Схемы на основе операционного усилителя: Операционные усилители — принцип действия и параметры.

Содержание

Описание операционного усилителя: определение, схемы, принцип работы

 Определение операционного усилителя

Операционный усилитель (ОУ) — это высококачественный усилитель, предназначенный для усиления как постоянных, так и переменных сигналов. Ранее такие усилители использовали главным образом в аналоговых вычислительных устройствах для выполнения математических операций (сложения, вычитания и т. д.). Это объясняет происхождение термина «операционный». В настоящее время очень широко используются операционные усилители в виде полупроводниковых интегральных схем. Эти схемы содержат большое число (десятки) элементов (транзисторов, диодов и т. д.), но по размерам и стоимости приближаются к отдельным транзисторам. Оказалось, что операционные усилители очень удобно использовать для решения самых различных задач преобразования и генерирования маломощных сигналов, поэтому эти усилители очень широко используются на практике.

Васильев Дмитрий Петрович

Профессор электротехники СПбГПУ

Задать вопрос

При инженерной разработке электронных устройств на основе операционных усилителей полезно иметь представление о внутренней структуре операционных усилителей, особенно об устройстве входных и выходных каскадов, что помогает правильно решать вопросы согласования операционных усилителей с источниками входных сигналов и приемниками преобразованных сигналов.

Однако во многих случаях нет необходимости учитывать особенности электронной схемы, реализованной в том или ином операционном усилителе. При этом операционный усилитель рассматривается как «черный ящик», который описывается характеристиками и параметрами, соответствующими токам и напряжениям только внешних выводов. Особенности электрических процессов во внутренних цепях операционного усилителя при таком подходе не учитываются. Именно поэтому начальные сведения по операционным усилителям даются в начальном разделе курса электроники, в котором изучают электронные приборы (диоды, транзисторы и т. д.).

Вообще следует отметить, что при обращении к тому или иному объекту как электроники, так и других областей науки и техники всегда можно выделить следующие две тенденции.

Первая тенденция состоит в стремлении как можно подробнее изучить и учесть внутреннюю структуру и внутренние процессы объекта, а вторая — в стремлении охарактеризовать объект так, чтобы эта структура и эти процессы учитывались как можно меньше. В отношении операционного усилителя можно сказать, что представление его в форме «черного ящика» значительно упрощает анализ электронных схем и обычно дает вполне приемлемые практические результаты.

Абрамян Евгений Павлович

Доцент кафедры электротехники СПбГПУ

Задать вопрос

Рассмотрим наиболее широко используемые разновидности операционных усилителей, для питания которых применяются два источника напряжения (обычно +15 В и −15 В). По-другому это называют питанием от источника с нулевым выводом или от расщепленного источника ±15 В.

Схемы операционного усилителя

Приведем один из вариантов условного графического обозначения операционного усилителя (рис. 1.133).

Обозначение общего вывода «0V» расшифровывается как «ноль вольт». Для уяснения назначения выводов изобразим типичную схему на операционном усилителе — схему инвертирующего усилителя (рис. 1.134).

Ниже будет показано, что если входное напряжение uвх достаточно мало по модулю, то выходное напряжение uвых определяется выражениемu вых= −uвх·Rос/R1

Часто на схемах выводы +U, − U и 0V не указывают (но, естественно, подразумевают) и используют упрощенное условное графическое обозначение (рис.

1.135). При этом приведенная выше типичная схема приобретает упрощенный вид (рис. 1.136).

В литературе, особенно зарубежной, часто используют условные графические обозначения, не соответствующие стандарту, принятому у нас (рис. 1.137).

Обозначим напряжения на выводах операционного усилителя (рис. 1.138).

Напряжение uдиф между инвертирующим и неинвертирующим входами называют дифференциальным напряжением (дифференциальным сигналом). Ясно, что uдиф =u+−u−Операционные усилители конструируют таким образом, чтобы они как можно больше изменяли напряжение uвых при изменении дифференциального сигнала (т. е. разности u+−u−) и как можно меньше изменяли напряжение uвых при одинаковом изменении напряжений u+ и u−.

Пусть uдиф= 0. Сделаем обозначение:uсф=u+=u− Напряжение u сф называют синфазным напряжением (синфазным сигналом).

Используя этот термин, можно сказать, что операционные усилители конструируют таким образом, чтобы влияние синфазного сигнала на выходное напряжение было как можно меньше.

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!

Типовые схемы применения операционных усилителей

Страница 4 из 7

3. ТИПОВЫЕ СХЕМЫ ПРИМЕНЕНИЯ ОПЕРАЦИОННЫХ УСИЛИТЕЛЕЙ, ИСПОЛЬЗУЕМЫЕ В КАЧЕСТВЕ ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ РЕЛЕ ЗАЩИТЫ
В данном параграфе описывается работа отдельных элементарных звеньев, из которых собираются основные узлы реле защиты. Каждое звено предназначается для осуществления одной из частных операций, присущих данному узлу. В схеме звена может содержаться одна или несколько микросхем, благодаря которым такие звенья относят к активным и называют функциональными элементами.


Наряду с функциональными элементами в схемах реле защиты применяют также звенья, не содержащие интегральных микросхем. В отличие от функциональных элементов такие звенья называют пассивными.

Рис. 8. Отдельные типовые схемы усилителей на реальных ОУ:
а — усилитель-ограничитель; б — сумматор на базе инвертирующего усилителя; б — дифференциальный усилитель
Остановимся на типовых схемах функциональных элементов, используемых в серийных реле защиты. Большинство из них заимствовано из схем, используемых в измерительной технике и промышленной автоматике.
К числу наиболее часто применяемых функциональных элементов следует в первую очередь отнести схемы усилителей, содержащих ОУ. Среди них можно указать уже известные из предыдущего параграфа схемы неинвертирующего и инвертирующего усилителей, изображенные на рис. 5, б, в. Широко применяют также повторители напряжения, показанные на рис. 5, а.
Наряду с ними довольно часто в реле защиты применяют усилители с ограничением уровня выходного напряжения, называемые сокращенно усилителями-ограничителями. Ограничения достигают за счет включения параллельно сопротивлению обратной связи двух встречно включенных стабилитронов (рис. 8, а). При подъеме выходного напряжения более UCT + 0,7 В сопротивление обратной связи шунтируется и рост их прекращается. Здесь UcT — напряжение пробоя стабилитрона, а 0,7 В — падение напряжения на стабилитроне в прямом, диодном направлении.
Часто используют схемы сумматоров напряжения на ОУ. Один из вариантов схемы сумматора с тремя входами, выполненный на основе инвертирующего усилителя, показан на рис. 8, б. На инвертирующий вход подаются складываемые напряжения через индивидуальные резисторы Rl —R3. Выходное напряжение будет пропорционально сумме входных напряжений. Сумматоры обладают малым собственным потреблением и позволяют поднять значение суммы напряжений до желаемого уровня. Они успешно используются в схемах формирователей сигналов, фильтров симметричных составляющих и для сравнения мгновенных или средних значений подаваемых напряжений.
К числу типовых относится также схема дифференциального усилителя, показанная на рис. 8, е.
Таким образом, данная схема обеспечивает усиление разности входных напряжений. Дифференциальный усилитель применяется также в качестве основы для получения схем различных сумматоров-вычитателей.
Рассмотрим еще несколько схем применения серийных ОУ.
Компараторы представляют собой схемы, обеспечивающие сравнение двух входных напряжений. Напряжение на выходе компаратора скачкообразно изменяется, когда одна из сравниваемых величин становится больше другой.
В реле защиты широко используются компараторы, в которых одной входной величиной является опорное напряжение заданного значения, а другой — напряжение, пропорциональное измеряемому напряжению или току, которое поступает от соответствующих датчиков.
Компараторы используются также в качестве нуль-индикаторов. В них один из входов компаратора заземляется и скачкообразное изменение выходного напряжения происходит при переходе измеряемого сигнала через нулевое значение. Одна из типовых схем компаратора показана на рис. 9, а. На вход 1 подается измеряемый сигнал, а на вход 2 — опорное напряжение. Пока измеряемое напряжение меньше опорного, на выходе ОУ держится максимальное выходное напряжение, совпадающее по знаку с опорным. Как только измеряемое напряжение станет больше опорного примерно на величину, равную свойственному данному ОУ напряжению суммирующей точки, выходное напряжение немедленно изменит свой знак на противоположный, сохранив максимальное значение. Диоды VD1 и VD2 защищают входы ОУ от повышенных значений дифференциального напряжения.

Рис. 9. Компаратор на реальных ОУ:
а — однопороговый для однополярных сигналов; б — однопороговый для разнополярных сигналов; в — двухпороговый компаратор; г — инвертирующий триггер Шмитта; д — передаточная характеристика триггера Шмитта
Если нужно ограничить выходное напряжение определенным уровнем, то в цепи обратной связи устанавливают два стабилитрона, включенных встречно.
Другая типовая схема компаратора, называемого еще суммирующим, показана на рис. 9, 6. Компаратор применяется для сравнения разнополярных напряжений, подаваемых на его входы, при этом входные напряжения могут быть весьма большими. Изменение знака выходного напряжения происходит при переходе напряжения, приходящего на инвертирующий вход, через нулевое значение. Описанные компараторы получили наименование однопороговых.
Схема двухпорогового компаратора показана на рис. 9, в. При отсутствии входного сигнала диоды VD1-VD4 открыты за счет протекания по ним тока от источников питания ± 15 В. Потенциалы узлов моста, примыкающих к инвертирующему входу и выходу ОУ, одинаковы, при этом сопротивление в цепи отрицательной обратной связи настолько мало, что коэффициент усиления схемы близок к нулю. Выходное напряжение держится на уровне прямого падения напряжения на диодах VD1-VD4. При появлении входного сигнала по диодам
VD1- VD4 начинают протекать дополнительные токи. Если Е/вх положительно, то эти токи, проходя по диодам VD1 и VD4, будут направлены навстречу току, идущему от источника питания, и будут вычитаться из него, а при протекании этих токов через диоды VD2 и VD3 их направление будет совпадать с током от источника питания, и эти токи сложатся. При некотором значении Е/вх, называемым пороговым, диоды VD1 и VD4 закроются. Это приведет к резкому возрастанию сопротивления обратной связи и соответственно к появлению максимального значения ивых. При отрицательном входном напряжении схема работает аналогично, только знак выходного напряжения будет противоположным. Подбором сопротивлений —R3 можно регулировать уровень порогового напряжения. Рассмотренная схема обладает повышенной помехоустойчивостью.
Триггер Шмитта представляет собой компаратор с одним заземленным входом, заданным опорным напряжением и положительной обратной связью. Благодаря ей изменение знака выходного напряжения и обратный переход в начальное состояние происходит при разных уровнях входного напряжения.
Зависимость С/вых от С/вх приобретает форму прямоугольной петли гистерезиса. Рассмотрим, как работает одна из распространенных схем — инвертирующий триггер Шмитта со смещенной характеристикой, изображенный на рис. 9, г. Для того чтобы срабатывание и возврат триггера происходили при изменениях входного напряжения одного знака, на его инвертирующий вход подается отрицательное напряжение смещения — Е/см.
Рис. 10. Двухполупериодный выпрямитель на реальных ОУ
Для возврата триггера в исходное состояние входное напряжение нужно снизить до значения t/BX Ha4 — UB’X. На рис. 9,д приведена передаточная характеристика такого триггера Шмитта. Она имеет четко выраженный «релейный» характер. Поэтому такие триггеры часто используют в исполнительной части реле. Применяют их также для преобразования синусоидальных напряжений в прямоугольные, особенно при искаженной форме кривой напряжения. Существуют и другие схемы исполнения триггеров Шмитта, на которых мы останавливаться не будем, чтобы не повторяться.
Выпрямители на операционных усилителях применяют в тех случаях, когда нужно обеспечить выпрямление с точным сохранением формы кривой выпрямленного сигнала. В качестве примера рассмотрим одну из часто встречающихся схем.
Двухполупериодный выпрямитель, воспроизводящий с большой точностью каждый из двух полупериодов выпрямленного напряжения переменного тока, показан на рис. 10. Благодаря тому, что диоды VD1 и VD2 включены в цепь обратной связи операционного усилителя А1, падение напряжения на них не сказывается на форме выходного напряжения, что позволяет без искажений выпрямлять напряжения, измеряемые единицами милливольт. Все сопротивления, установленные в схеме, имеют одинаковые значения.

При поступлении на схему положительной полуволны выпрямляемого напряжения на выходе появляется напряжение отрицательного знака того же значения, так как при этом открывается диод VD1, и обратная связь осуществляется через резистор R2. Первый каскад работает как инвертирующий усилитель с К и = 1. Поступая во второй каскад на операционном усилителе А2, у которого неинвертирующий вход находится под потенциалом суммирующей точки А1, близким к нулю, зто напряжение инвертируется. На выходе схемы получается напряжение, совпадающее по знаку и по значению со входным.
Когда на схему приходит отрицательная полуволна измеряемого напряжения, режим обратной связи первого каскада изменяется. Диод VD1 закрывается, открывается диод VD2, и обратная свзяь проходит параллельно через R3 и сумму сопротивлений R2 и R4, объединенных в суммирующей точке А2. Коэффициент усиления первого каскада становится равным R3 (R2 +R4)/Ri (R2 +Rз что при одинако
вых значениях этих сопротивлений составляет 2-1/(1+2) = 2/3. Напряжение на выходе А1 имеет положительный знак и равняется 2/3 входного. Режим второго каскада становится другим. Его инвертирующий вход оказывается связанным с суммирующей точкой А1, имеющей потенциал, близкий к нулю, через резисторы R2 и R4. На неинвертирующий вход А2 приходит положительное напряжение с выхода А1. Второй каскад будет работать в этом случае как неинвертирующий усилитель с коэффициентом усиления 1 +Д5/(К2 + R*)- Так как все резисторы одинаковы, то его значение будет равняться 3/2. Коэффициент усиления схемы для положительных входных напряжений получается равным K\j = 2/3-3/2 = 1. Таким образом, схема обеспечивает выпрямление входных сигналов без искажения как положительных, так и отрицательных полуволн.
Интеграторы, выполненные на ОУ, часто применяются в схемах реле защиты. Они используются при осуществлении различных фильтров, а также в элементах, реагирующих на среднее значение поступающего сигнала.
Интегрирование в геометрическом понятии представляет собой измерение площади, заключенной между двумя перпендикулярами, опущенными в начале и конце отрезка сложной кривой, и ограниченной самой кривой и ее проекцией на ось х. Операция интегрирования
записывается в видегде а и b — координаты начала и конца
проекции отрезка кривой на ось х.
Полной электрической аналогией процесса интегрирования является суммирование мгновенных значений переменного напряжения в заданном интервале времени.
Простейший интегратор на операционном усилителе изображен на рис. 11, а. В электротехнике емкость С измеряется как отношение q/U, где q — электрический заряд. Отсюда q = CU. Ток ic через емкость С определяется как изменение заряда q в единицу времени i с — ~dq/dt. Учитывая сказанное выше, получаем ic = C(dU/dt.).
Полагая, что схема интегратора выполнена на идеальном ОУ, мы можем принять, что напряжение в суммирующей точке UD- 0. Так как неинвертирующий вход заземлен, то и потенциал инвертирующего входа можно считать равным нулю. Током, входящим в инвертирующий вход, можно также пренебречь и считать, что токи через сопротивление R и емкость С одинаковы, т.е. /д = ic.

Рис. 11. Интегратор на ОУ:
а — схема интегратора на идеальном ОУ; б — характеристики интегратора при входном сигнале постоянного значения; в — характеристики интегратора при входном периодическом сигнале прямоугольной формы; г — схема интегратора на реальном ОУ

 

На рис. 11, б, в показано, как выглядят выходные сигналы интегратора при подаче на его входы ступенчатого сигнала и колебаний прямоугольной формы.
При выполнении интегратора на серийных ОУ схема рис. 11, а требует некоторых дополнений. Это вызвано тем, что у реального усилителя может наблюдаться некоторый сдвиг выходного напряжения и имеются токи смещения, под действием которых может происходить заряд емкости при отсутствии входного сигнала. Для исключения влияния этих факторов параллельно емкости С включают резистор обратной связи R2 с большим сопротивлением, а неинвертирующий вход соединяют с нулевой шинкой через резистор R3, значение которого равно сопротивлению параллельно соединенных сопротивлений в цепи инвертирующего входа и в цепи обратной связи, т.е. R3= RlR2/(Rl + R2) (рис. 11, г).

Рис. 12. Дифференциатор на ОУ:
а — принципиальная схема; б — характеристики дифференциатора при входном сигнале треугольной формы; б — характеристики дифференциатора при входном сигнале прямоугольной формы
Ключ К нужен для разряда емкости перед повторным включением интегратора.
В схемах интегратора рекомендуется применять ОУ с большим входным сопротивлением, например К544УД1А. Кроме того, должны применяться добротные конденсаторы с очень малыми токами утечки.
Дифференциаторы — это схемы, напряжение на выходе которых пропорционально скорости изменения входного напряжения. Для этой цели они и используются в схемах реле защиты. Применительно к идеальным ОУ дифференциатор может быть представлен схемой, показанной на рис. 12, а. Так как на входе ОУ стоит емкость С, то входной ток такой схемы равен iBX = С (dUBx/dt), при этом на выходе ОУ получается напряжение £/вых =-iBxR =-CR (dUBX/dt). На рис. 12, б показано, какое получается напряжение на выходе дифференциатора при подаче на его вход треугольного сигнала, а на рис. 12, в приведены аналогичные графики для случая подачи на его вход прямоугольного сигнала. Эту схему применяют сравнительно редко из-за низкой помехоустойчивости, трудно поддающейся устранению.
Активные фильтры довольно часто используются в реле защиты. Они представляют собой функциональные элементы, в которых в качестве частотно-избирательных звеньев используют резисторно-конденсаторные ЛС-цепочки, а в качестве активного звена — операционный усилитель. Благодаря наличию ОУ такие фильтры называют активными.
В отличие от них фильтры, содержащие только резисторы, конденсаторы и индуктивности, называют пассивными. По сравнению с последними активные фильтры имеют меньшие габариты и потребление, особенно при работе на частотах ниже 0,5 МГц.
Из других достоинств активных фильтров следует отметить, что они просты в изготовлении и При настройке, не содержат нелинейных элементов в виде индуктивностей, обеспечивают при необходимости усиление выходного сигнала и хорошее согласование с входными и выходными цепями. Они имеют небольшие размеры и массу. К недостаткам активных фильтров можно отнести необходимость источника питания и ограничение диапазона рабочих частот несколькими мегагерцами. В применении к реле защиты эти недостатки существенного значения не имеют.
Активные фильтры могут использоваться как фильтры нижних частот (ФНЧ), фильтры верхних частот (ФВЧ), полосовые (селективные) фильтры (ПФ, СФ) и заграждающие (режекторные) фильтры (ЗФ, РФ), называемые еще фильтрами-пробками. На рис. 13 показаны примерные амплитудно-частотные характеристики (АЧХ) таких фильтров, представляющие собой зависимость выходного напряжения фильтра f/вых от частоты подаваемого входного напряжения.
На каждой из показанных характеристик фильтров могут быть выделены три определенные полосы частот: полоса пропускания а, где выходное напряжение имеет наибольшее значение, полоса запирания или подавления е, где выходное напряжение доходит до минимума, и промежуточная или переходная полоса б. Последняя — это интервал частот, в пределах которого значение выходного напряжения изменяется от максимального до минимального. Чем уже переходная полоса, тем ближе характеристика фильтра к идеальной. Для ФНЧ первой границей полосы пропускания считается частота, при которой выходное напряжение фильтра становится ниже 0,707 его наибольшего значения в полосе пропускания. Эту частоту называют частотой среза /с. Частотой запирания, иногда называемой частотой подавления или частотой ослабления и являющейся второй границей переходной полосы, считается частота flt при которой значение выходного напряжения спадает ниже 0,3 максимального. Для ФВЧ понятия /с и fx аналогичны.
Для полосовых фильтров характерны граничные частоты полосы пропускания /i и /2 и полосы заграждения //и /2′. Заграждающие фильтры характеризуются полосой запирания в интервале частот от Д до /2, в пределах которой выходное напряжение имеет значение ниже 0,707 выходного напряжения за ее пределами. Средней или рабочей частотой полосовых и заграждающих фильтров считается частота /0 = V/1/2.


Рис. 13. Амплитудно-частотные характеристики активных фильтров
Кроме амплитудно-частотных характеристик для анализа работы фильтров строят также фазо-частотные характеристики (ФЧХ), представляющие собой зависимость угла между векторами входного и выходного напряжений от частоты.
При построении АЧХ и ФЧХ фильтров пользуются обычно полулогарифмической шкалой для осей координат. Это позволяет получать данные об изменении напряжений непосредственно в децибелах. В качестве одного из основных параметров служит величина затухания коэффициента усиления фильтра, выраженная в децибелах при изменении частоты относительно /0 в 2 раза (на октаву) или в 10 раз (на декаду).
В настоящее время разработано много различных схем активных частотных фильтров.
Из большого числа таких схем наиболее приемлемыми для использования в реле защиты оказались активные фильтры второго порядка, в которых содержится два /?С-звена. Такой выбор обусловлен тем, что для обеспечения правильной работы реле требуется, чтобы переходные процессы в фильтрах не вызывали заметных задержек в срабатывании реле, когда возникают условия для его действия. Это возможно, если переходные процессы в отдельных контурах имеют одинаковые постоянные времени. При колебательном характере переходного процесса нужно, чтобы частота колебаний была близка к промышленной. Как показали исследования, приемлемый характер переходного процесса легче достигается в фильтрах второго порядка.
В серийных реле защиты, выпускаемых в настоящее время, применяют активные частотные фильтры второго порядка, собранные по схеме с многопетлевой отрицательной обратной связью (МОС).
На рис. 14 представлены соответственно схемы фильтра нижних частот (рис. 14, а) и полосового фильтра (рис. 14, б) с МОС.
Отношение амплитуды выходного напряжения любого фильтра к амплитуде входного напряжения определяется из выражения, отражающего зависимость этого отношения от частоты подаваемого сигнала. Это выражение называют передаточной функцией фильтра. В общем случае передаточная функция активного частотного фильтра второго

Рис. 14. Схемы активных ЛС-фильтров:
а — ФНЧ второго порядка с МОС; б — ПФ второго порядка с МОС
порядка имеет следующий вид:

где s =/ со, Р (s) — уравнения не выше второго порядка, характерные для данного вида фильтра; Ъх и сх — постоянные числа.
В связи со сложностью теории фильтров при дальнейшем изложении все формулы даются без теоретических выкладок.

Фильтр нижних частот показан на рис. 14, а. Действительно, если частота поданного на фильтр сигнала намного меньше /с, то реактивное сопротивление конденсаторов С1 и С2 значительно превышает сопротивление резисторов R1-R3, при зтом коэффициент усиления фильтра практически равен К =—R2/Ri. По мере увеличения частоты реактивное сопротивление С2 падает, вызывая понижение уровня сигнала, поступающего на вход ОУ. Одновременно снижается и коэффициент усиления за счет уменьшения реактивного сопротивления конденсатора С1 в цепи обратной связи ОУ. При увеличении частоты входного сигнала выше /с этот процесс нарастает. Ширина переходной полосы такого фильтра зависит от подбора установленных в нем резисторов и конденсаторов.

По сравнению с приведенным выше общим выражением для передаточной функции фильтра в нее введена постоянная величина — круговая частота среза со с. Коэффициент Ьг и Ci — это постоянные числа, от значения которых зависит форма АЧХ фильтра данного типа. Так, амплитудно-частотная характеристика ФНЧ, имеющая форму, подобную показанной на рис. 13, имеет значение Ьг = у/Т= 1,412214 и сл =1. Такой фильтр относится к фильтрам типа Баттерворта (по фамилии автора, разработавшего теорию этих фильтров). Затухание UByix/ в переходной полосе у описываемого фильтра в 2 раза больше, чем у простейшего ФНЧ, и равно 12 дБ на октаву или 40 дБ на декаду.
В серийных реле фильтры типа Баттерворта применяются редко из-за сравнительно широкой переходной полосы. В них обычно используют фильтры типа Чебышева, являющегося автором теории фильтров этого типа. АЧХ этих фильтров в полосе пропускания имеют чередующиеся подъемы и спады, число которых зависит от порядка фильтра. Их еще называют равноволновыми фильтрами. 
В заключение остановимся на схеме элемента задержки, выполненного на ОУ (рис. 17, а). На вход схемы поступает сигнал с выхода предыдущего каскада, выполненного также на ОУ. В исходном состоянии этот сигнал имеет максимальное отрицательное значение. Диод VD открыт, и на конденсаторе С удерживается такое же напряжение. На верхнем графике рис. 17, б показано изменение падения напряжения на зарядном сопротивлении R2, начиная с момента перемены знака напряжения на выходе предыдущего каскада. Этот момент соответствует началу перезаряда конденсатора С, когда на нем еще удержи-
вается исходное отрицательное напряжение. Перезаряд конденсатора идет с постоянной времени, определяемой произведением R2C. Когда напряжение на конденсаторе перейдет через нулевое значение, знак дифференциального сигнала на входе ОУ изменится, и его выходное напряжение скачком приобретет максимальное положительное значение, что соответствует срабатыванию элемента задержки. Так как это действие происходит на линейной части характеристики перезаряда конденсатора С, разброс во времени срабатывания элемента получается очень небольшим и этим обеспечивается высокая точность его работы. Сопротивление резистора R1 берется небольшим, так как он служит только для ограничения тока разряда конденсатора, не вызывая заметного увеличения времени возврата элемента.
Отметим, что описанные схемы охватывают только наиболее часто встречающиеся варианты использования типовых схем применения ОУ в реле защиты.
С учетом рассмотренных схем можно облегчить себе восприятие других схем, не попавших в данную книгу. Более подробно схемы с ОУ, используемые в релейной защите, рассматриваются в [5, 7 и 8].

8.4.    Применение операционных усилителей | Электротехника

Операционный усилитель является базовым элементом устройств аналоговой обработки сигналов и применяется в самых разнообразных схемах. На основе операционных усилителей (ОУ) создаются схемы, предназначенные для выполнения математических операций над входными сигналами (сложения, вычитания, интегрирования, выделения модуля функции и т.п.). Такие схемы находят широкое применение в устройствах автоматического управления. Наиболее распространенными являются суммирующие и интегрирующие схемы на ОУ, а также ряд схем, в которых ОУ используются в нелинейном режиме (мультивибратор, одновибратор, генератор линейно изменяющегося напряжения и т.д.).

Главным недостатком ОУ является нестабильность коэффициента усиления, который в полупроводниковых усилителях очень сильно зависит от режима работы, в первую очередь от температуры, и меняется от экземпляра к экземпляру в очень широких пределах. Кроме того, линейный участок  АЧХ ограничен весьма малыми значениями входных напряжений. Поэтому ОУ  используются  с цепями обратной связи.

Основными схемами на ОУ являются инвертирующий и неинвертирующий усилители, режим работы которых осуществляется в пределах линейного участка передаточной характеристики. Любое схемотехническое решение с применением ОУ содержит одно из таких включений. Также весьма важны схемы компенсации напряжения сдвига

При анализе схем на ОУ обычно принимают следующие упрощающие предположения

· коэффициент усиления стремится к бесконечности;

· входы ОУ не потребляют тока;

· входное сопротивление стремиться к бесконечности;

· напряжение между входами равно нулю.

Неинвертирующий усилитель на ОУ

В неинвертирующем усилителе (рис. 8.10) коэффициент усиления всей схемы по напряжению может быть жестко задан с помощью сопротивлений R1 и Rос. В данной схеме входной сигнал подается на неинвертирующий вход ОУ. Усилитель содержит последовательную отрицательную обратную связь по напряжению, создаваемую на резисторе Rос и поданную на инвертирующий вход. Схема обладает высоким полным входным сопротивлением.

Выражение для коэффициента усиления этой схемы можно получить, используя условие равенства напряжений на входах ОУ и считая ОУ идеальным. Тогда

,

отсюда коэффициент усиления схемы равен:

.

Повторитель напряжения

Если в неинвертирующем усилителе положить Rвх равным бесконечности (Rвх = ∞), а Rо равным нулю         (Rо = 0), то мы придём к схеме, изображённой на рис. 8.11.

Согласно принятым допущениям, напряжение на инвертирующем входе ОУ должно равняться входному напряжению (Uвх). Но, с другой стороны, неинвертирующий вход соединен с выходом схемы. Следовательно, Uвых = Uвх, то есть выходное напряжение повторяет входное напряжение.

Такая схема повторителя напряжения используется в качестве усилителя с большим значением входного сопротивления, обеспечивая развязку предыдущего каскада от нагрузочного влияния следующих за ним каскадов.

Инвертирующий усилитель

В инвертирующем усилителе (рис. 8.12) входной и выходной сигналы сдвинуты по фазе на 180°. Изменение знака выходного сигнала относительно входного создается введением по инвертирующему входу ОУ с помощью резистора Rос параллельной обратной связи по напряжению. Неинвертирующий вход связан с общей точкой (заземляется). Входной сигнал подается через резистор R1 на инвертирующий вход ОУ.

Так как неинвертирующий вход ОУ заземлен и разность напряжений между входами U0 = 0, то инвертирующий вход тоже имеет нулевой потенциал относительно земли. Поэтому Iвх = Uвх / R1. Так как входы ОУ не потр

Операционный усилитель. Примеры схем с описанием работы ч. 3

▌Антилогарифический усилитель

Если переставить диод в логарифмическом усилителе, то получим антилогарифмический, с экспоненциальным усилением. Работает точно также, ток, ничем не ограниченный, течет в виртуальное заземление, увеличиваясь примерно по экспоненте, как это принято у pn перехода. Ну, а поскольку это тот же ток, что течет в ООС, то помноженный на сопротивление резистора он даст нам выходное напряжение увеличивающееся по экспоненте. Все просто :))) Правда вместо диода лучше использовать транзистор. Используя его БЭ переход в качестве диодного pn перехода, а база при этом заземляется. У него характеристика лучше. Или, вообще специализированные усилители с готовой характеристикой.

Зачем такой усилок нужен? Ну у меня не нашлось идей для чего его можно применить отдельно, но вот в сочетании с логарифмическим он вполне может использоваться для умножения и деления аналоговых сигналов.

▌Умножитель и делитель
Как упростить умножение? Заменить его сложением логарифмов. Ln(A*B) = Ln(A) + Ln(B). А деление это, соответственно Ln(A/B) = Ln(A)-Ln(B). Проще некуда, лол. Но так на самом деле выходит сильно проще 🙂 Т.е. если нам надо помножить два аналоговых сигнала, то мы сначала прогоняем их через логарифмирующие усилители, потом загоняем в сумматор с коэффициентом усиления 1, а дальше прогоном через антилогарифмический усилитель достаем из под логарифма.

Правда тут есть нюанс, как в том анекдоте. Попасть в чисто логарифмическую характеристику на диоде или транзисторе можно с оооочень большой натяжкой. А тут это критически важно. Так что вот так вот, на рассыпухе, собрать схему умножения на логарифмах/антилогарифмах задачка нетривиальная. Ее все время будет выносить черт знает куда. Про то, что надо будет скорректировать все смещения и перекосы самих усилителей я и не говорю. Поэтому я даже схему приводить не буду. Из описания и так понятно, если уж сильно заинтересует кого.

Для таких задач есть специальные микросхемы, вроде AD633 (умножитель) или AD734 (умножитель/делитель), тысячи их.

▌Суммирующие и комбинированные схемы
За что я люблю ОУ так это за то, что тут можно на одном ОУ склепать сразу несколько узлов одновременно. Интегратор, плюс сумматор и сверху еще усилителем обмазать… Помните, может быть, схему аналогового реобаса.

Там на одном ОУ я брал значение с термостабилитрона, вычитал из него опорное напряжение смещения, а результат еще и домножал на коэффициент, чтобы смасштабировать — #3. На двух ОУ сделал генератор пилы (меандр плюс интегратор) — #1 И еще из одного ОУ получился компаратор, который из пилы и постоянки сделал мне ШИМ — #2.

Точно также можно комбинировать, усиливающие интегрирующие и дифференцирующие схемы.

Вот, например, суммирующий усилитель:

Ток от входных напряжений течет в виртуальное КЗ через входные резисторы согласно их номиналам, просто по закону Ома. А в итоге все токи суммируется в узле и утекают в цепь ООС через резистор Roc — это суммирующая часть.

Дальше все домножается на сопротивление Roc — это уже усиливающая часть. Если все элементы взять одинаковые, скажем по 10кОм, то получим простой сумматор. Если резистор Roc взять вдвое больше, то результат суммирования умножится на два (опять же по закону Ома, ток то в ООС прежним останется). Если менять входные резисторы, то можно каждое слагаемое еще и на коэффициент домножить. В результате мы на одном элементе делаем и масштабирование входных сигналов и масштабирование выходных. Красота же!

А еще можно засунуть сумматор, например, в интегратор, а чего нет то? Получим суммирующий интегратор.

В соответствии с током через конденсатор, который вычисляется как I = C(dU/dt), суммарный ток даст нам с учетом сопротивления резисторов:

-C*dUвых/dt = (U1/R1)+(U2/R2)+…+(Un/Rn)

Если резисторы одинаковые, то на выходе будет -1/RC * ∫ (U1+U2+..+Un) dt.

Добавив вторую ветвь, можно сделать разностный интегратор:

Если считать, что резисторы равны, то:

Uвых = 1/RC ∫(U2-U1)dt

Или можно сунуть интегратору в ОС резистор и тогда к нему добавится еще и коэффициент усиления.

Он именно что добавится, то есть не результат интеграции умножится на коэффициент усиления, а к результату интеграции прибавится еще и функция обычного усиления. Т.к. результирующее напряжение теперь поделится на напряжение конденсатора (интегрирующая часть) и напряжение падения на резисторе (пропорциональная часть). На скорость зарядки конденсатора это не повлияет никак, т.к. ток в ОС зависит только от входного напряжения и входного резистора, а там ток течет в виртуальное КЗ. Ну вы поняли 😉

Uвых = -(Roc/R)*Uвх-(1/RC) ∫ Uвх dt

С дифференциатором та же история. Можно сделать суммирующий дифференциатор, добавив конденсаторов в параллель. Или добавить коэффициент усиления в сумму, поставив резистор параллельно конденсатору. Схема разностного дифференциатора аналогична интегратору.

Продолжение следует…

Операционный усилитель схемы включения

Усилители, позволяющие выполнять операции суммирования, интегрирования, дифференцирования и логарифмирования, представляют основу аналоговых вычислительных машин. Используемые обычно для этих целей усилители постоянного тока, помимо малого дрейфа, должны иметь большой коэффициент усиления и допускать охват их глубокой обратной связью без нарушения устойчивости.

ОУ – это усилители постоянного тока с дифференциальным входом, обладающие весьма большим коэффициентом усиления (до 100 дБ), широкой полосой пропускания (от постоянного тока до 100 МГц), высоким (до 100 МГц) входным и низким (десятки Ом) выходным сопротивлениями.

Основные параметры операционных усилителей

1. К – собственный коэффициент усиления ОУ ( без обратной связи).

2. Uсдв – Выходное напряжение сдвига. Небольшое напряжение, возникающее из-за несимметрии плеч ОУ при нулевом напряжении на обоих входах. Обычно Uсдв имеет значение 10 – 100 мВ.

3. Iсм – Входной ток смещения. Ток на входах усилителя, необходимый для работы входного каскада операционного усилителя.

4. Iсдв – Входной ток сдвига. Разность токов смещения появляется вследствие неточного согласования входных транзисторов. сдв см1 см2 I = II .

5. Rвх – Входное сопротивление. Как правило, Rвх имеет значение до 1-10мегаом.

6. Rвых – Выходное сопротивление. Обычно Rвых не превосходит сотен Ом.

7. Косс – Коэффициент ослабления синфазного сигнала. Характеризует способность ослаблять сигналы, приложенные к обоим входам одновременно.

8. Ток потребления. Ток покоя, потребляемый операционным усилителем.

9. Потребляемая мощность. Мощность, рассеиваемая операционным усилителем.

10.Максимальная скорость нарастания выходного напряжения (В/мкс) .

11. U пит. – Напряжение питания.

12.Переходная характеристика. Сигнал на выходе усилителя при подаче на его вход скачка напряжения.

Основные схемы включения ОУ.

В инвертирующем усилителе (рис.3.18.), входной и выходной сигналы сдвинуты по фазе на 180º. Если Uвх, положительное то напряжение в точке А, а значит и Uд , также станет положительным, а Uвых уменьшится, что приведет к уменьшению на инвертирующем входе до величины Uд =Uвых / К ≈ 0. Точку А часто называют виртуальной землей, потому, что ее потенциал почти равен потенциалу земли, так как Uд, как правило, весьма мало.

Коэффициент усиления с обратной связью рассматриваемой схемы равен Кос.

Выходное напряжение инвертировано, о чем говорит и отрицательное значение Кос.

Так как, благодаря обратной связи, в точке А сохраняется приблизительно нулевой потенциал, входное сопротивление схемы инвертирующего усилителя равно R1.. Сопротивление R1 должно быть выбрано так, чтобы не нагружать источник входного сигнала, и, естественно, Rос должно быть достаточно большим, чтобы чрезмерно не нагружать операционный усилитель.

Неинвертирующий усилитель может быть также реализован на ОУ с высоким входным сопротивлением, коэффициент усиления которого по напряжению также может быть задан с помощью сопротивлений R1 и Rос.

В схеме повторителя напряжения на ОУ Uвых обратная связь поступает с выхода усилителя на инвертирующий вход. Так как усиливается разность напряжения на входах ОУ – Uд, то можно увидеть, что напряжение на выходе усилителя Uвых = Uд · К.

Входное напряжение связано с землей только через входное сопротивление усилителя, которое очень велико, поэтому повторитель может служить хорошим согласующим каскадом.

Усилитель с дифференциальным входом имеет два входа, причем инвертирующий и неинвертирующий входы находятся под одинаковым напряжением, в данном случае равным Uос, так как разность напряжений между инвертирующим и неинвертирующим входами очень мала (обычно меньше 1мВ),.Если задать U1 равным нулю и подать входной сигнал по входу U2, то усилитель будет действовать как неинвертирующий усилитель, у которого входное напряжение снимается с делителя, образованного резисторами R2 и R΄ос. Если оба напряжения U1 и U2 подаются на соответствующие входы одновременно, то сигнал на инвертирующем входе вызовет такое изменение выходного напряжения, что напряжение в точке соединения резисторов R1 и Rос станет равным Uос. Полярность выходного напряжения определяется большим из напряжений U1 и U2. Очевидно, что если U2 на рис.3.21 равно нулю, то усилитель будет действовать по отношению к U1 как инвертирующий усилитель.

Идеальный ОУ отрабатывает изменения только дифференциального входного сигнала и не реагирует на изменения синфазного напряжения. В реальных же ОУ изменение синфазного входного напряжения вызывает изменение (правда, весьма незначительное) выходного напряжения. Способность ОУ отличать дифференциальный входной сигнал от изменений синфазного напряжения является одной из его важнейших характеристик. Количественно эта способность называется коэффициентом ослабления синфазных входных напряжений, равным отношению коэффициента усиления ОУ к его коэффициенту усиления синфазных входных напряжений.

Коэффициент усиления напряжения ОУ определяют как отношение приращения выходного напряжения к вызвавшему это приращение значению входного напряжения. Частота входного сигнала, при которой уменьшается на 3 дБ (1,4 раза) по сравнению с его значением на низших частотах, определяет верхнюю границу полосы пропускания усилителя.

Отношение приращения входного напряжения к приращению активной составляющей входного тока на заданной частоте сигнала называют входным сопротивлением. Это сопротивление следует отличать от входного сопротивления ОУ для синфазных входных напряжений, которое определяется как отношение приращения синфазных входных напряжений к приращению активной составляющей среднего входного тока на заданной частоте сигнала.

Важнейшим выходным параметром ОУ является максимальное выходное напряжение: наибольшее неискаженное напряжение при определенном входном напряжения и заданном сопротивлении нагрузки. Для некоторых типов ОУ это напряжение может быть различным для положительной и отрицательной полярности сигнала.

Использование усилительных операций для реализации вычислительного алгоритма

Рисунок 1.1 – Схема дифференциального усилителя

Стандартная схема ДУ на ОУ представлена на рис. 1.1. Нетрудно увидеть, что в отличие от рассмотренных ранее усилителей в схеме рис. 1.1 усиливаемый сигнал подается на дифференциальный вход ОУ. Предположим, что на вход подается ДУ только полезный сигнал, который может быть представлен в виде разности двух источников напряжения U1 – U2 = E, включенных по схеме с общей точкой. Как известно из теории работы ОУ, для них справедливо правило виртуального нуля, то есть потенциалы инвертирующего и неинвертирующего входов можно считать одинаковыми (Uд = 0). Исходя из схемы включения, оба входа будут находиться под напряжением U. Применив метод суперпозиции, рассмотрим две конфигурации схемы. В схеме на рис. 1.2 U2 = 0 и схема превращается в стандартный инвертирующий усилитель.

Рисунок 1.2

Так как входными токами ОУ можно пренебречь, через резисторы R2 и R4 токи не протекают, а значит напряжение U = 0. В этом случае напряжение на выходе:

В схеме на рис. 1.3 U1 = 0 и конфигурация схемы соответствует неинвертирующему усилителю, входным напряжением которого является U, подаваемое на вход с делителя R2 – R4. Напряжение на выходе:

Если подать напряжение на оба входа одновременно, то в соответствии с теорией работы ОУ, напряжение на инвертирующем входе всегда будет поддерживаться на уровне U.

Рисунок 1.3

Приняв входное сопротивление ОУ равным бесконечности, можно записать

В то же время справедливо соотношение:

Преобразуем данное выражение и получим:

Как следует из полученного выражения , выходное напряжение представляет собой алгебраическую сумму напряжений, полученных на выходах неинвертирующего и инвертирующего усилителей при заземлении соответствующих входов ДУ. Если в полученное выражение подставить значение для U, то получим:

Если в данной схеме выполнить равенство R1 = R2, R3 = R4, то получим:

Можно считать это соотношение основным, связывающим выходное и входное напряжения дифференциального усилителя, то есть:

где Е0 = (U2 – U1) – входное дифференциальное напряжение ДУ; – коэффициент усиления ДУ. Следует помнить, что на вход ДУ подается дифференциальное напряжение, то есть это может быть сигнал от изолированного источника, не связанного с «землей». На выходе ДУ получается униполярный сигнал, снимаемый относительно «земли». Причем полярность выходного напряжения определяется большим из U1 и U2, то есть, фактически, полярностью входного напряжения. Выбор сопротивлений в схеме ДУ производится исходя из тех же соображений, что и для инвертирующего и неинвертирующего усилителей. С учетом того, что инвертирующий и неинвертирующий входы ОУ потенциально объединены, входное сопротивление ДУ может считаться равным RВХ = R1 + R2.

Генераторы гармонических колебаний

Генератор (производитель) гармонических колебаний представляет собой усилитель с положительной обратной связью. Усилитель с отрицательной обратной связью является дискриминатором(подавителем,активным фильтром). Усилитель генератора может быть как однокаскадным, так и многокаскадным.

Цепи положительной обратной связи выполняют две функции: сдвиг сигнала по фазе для получения петлевого сдвига близкого к n*2π и фильтра, пропускающего нужную частоту. Функции сдвига фазы и фильтра могут быть распределены на две составные части генератора — на усилитель и на цепи положительной обратной связи или целиком возложены на цепи положительной обратной связи. В цепи положительной обратной связи могут стоять усилители.

Необходимыми условиями для возникновения гармонических незатухающих колебаний являются: 1. петлевой сдвиг фазы равный n*360°±90°, 2. петлевое усиление >1, 3. рабочая точка усилительного каскада в середине диапазона входных значений. Необходимость третьего условия. Петлевой сдвиг фазы и в триггере и в генераторе равен около 360°. Петлевое усиление в триггере почти вдвое больше, чем в генераторе, но триггер не генерирует, так как рабочие точки каскадов в триггере смещены на края диапазона входных значений и эти состояния в триггере устойчивы, а состояние со средней величиной входных значений — неустойчиво. Такой характеристикой обладает компаратор. В гармоническом генераторе среднее состояние устойчивое, а отклонения от среднего состояния неустойчивые.

Блог о электронике

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

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

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

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

Напряжение на выходе в таком случае обсчитывается как:

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

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

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

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

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

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

Что получим? А ничего интересного, процесс пойдет по следующей цепочке событий.

В общем, выход мгновенно свалится в бесконечные минуса, а в реале ляжет на шину отрицательного питания и усе. Поэтому такое включение применяется крайне редко. Например в триггере Шмитта для обеспечения гистерезиса.

Триггер Шмитта
Представим себе компаратор включенный по такой вот схеме и запитанный от +/- 15 вольт:

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

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

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

Считаем, что на инверсном входе в этот момент +10 вольт. На выходе с ОУ минус 15 вольт. На прямом входе уже не ноль, а небольшая часть выходного напряжения с делителя. Примерно -1.4 вольта Теперь, пока напряжение на инверсном входе не снизится ниже -1.4 вольта выход ОУ не сменит своего напряжения. А как только напряжение станет ниже -1.4, то выход ОУ резко перебросится в +15 и на прямом входе будет уже смещение в +1. 4 вольта.

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

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

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

Отрицательная обратная связь
Окей, воткнем по другому:

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

Повторитель
И получился у нас повторитель. Т.е. на входе U1, на инверсном входе Uout = U1. Ну и получается, что Uout = U1.

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

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

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

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

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

Теперь будет U1 на прямом. На инверсном Uout/2 = U1 или Uout = 2*U1.

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

Мнемонически запоминается что на что делится очень просто:

Таким образом, можно очень легко умножать аналоговые значения на числа больше 1. А как быть с числами меньше единицы?

Инвертирующий усилитель
Тут поможет только инверсный усилитель. Разница лишь в том, что мы берем и прямой вход коротим на землю.

При этом получается, что входной сигнал идет по цепи резисторов R2, R1 в Uout. При этом прямой вход усилителя засажен на нуль. Вспоминаем повадки ОУ — он постарается любыми правдами и неправдами сделать так, чтобы на его инверсном входе образовалось напряжение равное прямому входу. Т.е. нуль. Единственный вариант это сделать — опустить выходное напряжение ниже нуля настолько, чтобы в точке 1 возник нуль.

Итак. Представим, что Uout=0. Пока равно нулю. А напряжение на входе, например, 10 вольт относительно Uout. Делитель из R1 и R2 поделит его пополам. Таким образом, в точке 1 пять вольт.

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

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

Ну и мнемоническая картинка для быстрого запоминания ху из ху.

Вычитающая схема
Однако никто же не мешает подать на прямой вход не ноль, а любое другое напряжение. И тогда усилитель будет пытаться приравнять свой инверсный вход уже к нему. Получается вычитающая схема:

Допустим U2 и U1 будет по 10 вольт. Тогда на 2й точке будет 5 вольт. А выход должен будет стать таким, чтобы на 1й точке стало тоже 5 вольт. То есть нулем. Вот и получается, что 10 вольт минус 10 вольт равняется нуль. Все верно 🙂

Если U1 станет 20 вольт, то выход должен будет опуститься до -10 вольт.
Сами посчитайте — разница между U1 и Uout станет 30 вольт. Ток через резистор R4 будет при этом (U1-Uout)/(R3+R4) = 30/20000 = 0.0015А, а падение напряжения на резисторе R4 составит R4*I4 = 10000*0.0015 = 15 вольт. Вычтем падение в 15 вольт из входных 20 и получим 5 вольт.

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

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

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

Если же вводные резисторы (R4 и R5) равны друг другу. И резистор обратной связи и резистор на землю (R3 и R6) тоже равны друг другу. То формула упрощается до

Таким образом, на одном усилке можно два сигнала сначала вычесть, а потом умножить на константу. Этим, кстати, я воспользовался в схеме реобаса, чтобы привести милливольтный сигнал с датчика температуры к вменяемому виду.

Раз можно вычитать, то можно и суммировать

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

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

Резисторы на входе (R1, R2) определяют величину тока, а значит общий вес входящего сигнала. Если сделать все резисторы равными, как у меня, то вес будет одинаковым, а коэффициент умножения каждого слагаемого будет равен 1. И Uout = -1(U1+U2)

Сумматор неинвертирующий
Тут все чуток посложней, но похоже.

Причем резисторы в обратной связи должны быть такими, чтобы соблюдалось уравнение R3/R4 = K1+K2

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

Продолжение следует, когда-нибудь 🙂

191 thoughts on “Операционный усилитель”

> с двумя входами. Невье… гхм… большим
А не лучше ли запятую вместо точки?
> Поэтому такое включение не применяется. ОУ сконструирован для отрицательной обратной связи.
Ну ПОС тоже применяют, получая триггер Шмитта. В том же реобасе используется. Так что можно было и его описать)

О, точняк. Про него я чето запамятовал.

Моар спеллчека.
> Например в Триггере Шмидта
1) «Триггер» с малой буквы
2) Согласно вики — таки Шмитта.

Да ну? Я иначе как Шмидт его ни разу не видел.

Шмидт и Шмитт это разные люди 🙂
Один летчиком был, именем другого триггер назван.
Шмидт — это который лейтинант («Дети лейтинанта Шмидта» все помнят),
а триггер он Шмитта.

Неплохо бы написать мануал по выбору усилка. А то их всяких разных уж больно много развелось…

А что там много параметров? Для повседневных нужд тока частота, питающее напряжение, райл2райл или нет. КОрпус еще. Ну а для прецезионных затрахов там свои приколы и я их сам не знаю. Т.к. с аналоговой точной техникой дело имел мало да и не нужно оно особо в быту.

ещё полоса пропускания для переменных сигналов.
в своё время для космических систем в одном месте не нашлось ничего лучше, чем 744уд2 именно по этому параметру, так до сих пор и живём )

Стоило бы чуть-чуть коснуться практики применения ОУ с однополярным питанием (подозреваю что начинающим будет трудновато адаптировать твои рассуждения самостоятельно).
Ещё: привести вариант какой-нить простой схемы (например, http://easyelectronics.ru/img/starters/OPAMPS/5_noinvert.GIF), но добавить конденсатор с намёком что по переменному току сопротивление цепочки будет другое (более того, будет меняться с изменением частоты), а значит можно строить усилители с нелинейной АЧХ.
Ну, и grammar nazi тут подсказывает что «буфер» пришеццо с одной «ф». Тебе прям по всем статьям надо пройтись поиском-заменой, а то режет очень 🙂

Во, как справочник самое то! А то иногда приходится выводить эти формулы по ходу составления схемы, отвлекаясь от обдумывания более важных вещей. Давно хотел себе оформить это в виде листа, прилепленного на стенку 🙂

Я как справочник юзаю статью из Википедии (Применение операционных усилителей). Там базовые схемы и формулы есть.

Да, про вики я забыл. Там иногда тоже нужные вещи пишут

Обратная связь это когда сигнал с выхода поступает опять на вход, но не наоборот!

Странно как…
Столько картинок и ни одного канализационно-водопроводного аналога… 🙂

А если серьёзно — правильно делаешь, что пишешь про аналог. Хоть миром и правит цифрровая электроника, но без аналога у неё будут большие проблемы в «общении» с этим самым миром.

Еще я что-то не заметил (может плохо смотрел) схемы для измерения тока (падение на шунтирующем резисторе) или хотя-бы её описания.

З.Ы. Есть у меня хорошая (на мой взгляд) книжка — «Что нужно знать цифровому разработчику об аналоговой электронике» (авт. Бонни Бэйкер). Довольно хорошо написана (правда местами скучно..). Посмотри на досуге — может добавишь в раздел «книги».

Да будет продолжение где наброшу практики. Вроде того же виртуального нуля, способов питания, ограничений всяких. Применение и так далее.

Книга, кстати, очень удобная. Мне ее подарили на TI Technology day. Просто, доступно, с примерами.

>>Если мы сигнал возьмем со входа и отправим прямиком на выход, то возникнет обратная связь.
Перепутал местами.

>>Uout = -1(R3*U1/R9 + R3*U2/R8)
Индексы не соответствуют картинке!

Практическое применение операционных усилителей.Часть первая.

Всем привет.
В этой статье мы обсудим некоторые аспекты практического применения операционных усилителей в повседневной жизни радиолюбителя.
Не растекаясь мыслею по древу и не вдаваясь в дремучие теоретические основы работы вышеозначенного усилителя, давайте все же обозначим некоторые основные термины и понятия, с которыми нам предстоит столкнуться в дальнейшем.
Итак – операционный усилитель. Далее будем называть его ОУ, а то очень лень писать каждый раз полностью.
На принципиальных схемах, чаще всего, он обозначается следующим образом:

На рисунке обозначены три самых главных вывода ОУ – два входа и выход. Разумеется, есть еще выводы питания и иногда выводы частотной коррекции, хотя последнее встречается все реже – у большинства современных ОУ она встроенная. Два входа ОУ – Инвертирующий и Неинвертирующий названы так по присущим им свойствам. Если подать сигнал на Инвертирующий вход, то на выходе мы получим инвертированный сигнал, то бишь сдвинутый по фазе на 180 градусов – зеркальный; если же подать сигнал на Неинвертирующий вход, то на выходе мы получим фазово не измененный сигнал.

Так же как и основных выводов, основных свойств ОУ тоже три – можно назвать их ТриО (или ООО – кому как нравится): Очень высокое сопротивление входа, Очень высокий коэффициент усиления (10000 и более), Очень низкое сопротивление выхода. Еще один очень важный параметр ОУ называется скорость нарастания напряжения на выходе (slew rate на буржуинском). Обозначает он фактически быстродействие данного ОУ – как быстро он сможет изменить напряжение на выходе при изменение оного на входе.
Измеряется этот параметр в вольтах в секунду (В/сек).
Этот параметр важен прежде всего для товарищей, конструирующих УЗЧ, поскольку, если ОУ недостаточно быстрый, то он не будет успевать за входным напряжением на высоких частотах и возникнут изрядные нелинейные искажения. У большинства современных ОУ общего назначения скорость нарастания сигнала от 10В/мксек и выше. У быстродействующих ОУ этот параметр может достигать значения 1000В/мксек.
Оценить – подходит ли тот или иной ОУ для ваших целей по скорости нарастания сигнала можно по формуле:

где, fmax – частота синусоидального сигнала, Vmax – скорость нарастания сигнала, Uвых – максимальное выходное напряжение.
Ну да не будем больше тянуть кота за хвост – приступим к главной задаче этого опуса – куда, собственно, эти клевые штуки можно воткнуть и что из этого можно получить.

Первая схема включения ОУ – инвертирующий усилитель.

Наиболее популярная и часто встречающаяся схема усилителя на ОУ. Входной сигнал подается на инвертирующий вход, а неинвертирующий вход подключается к общему проводу.
Коэффициент усиления определяется соотношением резисторов R1 и R2 и считается по формуле:

Почему «минус»? Потому что, как мы помним, в инвертирующем усилителе фаза выходного сигнала «зеркальна» фазе входного.
Входное сопротивление определяется резистором R1. Ежели его сопротивление, например 100кОм, то и входное сопротивление усилителя будет 100кОм.

Следующая схема – инвертирующий усилитель с повышенным входным сопротивлением.
Предыдущая схема всем хороша, за исключением одного нюанса – соотношение входного сопротивления и коэффициента усиления может не подойти для реализации какого-либо специфического проекта. Ведь что получается – допустим, нам нужен усилитель с К=100. Тогда, исходя из того, что значения резисторов должны быть в разумных пределах берем R2=1Мом, а R1=10кОм. То есть, входное сопротивление усилителя будет равным 10 кОм, что в некоторых случаях недостаточно.
В этих самых случая можно применить следующую схему:

В данном случае, коэффициент усиления считается по следующей формуле:

То есть, при том же коэффициенте усиление сопротивление R1 можно увеличить, а значит и повысить входное сопротивление усилителя.

Едем дальше – неинвертирующий усилитель.
Выглядит он следующим образом:

Коэффициент усиления определяется так:

В данном случае, как видите, никаких минусов нет – фаза сигнала на входе и на выходе совпадает.
Основное отличие от инвертирующего усилителя заключается в повышенном входном сопротивлении, которое может достигать 10Мом и выше.
Если при реализации данной схемы в практических конструкциях, необходимо предусмотреть развязку с предыдущими каскадами по постоянному току – установить разделительный конденсатор, то нужно между входом ОУ и общим проводом включить резистор сопротивлением около 100кОм, как показано на рисунке.

Если этого не сделать, то ОУ перевозбудится и ничего дельного вы от него не получите. Ну кроме половины питания на выходе.

Усилитель с изменяемым коэффициентом усиления.

Примем R1=R2=R3=R. И введем некую переменную А, которая может принимать значения от 1 до 0 в зависимости от поворота движка переменного резистора R3.
Тогда коэффициент усиления можно определить так:
K=2A-1
Входное сопротивление практически не зависит от положения движка переменного резистора.
Так, с усилителями разобрались – дальше у нас по плану – фильтры.

10 схем на (почти) все случаи жизни

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

Введение


В рамках данной статьи будет рассмотрено десять широко используемых схем на операционных усилителя. При написании данной статьи я исходил из того, что читатель знает, что такое операционный усилитель и хотя бы в общих чертах представляет, как он работает. Также предполагается, что ему известны базовые вещи теории электрических цепей, такие как закон Ома или расчет делителя напряжения.
Не следует воспринимать эту статью как законченное руководство по применению операционных усилителей в любых ситуациях. Для большого количества задач, действительно, этих схем может быть достаточно, однако в сложных проектах всегда может потребоваться что-то нестандартное.

1. Неинвертирующий усилитель


Неинвертирующий усилитель – наверное, наиболее часто встречающаяся схема включения операционного усилителя, она приведена на рисунке ниже.
В этой схеме усиливаемый сигнал подается на неинвертирующий вход операционного усилителя, а сигнал с выхода через делитель напряжения попадает на инвертирующий вход.
Расчет этой схемы прост, он строится исходя из того, что операционный усилитель, охваченный петлей обратной связи, отрабатывает входное воздействие таким образом, чтобы напряжение на инвертирующем входе было равно напряжению на неинвертирующем:


Из этой формулы легко получается коэффициент усиления неинвертирующего усилителя:


Рассчитаем и промоделируем неинвертирующий усилитель со следующими параметрами:
  • Операционный усилитель LT1803
  • Коэффициент усиления
  • Частота входного сигнала
  • Амплитуда входного сигнала
  • Постоянна составляющая входного сигнала

Выберем из ряда Е96 и . Тогда коэффициент усиления будет равен


Результат моделирования данной схемы приведен на рисунке (картинка кликабельна):
Давайте теперь рассмотрим граничные случаи этого усилителя. Допустим, величина сопротивления резистора . При этом мы получим, что коэффициент усиления будет стремиться к бесконечности. На самом деле, конечно, это хоть и очень большая, но все-таки конечная величина, она обычно приводится в документации на микросхему конкретного операционного усилителя. С другой стороны, величина выходного напряжения реального операционного усилителя даже при бесконечно большом коэффициенте усиления не может быть бесконечно большой: она ограничена напряжением питания микросхемы. На практике она зачастую даже несколько меньше, за исключением некоторых типов усилителей, которые отмечены как rail-to-rail. Но в любом случае не рекомендуется загонять операционные усилители в предельные состояния: это приводит к насыщению их внутренних выходных каскадов, нелинейным искажениям и перегрузкам микросхемы. Поэтому данный предельный случай не несет какой-то практической пользы.
Гораздо больший интерес представляет собой другой предельный случай, когда величина сопротивления . Его мы рассмотрим в следующем разделе.

2. Повторитель


Как уже говорилось ранее, включение операционного усилителя по схеме повторителя – это предельный случай неинвертирующего усилителя, когда один из резисторов имеет нулевое сопротивление. Схема повторителя приведена на рисунке ниже.
Как видно из формулы, приведенной в прошлом разделе, коэффициент передачи для повторителя равен единице, то есть выходной сигнал в точности повторяет входной. Зачем же вообще нужен операционный усилитель в таком случае? Он выступает в роли буфера, обладая высоким входным сопротивлением и маленьким выходным. Когда это бывает нужно? Допустим, мы имеем какой-то источник сигнала с большим выходным сопротивлением и хотим этот сигнал без искажения передать на относительно низкоомную разгрузку. Если мы это сделаем напрямую, без каких бы то ни было буферов, то неизбежно потеряем какую-то часть сигнала. Убедимся в этом с помощью моделирования схемы со следующими основными параметрами:
  • Выходное сопротивление источника сигнала 10 кОм
  • Сопротивление нагрузки 1 кОм
  • Частота входного сигнала
  • Амплитуда входного сигнала
  • Постоянна составляющая входного сигнала

Моделирования будем проводить для двух случаев: в первом случае пусть источник сигнала работает на нагрузку через повторитель, а во втором случае — напрямую.
Результаты моделирования приведены на рисунке ниже (картинка кликабельна): на верхней осциллограмме выходной и входной сигналы в точности совпадают друг с другом, тогда как на нижней сигнал на выходе в несколько раз меньше по амплитуде относительно сигнала на входе.
Вместо повторителя на операционном усилителе можно также использовать и эмиттерный повторитель на транзисторе, не забывая, однако, про присущие ему ограничения.

3. Инвертирующий усилитель (классическая схема)


В схеме инвертирующего усилителя входной сигнал подается на инвертирующий вывод микросхемы, на него же заведена и обратная связь. Неинвертирующий вход при этом подключается к земле (иногда к источнику смещения). Типовая схема инвертирующего усилителя приведена на рисунке ниже.
Для входной цепи инвертирующего усилителя можно записать следующее выражение:


Где — напряжение на инвертирующем входе операционного усилителя.
Поскольку операционный усилитель, охваченный петлей обратной связи, стремится выровнять напряжения на своих входах, то , и при заземленном неинвертирующем входе получаем


Отсюда коэффициент усиления инвертирующего усилителя равен


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

Для примера рассчитаем инвертирующий усилитель со следующими параметрами:
  • Операционный усилитель LT1803
  • Коэффициент усиления
  • Частота входного сигнала
  • Амплитуда входного сигнала
  • Постоянна составляющая входного сигнала

В качестве резисторов в цепи обратной связи выберем резисторы номиналами и : их отношение как раз равно десяти.
Результаты моделирования усилителя приведены на рисунке (картинка кликабельна).
Как видим, выходной сигнал в 10 раз больше по амплитуде, чем входной, и при этом проинвертирован.
Входное сопротивление данной схемы равно . А что будет, если источник сигнала будет иметь значительное выходное сопротивление, допустим, эти же 10 кОм? Результат моделирования этого случая представлен на рисунке ниже (картинка кликабельна).
Амплитуда выходного сигнала просела в два раза по сравнению с предыдущим случаем! Очевидно, что это все из-за того, что выходное сопротивление генератора в этом случае равно входному сопротивлению инвертирующего усилителя. Таким образом, стоит всегда помнить про эту особенность инвертирующего усилителя. Как же быть, если все-таки требуется обеспечить работу источника сигнала с высоким выходным сопротивлением на инвертирующий усилитель? В теории надо увеличивать сопротивление R1. Однако одновременно с эти будет расти и сопротивление R2. Если мы хотим обеспечить входное сопротивление схемы в 500 кОм при коэффициенте усиления 10, резистор R2 должен иметь сопротивление в 5 МОм! Такие большие номиналы сопротивлений применять не рекомендуется: схема будет очень чувствительной к наводкам, пыли и флюсу на печатной плате. Есть ли какие-то выходы из этой ситуации? На самом деле да. Можно, например, использовать буфер-повторитель, который мы рассмотрели в прошлом разделе. А можно еще применить схему с Т-образным мостом в обратной связи, про нее поговорим в следующем разделе.

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


Схема инвертирующего усилителя с Т-образным мостом в цепи обратной связи приведена на рисунке ниже.
Коэффициент усиления этой схемы равен


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


Результаты моделирования схемы усилителя приведены на рисунке ниже (картинка кликабельна).
Попробуем теперь подключить источник с выходным сопротивлением 10 кОм, как мы это сделали в предыдущем разделе. Получим такую картинку (кликабельно):
Выходной сигнал практически не изменился по амплитуде по сравнению с предыдущим моделированием, и это ни в какое сравнение не идет с тем, насколько он проседал в схеме простого инвертирующего усилителя без Т-моста. Кроме того, как мы видим, эта схема позволяет обойтись без мегаомных резисторов даже при больших коэффициентах усиления и значительном входном сопротивлении.

5. Инвертирующий усилитель в схемах с однополярным питанием


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

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


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


Отсюда напряжения на инвертирующем входе равно


Напряжение на неинвертирующем входе равно


Исходя из принципа равенства напряжения на инвертирующем и неинвертирующем входах получаем


Таким образом, напряжение на выходе операционного усилителя равно


Отсюда делаем вывод, что для корректной работы напряжения смещения должно быть больше максимального входного напряжения с учетом подаваемого на вход напряжения смещения.
Промоделируем схему инвертирующего усилителя со следующими параметрами:
Результаты моделирования приведены на рисунке ниже (картинка кликабельна)
Как видим, мы получили усиленный в 10 раз инвертированный сигнал, при этом сигнал проинвертировался, однако, не залез в отрицательную область.

6. Инвертирующий сумматор


Операционный усилитель можно использовать для суммирования различных сигналов. С помощью резисторов можно задавать «вес» каждого из сигнала в общей сумме. Схема инвертирующего сумматора приведена на рисунке ниже.
Расчет инвертирующего сумматора очень прост и основывается на принципе суперпозиции: суммарный выходной сигнал равен сумме отдельных составляющих:


Рассчитаем и произведем моделирование инвертирующего сумматора со следующими параметрами:
Для обеспечения требуемых «весов» , и выберем сведущие номиналы резисторов из ряда Е96:


Результат моделирования приведен на рисунке ниже (картинка кликабельна).
Видим, что выходной сигнал проинвертирован и усилен в соответствии с выражением, приведенным выше. Однако стоит всегда помнить, что приведенное выше выражение верно для постоянных напряжений (либо же мгновенных значений переменного сигнала). Если же сдвинуть сигналы по фазе или если они будут обладать разной частотой, то результат будет совершенно другим. Аналитически его можно рассчитать, воспользовавшись формулами преобразования тригонометрических выражений (в случае, если мы имеем дело с синусоидальными сигналами). В качестве примера на рисунке ниже приведен результат моделирования инвертирующего сумматора для случая сдвинутых по фазе входных сигналов (изображение кликабельно).
Как видим, итоговый сигнал не превышает по амплитуде сигнал , а также имеет в начальной части артефакты, вызванные постепенным появлениями сигналов на входах.
Необходимо также помнить, что инвертирующий сумматор – по сути все тот же инвертирующий усилитель, и его входное сопротивление определяется величиной резистора в цепи обратной связи, поэтому его надо аккуратно применять в случаях, если источник сигнала имеет большое выходное сопротивление.

7. Дифференциальный усилитель


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

Для дифференциального усилителя можно записать следующие выражения:


Решая эту систему уравнений, получаем


Если мы примем, что


то данное выражение упрощается и преобразуется в


Таким образом, коэффициент усиления дифференциального сигнала определяется отношением R2 к R1.
Эта формула (да и сама схема включения дифференциального усилителя) очень похожа на рассмотренный ранее случай инвертирующего усилителя в схеме с однополярным питанием. Действительно, все так и есть: схема инвертирующего усилителя с однополярным питанием и напряжением смещения есть частный случай дифференциального усилителя, просто в ней на один из входов подается не какой-то переменный сигнал, а постоянное напряжение.
Произведем моделирование схемы со следующими параметрами:
Результаты моделирования приведены на рисунке ниже (изображение кликабельно).
Как видим, разница между сигналами и в 5 мВ оказалась усиленной в 50 раз и стала 250 мВ.
Посмотрим теперь, как дифференциальный усилитель давит синфазную помеху. Для этого подключим к сигналам и общий генератор белого шума и произведем моделирование, его результаты представлены на рисунке (картинка кликабельна).
На верхней осциллограмме приведены сигналы и с добавленной помехой: самого сигнала уже даже не видно за шумами. На нижней осциллограмме приведен результат работы дифференциального усилителя. Поскольку помеха одна и та же для инвертирующего и неинвертирующего входа, дифференциальный усилитель ее убирает, и в результате мы имеем чистый сигнал, не отличающийся от случая без помехи. Однако стоит все же помнить, что способность операционного усилителя давить синфазную помеху не бесконечна, данный параметр обычно приводится в документации на операционный усилитель. Кроме того, нельзя забывать и про величину входного сопротивления дифференциального усилителя со стороны инвертирующего входа: оно по-прежнему может быть невелико.

8. Источник тока


Операционный усилитель при определенном включении может работать как источник тока. Источник тока поддерживает постоянный ток вне зависимости от величины сопротивления нагрузки (в идеальном источнике нагрузка может быть вообще любая, в реальном – не больше какой-либо величины, пропорциональной максимально возможному напряжению, которое может сформировать на ней источник тока). Возможно как минимум две схемы источника тока на операционном усилителе: с плавающей нагрузкой и с заземленной нагрузкой. Схема источника тока с плавающей нагрузкой предельно проста и приведена на рисунке ниже
Как видим, на неинвертирующий вход подается опорное напряжение, а в роли нагрузки выступает один из элементов обратной связи. Величина тока при этом определяется следующим выражением


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


Произведем расчет и моделирование источника тока со следующими параметрами:
  • Операционный усилитель LT1803
  • Величина силы тока
  • Величина сопротивления нагрузки

Для обеспечения заданных характеристик подойдут следующие номиналы сопротивлений резисторов:


Результат моделирования источника тока с заданными параметрами представлен на рисунке ниже (изображение кликабельно).
На рисунке приведено два графика. Верхний график показывает величину тока через сопротивление нагрузки, и она равна 10 мА. Нижний график показывает напряжение на нагрузке, оно равно 100 мВ. Попробуем теперь изменить сопротивление нагрузки: вместо 10 Ом возьмем 100 Ом и промоделируем (изображение кликабельно):
Как мы видим, через нагрузку течет все тот же самый ток в 10 мА: операционный усилитель отработал изменение нагрузки, повысив на ней напряжение, оно теперь стало равным 1 В. Но в реальности операционный усилитель не сможет поднимать напряжение бесконечно: оно ограничено напряжением источника питания (а зачастую еще и несколько меньше него). Что же будет, если задать сопротивление нагрузки слишком высоким? По сути, источник тока перестает работать. На рисунке ниже пример моделирования источника с сопротивление нагрузки в 1 кОм (изображение кликабельно).
Согласно графику, ток через нагрузку теперь уже никакие не 10 мА, а всего лишь 4 мА. При дальнейшем повышении сопротивления нагрузки ток будет все меньше и меньше.
Дополнительно по приведенным схемам источников тока на операционных усилителях надо отметить, что стабильность выходного тока в них зависит от стабильности напряжения , в связи с этим оно должно быть хорошо стабилизированным. Существуют более сложные схемы, которые позволяют уйти от этой зависимости, но в рамках данной статьи мы их рассматривать не будем.

9. Интегратор на операционном усилителе


Думаю, что все читатели знакомы с классической схемой интегратора на RC-цепочке:
Эта схема чрезвычайно широко используется на практике, однако имеет в себе один серьезный недостаток: выходное сопротивление этой схемы велико и, как следствие, входной сигнал может существенно ослабляться. Для устранения этого недостатка возможно использование операционного усилителя.
Простейшая схема интегратора на операционном усилителе, встречающаяся во всех учебниках, приведена на рисунке ниже.
Как видно из рисунка — это инвертирующий интегратор, т.е. помимо интегрирования сигнала, он меняет также и его полярность. Следует отметить, что это требуется далеко не всегда. Еще один серьезный недостаток этой схемы — конденсатор интегратора накапливает в себе заряд, который надо как-то сбрасывать. Для этого можно либо применять резистор, включенный параллельно с конденсатором (однако необходимо учитывать также его влияние на итоговый сигнал), либо же сбрасывать заряд с помощью полевого транзистора, открывая его в нужные моменты времени. По этой причине я решил рассмотреть более подробно другую схему интегратора с использованием операционного усилителя, которая, на мой взгляд, заслуживает больший практический интерес:
Как видно из рисунка, эта схема представляет собой классический интегратор на RC-цепочке, к которому добавлен повторитель на операционном усилителе: с помощью него решается проблема выходного сопротивления.
Интегратор можно также рассматривать как фильтр нижних частот. Частота среза АЧХ фильтра высчитывается по формуле


Тут стоит обратить внимание на один очень важный момент. Надо всегда помнить, что частота среза, рассчитанная выше, верна только для RC-цепочки и не учитывает частотных свойств самого операционного усилителя. Частотными свойствами операционного усилителя можно пренебречь, если мы попадаем в его рабочий диапазон частот, но если мы вдруг выйдем за него, то итоговая частотная характеристика схемы будет совсем не такой, как мы ожидали. Грубо говоря, если у нас RC-цепочка настроена на 1 МГц, а операционный усилитель позволяет работать до 100 МГц – все хорошо. Но если у нас цепочка на 10 МГц, а операционный усилитель работает до 1 МГц – все плохо.
В качестве примера рассчитаем ФНЧ со следующими параметрами частотой среза АЧХ в 1 МГц. Для такой частоты можно выбрать
  • Частота среза АЧХ
  • Операционный усилитель LT1803 (Максимальная частота 85 МГц)

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


Результат моделирования приведен на рисунке ниже (изображение кликабельно). На этом рисунке показаны две частотные характеристики: отдельно для RC-цепочки (красная линия) и для всей схемы целиком (RC-цепочка+операционный усилитель, зеленая линия).
Как видно из рисунка, красная и зеленая линии сначала совпадают, а начиная с определенной частоты зеленая идет вниз гораздо круче. Это как раз и объясняется тем, что на частотные свойства схемы начинает оказывать влияние уже сам операционный усилитель.
Ну и поскольку все-таки мы рассматриваем интегратор, то на следующем рисунке (кликабельно) приведена классическая картинка из учебников: интегрирование прямоугольных импульсов. Параметры интегратора те же, какие были в предыдущем моделировании частотной характеристики.

10. Дифференциатор на операционном усилителе


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

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


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


В случае дифференциатора также нельзя забывать про частотные свойства самого операционного усилителя: здесь они выражены даже более ярко, чем в случае с интегратором. Как мы уже убедились в прошлом разделе, начиная с определенной частоты операционный усилитель работает как фильтр нижних частот, тогда как дифференциатор – это фильтр верхних частот. Вместе они будут работать как полосовой фильтр.
В качестве примера рассчитаем ФВЧ с частотой среза АЧХ равной тем же 1 МГц. Для такой частоты можно выбрать все те же номиналы компонентов, которые были в случае ФНЧ:


Результат моделирования приведен на рисунке ниже (картинка кликабельна). На этом рисунке показаны две частотные характеристики: отдельно для RC-цепочки (красная линия) и для всей схемы целиком (RC-цепочка + операционный усилитель, зеленая линия).
Как видно из рисунка, красная и зеленая линии сначала совпадают, а начиная с определенной частоты, зеленая линия идет резко вниз, тогда как красная линия, отражающая работу непосредственно самой RC-цепочки, горизонтальна.
Работа дифференциатор при подаче на его вход прямоугольных импульсов приведена на рисунке ниже (изображение кликабельно).

Заключение


В данной статье мы рассмотрели десять наиболее часто встречающихся схем на операционных усилителях. Операционный усилитель – мощный инструмент в умелых руках, и количество схем, которые можно создать с его помощью, конечно, многократно превосходит то, что было рассмотрено, однако, надеюсь, данный материал будет кому-то полезен и поможет более уверенно использовать этот компонент в своих разработках. Полезные ссылки
  1. Хоровиц П., Хилл У. Искусство схемотехники: — Изд. 2-е. — М.: Издательство БИНОМ — 2014. — 704 с
  2. Картер Б., Манчини Р. Операционные усилители для всех — М.: Издательский дом «Додэка — XXI» — 2011. — 509 с
  3. LT1803

Как работают операционные усилители?

Загрузите эту статью в формате PDF.

Что вы узнаете:

  • Возбудитель акустического шума класса II MLCC.
  • Какие основные элементы способствуют возникновению проблемы шума?
  • «Специализированный» вариант для получения MLCC с низким уровнем акустического шума.

Скорость работы системы на всех платформах продолжает расти. Ожидается, что смартфону 5G потребуется более 30% общей емкости по сравнению с эквивалентом 4G — рост, аналогичный тому, что происходит с другими приложениями в отрасли.В результате многослойные керамические конденсаторы (MLCC) стали более популярными, чем когда-либо, во многих типах конструкций.

В связи с этим неизбежным всплеском использования MLCC, акустический шумовой эффект MLCC стал более заметным в последнее время. Особенно для потребительских устройств, таких как ноутбуки и сотовые телефоны, которые часто используются в тихой обстановке, акустический шум MLCC от этих продуктов создает впечатление низкого качества продукта и, таким образом, совершенно неприемлем для конечных пользователей. В этой статье будут представлены практические стратегии проектирования, позволяющие обойти этот эффект, а также представлены некоторые коммерчески доступные решения MLCC с низким уровнем шума.

Что вызывает акустический шум MLCC?

Прежде чем мы перейдем к решениям, давайте разберемся в происхождении проблемы. Эффект акустического шума MLCC наблюдается только в классе II MLCC (обычно с рейтингом X5R, X6S или X7 *), где диэлектрический материал обычно изготавливается из титаната бария (BaTiO 3 ).

В то время как BaTiO 3 обладает характеристикой высокой диэлектрической проницаемости (k), что делает возможным MLCC малой и высокой емкости, он, к сожалению, также обладает пьезоэлектрическим эффектом.(Когда температура BaTiO 3 ниже температуры Кюри 125 ° C, кристаллическая структура этого материала становится тетрагональной; спонтанная поляризация смещенного от центра иона Ti вызывает пьезоэлектрический эффект BaTiO 3 .)

В результате , когда синусоидальные сигналы проходят через этот тип MLCC, пьезоэлектрический эффект заставляет MLCC начать вибрировать. Впоследствии такая вибрация передается на печатную плату через галтели припоя на обоих выводах MLCC. Если интенсивность вибрации достаточно велика и оказывается в пределах слышимого человеком диапазона частот от 20 Гц до 20 кГц, можно услышать гудящий «акустический шум» (рис.1) .

1. MLCC, используемые в линиях электропередачи печатной платы, вызывают вибрацию, и «акустический шум» может быть слышен, когда вибрация печатной платы находится в пределах слышимого человеком диапазона частот от 20 Гц до 20 кГц.

Понимая механизм генерации акустического шума MLCC, мы теперь можем исследовать три критические части внутри этой проблемы: MLCC, печатную плату и галтель припоя.

The Three Acoustic-Noise Culprits

MLCC

Генерация акустического шума на уровне конденсатора определяется структурой и составом MLCC.Если мы сравним две разные части MLCC с одинаковым размером корпуса, то у той с меньшей емкостью будет больше акустического шума (Рис. 2) . Причина такого поведения заключается в том, что более высокая емкость снижает пульсации напряжения со временем (dV / dt), а при пьезоэлектрическом эффекте меньшее dV / dt просто означает меньшее физическое смещение или меньшую интенсивность вибрации.

2. Когда емкость MLCC увеличивается в пределах того же размера корпуса, пульсации напряжения падают, уменьшая уровень акустического шума.

Таким образом, одним из возможных способов уменьшения акустического шума является выбор MLCC с большей емкостью, доступного в том же размере корпуса. Точно так же уменьшение емкости из-за увеличения смещения постоянного тока также увеличивает dV / dt. Таким образом, для того же самого MLCC, работа с более низким смещением постоянного тока или выбор части с меньшим эффектом смещения постоянного тока предпочтительнее для снижения акустического шума.

Еще одним фактором, который также влияет на генерацию акустического шума, является диэлектрическая проницаемость (k) BaTiO 3 .В общем, k пропорционален интенсивности пьезоэлектрического эффекта, поэтому MLCC с более высоким k более подвержен акустическому шумовому эффекту, чем с более низким k. Однако диэлектрическая проницаемость конкретного основного материала MLCC обычно не раскрывается от поставщиков MLCC. Таким образом, как показывает практика, детали MLCC большего размера (например, 3216 или 3225) обычно имеют меньшее k материалов, чем детали той же емкости, но в корпусе меньшего размера.

PCB

Печатная плата (PCB) играет не менее важную роль в создании акустического шума.Было обнаружено, что наиболее эффективная конфигурация компоновки печатной платы с шумоподавлением — это установка одного и того же типа MLCC в одном и том же месте с обеих сторон печатной платы (рис. 3) . Это связано с тем, что режимы вибрации с обеих сторон по существу компенсируют друг друга, тем самым уменьшая общую вибрацию печатной платы.

3. Установка MLCC в одном месте с обеих сторон печатной платы снижает акустический шум.

Хотя все приведенные выше предложения являются допустимыми методами снижения эффекта акустического шума MLCC, иногда они могут оказаться не столь полезными, поскольку определенные конструктивные ограничения ограничивают выбор значений емкости или размеров.Кроме того, не всегда возможно реализовать двусторонний SMT во многих конструкциях. К счастью, есть более эффективные и практичные способы помочь.

Паяные филе

Если мы просканируем форму деформации MLCC с помощью лазерного доплеровского виброметра, когда конденсатор подвергается синусоидальному сигналу, амплитуда колебаний максимизируется в средней плоскости заделки MLCC, горизонтально по отношению к слоям диэлектрика. ( Рис.4) . Впоследствии энергия колебаний передается на печатную плату через галтели припоя на концах на обоих концах MLCC.Итак, если у нас есть возможность установить MLCC-крепление с диэлектрическими слоями, параллельными плоскости печатной платы, так называемый «горизонтальный монтаж», и в то же время нанести минимальное количество припоя (снова рис. Существенно исключен путь передачи энергии вибрации.

4. Амплитуда колебаний максимальна в средней плоскости заделки MLCC, горизонтально по отношению к слоям диэлектрика.

Горизонтальный монтаж MLCC предпочтителен, потому что с небольшой конструкцией припоя с галтелем можно избежать передачи большей части энергии вибрации на печатную плату.Однако при вертикальной установке MLCC невозможно выйти из плоскости вибрации с максимальным смещением вибрации. Это связано с тем, что эта плоскость всегда перпендикулярна галтелю припоя, независимо от того, насколько маленьким он является. Таким образом, горизонтально установленный MLCC является предпочтительным с точки зрения снижения акустического шума.

Хотя горизонтально установленные MLCC обычно обеспечивают более низкий акустический шум, тем не менее интересно отметить, что это не тот случай, когда имеется большое количество припоя (рис.5) . Когда высота галтели припоя выше средней точки заделки, вертикально установленный MLCC фактически обеспечивает более низкий эффект акустического шума. Это связано с тем, что, когда кромка припоя находится выше средней точки заделки, большая часть энергии вибрационного смещения может передаваться печатной плате, если MLCC установлен горизонтально. В то время как при вертикальной установке передается относительно меньшая часть этой энергии.

5. Конфигурация, обеспечивающая наименьший акустический шум, — это горизонтально установленный MLCC с небольшой кромкой припоя.

На этом этапе мы узнали, что наиболее эффективным способом снижения акустического шума является установка MLCC горизонтально с нанесением минимального количества припоя. В настоящее время горизонтально установленные MLCC доступны у поставщиков MLCC за счет использования специального процесса сортировки перед намоткой на ленту, чтобы гарантировать, что все MLCC имеют диэлектрические слои, параллельные печатной плате во время SMT. (Ориентация MLCC общего назначения не контролируется во время процесса катушки с лентой; кроме того, невозможно определить ориентацию MLCC по ее внешнему виду после катушки с лентой и катушкой, потому что выводы имеют квадратную форму.С другой стороны, применение меньшего диаметра припоя представляет собой гораздо более сложную практику из-за ограничений технических возможностей SMT и потенциальных проблем с надежностью.

Специализированная опция

Что делать, если все вышеупомянутые советы по проектированию не дают приемлемого результата, или если существуют конструктивные ограничения, не позволяющие инженерам использовать какие-либо стратегии? Узнав о происхождении и приемах снижения акустического шума, теперь мы можем ввести специальный «MLCC с низким уровнем акустического шума», чтобы помочь в решении этой проблемы.

Основная концепция конструкции всех MLCC с низким уровнем акустического шума состоит в том, чтобы минимизировать передачу энергии вибрации на печатную плату через галтель припоя. Поскольку наибольшее вибрационное смещение происходит в средней плоскости корпуса MLCC, низкоакустические части MLCC просто добавляют дополнительную физическую структуру под «традиционным» корпусом MLCC — диэлектрические и металлические слои — для поднятия этой плоскости и, таким образом, минимизации такой передачи энергии через гребень припоя (рис.6) .

6.Существует два разных типа MLCC с низким уровнем акустического шума. Первый имеет более толстый нижний диэлектрический слой (например, серия Samsung THMC), а второй тип имеет отдельную физическую структуру под ним (например, серия Samsung ANSC-A или ANSC-B). Разделительная структура серии ANSC-A представляет собой подложку из оксида алюминия, в то время как разделительная структура серии ANSC-B представляет собой кусок металлической пластины, прикрепленной к каждому окончанию.

Низкоакустические MLCC, отличающиеся структурой этой дополнительной физической структуры, обычно можно разделить на два типа.Первый тип — это утолщение диэлектрического слоя на дне типичного корпуса конденсатора (например, серии THMC от Samsung), а второй тип — прикрепление отдельной физической структуры, изготовленной из другого материала, например, подложки из оксида алюминия (например, Samsung ANSC-A) или металлическую пластину (например, Samsung серии ANSC-B) на стандартный MLCC (рис.7) .

7. Характеристики снижения шума у ​​MLCC типа ANSC выше, чем у типа THMC.

Обе эти конструкции значительно снижают шумовой эффект, но производительность второго типа намного выше, чем у первого типа.Причина в том, что отдельная структура второго типа может обеспечить гораздо более сильную изоляцию передачи энергии колебаний. Однако недостатком второго типа является то, что дополнительная толщина структуры может привести к тому, что MLCC будет иметь большую высоту, чем первый тип (при условии, что электрические характеристики MLCC такие же), и, таким образом, может быть проблемой для приложений с ограничениями по высоте.

В реальном мире наиболее сложной частью работы с акустическим шумом MLCC во время проектирования системы является то, что эффект не может быть легко смоделирован с помощью программного обеспечения.Это связано с тем, что модели вибрации обычно включают множество взаимодействующих переменных, таких как компоновка печатной платы, физическая структура системы и даже частота или сила фактического электрического сигнала.

Следовательно, в большинстве случаев проблемы акустического шума MLCC не обнаруживаются до этапов проверки или квалификации продукта, на которых обычно остается очень мало времени или гибкости для внесения существенных изменений в конструкцию. Будет очень полезно, если дизайнеры будут знакомы со всеми советами по снижению шума, чтобы при возникновении проблемы акустического шума было предложено больше вариантов.

Заключение

Прежде чем прибегать к MLCC с низким акустическим шумом, некоторые эффективные способы помочь с проблемой акустического шума включают замену MLCC на деталь с более высокой емкостью, снижение приложенного смещения постоянного тока, с использованием горизонтально установленного MLCC с небольшим припоем или, если возможно, установить эквивалентный MLCC на противоположной стороне.

В случаях, когда необходимо использовать MLCC с низким уровнем акустического шума, на рынке доступны несколько вариантов с разными характеристиками для разных сценариев.Полное понимание эффекта акустического шума MLCC поможет проектировщикам с минимальными затратами уменьшить эту обостряющую проблему.

Что такое операционный усилитель?


Введение операционных усилителей ABLIC

1. Что такое операционный усилитель (операционный усилитель)?

Операционный усилитель — это интегральная схема, которая может усиливать слабые электрические сигналы.
Операционный усилитель имеет два входных контакта и один выходной контакт.Его основная роль заключается в усилении и выводе разности напряжений между двумя входными контактами.

2. Возможности операционного усилителя

Операционный усилитель не используется сам по себе, он предназначен для подключения к другим схемам для выполнения самых разнообразных операций. В этой статье приведены несколько типичных примеров использования схем с операционными усилителями.

● Обеспечивает значительное усиление входного сигнала

Когда операционный усилитель объединен со схемой усиления, он может преобразовывать слабые сигналы в сильные.Он ведет себя как мегафон, где входным сигналом является голос человека, а мегафон — это схема операционного усилителя. Например, такую ​​схему можно использовать для усиления минутных сигналов датчиков.
Обработка сигналов датчиков может быть дополнительно улучшена путем ввода усиленного сигнала в блок микроконтроллера * (MCU).
* Микроконтроллер… Компактный компьютер для управления электронными устройствами. Как мозг электронных устройств, микроконтроллеры работают в соответствии с входными сигналами.

● Позволяет устранить шум из входного сигнала

Работая в качестве фильтра входных сигналов, схема операционного усилителя может выделять сигнал с целевой частотой.Например, когда схема операционного усилителя используется для распознавания голоса или в диктофоне, она может извлекать частоты, близкие к целевому звуку, при этом исключая все другие частоты как шум. Схема операционного усилителя может быть настроена для выполнения широкого диапазона частот такие функции, как арифметические операции или синтез сигналов.

3. Применение операционных усилителей

Как отмечалось выше, операционный усилитель практически никогда не используется отдельно.Подключив резисторы или конденсаторы, вы можете сконфигурировать схему, способную усиливать сигнал, фильтровать или выполнять арифметические операции схемы, описанные в «2. На что способен операционный усилитель ».

(1) Операции внутреннего операционного усилителя

Ниже описаны операции, выполняемые операционным усилителем в схеме. Давайте посмотрим, как операционный усилитель ведет себя в схеме усилителя, на примере схемы неинвертирующего усилителя.В дополнение к этому простому расчету при конфигурировании схемы необходимо также учитывать характеристики операционного усилителя. Этот момент описан далее в этом разделе в разделе «4. Выбор рабочего усилителя и объяснение терминов ».

(2) Примеры схем

Здесь мы описываем некоторые типичные применения операционных усилителей.

[Схема неинвертирующего усилителя]

Как объяснено в (1), это также схема для усиления и вывода входных сигналов.

[Схема инвертирующего усилителя]

Схема инвертирующего усилителя обозначена знаком минус. Если напряжение V IN увеличивается, напряжение V OUT уменьшается.

[Цепь повторителя напряжения]

Это неинвертирующая схема усилителя, в которой R2 замкнут накоротко (R2 = 0 Ом), а R1 разомкнут (R1 = бесконечность). Поскольку V OUT = (1 + R2 / R1) × V IN = (1 + 0Ω / ∞) × V IN = V IN , на выходе будет такое же напряжение, что и на входном сигнале.Повторитель напряжения используется в качестве буферной схемы для преобразования импеданса или для разделения цепей.

[Схема дифференциального усилителя]

Это схема для усиления и вывода разницы между двумя входными сигналами.

4. Выбор операционного усилителя и объяснение терминов

Здесь мы будем использовать операционный усилитель ABLIC S-89630A в качестве примера того, какие элементы необходимо проверить при выборе операционного усилителя и объяснения характеристик операционного усилителя.

(1) Проверьте рабочее напряжение.

[Диапазон рабочего напряжения источника питания]
Это диапазон рабочего напряжения источника питания на выводе VDD. Убедитесь, что напряжение источника питания находится в пределах диапазона рабочего напряжения операционного усилителя.

[Диапазон синфазного входного напряжения]
Диапазон напряжения сигнала, который может быть приложен к входным контактам. Операционный усилитель будет работать, пока входной сигнал находится в этом диапазоне.Операционный усилитель, диапазон синфазного входного напряжения которого охватывает V SS — V DD , называется «операционным усилителем с входом Rail-to-Rail»; то есть операционный усилитель с отличным диапазоном входного напряжения сигнала.

(2) Проверьте частоту входного сигнала.

[Произведение на ширину полосы частот]
Определяет максимальную частоту, до которой операционный усилитель может усилить сигнал. Максимальная частота зависит от коэффициента (усиления), который вы используете для усиления сигнала.При коэффициенте усиления, равном единице (= 0 дБ), сигнал может быть усилен до максимальной частоты, так называемого произведения усиления на ширину полосы частот.

График справа показывает, что при усилении, равном единице (= 0 дБ), максимальная частота, на которой усиление позволяет использовать S-89630A, составляет 1,2 МГц, а при усилении 10 (= 20 дБ) максимальная частота составляет 120 кГц. Убедитесь, что максимальная частота, до которой вы хотите усилить, находится в пределах диапазона коэффициента, с которым вы хотите усилить.

(3) Проверьте потребление тока.

[Потребление тока]
Показывает текущее значение, полученное с вывода VDD. Чем ниже это значение, тем больше вы можете снизить мощность системы. Обычно операционный усилитель с низким потреблением тока имеет также низкую частоту полосы усиления.

(4) Проверить точность усиления сигнала.

[Входное напряжение смещения]
Входное напряжение смещения представляет собой преобразование напряжения ошибки, генерируемого на выходе, во входное значение, когда входное напряжение равно 0 В.Это важный атрибут, влияющий на точность усиления операционных усилителей. Обычно, когда амплитуда напряжения входного сигнала порядка мВ, требуется входное напряжение смещения порядка мкВ. Это заставляет выбирать «операционный усилитель с дрейфом нуля » для обработки таких крошечных напряжений смещения.

5. Что такое усилитель с нулевым дрейфом?

Усилитель нулевого дрейфа — это операционный усилитель, который минимизирует входное напряжение смещения и дрейф входного напряжения смещения (0).Выбор операционного усилителя с нулевым дрейфом — очень эффективное решение для приложений, требующих высокоточного усиления сигнала.

Усилитель с нулевым дрейфом ABLIC

ABLIC имеет операционные усилители с нулевым дрейфом серий S-89630A и S-89713 для общего использования, а также усилители с нулевым дрейфом S-19630A и S-19611A для автомобильного использования.

S-89630A (для общего использования) и S-19630A (для автомобильного использования) операционный усилитель обеспечивает работу с нулевым дрейфом, широкий диапазон напряжения (4.0 — 36 В) и атрибуты низкого напряжения смещения.

Серия

S-89713 (для общего использования) и S-19611A (для автомобильного использования) обеспечивает работу с автоматическим дрейфом нуля при работе при низком напряжении от 2,65 В и с низкими характеристиками напряжения смещения. Мы также предлагаем серию S-89713 (для общего использования) в сверхкомпактном корпусе (SNT-8A: размер 1,97 x 2,46 мм).

Если вам нужен операционный усилитель с нулевым дрейфом, настоятельно рекомендуются операционные усилители ABLIC.

Таблица выбора операционных усилителей

Представление операционного усилителя ABLIC

операционных усилителей, схема компаратора | Renesas

Введение в электронные схемы: 3 из 3

На этом занятии мы рассмотрим операционные усилители (операционные усилители) и их использование в усилителях и компараторах.

Операционные усилители: универсальные ИС для множества приложений

Операционный усилитель работает на аналоговом входе. Его можно использовать для усиления или ослабления этого входа, а также для выполнения математических операций, таких как сложение, вычитание, интегрирование и дифференцирование. Из-за широкого диапазона применения операционные усилители встречаются в большинстве электрических цепей.

Типичный операционный усилитель, такой как показанный на рисунке 1, оборудован неинвертирующим входом (Vin (+)), инвертирующим входом (Vin (-)) и выходом (Vout).Хотя это не показано на схеме, операционный усилитель также имеет два входа питания (положительный и отрицательный), а также может включать в себя вход смещения и другие клеммы.

Рисунок 1: Схема операционного усилителя

Основная функция операционного усилителя — значительно усилить разницу между двумя входами и вывести результат. Если входное значение V (+) больше, чем V (-), операционный усилитель усилит и выведет положительный сигнал; если V (-) больше, операционный усилитель выдает усиленный отрицательный сигнал.Двумя другими характеристиками типичного операционного усилителя являются: (а) входное сопротивление чрезвычайно велико и (б) выходное сопротивление чрезвычайно низкое.

Поскольку коэффициент усиления операционного усилителя очень высок, даже небольшие различия на входах быстро приведут выходное напряжение к максимальному или минимальному значению. По этой причине операционные усилители обычно подключаются к отрицательной обратной связи. Давайте посмотрим на пример.

Основы операционного усилителя (1): Схема инвертирующего усилителя

Схема, изображенная на рис.2 усиливает и инвертирует (меняет фазу) входной сигнал и выводит результат. В схеме используется отрицательная обратная связь: часть выходного сигнала инвертируется и возвращается на вход. В этом примере обратная связь возникает из-за того, что выход Vout подключен через резистор R2 к инвертирующему входу (-).

Давайте посмотрим, как работает эта схема. Если выход не подключен к напряжению питания, тогда напряжения, подаваемые на инвертирующий (-) и неинвертирующий (+) входы, равны; два входа действуют как закороченные вместе; мы можем представить себе воображаемую короткую.Поскольку разница напряжений между этим воображаемым коротким замыканием и неинвертирующим входом составляет 0 В, точка A также будет иметь значение 0 В. Тогда по закону Ома I 1 = Vin / R 1 .

Рисунок 2: Схема инвертирующего усилителя

Поскольку операционные усилители имеют чрезвычайно высокий входной импеданс, ток на инвертирующий вход практически не протекает (-). Соответственно, I 1 течет через точку A и R 2 ; это означает, что I 1 и I 2 практически равны.Тогда по закону Ома Vout = −I 1 × R 2 , где I 1 отрицательно, потому что I 2 течет из точки A, где напряжение равно 0. Рассмотрим это с другой стороны. : любая попытка поднять входное напряжение на инвертирующем входе (-) создает инвертированное и сильно усиленное выходное напряжение, которое течет в обратном направлении, проходит через R 2 и подключается к инвертированной входной клемме (-), тем самым подавляя рост напряжения на этом Терминал. Система стабилизируется при выходном напряжении, которое доводит напряжение на инвертирующем входе (-) до 0 В, что эквивалентно напряжению на неинвертирующем входе.

Теперь давайте посмотрим, как мы можем использовать взаимосвязь между входом и выходом, чтобы найти коэффициент усиления операционного усилителя. В частности, Vout / Vin = (−I 1 × R 2 ) / (I 1 × R 1 ) = −R 2 / R 1 . Коэффициент усиления отрицательный, потому что фаза выходного сигнала противоположна фазе входного сигнала.

Важно отметить, что в приведенном выше уравнении коэффициент усиления полностью определяется соотношением сопротивлений R 2 и R 1 .Соответственно, вы можете изменить усиление, просто изменив сопротивления. Таким образом, хотя сам операционный усилитель имеет высокое усиление, соответствующее использование отрицательной обратной связи может снизить фактическое усиление до желаемого уровня.

Основы операционных усилителей (2): Схема неинвертирующего усилителя

В предыдущем разделе мы увидели, как операционный усилитель можно использовать для реализации инвертирующего усилителя. На рисунке 3 показано, как мы можем использовать его для создания неинвертирующего усилителя. Неинвертирующий усилитель отличается от инвертирующего по двум основным направлениям: (1) форма выходного сигнала находится в фазе с формой входного сигнала, и (2) входной сигнал поступает на неинвертирующий входной терминал (+).Но обратите внимание, что как неинвертирующие, так и инвертирующие схемы используют отрицательную обратную связь.

Так как же работает эта схема? У нас все еще есть воображаемое замыкание, что означает, что и неинвертирующий (+), и инвертирующий (-) входы находятся под напряжением Vin. Таким образом, точка A также находится в Vin. Закон Ома говорит нам, что напряжение на R 1 равно Vin = R 1 × I 1 . А поскольку ток по существу не поступает ни на один из входов операционного усилителя, отсюда следует, что I 1 = I 2 .А поскольку Vout представляет собой сумму напряжений при R 1 и R 2 , мы знаем, что Vout = R 2 × I 2 + R 1 × I 1 . Мы можем изменить эти выражения, чтобы найти коэффициент усиления G следующим образом: G = Vout / Vin = (1 + R 2 / R 1 )

Рисунок 3: Схема неинвертирующего усилителя

Поскольку этот усилитель сохраняет фазу, его часто можно найти в приложениях, где важно учитывать фазу.

Также обратите внимание, что если R 1 удален из схемы, а R 2 установлен на 0 Ом (или закорочен), схема становится повторителем напряжения с коэффициентом усиления 1. Этот тип схемы часто используется при буферизации. схемы и схемы преобразования импеданса.

Цепь компаратора

Схема компаратора сравнивает два напряжения и выдает либо 1 (напряжение на положительной стороне; VDD на иллюстрации), либо 0 (напряжение на отрицательной стороне), чтобы указать, какое из них больше.Компараторы часто используются, например, для проверки того, достиг ли вход некоторого заранее определенного значения. В большинстве случаев компаратор реализован с использованием специальной ИС компаратора, но в качестве альтернативы можно использовать операционные усилители. На схемах компараторов и схемах операционных усилителей используются одни и те же символы.

На рисунке 4 показана схема компаратора. Во-первых, обратите внимание, что в схеме не используется обратная связь. Схема усиливает разницу напряжений между Vin и VREF и выводит результат на Vout. Если Vin больше, чем VREF, то напряжение на Vout повысится до положительного уровня насыщения; то есть к напряжению на положительной стороне.Если Vin ниже VREF, то Vout упадет до своего отрицательного уровня насыщения, равного напряжению на отрицательной стороне.

На практике эту схему можно улучшить, включив диапазон напряжения гистерезиса, чтобы снизить ее чувствительность к шумам. Например, схема, показанная на рис. 5, будет обеспечивать стабильную работу, даже когда сигнал Vin несколько зашумлен.

Рисунок 4: Схема компаратора

Рисунок 5: Схема компаратора с гистерезисом

Цепь генератора с положительной обратной связью

Обратная связь — это возврат части выхода схемы обратно на вход схемы с целью некоторого регулирования схемы.При отрицательной обратной связи более высокая обратная связь снижает выходной сигнал схемы. При положительной обратной связи, как в примере здесь, более высокий выход увеличивает выход. Когда положительная обратная связь включена в цепь с положительным усилением, схема становится генератором.

Существует множество типов схем генератора. На рисунке 6 показан пример нестабильного мультивибраторного генератора.

Рисунок 6: Схема нестабильного мультивибратора

Эта схема называется нестабильной, потому что она нестабильна при обоих максимальных напряжениях, напряжении V L на положительной стороне и -V L на отрицательной стороне, и будет колебаться между этими двумя уровнями.Давайте посмотрим, как работает эта схема. Во-первых, обратите внимание, что выходной сигнал Vout проходит через R 2 и обратно на неинвертирующий вывод операционного усилителя (+), образуя цепь положительной обратной связи. Отметим также, что Vout, R 3 и C содержат схему интегратора RC; или, другими словами, часть напряжения на Vout будет постепенно заряжать конденсатор.

Вначале цепь обратной связи быстро приводит Vout к максимальному положительному выходу (равному V L ).Но схема интегратора R3 (R 3 и C) постепенно увеличивает напряжение на инвертирующей входной клемме (-), пока через определенное время это напряжение не станет выше, чем напряжение на неинвертирующей входной клемме (+). Когда это происходит, отрицательное напряжение поступает на дифференциальный вход, быстро понижая Vout до максимума на отрицательной стороне (-V L ).

Теперь, когда Vout находится на отрицательной стороне, схема интегратора R 3 начинает постепенно повышать отрицательное напряжение на инвертирующей клемме (-).И снова через определенное время это отрицательное напряжение становится больше, чем напряжение на неинвертирующем выводе (+), вызывая ввод положительного напряжения на дифференциальный вход, который быстро подталкивает Vout обратно к его положительному максимуму ( V L ). Эта последовательность продолжает повторяться, заставляя Vout колебаться вверх и вниз между V L и — V L .

Это была третья и последняя сессия нашего обзора основных электронных схем. Мы надеемся, что этот обзор был полезен, даже несмотря на то, что признаем, что объем был весьма ограничен.В следующий раз мы начнем изучение цифровых схем. Надеемся на ваше дальнейшее участие.

Список модулей

  1. Пассивные элементы
  2. Диоды, транзисторы и полевые транзисторы
  3. Операционные усилители, схема компаратора

Схема усилителя или операционного усилителя (ОУ) на корабле

Схема усилителя или операционного усилителя (ОУ) 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 создания 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, обычно используются усилители небольшого сигнала, 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, вы можете найти схему усилителя:

  • Используется для усиления звукового сигнала (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 подается 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, классифицируемые как усилители, от операционных усилителей и усилителей малых сигналов до усилителей больших сигналов и мощности.

Кредит изображения: Барри Магахис

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, у которого есть два входных контакта и два выходных контакта (земля является общей) с выходным сигналом, намного превышающим этот 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 указать 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.
  • На усиление не влияет частота. 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 операционный усилитель» (Op-Amp) — 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 выходной коэффициент усиления.

Обладает высоким входным и низким выходным сопротивлением

Ширина полосы находится в очень большом 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 компании Marine Insight.

Операционный усилитель — операционный усилитель | by Jay Mistry

Введение в операционный усилитель:

Термин операционный усилитель или операционный усилитель для краткости был придуман в 1947 году Джоном Р. Рагаццини для обозначения специального типа усилителя, который при правильном выборе внешних компонентов можно настроить для различных операций, таких как усиление, сложение, вычитание, дифференцирование, интегрирование, сравнение и многое другое.Прежде чем исследовать это замечательное устройство, давайте кратко рассмотрим историю операционного усилителя и то, что было до операционного усилителя, и почему операционные усилители так широко используются сегодня.

Краткая история — Обзор различных изобретений

Хотя большинство сегодняшних пользователей операционных усилителей, вероятно, в некоторой степени знакомы с операционными усилителями на интегральных схемах (ИС) (и в большей степени с наиболее популярным IC741), очень немногие могут быть знакомы с твердотельный операционный усилитель без микросхемы.

Источник операционного усилителя был выполнен в форме вакуумной лампы .История создания операционных усилителей началась в начале 20 века. Поскольку вакуумная лампа была изобретена примерно в 1904 году, это было эволюционным шагом, направленным на пропускание тока только в одном направлении. Позже произошли другие изобретения, в которых произошел переход от однонаправленного протекания тока к усилению, на основе которого было создано усилительное устройство. С появлением усилителя в мире электроники вскоре последовали и другие важные разработки. (Усилители кратко описаны ниже в этом разделе).

Первый патент на операционный усилитель, состоящий из вакуумной лампы (в основном использовавшейся до изобретения биполярных транзисторов), универсального усилителя с обратной связью, действие которого началось в начале 1940-х годов.Эти операционные усилители на электронных лампах были большими, громоздкими и очень энергоемкими устройствами. Следовательно, после десятилетия использования электронных ламп операционные усилители начали заменяться миниатюрными твердотельными операционными усилителями в 1950-х и 1960-х годах.

Первый коммерческий операционный усилитель был выпущен примерно в 1953 году.

Первый дискретный операционный усилитель на ИС был доступен в 1961 году. Первый коммерчески успешный монолитный операционный усилитель был выпущен в 1965 году.

Первый операционный усилитель больше назывался универсальным усилителем с обратной связью по постоянному току и высоким коэффициентом усиления.Упомянутые сейчас термины будут вскоре объяснены.

Первое применение операционного усилителя было в аналоговых компьютерах. Способность выполнять математические операции была результатом сочетания высокого коэффициента усиления с отрицательной обратной связью.

Первая радикальная миниатюризация операционного усилителя произошла с появлением биполярных переходных транзисторов (BJT), что привело к появлению целого поколения модулей операционных усилителей, реализованных с дискретными BJT. Однако настоящий прорыв произошел с разработкой операционного усилителя на интегральной схеме, элементы которого выполнены в виде монолитного кремниевого чипа размером с булавочную головку.

Приводя к появлению современных ИС, которые все еще используются даже сегодня, то есть IC 741, разработанного Fairchild в 1967 году. По мере того, как технология ИС получила широкое распространение, все быстро изменилось в конце 20-го века, что стало важной вехой. после достижения прогресса в производительности устройства.

Итак, что находится внутри ИС операционного усилителя?

Операционный усилитель имеет не менее пяти клемм :

  1. Положительная клемма напряжения питания (VCC / V +)
  2. Клемма отрицательного напряжения питания (-VCC / -VEE / V-)
  3. Выходная клемма
  4. Инвертирующая входная клемма
  5. Неинвертирующая входная клемма

Следовательно, операционные усилители имеют свою внутреннюю сложность, но операционный усилитель поддается представлению в виде черного ящика с очень простой взаимосвязью между выходом и входом.

В основе работы цепей лежит концепция отрицательной обратной связи. Перед этим у нас будет небольшой обзор усилителя.

Что такое усилитель?

Усилитель — это двухпортовое устройство , которое принимает сигнал, подаваемый извне, называемый входом, и генерирует сигнал, называемый выходом, так что выход = усиление x вход, где коэффициент усиления является подходящей константой пропорциональности. Устройство, соответствующее этому определению, называется линейным усилителем , чтобы отличать его от устройств с нелинейными отношениями ввода-вывода, таких как квадратичные и логарифмические / антилогарифмические усилители.Если не указано иное, термин «усилитель» будет здесь обозначать линейный усилитель.

Всякий раз, когда мы изучаем усилители, мы могли много раз сталкиваться с соотношениями входного сопротивления и выходного сопротивления, и они также являются очень важными параметрами. Эти параметры связывают сигналы со схемой.

Усилитель получает входной сигнал от источника вверх по потоку и подает свой выход на нагрузку ниже по потоку. В зависимости от характера входных и выходных сигналов у нас есть разные типы усилителей.(Можно пропустить следующий раздел (типы усилителя))

1. Усилитель напряжения:

  • Это наиболее распространенный тип усилителя , и операционный усилитель также является типом напряжения усилителя. .
  • На входе задано напряжение, а на выходе — напряжение.
  • Усиливает напряжение. Его коэффициент усиления составляет вольт на вольт.
  • Эквивалентная схема для него показана ниже:
Усилитель напряжения
  • Rs — это сопротивление источника, которое очень мало, и это связано с технологическими ограничениями.RL — это сопротивление нагрузки.
  • Идеальный усилитель напряжения требует, чтобы входное сопротивление Ri было бесконечным или стремящимся к бесконечности, то есть оно должно быть очень высоким, а выходное сопротивление Ro должно быть нулевым или стремящимся к нулю, т.е. низкий. Следовательно, у нас очень высокое входное сопротивление операционного усилителя (в идеале бесконечное) и очень низкое выходное сопротивление (в идеале нулевое). Это будет обсуждаться позже.
  • Важно отметить, что источник напряжения Vs не усиливается, напряжение падает на входном сопротивлении Ri: Vi — это напряжение, которое усиливается.

2. Усилитель тока:

  • На входе задан ток, а на выходе — ток.
  • Усиливает ток. Его коэффициент усиления составляет ампер на ампер.
  • Эквивалентная модель с помощью эквивалента Norton:
Усилитель тока
  • Идеальный усилитель тока требует, чтобы входное сопротивление Ri было ноль или стремящееся к нулю, т.е. очень низкое, а выходное сопротивление Ro должен быть бесконечным или стремящимся к бесконечности i.е. очень высоко.
  • Здесь также ток источника не усиливается, но усиливается ток через сопротивление Ri.

3. Усилитель сопротивления:

  • Вход — это ток, а выход — напряжение.
  • Его коэффициент усиления вольт на ампер .
  • Здесь у нас есть управляемый током источник напряжения.
  • Посмотрите на следующую эквивалентную схему:
Усилитель сопротивления
  • Требование для этого типа идеального усилителя будет заключаться в том, чтобы входное сопротивление Ri было равным нулю, или стремящемуся к нулю i.е. очень низкое, а выходное сопротивление Ro должно быть нулевым или стремящимся к нулю, т.е. очень низким.

4. Усилитель крутизны:

  • Вход — это напряжение, а выход — ток.
  • Его коэффициент усиления составляет ампер на вольт .
  • Здесь у нас есть источник тока, управляемый напряжением.
  • Посмотрите на следующую эквивалентную схему:
Усилитель крутизны
  • Требование для этого типа идеального усилителя будет заключаться в том, чтобы входное сопротивление Ri было бесконечным или стремящимся к бесконечности i.е. очень высокое, и выходное сопротивление Ro также должно быть бесконечным или стремящимся к бесконечности, то есть очень высоким.
Базовые усилители — идеальные характеристики

Операционный усилитель — это усилитель напряжения с чрезвычайно высоким коэффициентом усиления. Например, популярный операционный усилитель 741 IC имеет типичное усиление 200 000 В / В, которое также выражается как 200 В / мВ.

Тот факт, что операционный усилитель отличается от всех других усилителей напряжения, — это размер и коэффициент усиления, которые он обеспечивает.Мы увидим, что идеальный операционный усилитель имеет бесконечное усиление, но практически усиление очень велико, а не бесконечно. Почему мы хотим бесконечной выгоды или очень высокой выгоды? Это тоже был бы один из вопросов, да, скоро мы до него дойдем, начнем анализировать разные схемы.

Давайте посмотрим на символ операционного усилителя

Символ операционного усилителя.

У нас есть входы в виде символов «-» и «+», которые обозначаются как инвертирующие и неинвертирующие клеммы соответственно. Их напряжения относительно земли обозначаются VN и VP.Операционные усилители не имеют клеммы заземления 0 В, им нужен двойной источник питания. Заземление устанавливается снаружи через общий провод источника питания. Напряжение источника питания обычно обозначается VCC и VEE. Типичные значения этих напряжений — 10 В, 12 В и 15 В. Эквивалентная схема включает дифференциальное входное сопротивление rd, коэффициент усиления по напряжению a и выходное сопротивление ro. Это параметры разомкнутого контура.

Поскольку обе входные клеммы могут достигать независимых потенциалов относительно земли, входной порт называется двусторонним.Его также называют дифференциальным усилителем (дифференциальным усилителем), поскольку операционный усилитель реагирует на разницу между входными напряжениями, а не на их индивидуальные значения.

Структура операционного усилителя:

Операционный усилитель изготовлен на крошечной Si-микросхеме и упакован в подходящий корпус. Провода тонкого сечения используются для подключения микросхемы к внешним выводам. Он имеет комбинацию многих транзисторов, которые включают полевые транзисторы и резисторы в свободном пространстве для выводов. В настоящее время BJT используются редко, в большинстве схем используются полевые МОП-транзисторы.

Давайте посмотрим на блок-схему операционного усилителя.

Блок-схема:

Введение в характеристики схемы идеального операционного усилителя

Введение

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

1 Характеристики идеального операционного усилителя

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

1.1 Бесконечное входное сопротивление

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

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

1.2 Нулевой выходной импеданс

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

1,3 Бесконечное усиление без обратной связи

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

1.4 Бесконечный коэффициент подавления синфазного сигнала

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

1.5 Бесконечная пропускная способность

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

2 предположения об идеальном операционном усилителе

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

Рисунок 2. Насыщенность ОУ

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

3 Рабочие характеристики идеальных операционных усилителей

3.1 Работа в линейной области

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

3.2 Работа в нелинейной области

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

Анализ 4 характеристик идеального операционного усилителя

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

5 предустановок сбалансированного сопротивления

5.1 Роль сбалансированного сопротивления

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

5.2 Описание входного балансировочного резистора

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

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

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

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

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

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

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

6 уравнений идеального ОУ

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

(а)

На основе виртуального разрыва u + = u-, затем

(б)

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

(в)

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

(г)

Таким образом, конечный выход операционного усилителя:

(д)

7 Несколько общих схем операционных усилителей

Схема неинвертирующего усилителя
Неинвертирующий усилитель — это конфигурация схемы операционного усилителя, которая выдает усиленный выходной сигнал.Он обеспечивает высокое входное сопротивление и все преимущества, полученные от использования операционного усилителя.

Рисунок 3. Схема неинвертирующего усилителя

Схема инвертирующего усилителя
Инвертирующий усилитель (также известный как инвертирующий операционный усилитель или инвертирующий операционный усилитель) представляет собой тип схемы операционного усилителя, который выдает выходной сигнал, сдвинутый по фазе по отношению к его входу на 180 градусов по фазе. относительно входного сигнала. На следующем рисунке показаны два внешних резистора для создания цепи обратной связи и замыкания цепи через усилитель.

Рисунок 4. Схема инвертирующего усилителя

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

Рисунок 5. Операционный усилитель как сумматор

Дифференциальный усилитель
Дифференциальный усилитель представляет собой аналоговую схему с двумя входами и одним выходом, в которой выходной сигнал идеально пропорционален разности между двумя напряжениями.Это очень полезная схема операционного усилителя, в которой параллельно с входными резисторами добавлено больше резисторов, как показано ниже.

Рисунок 6. Дифференциальный усилитель

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

Рисунок 7. Композитный усилитель

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

8 Различий между идеальным операционным усилителем и практичным операционным усилителем

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

9 Номер ссылки

Обзор основ электронного операционного усилителя
Обзор основ неинвертирующих и инвертирующих усилителей
Основные проблемы Анализ основных принципов работы операционного усилителя

Операционный усилитель

— Базовый курс аналоговой электроники

Операционный усилитель (ОУ) — это электронный усилитель напряжения с высоким коэффициентом усиления, связанный по постоянному току, с дифференциальным входом и, как правило, с несимметричным выходом.Выходное напряжение, создаваемое операционным усилителем, обычно в сотни тысяч раз превышает разность напряжений между его входными клеммами.

Характеристики схемы, в которой используется операционный усилитель, задаются внешними компонентами с небольшой зависимостью от изменений температуры или производственных вариаций самого операционного усилителя, что делает операционные усилители популярными строительными блоками для проектирования схем.

Операционный усилитель — один из самых полезных и важных компонентов аналоговой электроники.Операционные усилители широко используются в бытовых, промышленных и научных устройствах.

Операционный усилитель Symbol

Символ схемы операционного усилителя показан справа, где:

  • В +: неинвертирующий вход
  • V−: инвертирующий вход
  • Vout: выход
  • VS +: положительный источник питания
  • VS-: отрицательный источник питания

Дифференциальные входы усилителя состоят из входа V + и входа V-, и операционный усилитель усиливает только разницу в напряжении между ними, которая называется дифференциальным входным напряжением.Выходное напряжение операционного усилителя определяется уравнением: \ begin {уравнение} V_ {out} = {A_ {OL} \, (V _ {\! +} — V _ {\! -})} \ end {уравнение} куда

  • V + — это напряжение на неинвертирующем выводе, V- — это напряжение на инвертирующем выводе, а OL — коэффициент усиления усилителя без обратной связи.
  • Диапазон напряжений V out ограничен напряжениями источника питания до VS + и VS-.

Характеристики идеального ОУ

Чтобы упростить наш расчет различных практических конфигураций операционных усилителей, мы предполагаем, что идеальный операционный усилитель имеет следующие свойства:

  • Бесконечное усиление без обратной связи (A OL = ∞)
  • Диапазон напряжения на выходе ограничен напряжениями источника питания до максимального VS + и минимального VS-.Если VS + и VS- не указаны, то предполагается, что диапазон выходного напряжения бесконечен.
  • Бесконечная полоса пропускания с нулевым фазовым сдвигом и бесконечной скоростью нарастания
  • Бесконечное входное сопротивление и, следовательно, нулевой входной ток (I- = I + = 0)
  • Нулевое входное напряжение смещения
  • Нулевое выходное сопротивление
  • Отсутствие шума
  • Бесконечный коэффициент подавления синфазного сигнала (CMRR)
  • Бесконечный коэффициент отказа блока питания.

Конфигурации обратной связи

Цепи операционных усилителей

имеют следующие 3 конфигурации обратной связи

  • Разомкнутый контур — обратной связи нет.Операционный усилитель, используемый в этой конфигурации, также называется компаратором.
  • Отрицательная обратная связь — часть выходного сигнала возвращается на инвертирующий вход (V-). Схемы, использующие эту конфигурацию, считаются схемами линейных операционных усилителей и включают Только для цепей отрицательной обратной связи мы можем предположить следующее (почему?) \ begin {уравнение} V_ + = V_- \ end {уравнение}
  • Положительная обратная связь — часть выходного сигнала возвращается на неинвертирующий вход (V +).Схемы, использующие эту конфигурацию, включают
    • Триггер Шмитта
    • Триггерный осциллятор Шмитта

С доходов от рекламы падения, несмотря на все большее число посетителей, нам нужна ваша помощь, чтобы сохранить и улучшить этот сайт, который занимает много времени, денег и тяжелую работу.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *