Site Loader

Содержание

Операционный усилитель | Электроника для всех

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:

Uout=(U2-U1)*K

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

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

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

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.

Uout = (0 — U1)*К = — К*U1
Uout’ = (-K*U1 — U1)*K1

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 U

out/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:

Uout = U1*(1+R1/R2)

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:

Uout = — Uin * R1/R2

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:

Uout = U2*K2 — U1*K1

K2 = ((R3+R4) * R6 ) / (R6+R5)*R4
K1 = R3/R4

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

Uout = R3/R4 (U2 — U1).

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

Сумматор инвертирующий

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.

Uout = -1(R3*U1/R1 + R3*U2/R2)

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.

Uout = U1*K1 + U2*K2

K1 = R5/R1
K2 = R5/R2

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 🙂

Операционный усилитель, принцип работы для чайников!

Приветствую вас дорогие друзья! Вот наконец добрался я  до своего компьютера,  приготовил себе чайку с печеньками  и понеслась…

Для тех кто впервые на моем блоге и не совсем понимает что здесь происходит спешу напомнить, меня зовут Владимир Васильев и на этих страницах я делюсь со своими читателями сакральными знаниями из области электроники и не только электроники. Так что может быть и вы здесь найдете  для себя что-то полезное, по крайней мере я на это надеюсь.  Обязательно подпишитесь, тогда вы ничего не пропустите.

А сегодня речь пойдет о таком электронном устройстве как операционный усилитель.  Эти усилители   применяются повсеместно, везде где требуется усилить сигнал по мощности найдется работенка для операционника.

Особенно распространено применение  операционных усилителей в аудиотехнике. Каждый аудиофилл стремится усилить звучание своих музыкальных колонок и поэтому старается прикрутить усилитель по мощнее. Вот здесь мы и сталкиваемся с операционными усилителями,  ведь многие аудиосистемы просто нашпигованы ими.  Благодаря  свойству операционного усилителя усиливать сигнал по мощности мы ощущаем более мощное давление на свои барабанные перепонки когда слушаем композиции на своих аудио колонках. Вот так вот в быту мы оцениваем  качество работы операционного усилителя  на слух.

В  этой статье на слух мы оценивать ничего не будем но постараемся рассмотреть все детально и  разложим все по полочкам чтобы стало понятно даже самому самоварному чайнику .


[contents]


Что такое операционный усилитель ?

Операционные усилители представляют собой микросхемы которые могут выглядеть по-разному.

Например на этой картинке изображены два операционных усилителя российского производства. Слева операционный усилитель К544УД2АР в  пластмассовом DIP корпусе а справа изображен операционник в металлическом  корпусе.

По началу, до знакомства с операционниками,     микросхемы в таких металлических корпусах я постоянно путал с транзисторами.  Думал что это такие хитромудрые  многоэмиттерные транзисторы 🙂

Условное графическое обозначение (УГО)

Условное обозначение операционного усилителя выглядит следующим образом.

Итак  операционный усилитель (ОУ) имеет два входа и один выход. Также имеются выводы для подключения питания но на условных графических обозначениях их обычно не указывают.

Для такого усилителя есть два правила которые помогут понять принцип работы:

 

  1. Выход операционника стремится к тому, чтобы разность напряжений на его входах была равна нулю
  2. Входы операционного усилителя ток не потребляют

Вход 1  обозначается знаком «+»  и называется неинвертирующим а вход 2 обозначается как «-» и является инвертирующим.

Входы операционника обладают высоким входным сопротивлением или иначе говорят высоким импедансом.

Это говорит о том, что  входы операционного усилителя ток почти не потребляют (буквально какие-то наноамперы). Усилитель просто оценивает величину напряжений на входах и в зависимости от этого выдает сигнал на выходе усиливая его.

Коэффициент усиления операционного усилителя имеет просто огромное значение,  может достигать миллиона, а это очень большое значение!  Значит это то, что если мы ко входу приложим небольшое напряжение, хотябы 1 мВ, то на выходе  получим сразу максимум,  напряжение почти равное напряжению источника питания ОУ. Из-за этого свойства операционники практически никогда не используют без обратной связи (ОС). Действительно какой смысл во входном сигнале если на выходе мы всегда получим максимальное напряжение, но об этом поговорим чуть позже.

Входы ОУ работают так, что если величина на неинвертирующем входе окажется больше чем на инвертирующем, то на выходе будет  максимальное положительное значение +15В. Если на инвертирующем входе величина напряжения  окажется более положительной то  на выходе будем наблюдать максимум отрицательной величины, где-то -15В.

Действительно операционный усилитель может выдавать значения напряжений как положительной так и отрицательной полярности. У новичка может возникнуть вопрос о том как же такое возможно? Но такое действительно возможно и это связано с применением источника питания с расщепленным  напряжением, так называемым двуполярным питанием. Давайте рассмотрим питание операционника чуток подробнее.

Правильное питание ОУ

Наверное не будет секретом, что для того, чтобы операционник работал, его нужно запитать, т.е. подключить его к источнику питания. Но есть интересный момент, как мы убедились чуток ранее операционный усилитель может выдавать на выход напряжения как положительной так и отрицательной полярности. Как такое может быть?

А такое быть может! Это связано с применением двуполярного источника питания, конечно возможно использование и однополярного источника но в этом случае возможности операционного усилителя будут ограничены.

Вообще в работе с источниками питания многое зависит от того что мы взяли за точку отсчета т.е. за 0 (ноль). Давайте с этим разберемся.

Пример на батарейках

 Обычно примеры проще всего приводить на пальцах но  в электронике думаю подойдут и пальчиковые батарейки 🙂

Допустим у нас есть обычная пальчиковая батарейка (батарейка типа АА). У нее есть два полюса плюсовой и минусовой. Когда минусовой полюс мы принимаем за ноль, считаем нулевой точкой отсчета то соответственно плюсовой полюс батарейки будет у нас показывать + 5В (значение с плюсом).

Это мы можем увидеть с помощью мультиметра (кстати статья про мультиметры в помощь), достаточно подключить   минусовой черный щуп к минусу батарейки а красный щуп к плюсу и вуаля. Здесь все просто и логично.

Теперь немножко усложним задачу и возьмем точно такую же вторую батарейку. Подключим батарейки последовательно и  рассмотрим как меняются показания измерительных приборов (мультиметров или вольтметров) в зависимости от различных точек приложения щупов.

Если мы за ноль приняли минусовой полюс крайней батарейки  а измеряющий щуп подключим к плюсу батарейки то  мультиметр нам покажет значение в +10 В.

Если за точку отсчета будет принят положительный полюс батарейки а измеряющий щуп был подключен к минусу то любой вольтметр нам покажет -10 В.

Но если за точку отсчета будет принята точка между двумя батарейками то в результате мы сможем плучить простой источник двуполярного питания. И вы можете в этом убедиться, мультиметр нам подтвердит что так оно и есть. У нас в наличии   будет напряжение как положительной полярности +5В так и  напряжение отрицательной полярности -5В.

Схемы источников двуполярного питания

Примеры на батарейках я привел для примера, чтобы было более понятно. Теперь давайте рассмотрим несколько примеров  простых схем источников расщепленного питания которые можно применять в своих радиолюбительских конструкциях.

Схема с трансформатором,  с отводом от «средней» точки

И первая схема источника питания для ОУ перед вами. Она достаточно простая но я немножко поясню принцип ее работы.

Схема питается от привычной нам домашней  сети  поэтому нет ничего удивительного что на первичную обмотку трансформатора приходит переменный ток в 220В. Затем трансформатор преобразует переменный ток 220В в такой же переменный но уже в 30В. Вот такую  вот нам захотелось произвести трансформацию.

Да на вторичной обмотке будет переменное напряжение в 30В но обратите внимание на отвод от средней точки вторичной обмотки. На вторичной обмотке сделано ответвление, причем количество витков до этого ответвления равно числу витков после ответвления.

Благодаря этому ответвлению мы можем получить на выходе вторичной обмотки переменное напряжение как в 30 В так и переменку в 15В. Это знание мы берем на вооружение.

Далее нам нужно переменку выпрямить и превратить в постоянку поэтому диодный мост нам в помощь. Диодный мост с этой задачей справился и на выходе мы получили не очень стабильную постоянку в 30В. Это напряжение будет нам показывать мультиметр если  мы подключим шупы к выходу диодного моста, но нам нужно помнить про ответвление на вторичной обмотке.

Это ответвление мы ведем далее и подключаем между электролитическими конденсаторами и затем между следующией парой высокочастотных кондерчиков. Чего мы этим добились?

Мы добились нулевой точки отсчета между полюсами потенциалов положительной и отрицательной полярности. В результате на выходе мы имеем достаточно стабильное  напряжение как +15В так и -15В. Эту схему конечно можно еще более улучшить если добавить стабилитроны или интегральные стабилизаторы но тем не менее приведенная схема уже вполне может справиться с задачей питания операционных усилителей.

Схема с двумя диодными мостами

Эта схема на мой взгляд проще, проще в том ключе, что нет необходимости искать трансформатор с ответвлением от середины или формировать вторичную обмотку самостоятельно. Но здесь придется раскошелиться на второй диодный мост.

Диодные мосты включены так, что положительный потенциал формируется с катодов диодиков первого моста, а отрицательный потенциал выходит с анодов диодов второго моста.  Здесь нулевая точка отсчета выводится между  двумя мостами. Упомяну также, что здесь используются разделительные конденсаторы, они оберегают один диодный мост от воздействий со стороны второго.

Эта схема также легко подвергается различным улучшениям, но самое главное она решает основную задачу — с помощью нее можно запитать операционный усилитель.

Обратная связь ОУ

Как я уже упоминал операционные усилители почти всегда используют с обратной связью (ОС). Но что представляет собой обратная связь и для чего она нужна? Попробуем с этим разобраться.

С обратной связью мы сталкиваемся постоянно: когда хотим налить в кружку чая или даже сходить в туалет по малой нужде 🙂 Когда человек управляет автомобилем или велосипедом то здесь также работает обратная связь. Ведь для того, чтобы ехать легко и непринужденно  мы вынуждены постоянно контролировать управление в зависимости от различных факторов: ситуации на дороге, технического состояния средства передвижения и так далее.

Если на дороге стало скользко ? Ага мы среагировали, сделали коррекцию и дальше двигаемся более осторожно.

В операционном усилителе все происходит подобным образом.

Без обратной связи при подаче на вход определенного сигнала на выходе мы всегда получим одно и тоже значение напряжения. Оно будет близко напряжению питания (так как коэффициент усиления очень большой). Мы не контролируем выходной сигнал. Но если часть сигнала с выхода мы отправим обратно на вход то что это даст?

Мы сможем контролировать выходное напряжение. Это управление будет на столько эффективным, что можно просто забыть про коэффициент усиления, операционник  станет послушным и предсказуемым потому что его поведение будет зависеть лишь от обратной связи. Далее я расскажу как можно эффективно управлять выходным сигналом  и как его контролировать, но для этого нам нужно знать некоторые детали.

Положительная обратная связь,  отрицательная обратная связь

Да, в  операционных усилителях применяют обратную связь и очень широко. Но обратная связь   может быть как положительной так и отрицательной. Надо бы разобраться в чем суть.

Положительная обратная связь это когда часть выходного сигнала поступает обратно на вход причем она (часть выходного) суммируется с входным.

Положительная обратная связь в операционниках применяется не так широко как отрицательная. Более того положительная обратная связь чаще бывает нежелательным побочным явлением некоторых схем и положительной связи стараются избегать.  Она является нежелательной потому, что эта связь может усиливать искажения в схеме и в итоге привести к нестабильности.

С другой стороны положительная обратная связь не уменьшает коэффициент усиления операционного усилителя что бывает полезно. А нестабильность также находит свое применение в компараторах, которые  используют в АЦП (Аналого-цифровых преобразователях).

Отрицательная обратная связь это такая связь когда часть выходного сигнала поступает обратно на вход но при этом она вычитается из входного

А вот отрицательная обратная связь просто создана для операционных усилителей. Несмотря на то, что она способствует некоторому ослаблению коэффициента усиления, она приносит в схему стабильность и управляемость.  В результате схема становится независимой от коэффициента усиления, ее свойства полностью управляются отрицательной обратной связью.

При использовании отрицательной обратной связи операционный усилитель приобретает одно очень полезное свойство. Операционник контролирует состояния своих входов и стремится к тому, потенциалы на его входах были равны. ОУ подстраивает свое выходное напряжение так, чтобы результирующий входной потенциал (разность Вх.1 и Вх.2) был нулевым.

Подавляющая часть схем на операционниках строится с применением отрицательной обратной связи! Так что для того чтобы разобраться как работает отрицательная связь нам нужно рассмотреть схемы включения ОУ.

Схемы включения операционных усилителей

Схемы включения операционных усилителей могут быть весьма разнообразны поэтому мне врятля удастся  рассказать о каждой но  я постараюсь рассмотреть основные.

Компаратор на ОУ

Формулы для  компараторной схемы будут следующие:

Т.е. в результате будет напряжение соответствующее логической единице.

Т.е. в результате будет напряжение соответствующее логическому нулю.

Схема компаратора обладает высоким входным сопротивлением (импедансом) и низким выходным.

Рассмотрим для начала вот такую схему включения  операционника  в режиме компаратора.  Эта схема включения лишена обратной связи.  Такие схемы применяются в цифровой схемотехнике когда нужно оценить сигналы на входе, выяснить какой больше  и выдать результат в цифровой форме. В итоге на выходе будет логическая 1 или логический ноль (к примеру 5В это 1 а 0В это ноль).

Допустим  напряжение стабилизации стабилитрона  5В,  на вход один мы приложили 3В а к входу 2 мы приложили 1В. Далее в компараторе происходит следующее, напряжение на прямом входе 1  используется как есть (просто потому что это неинвертирующий вход) а напряжение на инверсном входе 2 инвертируется. В результате где было 3В так и остается 3В а где был 1В будет -1В.

В результате 3В-1В =2В, но благодаря коэффициенту усиления операционника на выход пойдет напряжение равное напряжению источника питания, т.е. порядка 15В. Но стабилитрон отработает и на выход пойдет 5В что соответствует логической единице.

Теперь представили, что на вход 2 мы кинули 3В а на вход 1 приложили 1В. Операционник все это прожует, прямой вход оставит без изменений, а инверсный (инвертирующий)  изменит на противоположный  из 3В сделает -3В.

В результате 1В-3В=-2В, но согласно логике работы на выход пойдет минус источника питания т.е. -15В. Но у нас стоит стабилитрон и он это не пропустит и на выходе у нас будет величина близкая нулю. Это и будет логический ноль для цифровой схемы.

Триггер Шмитта на ОУ

Чуть ранее мы рассматривали такую схему включения ОУ как компаратор. В компараторе сравниваются два напряжения на входе и выдается результат на выходе. Но чтобы сравнивать входное напряжение с нулем нужно воспользоваться схемой представленной чуть выше.

Здесь сигнал подается на инвертирующий вход а прямой вход посажен на землю, на ноль.

Если на входе у нас напряжение больше нуля то на выходе будем иметь  -15В. Если напряжение меньше нуля то на выходе будет+15В.

Но что случится если мы захотим подать напряжение равное нулю? Такое напряжение никогда не получится сделать, ведь идеального нуля не бывает и сигнал на входе хоть на доли микровольт но обязательно будет меняться в ту или другую сторону.  В результате на выходе будут полный хаос, выходное напряжение будет многократно скакать  максимума до минимума что на практике совершенно не удобно.

Для избавления от подобного хаоса вводит гистерезист — это некий зазор в пределах которого сигнал на выходе не будет меняться.

Этот зазор позволяет реализовать данная схема посредством положительной обратной связи.

Представим, что на вход мы подали 5В , на выходе в первое мгновение получится сигнал напряжением в -15В. Далее начинает отрабатывать положительная обратная связь.  Обратная связь образует делитель напряжения в результате чего на прямом входе операционника появится напряжение -1,36В.

На инверсном входе у нас сигнал более положительный поэтому  операционный усилитель отработает следующим образом.  Внутри него сигнал в 5В инвертируется и становится -5В, далее два сигнала складываются и получается отрицательное значение. Отрицательное значение благодаря коэффициенту усиления станет -15В. Сигнал на выходе не изменится пока сигнал на входе не опустится менее -1,36В.

Пусть сигнал на входе изменился и стал -2В. В нутрях это -2В инвертируется и станет +2В, а -1,36В как был так и останется. Далее все это складывается и получается положительное значение которое на выходе превратится в +15В.  На прямом входе значение -1,36В благодаря обратной связи превратится в +1,36В. Теперь чтобы изменить значение на выходе на противоположное нужно подать сигнал более 1,36В.

Таким образом у нас появилась зона с нулевой чувствительностью с диапазоном от -1,36В до +1,36В. Такая зона нечувствительности носит название гистерезис.

Повторитель

Наиболее простой обладатель отрицательной обратной связи это повторитель.

Повторитель выдает на выходе то напряжение, которое было подано на его вход. Казалось бы для чего  это нужно ведь от этого ничего не меняется. Но в этом есть смысл, ведь вспомним свойство операционника, он обладает высоким входным сопротивлением и низким выходным. В схемах повторители выступают в роли буфера, который оберегает от перегрузок хилые выходы.

Чтобы понять как он работает отмотаете чуток назад, там где мы обсуждали отрицательную обратную связь. Там я упоминал, что в случае с отрицательной обратной связью операционник всеми возможными способами стремится к равному потенциалу по своим входам.  Для этого он подстраивает напряжение на своем выходе так, чтобы разность потенциалов на его входах равнялась нулю.

Так допустим на входе у нас 1В. Чтобы потенциалы на входах были раны на инвертирующем входе должен быть также 1В. На то  он и повторитель.

Неинвертирующий усилитель

Схема неинвертирующего усилителя очень похожа на схему повторителя, только здесь обратная связь представлена делителем напряжения и посажена на землю.

Посмотрим как все это работает. Допустим на вход подано 5В, резистор R1 = 10Ом, резистор R2 = 10Ом. Чтобы напряжение на входах были равны, операционник вынужден поднять напряжение на выходе так, чтобы потенциал на инверсном входе сравнялся с прямым. В данном случае делитель напряжения делит пополам, получается, что напряжение на выходе должно быть  в два раза больше напряжения на входе.

Вообще чтобы применять эту схему включения даже не нужно  ничего ворошить в голове, достаточно воспользоваться формулой, где достаточно узнать коэффициент К.

Инвертирующий усилитель

И сейчас мы рассмотрим работу такой схемы включения как инвертирующий усилитель.  Для инвертирующего усилителя  есть такие формулы:

Инвертирующий усилитель позволяет усиливать сигнал одновременно инвертируя (меняя знак ) его . Причем коэффициент усиления мы можем задать любой. Этот коэффициент усиления мы формируем посредством отрицательной обратной связи, которая представляет собой делитель напряжения.

Теперь попробуем его в работе, допустим на входе у нас сигнал в 1В, резистор R2 = 100Ом, резистор R1 = 10Ом. Сигнал со входа идет через R1, затем R2  и на выход.  Допустим сигнал на выходе невероятным образом стал 0В. Рассчитаем делитель напряжения.

1В/110=Х/100, отсюда Х = 0,91В

Получается что в точке А потенциал равен 0,91В,  но это противоречит правилу операционного усилителя. Ведь операционник стремится уравнять потенциалы на своих входах. Поэтому потенциал в точке А будет равен нулю и равен потенциалу в точке B.

Как сделать так чтобы на входе был 1В а в точке А  был 0В?

Для этого нужно уменьшать напряжение на выходе.  И в результате мы получаем

 

К сожалению инвертирующий усилитель обладает одним явным недостатком — низким входным сопротивлением, которое равняется резистору R1.

Сумматор инвертирующий

 

А эта схема включения позволяет складывать множество входных напряжений. Причем напряжения могут быть как положительными так и отрицательными. По истине на операционниках можно строить аналоговые компьютеры. Так чтож давайте разбираться.

Основой сумматора служит все тот же инвертирующий усилитель только с одним отличием, вместо одного входа он может иметь этих входов сколько угодно. Вспомним формулку и инвертирующего усилка.Потенциал точки Х будет равен нулю поэтому сумма токов входящих с каждого входа будет выглядеть вот так:Если нашей целью является чистое сложение входных напряжений то все резисторы в этой схеме выбираются одного номинала.  Это приводит также что коэффициент усиления для каждого входа будет равен 1. Тогда формула для инвертирующего усилителя принимает вид: 

Ну чтож, я думаю что с работой сумматора и других схем включения на операционниках разобраться не трудно. Достаточно немножко попрактиковаться и попробовать собрать эти схемы и посмотреть что происходит с входными и выходными сигналами.

А я на этом пожалуй остановлюсь ведь в работе с операционными усилителями применяются очень много различных схем включения, это различные преобразователи ток-напряжение,  сумматоры, интеграторы и логарифмирующие усилители и все их рассматривать можно очень долго.

Если вас заинтересовали другие схемы включения и хотите с ними разобраться то советую полистать книжку П.Хоровица и У.Хилла,  все обязательно встанет на свои места.

А на этом я буду завершать, тем более статья получилась достаточно объемной и  после написания ее нужно чутка подшлифовать и навести марафет.

Друзья, не забывайте подписываться на обновления блога, ведь чем больше читателей подписано на обновления тем больше я понимаю что  делаю что-то важное и полезное и это чертовски мотивирует на новые статьи и материалы.

Кстати друзья, у меня возникла одна классная идея и мне очень важно слышать ваше мнение. Я подумываю выпустить обучающий материал   по операционным усилителям, этот материал будет в виде обычной pdf книжки или видеокурса, еще не решил. Мне кажется что несмотря на большое обилие информации в интернете и в литературе все=таки не хватает наглядной практической информации, такой, которую сможет понять каждый.

Так вот, напишите пожалуйста в комментариях какую информацию вы хотели бы видеть в этом обучающем материале чтобы я мог выдавать не просто полезную информацию а информацию которая действительно востребована.

А на этом у меня все, поэтому я желаю вам удачи, успехов и прекрасного настроения, даже не смотря на то что за окном зима!

С н/п Владимир Васильев.

P.S. Друзья, обязательно подписывайтесь на обновления! Подписавшись вы будете получать новые материалы себе прямо на почту! И кстати каждый подписавшийся получит полезный подарок!

Операционный усилитель. Руководство по применению. Глава 21-31 Deneb-80

Приветствую!

Продолжаем знакомиться ближе с операционным усилителем.

Оригинал на английском языке в формате pdf

  A compendium of blog posts on op amp design topics by Bruce Trump (17,1 MiB, 621 hits)

<< Предыдущие главы 1-10 | 11-20

  • ГЛАВА 21 – Время установления: взгляд на форму сигнала

Время установления (Settling time) – это время, необходимое операционному усилителю, чтобы отреагировать на прямоугольный импульс входного напряжения, а затем достичь дифференциального сигнала ошибки, который бы соответствовал конечному значению выходного напряжения. Эта характеристика важна для многих приложений. Таких, например, в которых быстроменяющиеся сигналы с выхода ОУ оцифровываются аналого-цифровым преобразователем (АЦП). Но давайте заглянем за пределы сухих определений и сосредоточимся на характере изменения формы сигналов.

В главе 20 мы рассмотрели, как ОУ переходит из состояния ограничения скорости нарастания в область малых сигналов (рисунок 52). При этом можно заметить, что чем больше коэффициент усиления, тем более плавно выходной сигнал приближается к конечному значению.

Читать полностью …


  • ГЛАВА 22 – Шум резисторов: обзор основных понятий

Общий уровень шума усилителя сильно зависит от шума Джонсона, сопротивления источника питания и резисторов обратной связи. Почти каждый знает, что резисторы имеют собственный шум, но некоторые детали этого явления могут быть не вполне ясными. Давайте рассмотрим эту тему в рамках подготовки к будущему обсуждению шумов в схемах усилителей.

Шумовая модель резистора (модель Тевенина) состоит из бесшумного резистора, включенного последовательно с источником шумового напряжения (рисунок 55).

Читать полностью …


  • ГЛАВА 23 – Шумы операционного усилителя: неинвертирующая схема

Давайте рассмотрим некоторые базовые основы шумов усилителя с учетом особенностей, выявленных в предыдущей части. Неинвертирующая схема усилителя является наиболее распространенной для малошумящих приложений, поэтому я сосредоточусь именно на ней.

Модель источника входного сигнала на рисунке 58 представлена в виде источника шумового напряжения с последовательным сопротивлением RS. Известно, что сопротивление RS обладает собственным шумом, пропорциональным корню сопротивления (прямая линия на рисунке 59). Цель малошумящего усилителя состоит в том, чтобы добавлять как можно меньше дополнительного шума к уже имеющемуся шуму источника сигнала.

Читать полностью …


  • ГЛАВА 24 – Шумы ОУ: как насчет резисторов обратной связи?

В предыдущей главе я исследовал шум неинвертирующего усилителя, но не поднял вопроса о вкладе компонентов цепи обратной связи в общий шум схемы. Итак, как насчет шумов от R1 и R2 на рисунке 60?

Общий шум на инвертирующем входе включает тепловой шум резисторов обратной связи и шумовой ток ОУ, взаимодействующий с R1 и R2. Вы можете рассчитать выходной сигнал, вызываемый этими источниками шума, используя базовые соотношения операционного усилителя:

  • напряжение теплового шума R1 усиливается с коэффициентом усиления -R2/R1;
  • напряжение теплового шума R2 поступает напрямую на выход;
  • шумовой ток инвертирующего входа, протекая через R2, формирует на выходе шум, равный IN ⋅ R2.

Эти источники шума не коррелированы, поэтому при расчете общего шума необходимо суммировать квадраты шумовых составляющих (формула 2). Существует более наглядный и интуитивно понятный способ оценить влияние этих источников шума. Было бы гораздо удобнее работать с источниками шума, если бы все они были подключены к неинвертирующему входу. Для этого можно разделить значение общего шума на выходе на значение коэффициента усиления. Этот способ приведения ко входу позволяет легко сравнивать влияние источников шума со входным сигналом.

Читать полностью …


  • ГЛАВА 25 – 1/f-шум: фликкер-шум

Низкочастотный 1/f-шум – довольно загадочное явление, его также называют фликкер-шумом (flicker-noise). На осциллографе с высоким разрешением развертки он имеет вид медленно меняющегося сигнала, на который накладывается более высокочастотный шум (рисунок 61). Еще одно название этого шума – розовый шум – также предполагает наличие значительных низкочастотных составляющих. Кажется, что фликкер-шум присутствует во всех физических системах и во всех естественных науках. Например, погодные/климатические модели имеют 1/f-компонент. Рассуждать о причинах его наличия в полупроводниках – слишком глубокая тема для данного руководства.

Читать полностью …


  • ГЛАВА 26 – ОУ, стабилизированные прерыванием: действительно ли они шумные?

Операционные усилители, стабилизированные прерыванием (Chopper op amps) отличаются очень малым значением напряжения смещения, что значительно уменьшает низкочастотный 1/f-шум. Как это происходит?

На рисунке 63 показан входной каскад операционного усилителя, стабилизированного прерыванием. Этот каскад построен на базе усилителя тока, управляемого напряжением. Входное дифференциальное напряжение на его входе преобразуется в дифференциальный выходной ток. Стабилизация прерыванием осуществляется с помощью коммутирующих переключателей, которые синхронно меняют полярность подключения на входах и выходах. Поскольку дифференциальные входы и выходы переключаются одновременно, то на выходном конденсаторе C1 присутствует сигнал постоянной полярности.

Читать полностью …


  • ГЛАВА 27 – Развязывающие конденсаторы: они нужны, но зачем?

Всем известно, что операционные усилители должны иметь развязывающие конденсаторы по цепям питания, расположенные рядом с выводами микросхемы. Но почему, например, какой-то усилитель вдруг оказывается более склонным к самовозбуждению без надлежащей развязки? Ответы на эти вопросы расширят ваш кругозор и облегчат понимание ситуации.

Коэффициент подавления шумов напряжения питания (Power supply rejection) характеризует способность операционного усилителя подавлять колебания и пульсации, возникающие на выводах питания. Например, на рисунке 65 показано, что коэффициент подавления шумов очень высок на низкой частоте, но с увеличением частоты уменьшается. Таким образом, на высоких частотах наблюдается более слабое подавление возникающих помех.

Читать полностью …


  • ГЛАВА 28 – Неиспользуемые операционные усилители: что с ними делать?

Когда я говорю о неиспользуемых операционных усилителях, я не имею в виду микросхемы, лежащие у вас на полке (для их хранения следует использовать антистатические пакеты). Что делать с теми ОУ, которые находятся на печатной плате? Например, неиспользуемым может оказаться один из усилителей в микросхеме, содержащей четыре или два интегральных ОУ.

В таких случаях лучшим вариантом будет подключение неиспользованных ОУ по схеме с обратной связью (рисунок 67). Схема буфера с единичным усилением является очевидным выбором, поскольку она не требует дополнительных компонентов (рисунок 67б). Оставшийся вход следует подключить к напряжению в пределах допустимого входного диапазона. Не стоит оставлять входы неподключенными. Также следует избегать подключений, которые могут вызвать перегруз входа или выхода либо перевести усилитель в неопределенное состояние с высоким уровнем шумов (рисунок 67а).

Читать полностью …


ГЛАВА 29 – Защита входов от перенапряжений

При проектировании операционного усилителя разработчики часто задаются вопросом, как будут подключаться входы ОУ, будут ли обращаться с ними с осторожностью или есть вероятность того, что их могут небрежно подключить напрямую к сети переменного тока? Мы все хотим сделать свое оборудование надежным, способным выдерживать самое жесткое обращение, поэтому в этом разделе я объясню, как входы ОУ защищают от электрических перенапряжений (Electrical over-stress, EOS).

OPA320 – типичный представитель операционных усилителей. В перечне его предельных рабочих параметров приводятся значения максимального напряжения питания, максимального входного напряжения и тока (см. таблица, рисунок 68). В примечании указано, что если вы ограничиваете входной ток, то вам не нужно ограничивать входное напряжение. Внутренние ограничительные диоды выдерживают ток до ±10 мА. Однако ограничение тока при высоковольтных перегрузках может потребовать использования значительного последовательного входного сопротивления, которое приведет к увеличению шума, уменьшению полосы пропускания и, возможно, созданию других ошибок.

 

Ограничительные диоды начинают включаться, когда значение входного напряжения превышает значение напряжения питания примерно на 0,6 В. Многие устройства обычно выдерживают более высокое значение тока, но прямое падение напряжения при этом резко возрастает, увеличивая вероятность повреждения.

Вы можете значительно повысить устойчивость ОУ к высоким входным токам и увеличить уровень защиты путем добавления внешних диодов. Обычные сигнальные диоды, например, популярные 1N4148, как правило, имеют более низкое значение прямого падения напряжения, чем встроенные защитные диоды.

В стендовых тестах я обнаружил, что у всех диодов 1N4148 падение напряжения как минимум на 100 мВ меньше, чем у встроенных  диодов в рассматриваемых нами усилителях. При параллельном подключении внешних диодов большая часть тока будет течь именно через них.

Диоды Шоттки имеют еще меньшее прямое падение напряжения и могут обеспечить более высокую защиту. Однако у них, как правило, есть общий недостаток, который заключается в высоких значениях тока утечки. При комнатной температуре величина утечки достигает единиц микроампер или даже больше. При этом с ростом температуры это значение увеличивается.

Читать полностью …


ГЛАВА 30 – Могут ли дифференциальные ограничительные диоды на входе ОУ влиять на его работу?

В следующей части я буду писать об использовании операционных усилителей в качестве компараторов. В ней мы рассмотрим влияние встроенных ограничительных диодов на работу таких компараторов. Сейчас же я задаю вопрос: могут ли эти диоды влиять на штатную работу ОУ? Напряжение между входами ОУ должно быть практически равным нулю, не так ли? Таким образом, эти диоды никогда не будут пропускать ток при нормальной работе ОУ…или все таки будут?

А сейчас давайте поговорим о дифференциальных ограничительных диодах, которые могут присутствовать в некоторых ОУ (рисунок 70).

Изменения в поведении ОУ зачастую можно заметить в базовых неинвертирующих схемах, в том числе — при работе простого буферного повторителя G = 1. Рассмотрим воздействие ступенчатого импульса напряжения. Выход не может сразу же отреагировать на появление сигнала на входе. Если напряжение импульса больше 0,7 В, то D1 откроется, а сигнал на неинвертирующем входе будет искажен. В течение этого периода, пока операционный усилитель формирует напряжение на выходе, на входе будет наблюдаться бросок тока высокого значения (рисунок 71). В конце концов, когда сигнал на выходе «догонит» сигнал на входе, все снова придет в норму.

Читать полностью …


ГЛАВА 31 – ОУ в режиме компаратора: допустимо ли это?

Многие разработчики (и я тоже) иногда используют операционные усилители в качестве компараторов. Обычно так происходит, когда нужен только один простой компаратор, и у вас остался «запасной» операционный усилитель в микросхеме, содержащей четыре ОУ в одном корпусе. Фазовая компенсация, необходимая для устойчивой работы операционного усилителя, приводит к тому, что из ОУ может получиться только очень медленный компаратор. Однако если требования по быстродействию являются скромными, то ОУ может быть достаточно. Иногда возникают вопросы по такому режиму использованию ОУ. В то время как некоторые операционные усилители работают нормально, другие работают не так, как ожидалось. Давайте разберемся, почему так происходит.

Многие операционные усилители имеют защитные ограничительные диоды, подключенные между входами. Чаще всего используют параллельное включение двух разнонаправленных диодов. Они защищают переход «база-эмиттер» входных транзисторов от обратного пробоя. Для многих ИС пробой перехода «база-эмиттер» начинается при подаче дифференциального входного напряжения около 6 В. Это приводит к повреждению транзисторов или нарушению их работы. На рисунке 73 защиту входного каскада из NPN-транзисторов обеспечивают диоды D1 и D2.

В большинстве схем с операционными усилителями входное напряжение близко к нулю, и защитные диоды никогда не включаются. Но очевидно, что эти диоды могут стать проблемой при работе ОУ в режиме компаратора. Мы имеем ограниченный дифференциальный диапазон напряжения (около 0,7 В), при превышении которого один вход будет перетягивать другой, подтягивая его напряжение. Это не исключает возможность работы ОУ в качестве компаратора, но здесь требуется выполнение ряда условий. Эти условия в некоторых схемах могут быть абсолютно неприемлемыми.

Проблема заключается в том, что TI и другие производители операционных усилителей не всегда сообщают о наличии защитных диодов в документации. Даже когда информация о них присутствует, все равно нет четкого предупреждения о возможных проблемах. Наверное, следовало бы прямо говорить: «Будьте осторожны при использовании данного ОУ в качестве компаратора!». На самом деле авторы документации часто предполагают, что операционный усилитель будет использоваться только по прямому назначению. Мы провели встречу с нашей командой разработчиков и решили, что в будущем будем сообщать пользователям о потенциальных проблемах более четко. Но как быть с уже существующими ОУ? Ниже приведены некоторые рекомендации, которые могут помочь.

В большинстве случаев операционные усилители со входными NPN-транзисторами имеют защитные диоды. Примерами могут служить OP07OPA227OPA277 и многие другие. Исключением является старый усилитель μA741. У него, кроме входных NPN-транзисторов, имеются дополнительные последовательно включенные PNP-транзисторы, которые обеспечивают встроенную защиту для NPN (рисунок 74).

Читать полностью …


<< Предыдущие главы 1-10 | 11-20

Оставить сообщение:

[contact-form-7 id=”3550″ title=”Контактная форма 1″]

См. также:

Инвертирующий операционный усилитель. Мгту «мами» — кафедра «автоматика и процессы управления

Практическое применение операционных усилителей.Часть первая.

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.

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.

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

Инвертирующие усилители

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

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

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

Работа обратной связи

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

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

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

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

Неинвертирующий усилитель

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

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

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

Схема усилителя переменного тока

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

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

Второй пример схемы для работы с переменным напряжением

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

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

Какую схему предпочтительнее использовать

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

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

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

Схема повторителя

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

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

Активный режим работы

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

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

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

Некоторые предосторожности

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

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

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

Следует учитывать

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

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

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

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

Понятие обратной связи

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

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

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

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

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

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

В неинвертирующем усилителе входной сигнал подаётся на неинвертирующий вход ОУ (+), в этом основное отличие неинвертирующего усилителя на ОУ от . При этом источник сигнала «видит» бесконечное входное сопротивление ОУ. Напряжение смещения нуля равно нулю, и поэтому инвертирующий вход ОУ должен иметь тот же потенциал, что и неинвертирующий. Ток с выхода ОУ создаёт падение напряжения на резисторе R G , которое должно быть равно входному напряжению V IN .

Рис. 1. Неинвертирующий ОУ

Для расчета выходного напряжения V OUT и коэффициента усиления воспользуется правилом расчета делителя напряжения:

После преобразования получается выражение для коэффициента усиления в следующем виде:

Важно отметить, что в выражении (2) присутствуют только номиналы пассивных элементов.
Если сопротивление резистора R G выбрать намного больше, чем R F , то отношение (R F /R G) стремится к нулю, а при нулевом сопротивлении R F выражение (2) преобразуется в

В этом случае неинвертирующий усилитель превращается в буфер (повторитель сигнала) с единичным коэффициентом передачи, с бесконечным входным и нулевым выходным сопротивлениями. Резистор R G в этом случае тоже может быть исключён из схемы. На практике некоторые ОУ могут «сгореть» при включении без резистора R F . По этой причине во многих конструкциях буферов этот резистор присутствует. Его функция — защищать инвертирующий вход от бросков напряжения путём ограничения тока на безопасном уровне. Часто используемый номинал этого резистора 20 кОм. В схемах усилителей стоковой обратной связью резистор R F определяет стабильность и требуется всегда. Впрочем, не поленитесь и полистайте datasheet на операционник. Если там описано включение как на рис. 2 — смело используйте!

Приветствую вас дорогие друзья! Вот наконец добрался я до своего компьютера, приготовил себе чайку с печеньками и понеслась…

Для тех кто впервые на моем блоге и не совсем понимает что здесь происходит спешу напомнить, меня зовут Владимир Васильев и на этих страницах я делюсь со своими читателями сакральными знаниями из области электроники и не только электроники. Так что может быть и вы здесь найдете для себя что-то полезное, по крайней мере я на это надеюсь. Обязательно подпишитесь , тогда вы ничего не пропустите.

А сегодня речь пойдет о таком электронном устройстве как операционный усилитель. Эти усилители применяются повсеместно, везде где требуется усилить сигнал по мощности найдется работенка для операционника.

Особенно распространено применение операционных усилителей в аудиотехнике. Каждый аудиофилл стремится усилить звучание своих музыкальных колонок и поэтому старается прикрутить усилитель по мощнее. Вот здесь мы и сталкиваемся с операционными усилителями, ведь многие аудиосистемы просто нашпигованы ими. Благодаря свойству операционного усилителя усиливать сигнал по мощности мы ощущаем более мощное давление на свои барабанные перепонки когда слушаем композиции на своих аудио колонках. Вот так вот в быту мы оцениваем качество работы операционного усилителя на слух.

В этой статье на слух мы оценивать ничего не будем но постараемся рассмотреть все детально и разложим все по полочкам чтобы стало понятно даже самому самоварному чайнику.

Что такое операционный усилитель?

Операционные усилители представляют собой микросхемы которые могут выглядеть по-разному.

Например на этой картинке изображены два операционных усилителя российского производства. Слева операционный усилитель К544УД2АР в пластмассовом DIP корпусе а справа изображен операционник в металлическом корпусе.

По началу, до знакомства с операционниками, микросхемы в таких металлических корпусах я постоянно путал с транзисторами. Думал что это такие хитромудрые многоэмиттерные транзисторы 🙂

Условное графическое обозначение (УГО)

Условное обозначение операционного усилителя выглядит следующим образом.

Итак операционный усилитель (ОУ) имеет два входа и один выход. Также имеются выводы для подключения питания но на условных графических обозначениях их обычно не указывают.

Для такого усилителя есть два правила которые помогут понять принцип работы:

  1. Выход операционника стремится к тому, чтобы разность напряжений на его входах была равна нулю
  2. Входы операционного усилителя ток не потребляют

Вход 1 обозначается знаком «+» и называется неинвертирующим а вход 2 обозначается как «-» и является инвертирующим.

Входы операционника обладают высоким входным сопротивлением или иначе говорят высоким импедансом.

Это говорит о том, что входы операционного усилителя ток почти не потребляют (буквально какие-то наноамперы). Усилитель просто оценивает величину напряжений на входах и в зависимости от этого выдает сигнал на выходе усиливая его.

Коэффициент усиления операционного усилителя имеет просто огромное значение, может достигать миллиона, а это очень большое значение! Значит это то, что если мы ко входу приложим небольшое напряжение, хотябы 1 мВ, то на выходе получим сразу максимум, напряжение почти равное напряжению источника питания ОУ. Из-за этого свойства операционники практически никогда не используют без обратной связи (ОС). Действительно какой смысл во входном сигнале если на выходе мы всегда получим максимальное напряжение, но об этом поговорим чуть позже.

Входы ОУ работают так, что если величина на неинвертирующем входе окажется больше чем на инвертирующем, то на выходе будет максимальное положительное значение +15В. Если на инвертирующем входе величина напряжения окажется более положительной то на выходе будем наблюдать максимум отрицательной величины, где-то -15В.

Действительно операционный усилитель может выдавать значения напряжений как положительной так и отрицательной полярности. У новичка может возникнуть вопрос о том как же такое возможно? Но такое действительно возможно и это связано с применением источника питания с расщепленным напряжением, так называемым двуполярным питанием. Давайте рассмотрим питание операционника чуток подробнее.

Правильное питание ОУ

Наверное не будет секретом, что для того, чтобы операционник работал, его нужно запитать, т.е. подключить его к источнику питания. Но есть интересный момент, как мы убедились чуток ранее операционный усилитель может выдавать на выход напряжения как положительной так и отрицательной полярности. Как такое может быть?

А такое быть может! Это связано с применением двуполярного источника питания, конечно возможно использование и однополярного источника но в этом случае возможности операционного усилителя будут ограничены.

Вообще в работе с источниками питания многое зависит от того что мы взяли за точку отсчета т.е. за 0 (ноль). Давайте с этим разберемся.

Пример на батарейках

Обычно примеры проще всего приводить на пальцах но в электронике думаю подойдут и пальчиковые батарейки 🙂

Допустим у нас есть обычная пальчиковая батарейка (батарейка типа АА). У нее есть два полюса плюсовой и минусовой. Когда минусовой полюс мы принимаем за ноль, считаем нулевой точкой отсчета то соответственно плюсовой полюс батарейки будет у нас показывать + 5В (значение с плюсом).

Это мы можем увидеть с помощью мультиметра (кстати в помощь), достаточно подключить минусовой черный щуп к минусу батарейки а красный щуп к плюсу и вуаля. Здесь все просто и логично.

Теперь немножко усложним задачу и возьмем точно такую же вторую батарейку. Подключим батарейки последовательно и рассмотрим как меняются показания измерительных приборов (мультиметров или вольтметров) в зависимости от различных точек приложения щупов.

Если мы за ноль приняли минусовой полюс крайней батарейки а измеряющий щуп подключим к плюсу батарейки то мультиметр нам покажет значение в +10 В.

Если за точку отсчета будет принят положительный полюс батарейки а измеряющий щуп был подключен к минусу то любой вольтметр нам покажет -10 В.

Но если за точку отсчета будет принята точка между двумя батарейками то в результате мы сможем плучить простой источник двуполярного питания. И вы можете в этом убедиться, мультиметр нам подтвердит что так оно и есть. У нас в наличии будет напряжение как положительной полярности +5В так и напряжение отрицательной полярности -5В.

Схемы источников двуполярного питания

Примеры на батарейках я привел для примера, чтобы было более понятно. Теперь давайте рассмотрим несколько примеров простых схем источников расщепленного питания которые можно применять в своих радиолюбительских конструкциях.

Схема с трансформатором, с отводом от «средней» точки

И первая схема источника питания для ОУ перед вами. Она достаточно простая но я немножко поясню принцип ее работы.

Схема питается от привычной нам домашней сети поэтому нет ничего удивительного что на первичную обмотку трансформатора приходит переменный ток в 220В. Затем трансформатор преобразует переменный ток 220В в такой же переменный но уже в 30В. Вот такую вот нам захотелось произвести трансформацию.

Да на вторичной обмотке будет переменное напряжение в 30В но обратите внимание на отвод от средней точки вторичной обмотки. На вторичной обмотке сделано ответвление, причем количество витков до этого ответвления равно числу витков после ответвления.

Благодаря этому ответвлению мы можем получить на выходе вторичной обмотки переменное напряжение как в 30 В так и переменку в 15В. Это знание мы берем на вооружение.

Далее нам нужно переменку выпрямить и превратить в постоянку поэтому . Диодный мост с этой задачей справился и на выходе мы получили не очень стабильную постоянку в 30В. Это напряжение будет нам показывать мультиметр если мы подключим шупы к выходу диодного моста, но нам нужно помнить про ответвление на вторичной обмотке.

Мы добились нулевой точки отсчета между полюсами потенциалов положительной и отрицательной полярности. В результате на выходе мы имеем достаточно стабильное напряжение как +15В так и -15В. Эту схему конечно можно еще более улучшить если добавить стабилитроны или интегральные стабилизаторы но тем не менее приведенная схема уже вполне может справиться с задачей питания операционных усилителей.

Эта схема на мой взгляд проще, проще в том ключе, что нет необходимости искать трансформатор с ответвлением от середины или формировать вторичную обмотку самостоятельно. Но здесь придется раскошелиться на второй диодный мост.

Диодные мосты включены так, что положительный потенциал формируется с катодов диодиков первого моста, а отрицательный потенциал выходит с анодов диодов второго моста. Здесь нулевая точка отсчета выводится между двумя мостами. Упомяну также, что здесь используются разделительные конденсаторы, они оберегают один диодный мост от воздействий со стороны второго.

Эта схема также легко подвергается различным улучшениям, но самое главное она решает основную задачу — с помощью нее можно запитать операционный усилитель.

Обратная связь ОУ

Как я уже упоминал операционные усилители почти всегда используют с обратной связью (ОС). Но что представляет собой обратная связь и для чего она нужна? Попробуем с этим разобраться.

С обратной связью мы сталкиваемся постоянно: когда хотим налить в кружку чая или даже сходить в туалет по малой нужде 🙂 Когда человек управляет автомобилем или велосипедом то здесь также работает обратная связь. Ведь для того, чтобы ехать легко и непринужденно мы вынуждены постоянно контролировать управление в зависимости от различных факторов: ситуации на дороге, технического состояния средства передвижения и так далее.

Если на дороге стало скользко? Ага мы среагировали, сделали коррекцию и дальше двигаемся более осторожно.

В операционном усилителе все происходит подобным образом.

Без обратной связи при подаче на вход определенного сигнала на выходе мы всегда получим одно и тоже значение напряжения. Оно будет близко напряжению питания (так как коэффициент усиления очень большой). Мы не контролируем выходной сигнал. Но если часть сигнала с выхода мы отправим обратно на вход то что это даст?

Мы сможем контролировать выходное напряжение. Это управление будет на столько эффективным, что можно просто забыть про коэффициент усиления, операционник станет послушным и предсказуемым потому что его поведение будет зависеть лишь от обратной связи. Далее я расскажу как можно эффективно управлять выходным сигналом и как его контролировать, но для этого нам нужно знать некоторые детали.

Положительная обратная связь, отрицательная обратная связь

Да, в операционных усилителях применяют обратную связь и очень широко. Но обратная связь может быть как положительной так и отрицательной. Надо бы разобраться в чем суть.

Положительная обратная связь это когда часть выходного сигнала поступает обратно на вход причем она (часть выходного) суммируется с входным.

Положительная обратная связь в операционниках применяется не так широко как отрицательная. Более того положительная обратная связь чаще бывает нежелательным побочным явлением некоторых схем и положительной связи стараются избегать. Она является нежелательной потому, что эта связь может усиливать искажения в схеме и в итоге привести к нестабильности.

С другой стороны положительная обратная связь не уменьшает коэффициент усиления операционного усилителя что бывает полезно. А нестабильность также находит свое применение в компараторах, которые используют в АЦП (Аналого-цифровых преобразователях).

Отрицательная обратная связь это такая связь когда часть выходного сигнала поступает обратно на вход но при этом она вычитается из входного

А вот отрицательная обратная связь просто создана для операционных усилителей. Несмотря на то, что она способствует некоторому ослаблению коэффициента усиления, она приносит в схему стабильность и управляемость. В результате схема становится независимой от коэффициента усиления, ее свойства полностью управляются отрицательной обратной связью.

При использовании отрицательной обратной связи операционный усилитель приобретает одно очень полезное свойство. Операционник контролирует состояния своих входов и стремится к тому, потенциалы на его входах были равны. ОУ подстраивает свое выходное напряжение так, чтобы результирующий входной потенциал (разность Вх.1 и Вх.2) был нулевым.

Подавляющая часть схем на операционниках строится с применением отрицательной обратной связи! Так что для того чтобы разобраться как работает отрицательная связь нам нужно рассмотреть схемы включения ОУ.

Схемы включения операционных усилителей

Схемы включения операционных усилителей могут быть весьма разнообразны поэтому мне врятля удастся рассказать о каждой но я постараюсь рассмотреть основные.

Компаратор на ОУ

Формулы для компараторной схемы будут следующие:

Т.е. в результате будет напряжение соответствующее логической единице.

Т.е. в результате будет напряжение соответствующее логическому нулю.

Схема компаратора обладает высоким входным сопротивлением (импедансом) и низким выходным.

Рассмотрим для начала вот такую схему включения операционника в режиме компаратора. Эта схема включения лишена обратной связи. Такие схемы применяются в цифровой схемотехнике когда нужно оценить сигналы на входе, выяснить какой больше и выдать результат в цифровой форме. В итоге на выходе будет логическая 1 или логический ноль (к примеру 5В это 1 а 0В это ноль).

Допустим напряжение стабилизации стабилитрона 5В, на вход один мы приложили 3В а к входу 2 мы приложили 1В. Далее в компараторе происходит следующее, напряжение на прямом входе 1 используется как есть (просто потому что это неинвертирующий вход) а напряжение на инверсном входе 2 инвертируется. В результате где было 3В так и остается 3В а где был 1В будет -1В.

В результате 3В-1В =2В, но благодаря коэффициенту усиления операционника на выход пойдет напряжение равное напряжению источника питания, т.е. порядка 15В. Но стабилитрон отработает и на выход пойдет 5В что соответствует логической единице.

Теперь представили, что на вход 2 мы кинули 3В а на вход 1 приложили 1В. Операционник все это прожует, прямой вход оставит без изменений, а инверсный (инвертирующий) изменит на противоположный из 3В сделает -3В.

В результате 1В-3В=-2В, но согласно логике работы на выход пойдет минус источника питания т.е. -15В. Но у нас стоит стабилитрон и он это не пропустит и на выходе у нас будет величина близкая нулю. Это и будет логический ноль для цифровой схемы.

Триггер Шмитта на ОУ

Чуть ранее мы рассматривали такую схему включения ОУ как компаратор. В компараторе сравниваются два напряжения на входе и выдается результат на выходе. Но чтобы сравнивать входное напряжение с нулем нужно воспользоваться схемой представленной чуть выше.

Здесь сигнал подается на инвертирующий вход а прямой вход посажен на землю, на ноль.

Если на входе у нас напряжение больше нуля то на выходе будем иметь -15В. Если напряжение меньше нуля то на выходе будет+15В.

Но что случится если мы захотим подать напряжение равное нулю? Такое напряжение никогда не получится сделать, ведь идеального нуля не бывает и сигнал на входе хоть на доли микровольт но обязательно будет меняться в ту или другую сторону. В результате на выходе будут полный хаос, выходное напряжение будет многократно скакать максимума до минимума что на практике совершенно не удобно.

Для избавления от подобного хаоса вводит гистерезист — это некий зазор в пределах которого сигнал на выходе не будет меняться.

Этот зазор позволяет реализовать данная схема посредством положительной обратной связи.

Представим, что на вход мы подали 5В, на выходе в первое мгновение получится сигнал напряжением в -15В. Далее начинает отрабатывать положительная обратная связь. Обратная связь образует делитель напряжения в результате чего на прямом входе операционника появится напряжение -1,36В.

На инверсном входе у нас сигнал более положительный поэтому операционный усилитель отработает следующим образом. Внутри него сигнал в 5В инвертируется и становится -5В, далее два сигнала складываются и получается отрицательное значение. Отрицательное значение благодаря коэффициенту усиления станет -15В. Сигнал на выходе не изменится пока сигнал на входе не опустится менее -1,36В.

Пусть сигнал на входе изменился и стал -2В. В нутрях это -2В инвертируется и станет +2В, а -1,36В как был так и останется. Далее все это складывается и получается положительное значение которое на выходе превратится в +15В. На прямом входе значение -1,36В благодаря обратной связи превратится в +1,36В. Теперь чтобы изменить значение на выходе на противоположное нужно подать сигнал более 1,36В.

Таким образом у нас появилась зона с нулевой чувствительностью с диапазоном от -1,36В до +1,36В. Такая зона нечувствительности носит название гистерезис.

Повторитель

Наиболее простой обладатель отрицательной обратной связи это повторитель.

Повторитель выдает на выходе то напряжение, которое было подано на его вход. Казалось бы для чего это нужно ведь от этого ничего не меняется. Но в этом есть смысл, ведь вспомним свойство операционника, он обладает высоким входным сопротивлением и низким выходным. В схемах повторители выступают в роли буфера, который оберегает от перегрузок хилые выходы.

Чтобы понять как он работает отмотаете чуток назад, там где мы обсуждали отрицательную обратную связь. Там я упоминал, что в случае с отрицательной обратной связью операционник всеми возможными способами стремится к равному потенциалу по своим входам. Для этого он подстраивает напряжение на своем выходе так, чтобы разность потенциалов на его входах равнялась нулю.

Так допустим на входе у нас 1В. Чтобы потенциалы на входах были раны на инвертирующем входе должен быть также 1В. На то он и повторитель.

Схема неинвертирующего усилителя очень похожа на схему повторителя, только здесь обратная связь представлена делителем напряжения и посажена на землю.

Посмотрим как все это работает. Допустим на вход подано 5В, резистор R1 = 10Ом, резистор R2 = 10Ом. Чтобы напряжение на входах были равны, операционник вынужден поднять напряжение на выходе так, чтобы потенциал на инверсном входе сравнялся с прямым. В данном случае делитель напряжения делит пополам, получается, что напряжение на выходе должно быть в два раза больше напряжения на входе.

Вообще чтобы применять эту схему включения даже не нужно ничего ворошить в голове, достаточно воспользоваться формулой, где достаточно узнать коэффициент К.

И сейчас мы рассмотрим работу такой схемы включения как инвертирующий усилитель. Для инвертирующего усилителя есть такие формулы:

Инвертирующий усилитель позволяет усиливать сигнал одновременно инвертируя (меняя знак) его. Причем коэффициент усиления мы можем задать любой. Этот коэффициент усиления мы формируем посредством отрицательной обратной связи, которая представляет собой делитель напряжения.

Теперь попробуем его в работе, допустим на входе у нас сигнал в 1В, резистор R2 = 100Ом, резистор R1 = 10Ом. Сигнал со входа идет через R1, затем R2 и на выход. Допустим сигнал на выходе невероятным образом стал 0В. Рассчитаем делитель напряжения.

1В/110=Х/100, отсюда Х = 0,91В

Получается что в точке А потенциал равен 0,91В, но это противоречит правилу операционного усилителя. Ведь операционник стремится уравнять потенциалы на своих входах. Поэтому потенциал в точке А будет равен нулю и равен потенциалу в точке B.

Как сделать так чтобы на входе был 1В а в точке А был 0В?

Для этого нужно уменьшать напряжение на выходе. И в результате мы получаем

К сожалению инвертирующий усилитель обладает одним явным недостатком — низким входным сопротивлением, которое равняется резистору R1.

А эта схема включения позволяет складывать множество входных напряжений. Причем напряжения могут быть как положительными так и отрицательными. По истине на операционниках можно строить аналоговые компьютеры. Так чтож давайте разбираться.

Основой сумматора служит все тот же инвертирующий усилитель только с одним отличием, вместо одного входа он может иметь этих входов сколько угодно. Вспомним формулку и инвертирующего усилка.Потенциал точки Х будет равен нулю поэтому сумма токов входящих с каждого входа будет выглядеть вот так:Если нашей целью является чистое сложение входных напряжений то все резисторы в этой схеме выбираются одного номинала. Это приводит также что коэффициент усиления для каждого входа будет равен 1. Тогда формула для инвертирующего усилителя принимает вид:

Ну чтож, я думаю что с работой сумматора и других схем включения на операционниках разобраться не трудно. Достаточно немножко попрактиковаться и попробовать собрать эти схемы и посмотреть что происходит с входными и выходными сигналами.

А я на этом пожалуй остановлюсь ведь в работе с операционными усилителями применяются очень много различных схем включения, это различные преобразователи ток-напряжение, сумматоры, интеграторы и логарифмирующие усилители и все их рассматривать можно очень долго.

Если вас заинтересовали другие схемы включения и хотите с ними разобраться то советую полистать , все обязательно встанет на свои места.

А на этом я буду завершать, тем более статья получилась достаточно объемной и после написания ее нужно чутка подшлифовать и навести марафет.

Друзья, не забывайте подписываться на обновления блога, ведь чем больше читателей подписано на обновления тем больше я понимаю что делаю что-то важное и полезное и это чертовски мотивирует на новые статьи и материалы.

Кстати друзья, у меня возникла одна классная идея и мне очень важно слышать ваше мнение. Я подумываю выпустить обучающий материал по операционным усилителям, этот материал будет в виде обычной pdf книжки или видеокурса, еще не решил. Мне кажется что несмотря на большое обилие информации в интернете и в литературе все=таки не хватает наглядной практической информации, такой, которую сможет понять каждый.

Так вот, напишите пожалуйста в комментариях какую информацию вы хотели бы видеть в этом обучающем материале чтобы я мог выдавать не просто полезную информацию а информацию которая действительно востребована.

А на этом у меня все, поэтому я желаю вам удачи, успехов и прекрасного настроения, даже не смотря на то что за окном зима!

С н/п Владимир Васильев.

P.S. Друзья, обязательно подписывайтесь на обновления! Подписавшись вы будете получать новые материалы себе прямо на почту! И кстати каждый подписавшийся получит полезный подарок!

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

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

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

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

Напряжение на выходе в таком случае обсчитывается как:

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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


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

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

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

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

Отрицательная обратная связь
Окей, воткнем по другому:


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

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

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

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


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

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

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

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

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

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

Мнемонически запоминается что на что делится очень просто:

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

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

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

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

U out = — U in * R 1 /R 2

Ну и мнемоническая картинка для быстрого запоминания ху из ху.

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

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

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

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

U out = U 2 *K 2 — U 1 *K 1

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

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

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

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

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

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

Сумматор неинвертирующий
Тут все чуток посложней, но похоже.


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

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

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

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

Схемы включения операционных усилителей | HomeElectronics

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

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

Идеальный операционный усилитель и его свойства

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

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

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

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

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

Основные схемы включения операционного усилителя

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

Неинвертирующий усилитель

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



Схема включения неинвертирующего усилителя.

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

Таким образом, основные параметры данной схемы описываются следующим соотношением



Отсюда выводится соотношение для коэффициента усиления неинвертирующего усилителя



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

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

Инвертирующий усилитель

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



Схема инвертирующего усилителя.

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










Тогда коэффициент усиление данной схемы будет равен



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

Интегратор

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



Интегратор на операционном усилителе.

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

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



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

Дифференциатор

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



Дифференциатор на операционном усилителе.

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

Выходное напряжение составит



Логарифмирующий преобразователь

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



Логарифмирующий преобразователь.

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

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



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

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



тогда выходное напряжение



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

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

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

Экспоненциальный преобразователь

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



Экспоненциальный преобразователь.

Работа схемы описывается известными выражениями






Таким образом, выходное напряжение составит



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

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

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

Операционный Усилитель Схемы Подключения — tokzamer.ru

Достаточно немножко попрактиковаться и попробовать собрать эти схемы и посмотреть что происходит с входными и выходными сигналами.


Схема вычитания Эта схема дает возможность создания разности двух сигналов на входе, которые могут быть усилены.

Обычно Rвых не превосходит сотен Ом.
Операционный усилитель для чайников

Схемы источников двуполярного питания Примеры на батарейках я привел для примера, чтобы было более понятно.

В результате схема становится независимой от коэффициента усиления, ее свойства полностью управляются отрицательной обратной связью. Исследование схемы провести достаточно просто.

В силу принципа виртуального нуля потенциал инвертирующего входа ОУ равен Uвх.

Эта система включает в себя цифровую и аналоговую электронику. 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.

В большинстве корпусов электронных схем нумерация выводов осуществляется в направлении против часовой стрелки со стороны крышки корпуса.

Предварительный усилитель на отечественной …

Однополярное питание операционных усилителей

Если за точку отсчета будет принят положительный полюс батарейки а измеряющий щуп был подключен к минусу то любой вольтметр нам покажет В. Теория это хорошо, но без практического применения это просто слова. Схемы включения операционных усилителей, описанные выше, не являются исчерпывающими, а лишь только призваны дать основные понятия. При превышении напряжения на входе величины основного опорного напряжения, на выходе получается наибольшее напряжение, которое равно положительному питающему напряжению.

Поэтому интегратор может действовать в качестве активного фильтра низких частот.

И в результате мы получаем К сожалению инвертирующий усилитель обладает одним явным недостатком — низким входным сопротивлением, которое равняется резистору R1.

Как следует из схемы на рис.

Скорее она связана с неприятностями, так как в схеме с отрицательной ОС на высокой частоте могут возникать достаточно большие сдвиги по фазе, приводящие к возникновению положительной ОС и нежелательным автоколебаниям. Усилитель с единичным коэффициентом усиления называют иногда буфером, так как он обладает изолирующими свойствами большим входным импедансом и малым выходным.

Более подробно смещение ОУ при однополярном питании рассматривается в [1]. Сигнала поступает на усилитель с бесконечным входным сопротивлением, а напряжение на неинвертирующем входе имеет такое же значение, как и на инвертирующем входе.

Здесь было бы уместно вспомнить транзистор включенный по схеме с ОЭ. В современной измерительной аппаратуре в качестве линейных усилителей используются операционные усилители.
Электроника от простого к сложному. Урок 8. Первые схемы на оу. (PCBWay)

LM358 цоколевка

Очень малое сопротивление Rвых позволяет подключить к выходу ОУ низкоомную нагрузку, при этом потери мощности на выходном сопротивлении ОУ будут незначительны.

Как такое может быть? Так как, благодаря обратной связи, в точке А сохраняется приблизительно нулевой потенциал, входное сопротивление схемы инвертирующего усилителя равно R Это приводит также что коэффициент усиления для каждого входа будет равен 1.

Чем глубже отрицательная обратная связь, тем меньше внешние характеристики усилителя зависят от характеристик усилителя с разомкнутой обратной связью без ОС , и в конечном счете оказывается, что они зависят только от свойств самой схемы ОС.

Очевидно, что если U2 на рис. Здесь напряжение смещения равно половине напряжения питания. А такое быть может! Причем напряжения могут быть как положительными так и отрицательными.

Как следует из схемы на рис. Диод не обеспечивает достаточной точности преобразования, так как зависимость между падением напряжения и током диода не совсем логарифмическая. Например, сдвоенный ОУ ОР как нельзя лучше подходит для этой схемы.


Однако в этой схеме могут применяться только ОУ с полным размахом входных и выходных напряжений Rail-to-Rail. Если источник входного сигнала не соединен с общей шиной рис. Что из этого получилось, показано на рисунке 7. Для этого нужно уменьшать напряжение на выходе. Направление стрелок на графике указывает направление перемещения гистерезиса.

Неспроста ОУ делятся на ОУ общего применения и высокоточные, прецизионные. Трансформатор понижает ток до 30 вольт. Мобильные электронные системы с питанием от батарей получают все большее распространение. Это может привести к нарушению работы оборудования.

В этой схеме инвертирующий повторитель на ОУ2 создает на нижнем полюсе нагрузки RL потенциал, противофазный по отношению к потенциалу верхнего ее полюса. С входным сопротивлением все, вроде, ясно: он получается равным сопротивлению резистора R1, а вот выходное сопротивление придется посчитать, по формуле, показанной на рисунке Недостаток этой схемы состоит в том, что она обладает малым входным импедансом, особенно для усилителей с большим коэффициентом усиления по напряжению при замкнутой цепи ОС , в которых резистор R1, как правило, бывает небольшим. Для вычисления усиления применяют формулу: Отсюда видно, что усиление операционника не зависит от сопротивления R3, поэтому можно обойтись без него. Причем коэффициент усиления мы можем задать любой.
Управление нагревом

Аналоги LM358

Инвертирующее включение рис 1. При более низком синфазном входном напряжении поведение входного каскада становится непредсказуемым.

Инвертирующие операционные усилители имеют простую схему: Такие операционные усилители стали популярными из-за своей простой конструкции.

Это означает сохранение фазы сигнала. Вследствие этого вместо диодов применяют транзисторы в диодном включении или с заземлённой базой.

Усилители, имеющие вход с полным размахом, схемотехнически заметно сложнее, чем обычные. Разность напряжений между входами идеального ОУ равна нулю, то есть если один из выводов соединён с землёй, то и второй вывод имеет такой же потенциал. Здесь используется инверсное включение резистивной матрицы R-2R. Это приводит также что коэффициент усиления для каждого входа будет равен 1.

Читайте дополнительно: Сп по прокладке кабельных линий

Аналоги LM358

Из схемы ясно, что оба дифференциальных усилителя входного каскада управляются одновременно. Таким образом, основные параметры данной схемы описываются следующим соотношением Отсюда выводится соотношение для коэффициента усиления неинвертирующего усилителя Таким образом, можно сделать вывод, что на коэффициент усиления влияют только номиналы пассивных компонентов. Для получения синусоидальной формы выходного сигнала используют несколько способов построения схем.

Других преимуществ, кроме возможности работы с широким диапазоном входного синфазного сигнала, они не имеют. Аналогичное ограничение накладывается на выходной диапазон устойчивости источника тока на основе операционного усилителя. Такого высокого результата вряд ли удастся достигнуть с обычным эмиттерным повторителем. На вторичной обмотке сделано ответвление, причем количество витков до этого ответвления равно числу витков после ответвления. Это позволяет усилителю выдерживать при однополярном питании входное синфазное напряжение до —15 В.

Но в этом есть смысл, ведь вспомним свойство операционника, он обладает высоким входным сопротивлением и низким выходным. Сигнал на выходе не изменится пока сигнал на входе не опустится менее -1,36В. Повторитель выдает на выходе то напряжение, которое было подано на его вход.

В реальных же ОУ изменение синфазного входного напряжения вызывает изменение правда, весьма незначительное выходного напряжения. Обычно Uсдв имеет значение 10 — мВ.
Лекция 54. Усилитель неинвертирующего типа на операционном усилителе.

Как подключить 3-х проводный тензодатчик и тензодатчик и усилитель?

Я не буду комментировать дизайн схемы, так как это, кажется, привлекает много внимания, но я построил проект, в котором я взломал весы для ванной комнаты, чтобы он был включен по сети и имел веб-сервер для обслуживания текущего веса, и я есть несколько мыслей о том, чтобы собрать все это вместе.

Прежде чем строить усилитель, чтобы получить общее представление о том, как настроить усиление, сначала соберите схему тензодатчика, включите его и используйте мультиметр (который намного более чувствителен, чем АЦП вашего Arduino) для измерения выходного сигнала. напряжение от вашей тензометрической цепи с максимальной ожидаемой нагрузкой. Затем, когда вы строите схему усилителя, вы можете выбрать резисторы усиления, которые доводят максимальную выходную мощность усилителя до 5 В (образец АЦП Arduino 0-5 В), и вы получите максимальный диапазон из вашего АЦП.

Причина для этого заключается в том, что диапазон и разрешение АЦП ограничены и сдержаны, поэтому, если вы хотите измерить 0-1000 фунтов при 10-битном разрешении АЦП AVR, вы в лучшем случае будете с точностью до фунт, если выходной сигнал вашего усилителя идет от 0-5 В, а вес увеличивается от 0-1000 фунтов. Если вы просто недооцениваете это или угадываете с помощью резисторов усиления, или начинаете с чисто проб и ошибок, вам становится скучно и вы не используете полный диапазон, вы отбросите точность. Скажем, вы собираете вместе усилитель, и он дает только 0-2,5 В, тогда вы будете выбрасывать половину диапазона и с точностью до 2 фунтов. для того же диапазона 1000 фунтов.

Это зависит от проекта и от того, насколько вы заботитесь. Когда я строил свою взломанную шкалу, мне требовался диапазон 0-200 фунтов, но я не очень заботился о точности. По сути, моя цель состояла в том, чтобы определить, был ли контейнер на весах пустым или заполненным, возможно, с очень низким разрешением, превышающим такое, как 1/8 полное, 3/4 полное, такого рода вещи. Я только что построил простейшую схему дифференциального усилителя с одним операционным усилителем, которую смог найти с первым операционным усилителем низкого напряжения, который был у меня в сумке с частями, с усилением, установленным так, чтобы он насыщал АЦП на уровне ~ 200 фунтов. Даже с этой сверхпростой конструкцией она удивительно точна и линейна, безусловно, хороша для фунта (это значительно лучше, чем это, но мне даже не нужна была точность в фунтах, поэтому, когда я ее калибровал, я прибавил в весе с шагом 5 фунтов, чтобы построить моя таблица данных калибровки).

Схема добавлена ​​по запросу:

Это более или менее схема для схемы, которую я построил, но я собрал ее на макете без припоя, так что, надеюсь, не было слишком много полевой инженерии в том, что я на самом деле работаю. Удаленная часть представляла собой дополнительный резистор и потенциометр, который должен был настраивать схему тензодатчика, чтобы выходной сигнал был ровно 0 В без нагрузки, но я получил очень небольшое положительное напряжение, независимо от того, что я сделал, и это не было не важно, поэтому я не стал его отлаживать. Sig + / Sig- — это те места, где тензодатчики подключены к цепи усилителя. Я не создавал свою схему тензодатчика, я использовал шкалу, поэтому я не чувствую, что знаю о деталях работы с тензодатчиками, я просто понял, как использовать то, что было там. У меня было две пары датчиков, и каждая пара имела V +, V- и сигнальный провод.

Значения резисторов в моей цепи не обязательно что-то значат для вас, потому что они были выбраны, чтобы дать мне необходимое усиление. Выберите свой в соответствии с вашими потребностями.

Операционные усилители

: Руководство для начинающих | ОРЕЛ

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

Краткий обзор усилителей

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

Благодаря усилителям слуховые аппараты возможны. (Источник изображения)

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

Так что же делает операционный усилитель особенным?

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

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

Внутреннее устройство операционного усилителя

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

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

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

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

Входные сигналы

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

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

Выходные сигналы

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

Силовые сигналы

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

Самые распространенные схемы операционных усилителей

Операционные усилители

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

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

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

Покупка операционных усилителей

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

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

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

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

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

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

Усиление

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

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

Подключение операционных усилителей серии

: как достичь точности при одновременном повышении выходной мощности

Инженеры часто сталкиваются с проблемой разработки приложений, отвечающих широкому диапазону требований.Обычно эти требования сложно выполнить одновременно. Одним из примеров является поиск очень быстрого высоковольтного операционного усилителя (операционного усилителя) с высокой выходной мощностью и одинаково хорошими характеристиками в отношении точности постоянного тока, шума и искажений. Операционные усилители, сочетающие все эти характеристики, редко доступны на рынке. Однако можно построить такой усилитель самостоятельно из двух отдельных усилителей, создав композитный усилитель. При объединении двух операционных усилителей можно объединить положительные характеристики каждого из них.Таким образом может быть достигнута более широкая полоса пропускания по сравнению с полосой пропускания одиночного усилителя при том же усилении.

Композитный усилитель

Составной усилитель состоит из двух отдельных усилителей, часто с разными характеристиками. Такое устройство показано на рисунке 1. Усилитель 1 представляет собой прецизионный малошумящий усилитель ADA4091-2. Усилитель 2, в данном случае AD8397, имеет высокую выходную мощность, которая служит для управления дополнительными модулями.

Рисунок 1.Принципиальная схема двух последовательно соединенных операционных усилителей, образующих составной усилитель.

Конфигурация составного усилителя, показанного на рисунке 1, аналогична конфигурации неинвертирующего усилителя, в котором два резистора, R1 и R2, действуют извне. Два последовательно соединенных операционных усилителя следует рассматривать как один усилитель. Общий коэффициент усиления (G) задается отношением сопротивлений G = 1 + R1 / R2. Изменение отношения R3 к R4 — и, по сути, усиления усилителя 2 (G2) — также влияет на усиление или выходной уровень усилителя 1 (G1).Эффективное суммарное усиление не изменяется R3 и R4. Если G2 уменьшается, G1 увеличивается.

Расширение полосы пропускания

Еще одна характеристика композитного усилителя — более широкая полоса пропускания. Полоса пропускания для этой комбинации выше, чем для каждого из отдельных усилителей. Таким образом, если используются два идентичных усилителя с произведением коэффициента усиления на полосу пропускания (GBWP), равным 100 МГц, и усилением G = 1, то можно получить ширину полосы пропускания –3 дБ примерно на 27% выше. С увеличением усиления этот эффект становится еще четче, но только до определенного предела.При превышении лимита может возникнуть нестабильность. Это также применимо в случае неравномерного распределения двух коэффициентов усиления. Как правило, максимальная ширина полосы достигается при равном распределении усиления по двум усилителям. При указанных выше значениях (GBWP = 100 МГц, G2 = 3,16, G = 10) ширина полосы по уровню –3 дБ, что примерно на 300% выше, чем у одиночного усилителя, может быть достигнута при усилении 10.

Объяснение относительно простое. При равномерно распределенном усилении G2 также приводит к тому же эффективному усилению усилителя 1.Однако коэффициент усиления без обратной связи каждого отдельного усилителя намного выше. При пониженном усилении — например, с 40 дБ до 20 дБ — оба усилителя теперь действуют в более низкой области кривой разомкнутого контура (см. Рисунок 2). Таким образом, композитный усилитель имеет более широкую полосу пропускания, чем одиночный усилитель с таким же усилением.

Рисунок 2. Расширение полосы пропускания за счет композитного усилителя.

Точность и шум по постоянному току

В типичной схеме операционного усилителя часть выхода возвращается на инвертирующий вход.Таким образом, ошибки вывода могут быть исправлены через тракт обратной связи для повышения точности. Комбинация, показанная на рисунке 1, также предлагает отдельный тракт обратной связи для усилителя 2, хотя он находится в тракте обратной связи усилителя 1. Выходной сигнал всего устройства содержит большие ошибки из-за усилителя 2, но они будут исправлены по мере их подачи обратно на усилитель 1. Таким образом, точность усилителя 1 сохраняется. Смещение выходного сигнала пропорционально только ошибке первого усилителя и остается независимым от смещения второго усилителя.

То же относится и к шумовой составляющей. Он также корректируется через обратную связь, при которой сигналы переменного тока также зависят от резерва полосы пропускания двух каскадов усилителя. Пока первый каскад усилителя имеет достаточную полосу пропускания, он корректирует шумовую составляющую усилителя 2. До этого момента его плотность шума выходного напряжения является доминирующей. Однако, если полоса пропускания усилителя 1 превышена, шумовая составляющая второго усилителя начинает преобладать. Проблемы возникают, если полоса пропускания усилителя 1 слишком высока или намного превышает полосу пропускания усилителя 2.Это может привести к появлению дополнительного пика шума, который можно увидеть на выходе композитного усилителя.

Заключение

Благодаря комбинации двух последовательно соединенных усилителей лучшие характеристики обоих могут быть объединены при достижении результатов, недостижимых с использованием отдельных операционных усилителей. Например, можно получить высокоточный усилитель с высокой выходной мощностью и более широкой полосой пропускания. На рисунке 1 показан пример схемы с усилителем типа Rail-to-Rail AD8397 (полоса пропускания –3 дБ = 69 МГц) и прецизионным усилителем ADA4091-2 (полоса пропускания –3 дБ = 1).2 МГц), которые в совокупности имеют полосу пропускания более чем в два раза выше, чем каждая из них по отдельности (при G = 10). Кроме того, за счет комбинации AD8397 и различных прецизионных усилителей можно добиться снижения шума, а также улучшения THD. Однако при проектировании стабильность системы также должна быть обеспечена за счет правильной конфигурации усилителя. Если учесть все критерии, композитный усилитель предлагает множество возможностей для охвата очень широкого и требовательного диапазона приложений.

Что такое операционный усилитель?

Операционный усилитель или операционный усилитель — это просто линейная интегральная схема (ИС), имеющая несколько выводов. Операционный усилитель можно рассматривать как устройство усиления напряжения, которое предназначено для использования с внешними компонентами обратной связи, такими как резисторы и конденсаторы, между его выходными и входными клеммами. Это электронный усилитель напряжения с высоким коэффициентом усиления с дифференциальным входом и обычно несимметричным выходом. Операционные усилители являются одними из наиболее широко используемых электронных устройств сегодня, поскольку они используются в большом количестве потребительских, промышленных и научных устройств.

Краткая история

  • В 1947 году Джон Р. Рагаццини из Колумбийского университета разработал первый операционный усилитель на основе вакуумных ламп.
  • С появлением кремниевых транзисторов концепция ИС стала реальностью. В начале 1960-х годов Роберт Дж. Уайлдар из Fairchild Semiconductor изготовил операционный усилитель μA702.
  • В 1968 году был выпущен μA741, что привело к его широкому производству.

Современные операционные усилители доступны в:

  1. Канистра металлическая упаковка (ТО) с 8 штырями
  2. Двухканальный линейный пакет (DIP) с 8/14 контактами
  3. Плоская упаковка из плоской упаковки с 10/14 контактами

Строительство

Внутренняя схема типичного операционного усилителя выглядит так:

Операционный усилитель (схема операционного усилителя)

Клемма со знаком (-) называется инвертирующей входной клеммой, а клемма со знаком (+) называется неинвертирующей входной клеммой.

Клеммы источника питания V + и V- подключены к положительной и отрицательной клеммам источника постоянного напряжения соответственно. Общий вывод V + и V- подключен к опорной точке или земле, иначе удвоенное напряжение питания может повредить операционный усилитель.

Типы операционных усилителей

Операционный усилитель имеет бесчисленное множество применений и является основным строительным блоком линейных и нелинейных аналоговых систем. Некоторые из типов операционных усилителей включают:

  • Дифференциальный усилитель, представляющий собой схему, усиливающую разницу между двумя сигналами.
  • Инструментальный усилитель, который обычно состоит из трех операционных усилителей и помогает усилить выходной сигнал преобразователя (состоящий из измеренных физических величин).
  • Разделительный усилитель, который похож на инструментальный усилитель, но имеет допуск к синфазным напряжениям (которые разрушают обычный операционный усилитель).
  • Усилитель с отрицательной обратной связью, который обычно состоит из одного или нескольких операционных усилителей и резистивной цепи обратной связи.
  • Усилители мощности для усиления слабых сигналов, принимаемых от источника входного сигнала, такого как микрофон или антенна.

Операционный усилитель

В идеале операционный усилитель усиливает только разницу в напряжении между ними, также называемую дифференциальным входным напряжением. Выходное напряжение ОУ V на выходе определяется уравнением:

В выход = A OL (V + — V )

, где A OL — коэффициент усиления усилителя без обратной связи.

В линейном операционном усилителе выходной сигнал представляет собой коэффициент усиления, известный как коэффициент усиления усилителя (A), умноженный на значение входного сигнала.

Параметры операционного усилителя

  • Коэффициент усиления без обратной связи — это коэффициент усиления без положительной или отрицательной обратной связи. В идеале коэффициент усиления должен быть бесконечным, но типичные реальные значения находятся в диапазоне примерно от 20 000 до 200 000 Ом.
  • Входное сопротивление — это отношение входного напряжения к входному току. Предполагается, что он бесконечен, чтобы предотвратить протекание тока от источника к усилителям.
  • Выходное сопротивление идеального операционного усилителя предполагается равным нулю.Этот импеданс включен последовательно с нагрузкой, тем самым увеличивая выходную мощность, доступную для нагрузки.
  • Полоса пропускания идеального операционного усилителя бесконечна и может усилить сигнал любой частоты от постоянного до самых высоких частот переменного тока. Однако типичная полоса пропускания ограничена произведением коэффициента усиления на полосу пропускания, которое равно частоте, на которой коэффициент усиления усилителя становится равным единице.
  • Идеальный выход усилителя равен нулю, когда разность напряжений между инвертирующим и неинвертирующим входами равна нулю.Реальные усилители действительно демонстрируют небольшое выходное напряжение смещения.

Некоторые другие важные электрические параметры, которые следует учитывать:

  • Входное напряжение смещения: Это напряжение, которое должно быть приложено между входными клеммами операционного усилителя для обнуления выходного сигнала.
  • Входной ток смещения: Это алгебраическая разница между токами на (-) входе и (+) входе.
  • Входной ток смещения: Это среднее значение токов, поступающих на (-) входные и (+) входные клеммы операционного усилителя.
  • Входное сопротивление: Это дифференциальное входное сопротивление, которое видно на любой из входных клемм, когда другая клемма подключена к земле.
  • Входная емкость: Это эквивалентная емкость, которую можно измерить на одном из входных выводов, когда другой вывод подключен к земле.
  • Скорость нарастания: Определяется как максимальная скорость изменения выходного напряжения, вызванная ступенчатым входным напряжением. Скорость нарастания увеличивается с увеличением коэффициента усиления с обратной связью и напряжения питания постоянного тока.Это также функция температуры и обычно уменьшается с повышением температуры.

Примечание: — Хотя идеальный операционный усилитель не потребляет ток от источника и его характеристика не зависит от температуры, настоящий операционный усилитель не работает таким образом.

Операционный усилитель реагирует только на разницу между двумя напряжениями независимо от индивидуальных значений на входах. Внешние резисторы или конденсаторы часто подключаются к операционному усилителю различными способами, чтобы сформировать базовые схемы, включая усилители инвертирующего, неинвертирующего, повторителя напряжения, суммирующего, дифференциального, интеграционного и дифференциального типа.Операционный усилитель легко доступен в корпусе IC, наиболее распространенным из которых является μA-741.

Обычный операционный усилитель IC

Приложения для операционных усилителей

Операционный усилитель имеет бесчисленное множество применений и является основным строительным блоком линейных и нелинейных аналоговых систем.

В линейных схемах выходной сигнал изменяется линейно вместе с входным сигналом. Вот некоторые из линейных приложений:

  1. Сумматор
  2. Вычитатель
  3. Преобразователь напряжения в ток (усилитель крутизны)
  4. Преобразователь тока в напряжение (усилитель сопротивления)
  5. Инструментальный усилитель
  6. Усилитель мощности

Еще один класс схем с сильно нелинейными характеристиками входа-выхода:

  1. Выпрямитель
  2. Детектор пиков
  3. Машинка для стрижки
  4. Зажим
  5. Цепь выборки и хранения
  6. Усилитель логарифмический и противо логарифмический
  7. Умножитель и делитель
  8. Компаратор

Благодаря операционным усилителям и связанным с ними схемам они стали неотъемлемой частью звуковых усилителей, генераторов сигналов, регуляторов напряжения, активных фильтров, таймеров 555, аналого-цифровых и цифро-аналоговых преобразователей.

Усилители напряжения ОУ

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

Рис. 6.7.1 Идеальный операционный усилитель

Идеальный операционный усилитель

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

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

Отрицательная обратная связь

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

Правила для операционных усилителей

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

Правило 1. Правило напряжения.

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

Правило 2. Действующее правило.

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

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

Рис. 6.7.3 Инвертирующий усилитель

Инвертирующий усилитель

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

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

.

Как работает инвертирующий усилитель

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

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

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

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

Диаграмма на рис. 6.7.3b показывает, что в действительности R в и R f представляют собой два резистора, подключенных последовательно между V в и V на выходе с выводом 2 на 0 В.

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

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

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

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

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

Неинвертирующий усилитель

Рис. 6.7.4 Неинвертирующий усилитель

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

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

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

Начало страницы

% PDF-1.3 % 1 0 объект > поток конечный поток эндобдж 2 0 obj > эндобдж 3 0 obj > эндобдж 4 0 obj > / Parent 3 0 R / Contents [47 0 R] / Type / Page / Resources> / Shading> / XObject> / ProcSet [/ PDF / Text / ImageC] / Font >>> / MediaBox [0 0 595.27563 841.88977] / BleedBox [0 0 595.27563 841.88977] >> эндобдж 47 0 объект > поток x ڵ [K \ 7rW

8.1: Введение в операционные усилители (операционные усилители)

Что такое операционный усилитель (операционный усилитель)?

Операционные усилители

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

Пример операционного усилителя на схеме.

Операционные усилители

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

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

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

Дополнительная литература

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

Основы: повторители напряжения

Первая схема настолько проста, что выглядит немного сумасшедшей:

Рисунок 1: Повторитель напряжения

Эта схема называется повторителем напряжения и ведет себя следующим образом:

Vin = VoutVin = Vout

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

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

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

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

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

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

Изменение усиления — инвертирующий усилитель

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

Рисунок 2: Инвертирующий усилитель

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

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

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

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

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

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

Инверсия инвертора?

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

Рисунок 3: Что делает эта схема?

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

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

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

И после небольшой алгебраической перестановки получаем следующее:

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

Завершение

Операционные усилители

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

Характеристики инвертирующего и неинвертирующего входа и приложения

Характеристики инвертирующих и неинвертирующих контактов

Зависимость выхода с инвертирующим и неинвертирующим контактами можно просто объяснить, как показано ниже,

Если инвертирующий вывод высокий по сравнению с другим выводом, выход отрицательный

Если неинвертирующий вывод высокий по сравнению с другим выводом, выход положительный

Эта особенность входных контактов демонстрируется на следующей схеме.Давайте возьмем микросхему ОУ 741 и сохраним на инвертирующем выводе высокий потенциал по сравнению с неинвертирующим выводом.

Ф иг. 1: Принципиальная схема инвертирующего усилителя на базе микросхемы LM741 OPAMP с инвертирующим выводом высокого уровня

В приведенной выше схеме используется операционный усилитель 741 с двумя светодиодами на выходе. Один светодиод (D1) имеет анод, подключенный к выходному контакту операционного усилителя, а другой светодиод (D2) имеет катод, подключенный к выходному контакту операционного усилителя.Когда выходное напряжение положительное, D1 светится, а когда выходное отрицательное, светится D2.

Здесь инвертирующий вывод подключен к положительному напряжению (VCC) через резистор R2, а неинвертирующий вывод подключен к GND через другой резистор R1. Поскольку инвертирующий вход имеет более высокий потенциал, чем неинвертирующий вывод, на выходе будет отрицательное напряжение, и D2 будет светиться.

Изображение схемы операционного усилителя на Рисунке 24 показано ниже.

Рис. 2: Изображение инвертирующего усилителя на базе микросхемы OPAMP LM741 с высоким инвертирующим выводом

Если мы сделаем соединение таким образом, что неинвертирующий вывод будет иметь высокое напряжение по сравнению с инвертирующим выводом, выход будет положительным.Схема такого подключения представлена ​​ниже.

Рис. 3: Принципиальная схема неинвертирующего усилителя на базе микросхемы LM741 OPAMP с высоким инвертирующим выводом

Продолж.…

Здесь неинвертирующий вывод подключен к положительному напряжению (VCC) через резистор R2, а инвертирующий вывод подключен к GND через другой резистор R1. Поскольку неинвертирующий вход имеет более высокий потенциал, чем инвертирующий вывод, на выходе будет положительное напряжение, и D1 будет светиться.

Изображение схемы на рисунке 26 показано ниже

Рис. 4: Изображение неинвертирующего усилителя на базе микросхемы OPAMP LM741 с высоким инвертирующим выводом

Характеристики компонентов:

R1, R2, R3 = резистор 1K, 1 / 4W

D1 = светодиод, красный

D2 = светодиод, зеленый

U1 = LM741

Обычно инвертирующий вывод используется для регулировки усиления операционного усилителя путем реализации отрицательной обратной связи. Следовательно, инвертирующий штифт уместно называть «штифтом регулировки усиления».Входное напряжение может быть приложено к неинвертирующему выводу, который сохранит свою полярность и фазу на выходе. Следовательно, мы можем назвать неинвертирующий вывод «сигнальным входным выводом», хотя входные сигналы иногда применяются к самому инвертирующему выводу.

Рис.5: Схема выводов рабочего усилителя

Неинвертирующий терминал

Неинвертирующий терминал

Неинвертирующий вывод поддерживает полярность и фазу входного сигнала на выходном выводе операционного усилителя, когда операционный усилитель настроен как усилитель.В микросхеме 741 контакт 3 является неинвертирующим контактом. Неинвертирующий вывод представлен знаком «+» в символе операционного усилителя.

Он действует как входной сигнал усилителя, в то время как инвертирующий вывод можно рассматривать как регулирующий коэффициент усиления, как показано на рисунке: 28.

Концепция бесконечного усиления

Поскольку мы обсуждали историю основ операционных усилителей, идея, выдвинутая Гарри Блэком, заключалась в создании схемы с очень высоким коэффициентом усиления, которая может потребоваться несколько раз для любых практических целей.Затем попробуйте снизить усиление до необходимого уровня с помощью цепей обратной связи.

В идеале операционный усилитель должен иметь бесконечное усиление. Т.е. вы получите максимальное выходное напряжение, даже если входное напряжение приближается к нулю. Но параметры устройства ограничивают максимально возможный выигрыш.

Выходное напряжение зависит от произведения входного напряжения и усиления, однако выходное напряжение ограничено до меньшего, чем напряжение питания. Для микросхемы операционного усилителя, работающей при напряжении 15 В, максимальное напряжение составляет всего около 13 В.

Тем не менее, кажется, что он имеет бесконечное усиление, поскольку мы видим, что очень слабые напряжения могут довести выход операционного усилителя до максимального значения. Эта особенность операционного усилителя делает его полезным для детектора перехода через ноль, детектора уровня, оконного детектора и т. Д.

Датчик уровня и датчик перехода через нуль

Детектор пересечения нуля — это схема, которая имеет входной и выходной терминал, а выходной контакт переходит в высокий уровень всякий раз, когда напряжение на входном контакте немного превышает нулевое напряжение.

Даже незначительное повышение напряжения выше нулевого значения резко повысит выходной уровень. Когда входной терминал возвращается к нулевому напряжению, выход снова переходит к низкому или отрицательному напряжению.

Детектор уровня в большинстве случаев имеет другой входной контакт, на котором мы можем предварительно установить напряжение, а выход становится высоким, когда напряжение на входном контакте немного превышает это заданное напряжение. Выходной сигнал остается низким, если напряжение ниже заданного уровня.

Датчик уровня Формы сигналов

Рис. 6: Принципиальная схема и форма выходного сигнала детектора уровня на базе OPAMP

На рисунке: 29.a) показано схематическое символическое представление детектора уровня. В этом случае уровень, который должен быть обнаружен, предустановлен как ничего, кроме самого нуля вольт. Следовательно, эта схема действует как детектор перехода через нуль.

Предположим, что на неинвертирующий вывод операционного усилителя подается синусоида.Результирующая волновая форма показана на рисунке: 29.b). Всякий раз, когда входное напряжение выше нулевого напряжения, выходное значение остается высоким (почти равным положительному напряжению питания), и аналогично всякий раз, когда входное значение ниже нулевого уровня напряжения, выходное значение остается низким (почти равным отрицательному напряжению питания).

Неинвертирующий терминал Contd…

Практическая схема датчика уровня с двумя светодиодными индикаторами показана ниже. Поток RV2 используется для установки уровня напряжения (любого напряжения, включая ноль), а потенциометр RV1 используется для изменения обнаруживаемого напряжения.Если напряжение, вносимое изменением потенциометра RV1, пересекает уровень напряжения, установленный потенциометром RV2, выход становится высоким и светится D1, в противном случае светится D2.

Рис.7: Принципиальная схема датчика уровня LM741 OPAMP IC

Характеристики компонентов:

R1 = резистор 1K, 1 / 4W

D1 = светодиод, красный

D2 = светодиод, зеленый

U1 = LM741

RV1 = 10K, регулятор объема

RV2 = 10K, предустановка

Значение компонента:

R1: Регулирует яркость светодиодов.По мере уменьшения значения яркость увеличивается. Со светодиодами безопасно использовать резисторы с сопротивлением более 220 Ом.

Изображение схемы детектора уровня показано на следующем рисунке.

Рис. 8: Изображение датчика уровня LM741 OPAMP IC

Датчик приближения

Датчик приближения

Если вы уверены в схеме детектора уровня, описанной выше, давайте сделаем что-нибудь действительно интересное на основе той же концепции.

Датчик приближения — это устройство, которое может использоваться для обнаружения приближающихся к нему объектов.С помощью устройства можно обнаружить присутствие любого объекта значительного размера в определенном диапазоне. В этом разделе обсуждается конструкция датчика приближения на основе ИК-излучения.

Схема имеет два ИК-светодиода, которые генерируют ИК-лучи малой мощности. Также имеется ИК-фотодиод, который обнаруживает ИК-лучи, отраженные обратно в устройство от некоторых объектов, находящихся поблизости. Если детектор получает отраженный луч, его выходное напряжение возрастает. Напряжение на выходе зависит от размера и расстояния объекта от фотодиодного датчика.Когда напряжение повышается до определенного уровня, выход компаратора меняет свою полярность, и, следовательно, мы можем обнаружить объект.

Схема датчика приближения показана ниже.

Рис.9: Принципиальная схема датчика приближения LM358 OPAMP IC

Изображение для вышеуказанной схемы показано ниже. Новички должны обратить внимание на то, как я модулирую датчик, прямо сейчас в раздел включены только ИК-светодиоды и фотодиод, так что я могу подключить модуль к любым другим схемам.Из модуля выходит всего три провода; VCC, GND и вход на неинвертирующий вывод.

Рис.10: Изображение датчика приближения на базе микросхемы OPAMP LM358

Обычно мы получаем диапазон более 30 см, опять же, это зависит от размера и отражательной способности объекта. Диапазон можно регулировать, изменяя потенциометр. В реальной реализации мы можем заменить простой светодиод на реле или сирену.

Посмотрите рабочее видео вышеупомянутой схемы.

Характеристики компонентов:

R1 = 55E, 1/4 Вт

R2 = 100KE, 1/4 Вт

R3 = 10КЕ, потенциометр

R4 = 1KE, 1/4 Вт

D1 = D5 = светодиод, 3 мм

D2 = D3 = ИК-светодиод, 5 мм

D4 = ИК-фотодиод (приемник ИК-светодиодов)

U1 = LM358

Значение компонента:

R1: регулирует яркость ИК-светодиода и, следовательно, влияет также на максимальный диапазон.Чем меньше сопротивление резистора, тем ярче ИК-светодиод.

R2: сопротивление R2 влияет на чувствительность цепи. Увеличение значения сопротивления увеличивает чувствительность цепи.

R3: Переменный резистор следует отрегулировать таким образом, чтобы получить минимальное напряжение на инвертирующем выводе. Чем ниже напряжение на инвертирующем выводе, тем выше чувствительность схемы.

U1: LM358 — это ИС операционного усилителя, которая может очень хорошо работать без двойного источника питания.Он разработан для работы с современными цифровыми схемами. Одна микросхема LM358 состоит из двух модулей операционных усилителей. Каждый модуль операционного усилителя можно использовать отдельно и одновременно.

Как и 741, он также поставляется в 8-выводном DIP корпусе. Распиновка LM358 показана ниже.

Рис.11: Схема выводов ИС операционного усилителя LM358

В отличие от 741 IC, LM358 имеет внутреннюю регулировку для поддержания нулевого напряжения смещения. Следовательно, в микросхеме LM358 нет выводов, подобных нулевому смещению.Возможность работы от одного источника питания делает эту ИС фаворитом проектировщиков схем, любителей и очень широко используется в коммерческих продуктах.

Видео

Емкостный сенсорный переключатель

Емкостный сенсорный переключатель

Сенсорный переключатель можно найти в большинстве высокопроизводительных устройств, таких как мобильные телефоны, ноутбуки и т. Д. Концепция сенсорного переключателя очень проста, и в большинстве случаев используется емкостное касание.

В емкостной сенсорной технологии, когда мы касаемся переключателя или определенной точки на сенсорном экране, мы фактически приближаем наш палец к сенсорному датчику, который покрыт некоторым покрытием. Когда мы на самом деле касаемся, между нашим пальцем и датчиком прикосновения, разделенным этим покрытием, возникает емкость. Устройство может определять эту емкость и, следовательно, обнаруживать прикосновение.

В отличие от технологии резистивного касания, здесь не прикладывается давление, а также не требуется изгибание устройства для обнаружения касания.Следовательно, емкостные сенсорные устройства более долговечны, приятны на ощупь и широко используются в наши дни.

Мы можем создать простой сенсорный переключатель с помощью компаратора на базе операционного усилителя. Принципиальная схема емкостного сенсорного переключателя показана ниже

.

Рис. 12: Принципиальная схема емкостного сенсорного переключателя на базе микросхемы LM358 OPAMP

Микросхема LM358 имеет два операционных усилителя. В приведенной выше схеме мы используем оба операционных усилителя. Один из них сконфигурирован как простой компаратор, а другой — как моностабильный мультивибратор с коротким периодом времени.Выход компаратора дает сенсорный выход, за которым следует однократный сигнал, чтобы избежать эффекта «дребезга клавиш» на выходе схемы.

Сенсорная панель, показанная на рисунке, построена на печатной плате общего назначения вместе с самой схемой. Всякий раз, когда мы касаемся панели, между панелью и нашим пальцем создается емкость, и это снижает потенциал на инвертирующем входе. Следовательно, неинвертирующий вход имеет потенциал больше, чем инвертирующий вывод, и выход становится высоким.

Мы не можем напрямую использовать этот выход для запуска какого-либо внешнего устройства, так как на выходе много пульсаций и пульсаций. Чтобы преобразовать его в полезный выходной сигнал, мы применяем его к монофоническому кадру, который будет удерживать выходной сигнал в течение разумного периода времени, как только он станет высоким. Выход этого монофонического кадра может быть напрямую подключен к другим устройствам, таким как зуммер, реле и т. Д.

Чувствительность сенсорного переключателя можно регулировать, изменяя потенциометр, подключенный к инвертирующему входу монофонического выстрела.Светодиодный индикатор показывает состояние выхода.

Вся схема может быть собрана в небольшой полосе печатной платы общего назначения и может использоваться с другими схемами. Изображение емкостного сенсорного переключателя, построенного на печатной плате общего назначения, показано ниже.

Рис.13: Изображение емкостного сенсорного переключателя на базе микросхемы OPAMP LM358

Видео

Емкостный сенсорный выключатель Contd…

Как вы можете видеть на рисунке, я встроил схему в модуль, так что я могу использовать ее с любой другой схемой для улучшения емкостного прикосновения.Модуль имеет три контакта; VCC, GND и OUTPUT, как показано на следующем изображении.

Рис. 14: Изображение выводов емкостного сенсорного переключателя LM358 OPAMP IC на основе ИС

Черная часть (см. Рисунок 33) — это часть, к которой мы можем прикоснуться. Под черной областью платы GP я закоротил (залил свинцом) все свинцовые точки вместе, как показано на рисунке 32, чтобы сделать толстую сетку, похожую на вещь, которая в сочетании с вышеуказанным слюдяным покрытием может образовывать емкость пальцем.Затем наличие такой емкости обнаруживается схемой компаратора.

Рис. 15: Изображение, показывающее расположение емкостной сенсорной панели

Посмотрите рабочее видео вышеупомянутой схемы.

Характеристики компонентов:

R1 = R2 = R3 = R5 = 1KE, резистор 1/4 Вт

R4 = 18КЕ, резистор 1/4 Вт

R6 = потенциометр 10КЕ

C1 = C2 = 100 мкФ, электролитический конденсатор 16 В

D1 = светодиод (красный), 3 мм

D = 1N4007 диод

RLY = 6V SPDT реле

U = LM358

Значение компонента:

C2: значение C2 вместе с R3 определяет период времени монофонического кадра.Увеличение значения C2 увеличивает период времени.

R3: По мере увеличения значения R3 период времени монофонического кадра увеличивается.

R4: Положение переменной банка влияет на период времени моно-выстрела. Когда переменная приближается к нижнему пределу, период времени уменьшается, а по мере приближения переменной к положительному концу период времени увеличивается.

Концепция положительных отзывов

Понятие положительной обратной связи

Положительная обратная связь — это метод, при котором часть выходного напряжения добавляется к текущему входному напряжению и, следовательно, увеличивается общий коэффициент усиления.

Рис.16: Блок-схема OPAMP с положительной обратной связью

Как вы можете видеть из символического представления положительной обратной связи на рисунке 36, входное напряжение складывается с частью выходного напряжения, создаваемого устройством с коэффициентом усиления A. Устройство с коэффициентом усиления B вводит долю выходного напряжения в входной терминал.

Положительная обратная связь может использоваться, когда требуется чрезвычайно высокое усиление. Есть усилители, которые используют положительную обратную связь для увеличения усиления.В операционном усилителе неинвертирующий вывод обеспечивает конфигурацию положительной обратной связи, как показано на рисунке 37. Как мы уже знаем, ИС операционного усилителя имеет чрезвычайно высокий коэффициент усиления (в идеале бесконечный). Таким образом, нет смысла использовать положительную обратную связь в микросхемах операционных усилителей для улучшения усиления.

Рис.17: Принципиальная схема OPAMP с положительной обратной связью

Положительный отзыв также имеет определенные недостатки. Это может легко сделать усилитель нестабильным и вызвать колебания выходного напряжения.Таким образом, положительная обратная связь больше всего подходит для разработки генераторов.


В рубрике: Избранные статьи
С тегами: усилитель, инвертирующий усилитель, неинвертирующий, операционный усилитель

.

alexxlab

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *