В каждый.

Кроме того для сборки указанной схемы на макетной плате используйте: P1 — потенциометр, R1 — резистор 2,2 кОм, R2 — резистор 10 кОм (резисторы будут иметь такие же номиналы, как и в предыдущем эксперименте), D1 — зеленый светодиод, D2 — красный светодиод.

Подключим узел между источниками напряжения к земле — теоретически это будет нулевая точка. Это сделано только для расчетов.

Теперь проверим что будет, если ползунок потенциометра повернуть как можно дальше к земле. Красный светодиод будет тускло светиться. Почему? Когда регулятор потенциометра P1 заземлен, сигнал, поступающий на усилитель со входа We (+), больше, чем We (-). Посчитаем какое напряжение ожидаем получить на выходе в этом случае.

Uwy = — (R2 / R1) x Uwe (-)

Uwe (-) в этой ситуации связан с точкой, которая по отношению к нашей нулевой точке (теоретической массе) имеет напряжение -3 В, и это значение подставляем в формулу:

Uwy = — (10 кОм / 2,2 кОм) x -3 В

Uwy = — 4,54 x -3 В

Uwy = 13,62 В

На выходе ожидаем 13,62 В — почему? Ведь питаем схему только от 4-х аккумуляторов с общим напряжением 6 В! Можно ли на выходе получить 13,62 В? Конечно нет. Полученный нами теоретический результат лишь доказывает, что усилитель полностью насыщен. В этой ситуации на выходе мы можем получить только предельное напряжение питания, за вычетом падения напряжения на самом усилителе. На практике получился результат: 1,57 В.

Теперь осторожно повернём ручку потенциометра. В какой-то момент красный светодиод погаснет, а зеленый загорится. Чем дальше потенциометр находится от земли, тем большее напряжение будет поступать на вход We (-), пока оно не станет больше чем напряжение на входе We (+). Согласно сказанному, если сигнал на входе We (-) больше сигнала на входе We (+), на выходе получим напряжение близкое к 0 В. Но помните, что резистор R2 соединяет вход We (-) с выходом, тем самым становясь каналом для тока, который каким-то образом обходит усилитель и подключается к току на выходе. Какого напряжения тогда ждем на выходе?

Uwy = — (R2 / R1) x Uwe (-)

Uwe (-) в этой ситуации связан с точкой, которая имеет напряжение +3 В по отношению к нулевой точке (теоретическая масса), и это значение, которое подставим для формулы:

Uwy = — (10 кОм / 2,2 кОм) x + 3 В

Uwy = — 4,54 x 3 В

Uwy = — 13,62 В

Получили тот же результат что и раньше, но со знаком минус.

Почему не получили одинаковые значения, но с противоположными знаками? Причина может заключаться в том, что усилитель работает на предельных значениях, поэтому результат может быть неверным. По этой причине будем выполнять другие измерения в диапазоне, в котором усилитель работает линейно.

Для этого установим ручку потенциометра немного вправо и немного левее от центра.

Вариант 1. На усилитель подадим напряжение + 0,2 В (естественно относительно теоретической нулевой точки). Для этого поднесите красный щуп вольтметра к средней ножке потенциометра, а черный — к третьей ножке усилителя. Осторожно поверните ручку потенциометра, пока мультиметр не покажет 0,2 В (в этом эксперименте светодиоды можно удалить, чтобы они не мешали измерениям).

Теперь измерьте напряжение на выходе — черный щуп к третьему и красный щуп к первому выводу усилителя. Как и положено настоящему инвертирующему усилителю, после подачи небольшого положительного напряжения получаем на выходе гораздо более высокое напряжение, но со знаком минус!

Вариант 2. Подадим на усилитель напряжение — 0,21 В (опять же по отношению к теоретической нулевой точке). Для этого поднесите красный щуп вольтметра к средней ножке потенциометра, а черный — к третьей ножке усилителя. Осторожно поверните ручку потенциометра, пока мультиметр не покажет — 0,21 В.

Измерьте выходное напряжение так же, как и раньше (черный щуп к третьему, красный щуп к первому контакту усилителя). Результат станет таким же, но на этот раз со знаком плюс.

Для обобщения информации о неинвертирующем и инвертирующем усилителе будут использованы два графика:

Неинвертирующий усилитель — небольшой сигнал на входе (положительный) даст большой сигнал на выходе (тоже положительный)

Инвертирующий усилитель — небольшой сигнал на входе (положительный) даст большой сигнал на выходе (отрицательный), а небольшой сигнал на входе (отрицательный) даст большой сигнал на выходе (положительный).

Конечно это простейшие схемы включения ОУ, и есть ещё немало всяких нюансов, но если вы хорошо поймёте хотя бы это, то уже встанете на более высокую ступень радиолюбительства!

   Форум

   Форум по обсуждению материала РАБОТА ОПЕРАЦИОННОГО УСИЛИТЕЛЯ LM358



Операционные усилители и схемы на их основе. Инвертирующий и неинвертирующий усилитель. Дифференциальный (разностный ) усилитель

                                                        Лабораторная работа № 6.

Операционные усилители и схемы на их основе.

Цель: Изучить основные схемы включения операционных усилителей, научиться рассчитывать параметры схем..

6. 1. Инвертирующий усилитель (рис. 1).

Выведите формулу для коэффициента усиления инвертирующего усилителя

 Рис.1. Схема инвертирующего усилителя

        Рис. .2. Осциллограммы сигналов

Откройте файл «OpAmp1» и включите схему. По амплитудам входного и выходного сигналов (рис.2) определите коэффициент усиления схемы.

Сравните измеренное и расчётное значения коэффициента усиления..

6. 2. Неинвертирующий усилитель (рис 3).

Выведите формулу для коэффициента усиления неинвертирующего усилителя

Рис 3. Схема неинвертирующего усилителя

   Рис 4. Осциллограммы сигналов

Откройте файл «OpAmp2» и включите схему. По амплитудам входного и выходного сигналов (рис. 4) определите коэффициент усиления схемы. Сравните расчетное и измеренное значения коэффициента усиления.

Измените схему на рис.3 так, чтобы коэффициент усиления был равен единице.

Сделайте выводы по результатам опытов 1 и 2 , сопоставив фазовые и амплитудные соотношения входного и выходного сигналов.

6.3. Дифференциальный (разностный ) усилитель (рис.5)

Откройте файл «OpAmp3» и включите симулятор.

Рис 5. Схема дифференциального усилителя.

Выходное напряжение такого усилителя можно определить по формуле

                                                                                      

Сравните расчетное и измеренное значения.

Следует заметить, что при точном согласовании сопротивлений резисторов, эта схема обладает практически бесконечно большим коэффициентом подавления синфазного сигнала.

Чтобы выяснить, как изменится этот параметр схемы, задайте 5% разброс сопротивлений резисторов и измерьте коэффициент усиления синфазного сигнала. Сделайте выводы.

Какие измерения необходимы для расчета КОСС? Проделайте необходимые исследования и расчеты.

6.4. Суммирующий усилитель (рис.6).

Выведите формулу для определения выходного напряжения схемы.

Рис.6. Схема суммирующего усилителя

   Рис. 7. Схема источника тока

Откройте файл «OpAmp4» и включите схему. Сравните вычисленное и измеренное значения напряжения на выходе. Повторите эксперимент:

·  при изменении полярности одного из входных сигналов,

·  при изменении номинала одного из входных резисторов R1 …R3, 

·  при замене одного из  входных источников  функциональным генератором с различной формой, частотой и амплитудой сигнала.

В последнем эксперименте подключите на выход осциллограф для наблюдения сигнала. Результаты зафиксируйте в отчете и  сделайте выводы.

6.5. Источник  стабильного тока( рис.7)

Источник стабильного тока может быть реализован не только на полевом или биполярном транзисторе, но и на операционном усилителе. Откройте файл «OpAmp5» и включите схему. Исследуйте границы работоспособности схемы при различных значениях U и R . Снимите зависимость тока от величины R.Докажите справедливость формулы .Определите максимальное сопротивление нагрузки для источника тока. Сделайте выводы.

6.6. Интегратор (рис. 8).

Сравните схему с рис.1. Выведите формулу для выходного напряжения интегратора.

Рис. 8. Схема интегратора

Откройте файл «OpAmp6» и включите схему. Наблюдайте выходной сигнал при подаче на вход последовательности прямоугольных импульсов. Зарисуйте сигналы и объясните наблюдаемые явления. Измените номинал одного из элементов схемы (R  или C) в 10 раз  и наблюдайте изменения сигнала на выходе.

Для нормальной работы интегратора требуется выполнение условия

                                                                                                    

Увеличьте частоту входного сигнала. Наблюдайте за формой и амплитудой выходного сигнала. Сделайте выводы.

6.7.Усилитель с переменным коэффициентом усиления . Откройте файл «OpAmp7» и включите схему. Наблюдайте выходной сигнал при подаче на вход сигналов различной формы и амплитуды, изменяя номинал резистора R3.Сделайте выводы о применении данной схемы.

ВОПРОСЫ к защите работы №6

  1. Что такое инвертирующий и неинвертируюший входы усилителя? Из каких соображений выбираются  номиналы резисторов в схемах на ОУ?
  2. Определите ошибку расчета коэффициента передачи инвертирующего усилителя для реального ОУ с К= 104.
  3. Подсчитайте входное и выходное сопротивления инвертирующего и неинвертирующего усилителей В обоих случаях возьмите для расчетов реальный операционный усилитель  с  К=104 и Rвх = 1 МОм
  4. Каковы ограничения на значения входных сигналов и масштабные коэффициенты в схеме сумматора?
  5. Поясните основной принцип реализации и расчета схем обработки аналоговых сигналов на основе ОУ и принимаемые при этом  допущения.
  6. Дайте определение схемы, называемой «источник стабильного тока», и сформулируйте основные принципы его реализации.
  7. Что такое синфазный сигнал и каково его влияние на работу схем на ОУ? Что такое коэффициент ослабления синфазного сигнала?
  8. Для чего применяются интеграторы в схемах обработки аналоговых сигналов?
  9. Какая схема на ОУ называется повторителем сигнала и для чего ее используют?
  10. Подсчитайте  максимальную величину сигнала на выходе интегратора при значениях элементов, заданных в лабораторной работе и поданном на вход прямоугольном импульсе амплитудой 5 В и длительностью 1 мс.

Инвертирующий Операционный Усилитель | Основы электроакустики

Усилители на ОУ используют отрицательную обратную связь (ООС), поэтому есть несколько простых правил, которые определяют поведение такого усилителя. Следует воспользоваться тремя упрощающими предположениями о свойствах ОУ: коэффициент усиления ОУ без обратной связи и входное сопротивления бесконечно велики, выходное сопротивление равно нулю.

         При анализе следует помнить, что большой коэффициент усиления по напряжению ОУ приводит к тому, что изменение напряжения между входами на несколько долей милливольта вызывает изменение выходного напряжения в пределах его полного диапазона. Из этого следует первое правило: ОУ усиливает разность напряжения между входами и за счет внешней схемы ООС передает напряжение с выхода на вход таким образом, что разность напряжений между входами практически равна нулю.

         Входное сопротивление различных типов ОУ находится в пределах от мегаом до тысяч мегаом, входные токи – от долей наноампер до пикоампер. Это дает основание сформулировать второе правило: входы операционного усилителя токов не потребляют. Эти правила дают достаточную основу для анализа схем на ОУ. Схема инвертирующего усилителя на ОУ приведена на рис. 

Рис. Инвертирующий усилитель на ОУ

         Анализируя эту схему с учетом сформулированных выше правил, можно показать, что при заземленном неинвертирующем входе ОУ напряжение на инвертирующем входе также равно нулю. Это означает, что падение напряжения на резисторе RОС равно UВЫХ, а падение напряжения на резисторе R1 равно UВХ. Если входные токи ОУ равны нулю, то UВЫХ / RОС = –UВХ / R1,   коэффициент усиления по напряжению  КU = UВЫХ / UВХ = –RОС / R1.            Знак «минус» показывает, что выходной сигнал инвертирован относительно входного (сдвинут на 180º).

         Данная схема является усилителем постоянного тока         В этой схеме реализована параллельная ООС по напряжению, поскольку сигнал ООС оказывается включенным не последовательно с входным сигналом, а подается параллельно с ним на один и тот же вход.

Как известно, параллельная ООС уменьшает входное сопротивление усилителя. В схеме потенциал точки соединения R1 и RОС всегда равен нулю, а эта точка называется «виртуальный ноль» (мнимая земля). Следовательно, входное сопротивление схемы RВХ = R1.            Выходное сопротивление схемы мало и равно долям ома.     Таким образом, недостатком схемы является малое входное сопротивление, особенно для усилителей с большим коэффициентом усиления по напряжению, в которых резистор R1, как правило, бывает небольшим.    Достоинством схемы является малое значение синфазного напряжения, практически равного нулю. Тот факт, что коэффициент усиления определяется всего лишь соотношением двух сопротивлений, делает применение инвертирующего усилителя очень гибким.

Практическое использование усилителей на ОУ имеет ряд особенностей. ОУ должен находиться в активном режиме, его входы и выходы не должны быть перегружены. Например, если подать на вход усилителя чересчур большой сигнал, то это приведет к тому, что выходной сигнал станет равным напряжению насыщения (обычно его величина меньше напряжения питания на 2 В). 

В схеме ОУ обязательно должны быть предусмотрена цепь обратной связи по постоянному току, в противном случае ОУ обязательно попадет в режим насыщения.  Многие ОУ имеют довольно малое предельно допустимое дифференциальное входное напряжение. Максимальная разность напряжений между инвертирующим и неинвертирующим входами может быть ограничена величиной 5 В для любой полярности напряжения. Если пренебречь этим условием, то возникнут большие входные токи.

Из-за наличия входного напряжения смещения, при нулевом напряжении на входе напряжение на выходе равно UВЫХ=KUUСМ. Для усилителя, имеющего коэффициент усиления, равный 100 и входное напряжение смещения 2 мВ, выходное напряжение смещения может достигать значения ±0,2 В. Для решения этой проблемы нужно использовать цепи внешней коррекции нуля (используя ОУ с такими возможностями), выбирать ОУ с малым значением смещения. Если усиление постоянного тока не нужно, то можно использовать разделительные емкости в последовательной цепи передачи входного и выходного сигнала.

Если в инвертирующем усилителе один из входов заземлен, то даже при условии идеальной настройки (UСМ = 0), на выходе усилителя будет присутствовать отличное от нуля выходное напряжение. Это связано с тем, что входной ток смещения IВХсоздает падение напряжения на резисторах, которое затем усиливается схемой усилителя. В этой схеме сопротивление со стороны инвертирующего входа определяется резисторами R1║RОС, но ток смещения воспринимается как входной сигнал, подобный току, текущему через R1, а поэтому он порождает смещение выхода UСМ = IСМRОС.Для уменьшения ошибок, вызванных входным током смещения, используют включение дополнительного резистора между неинвертирующим входом и общим проводом. Величина этого резистора должна быть равна R2 = R1║RОС. Для приведенного примера R1 = 10кОм, RОС= 100кОм, R2 = 9,1 кОм.

Рис. Усилитель на ОУ с компенсационным резистором 

         С целью уменьшения токов смещения и их температурных дрейфов в практических схемах входные сопротивления имеют типичное значение от 1 до 100 кОм.

         К резисторам обратной связи предъявляется два противоположных требования. Резисторы обратной связи должны быть достаточно большими, тогда они не будут существенно нагружать выход, вместе с тем, если они будут слишком большими, то входной ток смещения будет порождать ощутимые сдвиги. Кроме того, высокое сопротивление в цепи обратной связи повышает восприимчивость схемы к влиянию внешних наводок и увеличивает влияние паразитной емкости. Для ОУ общего назначения обычно выбирают резисторы цепей ООС с сопротивлением от 2 до 100 кОм. Из этого следует, что практическое значение максимального коэффициента усиления инвертирующего усилителя равно 100.

Операционные усилители. Устройство и принцип действия.

Операционные усилители. Устройство и принцип действия.

Операционным усилителем (ОУ) называют усилитель напряжения, предназначенный для выполнения различных операций с аналоговыми сигналами: их усиление или ослабление, сложение или вычитание, интегрирование или дифференцирование, логарифмирование или потенцирование, преобразование их формы и др. Все эти операции ОУ выполняет с помощью цепей положительной и отрицательной обратной связи, в состав которых могут входить сопротивления, емкости и индуктивности, диоды, стабилитроны, транзисторы и некоторые другие электронные элементы. Поскольку все операции, выполняемые при помощи ОУ, могут иметь нормированную погрешность, то к его характеристикам предъявляются определенные требования.

Требования эти в основном сводятся к тому, чтобы ОУ как можно ближе соответствовал идеальному источнику напряжения, управляемому напряжением с бесконечно большим коэффициентом усиления. А это значит, что входное сопротивление ОУ должно быть равно бесконечности, а следовательно, входной ток должен быть равен нулю. Выходное сопротивление должно быть равно нулю, а следовательно, нагрузка не должна влиять на выходное напряжение. Частотный диапазон усиливаемых сигналов должен простираться от постоянного напряжения до очень высокой частоты. Поскольку коэффициент усиления ОУ очень велик, то при конечном значении выходного напряжения напряжение на его входе должно быть близким к нулю.

Входная цепь ОУ обычно выполняется по дифференциальной схеме, а это значит, что входные сигналы можно подавать на любой из двух входов, один из которых изменяет полярность выходного напряжения и поэтому называется инвертирующим, а другой не изменяет полярности выходного напряжения и называется — неинвертирующим.

Условное схематическое обозначение дифференциального операционного усилителя приведено на рис. 1, а. Инвертирующий вход можно отмечать кружочком или писать около него знак минус (-). Неинвертирующий вход или совсем не отмечается, или около него пишется знак плюс (+). Два вывода ОУ используются для подачи на него напряжения питания +ЕП и -Е„. Положительное и отрицательное напряжение питания обычно имеют одно и то же значение, а их общий вывод одновременно является общим выводом для входных и выходного сигналов (в дальнейшем выводы питания изображаться не будут).

 

 Рис. 1. Схематическое изображение дифференциального операционного усилителя (а), инвертирующего (б) и неинвертирующего (в)

 

Если один из двух входов ОУ соединить с общим выводом, то можно получить два ОУ с одним входом, один из которых будет инвертирующим (рис.1, б), а другой — неинвертирующим (рис.1, в). Выходное напряжение для дифференциального усилителя определяется по формуле:

Uвых = (Uвх1-Uвх2)A,

где А — коэффициент усиления ОУ.

Для инвертирующего ОУ выходное напряжение равно Uвых = —Uвх2A; а для неинвертирующего Uвых=Uвх1A. Разностное напряжение (Uвх1 –Uвх2) = Uдиф — называют дифференциальным входным сигналом. По сути дела, это напряжение приложено между инвертирующим и неинвертирующим входами ОУ.

Если оба входа ОУ соединить вместе, то получившаяся схема будет иметь только один вход, а приложенный к нему сигнал называют синфазным Uсф= Uвх1 = Uвх2. Для синфазного сигнала в соответствии с формулой выходное напряжение должно быть равно нулю, однако в реальных усилителях этого не происходит и выходной сигнал присутствует, хотя и имеет малое значение. Схемы подачи на входы ОУ дифференциального и синфазного сигналов приведены на рис. 2.

 

   

 Рис. 2. Схемы подачи на входы ОУ дифференциального и синфазного сигналов.

 

4.12. Эффекты ограничений ОУ на работу схем на их основе

Операционные усилители

Подробный анализ работы операционных усилителей



Вернемся к инвертирующему усилителю и рассмотрим его еще раз, учитывая известные нам теперь ограничения. Покажем, как они влияют на работу схемы и как их учесть при разработке ОУ. Используя этот пример, вы сможете разобраться и с другими схемами ОУ. На рис. 4.30 вновь показан инвертирующий операционный усилитель.

Рис. 4.30.

Коэффициент усиления при разомкнутой пени ОС. В связи с тем что коэффициент усиления при разомкнутой цепи ОС имеет конечное значение, в усилителе с обратной связью коэффициент усиления по напряжению (коэффициент усиления при разомкнутой петли ОС) в определенный момент начинает убывать. Этому моменту соответствует частота, на которой коэффициент усиление при разомкнутой цепи ОС приближается к значению R2/R1 (рис. 4.31). Этот спад позволяет судить о том, что семейство усилителей типа 411 относится к классу низкочастотных усилителей; на частоте 50 кГц коэффициент усиления при разомкнутой цепи ОС падает до 100, а частота ƒср равна 4 МГц. Обратите внимание, что коэффициент усиления при замкнутой цепи ОС всегда меньше, чем коэффициент усиления при разомкнутой цепи ОС; это означает, что если на основе ОУ типа 411 построить, например, усилитель со 100 — кратным усилением, то на частотах около 50 кГц его усиление заметно ослабеет. Более точно мы опишем этот эффект чуть ниже (разд. 4.25), когда будем рассматривать транзисторные схемы с обратной связью, имеющие конечный коэффициент усиления при разомкнутой цепи ОС.

Рис. 4.31. Зависимость коэффициента усиления от частоты для ОУ типа LF411 («диаграмма Боде»). 1 — коэффициент усиления при разомкнутой ОС, 2 — коэффициент усиления при замкнутой ОС,
ƒэдБ = ƒт(замкнутой ОС).

Скорость нарастания. В связи с тем что скорость нарастания ограничена, на частотах выше некоторого граничного значения максимальный размах синусоидального сигнала начинает падать. На рис. 4.32. представлен график для операционного усилителя типа 411 со скорость нарастания 15 В/мкс. При скорости нарастания s выходная амплитуда ограничена значением Аот пика, до пика ≤ s/πƒ для синусоидального сигнала, имеющего частоту ƒ; тем самым объясняется наличие участка спада на графике с наклоном 1/ƒ. Горизонтальный участок на графике соответствует ограничению размаха выходного напряжения источников питания.

Рис. 4.32. Зависимость размаха выходного напряжеиия от частоты (LF411). Uи = ± 15В; Токр = 25°С Rн = 10 кОм. Кривая убывает пропорционально 1/ƒ.

Попутно отметим, что ограничения связанные со скоростью нарастания ОУ можно использовать на благо, для устранения шумовых импульсов полезного сигнала с помощью так называемой нелинейной низкочастотной фильтрации. Суть метода состоит в следующем: намеренно ограничивая скорость нарастания можно существенно уменьшить острые импульсы, никак не искажая при этом фоновый сигнал.

Выходной ток. В связи с тем, что выходной ток операционного усилителя ограничен, размах выходного напряжения на низкоомных нагрузках также ограничен. На рис. 4.33 представлен график для операционного усилителя типа 411. В прецизионных схемах как раз и нужно ограничивать выходные токи для того, чтобы избежать появления в кристалле схемы температурных градиентов, связанных с рассеянием слишком большой мощности в выходном каскаде.

Рис 4. 33. Зависимость размаха выходного напряжения от нагрузки (LF411). Uи = 15 В, Токр = 25°С.

Напряжение сдвига. Благодаря наличию входного напряжения сдвига при нулевом напряжении на входе напряжение на выходе равно Uвых = KU0Uсдв. Инвертирующий усилитель на основе ОУ типа 411 имеет коэффициент усиления по напряжению, равный 100. При заземленном входе напряжение на выходе этой схемы достигает значения ± 0.2 В (Uсдв = 2 мВ, максимальное значение). Можно предложить следующие пути решения проблемы: а) Если усиление сигнала по постоянному току не представляет интереса, то с помощью конденсатора можно уменьшить коэффициент усиления для сигналов постоянного тока до единицы, как показано на рис. 4.7, также как в рассмотренном выше усилителе для звукоснимателя (рис. 4.20). Там для передачи входного сигнала используется емкостная связь, б) Настроить нуль, используя предлагаемую фирмой — изготовителем схему регулировки. в) Можно использовать ОУ с меньшим напряжением сдвига Uсдв, г) Настроить нуль, используя схему регулировки, описанную в разд. 7.06 (рис. 7.5).

Входной ток смешения. Если в инвертирующем усилителе один из входов заземли, то даже при условии идеальной настройки (т. е. Uсдв = 0), на выходе усилителя будет присутствовать отличное от нуля выходное напряжение. Это связано с тем, что входной ток смещения Iсм создает падение напряжения на резисторах, которое затем усиливается схемой усилителя. В этой схеме сопротивление со стороны инвертирующего входа определяется резисторами R1 R2, но ток смещения воспринимается как входной сигнал, подобный току, текущему через R1, а поэтому он порождает смещение выхода Uвых = Iсм R2.

В операционных усилителях со входами на полевых транзисторах эффектом входного тока смещения обычно можно пренебречь, по-другому дело обстоит с операционными усилителями на биполярных транзисторах — здесь значительные входные токи могут привести к серьезным проблемам. Рассмотрим в качестве примера инвертирующий усилитель, в котором R1 = 10 кОм и R2 = 1 МОм; эти значения подходят для инвертирующего каскада, в котором желательно обеспечить значение Zвх, равным 10 кОм. Если выбрать схему типа LM833 на биполярных транзисторах, с низким уровнем шумов, то ее выходное напряжение (при заземленном входе) может достигать величины 100 х 1000 нА х 9,9 кОм или 0.99 В, что ни в какой мере не может быть приемлемо. Для сравнения отметим, что ОУ типа LF411 (со входами на полевых транзисторах с p-n — переходом) соответствующее выходное напряжение для худшего случая (при заземленном входе) составляет 0,2 мВ; для большинства практических случаев эта величина пренебрежимо мала и уж во всяком случае несравнима с ошибкой выходного напряжения, порождаемой напряжением сдвига (в худшем случае для не настроенного ОУ типа LF411 она составляет 200 мВ).

Для борьбы с ошибками, обусловленными током смешения, существует несколько способов. Если вам нужен ОУ с большим током смешения, можно сделать сопротивление со стороны обоих входов одинаковым, как на рис. 4.34. В этом случае сопротивление 9,1 кОм выбрано с учетом параллельного соединения резисторов 10 кОм и 100 кОм. Кроме того, лучше всего если сопротивление цепи обратной связи будет достаточно малым, тогда ток смещения не будет давать большие сдвиги: сопротивления в цепях входов ОУ имеют типичные значения от 1 до 100 кОм. Третий способ состоит в уменьшении до единицы коэффициента усиления по постоянному току, как в рассмотренном выше усилителе для звукоснимателя.

Рис. 4.34. Для уменьшения ошибок, обусловленных входным током смещения в ОУ на биполярных транзисторах следует использовать компенсационный резистор.

Однако для большинства случаев можно рекомендовать использовать ОУ с пренебрежимо малыми входными токами. В операционных усилителях со входами на полевых транзисторах с p-n — переходом или на полевых МОП — транзисторах входные токи как правило имеют порядок пикоампер (однако, здесь входной ток быстро растет при увеличении температуры удваивается при изменении температуры на каждые 10°С), во многих современных схемах на биполярных транзисторах за счет использования транзисторов со сверхвысоким значением коэффициента β и схем компенсации смещения токи смещения почти также невелики и незначительно зависят от температуры. Такие операционные усилители обладают достоинствами ОУ на биполярных транзисторах (высокая точность, низкий уровень шума) и лишены недостатков, связанных со входным током. Например, для прецизионного биполярного ОУ с низким уровнем шума типа ОР-27 Iсм = 10 нА (типичное значение), для недорогого биполярного ОУ типа LM312 Iсм = 1,5 нА (типичное значение), для улучшенных вариантов этого ОУ (типа LT1012 и LM11) — Iсм = 30 пА (типичное значение). Среди недорогих ОУ на полевых транзисторах можно назвать ОУ типа LF411 на полевых транзисторах p-n — переходом, для которого Iсм = 50 Па (типичное значение) и серию ИС тип TLC20 на полевых МОП — транзисторах, для которой Iсм= 1 пА (типичное значение).

Входной ток сдвига. Как мы только что убедились, лучше всего создавать такие схемы, в которых импедансы и токи смещения ОУ порождают пренебрежимо малые ошибки. Однако иногда может возникнуть потребность в ОУ с большим током смещения или с очень большим эквивалентным импедансом. В этой ситуации лучше всего постараться сбалансировать входные импедансы по постоянному току. На выходе все равно будет существовать некоторая ошибка (Кпост.ток Iсдв Rист), обусловленная асимметрией входных токов ОУ. В общем, Iсдв меньше, чем Iсм в 2 — 20 раз (биполярные ОУ, как правило, дают лучшее согласование, чем ОУ на полевых транзисторах).

В предыдущих параграфах мы рассмотрели эффекты ограничений ОУ на примере простого инвертирующего усилителя напряжения. Для него, например, наличие входного тока ОУ вызывает появление ошибки напряжения на выходе. В ОУ другого назначения эффект может быть совсем другим, например в инвертируюшем ОУ конечный входной ток порождает на выходе линейно меняющийся сигнал (а не константу) при нулевом напряжении, приложенном ко входу. По мере освоения схем ОУ вы сможете оценивать, как сказываются ограничения ОУ на работе данной схемы и, следовательно, сможете выбрать операционный усилиель, подходящий для конкретного случая. Вообше говоря, «самого-самого» лучшего ОУ на свете не существует даже если вас не останавливает никакая цена): у операционных усилителей с самыми незначительными входными токами (на полевых МОП — транзисторах), как правило, плохо обстоят дела с напряжением сдвига, и наоборот. Хорошие разработчики при выборе компонентов идут на компромиссы с тем, чтобы оптимизировать характеристики схемы, и избегают по-возможности элементов с ненужной «позолотой».

«Сегодня густо, завтра пусто»

В своем неустанном стремлении к совершенству крисдаллов полупроводниковая промышленность преподносит нам иногда неприятные сюрпризы. Представьте себе такую ситуацию: вы разработали отличную новую схему, сделали образец, проведи тесирование и горите желанием запустить свое детище в производство Вы оформляете заказ на необходимые компоненты, но оказывается, что самую нужную ИС сняли с производства! А порой бывает и еще хуже: заказчик начинает жаловаться на задержку поставки прибора, который выпускается уже ни один год. Когда вы начинаете выяснять, что случилось, оказывается, что для завершения сборки плат не хватает единственной ИС которая «еще не поступила» на участок сборки. Далее выясняется, что она не поступила и на склад. В конце концов вы узнаете, что схему сняли с производства 6 месяцев назад и в наличии нет ни одной!

Почему же возникают подобные казусы и что может предпринять в таких случаях разработчик? По нашему мнению, существуют четыре основных причины прекращения производства ИС:

1. Устаревание: Появились новые, лучшие ИС и нет смысла продолжать выпуск старых. Это целиком и полностью относится к цифровым ИС памяти (например, каждый год небольшие статические кристаллы ЗУПВ (ЗУ с произвольной выборкой) и СППЗУ (стираемые программируемые постоянные ЗУ) заменяются более компактными и быстродействующими модификациями), хотя не избежали этой участи и линейные ИС. В подобных случаях чаще всего новая модифицированная ИС совместима со старой по выводам и может быть вставлена в старый разъем.

2. ИС не пользуется спросом у покупателей: Иногда исчезают прекрасные ИС. Если проявить настойчивость, то изготовитель может дать объяснение — «не было спроса» или что-нибудь в этом роде. Этот случай можно квалифицировать так: «прекращение производства для удобства изготовителя». Мы столкнулись с серьезными трудностями, когда фирма Harris сняла с производства прекрасную схему НА4925, исчез великолепный счетверенный компаратор с очень высоким быстродействием и ничего не появилось ему взамен. Фирма Harris сняла также с производства схему НА2705 — бесследно исчезла еще одна замечательная ИС, самый быстродействующий микромощный ОУ. Иногда хорошую ИС снимают с производства в связи с изменениями в технологической линии, производящей подложки (увеличивается размер подложки — вместо 3 дюймов устанавливают размер 5 или 6 дюймов). Мы уже заметили, что фирма Harris особенно любит прекращать производство очень хороших и уникальных ИС; тоже самое проделывали фирмы Intersi и GE.

3. Утеряны чертежи схем: В это трудно поверить, но когда фирмы — изготовители теряют чертежи какого-либо кристалла и по этой причине прекращают его производство. Такая история произошла с 8 — каскадным делителем на КМОП — транзисторах типа SSS-4404 фирмы Solid State Systems.

4. У изготовителя нет заказов: это также относится к SSS-4404!.

Если у вас есть уже разработанная плата, но нет никакой возможности достать нужную ИС, предлагаем вам следующие решения. Во-первых, можно разработать плату заново (а может быть и схему) на основе ИС, имеющихся в наличии. Это, наверное, лучший выход из положения в случае, когда вы запускаете в производство новую плату или когда уже идет производство большой партии плат. Во-вторых, можно разработать маленькую «дочернюю» плату, которая будет подключаться к пустому разъему вместо недостающей ИС и эмулировать ее работу. Хотя этот выход из положения нельзя назвать красивым, он полностью решает возникшую перед вами проблему.

К чему приводят ограничения, свойственные ОУ. Рассмотренные ограничения операционного усилителя влияют на параметры компонентов почти во всех схемах. Например, резисторы обратной связи должны быть достаточно большими, тогда они не будут существенно нагружать выход; вместе с тем, если они будут слишком большими, то входной ток смешения будет порождать ощутимые сдвиги. Кроме того, высокое сопротивление в цепи обратной связи повышает восприимчивость схемы к влиянию внешних наводок и увеличивает влияние паразитной емкости. Учитывая сказанное выше, для ОУ общего назначения обычно выбирают резисторы цепей ОС с сопротивлением от 2 до 100 кОм.

Подобные компромиссы принимают при разработке почти всех электронных схем включая и самые простые транзисторные схемы. Например, величина тока покоя в транзисторном усилителе ограничена сверху мощностью, которую может рассеивать устройство, величиной входного тока и питающего тока, коэффициента усиления по току, а снизу — величиной тока утечки, коэффициента усиления по току и быстродействием (которое уменьшается из-за паразитной емкости и больших сопротивлений). В связи с этим, как было указано в гл. 2, величину коллекторного тока обычно выбирают в диапазоне от нескольких десятков микроампер до нескольких десятков миллиампер (побольше для мощных схем, поменьше для «микромощных»). В следующих трех главах мы рассмотрим такие проблемы более тщательно для того, чтобы вы поняли, как находят компромиссные решения.

Упражнение 4.6. Нарисуйте схему инвертирующего усилителя со связями по постоянному току; его коэффициент усиления должен быть равен 100, а Iвх = 10 кОм. Предусмотрите возможность компенсации входного тока смещения и регулировки напряжения сдвига (используйте потенциометр на 10 кОм, который можно подключить к выводам 1 и 5, а его движок — к источнику питания u_). И наконец, измените схему так. чтобы выполнялось условие вх z≥ 108 Ом.


Подробный анализ работы некоторых схем на операционных усилителях


Схема усилителя

или операционный усилитель (операционный усилитель) на корабле

Схема усилителя или операционного усилителя (операционного усилителя) обычно используется в схемах автоматизации, управления и других электронных схемах для морских приложений.

Применяемый входной сигнал обычно представляет собой сигнал напряжения или тока. Назначение усилителя — создать выходной сигнал, больший, чем входной.

Использование схемы усилителя

Как следует из названия, цель усилителя или операционного усилителя состоит в том, чтобы усилить или увеличить входной сигнал для получения выходного сигнала, который намного больше, чем входной, с формой волны, аналогичной входной.

Основным изменением выходного сигнала будет увеличение уровня мощности. Эта дополнительная мощность обеспечивается внешним напряжением постоянного тока. Выходной сигнал управляется входным сигналом в усилителе.

В электронных компонентах, которые являются компактными, усилители слабого сигнала обычно используются в качестве устройств, поскольку они способны повышать относительно небольшой входной сигнал до большей величины. Например, от датчика, такого как фотоустройство, в гораздо больший выходной сигнал для управления реле, лампой или громкоговорителем.

Несколько устройств на корабле можно найти схему усилителя:
  • Используется для усиления звуковых сигналов (динамик, УКВ, звуковая система Судовой гудок)
  • Используется как регулятор напряжения и тока
  • Используется как аналого-цифровой преобразователь и наоборот.
  • Используется как сервоусилитель в двигателе
  • Выходной сигнал усилителя поступает на реле в цепи
  • Используется в Гирокомпасе
  • Используется в машинном отделении, палубе и других сигнализациях.
  • Используется в различных датчиках
  • Применяется в системах электрозащиты

Различные электронные схемы классифицируются как усилители, от операционных усилителей и усилителей малых сигналов до больших сигналов и усилителей мощности.

Усилитель можно классифицировать в зависимости от: —

  • по величине входного сигнала
  • в физической конфигурации
  • о том, как он обрабатывает входной сигнал, то есть взаимосвязь между входным сигналом и током, протекающим в нагрузке.

Большая часть электрической и электронной схемы содержит усилительное устройство, такое как транзистор, полевой транзистор или операционный усилитель, который имеет два входных контакта и два выходных контакта (заземление является общим) с выходным сигналом, намного превышающим входного сигнала, так как он был «усилен».

Работа цепи усилителя

Вход усилителя состоит из дифференциального входного напряжения V + входа и V-входа, и эта разница в напряжении усиливается для получения большого выходного сигнала. Следовательно, уравнение операционного усилителя можно представить как

V o / p = [(V +) — (V-)] x A o / l

Где A o / l — коэффициент усиления усилителя без обратной связи.

В операционном усилителе величина A o / l огромна, что дает большой выходной сигнал даже при небольшом входном дифференциале.

Операционный усилитель — это трехконтактное устройство, состоящее из двух высокоомных входов; один, называемый инвертирующим входом, отмечен знаком минус или минус (-), а другой, называемый неинвертирующим входом, отмечен положительным знаком или знаком «плюс» (+).

Идеальный усилитель

Теперь мы можем определить характеристики идеального усилителя из нашего обсуждения выше в отношении его усиления, то есть усиления по напряжению:

  • Коэффициент усиления усилителя (A) должен оставаться постоянным при изменении значений входного сигнала.
  • Частота не влияет на усиление. В одинаковом количестве должны усиливаться сигналы всех частот.
  • Коэффициент усиления усилителя не должен добавлять шум к выходному сигналу. Он должен удалить любой шум, который уже существует во входном сигнале.
  • На коэффициент усиления усилителя не должны влиять изменения температуры, что обеспечивает отличную температурную стабильность.
  • Коэффициент усиления усилителя должен оставаться стабильным в течение длительного времени.

Характеристики идеального операционного усилителя или операционного усилителя

«Идеальный: или совершенный операционный усилитель (ОУ)» — это устройство с определенными уникальными характеристиками, такими как бесконечное усиление без обратной связи Ao, бесконечное входное сопротивление Rin, нулевое выходное сопротивление Rout, неограниченная полоса пропускания от 0 до ∞ и смещения нуля ( выход равен нулю, когда вход равен нулю).

Имеет высокий коэффициент усиления на выходе.

Обладает высоким входным и низким выходным сопротивлением

Полоса пропускания находится в очень высоком диапазоне.

Получить идеальную технику или схему невозможно. Потери энергии в приборе всегда присутствуют, но выбор усилителя, близкого к идеальному, обеспечит наилучшие рабочие характеристики в электрической / электронной схеме, в которой он установлен.

Заявление об ограничении ответственности: Мнения авторов, выраженные в этой статье, не обязательно отражают точку зрения Marine Insight. Данные и диаграммы, если они используются в статье, были получены из доступной информации и не были подтверждены каким-либо установленным законом органом. Автор и компания «Марин Инсайт» не утверждают, что они точны, и не принимают на себя никакой ответственности за них. Взгляды представляют собой только мнения и не представляют собой каких-либо руководящих принципов или рекомендаций относительно какого-либо курса действий, которым должен следовать читатель.

Данная статья или изображения не могут быть воспроизведены, скопированы, переданы или использованы в любой форме без разрешения автора и Marine Insight.

[операционный усилитель] Принципиальная схема, типы и применение — операционный усилитель


(4) Диапазон частот: Идеальный операционный усилитель должен иметь бесконечный частотный диапазон, что означает, что он должен работать на любой частоте от очень низкой до очень высокой. (5) Скорость нарастания: Идеальный операционный усилитель должен иметь бесконечную скорость нарастания. (6) Коэффициент подавления синфазного сигнала (CMMR): Идеальный операционный усилитель должен иметь бесконечный CMMR.

Кривая передачи напряжения операционного усилителя:

Давайте объясним кривую передачи напряжения операционного усилителя. Ось «X» кривой представляет собой дифференциальный вход операционного усилителя, что означает, что она показывает разницу между двумя входными сигналами (инвертирующим и неинвертирующим). Ось «Y» кривой представляет выходной сигнал или выходное напряжение операционного усилителя. Коэффициент усиления операционного усилителя показан на рисунке.

Кривая передачи напряжения операционного усилителя показывает, что операционный усилитель может усилить входной сигнал до определенного значения, тогда он будет насыщен, и выход не будет увеличиваться даже при увеличении входного сигнала.Напряжение насыщения операционного усилителя зависит от положительного напряжения смещения. Напряжение насыщения операционного усилителя всегда меньше положительного напряжения смещения.

Блок-схема операционного усилителя IC:

Операционный усилитель выполнен в виде микросхемы. IC нет. Операционного усилителя — 741. Внутренняя блок-схема IC 741 IC 741 — это 8-контактная ИС операционного усилителя. 8 контактов, Контакт 2: Инвертирующая клемма для подачи входного сигнала. Контакт 3: Неинвертирующий разъем для подачи входного сигнала. Контакт 4: Клемма заземления для подачи питания или смещения операционного усилителя Контакт 6: Выходной контакт для подключения нагрузки и цепи обратной связи. Контакт 7: Vcc или положительный контакт для подачи питания. Контакт 8: Не подключен к внутренней цепи. Различные микросхемы операционных усилителей имеют разные спецификации. Характеристики микросхемы операционного усилителя представлены в спецификации микросхемы. Давайте посмотрим на спецификацию IC741,
Операционные усилители

IC | Схема смещения биполярного операционного усилителя

Операционные усилители IC:

Цепь биполярного ОУ с смещением: Цепь биполярного ОУ с смещением — Как и другие электронные устройства, операционные усилители должны иметь правильное смещение, чтобы они функционировали должным образом.Как уже говорилось, входы операционного усилителя являются базовыми клеммами…


Работа схемы дифференциального усилителя : Работа схемы дифференциального усилителя усиливает разницу между двумя входами. Схема, показанная на рис. 14-23, представляет собой комбинацию инвертирующего и неинвертирующего усилителей. Резисторы R1, R2 и операционный усилитель составляют инвертирующий усилитель для…


Инвертирующий усилитель с прямой связью: Схема на рис.14-18 называется инвертирующим усилителем с прямой связью, потому что, когда Vi подается через R1 на инвертирующий входной терминал, выход становится отрицательным, когда вход становится положительным, и наоборот. Обратите внимание, что неинвертирующий…


Упаковка дискретных транзисторов : Упаковка дискретных транзисторов — Многие маломощные транзисторы заключены в полимерную оболочку с выступающими металлическими соединительными выводами, как показано на рис. 7-24. Это известно как пакет TO-92. Обратите внимание на клеммы подключения эмиттера, базы и коллектора.Это…


Работа схемы инструментального усилителя: Работа схемы — На первый взгляд схема работы инструментального усилителя на рис. 14-28 выглядит сложной, но если рассматривать ее по частям, она оказывается довольно простой. Во-первых, отметим, что второй этап (состоящий из…


Операционный усилитель на интегральной схеме : Обозначение схемы и корпуса — На рис. 14-1 (a) показан треугольный символ схемы для операционного усилителя на интегральной схеме (ОУ).Как показано на рисунке, имеется две входных клеммы, одна выходная клемма и две клеммы питания. Входы идентифицированы…


Теория неинвертирующего усилителя : Неинвертирующий усилитель с прямой связью — Теория неинвертирующего усилителя Схема на рис. 14-14 ведет себя аналогично схеме повторителя напряжения с одним существенным отличием. Вместо того, чтобы все выходное напряжение подавалось непосредственно на…


Схема триггера Шмитта : Инвертирование триггера Шмитта — Схема триггера Шмитта представляет собой быстродействующий детектор уровня напряжения.Когда входное напряжение достигает уровня, определяемого компонентами схемы, выходное напряжение быстро переключается между максимальным положительным значением…


Принципиальная схема повторителя напряжения : Повторитель напряжения с прямой связью — Операционный усилитель IC может использоваться для бесконечного множества приложений. Самым простым приложением является принципиальная схема повторителя напряжения с прямой связью, показанная на рис. 14-10 (a). Выходной терминал подключен…


Детекторы уровня напряжения : Детекторы уровня напряжения — Операционные усилители часто используются в схемах, в которых выход переключается между положительным и отрицательным напряжениями насыщения, + Vo (насыщ.) И — + Vo (насыщ.).Фактическое изменение напряжения известно как выходное напряжение…


Усилители напряжения ОУ

  • Изучив этот раздел, вы должны уметь:
  • Сравните идеальные и практичные операционные усилители.
  • Общие сведения о работе операционных усилителей
  • • Использование отрицательной обратной связи.
  • • Текущее правило для операционных усилителей.
  • • Правило напряжения для операционных усилителей.
  • • Инвертирующий усилитель напряжения.
  • • Неинвертирующий усилитель напряжения.

Рис. 6.7.1 Идеальный операционный усилитель

Идеальный операционный усилитель

Хотя на самом деле идеального операционного усилителя не существует, реальный (практичный) операционный усилитель достаточно близок к достижению идеала.Идеальный усилитель должен, помимо других желаемых параметров, иметь как минимум бесконечно высокий входной импеданс, выходной импеданс равный нулю, бесконечно высокое усиление и бесконечно широкую полосу пропускания. В таблице 1 сравниваются некоторые важные параметры, такие как входное сопротивление (Z IN ), входной ток смещения (I IN ), усиление напряжения большого сигнала (A V ) и выходное сопротивление (Z OUT ) некоторых типичных реальных значений. (практичные) операционные усилители с «идеальной» моделью операционного усилителя:

Таблица 1: Идеальный усилитель против практичного ОУ
Z IN I IN А В Z ВЫХ
Идеальный операционный усилитель Бесконечность. Ноль. бесконечность 0 Ом
741 2 МОм 80нА от 316 до 200000 (от 50 до 106 дБ) Зависит от усиления и обратной связи, но обычно от менее 100 Ом до более 1 кОм
TLC271 1ТОм 60pA от 5000 до 46000 (от 74 дБ до 93 дБ) мин.
LMC660 > 1 Ом 0.002pA от 40 000 до 990 000 (от 92 до 126 дБ)

Отрицательная обратная связь

Существует два основных метода подключения усилителей напряжения на операционных усилителях: они превращаются в инвертирующий или неинвертирующий усилитель напряжения. В каждом случае коэффициент усиления по напряжению усилителя устанавливается просто соотношением двух резисторов. Использование усилителя с очень высоким коэффициентом усиления и применение отрицательной обратной связи позволяет получить очень стабильный усилитель с коэффициентом усиления, практически не зависящим от изменений температуры или характеристик полупроводников.Как и в дискретных компонентных усилителях, описанных в модуле усилителя 3, отрицательная обратная связь также снижает искажения и шум в дополнение к увеличению полосы пропускания усилителя.

Правила для операционных усилителей

Идеальные операционные усилители при использовании с обратной связью работают таким образом, чтобы их можно было предсказать с помощью пары основных правил, часто называемых «золотыми правилами».

Правило 1. Правило напряжения.

Выходной сигнал операционного усилителя будет изменяться по мере необходимости, чтобы два входных напряжения оставались идентичными.Если какой-либо входной сигнал или напряжение пытается изменить входные потенциалы, выход операционного усилителя изменит полярность, противоположную входной, и через контур обратной связи сохранит разницу между двумя входами на уровне 0 В.

Правило 2. Действующее правило.

Поскольку входное сопротивление бесконечно велико, ток не может течь ни на один из входов.

Эти правила, используемые в отношении идеального операционного усилителя, могут быть использованы для облегчения понимания работы двух основных схем усилителя напряжения.Небольшие различия между идеальными и практичными операционными усилителями можно временно игнорировать.

Рис. 6.7.3 Инвертирующий усилитель

Инвертирующий усилитель

На рис. 6.7.3 показан инвертирующий усилитель, в этой конфигурации входной сигнал подается на инвертирующий (-) вход для создания противофазного выходного сигнала, амплитуда которого составляет V в x A vcl , где A vcl — коэффициент усиления ОУ с обратной связью.

Отрицательная обратная связь используется для снижения очень высокого максимального усиления операционного усилителя до необходимого уровня.Коэффициент усиления с обратной связью (A vcl ) устанавливается просто соотношением R f к R в

.

Как работает инвертирующий усилитель

Применяя два правила к идеальному операционному усилителю, показанному на рис. 6.7.3a, можно предположить, что:

Контакт 3 имеет 0 В, так как он подключен к земле через R3, на котором не будет развиваться напряжение, поскольку ток не течет на контакт 3 (Правило 2), поэтому на контакте 2 также будет 0 В (Правило 1).

Следовательно, R в и R f эффективно соединены последовательно между V в и V на выходе с выводом 2 между двумя резисторами, поддерживающими 0 В.

Ток не может течь на контакт 2 (Правило 2), поэтому ток, текущий в V в , не может течь в операционный усилитель, поэтому он должен проходить через R f на выход.

Диаграмма на рис. 6.7.3b показывает, что на самом деле R в и R f — это два резистора, подключенных последовательно между V в и V на выходе с выводом 2 на 0 В.

Хотя контакт 2 на самом деле не подключен к земле, он должен иметь то же напряжение, что и контакт 3 (Правило 1), который равен 0 В (из-за Правила 2).Этот важный эффект создания некоторого места в цепи, которое фактически не подключено к земле, но поддерживает потенциал 0 В, называется «виртуальной землей» (или виртуальной землей).

Таким образом, любой входной ток (I в ) течет напрямую от входа, через R в и R на выход , при этом R в и R f образуют делитель потенциала между напряжениями противоположной полярности. V в и V из с контактом 2 на 0 В.

Ток через цепь последовательного резистора одинаков для каждого резистора, поэтому входное напряжение V в будет пропорционально сопротивлению R в , а напряжение на R f будет пропорционально сопротивлению R ф

Обратите внимание, что поскольку R f эффективно подключен между выходной клеммой и виртуальной землей (0 В), напряжение на R f также равно V на выходе . Это делает R f / R в равным V из / V в (коэффициент усиления усилителя), и, следовательно, задано усиление с обратной связью усилителя напряжения инвертирующего ОУ (A vcl ). по уравнению:

Обратите внимание, что формула сообщает вам только соотношение резисторов, а не их фактические значения.К счастью, в аудиоусилителях значения не слишком критичны, обычно допустимы значения резисторов между 10 и 100 кОм. Однако лучше попытаться сохранить сопротивление R в как можно более высоким, а также в практическом усилителе, вместо того, чтобы заземлять неинвертирующий вход напрямую, он должен быть заземлен резистором с тем же значением, что и R в , чтобы поддерживать (крошечные) входные токи равными. Это дает больше шансов, что выходное напряжение будет нулевым (или близким к нему), когда входное напряжение равно нулю.

Неинвертирующий усилитель

Рис. 6.7.4 Неинвертирующий усилитель

В неинвертирующем усилителе, показанном на рис. 6.7.4a, входной сигнал подается на неинвертирующий вход (вывод 3), в то время как резистор отрицательной обратной связи (R f ) вместе с R1 устанавливает коэффициент усиления с обратной связью усилителя. .

Теперь входной и выходной сигналы совпадают по фазе, что изменяет работу схемы. Как показано на рис. 6.7.4b, схема не имеет виртуальной точки заземления, но нижний конец R1 подключен к земле, что означает, что контакт 2 будет соответствовать изменяющемуся входному напряжению V в на контакте 3 (Правило 1).

R f и R1 теперь образуют потенциальный делитель между V , выходом и 0 В. Как и в инвертирующем усилителе, ток не будет течь на контакт 2 (Правило 2), поэтому напряжения на R1 и R f будут пропорциональны их отдельным сопротивлениям. Отношение этих сопротивлений и, следовательно, отношение V на выходе к V на , то есть усиление замкнутого контура, определяется формулой стандартного делителя потенциала (R f + R1) / R1.

Начало страницы

Операционный усилитель | Инжиниринг | Fandom

Файл: Операционный усилитель 741 в металлическом корпусе TO-5, крупный план.jpg

Операционный усилитель 741 в металлическом корпусе TO-5

Операционный усилитель Операционный усилитель или — это усилитель с очень высоким коэффициентом усиления, который имеет два входа, один инвертирующий (-) и один неинвертирующий ( +). Выходное напряжение — это разница между входами + и -, умноженная на коэффициент усиления без обратной связи:


Выход усилителя может быть несимметричным или, реже, дифференциальным. В схемах, использующих операционные усилители, почти всегда присутствует отрицательная обратная связь.Поскольку операционный усилитель имеет такое высокое усиление, поведение усилителя почти полностью определяется элементами обратной связи.

История []

Операционный усилитель называется так потому, что изначально был разработан для выполнения математических операций с использованием напряжения в качестве аналога другой величины. Это основа аналогового компьютера, в котором Операционные усилители использовались для моделирования основных математических операций (сложение, вычитание, интегрирование, дифференцирование и т. д.).В этом смысле настоящий операционный усилитель является идеальным схемным элементом. Реальные, которые мы используем, сделанные из транзисторов, ламп или других усилительных компонентов, являются приближениями к этому идеалу. Операционные усилители были первоначально разработаны в эпоху электронных ламп, где они использовались в аналоговых компьютерах. Современные операционные усилители обычно построены в виде интегральной схемы, хотя иногда и с дискретными транзисторами, и обычно имеют одинаковые параметры со стандартизованной упаковкой и потребностями в источниках питания. Операционные усилители находят множество применений в электронике.Операционный усилитель, вероятно, является наиболее полезным отдельным устройством в аналоговой электронной схеме. Имея всего несколько внешних компонентов, он может выполнять широкий спектр задач по обработке аналоговых сигналов. Многие операционные усилители с базовыми интегральными схемами стоят всего несколько центов при умеренном объеме производства, но высокопроизводительные усилители с расширенными характеристиками могут стоить более 100 долларов США в небольших количествах.

Идеальный операционный усилитель []

Операционный усилитель ideal имеет бесконечное усиление без обратной связи (см. Также усиление), бесконечную полосу пропускания, бесконечные входные импедансы, нулевое выходное сопротивление и нулевой шум, а также нулевое смещение входа (ровно 0 В на выходе, когда оба входа подключены). ровно ровно) и без теплового дрейфа.

В идеальных операционных усилителях входные токи равны нулю.

   i   +  =  i   -  = 0 
 

Современные операционные усилители на полевых МОП-транзисторах на интегральных схемах все более и более приближаются к этим идеалам в приложениях с ограниченной полосой пропускания и большими сигналами при комнатной температуре.

  • Чтобы увидеть уравнения и различные схемы, в которых используется операционный усилитель, перейдите в раздел «Приложения операционных усилителей».

Современные операционные усилители []

Большинство усилителей общего назначения продаются по цене менее доллара за штуку.Современные конструкции были разработаны с учетом требований к надежности, и произведено несколько операционных усилителей, которые могут выдерживать прямые короткие замыкания на своих выходах без повреждений. Одним из ключей к полезности этих схем является инженерный принцип обратной связи, особенно отрицательной обратной связи, которая составляет основу почти всех процессов автоматического управления. Принципы, представленные здесь в схемах операционного усилителя, иллюстрируют некоторые возможности электроники. Важно отметить, что стандартный операционный усилитель, используемый и показанный в схемах, представляет собой идеализм черного ящика (ящик только с входами и выходами).Реальные операционные усилители — это сложные интегральные схемы. См., Например, внутреннюю схему относительно простого операционного усилителя 741 ниже.

Обозначение []

Типичное обозначение схемы операционного усилителя выглядит так:

операционный усилитель

Его терминалы:

  • В + : неинвертирующий вход
  • В : инвертирующий вход
  • В выход : выход
  • В S + : положительный источник питания
  • V S− : отрицательный источник питания

Контакты источника питания (V S + и V S− ) можно маркировать по-разному.См. Контакты источника питания IC. Для операционных усилителей на полевых транзисторах положительный общий источник стока обозначен как V DD , а отрицательный общий источник питания — как V SS . Для операционных усилителей на базе BJT вывод V S + становится V CC , а V S- становится V EE . Они также иногда обозначаются V CC + и V CC− или даже V + и V , и в этом случае входы будут помечены по-другому. Функция остается прежней.Часто эти контакты не включаются в схему для ясности, а конфигурация питания описывается или принимается исходя из схемы.

Для ясности полярность входного контакта часто меняется на обратную. В этом случае контакты блока питания остаются в прежнем положении; чем больше положительный вывод питания всегда находится наверху, а более отрицательный — внизу. Весь символ не переворачивается; только входы.

Использование в проектировании электронных систем []

Возможность использования обычного операционного усилителя типа «черный ящик» при проектировании схем значительно упрощает работу и понимание сложных схем, особенно в очень больших схемах.Операционные усилители можно использовать так, как если бы они обладали идеализированными свойствами (бесконечное усиление, идеальное рассеивание тепла, плоская частотная характеристика, бесконечное входное сопротивление, нулевое выходное сопротивление и другие идеальные характеристики).

После завершения первоначального проектирования схемы (а иногда и моделирования на компьютере) выбираются конкретные операционные усилители, которые максимально соответствуют критериям проектирования и стоимости. Может случиться так, что операционный усилитель с на каждые желаемых параметров не может быть найден, и необходимо пойти на некоторый компромисс, чтобы попытаться найти операционный усилитель, который обеспечивает наиболее близкое соответствие предполагаемой функциональности для каждой подсхемы.

Сама разработанная схема, скорее всего, потребует модификации, чтобы учесть реальные качества операционного усилителя (в некоторых областях характеристики не идеальны). То же самое часто делается почти для всех электронных компонентов во время проектирования (где они также считаются идеальными), после чего необходимо внести корректировки, чтобы реальные части работали как идеальные. Этот процесс проектирования с использованием идеальных деталей и последующей адаптации к их реальным версиям, как правило, справедлив при использовании всех электронных компонентов , включая конденсаторы, катушки индуктивности, резисторы, транзисторы, диоды и т. Д.

После необходимых модификаций получается окончательная схема с использованием реальных операционных усилителей. Цель проекта состоит в том, чтобы на практике оставшиеся ошибки и несоответствия были незначительны.

Режим постоянного тока []

Коэффициент усиления без обратной связи определяется как усиление от входа к выходу без применения какой-либо обратной связи. Для большинства практических расчетов предполагается, что коэффициент усиления без обратной связи бесконечен; в действительности, однако, оно ограничено величиной напряжения, подаваемого на операционный усилитель, т.е.е. Vs + и Vs- на приведенной выше диаграмме. Типичные устройства демонстрируют коэффициент усиления по постоянному току в разомкнутом контуре от 100000 до более 1 миллиона. Это позволяет просто и точно установить коэффициент усиления в приложении, используя отрицательную обратную связь. Операционные усилители имеют ограничения производительности, о которых разработчик должен помнить и иногда обходиться.

Поведение переменного тока []

Усиление операционного усилителя, вычисленное при постоянном токе, не применяется на более высоких частотах. Этот эффект обусловлен ограничениями самого операционного усилителя, такими как его конечная полоса пропускания, и характеристиками переменного тока схемы, в которую он помещен.Самый известный камень преткновения при проектировании операционных усилителей — это тенденция устройства резонировать на высоких частотах, когда отрицательная обратная связь сменяется положительной из-за паразитного фазового сдвига.

Типичные недорогие операционные усилители общего назначения демонстрируют произведение коэффициента усиления на полосу пропускания в несколько МГц. Специальные и высокоскоростные операционные усилители могут обеспечить увеличение полосы пропускания в сотни МГц. Для очень высокочастотных схем часто используется совершенно другая форма операционного усилителя, называемая операционным усилителем с обратной связью по току.

Базовая схема операционного усилителя []

Стандартный операционный усилитель имеет два входа и один выход. Выходное напряжение кратно разнице между двумя входами (некоторые из них сделаны с плавающими дифференциальными выходами):

V out = G (V + — V )

G — коэффициент усиления ОУ без обратной связи. Предполагается, что входы имеют очень высокий импеданс; незначительный ток будет течь на входы или выходить из них. Выходы операционного усилителя имеют очень низкий импеданс источника.

Если выход подключен к инвертирующему входу после масштабирования делителем напряжения K = R 1 / (R 1 + R 2 ), тогда:

Операционный усилитель, подключенный в конфигурации неинвертирующего усилителя.

V + = V in
V = KV out
V out = G (V in — KV out ) 9 V из / V в , мы видим, что в результате получился линейный усилитель с коэффициентом усиления:

V out / V in = G / (1 + GK)

Если G очень велико, V out / V in приближается к 1 / K, что равно 1 + (R2 / R1).

Это соединение с отрицательной обратной связью является наиболее типичным использованием операционного усилителя, но возможно множество различных конфигураций, что делает его одним из самых универсальных из всех электронных строительных блоков.

При подключении в конфигурации с отрицательной обратной связью операционный усилитель будет пытаться сделать выход V на любым напряжением, необходимым для выравнивания входных напряжений. Это, а также высокий входной импеданс иногда называют двумя «золотыми правилами» проектирования операционных усилителей (для схем, использующих обратную связь):

  1. На входы не подается ток.
  2. Входные напряжения будут равны друг другу.

Исключение составляют случаи, когда требуемое напряжение больше, чем напряжение питания операционного усилителя, и в этом случае выходной сигнал останавливается возле шин питания, V S + или V S- .

Большинство доступных одно-, двух- и четырехъядерных операционных усилителей имеют стандартизированное расположение выводов, которое позволяет заменять один тип другим без изменения проводки. Конкретный операционный усилитель может быть выбран из-за его усиления без обратной связи, полосы пропускания, шумовых характеристик, входного импеданса, потребляемой мощности или компромисса между любым из этих факторов.Исторически первым интегрированным операционным усилителем, который стал широко доступным, был Fairchild UA-709 в конце 1960-х годов, но его быстро вытеснил гораздо более производительный 741, который проще в использовании и, вероятно, повсеместно используется в электронике. основные производители выпускают версию этого классического чипа. 741 — это биполярный дизайн, и по современным меркам он имеет довольно среднюю производительность. Лучшие конструкции на основе полевого транзистора появились в конце 1970-х годов, а версии MOSFET — в начале 1980-х годов. Многие из этих более современных устройств могут быть заменены на более старую схему на основе 741 и работать без каких-либо других изменений, чтобы обеспечить лучшую производительность.

Ограничения ОУ []

Хотя конструкция большинства схем операционного усилителя основана на «золотых правилах», приведенных выше, проектировщики также должны знать, что ни один настоящий операционный усилитель не может точно соответствовать этим характеристикам. Ниже перечислены некоторые ограничения реальных операционных усилителей, а также их влияние на схемотехнику.

Дефекты постоянного тока:

  • Конечное усиление — эффект наиболее выражен, когда общая конструкция пытается достичь усиления, близкого к внутреннему усилению операционного усилителя.
  • Конечное входное сопротивление — устанавливает верхнюю границу сопротивлений в цепи обратной связи.
  • Ненулевое выходное сопротивление — важно для нагрузок с низким сопротивлением. За исключением очень небольшого выходного напряжения, обычно в первую очередь важны соображения мощности.
  • Входной ток смещения — для правильной работы требуется небольшой ток (обычно ~ 10 нА) на входных контактах. Этот эффект усугубляется тем фактом, что ток между входными контактами (т.е.е., входной ток смещения). Этот эффект обычно важен только для цепей очень малой мощности.
  • Входное напряжение смещения — операционный усилитель будет вырабатывать выходной сигнал, даже если входные контакты имеют одинаковое напряжение. Для цепей, требующих точного управления постоянным током, этот эффект необходимо компенсировать. В большинстве коммерческих операционных усилителей для этой цели есть смещенный вывод.

Дефекты переменного тока:

  • Конечная полоса пропускания — все усилители имеют конечную полосу пропускания. Однако это более выражено в операционных усилителях, которые используют внутреннюю частотную компенсацию, чтобы избежать непреднамеренного получения положительной обратной связи.
  • Входная емкость — наиболее важна для высокочастотной работы.

Нелинейные дефекты:

  • Насыщение — выходное напряжение ограничено пиковым значением, немного меньшим, чем напряжение источника питания.
  • Скорость нарастания — скорость изменения выходного напряжения ограничена (обычно используемой внутренней компенсацией)

Рекомендации по питанию:

  • Ограниченная выходная мощность — если требуется высокая выходная мощность, необходимо использовать операционный усилитель, специально разработанный для этой цели.Большинство операционных усилителей рассчитаны на работу с низким энергопотреблением и, как правило, способны управлять выходным сопротивлением только до 2 кОм.
  • Защита от короткого замыкания — это скорее функция, чем ограничение, хотя она и накладывает ограничения на дизайн. Большинство коммерческих операционных усилителей выдают предельный ток, когда выходной ток превышает заданный уровень (около 25 мА для типа 741).

Внутренняя схема ОУ типа 741 []

Хотя удобно и легко рассматривать операционный усилитель как черный ящик с идеальными входными / выходными характеристиками, важно понимать внутреннюю работу, чтобы можно было решать проблемы, которые могут возникнуть из-за внутренних ограничений конструкции.

Хотя конструкция разных продуктов и производителей различается, все операционные усилители в основном имеют одинаковую внутреннюю структуру, которая состоит из трех ступеней:

  1. Дифференциальный усилитель
    • Входной каскад — обеспечивает малошумное усиление, высокое входное сопротивление, обычно дифференциальный выход
  2. Усилитель напряжения
    • Обеспечивает высокий коэффициент усиления по напряжению, однополюсный спад частоты, обычно несимметричный выход
  3. Выходной усилитель
    • Выходной каскад — обеспечивает возможность управления большим током, низкий выходной импеданс, схему ограничения тока и защиты от короткого замыкания
Файл: Opamptransistorlevelcoloredlabeled.png

Диаграмма уровней компонентов обычного операционного усилителя 741

Токовые зеркала []

Секции, обведенные красным, являются текущими зеркалами. Первичный ток, из которого генерируются другие постоянные токи (смещения), определяется источником питания микросхемы и резистором 39 кОм, действующим (с двумя диодными переходами транзистора) в качестве источника тока. Генерируемый ток составляет приблизительно (V S + — V S — — 2V be ) / 39 кОм. Условия постоянного тока входного каскада контролируются двумя токовыми зеркалами слева.Токовое зеркало, образованное Q8 / Q9, допускает большие синфазные напряжения на входах, не выходя за пределы активного диапазона любого транзистора в схеме. Токовое зеркало Q10 / Q11 косвенно используется для установки тока входного каскада. Этот ток задается резистором 5 кОм. Управление смещением входного каскада действует следующим образом. Выходы токовых зеркал Q8 / Q9 и Q10 / Q11 вместе образуют схему разности токов с высоким импедансом. Если ток входного каскада имеет тенденцию отклоняться (как обнаруживается Q8) от значения, установленного Q10, это отражается в Q9, и любое изменение этого тока корректируется путем изменения напряжения на базах Q3 и Q4.Таким образом, условия постоянного тока входного каскада стабилизируются системой отрицательной обратной связи с высоким коэффициентом усиления.

Правое верхнее зеркало тока Q12 / Q13 обеспечивает постоянную токовую нагрузку для каскада усиления класса A через коллектор Q13, который в значительной степени не зависит от выходного напряжения.

Дифференциальный входной каскад []

Секция, обведенная синим цветом, представляет собой дифференциальный усилитель. Q1 и Q2 являются повторителями входного эмиттера и вместе с общей базовой парой Q3 и Q4 образуют дифференциальный входной каскад.Кроме того, Q3 и Q4 также действуют как переключатели уровня и обеспечивают усиление по напряжению для управления усилителем класса A. Они также помогают увеличить обратный рейтинг Vbe на входных транзисторах.

Дифференциальный усилитель, образованный транзисторами Q1 — Q4, управляет активной нагрузкой зеркала тока, образованной транзисторами Q5 — Q7. Q7 увеличивает точность токового зеркала за счет уменьшения величины сигнального тока, необходимого от Q3 для управления базами Q5 и Q6. Это токовое зеркало обеспечивает преобразование дифференциального сигнала в несимметричный следующим образом:

Сигнальный ток Q3 является входом в токовое зеркало, в то время как выход зеркала (коллектор Q6) подключен к коллектору Q4.Здесь суммируются сигнальные токи Q3 и Q4. Для дифференциальных входных сигналов сигнальные токи Q3 и Q4 равны и противоположны. Таким образом, сумма вдвое больше индивидуальных сигнальных токов. Это завершает преобразование дифференциала в несимметричный.

Напряжение сигнала холостого хода, появляющееся в этой точке, определяется как произведение суммарных сигнальных токов и параллельных сопротивлений коллектора Q4 и Q6. Поскольку коллекторы Q4 и Q6 проявляют высокое сопротивление сигнальному току, коэффициент усиления напряжения холостого хода этого каскада очень велик.

Следует отметить, что базовый ток на входах не равен нулю, а эффективное (дифференциальное) входное сопротивление 741 составляет около 2 МОм. Нулевые контакты смещения могут использоваться вместе с потенциометром для снятия любого напряжения смещения, которое могло бы присутствуют на выходе операционного усилителя, когда между входами подается нулевой сигнал.

Каскад усиления класса A []

Секция, выделенная пурпурным цветом, — это каскад усиления класса А. Он состоит из двух NPN-транзисторов в конфигурации Дарлингтона и использует выходную сторону токового зеркала в качестве нагрузки коллектора для достижения высокого усиления.Конденсатор 30 пФ обеспечивает частотно-избирательную отрицательную обратную связь вокруг каскада усиления класса A для стабилизации усилителя в конфигурациях обратной связи. Этот метод называется компенсацией Миллера и работает аналогично схеме интегратора операционного усилителя. Он также известен как «компенсация доминирующего полюса», потому что он вводит доминирующий полюс (тот, который маскирует влияние других полюсов) в частотную характеристику разомкнутого контура. Этот полюс может составлять всего 10 Гц в усилителе 741 и вносит потери -3 дБ в отклик разомкнутого контура на этой частоте.Это сделано для достижения безусловной стабильности усилителя вплоть до единичного коэффициента усиления с обратной связью и упрощает использование этого типа усилителя с внутренней компенсацией.

Схема выходного смещения []

Обведенная зеленым секция (основанная на Q16) — это устройство сдвига уровня напряжения или умножитель V BE ; тип источника напряжения. В показанной схеме Q16 обеспечивает постоянное падение напряжения между своим коллектором и эмиттером независимо от тока, проходящего через цепь.Если предполагается, что ток базы транзистора равен нулю, а напряжение между базой и эмиттером (и на резисторе 7,5 кОм) составляет 0,625 В (типичное значение для BJT в активной области), то ток, протекающий через Резистор 4,5 кОм будет таким же, как и резистор 7,5 кОм, и создаст на нем напряжение 0,375 В. Это поддерживает напряжение на транзисторе и двух резисторах на уровне 0,625 + 0,375 = 1 В. Это служит для небольшого смещения двух выходных транзисторов в направлении проводимости, предотвращая перекрестные искажения.В некоторых дискретных компонентных усилителях эта функция достигается с помощью (обычно 2) кремниевых диодов.

Выходной каскад []

Выходной каскад (выделен голубым цветом) представляет собой усилитель с двухтактным эмиттерным повторителем (Q14, Q20) класса AB со смещением, устанавливаемым источником напряжения умножителя Q16 V BE и его базовыми резисторами. Этот этап эффективно управляется коллекторами Q13 и Q19. Выходной диапазон усилителя примерно на 1 вольт меньше напряжения питания, отчасти из-за Vce (sat) выходных транзисторов.

Резистор на 25 Ом в выходном каскаде действует как датчик тока, чтобы обеспечить функцию ограничения выходного тока, которая ограничивает ток в эмиттерном повторителе Q14 примерно до 25 мА для 741. Ограничение тока для отрицательного выхода осуществляется путем измерения напряжение на эмиттерном резисторе Q19 и его использование для уменьшения напряжения на базе Q15. Более поздние версии этой схемы усилителя могут показывать несколько иной метод ограничения выходного тока. Выходное сопротивление не равно нулю, как в идеальном операционном усилителе, но при отрицательной обратной связи оно приближается к нулю.

Общие приложения []

Основная статья: Приложения для операционных усилителей

Другие приложения []

  • предусилители и буферы аудио и видео
  • компараторы напряжения
  • дифференциальные усилители
  • дифференциаторы и интеграторы
  • фильтры
  • прецизионные выпрямители
  • регуляторы напряжения и тока
  • аналоговые калькуляторы
  • аналого-цифровые преобразователи
  • Цифро-аналоговые преобразователи
  • клещи напряжения
  • Генераторы
  • и генераторы сигналов

См. Также []

  • Применение операционных усилителей
  • Активный фильтр
  • Аналоговый компьютер
  • Операционный усилитель с обратной связью по току
  • Операционный усилитель прозрачности

Внешние ссылки []

Шаблон: Wikibookspar

Дополнительные приложения:

Объяснение 8 схем операционного усилителя Easy IC 741

Представленные здесь 8 основных схем операционного усилителя на базе IC 741 не только интересны, но и очень забавны в сборке.Включенные в комплект схемы, такие как инвертирующие и неинвертирующие усилители, регулировка тембра и регулируемый источник питания, наверняка заинтригуют вас. Принципиальные схемы также прилагаются к статье.

Обзор

Мы все, вероятно, знаем о высокой универсальности IC 741. Поразительно, но бесконечное количество 741 идей по проектированию схем операционного усилителя можно объединить, добавив к ней всего несколько пассивных компонентов. Мы исследуем некоторые из них здесь. IC 741 — один из наиболее универсальных и универсальных операционных усилителей, который можно подключать различными способами.Давайте рассмотрим некоторые из важных конфигураций схем операционного усилителя 741:

1) Инвертирующий усилитель постоянного тока:

Иногда это становится важным для усиления постоянного напряжения, диаграмма выше показывает, как ИС может быть подключена к цепи инвертирующего усилителя постоянного тока. Как следует из названия, вход постоянного тока в ИС будет усиливаться на ее выходе, но полярность будет прямо противоположной. VR1 можно использовать для регулировки усиления усилителя.

2) Неинвертирующий усилитель постоянного тока:

Эта конфигурация аналогична приведенной выше схеме, с той лишь разницей, что выходная характеристика всегда равна полярности подаваемого входного напряжения.

3) Инвертирующий усилитель переменного тока:

На рисунке показано, как основной режим инвертирующего постоянного тока ИС может быть просто преобразован в конструкцию инвертирующего усилителя переменного тока. Эта схема предназначена для использования с входными сигналами переменного тока или колебательными сигналами, в первую очередь для усиления мельчайших частот. C1 и C2 образуют входной и выходной конденсаторы связи. Опять же, здесь коэффициент усиления можно изменять с помощью потенциометра VR1.

4) Неинвертирующий усилитель переменного тока:

Схема операционного усилителя 741 аналогична описанной выше конструкции; Единственное отличие состоит в том, что выход схемы обеспечивает колебания по фазе с входом, тогда как предыдущая конструкция создает колебания с фазой, противоположной фазе входа.

5) Активный контроль тембра:

Операционный усилитель IC741 может очень эффективно использоваться для обработки звуковых частот и их настройки по своему усмотрению.

Люди, которые предпочитают больше басов в музыке, могут добиться этого, просто отрегулировав вал регулятора низких частот, тогда как те, кто ценит дополнительные высокие частоты в музыке, могут сделать то же самое с помощью другого аналогичного регулятора, предназначенного для этой цели.

На принципиальной схеме показано, как путем добавления всего нескольких пассивных компонентов с IC 741 можно построить аккуратную небольшую активную схему регулировки тембра.

Для указанных значений схема обеспечивает усиление низких частот на 12,5 дБ и ослабление на 10,5 дБ на частоте около 100 Гц.

Низкий уровень высоких частот составляет 8,8 дБ с ослаблением 9,8 дБ на частоте около 10 кГц по сравнению с установленным усилением устройства на 1 кГц. Схема также отличается высоким входным сопротивлением и низким выходным сопротивлением.

6) Схема стабилизированного источника питания с использованием микросхемы операционного усилителя 741

На последней схеме этой статьи показан классический источник питания постоянного тока со стабилизированным напряжением, использующий схему операционного усилителя 741.

Дешевый опорный сигнал стабилитрона / резистора используется для обеспечения достаточно стабильного опорного напряжения на неинвертирующем входе ИС.

Поток VR 1 используется для постоянной установки выходного напряжения от нуля до максимум 15 вольт. На выходе используется транзистор с парой Дарлингтона для увеличения пропускной способности по току.

Однако еще один транзистор T3 также был включен для проверки указанного выше тока, если он имеет тенденцию выходить за пределы установленного предела.
Предел управления может быть установлен путем изменения номинала резистора R6.

7) Схема усилителя мощности с использованием микросхемы IC 741

Хотя максимальная мощность этого усилителя не превышает 4 Вт, усилитель обеспечивает относительно хороший отклик на приложенной частоте. Искажение менее 0,5% и полоса пропускания более 20 кГц. Усилитель требует минимального входного напряжения около 150 мВ.

8) Реле контроллера темноты IC 741

Реле активации темноты можно использовать для автоматического включения света на пороге или веранды, автоматического включения ночника в детской спальне, приложений может быть бесчисленное множество.По сути, происходит то, что, как только наступает ночь, на LDR срабатывает реле. Если вы хотите, чтобы реле управляло устройством с низким напряжением, используйте реле с контактами низкого напряжения.

Если вы хотите использовать что-то более существенное, выберите реле с контактами, которые могут выдерживать напряжение (и ток), эквивалентное мощности нагрузки. Это так просто. Только убедитесь, что катушка реле рассчитана на сопротивление не менее 150 Ом. При стандартной яркости сопротивление LDR R6 будет низким.Входной потенциал на выводе 3 микросхемы U1 будет высоким, что вызовет высокий уровень на выходе на выводе 6.

Поскольку транзистор Q1 является PNP-транзистором, ток коллектора будет уменьшаться до тех пор, пока вывод 6 микросхемы IC 741 имеет положительную базу. Как только источник света LDR становится слабым или когда наступает темнота, сопротивление LDR R6 увеличивается.

В этой ситуации контакт 3 микросхемы 741 поворачивается в отрицательном направлении, в результате чего на выходе микросхемы 741 на выводе 6 напряжение становится низким или близким к нулю.В этой ситуации необходимый отрицательный базовый ток поступает на базу Q1 через резистор R4 4k7. Коллекторный ток транзистора теперь увеличивается, и реле мгновенно активируется. Когда реле срабатывает, включается подключенная лампа или любая нагрузка.

9) 741 Схема сенсорного переключателя

Эта схема сенсорного переключателя IC 741 представляет собой чувствительный сенсорный переключатель, который также может применяться (при желании) как датчик дождя. Как показано на рисунке Вывод 3 микросхемы IC 741 закреплен резисторами R1 и R2.Инвертирующий вход (контакт 2) поступает на рычаг ползунка предустановки R3, что позволяет вам установить предел активации. Как только вы кладете палец на сенсорную пластину, он перекрывает нечетные и четные медные полосы сенсорной пластины, в результате чего контакт 2 становится отрицательным, что усиливает эффект, заставляя контакт 6 IC 741 становиться положительным.

В нормальной ситуации SCR остается в выключенном состоянии, при этом лампа остается выключенной. Когда контакт 6 становится положительным из-за прикосновения к сенсорной пластине, затвор SCR становится положительным, а SCR срабатывает, проводит и фиксируется, включая лампу, которая остается включенной до тех пор, пока питание схемы не будет отключено с помощью S1.

Разница между инвертирующим и неинвертирующим усилителями (со сравнительной таблицей)

Две основные классификации операционных усилителей — это инвертирующие и неинвертирующие усилители. Решающее различие между инвертирующим и неинвертирующим усилителями состоит в том, что инвертирующий усилитель — это тот, который выдает усиленный выходной сигнал, который не совпадает по фазе с подаваемым входом. Напротив, неинвертирующий усилитель, который усиливает уровень входного сигнала без изменения фазы сигнала на выходе.

Что такое операционный усилитель?

Операционные усилители считаются основным компонентом аналоговых электронных схем. Это линейное устройство, которое используется для усиления сигнала постоянного тока. Таким образом, он используется для преобразования сигнала, фильтрации и выполнения таких операций, как сложение, вычитание, интегрирование и т. Д. Различные компоненты, такие как резистор, конденсатор и т. Д., Присутствуют между входными и выходными клеммами усилителя и используются для увеличения уровня напряжения. подаваемого сигнала.

Это трехконтактное устройство с двумя входами и одним выходом. Из двух входных клемм один является инвертирующим, а другой — неинвертирующим.

В этой статье дается представление о различных факторах различия между инвертирующими и неинвертирующими усилителями.

Содержание: инвертирующий против неинвертирующего усилителя

  1. Сравнительная таблица
  2. Определение
  3. Ключевые отличия
  4. Заключение

Таблица сравнения

Основа для сравнения Инвертирующий усилитель Неинвертирующий усилитель
Basic Обеспечивает усиленный сигнал, который не совпадает по фазе с подаваемым входом. Он предназначен для обеспечения усиленного сигнала, синфазного с сигналом, присутствующим на входе.
Разность фаз между входом и выходом 180 ° 0 °
Вход Применяется на отрицательной входной клемме Обеспечивается на положительной входной клемме
Достигнутый выход Инвертированный по своей природе Неинвертированный по своей природе
Выражается как Отрицательная полярность Положительная полярность
Коэффициент усиления усилителя Отношение сопротивлений. Суммирование 1 с соотношением сопротивлений.
Заземление Положительная входная клемма заземлена Отрицательная входная клемма заземлена
Полярность усиления Отрицательная Положительная

Определение инвертирующего усилителя

Тип операционного усилителя, который предназначен для генерации сигнала на выходе, который на 180 ° не совпадает по фазе с приложенным входом, известен как инвертирующий усилитель .Это означает, что если фаза подаваемого входного сигнала положительная, то усиленный сигнал будет иметь отрицательную фазу. Аналогично для сигнала с отрицательной фазой фаза на выходе будет положительной.

Считается одной из простейших и широко используемых конфигураций ОУ . На рисунке ниже представлена ​​схема инвертирующего усилителя:

Здесь из вышеприведенного рисунка ясно, что обратная связь предоставляется операционному усилителю, чтобы обеспечить работу схемы с обратной связью.Для точной работы схемы на нее предусмотрена отрицательная обратная связь. Таким образом, чтобы иметь схему с обратной связью, вход, а также сигнал обратной связи с выхода подается на инвертирующий вывод операционного усилителя.

Для указанной выше сети коэффициент усиления определяется как:

Определение неинвертирующего усилителя

Усилитель, который выдает усиленный сигнал на выходе, имеющий фазу, аналогичную фазе на подаваемом входе, известен как неинвертирующий усилитель .Это просто означает, что для входного сигнала с положительной фазой выходной сигнал также будет положительным. То же самое касается входа с отрицательной фазой.

На рисунке ниже представлена ​​схема неинвертирующего усилителя:

В этом случае, чтобы на выходе была та же фаза, что и на входе, входной сигнал подается на неинвертирующий вывод усилителя. Но здесь также должна быть предусмотрена отрицательная обратная связь, таким образом, сигнал обратной связи подается на инвертирующий вывод операционного усилителя.Коэффициент усиления с обратной связью неинвертирующего усилителя определяется как:

Здесь следует отметить, что усилитель с инвертирующей конфигурацией можно преобразовать в неинвертирующий, просто изменив предусмотренные входные соединения.

Ключевые различия между инвертирующим и неинвертирующим усилителями

  1. Ключевой фактор различия между инвертирующим и неинвертирующим усилителями делается на основе фазового соотношения, существующего между входом и выходом.В случае инвертирующего усилителя выход не совпадает по фазе с входом. В то время как для неинвертирующего усилителя вход и выход находятся в одной фазе.
  2. Входной сигнал инвертирующего усилителя подается на отрицательный вывод операционного усилителя. Напротив, вход в случае неинвертирующего усилителя обеспечивается на положительном выводе.
  3. Коэффициент усиления инвертирующего усилителя равен отношению сопротивлений. В отличие от этого, коэффициент усиления неинвертирующего усилителя складывается из 1 и отношения сопротивлений.
  4. В инвертирующем усилителе неинвертирующая клемма заземлена. В то время как в неинвертирующем усилителе инвертирующий вывод операционного усилителя заземлен.
  5. Достигнутый коэффициент усиления инвертирующего усилителя отрицательный, поэтому он обеспечивает инвертированный выходной сигнал. Но для неинвертирующего усилителя коэффициент усиления положительный, и, следовательно, достигаемый выходной сигнал по своей природе не инвертируется.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *