5 важных фактов, которые вы должны знать

Введение в неинвертирующий усилитель

Неинвертирующий усилитель — это еще один режим работы стандартного усилителя. Как известно, типовые усилители имеют два вывода — инвертирующий и неинвертирующий. Когда входы поступают через неинвертирующие клеммы, такой режим работы известен как неинвертирующий усилитель.

Теория неинвертирующего усилителя

Принцип работы или теория, лежащая в основе неинвертирующего усилителя, такая же, как и у инвертирующего усилителя, а для неинвертирующего усилителя вход подается на неинвертирующий терминал. Усилитель усиливает выходной сигнал с определенным коэффициентом усиления и передает его в производство. Коэффициент усиления зависит от значений сопротивления, и система обратной связи соединена с инвертирующим усилителем для создания отрицательной обратной связи в системе. Поскольку система имеет отрицательную обратную связь, этот усилитель имеет большую стабильность, но меньшее усиление, чем инвертирующий усилитель с такими же значениями сопротивления.

Принципиальная схема неинвертирующего усилителя

На изображении ниже изображена принципиальная схема неинвертирующего усилителя. На изображении ниже Vin — входное напряжение для усилителя, R1 — сопротивление первичной обмотки, Rf — сопротивление обратной связи, а «I» — ток через сопротивление обратной связи. Внимательно изучите изображение, поскольку в статье оно будет называться изображением неинвертирующего усилителя.

Изображение Фото: Индуктивная нагрузка, Неинвертирующий усилитель на операционном усилителе, помечено как общественное достояние, подробнее на Wikimedia Commons

Проектирование неинвертирующий усилитель это довольно простая и понятная задача. Первоначально операционный усилитель настроен на положительную и отрицательную полярность. опорное напряжение и заземляющие контакты выполнены в соответствии с требованиями. Теперь, поскольку это неинвертирующий усилитель, входное напряжение подается на неинвертирующий вывод, а инвертирующий вывод подключен к земле через сопротивление, а стандартное сопротивление обратной связи связано с инвертирующим усилителем для обеспечения -ve. обратная связь в цепи неинвертирующего усилителя.

Как работает неинвертирующий усилитель?

Неинвертирующий усилитель усиливает входной сигнал, подаваемый на неинвертирующий усилитель, а сопротивления в конструкции усилителя действуют как коэффициент усиления в конкретном математическом уравнении. Из-за виртуального заземления напряжение точки B также появляется на конце «A». Таким образом, узел A имеет то же напряжение, что и входное напряжение. Опять же, через инвертирующий вывод будет протекать тот же ток, что и в цепи обратной связи.

Вывод неинвертирующего усилителя

Выведем уравнения неинвертирующего усилителя и другие важные формулы. Сначала предположим, что для усилителя работает виртуальное замыкание.

Тогда напряжение в узле B будет равно напряжению в узле A.

Теперь VB = Vin.

Таким образом, Vin также появится в узле A. Следовательно, мы можем сказать:

ВА = Вин.

Предположим, что выходное напряжение равно Vo. Сопротивление обратной связи называется Rf. Ток в цепи обратной связи равен «I». «Я» можно записать, как показано ниже.

I = (Vo — VA) / Rf

Или I = (Vo / Rf) — (VA / Rf) —- (1)

Такой же ток протекает через инвертирующий терминал. Итак, уравнение для этого терминала,

I = (VA — 0) / R1 = VA / R1 = Vin / R1 —- (2)

Приравнивая уравнение (1) и уравнение (2), мы можем записать —

(Vo / Rf) — (Vin / Rf) = Vin / R1

Или Vo / Rf = Vin / R1 + (Vin / Rf)

Или Vo / Rf = Vin [(1 / R1) + (1 / Rf)]

Или Vo / Rf = Vin [(Rf + R1) / (R1 Rf)]

Или Vo = Vin [(Rf + R1) / R1]

Или V0 = Vin [1 + (Rf / R1)]

Это конечный выход неинвертирующего усилителя.

Неинвертирующий усилитель Уравнение

Окончательное выходное уравнение схемы известно как уравнение неинвертирующего усилителя. Уравнение показывает соотношение между входным и выходным напряжением. Коэффициент усиления также можно наблюдать в уравнении.

V0 = Vin [1 + (Rf / R1)]

Это уравнение неинвертирующего усилителя. Rf — сопротивление обратной связи, R1 — сопротивление, подключенное к инвертирующей клемме. Значения этих сопротивлений влияют на входное напряжение. Как мы видим, если значение (Rf / R1) больше 1, то мы выиграли в системе. Таким образом, коэффициент (Rf / R1) необходимо увеличить как можно больше. Но до некоторой степени это можно сделать.

Неинвертирующий усилитель Vout

Vout или выходное напряжение неинвертирующего усилителя говорит нам, почему этот набор операций в усилителе называется неинвертирующим усилителем. Выходное уравнение неинвертирующего усилителя задается как V0 = Vin [1 + (Rf / R1)].

Из приведенного выше уравнения мы можем заметить, что выходное и входное напряжение находятся в одной фазе работы. В отличие от инвертирующего терминала, выход усилителя не инвертируется в отрицательную фазу. Вот почему рабочая установка называется неинвертирующим усилителем.

Входное сопротивление неинвертирующего усилителя

Идеальный операционный усилитель обладает свойством высокого входного импеданса, и поэтому каждый усилитель спроектирован так, чтобы иметь большее входное сопротивление. Неинвертирующие усилители — не исключение. Они показывают более высокие входные сопротивления при работе.

Коэффициент усиления неинвертирующего усилителя

Выход усилителя — это вход, умноженный на коэффициент усиления. Коэффициент усиления усилителей зависит от значений сопротивления и типа обратной связи усилителя. Для системы с отрицательной обратной связью усиление уменьшилось, а стабильность системы увеличилась, а для положительной обратной связи усиление выше, но сила системы снизилась.

Для уравнения: Vвых = k * Вин, k — коэффициент усиления усилителя.

(Следует отметить: коэффициент усиления — это отношение выходного напряжения к подаваемому входному напряжению. Вот почему у него нет единиц измерения.)

Коэффициент усиления неинвертирующего усилителя

Ранее мы обсуждали, что такое усиление для неинвертирующего усилителя. Выясним точное выражение для коэффициента усиления неинвертирующего усилителя.

Общее выражение выходного напряжения усилителя: Vвых = к * Вин.

O / P equⁿ неинвертирующего усилителя, сформулированного как  

V0 = [1 + (Rf / R1)] * Vin.

Таким образом, k можно вычислить, сравнив два приведенных выше уравнения.

к = [1 + (Rf / R1)].

Это выражение резистора известно как коэффициент усиления неинвертирующего усилителя, и отсюда мы можем заметить, что если Rf = R1, Vo = 2 * Vin. Таким образом, входное напряжение усиливается в 2 раза. Отношение (Rf / R1) обычно регулирует усиление. Увеличение Rf увеличивает значение усиления.

Неинвертирующий операционный усилитель с отрицательным усилением

Подробный анализ коэффициента усиления неинвертирующего ОУ делается ранее. Отрицательное усиление неинвертирующего операционного усилителя называется точным усилением усилителя. Ему дается другая номенклатура, потому что операционный усилитель снабжен отрицательной обратной связью. Хотя этот термин вводит в заблуждение, многие читатели считают, что он указывает на то, что неинвертирующий усилитель обеспечивает отрицательную величину коэффициента усиления.

Передаточная функция неинвертирующего усилителя

Передаточная функция системы относится к процессу, который описывает или предоставляет выходные данные для каждого входа. Поскольку усилитель принимает два входа и усиливает их, передаточная функция будет отражать то же самое. Передаточную функцию можно записать как:

Vo = к * Vi

Здесь Vo и Vi — два входа, а k — коэффициент усиления.

Макетная плата неинвертирующего усилителя

Чтобы наблюдать и исследовать функциональность неинвертирующего усилителя в реальных условиях, нам нужно сделать схему с использованием печатной платы или макета. Для эксперимента требуется некоторое оборудование. Они перечислены ниже.

1. Сопротивления 1 кОм и XNUMX кОм.
2. IC741
3. Подключение проводов
4. CRO
5. макетировать
6. Источник постоянного напряжения

Подключение макета показано ниже. Подключите оборудование правильно и наблюдайте за формой выходного сигнала в CRO.

Полоса пропускания неинвертирующего усилителя

Прежде чем узнать о полосе пропускания неинвертирующего усилителя, дайте нам знать полосу пропускания усилителя. Полоса пропускания упоминается как диапазон частот, при котором усилитель усилителя превышает 70.7%.

Полоса пропускания неинвертирующего усилителя определяется путем рассмотрения произведения усиления на ширину полосы и последующего деления его на неинвертирующее усиление.

Неинвертирующий фазовый сдвиг усилителя

Обычно фазовый сдвиг называется изменением величины входного сигнала. Есть черный ящик, и мы обеспечиваем входной сигнал +5 В. Теперь, если мы получаем -10 В на выходе, то внутри черного ящика есть фазовый сдвиг. То же самое и с усилителями. Поскольку мы обеспечиваем вход для неинвертирующего усилителя, фаза выходного напряжения не изменяется. Итак, мы можем сказать, что есть 0^o изменение вывода. Для инвертирующего терминала фазовый сдвиг -180^o.

Коэффициент усиления неинвертирующего суммирующего усилителя

Суммирующий усилитель обеспечивает усиленное суммирование входных напряжений на выходе. В приведенной ниже схеме мы задали два входных напряжения как V1 и V2 на неинвертирующем выводе усилителя, поскольку мы хотим создать неинвертирующий суммирующий усилитель.

Изображение от: Индуктивная нагрузка, Суммирующий усилитель операционного усилителя, помечено как общественное достояние, подробнее на Wikimedia Commons

Применяя теорию суперпозиции для определения напряжения в узлах, мы приравниваем значения тока из ветви обратной связи и ветви инвертирующего терминала.

Выходное уравнение выглядит следующим образом: Vout = [1 + (Rf / Ra)] * [(V1 + V2) / 2]

Таким образом, коэффициент усиления неинвертирующего суммирующего усилителя составляет [1 + (Rf / Ra)], и это аналогично типичным неинвертирующим усилителям.

Применение неинвертирующего усилителя | Не инвертирующий усилитель использует.

• Одним из важных применений неинвертирующего усилителя является обеспечение высокого входного импеданса, и этот неинвертирующий операционный усилитель очень эффективен для этого.
• Неинвертирующие операционные усилители используются для различения небольших схем внутри каскадного и сложного курсов.
• Они также используются при изменении коэффициента усиления.

Для чего используются неинвертирующие усилители?

Неинвертирующие усилители используются из-за их высоких значений импеданса и лучшей стабильности из-за отрицательной обратной связи и усиления. Свойство неинвертирующего усилителя, который дает усиление или сопротивление на выходе, сделало его известным благодаря дифференциации схем для каскадных систем.

Инвертирующий и неинвертирующий шум усилителя

Инвертирующие усилители обеспечивают большее усиление шума, чем неинвертирующие усилители. Это происходит потому, что источник тока и напряжения находят разные значения усиления по сравнению с выходом. Коэффициент усиления шума — очень важный параметр для измерения характеристик усилителя.

Неинвертирующий буферный усилитель

Неинвертирующий буферный усилитель, или буферный усилитель, или буферный операционный усилитель — это особый тип операционного усилителя, который принимает единственный входной сигнал через неинвертирующий усилитель и обеспечивает единичное усиление. Инвертирующий терминал закорочен, а выход создает отрицательную обратную связь. Такие усилители предлагают высокий входной импеданс, более низкий выходной импеданс и высокий ток.

Буферы используются для автоматического выключателя или во избежание загрузки входа.

Изображение от: Индуктивная нагрузка, Операционный усилитель Unity-Gain Buffer, помечено как общественное достояние, подробнее на Wikimedia Commons

Неинвертирующий усилитель с конденсатором

Конденсатор может быть добавлен с неинвертирующим усилителем для реализации различных передаточных функций. Конденсатор может превратить неинвертирующий усилитель в интегратор или дифференциатор.

Используя конденсаторы, неинвертирующие усилители также могут быть преобразованы в цепи со связью по переменному току или «шину с половинным питанием».

Неинвертирующий усилитель с опорным напряжением

Неинвертирующие усилители конфигурируются с опорными напряжениями. Эталонные напряжения необходимы для операционных усилителей, поскольку они являются ограничивающим пределом для выходов. Усилитель не может выйти за пределы положительного опорного напряжения или опускается ниже отрицательного опорного напряжения.

Часто задаваемые вопросы

1. Для чего нужен неинвертирующий усилитель?

Ответ: Неинвертирующие усилители используются из-за их высоких значений импеданса и лучшей стабильности из-за отрицательной обратной связи и усиления. Свойство неинвертирующего усилителя, который дает усиление или сопротивление на выходе, сделало его известным благодаря дифференциации схем для каскадных систем.

2. Какой усилитель лучше инвертирующий или неинвертирующий?

Ответ: Инвертирующие усилители более предпочтительны, чем неинвертирующие усилители. Скорость нарастания и коэффициент подавления стандартной моды (CMRR) у инвертирующего усилителя выше, чем у неинвертирующего усилителя.

3. Нарисуйте форму сигнала неинвертирующего усилителя.

Ответ: На изображении ниже показана форма волны неинвертирующего усилителя. Мы можем заметить, что выход усилен и находится в той же фазе, что и вход.

Waveform

4. Для каких приложений используется инвертирующий усилитель и для каких применений — неинвертирующий усилитель?

Ответ: В приложениях, где пользователю требуется более высокое усиление, лучшая скорость нарастания и лучший CMRR, выбирают инвертирующий усилитель. А если пользователю нужна более высокая динамическая стабильность системы, он должен выбрать неинвертирующий усилитель.

5. Каковы преимущества инвертирующего усилителя по сравнению с неинвертирующим?

Ответ: Инвертирующий усилитель обеспечивает большее усиление, лучшую скорость нарастания и более высокий CMRR, чем неинвертирующий усилитель.

6. Каковы типичные условия работы неинвертирующего усилителя в линейной области?

Ответ: Рассмотрим, Rs является типичным входное сопротивление, Rf является сопротивление обратной связи, Vcc является напряжение насыщения, и Vg это опорное напряжение. Условие для работы в линейной области идеального операционного усилителя будет:

(Rs + Rf) / Rs> | Vcc / vg |

7. Почему виртуальное заземление не применяется к неинвертирующему усилителю?

Ответ: Хотя учащиеся часто задают вопрос, проблема связана с технической ошибкой. Виртуальное заземление — это свойство усилителя, но это не закон, который может быть применен на самом деле. Теперь для неинвертирующего терминала в цепи нет узла, что нехорошо.

8. Почему IP-сопротивление инвертирующего и неинвертирующего opam бесконечно?

Ответ: Входное сопротивление неинвертирующего ОУ бесконечно, но практически, если это значение импеданса увеличивается, тем меньше ток он будет фактически потреблять. Это условие необходимо для того, чтобы операционный усилитель эффективно работал и усиливал слабый сигнал.

9. Почему в неинвертирующем усилителе нет напряжения на резисторе обратной связи?

Ответ: Для повторитель напряжения неинвертирующая схема, нет падения напряжения через инвертирующий вывод и в идеальном случае через резистор не должно проходить тока.

10. Почему значение резисторов обратной связи должно быть больше, чем значение входных резисторов в случае неинвертирующего усилителя OP?

Ответ: Коэффициент усиления неинвертирующего усилителя определяется как [1 + (Rf / Ra)]. Мы можем заметить, что увеличение Rf (сопротивления обратной связи) увеличивает общий коэффициент усиления системы. Вот почему номинал резистора обратной связи лучше, чем значения входного сопротивления.

11. Что произойдет, если я захочу добавить конденсатор положительной обратной связи в неинвертирующий усилитель? Что с шумом и запасом по фазе?

Ответ: Если вы добавите конденсатор положительной обратной связи к неинвертирующему усилителю, схема будет работать как мультивибратор. Значение RC будет контролировать колебания. Запас по шумам и фазе не так важен.

Дополнительные статьи по электронике нажмите сюда

Инвертирующий усилитель на оу

Инвертирующий усилитель

Наибольшее распространение среди схем на ОУ, получила схема инвертирующего усилителя и производные от данной схемы: различные типы инвертирующих сумматоров. Схема инвертирующего усилителя показана ниже

Инвертирующий усилитель.

Данная схема состоит из операционного усилителя DA1 и резисторов R1 и R2. В данной схеме операционный усилитель DA1 охвачен параллельной отрицательной обратной связью (ООС) по напряжению.

Для рассмотрения работы данной схемы вспомним одно из основных соотношений в идеальном ОУ: напряжение между входами равно нулю. Исходя из этого, неинвертирующий и инвертирующий входы ОУ имеют одинаковый потенциал относительно общего вывода, в данном случае этот потенциал равен нулю (часто точку соединения резисторов R1 и R2 называют

виртуальной землёй). Вследствие этого токи протекающие через резисторы R1 и R2 должны уравновешивать друг друга, то есть быть одинаковыми по значению но разными по знаку

где I_R1, I_R2 – токи, протекающие через резисторы R1 и R2 соответственно.

Исходя из этого, коэффициент усиления данной схемы составит

Знак «-» показывает, что выходной сигнал инвертирован по отношению к входному .

Входное сопротивление данной схемы получается из последовательно соединённых сопротивлений R1 и параллельно соединённых входного сопротивления ОУ R_{BX. ОУ} и уменьшенного в 1+K

ОУ раз сопротивления обратной связи R2

где К_ОУ – коэффициент усиления ОУ.

В общем случае, когда коэффициент усиления операционного усилителя К_ОУ имеет достаточно большую величину можно считать, что входное сопротивления инвертирующего ОУ будет равно сопротивлению R1.

Выходное сопротивление инвертирующего усилителя, состоящего из ОУ охваченного параллельной ООС по напряжению, вычисляется по той же формуле, что и неинвертирующий усилитель.

Как рассчитать величину тока, который должен обеспечивать ОУ ?

Очень просто! Допустим, что в роли нагрузки выступает резистор сопротивлением в 10 Ом. На повторитель приходит напряжение в 5 вольт, которое он должен передать нагрузке. В таком случае, применяя закон ома (I=U/R), выясняем, что для поддержания 5 вольт на резисторе операционнику требуется обеспечивать ток в 0.5 ампера. (Это грубая прикидка, но вполне применимая на практике)

Обычные ОУ не смогут справиться с такой задачей. Конечно выход можно умощнить транзистором, но тогда применение повторителя на ОУ становится менее оправданным.

Для таких целей предлагается использовать TDA2030, TDA2040 или TDA2050 включенных по схеме повторителя. Микросхемы представляют собой уже готовые, умощненые транзисторами, операционные усилители, которые между собой отличаются максимальной выходной мощность.

Корректная подача опорного напряжения в ИУ

Часто полагают, что вход для подачи опорного напряжения высокоомный (поскольку это вход). Так, разработчики могут соблазниться подключить высокоомный источник, например резистивный делитель, к выводу ИУ для опорного напряжения. С некоторыми типами инструментальных усилителей это может привести к значительным погрешностям (рис. 8).

Рис. 8. Неправильное использование простого делителя напряжения для непосредственной подачи опорного напряжения в инструментальный усилитель из трех ОУ

Например, в конструкции популярного ИУ применено три ОУ, соединенных, как показано выше. Общий коэффициент усиления равен:

где R2/R1 = R4/R3.

Коэффициент передачи для входа опорного напряжения равен единице (при подаче напряжения от источника с низким импедансом). Однако в рассматриваемом случае вывод опорного напряжения ИУ подключен к простому делителю напряжения на резисторах. Это приводит к разбалансу схемы вычитания и нарушает коэффициент деления делителя напряжения. В свою очередь, это снижает коэффициент подавления синфазного сигнала в ИУ и точность его коэффициента усиления. Однако если бы внутренний резистор R4 был нам доступен, то при снижении его сопротивления на величину, равную параллельному соединению двух резисторов делителя напряжения (здесь 50 кОм), схема вела бы себя так, будто к изначальному сопротивлению резистора R4 подключен низкоомный источник, равный (в данном примере) половине напряжения питания, и точность схемы вычитания была бы сохранена.

Этот подход невозможен, если ИУ — интегральная схема в закрытом корпусе. Еще одна проблема заключается в том, что температурные коэффициенты сопротивления (ТКС) внешних резисторов делителя отличаются от ТКС резистора R4 и других резисторов схемы вычитания. И, наконец, такой подход не позволяет регулировать значение опорного напряжения. Если, с другой стороны, попытаться использовать в делителе напряжения низкоомные резисторы, чтобы влияние их добавленного сопротивления было бы пренебрежимо малым, то ток потребления от источника питания и рассеиваемая мощность схемы увеличатся. В любом случае, такой метод «грубой силы» не приносит успеха.

На рис. 9 показано лучшее решение — применение буфера на ОУ с малым потреблением энергии между делителем напряжения и входом опорного напряжения ИУ. Это ликвидирует необходимость подбора сопротивления и проблему резисторов с разными ТКС, а также дает возможность легко регулировать опорное напряжение.

Рис. 9. Подача опорного напряжения на ИУ с низкоимпедансного выхода ОУ

Применение аналогового сумматора

В настоящее время аналоговый сумматор используется в схемах, где надо суммировать два и более аналоговых сигналов. Это могут быть микшеры звукового диапазона, где надо объединить выходные сигналы от микрофонов, а также от устройств, которые создают различные спецэффекты и которые потом можно добавить к основной звуковой дорожке. Вся прелесть микшеров на ОУ заключается в том, что входные сигналы никак не влияют друг на друга. А также это могут быть схемы операционной обработки сигналов для выполнения арифметической обработки сигналов (сложение/вычитание).

при участии JEER

Рекомендую посмотреть классное видео про сумматор:

Активные фильтры

Для оценки требуемого значения GBW обычно используется формула:

где:GBW – частота единичного усиления скомпенсированного операционного усилителя;G – усиление в полосе пропускания;F3 – частота среза фильтра по уровню −3 dB;Q – добротность фильтра;100 – запас усиления.

Здесь появляется дополнительный множитель, Q. Дело в том, что ФНЧ с Q > 0.707 имеет пик на АЧХ и необходимо учесть его величину. Величина этого пика:

Что будет, если забыть про требование к GBW?

Для примера возьмём ФНЧ Баттерворта на 250 кГц для которого ожидается плоская АЧХ в полосе пропускания. ОУ с GBW 1 МГц.

ФНЧ 250 кГц на идеальном ОУ и с GBW 1 МГц

Появился пик около 0.5 дБ в полосе пропускания, а сама она сузилась.

Для ФНЧ дополнительное уменьшение усиления с ростом частоты может быть даже полезным, позволяя получить большее ослабление нежелательных частот. Пик тоже может быть полезным, им можно скомпенсировать спад АЧХ других каскадов

Однако, если поведение вблизи частоты излома важно, влияние GBW можно попробовать скомпенсировать. Прочитать об этом можно там, тут и здесь

Зачем использовать инструментальные усилители?

Когда я учился в колледже, один из моих преподавателей сравнил работу инженера-электронщика с разнорабочим с поясом с инструментами, набитым оборудованием. Успешный разнорабочий будет стремиться иметь широкий набор инструментов и знать, как и когда использовать каждый из них.

Точно так же инженер-электронщик имеет свой «пояс с инструментами» из знаний и применений компонентов, схемотехники и способов решения задач. Столкнувшись с задачей, успешный инженер будет знать, какие инструменты использовать для достижения цели проектирования.

Один из таких инструментов, который должен иметь каждый инженер, – это инструментальные (или измерительные) усилители. Инструментальные усилители играют жизненно важную роль во многих областях электротехники; все, от промышленной автоматики для тяжелых условий эксплуатации до прецизионных медицинских устройств, используют инструментальные усилители в своих интересах. Прежде чем мы перейдем ко всем применениям, мы должны кратко рассмотреть конструкцию инструментальных усилителей, и почему их нужно использовать вместо обычных операционных усилителей, которые обычно дешевле.

Давайте сначала взглянем на классическую схему дифференциального усилителя:

Рисунок 1 – Дифференциальный усилитель

Такой конфигурации может быть достаточно для некоторых дифференциальных применений; он может усиливать сигнал с измерительного моста и иметь хороший CMRR (КОСС, коэффициент ослабления синфазного сигнала), но у него есть несколько проблем. Во-первых, мы можем ясно видеть, что входные импедансы не приближаются к бесконечности; фактически входное сопротивление на инвертирующем входе относительно низкое. Входные сопротивления в этой схеме не совпадают, и иногда входные сопротивления инвертирующего и неинвертирующего входов могут сильно различаться. Эта схема также требует очень тщательного согласования резисторов и согласования с импедансом источника. Мы, конечно, могли бы увеличить входной импеданс, сделав резисторы обратной связи очень большими, но при номинале 1 МОм для резисторов R1 и R2 потребуется, чтобы R3 и R4 были равны 100 МОм для достижения коэффициента усиления хотя бы 100; а для очень слабых сигналов обычно требуется больший коэффициент усиления. Использование резисторов большого номинала также создает новые проблемы. Резисторы с большим сопротивлением создают шум, и их очень сложно подобрать с высокой точностью; кроме того, резисторы большого номинала могут вызвать появление паразитной емкости, которая отрицательно скажется на CMRR на высоких частотах.

Решением было бы использовать перед каждым входом неинвертирующие буферы, но мы всё равно хотели бы добиться более высокого коэффициента усиления. Взгляните на инструментальный усилитель, показанный ниже.

Рисунок 2 – Инструментальный усилитель

Два буферных усилителя обеспечивают практически бесконечное входное сопротивление и усиление, а дифференциальный усилитель обеспечивает дополнительное усиление и несимметричный выход. В результате получается схема с очень высоким CMRR, высоким коэффициентом усиления и входным сопротивлением порядка 1010 Ом.

Корпусы операционных усилителей

Операционные усилители размещаются в контейнерах, называемых корпусами. Четыре наиболее распространенных типов корпусов это: ТО-5 (корпус транзисторного типа), DIP (плоский корпус с двухрядным расположением выводов), мини — DIP и плоский корпус с планарными выводами.

Штырьки корпуса операционного усилителя используются в качестве выводов, с их помощью операционный усилитель соединяется с остальной схемой.

Операционные усилители либо непосредственно припаиваются к монтажной плате, либо вставляются в колодку, которая припаяна к плате. Если операционный усилитель вставлен в колодку, его легко можно извлечь при помощи специального пинцета, предназначенного для этих целей.

Виртуальное короткое замыкание

Одно из этих предположений называется виртуальным коротким замыканием. На самом деле, это не является одной из фундаментальных характеристик идеального операционного усилителя. Скорее, виртуальное короткое замыкание является теоретической ситуацией, которая возникает из-за одной из основных характеристик идеального операционного усилителя, а именно, бесконечного коэффициента усиления без обратной связи.

Давайте представим, что у нас есть операционный усилитель, включенный как инвертирующий усилитель. Как почти всегда в случае схем на ОУ, работа схемы основана на использовании отрицательной обратной связи.

Рисунок 1 – Инвертирующий усилитель на операционном усилителе

Стандартный метод получения формулы коэффициента усиления по напряжению этой схемы состоит в предположении, что напряжение на неинвертирующем входном выводе (V_вх+) равно напряжению на инвертирующем входном выводе (V_вх–). Поскольку неинвертирующий вход соединен с землей, V

вх+ = 0 В, и, следовательно, V_вх– = 0 В. Но почему? Почему мы можем предположить, что эти два разных напряжения равны?

Бесконечный коэффициент усиления

Предположить, что эти два разных напряжения равны, можно потому, что на самом деле разница между этими напряжениями очень мала, а разница между напряжениями очень мала, потому что коэффициент усиления очень велик. Рассмотрим следующую диаграмму и формулу:

Рисунок 2 – Определение выходного напряжения

\

Операционный усилитель – это дифференциальный усилитель. Он создает выходное напряжение, применяя коэффициент усиления без обратной связи (обозначенный A) к разности напряжений на неинвертирующем и инвертирующем входах. Если мы перестроим эту формулу так, чтобы разностное напряжение было отделено от коэффициента усиления, то получим следующее:

\

Обратите внимание, что происходит при увеличении коэффициента усиления без обратной связи (для заданного Vвых): разность напряжений уменьшается. Когда коэффициент усиления приближается к бесконечности, разность напряжений приближается к нулю

Другими словами, если коэффициент усиления бесконечен, Vвх+ должно быть равно Vвх–, а это и есть виртуальное короткое замыкание.

Конечный коэффициент усиления

Невозможность создания усилителя с бесконечным коэффициентом усиления не отменяет практическую ценность виртуального короткого предположения. Почему? Потому что «виртуальное короткое замыкание» – это просто еще один способ сказать, что между двумя входными напряжениями операционного усилителя существует нулевая разница, а в реальных схемах эта разница «достаточно близка» к нулю. Коэффициент усиления без обратной связи реальных операционных усилителей может превышать 100 дБ. Это отношение выходного напряжения к входному не менее 100 000. Допустим, у нас есть операционный усилитель с A = 100 дБ, который выдает выходное напряжение 2,5 В.

\

Это 25 мкВ. Когда коэффициент усиления без обратной связи достаточно высок, чтобы создавать (очень) маленькое разностное напряжение, виртуальное короткое замыкание является надежным инструментом для практического проектирования, несмотря на то, что оно нереально. И на самом деле, оно не только нереально. Оно совершенно парадоксально.

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.

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

LM358 DataSheet на русском, описание и схема включения

Микросхема LM358 как написано в его DataSheet является универсальным решением, так как схема включения большинства популярных устройств весьма проста, в случаях отсутствия жестких требований к высокому быстродействию, рассеиваемой мощности и нестандартному питающему напряжению. Небольшая стоимость, отсутствие необходимости подключения дополнительных элементов частотной коррекции, возможность использования во всем диапазоне стандартных питающих напряжений (до +32В) и низкий потребляемый ток, делают его кандидатом номер один для электронных проектов с ОУ.

LM358 цоколевка

LM358 состоит из двух ОУ, каждый имеет по 4 вывода, имеющих свое назначение. Всего получается 8 контактов. Производятся в нескольких видах корпусного исполнения, для объемного DIP и поверхностного монтажа на плату SO. Так же могут встречается в усовершенствованных корпусах SOIC, VSSOP, TSSOP.

Назначение контактов для всех видов корпусов совпадает: 2,3, 5,6, — входы, 1,7 – выходы, 4 – минус источника питания, 8 – плюс источника питания.

Технические характеристики

Ниже указаны предельные допустимые значения условий эксплуатации для диапазона рабочих температур окружающей среды TA от 0 до +70 °C, если не указано иное.

Основные электрические характеристики, при температуре окружающей среды TA = 25 °C.

Рекомендуемые условия эксплуатации в диапазоне рабочих температур окружающей среды, если не указано иное:

Подверженность устройства повреждению от электростатического разряда (ESD):

Также у данного устройства есть тепловые характеристики:

Схемы подключения

Ниже приведем несколько простых схем включения lm358 которые могут вам пригодится. Все они являются ознакомительными, так что обязательно проверяйте все перед внедрением в производственной сфере.

Схема в мощном неинвертирующим усилителе.

Преобразователь напряжения — ток.

Схема с дифференциальным усилителем.

Неинвертирующий усилитель средней мощности.

Аналоги

Аналогами LM358 можно считать микросхемы в которых указываются идентичные характеристики. К таким относятся: LM158, LM258, LM2904, LM2409. Эти микросхемы незначительно отличаются от описываемой своими тепловыми параметрами и подойдут в качестве замены для большинства проектов.

Для ее замены можно использовать: GL 358, NE 532, OP 04, OP 221, OP 290, OP 295, OPA 2237, TA7 5358-P, UPC 358C, AN 6561, CA 358E, HA 17904. Отечественные аналоги lm358: КР 1401УД5, КР 1053УД2, КР 1040УД1.

Для замены также может подойти аналог по электрическим параметрам, но уже c четырьмя ОУ в одной микросхеме — LM324.

Маркировка

Префикс LM сначала использовался при маркировке общего назначения компанией National Semiconductor. Цифры “358” это ее серийный номер. В 2011 году эта компания была приобретена другим производителем электроники Texas Instruments. С этого года префикс “LM” является кодом производителя Texas Instruments, но несмотря на это, этот код используют и другие производители при маркировке своей продукции. Микросхемы LM358, LM358-N и LM358-P имеют одинаковые технические параметры. У большинства компаний-производителей символами “-N” , “-P” обозначаются пластиковые корпуса PDIP.

В технических описания встречается такие виды: LM358A, LM358B, LM358BA. Так указывается версии следующего поколения промышленного стандарта LM358. Устройства «B» могут быть доступны в более современных микрокорпусах TSOT и WSON.

Применение

Lm358 широко используется в:

• устройствах типа «мигающий маяк»;
• блоках питания и зарядных устройствах;
• схемах управления двигателем;
• материнских платах;
• сплит системах внутреннего и наружного применения;
• бытовой технике: посудомоечные, стиральные машины, холодильные установки;
• различных видах инверторов;
• источниках бесперебойного питания;
• контроллерах и др.

Возможности применения микросхемы производители обычно указывают в технических описаниях на свои устройства.

Виды и обозначения на схеме

С развитием электросхемотехники операционные усилители постоянно совершенствуются и появляются новые модели.

Классификация по сферам применения:

1. Индустриальные – дешевый вариант.
2. Презиционные (точная измерительная аппаратура).
3. Электрометрические (малое значение Iвх).
4. Микромощные (потребление малого I питания).
5. Программируемые (токи задаются при помощи I внешнего).
6. Мощные или сильноточные (отдача большего значения I потребителю).
7. Низковольтные (работают при U<3 В).
8. Высоковольтные (рассчитаны на высокие значения U).
9. Быстродействующие (высокая скорость нарастания и частота усиления).
10. С низким уровнем шума.
11. Звуковой тип (низкий коэффициент гармоник).
12. Для двухполярного и однополярного типа электрического питания.
13. Разностные (способны измерять низкие U при высоких помехах). Применяются в шунтах.
14. Усилительные каскады готового типа.
15. Специализированные.

По входным сигналам ОУ делятся на 2 типа:

1. С 2 входами.
2. С 3 входами. 3 вход применяется для расширения функциональных возможностей. Обладает внутренней ООС.

Схема операционного усилителя достаточно сложная, и не имеет смысла его изготавливать, а радиолюбителю нужно только знать правильную схему включения операционного усилителя, но для этого следует понимать расшифровку его выводов.

Основные обозначения выводов ИМС:

1. V+ – неинвертирующий вход.
2. V- – инвертирующий вход.
3. Vout – выход.Vs+ (Vdd, Vcc, Vcc+) – плюсовая клемма ИП.
4. Vs- (Vss, Vee, Vcc-) – минус ИП.

Практически в любом ОУ присутствуют 5 выводов. Однако в некоторых разновидностях может отсутствовать V-. Существуют модели, которые обладают дополнительными выводами, которые расширяют возможности ОУ.

Выводы для питания необязательно обозначать, т.к. это увеличивает читабельность схемы. Вывод питания от положительной клеммы или полюса ИП располагают вверху схемы.

Где применяются

Существует 2 вида схем ОУ, которые различаются способом подключения. Главный недостаток ОУ — непостоянство Kу, зависящего от режима функционирования. Основные сферы применения — усилители: инвертирующий (ИУ) и неинвертирующий (НИУ). В схеме НИУ Kу по U задается резисторами (сигнал нужно подавать на вход). ОУ содержит ООС последовательного типа. Эта связь выполнена на одном из резисторов. Она подается только на V-.

В ИУ происходит сдвиг сигналов по фазе. Для изменения знака выходного отрицательного напряжения необходима параллельная ОС по U. Вход, который является неинвертирующим, нужно заземлить. Входной сигнал через резистор подается на инвертирующий вход. Если неинвертирующий вход уходит на землю, то разность U между входами ОУ равна 0.

Можно выделить устройства, в которых применяются ОУ:

1. Предусилители.
2. Усилители звуковых и видеочастотных сигналов.
3. Компараторы U.
4. Дифусилители.
5. Диференциаторы.
6. Интеграторы.
7. Фильтрующие элементы.
8. Выпрямители (повышенная точность выходных параметров).
9. Стабилизаторы U и I.
10. Вычислители аналогового типа.
11. АЦП (аналого-цифровые преобразователи).
12. ЦАП (цифро-аналоговые преобразователи).
13. Устройства для генерации различных сигналов.
14. Компьютерная техника.

Операционные усилители и их применение получили широкое распространение в различной аппаратуре.

Что такое биполярный транзистор и какие схемы включения существуют

Что такое триггер, для чего он нужен, их классификация и принцип работы

Что такое аттенюатор, принцип его работы и где применяется

Что такое компаратор напряжения и для чего он нужен

Как работает микросхема TL431, схемы включения, описание характеристик и проверка на работоспособность

Что такое делитель напряжения и как его рассчитать?

Обозначение на схеме операционного усилителя

На схемах операционный усилитель обозначается вот так:

или так

Чаще всего ОУ на схемах обозначаются без выводов питания

Итак, далее по классике, слева два входа, а справа – выход.

Вход со знаком «плюс» называют НЕинвертирующий, а вход со знаком «минус» инвертирующий. Не путайте эти два знака с полярностью питания! Они НЕ говорят о том, что надо в обязательном порядке подавать на инвертирующий вход сигнал с отрицательной полярностью, а на НЕинвертирующий сигнал с положительной полярностью, и далее вы поймете почему.

Пример работы инвертирующего усилителя

Давайте посмотрим, как работает наш усилитель в программе-симуляторе электронных схем Proteus. Здесь мы собираем базовую схему с двухполярным питанием

В Proteus она будет выглядеть вот так:

Здесь мы взяли значение резисторов R2=10 кОм и R1=1 кОм, следовательно, коэффициент усиления такой схемы будет равен -10. Знак “минус” в данном случае просто инвертирует усиленный сигнал, что мы и видим на осциллограмме ниже. Входной сигнал – это розовая осциллограмма, а выходной – это желтая осциллограмма. Выходной сигнал находится в противофазе относительно входного, то есть инвертирует его. Отсюда и название “инвертирующий усилитель”.

Применение в биомедицине

Если к вам в больнице когда-либо подключали какое-либо электронное оборудование для снятия с вас показаний, то вы были подключены к датчикам, управляемым инструментальным усилителем. Схемы инструментальных усилителей находят широкое применение почти в каждом медицинском устройстве, как из-за вышеупомянутых преимуществ, так и из-за того, что инструментальные усилители также являются прецизионными усилительными устройствами.

Для инструментальных усилителей не требуются внешние резисторы обратной связи; вместо этого они содержат резисторы, изготовленные в самой микросхеме с использованием лазерной подгонки, и используют только один внешний настроечный резистор для настройки коэффициента усиления, что избавляет от несовпадения номиналов резисторов. Это позволяет устройству устанавливать точное значение коэффициента усиления в зависимости от требований схемы. Большинство биомедицинских датчиков, такие как датчики артериального давления, ультразвуковые преобразователи, поляризованные и неполяризованные электроды и датчики радиационной термометрии, имеют очень высокий импеданс и генерируют очень слабые сигналы.

Эти датчики требуют очень высокого импеданса, обеспечиваемого инструментальным усилителем, поскольку характеристики биопотенциальных электродов могут подвергаться воздействию нагрузки, что может вызвать искажение сигнала. Кроме того, усилители должны иметь высокий уровень подавления шума; больницы – одна из самых шумных сред, в которых датчик должен будет работать, с сотнями беспроводных устройств, работающих поблизости, и постоянно присутствующим фоном 50 Гц от света и электросети. Эти неустойчивые шумовые сигналы часто на несколько порядков больше, чем сигнал от биопотенциального электрода, который сам по себе составляет всего несколько милливольт. Легко узнаваемое медицинское применение таких усилителей – это электрокардиографы или аппараты ЭКГ, которые отслеживают изменения в дипольном электрическом поле сердца. Ниже приведен пример применения инструментального усилителя Analog Device серии AD82X в ЭКГ из руководства по применению.

Рисунок 4 – Применение инструментального усилителя Analog Device серии AD82X в ЭКГ

Все три инструментальных усилителя снимают разность сигналов с электродов датчиков, а последний электрод «F» действует как земля. Для этого устройства используются измерительные усилители, поскольку биопотенциальные электроды улавливают огромное количество шума от линий электросети, который необходимо ослаблять, чтобы устройство могло давать точные показания.

Дифференцирующий усилитель на оу.

Дифференцирующий
усилитель (дифференциатор) предназначен
для получения выходного сигнала
пропорционального скорости изменения
входного. При дифференцировании сигнала
ОУ должен пропускать только переменную
составляющую входного напряжения, а
коэффициент усиления дифференцирующего
звена должен возрастать при увеличении
скорости изменения входного напряжения.
Схема дифференциатора, на входе которого
включен конденсатор С, а в цепи ОС –
резистор, представлена на рис. 11.13.
Полагая, что ОУ идеальный, ток через
резистор обратной связи можно считать
равным току через конденсатор Iс+Ir=0,

,
тогда

Рассмотренный
дифференциатор используется редко
из-за следующих недостатков:

1.
Низкого входного сопротивления на
высоких частотах, определяемого емкостью
С;

2.
Относительно высокого уровня шумов
на выходе обусловленного большим
усилением на высоких частотах;

3.
Склонности к самовозбуждению. (данная
схема может быть неустойчивой в области
частот, где частотная характеристика
дифференциатора (кривая 1 на рис.11.14),
имеющая подъем 20 дБ/дек, пересекается
с АЧХ скорректированного ОУ, имеющего
спад −20дБ/ дек (кривая 2 на рис. 11.14).
Амплитудно-частотная характеристика
разомкнутой системы в некоторой части
частотного диапазона имеет

спад
–40 дБ/дек, который определяется
разностью наклона кривых 1 и 2, а фазовый
сдвиг ϕ = –180°, что и указывает на
возможность самовозбуждения.)

Чтобы
избежать проявления этих недостатков
дифференциатора принимаются следующие
схемотехнические решения:

1.
Резистор обратной связи шунтируется
конденсатором, ёмкость которого
выбирается такой, чтобы участок АЧХ ОУ
со спадом -20 дБ/дек начинался на частоте
более высокой, чем максимальная частота
полезного дифференциального сигнала.
Это приводит к уменьшению высокочастотных
составляющих шума в выходном сигнале.
Такой участок начинается на частоте
f=1/(2πRocCoc).

2.
Последовательно со входным конденсатором
С включается резистор, который ограничивает
коэффициент усиления на высоких частотах
дифференциатора. Это обеспечивает
динамическую устойчивость и снижает
входной ёмкостной ток от источника
сигнала.

3.
Использование ОУ с низким напряжением
смещения и малыми входными токами, а
также конденсаторов с малыми токами
утечек и малошумящих резисторов.

Практическая
схема дифференциатора и его АЧХ
приведены на

рис.
11.15. Введение резистора R приводит к
появлению на частотной характеристике
(кривая 1 на рис. 11.15,б) горизонтального
участка, где не происходит дифференцирования
на частотах, превышающих частоту

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.

Неинвертирующий усилитель на оу

Рассмотрим схему на рис. Это неинвертирующий усилитель. В приближении, которым мы воспользуемся, входной импеданс этого усилителя бесконечен для ОУ типа он составляет 10 12 Ом и больше, для ОУ на биполярных транзисторах обычно превышает 10 8 Ом. Выходной импеданс, как и в предыдущем случае, равен долям ома. Если, как в случае с инвертирующим усилителем, мы внимательно рассмотрим поведение схемы при изменении напряжения на входах, то увидим, что она работает, как обещано.

Поиск данных по Вашему запросу:

Схемы, справочники, даташиты:

Прайс-листы, цены:

Обсуждения, статьи, мануалы:

Дождитесь окончания поиска во всех базах.

По завершению появится ссылка для доступа к найденным материалам.

Содержание:

• Неинвертирующий усилитель на ОУ
• Поваренная книга разработчика аналоговых схем: Операционные усилители 3
• 3. Неинвертирующий усилитель
• 6.3. Неинвертирующий усилитель на оу
• Неинвертирующий усилитель
• Неинвертирующий усилитель на ОУ. Принцип работы

ПОСМОТРИТЕ ВИДЕО ПО ТЕМЕ: Как работает транзистор? Режим ТТЛ логика / Усиление. Анимационный обучающий 2d ролик. / Урок 1

Неинвертирующий усилитель на ОУ

Напряжение смещения нуля равно нулю, и поэтому инвертирующий вход ОУ должен иметь тот же потенциал, что и неинвертирующий. Для расчета выходного напряжения V OUT и коэффициента усиления воспользуется правилом расчета делителя напряжения:. Важно отметить, что в выражении 2 присутствуют только номиналы пассивных элементов. 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. 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. Впрочем, не поленитесь и полистайте datasheet на операционник. Если там описано включение как на рис.

ОУ включен как повторитель входного сигнала. Эти расчеты, особенно для статических режимов и низких частот верны как для идеального , так и для реальных ОУ. В случае достаточно высоких частот рекомендуется и ОУ выбирать быстродействующий. Метки:: Операционный усилитель. Подписка на RSS. Карта сайта О сайте. Схемы, платы, код Идеальный ОУ — Неинвертирующий усилитель Неинвертирующий ОУ. Разновидностью плетеной сетки является сетка рабица. Ваш отзыв Отменить. Поиск по сайту. Войти Имя пользователя.

Запомнить меня.

Поваренная книга разработчика аналоговых схем: Операционные усилители 3

При этом входной сигнал должен подаваться на неинвертирующий вход рисунок 3. Это напряжение U — равно:. Можно показать, что входной импеданс такой схемы Z BX очень большой и выражается формулой:. Также легко показать, что выходной импеданс схемы Z ВЫХ стремится к нулю, если коэффициент усиления ОУ с разорванной петлей ОС становится очень большим. Предыдущая 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 Следующая. Поделитесь с друзьями:. Типы усилительных каскадов II.

Рисунок Неинвертирующий усилитель на ОУ. Нетрудно показать, что в неинвертирующем усилителе ОУ охвачен ПООСН. Поскольку Uвх и Uос.

3. Неинвертирующий усилитель

Напряжение смещения нуля равно нулю, и поэтому инвертирующий вход ОУ должен иметь тот же потенциал, что и неинвертирующий. Для расчета выходного напряжения V OUT и коэффициента усиления воспользуется правилом расчета делителя напряжения:. Важно отметить, что в выражении 2 присутствуют только номиналы пассивных элементов. 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. По этой причине во многих конструкциях буферов этот резистор присутствует. Его функция — защищать инвертирующий вход от бросков напряжения путём ограничения тока на безопасном уровне.

6.3. Неинвертирующий усилитель на оу

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

Всем доброго времени суток.

Неинвертирующий усилитель

Схема неинвертирующего усилителя приведена на рис. Определим ее коэффициент передачи. Переписав в более удобном виде, имеем:. Итак, схема рис. Это означает, что при прохождении через схему сигнал не меняется ни по амплитуде, ни по фазе. Таким образом схема рис.

Неинвертирующий усилитель на ОУ. Принцип работы

Поваренная книга — сборник рецептов, а данный цикл статей — сборник стандартных схем с операционными усилителями. Каждой схеме посвящена отдельная статья, содержащая пример типового расчета с указанием формул и последовательности действий. Расчеты выполнены для конкретных усилителей из производственной линейки TI. Разработчик может использовать и другие изделия, широкий выбор которых представлен на страницах каталога компании КОМПЭЛ. От читателя требуется понимание базовых принципов работы операционных усилителей. Авторы обещают обновлять и дополнять статьи цикла. Подписаться на получение уведомлений о публикации новых глав. Источник сигнала может иметь высокий импеданс например, единицы МОм , так как собственный входной импеданс схемы определяется огромным входным импедансом операционного усилителя например, единицы ГОм.

Операционный усилитель — это такая «штука», которая позволяет всячески. . . На неинвертирующий вход подали напряжение в 1В.

Например, в неинвертирующем усилителе можно было цепь обратной связи заземлить через конденсатор для того чтобы сделать коэффициент усиления по постоянному току равным единице, рис. Например, в неинвертирующем усилителе можно было цепь обратной связи заземлить через конденсатор для того чтобы сделать коэффициент усиления по постоянному току равным единице , но просто подключить его последовательно между инвертирующим и неинвертирующим входами мы не могли. В практике схема называется неинвертирующим усилителем. Чем отличаются схемы инвертирующего и неинвертирующего усилителя , выполненные на базе ОУ.

ОУ широко применяется в аналоговых устройствах электроники. На инвертирующем входе ОУ происходит суммирование токов. Знак «-» говорит о том, что происходит инверсия знака входного напряжения. На рисунке б в цепь неинвертирующего входа включен резистор R3 для уменьшения влияния входных токов ОУ, сопротивление которого определяется из выражения:. Входное сопротивление усилителя на низких частотах приблизительно равно R вх. Выходное сопротивление R вых.

Рассмотрим схему на рис. Анализ ее крайне прост:.

Если в качестве цепи обратной связи использовать простейшии делитель напряжения и производить операцию вычитания напряжений с помощью дифференциальных входов операционного усилителя, то получится изображенная на рис. Коэффициент обратной связи к равен При допущении идеальности характеристик операционного усилителя коэффициент усиления определяется формулой Величина А для случая конечного значения дифференциального коэффициента усиления усилителя уже была получена в виде формулы 6. Неинвертируюший усилитель При использовании реального операционного усилителя операция вычитания осуществляется неидеально, так как коэффициент ослабления синфазного сигнала имеет конечную величину. Для более точного определения результирующего коэффициента усиления рассмотрим выражение 6. Важным особым случаем неинвертирующего усилителя является случай, когда Схема такого усилителя изображена на рис. Из формулы 6.

В настоящее время операционные усилители выпускают в виде интегральных микросхем. Благодаря совершенным характеристикам операционных усилителей на их основе возможна реализация большого числа как линейных, так и нелинейных устройств. Условное обозначение ОУ приведено на рис. Интегральный операционный усилитель имеет дифференциальный вход.

Инвертирующий усилитель принцип работы: описание, характеристики

Содержание

Рис. 1.12

Основными схемами на ОУ являются инвертирующий и неинвертирующий усилители, режим работы которых осуществляется в пределах линейного участка передаточной характеристики. Также весьма важны схемы компенсации напряжения сдвига .

Неинвертирующий усилитель на ОУ

Неинвертирующий усилитель изображен на (рис. 1.11).

Рис. 1.11

Данная схема позволяет использовать в качестве неинвертирующего усилителя ОУ, схема обладает высоким полным входным сопротивлением, причем коэффициент усиления всей схемы по напряжению может быть жестко задан с помощью сопротивлений R 1 и R ос .

В данной схеме входной сигнал подается на неинвертирующий вход ОУ.

Усилитель содержит последовательную отрицательную обратную связь по напряжению, создаваемую на резисторе R ос и поданную на инвертирующий вход.

Полное входное сопротивление всей схемы оказывается высоким, так как единственным путем для тока между входом и землей является высокое полное входное сопротивление ОУ.

Сопротивления R 1 и R ос образуют делитель напряжения с очень малой нагрузкой, так как ток, необходимый для управления усилителем, очень мал ( I см >> 0 ).

Поэтому через R 1 и R ос течет одинаковый ток и напряжение, приложенное к инвертирующему входу, равно:

U вх.инв = U вых R 1 /R 1 +R ос

Так как IR 1 = IR ос , R вх , имеем

IR 1 = UR 1 /R 1 , IR ос = UR ос /R ос , U вх.инв = U вх + U q , поэтому IR 1 = (U вх + U q )/R 1 , IR x = (U вых — (U вх + U q )) / R ос

(U вх + U q ) / R 1 = (U вых — (U вх + U q )) / R ос

Так как U вых = KU q и U q = U вых / K, то если K , U q >>0, можно написать U вх / R 1 = (U вых — U вх ) / R ос

Найдем отсюда коэффициент усиления схемы U вых / U вх , который называют коэффициентом усиления с замкнутой ОС (Kос), или коэффициентом усиления замкнутого усилителя, т. е.

U вх R ос = R 1 U вых — R 1 U вх U вх (R ос + R 1 ) = R 1 U вых (R ос + R 1 ) / R 1 = U вых / U вх = К ос К ос = R ос / R 1 +1 , когда К>>К ос .

Сопротивления R 1 + R ос следует выбирать так, чтобы общий ток нагрузки с учетом этого сопротивления не превышал максимального выходного тока усиления.

Инвертирующий усилитель

Инвертирующий усилитель изображен на (рис. 1.12)

Рис. 1.12

Входной и выходной сигналы инвертирующего усилителя сдвинуты по фазе на 180°. Изменение знака выходного сигнала относительно входного создается введением по инвертирующему входу ОУ с помощью резистора R ос параллельной обратной связи по напряжению. Неинвертирующий вход связан с общей точкой входа и выхода схемы (заземляется). Входной сигнал подается через резистор R 1 на инвертирующий вход ОУ.

Благодаря высокому коэффициенту усиления усилителя без ОС для изменения выходного напряжения усилителя во всем рабочем диапазоне достаточно весьма малого значения Uз (обычно U вых. max и.п. ).

Если на схему подать положительное входное напряжение U вх , то U q станет положительным и выходной потенциал начнет снижаться. Выходное напряжение будет меняться в отрицательном направлении до тех пор, пока напряжение на инвертирующем входе в точке А не станет почти нулевым: U q = U вых / Kоу >> 0.

Таким образом, R 1 и R ос действует как делитель напряжения между U вых и U вх и U вых / U вх = R ос / R 1 .

Точка А называется потенциально заземленной, поскольку потенциал почти равен потенциалу Земли,так как U q >> 0.

Если принять R вх.оу и входной ток ОУ I оу = 0, то

IR 1 = (U вх — U q ) / R 1 и IR 1 = — (U вых — U q ) / R ос , следовательно (U вх — U q ) / R 1 = — (U вых — U q ) / R ос .

Полагая,что U q >> 0 и К , запишем

Uвх/R 1 = U вых /R ос , К ос = U вых /U вх = — R ос /R 1

Таким образом, коэффициент усиления инвертирующего каскада ОУ зависит только от параметров внешней цепи и не зависит от коэффициента усиления самого ОУ. Обычно R 1 выбирается так, чтобы не нагружать источник напряжения U вх , а R ос должно быть достаточно большим, чтобы чрезмерно не нагружать операционный усилитель.

Если выбрать R ос = R 1 , когда К uос = — 1, то схема (рис. 1.12) получит свойства инвертирующего повторителя напряжения(инвертор сигнала).

Поскольку U q 0, входное сопротивление схемы R вх = R 1 , выходное сопротивление усилителя:

R вых = ((R вых оу (1+R ос /R 1 )) / К u,оу

При К u,оу , R вых 0.

Внешняя компенсация сдвига.

Некоторые усилители имеют встроенные регулировочные элементы для устранения сдвига. В усилителях, которые не имеют внутренних средств для устранения нуля U сдв , приходится добавлять внешнюю резисторную цепь для компенсации напряжения сдвига.

В схеме на (рис. 1.13), хотя I см и невелик, но он все же существует и, если даже U сдв равно нулю, I см , протекая через параллельное соединение сопротивлений R 1 и R ос , вызовет появление на выходе напряжения U сдв.вых (I см ), равного I см (R 1 || R ос ).

Поскольку ток смещения неинвертирующего входа I см2 (рис. 1.14) приблизительно равен току смещения, протекающему через инвертирующий вход (I см1 ), то, подключив в цепь неинвертирующего входа сопротивление R к , равное R 1 || R ос , получим напряжение, возникающее на R к , приблизительно равное напряжению смещения по инвертирующему входу от I см1 (R 1 || R ос ).

Рис. 1.13

Рис. 1.14

Для компенсации U сдв , вызванного небалансом U бэ , следует установить делитель, с помощью которого можно было бы компенсировать даже U сдв . max , не изменяя коэффициент передачи цепи обратной связи.

Схема установки нуля напряжения сдвига (потенциометр R п ) показана на (рис. 1.15).

Рис. 1.15

Компенсация U сдв в неинвертирующем усилителе осуществляется аналогично, однако делитель напряжения устанавливается в цепи ОС, так что очень важно, чтобы R 4 было много больше R 3 (рис. 1.16).

Рис. 1.16

Заметим, что R 1 = R 3 + R 5 , и эта сумма используется в выражении для определения коэффициента усиления усилителя с ОС. Сопротивления R п и R 4 выбираются точно так же, как и для инвертирующего усилителя.

Схема инвертирующего повторителя напряжения

Инвертирующий усилитель — модифицированный инвертирующий повторитель напряжения, который может получить почти любой коэффициент усиления, пока коэффициент усиления находится в пределах конструктивных характеристик операционного усилителя.

Операционные усилители не играли бы важной роли в контрольно-измерительных устройствах, если бы они применялись только в качестве буферов. У операционных усилителей имеется много других областей применения. Простые инвертированные повторители напряжения могут быть видоизменены таким образом, чтобы коэффициент усиления в них составлял более единицы.

Коэффициент усиления инвертирующего повторителя напряжения изменяется с помощью величины резистора цепи обратной связи. Инвертирующий повторитель напряжения, имеет входной резистор (Rin) и резистор цепи обратной связи (Rfb).

Схема инвертирующего повторителя напряжения

Схема усилителя с переключаемым сопротивлением цепи обратной связи

Пример усилителя с переключаемым сопротивлением цепи обратной связи

Поскольку коэффициент усиления и выходное напряжение будут изменяться в зависимости от положения переключателя, коэффициент усиления и выходное напряжение должны вычисляться отдельно для каждого положения переключателя.

Необходимо отметить, что инвертирующий усилитель имеет один недостаток. Мы уже знаем, что повторитель напряжения не нагружает источник сигнала, поскольку входы усилителя имеют очень большое сопротивление, и потребляют ток так мало, что в большинстве случаев его можно игнорировать (правило №2).

Инвертирующий усилитель является одним из самых простых и наиболее часто используемых аналоговых схем. С помощью всего двух резисторов, мы можем выставить необходимый нам коэффициент усиления. Ничего не мешает нам сделать коэффициент менее 1, тем самым ослабив входной сигнал.

Часто к схеме добавляют еще один резистор R3, сопротивление которого равно сумме R1 и R2.

Чтобы понять, как работает инвертирующий усилитель, смоделируем простую схему. У нас на входе напряжение 4В, сопротивление резисторов составляет R1=1к и R2=2к. Можно было бы, конечно, подставить все это в формулу и сразу вычислить результат, но давайте посмотрим, как именно работает эта схема.

Начнем с напоминания основных принципов работы операционного усилителя:

Правило №1 — операционный усилитель оказывает воздействие своим выходом на вход через ООС (отрицательная обратная связь), в результате чего напряжения на обоих входах, как на инвертирующем (-), так и на неинвертирующем (+) выравнивается.

Обратите внимание, что неинвертирующий вход (+) соединен с массой, то есть на нем напряжение равное 0В. В соответствии с правилом №1 на инвертирующем входе (-) так же должно быть 0В.

Итак, мы знаем напряжение, находящееся на выводах резистора R1 и его сопротивление 1к. Таким образом, с помощью закона Ома мы можем выполнить расчет, и рассчитать, какой ток течет через резистор R1:

Чтобы знать, куда дальше течет этот ток, мы должны знать еще принцип действия усилителя:

Правило №2 — входы усилителя не потребляют ток

Таким образом, ток, протекающий через R1, течет далее через R2!

Снова воспользуемся законом Ома и вычислим, какое падение напряжения происходит на резисторе R2. Мы знаем его сопротивление и знаем какой ток через него, следовательно:

Получается, что на выходе мы имеем 8В? Не совсем так. Напомню, что это инвертирующий усилитель, т. е. если на вход мы подаем положительное напряжение, а на выходе снимаем отрицательное. Как же это происходит?

Это происходит вследствие того, что обратная связь установлена на инвертирующем входе (-), и для уравнивания напряжений на входе усилитель снижает потенциал на выходе. Соединения резисторов можно рассмотреть как простой делитель напряжения, поэтому чтобы потенциал в точке их соединения был равен нулю, на выходе должно быть минус 8 вольт: Uвых. = -(R2/R1)*Uвх.

Есть еще один подвох, связанный с 3 правилом:

Правило №3 — напряжения на входах и выходе должны быть в диапазоне между положительным и отрицательным напряжением питания ОУ.

То есть нужно проверить, что рассчитанные нами напряжения можно реально получить через усилитель. Часто начинающие думают, что усилитель работает как источник свободной энергии и вырабатывает напряжение из ничего. Но надо помнить, что для работы усилителя также нужно питание.
Классические усилители работают от напряжения -15В и +15В. В такой ситуации наши -8В, которые мы рассчитали, являются реальным напряжением, так как находится в этом диапазоне.

Однако современные усилители часто работают с напряжением 5В и ниже. В такой ситуации нет никаких шансов, чтобы усилитель выдал нам минус 8В на выходе. Поэтому, при проектировании схем всегда помните, что теоретические расчеты всегда нужно подкреплять реальностью и физическими возможностями.

Необходимо отметить, что инвертирующий усилитель имеет один недостаток. Мы уже знаем, что повторитель напряжения не нагружает источник сигнала, поскольку входы усилителя имеют очень большое сопротивление, и потребляют ток так мало, что в большинстве случаев его можно игнорировать (правило №2).

Инвертирующий же усилитель имеет входное сопротивление равное сопротивлению резистора R1, на практике оно составляет от 1к…1М. Для сравнения, усилитель с входами на полевых транзисторах имеет сопротивление порядка сотен мегаом и даже гигаом! Поэтому иногда может быть целесообразно перед усилителем установить повторитель напряжения.

Как уже отмечалось, операционные усилители в настоящее время используются в самых различных электронных устройствах. Их широко применяют как в аналоговых, так и в импульсных устройствах электроники. В то же время существуют и часто используются типовые линейные схемы на основе операционных усилителей. Такие типовые схемы должен знать каждый инженер, использующий электронные устройства. Именно такие схемы рассматриваются ниже.

Как уже отмечалось, операционные усилители в настоящее время используются в самых различных электронных устройствах. Их широко применяют как в аналоговых, так и в импульсных устройствах электроники. В то же время существуют и часто используются типовые линейные схемы на основе операционных усилителей. Такие типовые схемы должен знать каждый инженер, использующий электронные устройства. Именно такие схемы рассматриваются ниже.

Примем следующие допущения:

● Входное сопротивление операционного усилителя равно бесконечности, токи входных электродов равны нулю (R_вх → ∞, i₊ = i₋).

● Выходное сопротивление операционного усилителя равно нулю, т. е. операционный усилитель со стороны выхода является идеальным источником напряжения (R_вых = 0).

● Коэффициент усиления по напряжению (коэффициент усиления дифференциального сигнала) равен бесконечности, а дифференциальный сигнал в режиме усиления равен нулю (при этом не допускается закорачивания выводов операционного усилителя).

● В режиме насыщения напряжение на выходе равно по модулю напряжению питания, а знак определяется полярностью входного напряжения. Полезно обратить внимание на тот факт, что в режиме насыщения дифференциальный сигнал нельзя всегда считать равным нулю.

● Синфазный сигнал не действует на операционный усилитель.

● напряжение смещения нуля равно нулю.

Рассмотрим схему инвертирующего усилителя (рис. 2.25), из которой видно, что в ней действует параллельная обратная связь по напряжению.

Так как i₋ = 0, то в соответствии с первым законом Кирхгофа i₁ = i₂.

Предположим, что операционный усилитель работает в режиме усиления, тогда uдиф = 0. В соответствии с этим на основании второго закона Кирхгофа получим i₁ = uвх/ R₁i₂ = − uвых/ R₂

Таким образом, инвертирующий усилитель характеризуется коэффициентом усиления по напряжению, равным Кu= −R2/R1

Например, если R1= 1кОм,R2=10 кОм, тогда uвых= − 10 ·uвх

Для уменьшения влияния входных токов операционного усилителя на выходное напряжение в цепь неинвертирующего входа включают резистор с сопротивлением R₃ (рис. 2.26), которое определяется из выражения R3=R1//R2=R1·R2/ (R1+R2)

Входное сопротивление инвертирующего усилителя на низких частотах значительно ниже собственного входного сопротивления операционного усилителя. Это полностью соответствует сделанному раннее выводу о том, что параллельная отрицательная обратная связь, имеющая место в схеме, уменьшает входное сопротивление. Учитывая, что uдиф

0, легко заметить, что иходное сопротивление усилителя на низких частотах приблизительно равно R₁.

Выходное сопротивление инвертирующего усилителя на низких частотах R_вых.ос существенно меньше выходного сопротивления на низких частотах R_вых собственно операционного усилителя. Это является следствием действия отрицательной обратной связи по напряжению.

Можно показать, что R_вых.ос = R_вых / ( 1 + К ·R1/R2) где К — коэффициент усиления по напряжению операционного усилителя.

Схема операционного усилителя создаёт выход, который является выключенной фазой благодаря входу на 180º, называется инвертирующим усилителем. Это означает, что если заряд на входе положительный, то заряд на выходе будет отрицательным и наоборот. Рисунок 1 показывает инвертирующий усилитель, Где имеется операционный усилитель и 2 резистора.

Схема операционного усилителя создаёт выход, который является выключенной фазой благодаря входу на 180º, называется инвертирующим усилителем. Это означает, что если заряд на входе положительный, то заряд на выходе будет отрицательным и наоборот. Рисунок 1 показывает инвертирующий усилитель, Где имеется операционный усилитель и 2 резистора.

Тут сигнал, поступающий на входе, применяется к инвертирующему выводу операционного усилителя по средствам резистора Ri, в то время как его не инвертирующий вывод заземлён. Обратная связь необходима для того чтобы стабилизировать схему и контролировать вход. Это обеспечивается через обратную связь резистора Rf.

Рисунок 1 Инвертирующий усилитель, использующий операционный усилитель

Математически коэффициент усиления напряжения, создаваемый схемой, выглядит следующим образом:

Как бы там ни было, стоит отметить, что идеальные операционные усилители имеют бесконечное полное сопротивление на входе, благодаря чему электрический ток, проходящий через выводы входа равен нулю i.e.

I1 = I2 = 0. Таким образом, Ii = -If. Так как не инвертирующий вывод заземлён (V2 = 0), то V1 = 0 в силу того обстоятельства, что напряжения на инвертирующем и не инвертирующем выводах идеального операционного усилителя равны. Отсюда,

Подстановка V1 и If в уравнение с V0 даёт:

Это показывает, что коэффициент усиления напряжения инвертирующего усилителя определяется за счёт соотношения между резистором обратной связи и резистором на входе. Знак минус указывает на переворот фазы на 180º. Стоит отметить, что полное сопротивление инвертирующего усилителя на входе ни что иное как Ri.

Инвертирующие усилители демонстрируют отличные линейные характеристики, что делает их идеальными в качестве усилителей постоянного тока. Более того, они часто используются для преобразования тока, поступающего на входе, в напряжение на выходе в форме усилителей с выходным напряжением, пропорциональном входному току, или в форме усилителей напряжения, которые управляются током. Они также могут использоваться в аудио микшерах, когда используются в виде суммирующих усилителей.

Пишите комментарии, дополнения к статье, может я что-то пропустил. Загляните на карту сайта, буду рад если вы найдете на моем сайте еще что-нибудь полезное.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Приравниваем эти два значения и получаем, что:

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

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

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

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

Подставив наши значения, получим U_ = 11medspace В . Это подтверждает верность выведенной нами ранее формулы U_ = U_medspace(1 + frac) 🙂

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

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

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

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

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

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

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

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

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

• Рассчитаем V_ref по формуле 1, например, используя максимальное входное и минимальное выходное напряжение:

Исходные данные для расчета представлены в таблице 71.

Таблица 71. Исходные данные для расчета инвертирующего усилителя

Вход		Выход		Питание
ViMin	ViMax	VoMin	VoMax	Vcc	Vee	Vref
-1 В	2 В	0,05 В	4,95 В	5 В	0 В	1,259 В

Описание схемы

Данная схема инвертирующего усилителя со входным смещением используется для преобразования входного сигнала -1…2 В в положительный сигнал 0,05…4,95 В (рисунок 81). Схема может применяться для масштабирования и смещения сигнала датчика с целью дальнейшей оцифровки при помощи АЦП.

Рис. 81. Схема инвертирующего усилителя со смещением неинвертирующего входа

Рекомендуем взять на заметку:

Порядок расчета

• Выходное напряжение определяется по формуле 1:

• Рассчитаем коэффициент усиления схемы по формуле 2:

• Выберем сопротивление резистора R2 = 6,81 кОм.
• Рассчитаем R1 по формуле 3:

$R_=G_;:R_=1.633fractimes 6.81:кОм=11.12:кОмapprox 11.1:(номинал).$

• Рассчитаем V_ref по формуле 1, например, используя максимальное входное и минимальное выходное напряжение:

Моделирование схемы

Передаточная характеристика схемы показана на рисунке 82.

Рис. 82. Передаточная характеристика схемы

Моделирование в режиме переменных токов (малосигнальный AC-анализ) показано на рисунке 83.

Рис. 83. Частотная характеристика схемы

Рекомендации

Параметры ОУ, используемого в расчете, приведены в таблице 72.

Таблица 72. Параметры ОУ, используемого в расчете

TLV9001
Vss	1,8…5,5 В
VinCM	Rail-to-rail
Vout	Rail-to-rail
Vos	0,4 мВ
Iq	60 мкА
Ib	5 пА
UGBW	1 МГц
SR	2 В/мкс
Число каналов	1, 2, 4

В качестве альтернативы может использоваться ОУ, параметры которого представлены в таблице 73.

Таблица 73. Параметры альтернативного ОУ

OPA376
Vss	2,2…5,5 В
VinCM	Rail-to-rail
Vout	Rail-to-rail
Vos	5 мкВ
Iq	760 мкА
Ib	0,2 пА
UGBW	5,5 МГц
SR	2 В/мкс
Число каналов	1, 2, 4

• инвертирующий
• не инвертирующий
• вычитание
• сложение
• дифференцирование
• интегрирование
• повторитель напряжения
• аналоговый компаратор

Операционный усилитель это один из главных составных частей нынешней электроники. Обладая прекрасными характеристиками и легкости расчетных функций, ОУ довольно просты в использовании. У операционных усилителей есть еще другое, параллельное название — дифференциальный усилитель, из-за того, что у него имеется возможность усиления разности входных напряжений.

В основном операционные усилители производятся в виде интегральных микросхем. В зависимости от назначения, могут размещаться по одному чипу в корпусе, а в некоторых случаях по два и более. Также производители выпускают ОУ различных модификаций, которые имеют существенные различия в технических характеристиках относительно друг друга.

По теоретическим расчетам ОУ обладает совершенными параметрами, в практическом же применении его характеристики только на пути к безупречным. Тем не менее в определенных моментах они достигаются. Применение понятия «совершенного» операционного усилителя способствует сделать расчеты более простыми.

Ламповый операционный усилитель K2-W

Такими безупречными характеристиками являются:

• бесконечно большое усиление при открытой петли обратной связи;
• бесконечно широкая полоса передаваемых частот;
• бесконечно большое входное сопротивление;
• импеданс равный нулю;
• выходное напряжение равно нулю при равенстве входных напряжений.

Из этого можно понять, что такие параметрические данные не могут быть гарантированы в полном объеме, хотя производители ежегодно улучшают характеристики операционников, тем самым делая их почти идеальными.

Существует некоторое количество ключевых схем, по которым работает ОУ:

• инвертирующий
• не инвертирующий
• вычитание
• сложение
• дифференцирование
• интегрирование
• повторитель напряжения
• аналоговый компаратор

Принцип действия инвертирующего усилителя

Данная аналоговая схема считается наиболее простой и часто используемая в электронике. Рабочие действия ОУ заключаются в усилении либо снижении сигнала на входе устройства, при этом он способен выполнять фазовую модуляцию. Функция усиливающая сигнал определяется буквенным обозначением k. Представленное графическое изображение демонстрирует определенное воздействие операционного усилителя в данной схеме:

Амплитуда отображенная синим цветом является сигналом во входном тракте устройства, а амплитуда красного цвета — выходная цепь. Как можно заметить на графике, идет двойное усиление сигнала, при этом амплитуда имеет перевернутый вид.

Принципиальная схема данного усилителя показана на снимке ниже:

Принцип действие данной схемы, как бы обосновывает популярность этого электронного прибора. Для того, чтобы определить коэффициент усиления сигнала на выходе нужно воспользоваться формулой приведенной ниже:

Включенный в схему постоянное сопротивление R3 выполняет функцию защиты микросхемы.

Принцип действия не инвертирующего усилителя

Схема не инвертирующего усилителя выполнена по аналогии инвертирующего усилителя, но с одним лишь отличием, в этом варианте не выполняется изменение полярности сигнала, то-есть фаза остается без изменений. Показанное ниже графическое изображение показывает прохождение выходного сигнала:

В данной схеме, при подаче во входную цепь синусоидального сигнала, усиленный выходной импульс, так же как и в предыдущей схеме составляет k=2, то есть двойной коэффициент усиления. График показывает, что при этом изменился только размах амплитуды.

На изображении ниже, показана схема ОУ работающего как не инвертирующий усилитель:

Показанная здесь схема, с включенными в нее парой резисторов, так же отличается своей простотой в исполнении. Сигнальный импульс по входу поступает на плюсовой вход микросхемы. Для расчета коэффициента усиления сигнала служит следующая формула:

Формула определяет: у усиливающего сигнала не должно быть условное значение, которое меньше «1», тем самым микросхема не даст возможности уменьшить сигнал.

Принцип работы операционного усилителя в схеме вычисления — дифференциальный усилитель

Следующим вариантом применения ОУ будет дифференциальный усилитель, и возможностью получения по входу разность двух сигнальных импульсов с последующим усилением. Представленный ниже график показывает работу микросхемы.

Очередная схема, способна выполнить следующую работу ОУ:

Данный вариант принципиальной схемы не такой простой как представленные выше, а немного посложнее. Для вычисления выходного напряжения, нужно воспользоваться формулой:

Одна часть формулы определяет усиление либо уменьшение, другая часть высчитывает разницу 2-х напряжений.

Операционный усилитель работающий по схеме сложения

Этот характер работы микросхемы кардинально отличается от варианта вычитания. В данном случае имеется значительное преимущество прибора, а именно: его способность обрабатывать одновременно несколько сигнальных импульсов. Такой принцип функционирования используют все звуковые микшеры.

Представленная схема показывает ее возможность сложения большого количества сигналов, она не очень сложная и разобраться с ней не составит никакого труда. Для вычисления данных применяется формула:

Начинающим. Операционные усилители

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

Рисунок 2 – Инвертирующий усилитель

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

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

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

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

Т. к. ОУ — идеальный (Rвх — очень большое): i1 = — i2, отсюда

Принципиальная схема, показанная на рисунке является наиболее распространенной схемой включения ОУ. (справа — схема в американском стандарте обозначений)

полупроводник инвертирующий усилитель

Резистор R2 в цепи обратной связи служит для передачи части выходного сигнала обратно на вход. При подаче входного напряжения (U1) через резистор R1 протекает входной ток i1. Напомним, что входное напряжение ОУ (DU) имеет дифференциальный характер, т.е. фактически это разность напряжений на неинвертирующем и инвертирующем входах усилителя. Неинвертирующий вход чаще всего заземляют. Чтобы получить передаточную характеристику, учтем тот факт, что потенциал U1практически равен нулевому потенциалу.

Входная цепь: i1 =U1/R1, выходная цепь: i2 = — U2 / R2

Т.к. ОУ — идеальный (Rвх — очень большое): i1 = — i2, отсюда

Коэффициент усиления k ус = — U2/U1= — R2/R1

Тогда выходное напряжение будет равно U2 = — (R2 / R1) U1

Отношение номинальных значений резисторов R2/ R1 называется коэффициентом передачи усилителя, охваченного обратной связью, а знак минус означает, что выходной сигнал инвертирован. Следует обратить внимание, что коэффициент усилителя, охваченного обратной связью, можно установить посредством выбора сопротивлений двух резисторов, R1 и R2.

Схема усилителя представлена на рис. 3.2.3.

Схема усилителя представлена на рис. 3.2.3.

Рис. 3.2.3. Схема инвертирующего усилителя с ОУ

В схеме ?/_вх создается источником постоянного напряжения. ОУ принят идеальным.

В линейном режиме t/_{BX 1ШВ} = = О, /_вх + /*₂ = 0. При этом /_вх =

= UJR_V I_R = U_rJR_{, URi = иаы. Поэтому Um„ = -R,UJRV} Отсюда следует выражение для коэффициента усиления по постоянному напряжению

На рис. 3.2.4 приведена экспериментальная передаточная характеристика инвертирующего усилителя при R_x = 1 кОм, R., = 10 кОм и напряжении питания ОУ U„ = 18 В. Она подобна передаточной характеристике ОУ, так как имеет линейный участок между Н_вхмнн = -1,65 В и П_{вх макс} = 1,65 В, на котором и_вых макс = 16,5 В и U_ttm мнн

-16,5 В. На этом участке коэффициент усиления усилителя K_v = AU_BmmJAU_mmm = (П_{вых шкс} — П_вых>МШ1)/(П_{вх 3 В и в передаточной характеристике практически незаметно.}

Рис. 3.2.4. Передаточная характеристика по постоянному току инвертирующего усилителя

При подключении к усилителю (рис. 3.2.5) источника переменного напряжения и_пх(1) = U_m ,„sin((of) на выходе создается напряжение u_Bm(t) = = K U U ,_K.nM П + «)•

Рис. 3.2.5. Схема инвертирующего усилителя напряжения с ОУ (напряжение U_n = 18 В) и осциллограммы напряжений (скриншоты с модели в EWB)

Амплитуда напряжения на выходе генератора сигналов синусоидальной формы U_{Bx m} = 150 мВ, частотой / = 100 Гц. Сопротивления цепи ООС — R_{= 1} кОм, R₂= 10 кОм, нагрузки — R_H =100 кОм. Выходное напряжение имеет амплитуду U_{ttm m} = 1,5 В. В опыте получилось K_Vm = U_{Bblx m}/U_{Bx m} = 10. Напряжения u_BJt) и м_вых(0 имеют разность начальных фаз 180°, что соответствует знаку «минус» в уравнении (3.2.1).

Упражнение 3.2.1

Найти наибольшую допустимую амплитуду U_{Bx m} в линейном режиме усилителя по схеме на рис. 3.2.5 при напряжении U_n= 18 В.

На рис. 3.2.6 приведены осциллограммы входного и выходного напряжений при U = КЗ В с шагом 0,5 В. Из осциллограмм следует, что при уровнях выходного напряжения t/_{BbIX макс} = 16,5 В и t/_{BbIX мин} = -16,5 В происходят заметные нелинейные искажения в виде ограничений выходного напряжения. Эти искажения начинаются при U _т = (/_{вх макс}/10 = 1,65 В.

Амплитудная характеристика (АХ) рассмотренного усилителя представлена на рис. 3.2.7.

Участок амплитудной характеристики О А, ограниченный значением Uих in макс* — рабочий участок, где имеем ОУ в линейном режиме и постоян-

Рис. 3.2.6. Осциллограммы напряжений в линейном и в нелинейном режимах ОУ

Рис. 3.2.7. Амплитудная характеристика усилителя напряжения с ОУ ное значение коэффициента усиления. Величину /У_{вх макс} называют динамическим диапазоном усилителя по входному напряжению. Значение t/_Bblxm макс не превышает напряжения источника питания ОУ. Обычно считают ?/_{вых макс}

?_пит оу. Заметим, что в учебной литературе часто обе зависимости (на рис. 3.2.4 и 3.2.7) некорректно называют амплитудными характеристиками. Амплитуда — всегда положительная величина но определению, и смысл зависимостей разный. Правильно различать эти зависимости как передаточную (см. рис. 3.2.4) и амплитудную (см. рис. 3.2.7).

Амплитудно-частотная характеристика инвертирующего усилителя с ОУ изображена на рис. 3.2.8.

Рис. 3.2.8. Пример АЧХ инвертирующего усилителя в диапазоне 1 Гц — 1 МГц (EWB)

Из ЛЧХ следует: К_и>т = 20 дБ (в децибеллах: К_и = 201og(tf_BblxJU_BX J). Точки: Л — по уровню К_ц =К_и макс — 3 = 17 дБ верхней граничной частоты /_ф = 96 кГц; В — по уровню K_v = 0 дБ верхней граничной частоты/_{ф ()} = 858 кГц. Введение ООС в схему усилителя привело к расширению полосы пропускания до /_{ф 0} = 858 кГц против /_{ф 0У} = 548 кГц для использованного в примере ОУ.

Источники

Источник — http://de.ifmo.ru/bk_netra/page.php?tutindex=36&index=6
Источник — http://kipiavp.ru/pribori/invertiruyushiy-usilitel.html
Источник — http://www. joyta.ru/9452-invertiruyushhij-usilitel-na-ou-princip-raboty/
Источник — http://pue8.ru/silovaya-elektronika/863-invertiruyushchij-usilitel-na-osnove-operatsionnogo-usilitelya.html
Источник — http://elektronchic.ru/elektronika/invertiruyushhij-usilitel.html
Источник — http://microtechnics.ru/operacionnyj-usilitel/
Источник — http://www.compel.ru/lib/articles/povarennaya-kniga-razrabotchika-analogovyih-shem-operatsionnyie-usiliteli-24
Источник — http://usilitelstabo.ru/operatsionnyiy-usilitel-eto.html
Источник — http://radioprog.ru/post/506
Источник — http://studwood.ru/1758511/matematika_himiya_fizika/invertiruyuschiy_usilitel_shema_printsip_raboty_koeffitsient_usileniya
Источник — http://studme.org/282187/tehnika/invertiruyuschiy_usilitel_napryazheniya

Неинвертирующий усилитель на ОУ — КиберПедия

Навигация: Главная Случайная страница Обратная связь ТОП Интересно знать Избранные Топ: Основы обеспечения единства измерений: Обеспечение единства измерений — деятельность метрологических служб, направленная на достижение. .. Характеристика АТП и сварочно-жестяницкого участка: Транспорт в настоящее время является одной из важнейших отраслей народного… Интересное: Национальное богатство страны и его составляющие: для оценки элементов национального богатства используются… Средства для ингаляционного наркоза: Наркоз наступает в результате вдыхания (ингаляции) средств, которое осуществляют или с помощью маски… Берегоукрепление оползневых склонов: На прибрежных склонах основной причиной развития оползневых процессов является подмыв водами рек естественных склонов… Дисциплины: Автоматизация Антропология Археология Архитектура Аудит Биология Бухгалтерия Военная наука Генетика География Геология Демография Журналистика Зоология Иностранные языки Информатика Искусство История Кинематография Компьютеризация Кораблестроение Кулинария Культура Лексикология Лингвистика Литература Логика Маркетинг Математика Машиностроение Медицина Менеджмент Металлургия Метрология Механика Музыкология Науковедение Образование Охрана Труда Педагогика Политология Правоотношение Предпринимательство Приборостроение Программирование Производство Промышленность Психология Радиосвязь Религия Риторика Социология Спорт Стандартизация Статистика Строительство Теология Технологии Торговля Транспорт Фармакология Физика Физиология Философия Финансы Химия Хозяйство Черчение Экология Экономика Электроника Энергетика Юриспруденция

⇐ ПредыдущаяСтр 2 из 8Следующая ⇒ Усиливает напряжение (умножает напряжение на константу, большую единицы) § (на практике — входное сопротивление операционного усилителя: от 1 MОм до 10 TОм) § Третий резистор с сопротивлением, равным (сопротивление параллельно соединенных резисторов R1 и R2), устанавливаемый (при необходимости) между точкой подачи входного сигнала и неинвертирующим входом, уменьшает ошибку, возникающую из-за тока смещения.     Суммирующий усилитель на ОУ Суммирует (с весом) несколько напряжений. Сумма на выходе инвертирована, то есть все веса отрицательны. § Если , то § Если , то § Выход инвертирован § Входной импеданс n-го входа равен (Поскольку является виртуальной землей) 14Интегрирующий усилитель (интегратор) – это такой усилитель (рис. 3.8), выходное напряжение которого пропорционально интегралу от входного напряжения. Его можно получить заменой активного сопротивления обратной связи RОС в масштабном усилители реактивным элементом (конденсатором С).   Рисунок 3.8 – Интегрирующий усилитель на базе ОУ     Во время переходного процесса в цепи R1, С, протекающего при подаче на вход схемы сигнала Uвх, усилитель работает в линейном режиме. Этому режиму соответствует процесс интегрирования. Если принять, что КU→∞, то в схеме существует полная отрицательная обратная связь и Uвх=0. Поэтому ток, протекающий через резистор R1, определяется по формуле     Поскольку ток во вход идеального ОУ не втекает, то и напряжение на конденсаторе или, что то же самое, на выходе усилителя (Uвх =0) определяется выражением:   Если к входу ОУ приложить напряжение в виде скачка с постоянной амплитудой Uвх, то   где R1C – постоянная времени интегратора (τ = R1C). В соответствии с этим уравнением интегрирующий усилитель может быть использован для получения линейно изменяющегося напряжения, что применяется при проектировании высокоточных генераторов пилообразного напряжения на ОУ. Дифференциатор Дифференциатор используется тогда, когда надо получить выходной сигнал, пропорциональный скорости изменения входного.   Идеальный дифференциатор Рисунок 5. Схема инвертирующего дифференциатора на ОУ. Для идеального ОУ напряжение на конденсаторе Uc равно входному напряжению Uвх, а ток через сопротивление обратной связи R равен току через конденсатор C, т.е. ίR = – ίc. В этом случае выходное напряжение Uвых = R·ίR = – ίc·R=–R·C(dUвх/dt). Пример дифференцирования.Подадим на вход сигнал треугольной формы: Рисунок 6. Временные диаграммы напряжения на входе и на выходе дифференциатора. Выходной сигнал — это прямоугольное напряжение, частота которого равна частоте входного сигнала Таким образом, любому линейно изменяющемуся сигналу на входе дифференциатора соответствует постоянный выходной сигнал, величина которого пропорциональна крутизне входного сигнала; этот выходной сигнал остается постоянным в течение всего времени, пока входной сигнал сохраняет постоянный наклон. Реальный дифференциатор Рисунок 7. Инвертирующий дифференциатор на ОУ. Резистор Rк и емкость C образуют дифференцирующую цепочку с частотой среза fc1 = 1/2π∙Rк∙С. Резистор R и емкость Cк образуют интегрирующую цепочку с частотой среза Fc2 = 1/2π∙R∙Ск. Типичная логарифмическая амплитудно-частотная характеристика (ЛАЧХ) реального дифференциатора на ОУ показана на рисунке 8. Рисунок 8. ЛАЧХ реального дифференциатора Частотная характеристика реального дифференциатора представляет собой частотную характеристику полосового фильтра с подъемом и спадом 20 дб/декада и с коэффициентом усиления, большим единицы. В области частот меньших частоты среза fc1 = 1/2π∙Rк∙С возможно дифференциирование входного напряжения. В полосе частот от fc1 до fc2 реальный дифференциатор можно рассматривать как инвертирующий усилитель с коэффициентом усиления KU = — R/Rк. В области частот больших частоты среза fc2 = 1/2π∙R∙Ск возможно интегрирование входного напряжения. Компараторы Компараторы предназначенные для сравнения величин двух аналоговых сигналов. Рис.1. Схема компаратора На один вход компаратора подается опорное напряжение Uоп, а на другой входной сигнал с напряжением Uвх. Дифференциальное напряжение Uдиф = Uоп – Uвх. Если Uвх >Uоп, то Uдиф < 0 и выходное напряжение будет отрицательным и равно Uвых = — Uвых макс. Если Uвх <Uоп, то Uдиф > 0 и выходное напряжение будет положительным и равно Uвых = + Uвых макс. Когда входной сигнал в процессе изменения становится больше или меньше опорного, то напряжение на выходе компаратора изменяется скачкообразно. Рисунок 9. Временная диаграмма работы компаратора. ⇐ Предыдущая12345678Следующая ⇒ Кормораздатчик мобильный электрифицированный: схема и процесс работы устройства. .. Опора деревянной одностоечной и способы укрепление угловых опор: Опоры ВЛ — конструкции, предназначен­ные для поддерживания проводов на необходимой высоте над землей, водой… Механическое удерживание земляных масс: Механическое удерживание земляных масс на склоне обеспечивают контрфорсными сооружениями различных конструкций… Организация стока поверхностных вод: Наибольшее количество влаги на земном шаре испаряется с поверхности морей и океанов (88‰)… 

Расчет параметров инвертирующего и неинвертирующего усилителей

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное автономное образовательное учреждение

высшего образования

«НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ

ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Инженерная школа энергетики

Электроэнергетика и электротехника

«Расчет параметров инвертирующего и неинвертирующего усилителей»

Индивидуальное задание № 1

по дисциплине:

Электроника 2. 1

Исполнитель:

студент группы 5А6Г Агафонов Богдан Валерьевич

Руководитель:

кандидат технических наук Чернышев Александр Юрьевич

Томск — 2018

Задание №1

Рассчитать параметры инвертирующего усилителя (рис. 1), выполненного на операционном усилителе, который обеспечивает коэффициент усиления по напряжению при сопротивлении нагрузки . Для расчетов принимаем =2,2 и = 51 кОм.

Рис.1. Схема инвертирующего усилителя

Решение:

Промышленность выпускает различные типы операционных усилителей, каждый из которых разрабатывается под конкретные изделия. Наиболее простыми являются ОУ марки К140УД6, К140УД7, К1410УД20. Для выполнения инвертирующего усилителя выбираем ОУ марки К140УД6, который имеет следующие основные параметры:

=+151,5 В;

1 МОм;

=151,5 В;

= +11 В;

2,5 мА;

200 нА;

25 нА;

=10 В;

= 11 В;

30000;

= 1 МГц;

= 2 В/мкс;

Условные обозначения параметров операционного усилителя:

напряжение источника питания положительной полярности;

напряжение источника питания отрицательной полярности;

максимальный допустимый ток операционного усилителя;

входной ток операционного усилителя;

разность входных токов;

напряжение смещения;

входное сопротивление

максимальное выходное напряжение положительного уровня;

максимальное выходное напряжение отрицательного уровня;

коэффициент усиления напряжения;

частота единичного усиления;

скорость изменения выходного напряжения.

Значение сопротивления резистора при заданной нагрузке определяем из условия ограничения выходного тока операционного усилителя на допустимом уровне:

Решим уравнение относительно сопротивления :

Подставив в выражение численные значения параметров, получим

Для ограничения выходного тока операционного усилителя увеличиваем в 10 раз.

Сопротивления резистора выбираем из ряда номинальных значений Е24.

Принимаем кОм.

Определим мощность резистора . Для этого найдем максимальный ток, протекающий по резистору :

Подставив численные значения параметров в выражение, имеем

Тогда мощность резистора

или после подстановки численных значений параметров

С учетом стандартного ряда мощностей выбираем резистор типа МЛТ – 0,01 – 51кОм ±5 %.

Коэффициент усиления инвертирующего усилителя определяется в соответствии с выражением

Решая выражение относительно , получим

После подставки численных значений параметров:

Сопротивление резистора выбираем из ряда номинальных значений Е24:

Определим мощность резистора . Для этого из выражения найдем максимальное входное напряжение:

Тогда

и

С учетом численных значений параметров

Из ряда стандартных мощностей выбираем резистор типа МЛТ – 0,01 –24 кОм ± 5 %.

С целью уменьшения токов и напряжений сдвигов в схему включают резистор . Резистор выбирают из условия равенства входных сопротивлений по инвертирующему и неинвертирующему входам операционного усилителя

Подставив найденные значения сопротивлений и в выражение, получим

Сопротивление резистора выбираем из ряда номинальных значений:

Так как операционный усилитель охвачен обратной связью и по входным цепям не потребляет тока, то мощность резистора мала. Выбираем резистор типа МЛТ – 0,01 – 18 кОм ± 5 %.

В соответствии с выражением проведем проверку коэффициента усиления инвертирующего усилителя

Погрешность вычислений находим по выражению

С учетом найденного значения определяем величину

Погрешность не превышает 5 %, поэтому найденные значения резисторов можно считать приемлемыми.

Рис.2. Модель инвертирующего усилителя в программной среде Electronics Workbench

Рис.3. Осциллограммы цифрового осциллографа

Из осциллограмм (рис. 3) следует, что при входном напряжении инвертирующего усилителя (см. окно VA1 на рис. 3), выходное напряжение равно

Тогда коэффициент усиления по напряжению инвертирующего усилителя можно определить по уравнению

Следовательно, параметры инвертирующего усилителя с заданным коэффициентом усиления найдены верно.

Задание №2

Рассчитать параметры неинвертирующего усилителя (рис. 4), выполненного на операционном усилителе, который обеспечивает коэффициент усиления по напряжению при сопротивлении нагрузки . Для расчетов принимаем и .

Рис.4. Схема неинвертирующего усилителя

Решение:

Для расчетов используем операционный усилитель типа К140УД6.

Определяем сумму сопротивлений резисторов и при заданной нагрузке из условия ограничения выходного тока операционного усилителя на допустимом уровне:

Решим выражение относительно

Коэффициент усиления неинвертирующего усилителя определяется в соответствии с выражением

Из выражения определим отношение сопротивлений и и составим систему уравнений

Решая систему уравнений относительно , получаем, что , тогда Из стандартного ряда выбираем номинальные значения сопротивлений а .

Найдем ток, протекающий через резисторы и :

Подставив численные значения параметров в выражение, получим

В соответствии с выражением определим мощность резисторов и :

С учетом ряда стандартных мощностей выбираем резистор типа МЛТ0,0252,2 кОм 5%, а резистор типа МЛТ0,0252,7 кОм 5%.

С целью уменьшения токов и напряжений сдвигов в схему (рис.4) включают резистор . Сопротивление выбирают из условия равенства входных сопротивлений по инвертирующему и неинвертирущему входам операционного усилителя в соответствии с выражением

Согласно стандартному ряду сопротивлений принимаем

Так как ОУ охвачен обратной связью и не потребляет ток по входным цепям, то ток, протекающий через чрезвычайно мал. Поэтому мощность резистора принимаем равной 0,01 Вт, а резистор выбираем типа МЛТ0,011,3 кОм5%.

Проведем проверку коэффициента усиления неинвертирующего усилителя по выражению:

По уравнению определяем погрешность вычислений

Погрешность не превышает 5 %, поэтому найденные значения резисторов можно считать приемлемыми.

Рис.5. Модель неинвертирующего усилителя в программной среде Electronics Workbench

Рис.6. Диаграммы входного и выходного напряжений неинвертирующего усилителя

Из диаграмм напряжений следует, что при входном напряжении инвертирующего усилителя равном выходное напряжение составляет .

Коэффициент усиления по напряжению неинвертирующий усилитель определяется как отношение выходного напряжения к входному напряжению :

Анализ полученных диаграмм (рис. 6) показывает, что коэффициент усиления неинвертирующего усилителя составляет 2,227. Следовательно, параметры неинвертирующего усилителя с заданным коэффициентом усиления найдены верно.

Вывод: научился рассчитывать параметры инвертирующего и неинвертирующего усилителей, понял принципиальную разницу между ними, научился строить схемы усилителей в пакете схематического моделирования схем Electronics Workbench. В первом задании погрешность была на 2,169% больше, чем во втором задании. Также осциллограмма неинвертирующего усилителя дала значение коэффициента усиления по напряжению более близкое к данному значению, чем осциллограмма инвертирирующего усилителя. При расчетах использовал программное обеспечение Mathcad

Схема неинвертирующего операционного усилителя

» Electronics Notes

Схема неинвертирующего усилителя на операционном усилителе обеспечивает высокий входной импеданс со всеми другими преимуществами, присущими операционным усилителям.

---

Учебное пособие по операционному усилителю Включает:
Введение Сводка по цепям Инвертирующий усилитель Суммирующий усилитель Неинвертирующий усилитель Усилитель с переменным усилением Активный фильтр верхних частот Активный фильтр низких частот Полосовой фильтр Режекторный фильтр Компаратор триггер Шмитта Мультивибратор Бистабильный Интегратор Дифференциатор Генератор моста Вина Генератор фазового сдвига

---

Конфигурация неинвертирующего усилителя является одной из самых популярных и широко используемых форм схемы операционного усилителя и используется во многих электронных устройствах.

Схема неинвертирующего усилителя на операционном усилителе обеспечивает высокий входной импеданс наряду со всеми преимуществами, полученными от использования операционного усилителя.

Хотя базовая схема неинвертирующего операционного усилителя требует того же количества электронных компонентов, что и его инвертирующий аналог, она находит применение в приложениях, где важно высокое входное сопротивление.

Схема неинвертирующего усилителя

Базовая электронная схема неинвертирующего операционного усилителя относительно проста.

В этой электронной схеме сигнал подается на неинвертирующий вход операционного усилителя. Таким образом, сигнал на выходе не инвертируется по сравнению со входом.

Однако обратная связь берется с выхода операционного усилителя через резистор на инвертирующий вход операционного усилителя, где другой резистор заземляется. Он должен применяться к инвертирующему входу, так как это отрицательная обратная связь.

Значение этих двух резисторов определяет коэффициент усиления схемы операционного усилителя, поскольку они определяют уровень обратной связи.

Базовая схема неинвертирующего операционного усилителя

Коэффициент усиления неинвертирующего усилителя

Коэффициент усиления неинвертирующей схемы операционного усилителя определить несложно. Расчет основан на том факте, что напряжение на обоих входах одинаково. Это связано с тем, что коэффициент усиления усилителя чрезвычайно высок. Если выход схемы остается в пределах шин питания усилителя, то выходное напряжение, деленное на коэффициент усиления, означает, что разницы между двумя входами практически нет.

Поскольку вход операционного усилителя не потребляет ток, это означает, что ток, протекающий через резисторы R1 и R2, одинаков. Напряжение на инвертирующем входе формируется делителем потенциала, состоящим из резисторов R1 и R2, а так как напряжение на обоих входах одинаковое, то напряжение на инвертирующем входе должно быть таким же, как и на неинвертирующем входе. Это означает, что Vin = Vout x R1/(R1 + R2). Отсюда коэффициент усиления по напряжению схемы Av можно принять равным:

Ср=1+R2R1

Где:
   Av = коэффициент усиления по напряжению схемы операционного усилителя
    R2 = сопротивление резистора обратной связи в Ом
     R1 = сопротивление резистора относительно земли в Ом

Например, усилитель, требующий коэффициента усиления, равный одиннадцати, можно построить, сделав сопротивление R2 47 кОм и R1 4,7 кОм.

Входное сопротивление неинвертирующего усилителя

Импеданс неинвертирующей цепи операционного усилителя особенно высок.

Входной импеданс этой схемы операционного усилителя обычно может значительно превышать 10 Ом.0053 7 Ом.

Для большинства схемных приложений любой эффект нагрузки схемы на предыдущих каскадах может быть полностью проигнорирован, поскольку он настолько велик, если только они не являются чрезвычайно чувствительными.

Это существенное отличие от инвертирующей схемы схемы операционного усилителя, которая обеспечивала лишь относительно низкий импеданс, зависящий от номинала входного резистора.

Связь по переменному току с неинвертирующим усилителем

В большинстве случаев возможна связь по постоянному току. Там, где требуется связь по переменному току, необходимо обеспечить, чтобы неинвертирующий транзистор имел путь постоянного тока к земле для очень малого входного тока, необходимого для смещения входных устройств внутри ИС.

Этого можно добиться, подключив к земле высокоомный резистор R3, как показано ниже. Обычно это значение может составлять 100 кОм или более. Если этот резистор не вставлен, выход операционного усилителя будет подключен к одной из шин напряжения.

Базовая схема неинвертирующего операционного усилителя с конденсаторной связью на входе

При такой установке резистора следует помнить, что комбинация конденсатор-резистор C1/R3 образует фильтр верхних частот с частотой среза. Точка отсечки возникает на частоте, когда емкостное реактивное сопротивление равно сопротивлению.

Аналогичным образом, выходной конденсатор должен быть выбран таким образом, чтобы он мог пропускать самые низкие частоты, необходимые для системы. В этом случае выходной импеданс операционного усилителя будет низким, и, следовательно, наибольший импеданс, вероятно, будет у следующего каскада.

Неинвертирующий усилитель с однополярным питанием

Схемы операционных усилителей обычно рассчитаны на работу от двух источников питания, т.е. +9В и -9В. Этого не всегда легко достичь, и поэтому часто бывает удобно использовать версию электронной схемы с несимметричным входом или с одним источником питания. Этого можно достичь, создав то, что часто называют половинной шиной питания.

Цепь неинвертирующего операционного усилителя смещена на половину напряжения шины. Установив рабочую точку при этом напряжении, можно получить максимальный размах на выходе без ограничения.

Схема неинвертирующего операционного усилителя с одной шиной питания.

При использовании этой схемы следует обратить внимание на несколько моментов:

• Напряжение смещения: Напряжение смещения для неинвертирующего усилителя устанавливается резисторами R3 и R4. Обычно входное сопротивление самого операционного усилителя будет выше, чем у резисторов, и поэтому им можно пренебречь. Обычно напряжение смещения устанавливается равным половине напряжения на шине, чтобы выходной сигнал мог одинаково колебаться в любом направлении без ограничения. R3 и R4 обычно имеют одинаковое значение.
• Входное сопротивление:   Входное сопротивление такой схемы будет ниже, чем у операционного усилителя в отдельности. Входное сопротивление всей схемы неинвертирующего усилителя будет равно R3 параллельно с R4 параллельно входному сопротивлению операционного усилителя. В действительности это обычно соответствует R3 параллельно с R4, то есть (R3 x R4) / R3 + R4).
• Конденсатор C3:   Утечка конденсатора C3 должна быть очень малой, иначе ток утечки нарушит цепь, и он попадет в шину. Электролитические конденсаторы в этом положении не работают, так как их ток утечки слишком велик и цепь упирается в шину питания.
• Входные и выходные конденсаторы: Как и в любой электронной схеме, входные и выходные конденсаторы должны быть выбраны так, чтобы они пропускали самые низкие частоты без чрезмерного затухания.

Конфигурация неинвертирующего усилителя с использованием операционного усилителя особенно полезна для электронных схем электронных устройств, где требуется высокое входное сопротивление. Схема неинвертирующего усилителя проста в сборке, на практике работает надежно и хорошо.

Дополнительные схемы и схемы:
Основы операционных усилителей Схемы операционных усилителей Цепи питания Транзисторная конструкция Транзистор Дарлингтона Транзисторные схемы схемы полевых транзисторов Символы цепи
    Вернитесь в меню проектирования схем . . .

Неинвертирующие операционные усилители Работа и применение

В электронике усилитель представляет собой схему, которая принимает входной сигнал и выдает неискаженную большую версию сигнала на выходе. В этом уроке мы узнаем о важной конфигурации операционного усилителя, называемой неинвертирующим усилителем. В неинвертирующих операционных усилителях вход подается на неинвертирующую клемму, а выход находится в фазе с входом.

Краткое описание

Введение

Операционный усилитель, или более известный как операционный усилитель, представляет собой многокаскадный дифференциальный усилитель с высоким коэффициентом усиления, который можно использовать несколькими способами. Две важные схемы типичного операционного усилителя:

• Инвертирующий усилитель
• Неинвертирующий усилитель

Неинвертирующий усилитель представляет собой схему схемы операционного усилителя, которая создает усиленный выходной сигнал, и этот выходной сигнал неинвертирующего операционного усилителя находится в фазе с приложенным входным сигналом.

Другими словами, неинвертирующий усилитель ведет себя как схема повторителя напряжения. В неинвертирующем усилителе также используется соединение с отрицательной обратной связью, но вместо того, чтобы подавать весь выходной сигнал на вход, только часть напряжения выходного сигнала возвращается в качестве входа на инвертирующий вход операционного усилителя.

Высокий входной импеданс и низкий выходной импеданс неинвертирующего усилителя делают эту схему идеальной для буферизации импеданса.

Идеальная схема неинвертирующего усилителя

Принципиальная схема идеального неинвертирующего усилителя показана на рисунке ниже.

Из схемы видно, что R ₂ (R _f на рисунке выше) и R ₁ (R ₁ на рисунке выше) действуют как делитель потенциала для выходное напряжение, а на инвертирующий вход подается напряжение на резисторе R ₁ .

Когда неинвертирующий вход подключен к земле, т. е. В _IN = 0, напряжение на клемме инвертирующего входа также должно быть на уровне земли; в противном случае любая разница напряжений между входными клеммами будет усиливаться, чтобы вернуть инвертирующую входную клемму к уровню земли (входы операционного усилителя всегда будут иметь одинаковое напряжение).

Поскольку клемма инвертирующего входа находится на уровне земли, соединение резисторов R ₁ и R ₂ также должно быть на уровне земли. Отсюда следует, что падение напряжения на резисторе R ₁ будет равно нулю. В результате ток, протекающий через R ₁ и R ₂ , должен быть равен нулю. Таким образом, падение напряжения на R ₂ равно нулю, и, следовательно, выходное напряжение равно входному напряжению, равному 0 В.

Когда положительный входной сигнал подается на неинвертирующую входную клемму, выходное напряжение смещается, чтобы поддерживать инвертирующую входную клемму равной приложенному входному напряжению. Следовательно, на резисторе R 9 будет развиваться напряжение обратной связи.0145 1 ,

VR ₁ = V _IN = V _OUT R ₁ / (R ₁ + R ₂ )

Коэффициент усиления по напряжению неинвертирующего операционного усилителя

Из приведенного выше уравнения, V _IN через V _OUT коэффициент усиления по напряжению неинвертирующего усилителя с обратной связью A _CL может быть рассчитан как :

 A _КЛ = В _ВЫХ / В _ВХОД

 = (R ₁ + Р ₂ ) / Р ₁

 A _CL = 1 + (R ₂ / R ₁ )

 или A _CL = 1 + (R _f / R ₁ )

Приведенное выше уравнение усиления является положительным, что указывает на то, что выходной сигнал будет синфазным с приложенным входным сигналом. Коэффициент усиления по напряжению замкнутого контура неинвертирующего усилителя определяется соотношением резисторов R ₁ и R ₂ , используемых в цепи.

На практике неинвертирующие усилители должны иметь резистор, включенный последовательно с источником входного напряжения, чтобы поддерживать одинаковый входной ток на обеих входных клеммах.

Виртуальное короткое замыкание

В неинвертирующем усилителе существует виртуальное короткое замыкание между двумя входными клеммами. Виртуальное короткое замыкание — это короткое замыкание по напряжению, но обрыв по току. Виртуальное короткое замыкание использует два свойства идеального операционного усилителя:

• Поскольку R _IN бесконечно, входной ток на обоих выводах равен нулю.
• Поскольку усиление разомкнутого контура A _OL бесконечно, разность напряжений (V ₁ – V ₂ ) всегда равна нулю.

Хотя виртуальное короткое замыкание является идеальным приближением, оно дает точные значения при использовании с сильной отрицательной обратной связью. Пока операционный усилитель работает в линейной области (не в режиме насыщения, положительно или отрицательно), коэффициент усиления по напряжению без обратной связи приближается к бесконечности, и между двумя входными клеммами существует виртуальное короткое замыкание.

Из-за виртуального короткого замыкания инвертирующее входное напряжение следует за неинвертирующим входным напряжением. Если неинвертирующее входное напряжение увеличивается или уменьшается, инвертирующее входное напряжение немедленно увеличивается или уменьшается до того же значения. Это действие часто называют «самозагрузкой».

Входное сопротивление неинвертирующего усилителя

Входное сопротивление схемы операционного усилителя определяется как:

 Z _IN = (1 + A _OL β) Z _i

Где A _OL — коэффициент усиления операционного усилителя без обратной связи

Zi — входной импеданс операционного усилителя без обратной связи

β — коэффициент обратной связи

Для неинвертирующего усилителя обратная связь коэффициент задается как:

 β = R ₂ / (Р ₁ + Р ₂ )

β = 1 / A _CL

Таким образом, для схемы неинвертирующего усилителя входной импеданс определяется уравнением

Выходное сопротивление неинвертирующего усилителя

Выходное сопротивление операционного усилителя выражается как:

 Z _OUT = Z ₀ / (1+ A _OL β)

Поскольку β = 1 / A _CL для неинвертирующего усилителя полное сопротивление задается как

 Z _OUT = Z ₀ / {1 + (A _OL / A _CL )}

Цепь повторителя напряжения

Повторитель напряжения — это одно из самых простых применений операционного усилителя, в котором выходное напряжение точно такое же, как и входное напряжение, подаваемое на схему. Другими словами, коэффициент усиления схемы повторителя напряжения равен единице.

Выход операционного усилителя напрямую подключен к инвертирующему входу, а входное напряжение подается на неинвертирующий вход. Повторитель напряжения, как и неинвертирующий усилитель, имеет очень высокий входной импеданс и очень низкий выходной импеданс. Принципиальная схема повторителя напряжения показана на рисунке ниже.

Можно видеть, что приведенная выше конфигурация аналогична схеме неинвертирующего усилителя, за исключением того, что в ней не используются резисторы. Коэффициент усиления неинвертирующего усилителя определяется как

 A _CL = 1 + (R ₂ / R ₁ )

В повторителе напряжения резистор R ₂ равен нулю, а R ₁ бесконечен. Таким образом, усиление повторителя напряжения будет равно 1. Следовательно, повторитель напряжения также широко известен как буфер единичного усиления.

Повторитель напряжения или буферная схема с единичным коэффициентом усиления обычно используется для изоляции различных цепей, т. е. для отделения одного каскада схемы от другого, а также для согласования импеданса.

На практике выходное напряжение повторителя напряжения не будет точно равно приложенному входному напряжению, и будет небольшая разница. Эта разница обусловлена ​​высоким коэффициентом усиления по внутреннему напряжению операционного усилителя.

ПРИМЕЧАНИЕ: Коэффициент усиления по напряжению без обратной связи операционного усилителя бесконечен, а коэффициент усиления по напряжению с обратной связью повторителя напряжения равен единице. Это означает, что, тщательно выбирая компоненты обратной связи, мы можем точно контролировать коэффициент усиления неинвертирующего усилителя.

Пример неинвертирующего усилителя

Для неинвертирующего усилителя, показанного на рисунке ниже, рассчитайте следующее:

i) Коэффициент усиления усилителя, A _CL

ii) Выходное напряжение, В _O

iii) Ток через нагрузочный резистор, I _L .

iv) Выходной ток, I _O .

ПРИМЕЧАНИЕ. Узел A находится на неинвертирующем выводе операционного усилителя, а узел B — на инвертирующем выводе (который также является точкой делителя напряжения). Эти узлы не показаны на изображении выше.

Ответ) Потенциал в узле B равен В _IN и из-за виртуального короткого замыкания

 В _A = В _B = В _IN = 0,8 В

Ток I1 определяется как

 I ₁ = В _А / R ₁ = 0,8 В / 10 кОм

 I ₁ = 80 мкА

Поскольку входной ток ОУ равен нулю, через резистор R _f должен протекать тот же I ₁ .

i) Коэффициент усиления неинвертирующего усилителя,

 A _CL = 1 + (R _f / R ₁ ) = 1 + (20 кОм / 10 кОм)

 А _КЛ = 3

ii) Выходное напряжение,

 В _O = A _CL * В _IN = 3 * 0,8 В

 В _О = 2,4 В

iii) Ток через нагрузочный резистор,

 I _L = В _O / R _L = 2,4 / (2 * 10 ³ Ом)

 I _L = 1,2 мА

iv) Выходной ток,

Из закона тока Кирхгофа (KCL),  I _O = I ₁ + I _L ​

 I _O = 80 мкА + 1,2 мА​

 I _O = 1,28 мА​

Краткое описание неинвертирующего усилителя

• В неинвертирующем усилителе используется отрицательная обратная связь типа делителя напряжения и смещения.
• Коэффициент усиления по напряжению всегда больше единицы.
• Коэффициент усиления по напряжению положительный, что указывает на то, что для входа переменного тока выходной сигнал совпадает по фазе с входным сигналом, а для входа постоянного тока полярность выхода совпадает с полярностью входа.
• Коэффициент усиления по напряжению неинвертирующего операционного усилителя зависит только от номиналов резисторов и не зависит от коэффициента усиления операционного усилителя без обратной связи.
• Желаемый коэффициент усиления по напряжению можно получить, выбрав соответствующие номиналы резисторов.

Заключение

Простой учебник по неинвертирующим операционным усилителям. Вы изучили схему идеального неинвертирующего усилителя, коэффициент усиления по напряжению, входное и выходное сопротивление, применение повторителя напряжения и пример схемы со всеми важными расчетами.

Неинвертирующий операционный усилитель — Electronics-Lab.

com

Введение

Сигнал напряжения, подаваемый на операционный усилитель, может подаваться либо на его неинвертирующий вход (+), либо на инвертирующий вход (-). Эти различные конфигурации известны просто как — неинвертирующий операционный усилитель, и — инвертирующий операционный усилитель . В этом руководстве мы сосредоточимся на неинвертирующей конфигурации и представим ее детали.

Обзор неинвертирующего операционного усилителя будет дан в первом разделе через концепцию идеального усилителя.

Во втором разделе обсуждаются реальные неинвертирующие конфигурации, демонстрируются уравнения, описывающие усиление и входное/выходное сопротивления.

Наконец, в последнем разделе приведены примеры схем на основе неинвертирующих конфигураций.

Идеальный неинвертирующий операционный усилитель

Цель этого раздела — должным образом продемонстрировать и объяснить идеальные характеристики неинвертирующей конфигурации , такие как входное/выходное сопротивление и коэффициент усиления. Представление схемы идеального неинвертирующего операционного усилителя дано в 9.0363 Рисунок 1 ниже.

Обратите внимание, что символ «∞» подчеркивает тот факт, что данный операционный усилитель следует считать идеальным. Мы настоятельно рекомендуем читателю обратиться к учебнику по основам работы с операционными усилителями в этом разделе.

рис. 1: Идеальная схема неинвертирующего операционного усилителя

В этой идеальной модели входное сопротивление определяется вкладом сопротивления, соединяющего инвертирующий и неинвертирующий входы (R _и в , рис. 3 ) и резисторов R ₁ и R ₂ , бесконечно. При этом для идеальной схемы R _i предполагается бесконечным, как следствие, никакие токи не могут поступать на ОУ ни через какой вход из-за наличия обрыва цепи.

Это наблюдение также можно обобщить, сказав, что узел, соединяющий инвертирующий вход и сопротивления R ₁ и R ₂ , представляет собой виртуальное короткое замыкание . По этой же причине весь ток обратной связи через резистор R ₁ (I) также встречается в R ₂ .

Для идеальной модели равенство V ₊ =V _– =V _в обеспечивается тем, что дифференциальный сигнал V ₊ -V _– может быть равен только 0, чтобы получить конечный выходной сигнал V _из при умножении на бесконечный коэффициент усиления без обратной связи.

Мы видим ответвления, подключенные к инвертирующему входу, работающему как схема делителя напряжения:

рис. 2: Инвертирующие ветви в виде схемы делителя напряжения

В соответствии с формулой делителя напряжения мы можем выразить инвертирующее напряжение V _– как функцию выходного напряжения и сопротивлений:

eq 1: Формула делителя напряжения для V _–

Поскольку V _– =V _в , после некоторого упрощения докажем выражение усиления в замкнутом контуре A _CL идеальной неинвертирующей конфигурации:

уравнение 2: усиление в замкнутом контуре идеального неинвертирующего операционного усилителя

Мы можем отметить, что идеальное усиление, представленное в уравнении 2 , является строго положительным и выше 1, что означает, что выходной сигнал усиливается и находится в фазе с входным сигналом .

Реальный неинвертирующий операционный усилитель

В реальной схеме операционного усилителя входное (Z _в ) и выходное (Z _вых ) импедансы не идеализированы и равны соответственно +∞ и 0 Ом. Вместо этого входной импеданс имеет высокое , но конечное значение , выходной импеданс имеет .0363 низкое, но ненулевое значение .

Неинвертирующая конфигурация остается такой же, как и представленная в Рисунок 1 .

рис. 3: Внутренняя эквивалентная схема реального операционного усилителя

Обратите внимание, что Ri и Ro можно описать как соответственно входное и выходное сопротивление операционного усилителя без обратной связи (конфигурация без обратной связи).

Коэффициент усиления с обратной связью

Для неинвертирующей конфигурации Уравнение 1 по-прежнему применяется для V _– , причем имеем V ₊ =V _в . Однако, поскольку от неинвертирующего входа к инвертирующему входу может протекать малый ток, напряжения уже не равны: В ₊ ≠В _– .

Также необходимо напомнить, что входы V ₊ и V _– связаны с выходом через формулу усиления без обратной связи:

eq 3: Формула усиления без обратной связи

Уравнения для V ₊ и V _– можно вводить за Уравнение 3 . После перегруппировки членов «V _out » с одной стороны уравнения и членов «V _in » с другой, мы получаем:

неинвертирующая конфигурация определяется уравнением 4 :

уравнение 4: усиление с обратной связью реальной неинвертирующей конфигурации

Для реальной конфигурации усиление зависит не только от номиналов резисторов, но также и от усиления без обратной связи

Интересно отметить, что если мы считаем операционный усилитель идеальным (A _OL →+∞), знаменатель упрощается до одного члена: A _OL R ₂ /(R ₁ +R ₂ ). Как следствие, Уравнение 4 снова упрощается до Уравнение 2 .

Выходное сопротивление

Начнем с предположения о равенстве токов на сопротивлениях: I _R1 = I _{R 2} . Даже если для реальных ОУ на инвертирующий вход поступает небольшой ток утечки, то он на несколько порядков меньше тока обратной связи.

Ток I ₀ через R ₀ (см. рис. 3 ) может быть выражен как функция падения напряжения на R ₀ и того же значения импеданса R ₀ :

Поскольку V _– описывается уравнением 1 , выходной ток I _out может быть выражен как сумма I ₀ и тока, протекающего по ветви обратной связи, определяемой как V _out /(R ₁ +R ₂ ):

Наконец, после преобразования уравнения для получения отношения Z _out =V _out /I _out , мы можем записать выражение выходного импеданса для реальной неинвертирующей конфигурации :

eq 5: Выражение выходного импеданса для реальной неинвертирующей конфигурации

Мы можем отметить, что в случае идеального операционного усилителя, то есть когда A _OL →+∞, мы действительно наблюдаем Z _выход →0.

Упрощенный вариант выражения Z _out определяется следующим уравнением 6 :

уравнение 6: Упрощенное выражение выходного сопротивления для реальной неинвертирующей конфигурации

Член β известен как коэффициент обратной связи и определяется соотношением Р ₁ /(Р ₁ + Р ₂ ). В этой упрощенной версии мы по-прежнему видим, что Z _из → 0 для идеальной ситуации с операционным усилителем.

Входное сопротивление

Входное сопротивление неинвертирующей конфигурации можно определить соотношением V ₊ /I _в (см. рис. 3 ). Для входного контура мы можем записать закон напряжения Кирхгофа, такой как В ₊ -В _в +I _R2 R ₂ = 0 , где I _R2 — ток через резистор R ₂ .

Можно показать, что выражение входного импеданса также может быть записано как функция коэффициента обратной связи:

экв. 7: Выражение входного импеданса для реальной неинвертирующей конфигурации

Опять же, когда идеальная ситуация удовлетворена (A _OL →+∞), мы находим, что Z _в →+∞, как указано в первом разделе.

Примеры неинвертирующих операционных усилителей

Буферные схемы

Самыми простыми конструкциями для неинвертирующих конфигураций являются буферы, которые были описаны в предыдущем учебном пособии «Строительные блоки операционных усилителей». В этой конфигурации R ₁ =0 и R ₂ →+∞, как мы можем представить в рис. 4 ниже:

рис. 4: Буферная схема

Этот буфер (или повторитель напряжения) имеет единичный коэффициент усиления и не инвертирует выход, что означает, что V _вых = V _вх . Его высокое входное сопротивление и низкое выходное сопротивление очень полезны для согласования нагрузки между цепями и позволяют буферу действовать как идеальный источник напряжения .

Пример

Мы рассматриваем реальную схему неинвертирующей конфигурации, приведенную в Рисунок 5 :

рис. 5: Пример реальной неинвертирующей конфигурации

Резисторы, входное значение и усиление в разомкнутом контуре задаются следующим образом:

• R ₁ =10 кОм
• Ч ₂ =2 кОм
• П _Л =1 кОм
• В _в = 1 В
• А _ПР =10 ⁵

Прежде всего, мы можем вычислить значение коэффициента усиления с обратной связью A _CL . Используя Уравнение 4 , мы получаем A _CL = 5,99 , в то время как Уравнение 2 дает A _КЛ =6 . Мы можем отметить, что оба значения очень похожи, так как A _OL высокое. Типичные значения A _OL для реальных операционных усилителей находятся в диапазоне от 2×10 ⁴ до 2×10 ⁵ , что достаточно высоко, чтобы всегда учитывать уравнение 2 .

Исходя из этого значения, мы можем просто сказать, что выходное напряжение определяется выражением В _вых = А _CL × В _вх = 6 В.

Токи I _R1 (через R ₁ ) и I _{R 2} (через R ₂ ) примерно равны, если считать ток утечки на инвертирующем входе значительно меньшим, чем ток обратной связи. Из-за существующего в узле виртуального короткого замыкания N, V ​​ _N =V _в , поэтому имеем I _R1 =I _R2 =V _в /R ₂ =0,5 мА.

Поскольку ток I _L через выходную нагрузку равен V _out /R _L =6 mA , we can determine the output current thanks to Kirchoff’s current law: I _out =I _L +I _R1 =6.5 мА .

Наконец, мы также можем задать выходной импеданс как Z _вых =V _вых /I _вых =920 Ом .

Заключение

Когда входной сигнал подается на контакт «+», говорят, что операционный усилитель находится в состоянии неинвертирующая конфигурация . Конструкция и основные свойства этой конфигурации представлены в первом разделе, где представлена ​​ее идеальная модель.

Во втором разделе представлены настоящие неинвертирующие ОУ. Из-за паразитных явлений, присущих их конструкции, изменяются их свойства, различны выражения коэффициента усиления обратной связи, входного и выходного импедансов. Однако упрощенная версия этих формул, описывающих идеальную модель, действительно может быть восстановлена, если мы установим коэффициент усиления без обратной связи равным бесконечности.

Примеры реальных конфигураций показаны в последнем разделе, мы представляем, как рассчитать основные характеристики конфигурации, зная значение резисторов и входное напряжение.

Инвертирующие и неинвертирующие схемы операционных усилителей -…

Опубликовано 27 мая 2022 г.

Возможно, неудивительно, учитывая их название, что операционные усилители очень часто используются в усилительных схемах. Они собраны либо в инвертирующей, либо в неинвертирующей конфигурации, концепция, которую мы сейчас рассмотрим, и степень усиления можно тщательно контролировать.

Основные входы/выходы операционного усилителя

Прежде чем перейти к этим конфигурациям, давайте коснемся важной темы. Если вы просматривали эти руководства, вы заметите, что иногда вход, помеченный «+», иногда называют положительным, а иногда — «неинвертирующим». Тогда вход, помеченный «-», иногда называют отрицательным, а иногда «инвертирующим». На самом деле использование терминов «положительный» и «отрицательный», возможно, неверно и, в лучшем случае, вводит в заблуждение. Однако их намного проще использовать, поэтому они так распространены. Истинная разница между инвертирующим и неинвертирующим входами заключается в том, в какую сторону колеблется выход в зависимости от напряжения на входах. Если на неинвертирующий вход подается более высокое напряжение, чем на инвертирующий вход, то на выходе будет высокий уровень. Если инвертирующий вход выше, чем неинвертирующий вход, то на выходе будет низкий уровень (который может быть отрицательным, в зависимости от конфигурации операционного усилителя). Это будет рассмотрено снова и более подробно в учебнике по компаратору операционных усилителей, но этого достаточно для понимания этого руководства.

Схема инвертирующего операционного усилителя

Поскольку это более распространено, сначала мы рассмотрим инвертирующую схему операционного усилителя. Настройка схемы выглядит следующим образом:

Принципиальная схема схемы инвертирующего операционного усилителя

Вспоминая о золотых правилах операционных усилителей, или две самые важные вещи, которые следует помнить при работе с операционными усилителями, мы видим, что:

1. инвертирующий вход находится на виртуальной земле, так как неинвертирующий вход привязан к земле, и
2. тот же ток через R _i проходит через R _f .

Чтобы помочь запомнить, что означают буквы, R _i — входной резистор, а R _f — резистор обратной связи, поскольку выход управляет входом через R _f . Теперь, когда у нас есть это в виду, давайте решим эту схему, чтобы посмотреть, сможем ли мы найти уравнение для математического описания производительности этой схемы. Мы можем использовать KCL. Давайте используем инвертирующий вход в качестве нашего узла.

Мы знаем, что ток, втекающий в этот узел, должен быть равен вытекающему току, а на инвертирующий вход ток не течет, поэтому через R 9 поступает только ток.0145 i и через R _f и они равны друг другу. Затем мы можем настроить уравнение как:

или

Теперь мы хотим увидеть, какова связь между нашим выходом и входом, коэффициентом усиления или усиления, который мы назовем «A», где A = V _из /V _в . Преобразовав уравнение, мы можем увидеть следующее:

Таким образом, какое бы напряжение вы ни подавали на вход, выходное напряжение будет усиливаться на R _f /R _i , а затем инвертироваться в отрицательное напряжение. Например, если у вас есть резистор обратной связи 10 кОм и входной резистор 2 кОм, входное напряжение 2 В даст выходное напряжение -10 В. И это должно иметь смысл — для того, чтобы ток протекал от положительного входного напряжения к виртуальной земле, а затем от виртуальной земли к выходу, выходное напряжение *должно* быть отрицательным! И наоборот, если на вход подается отрицательное напряжение.

Это чрезвычайно распространенная конфигурация операционных усилителей, так как в большинстве контуров обратной связи используется отрицательная обратная связь, что повышает стабильность и уменьшает искажения. Это выходит за рамки данного руководства, но Кушал обсуждает это в своих руководствах по системам управления.

Схема неинвертирующего операционного усилителя

Для неинвертирующей схемы не нужно просто менять местами соединения между инвертирующим и неинвертирующим входами. Схема немного другая.

Принципиальная схема схемы неинвертирующего операционного усилителя

Как и ожидалось, входной сигнал подается на неинвертирующий вход, но теперь инвертирующий вход находится в середине делителя напряжения. Поскольку выход теперь подключен к инвертирующему входу через этот делитель напряжения, мы знаем, что он будет управлять инвертирующим входом, чтобы он соответствовал неинвертирующему входу. Давайте посмотрим, как в этом случае применяются «золотые правила» операционных усилителей.

1. на инвертирующий вход подается то же напряжение, что и на неинвертирующий вход, и
2. тот же ток через R ₁ проходит через R ₂ .

Еще раз, мы можем математически описать поведение этой схемы, используя KCL. Выбрав инвертирующий входной узел, мы приходим к следующему уравнению:

или

Это можно упростить, умножив обе части на R ₂ и разделив обе части на V _в :

Это разделяет на :

И, наконец, добавляем по одному с каждой стороны:

Наше усиление или величина усиления, снова обозначенная как «A», дает нам:

В этом расчете было еще несколько шагов по сравнению с инвертирующим усилителем, но все еще ничего сложного, если вы не пропустите шаг. Но давайте посмотрим и на это. Представьте, что у вас есть тот же вход 2 В, который мы использовали с инвертирующим операционным усилителем, и те же резисторы 10 кОм и 2 кОм для R ₂ и R ₁ соответственно. В этом случае вы получите коэффициент усиления 6 (10K/2K + 1), поэтому выходное напряжение будет 12 В. Отрицательное входное напряжение также дает отрицательное выходное напряжение.

Опять же, конфигурации с неинвертирующими операционными усилителями не так распространены, но они все же очень полезны, и вы обязательно с ними столкнетесь.

Резюме

Эти две конфигурации замечательны не только потому, что они действительно полезны и их можно найти в самых разных приложениях, но и потому, что они помогают нам лучше познакомиться с тем, как работает операционный усилитель. Их использование и выполнение этих расчетов помогают нам лучше интуитивно понять, что произойдет с операционным усилителем в схеме. Я надеюсь, что этот обзор был понятен — если нет, оставьте комментарий ниже, и мы постараемся решить любые вопросы. Ознакомьтесь с некоторыми практическими задачами для операционных усилителей на YouTube здесь: Практические задачи для операционных усилителей (Op-Amp) и обязательно ознакомьтесь с другими конфигурациями операционных усилителей, которые мы публикуем здесь, на CircuitBread.

• Операционный усилитель (10)
• Усилитель (6)

Автор:

Джош Бишоп

Интересуясь встраиваемыми системами, туризмом, кулинарией и чтением, Джош получил степень бакалавра электротехники в Университете штата Бойсе. Проработав несколько лет офицером CEC (Seabee) в ВМС США, Джош уволился и в конце концов начал работать над CircuitBread с кучей замечательных людей. В настоящее время Джош живет на юге Айдахо с женой и четырьмя детьми.

Часто задаваемые вопросы по EE

Получите новейшие инструменты и учебные пособия, только что из тостера.

Операционный неинвертирующий усилитель | Ultimate Electronics Book

Ultimate Electronics: Практические схемы и анализ

---

≡ Оглавление

«

7. 3

Эталонное напряжение операционного усилителя

»

7,5

Инвертирующий усилитель на операционных усилителях

Схема операционного усилителя, образующая усилитель напряжения, использующая отрицательную обратную связь для умножения входного сигнала на положительный коэффициент усиления, устанавливаемый двумя резисторами. 16 мин чтение

В предыдущих разделах мы показали, что, добавив один провод к идеальному операционному усилителю, мы можем создать буфер напряжения операционного усилителя с коэффициентом усиления 1, используя обратную связь с обратной связью. В этом разделе мы покажем, как добавить два резистора, чтобы получить неинвертирующий усилитель , и выбрать желаемый уровень усиления по напряжению, усиливая сигнал напряжения на Av≥1. .

В частности, мы можем подключить резистивный делитель напряжения к выходу операционного усилителя, а затем соединить средний вывод этого делителя напряжения обратно с инвертирующим входом операционного усилителя:

Неинвертирующий усилитель на операционном усилителе

Circuitlab. com/c4wnat6ynz2ek

Править — Моделирование

Как обсуждалось в разделе «Делители напряжения», резисторы R1 и R2 образуют точку промежуточного напряжения, которая пропорциональна выходному сигналу, но масштабируется на меньше на коэффициент, определяемый номиналами резисторов.

Это промежуточное напряжение Vdiv затем подключается проводом обратно к инвертирующему (-) входу операционного усилителя.

Теоретически операционный усилитель регулирует свое выходное напряжение до тех пор, пока два его входа не сравняются. Единственный способ сделать два входа операционного усилителя равными — это масштабировать выход пропорционально в раз больше таким образом, чтобы компенсировать масштабирование делителя напряжения.

---

R1 и R2 образуют делитель напряжения, который, как мы можем предположить, не нагружен, поскольку операционный усилитель имеет нулевой входной ток. Это дает нам одно уравнение:

Vdiv=(R2R1+R2)Vout=fVout

, где f=R2R1+R2 — доля делителя напряжения.

Для удобства давайте определим обратное значение доли делителя напряжения как расчетный коэффициент усиления k :

k=1f=R1+R2R2

Идеальный операционный усилитель изменяет свой выход до тех пор, пока два входа не сравняются. Когда все работает правильно, это дает нам уравнение:

Vin=Vdiv

Мы можем объединить эти два уравнения, чтобы найти взаимосвязь между входом и выходом:

Vin=fVoutVout=1fVinAv=VoutVin=1f=k

Поскольку делитель напряжения может производить только дробь 0≤f≤1 , сигнал усиливается с коэффициентом усиления по напряжению:

Av=1f=k≥1

---

Мы можем смоделировать операционный усилитель как источник напряжения, управляемый напряжением (VCVS), как мы это делали в предыдущих разделах, посвященных операционным усилителям, чтобы выполнить более подробный анализ:

Модель неинвертирующего усилителя на операционном усилителе VCVS

Circuitlab. com/cq3ssz7y3pkpj

Править — Имитация

VCVS дает нам одно уравнение:

Vout=AOL(Vin−Vdiv)

Делитель напряжения по-прежнему не нагружен, поэтому мы все еще можем подставить в наш делитель напряжения дробь Vdiv=fVout и упростить:

Vout=AOL(Vin-fVout)Vout=AOLVin-AOLfVoutVout(1+AOLf)=AOLVinVoutVin=AOL1+AOLf

Для идеального операционного усилителя примем предел AOL→∞ , что дает сокращение в числителе и знаменателе:

Av=VoutVin≈1f=k

Опять же, поскольку 0≤f≤1 , поэтому k≥1 , поэтому эта схема производит усиление Av≥1 .

---

Мы можем сделать усилитель с коэффициентом усиления 10, установив делитель напряжения на долю f = 110. . Например:

Пример коэффициента усиления неинвертирующего усилителя на операционном усилителе 10

Circuitlab.com/cnm6354nkc2jm

Править — Имитация

Упражнение Нажмите, чтобы открыть и смоделировать приведенную выше схему. Какова амплитуда выходного сигнала по сравнению с входным? Можете ли вы изменить R1, чтобы этот усилитель вместо этого имел коэффициент усиления 20?

Концептуально представьте, что мы начинаем со всех напряжений равными нулю. Затем внезапно мы меняем вход на 1 вольт. Операционный усилитель видит большую разницу между его неинвертирующим (+) входом при 1 вольте и его инвертирующим (-) выходом при 0 вольт, поэтому (как обсуждалось в разделе об идеальном операционном усилителе) выход начинает расти. Когда выход достигает 1 вольта, инвертирующий выход по-прежнему видит только 0,1 вольта, поэтому выход продолжает расти. Только при повышении выходного напряжения до 10 вольт делитель напряжения дает 1 вольт на инвертирующем входе, останавливая дальнейшее повышение выходного напряжения.

Мы можем проверить, что происходит, взглянув на отклик на шаг :

Коэффициент усиления неинвертирующего усилителя на операционном усилителе с 10-ступенчатой ​​характеристикой

Circuitlab. com/c9xykgb57wstt

Править — Имитация

Упражнение Нажмите, чтобы открыть и смоделировать приведенную выше схему. Какая кривая соответствует неинвертирующему входу операционного усилителя? Что соответствует инвертирующему входу? Что произойдет, если вы увеличите усиление до 100 и перезапустите симуляцию? (Подсказка: возможно, вам придется изменить время остановки симуляции!)

Чтобы вывести это во времени, мы использовали операционный усилитель с конечным произведением коэффициента усиления на полосу пропускания GBW = 1 ГГц. . (Действительно идеальный операционный усилитель должен иметь GBW=∞ .) Результат показывает, что операционному усилителю требуется несколько наносекунд, чтобы «замкнуть контур» и сбалансировать два входа.

---

В предыдущих разделах мы говорили о реальных операционных усилителях, имеющих конечное произведение коэффициента усиления на полосу пропускания (GBW). На тот момент было не совсем понятно, зачем умножать (произведение) безразмерное усиление (усиление) и полосу пропускания (в Гц), но неинвертирующий усилитель сделает это ясным.

Это проще всего увидеть на примере моделирования, где мы берем операционный усилитель с GBW = 1 МГц. и настроить его как неинвертирующий усилитель с различными уровнями усиления:

Неинвертирующий усилитель на операционных усилителях — компромисс между коэффициентом усиления и полосой пропускания

Circuitlab.com/c2v2mwrd2t966

Править — Имитация

Упражнение Нажмите, чтобы открыть и смоделировать приведенную выше схему. Мы попросили симулятор повторно запустить эту схему для DC_GAIN = 1, 10, 100, 1000, 10000 и 100000. По мере того, как мы увеличиваем усиление в 10 раз каждый раз (на графике в логарифмической шкале децибелов y- по оси, поэтому они нанесены через равные промежутки +20 дБ шагов), что происходит с уровнем −3 дБ угловая частота отклика усилителя?

Эта симуляция ясно показывает, что чем больше усилителя мы просим усилителя, тем медленнее он становится!

Вы можете убедиться в этом, запустив симуляцию во временной области и посмотрев, сколько времени требуется, чтобы выходной сигнал стабилизировался, скажем, в пределах 5% от его конечного значения. Вы увидите, что каждый раз, когда мы разрабатываем схему с в 10 раз более высоким коэффициентом усиления, для ее установления также требуется в 10 раз больше времени.

Это происходит потому, что коэффициент усиления нашего операционного усилителя не соответствует AOL на высоких частотах; он уменьшается на более высоких частотах. Как показано ранее, передаточная функция Лапласа идеального операционного усилителя без обратной связи:0009

G(s)=AOL1+s(AOL2πGBW)

Это выражение включает усиление без обратной связи AOL который охватывает постоянный ток и низкие частоты, и он падает после произведения усиления на полосу пропускания GBW . Мы можем подставить это в нашу модель неинвертирующего усилителя, вставив G(s) вместо AOL только для DC :

VoutVin(s)=G(s)1+G(s)fVoutVin(s)=AOL1+s(AOL2πGBW)1+fAOL1+s(AOL2πGBW)VoutVin(s)=AOL1+s(AOL2πGBW)+fAOLVoutVin (s)=1(f+1AOL)+s(12πGBW)

Это говорит нам о комплексной частотной характеристике неинвертирующего усилителя для входного синусоидального сигнала с частотой s=jω=j2πfs .

(Обратите внимание на возможную путаницу: мы используем f для обозначения безразмерной доли делителя напряжения, а fs для обозначения частоты сигнала в Гц.)

Если мы посмотрим на это выражение только при постоянном токе, то s=0 так:

VoutVin(s=0)=1f+1AOL  (при постоянном токе)

Если умножить числитель и знаменатель на AOL вы увидите, что это идентично AOL1+fAOL выражение, которое мы нашли ранее в этом разделе. И аналогично, поскольку 1AOL≪f , мы можем игнорировать 1AOL срок. (Обратите внимание, что если мы попытаемся использовать делитель напряжения для выбора коэффициента усиления с обратной связью, который аналогичен коэффициенту усиления без обратной связи операционного усилителя или превышает его, то это приближение не будет выполняться, и усилитель не будет работать так, как вы хотите. предназначен, даже в DC.)

Воспользуемся этим упрощением, чтобы заменить (f+1AOL)≈f в знаменателе и поместите это обратно в наше предыдущее выражение:

VoutVin(s)=1f+s(12πGBW)

А теперь вместо того, чтобы ссылаться на дробь делителя напряжения 0≤f≤1 , обратимся к его обратному расчетному коэффициенту усиления по напряжению k=1f . Умножение числителя и знаменателя на k :

VoutVin(s)=k1+s(k2πGBW)

Эту передаточную функцию с обратной связью можно разложить на произведение коэффициента усиления k и однополюсный ФНЧ 11+s(k2πGBW) .

Мы можем найти угловую частоту фильтра нижних частот, определив, где мнимая часть знаменателя равна по величине действительной части:

|1|=|s(k2πGBW)||1|=|jωc (k2πGBW)|1=ωc(k2πGBW)1=2πfc(k2πGBW)1=fc(kGBW)fc=GBWk

Это последнее уравнение говорит нам, что угловая частота усилителя с обратной связью fc равен произведению коэффициента усиления на полосу пропускания, деленному на коэффициент усиления:

• Если коэффициент усиления k=10 и GBW=106 Гц , тогда fc=106 Гц10=105 Гц .
• Если усиление k=100 и GBW=106 Гц , тогда fc=106 Гц100=104 Гц .
• Если усиление k=1000 и GBW=106 Гц , тогда fc=106 Гц1000=103 Гц .

Для заданного операционного усилителя (т. е. с фиксированным произведением коэффициента усиления на полосу пропускания) угловая частота замкнутого контура становится ниже, когда вы запрашиваете усиление. Существует прямой компромисс между производительностью усилителя с точки зрения усиления и производительностью с точки зрения полосы пропускания.

Это не просто теория. Вы, вероятно, столкнетесь с этой проблемой при проектировании реальных операционных усилителей! Например, если вам нужно усиление 1000, и вам одновременно нужно обрабатывать сигналы 105 Гц , у вас есть несколько вариантов:

• Используйте более быстрый операционный усилитель. Купите операционный усилитель с большей GBW.
• Разделите общее усиление на несколько этапов. Используйте два или три более медленных операционных усилителя, возможно, увеличивая усиление только на 10 за раз, что позволит вам достичь более высоких угловых частот в каждом каскаде.

Ограниченная частотная характеристика также проявляется как более медленная переходная характеристика во временной области. Смоделируйте приведенную выше схему и посмотрите, сколько времени потребуется, чтобы установить ее окончательное значение после входного шага для различных конфигураций усиления.

---

Обратите внимание, что делитель напряжения уменьшает выходной сигнал на некоторую долю 0≤f≤1 , в то время как общий эффект замкнутой цепи фактически делает выход больше , чем вход на k=1f≥1 .

На самом деле это простой случай распространенной, но запутанной концепции в системах с обратной связью: модификация пути обратной связи (например, умножение на f ) обычно вызывает эффект , обратный , или , обратный эффекту (например, умножение на 1f ) для всей системы после применения обратной связи с обратной связью. Это большая идея, и ее может быть трудно понять в целом, но неинвертирующий усилитель иллюстрирует эту концепцию самым простым способом.

Для читателей, знакомых с передаточными функциями: это равносильно утверждению, что передаточная функция обратной связи заканчивается в знаменателе отклика с обратной связью.

В общем, мы можем рассмотреть систему с обратной связью с прямой передаточной функцией G и передаточная функция обратной связи H как показано здесь:

Блок-схема передаточной функции с обратной связью

Circuitlab. com/c42n7tesuxm2d

Править — Моделирование

Для простоты рассмотрим эти множители G и Н быть константами, выполняющими мультипликативное масштабирование их входа.

Наша блок-схема имеет четыре помеченных узла для условий ввода, вывода, ошибки и обратной связи.

Три элемента блок-схемы (одно вычитание и два умножения передаточных функций) позволяют построить систему из трех уравнений:

Verr=Vin−VfbVfb=H⋅VoutVout=G⋅Verr

-петлевая связь между входом и выходом, без Verr или вфб условия. Мы можем объединить приведенные выше уравнения, заменив Vfb и Верр найти:

Vout=G⋅(Vin−H⋅Vout)Vout=G⋅Vin−GH⋅VoutVout(1+GH)=G⋅VinVoutVin=G1+GH

Это последнее уравнение представляет собой передаточную функцию с обратной связью , и он связывает вход с выходом после рассмотрения эффектов петли обратной связи. Это общий результат, который весьма полезен!

Особенно интересно рассмотреть, что происходит, когда |GH|≫1 . В этом случае мы можем аппроксимировать, что 1+GH≈GH в знаменателе, и в этом случае уравнение упрощается:

VoutVin≈GGH=1H(if |GH|≫1)

Это замечательный результат: если величина контура усиления |GH| велика по сравнению с 1, то передаточная функция вперед G фактически отменяется из результата замкнутого контура, а отклик замкнутого контура определяется только обратной величиной передаточной функции обратной связи, 1H .

В случае неинвертирующего усилителя на операционном усилителе при постоянном токе прямая передаточная функция G=AOL , коэффициент усиления операционного усилителя без обратной связи. Передаточная функция обратной связи H=f , доля делителя напряжения, так как только часть выходного сигнала возвращается на вход.

Поскольку типичные значения для AOL≫100000 и дробь 0≤f≤1 , произведение |GH|=|fAOL|≫1 для всех, кроме очень маленьких значений f . (Мы будем игнорировать этот диапазон очень малых f значений, поскольку они представляют собой условие, при котором мы пытаемся спроектировать неинвертирующий усилитель, который имеет коэффициент усиления с обратной связью больше, чем коэффициент усиления без обратной связи усилителя, который не будет работать!) Таким образом, коэффициент усиления с обратной связью равен только:

VoutVin≈1f=k

Когда мы заботимся об отклике систем с частотно-зависимым поведением, например, когда мы анализировали компромисс между усилением и полосой пропускания выше, мы все еще можем применить область Лапласа к тому же общему замкнутому -цикл результат:

Vout(s)Vin(s)=G(s)1+G(s)H(s)

---

что определяет нашу прибыль. (Мы даже можем использовать потенциометр, чтобы сделать усилитель с регулируемым коэффициентом усиления.)

Но как выбрать абсолютные значения резисторов ? Если мы хотим спроектировать усилитель с коэффициентом усиления Av=10 , почему мы должны выбрать (R1=90 кОм, R2=10 кОм) вместо (R1=9 Ом, R2=1 Ом) , даже если оба дают одинаковый коэффициент делителя напряжения?

Ответы аналогичны компромиссам, обсуждавшимся в разделе «Делители напряжения». Есть проблемы и недостатки в любой крайности:

Если сопротивления слишком малы:

• Чрезмерное энергопотребление. Рассеивание мощности на резисторах становится значительным, что может привести к перегреву резисторов или даже самого операционного усилителя.
• Выходное сопротивление и предельные значения шины питания. Реальные операционные усилители имеют ненулевое выходное сопротивление. Их способность управлять большими токами особенно ухудшается вблизи питающих шин. Вы можете обнаружить, что выходной диапазон скомпрометирован при использовании слишком маленьких резисторов.

Вот симуляция, показывающая последнюю проблему:

Неинвертирующий усилитель на операционном усилителе — отсечение из-за выходного импеданса

Circuitlab.com/c2xqt2ju44bm7

Править — Имитация

Упражнение Нажмите, чтобы открыть и смоделировать приведенную выше схему. Синусоида амплитудой 1 В усиливается на k=10 , который должен соответствовать шинам питания 10 В. Однако этот операционный усилитель имеет выходное сопротивление RO=10 Ом. , что ограничивает его способность управлять выходом вблизи рельсов. Как выглядит полученный сигнал? Что произойдет, если вы измените R1 и R2, чтобы оба были в 2 раза меньше или больше?

Обратите внимание, что эта проблема усугубляется, если выход операционного усилителя загружен. В качестве упражнения добавьте сопротивление нагрузки к выходу и посмотрите, как изменится сигнал.

Эти проблемы вызывают нелинейное отсечение , которое разрушает информацию и вызывает искажение для всех последующих стадий сигнала.

Если сопротивления слишком велики:

• Чрезмерный шум. Помехи напряжения резистора увеличиваются по мере увеличения сопротивления.
• Ошибка загрузки из-за входного тока операционного усилителя. В то время как идеальный операционный усилитель имеет нулевой входной ток, реальные операционные усилители обычно имеют небольшой ток на своих входах. Если резисторы делителя напряжения слишком велики, это может вызвать нежелательное падение напряжения, что приведет к нежелательному смещению.
• Проблемы со стабильностью. Паразитные емкости оказывают большее влияние на узлы с высоким импедансом. При обратной связи с высоким коэффициентом усиления это становится особенно опасным. Мы обсудим это далее.

В типовом проекте обычно выбирают значения в диапазоне:

1 кОм≤(R1+R2)≤1 МОм

Это уже очень широкий диапазон, поэтому не удивляйтесь, если вы увидите какие-то конструкции операционных усилителей за его пределами, но вам следует перепроверить, не могут ли они быть склонным к одной или нескольким из вышеперечисленных проблем.

---

Что произойдет, если в цепи обратной связи появится непреднамеренная, но неизбежная паразитная емкость? Давайте смоделируем это как конденсатор между инвертирующим входом и землей. Концептуально мы можем проследить, как идеальный операционный усилитель регулирует свой выход вверх или вниз в зависимости от непосредственной разницы на его входах:

1. Скачок напряжения на неинвертирующем выводе заставляет выходной сигнал операционного усилителя увеличиваться и увеличиваться.
2. Повышение выхода начинает посылать ток через делитель напряжения. Но из-за емкости возрастающий выход не сразу распространяется обратно на инвертирующий вход.
3. Для зарядки конденсатора требуется время, и он может заряжаться только через резисторы. Это требует времени.
4. В результате выходной сигнал операционного усилителя постоянно растет. Если емкость достаточно велика, выходной сигнал операционного усилителя продолжает увеличиваться далеко за пределы точки, в которой он должен стабилизироваться, потому что конденсатор все еще заряжается. это называется перерегулирование .
5. В конце концов, конденсатор заряжается до уровня, когда он соответствует и даже превышает неинвертирующее входное напряжение. В этот момент операционный усилитель начинает уменьшать выходную мощность.
6. Однако, поскольку выходной сигнал по-прежнему выше точки установившегося состояния, конденсатор все еще заряжается, все выше и выше, что приводит к дальнейшему перерегулированию!
7. В конце концов выходной сигнал падает настолько, что конденсатор начинает разряжаться.
8. Колебания (также называемые звонит ) в конечном итоге устанавливается в установившуюся точку, где конденсатор не заряжается и не разряжается на выходе.

По сути, у нас есть две медленные вещи, преследующие друг друга:

1. Операционный усилитель и его продукт с ограниченным усилением и полосой пропускания, и
2. RC-цепь, состоящая из делителя напряжения и емкости.

В этом моделировании вы можете видеть, что, когда паразитная емкость C1 достаточно велика, напряжение на конденсаторе продолжает расти далеко за пределы ожидаемого, не в фазе с пиком выходного напряжения:

Проблемы стабильности паразитной емкости обратной связи неинвертирующего усилителя ОУ

Circuitlab. com/ctahy46huss23

Править — Имитация

Упражнение Нажмите, чтобы открыть и смоделировать приведенную выше схему. Как даже несколько пикофарад паразитной емкости влияют на переходную характеристику?

В качестве упражнения попробуйте увеличить R1 и R2 в 10 раз. Что происходит?

Изменится ли что-нибудь, если C1 подключить между двумя входами операционного усилителя, а не между инвертирующим входом и землей? Почему или почему нет?

Паразитная емкость — реальная проблема высокоскоростных усилителей, и одна из них — проблемы со стабильностью контура обратной связи. Мы называем это стабильностью , потому что в крайних случаях это может стать нестабильным и колебаться вечно, никогда не устанавливаясь на окончательное значение. (Вы можете приблизиться к этому в симуляторе, сделав C1 очень большим. В симуляторе он в конечном итоге установится, но в реальном мире он может фактически колебаться вечно из-за дополнительной задержки, вызванной скоростью света, если ничего другого!)

Существует несколько способов решения этой проблемы:

1. Разместить физическую схему так, чтобы уменьшить паразитную емкость.
2. Используйте меньшее сопротивление.
3. Используйте более медленный операционный усилитель (более низкий GBW) и примите более медленные отклики в обмен на стабильность.
4. Добавьте компенсационный конденсатор прямой связи, как будет показано далее.

---

Последний вариант решения нашей проблемы со стабильностью стоит кратко продемонстрировать. Мы можем добавить небольшую Конденсатор компенсации прямой связи C2 параллельно с R1.

(Помните, что C1 не является компонентом конденсатора, который мы покупаем и устанавливаем в нашу схему, а представляет собой просто паразитную емкость, возникающую из-за схемы схемы. Напротив, C2 является преднамеренно добавленным конденсатором, хотя паразиты могут способствовать это тоже.)

Этот добавленный конденсатор действительно помогает, потому что он помогает передать увеличение выходного напряжения непосредственно от выхода в паразитную емкость C1, без задержки ожидания, пока C1 зарядится через R1.

Выбор значения для C2 сложен и включает расчетный коэффициент усиления усилителя, произведение коэффициента усиления операционного усилителя на полосу пропускания, задействованные сопротивления и значение паразитной емкости. Тем не менее, можно выбрать с помощью моделирования или экспериментов. Вот пример, где мы проверяем разные номиналы компенсационных конденсаторов:

Неинвертирующий усилитель на операционном усилителе — компенсационный конденсатор с прямой связью

Circuitlab.com/c9wqubpx4g4g5

Править — Имитация

Упражнение Нажмите, чтобы открыть и смоделировать приведенную выше схему. Какую емкость лучше выбрать для C2 в этой ситуации?

• Если компенсационная емкость слишком мала (или равна нулю), у нас будет нестабильность и перерегулирование переходной характеристики.
• Если компенсационная емкость слишком велика, это слишком сильно замедлит переходную характеристику усилителя.
• Но в середине есть зона Златовласки (около 5−6 пФ). в этом примере), где переходная характеристика очень хорошая, несмотря на большую паразитную емкость.

Добавление компенсационных конденсаторов относится к более продвинутой части аналоговой магии, но, понимая, почему возникают проблемы со стабильностью и как их можно исправить, вы сможете использовать моделирование и эксперименты для их решения, когда они возникают.

---

Как вы могли догадаться по названию «неинвертирующий», существует также конфигурация инвертирующего усилителя с операционным усилителем, которую мы рассмотрим далее.

≡ Оглавление

«

7.3

Эталонное напряжение операционного усилителя

»

7,5

Инвертирующий усилитель на операционных усилителях

---

Роббинс, Майкл Ф. Абсолютная электроника: проектирование и анализ практических схем. CircuitLab, Inc., 2021, Ultimateelectronicsbook.com. Доступ . (Авторское право © 2021 CircuitLab, Inc.)

4.2: Инвертирующие и неинвертирующие усилители

1. Последнее обновление

2. Сохранить как PDF

Идентификатор страницы

3566

• Джеймс М. Фиоре
• Муниципальный колледж Mohawk Valley

Как отмечалось в нашей предыдущей работе, отрицательная обратная связь может применяться одним из четырех способов. Форма параллельного ввода инвертирует входной сигнал, а форма последовательного ввода — нет. Поскольку эти формы были представлены как чувствительные к току и чувствительные к напряжению соответственно, у вас может сложиться первоначальное впечатление, что все усилители напряжения должны быть неинвертирующими. Это не тот случай. С помощью простого включения одного или двух резисторов, например, мы можем сделать инвертирующие усилители напряжения или неинвертирующие усилители тока. Практически все топологии реализуемы. Сначала мы рассмотрим формы источника управляемого напряжения (те, которые используют отрицательную обратную связь SP и PP).

Для анализа можно использовать классическую трактовку, изложенную в третьей главе; однако из-за некоторых довольно хороших характеристик типичного операционного усилителя будут показаны приблизительные значения. Эти приближения действительны только в средней полосе частот и ничего не говорят о характеристиках схемы на высоких частотах. Поэтому они не подходят для дискретной работы общего назначения. Идеализации для приближений:

• Входной ток практически равен нулю (т. е. \(Z_{in}\) бесконечно).
• Разность потенциалов между инвертирующим и неинвертирующим входами практически равна нулю (т. е. контурное усиление бесконечно). Этот сигнал также называют сигналом ошибки.

Также обратите внимание на то, что на большинстве диаграмм не показаны соединения источника питания.

4.2.1: Неинвертирующий усилитель напряжения

Неинвертирующий усилитель напряжения основан на отрицательной обратной связи SP. Пример приведен на рисунке \(\PageIndex{1}\). Обратите внимание на сходство с общими схемами SP из третьей главы. Вспоминая основное действие отрицательной обратной связи SP, мы ожидаем очень высокое \(Z_{in}\), очень низкое \(Z_{out}\) и снижение коэффициента усиления по напряжению. Идеализация 1 утверждает, что \(Z_{in}\) должно быть бесконечным. Мы уже знаем, что операционные усилители имеют низкий \(Z_{out}\), второй пункт позаботился. Теперь давайте посмотрим на коэффициент усиления по напряжению.

\[ A_{v} = \frac{V_{out}}{V_{in}} \nonumber \]

Потому что в идеале \(V_{error} = 0\)

\[ V_{in} = V_{Ri} \nonumber \]

Также

\[ V_{out} = V_{Ri} + V_{Rf} \nonumber \]

\[ A_v = \frac{V_{Ri} + V_{ Rf}}{V_{Ri}} \nonumber \]

Рисунок \(\PageIndex{1}\): Неинвертирующий усилитель напряжения.

Расширение дает

\[ A_v = \frac{R_i I_{Ri} + R_f I_{Rf}}{Ri I_{Ri}} \nonumber \]

Поскольку \(I_{in} = 0\), \(I_{Rf} = I_{Ri}\), и, наконец, мы приходим к

\[ A_v = \frac{R_i + R_f}{R_i} \text{or} \nonumber \]

\[ A_v = 1+ \frac{R_f}{R_i} \label{4.1} \]

Теперь это удобно. Коэффициент усиления этого усилителя задается соотношением двух резисторов. Чем больше \(R_f\) по отношению к \(R_i\), тем больше выигрыш вы получите. Помните, что это приблизительное значение. Усиление замкнутого контура никогда не может превышать усиление разомкнутого контура, и, в конце концов, \(A_v\) будет падать по мере увеличения частоты. Обратите внимание, что расчет игнорирует влияние импеданса нагрузки. Очевидно, что если \(R_l\) слишком мало, чрезмерное потребление тока приведет к ограничению операционного усилителя.

Пример \(\PageIndex{1}\)

Каковы входное сопротивление и усиление схемы на рисунке \(\PageIndex{2}\)?

Во-первых, \(Z_{in}\) идеально бесконечно. Теперь по выигрышу:

\[ A_v = 1+ \frac{R_f}{R_i} \nonumber \]

\[ A_v = 1+ \frac{10 k}{1 k} \nonumber \]

\ [ A_v = 11 \nonumber \]

Рисунок \(\PageIndex{2}\): Неинвертирующая схема для примера \(\PageIndex{1}\).

Противоположный процесс проектирования усилителя так же прост.

Пример \(\PageIndex{2}\)

Разработайте усилитель с коэффициентом усиления 26 дБ и входным сопротивлением 47 кОм\(\Омега\). Для усиления сначала превратите 26 дБ в обычную форму. Это усиление по напряжению около 20.

\[ A_v = 1+ \frac{R_f}{R_i} \nonumber \]

\[ \frac{R_f}{R_i} = A_v — 1 \nonumber \]

\[ \frac{R_f}{R_i} = 19 \nonumber \]

Рисунок \(\PageIndex{3}\): Неинвертирующий дизайн для примера \(\PageIndex{2}\).

В этот момент выберите значение для одного из резисторов и решите для другого. Например, все следующее будет правильным:

\[ R_i=1k \Omega ,\ R_f=19 k \Omega \nonnumber \]

\[ R_i=2 k \Omega ,\ R_f =38 k \Omega \nonumber \]

\[ R_i=500 \Omega ,\ R_f =9. 5 k \Omega \nonumber \]

Однако большинство из них не являются стандартными значениями и потребуют небольшой корректировки для производственной схемы (см. Приложение B). Разумный диапазон составляет \(100 k\Omega > R_i + R_f > 10 k\Omega \). Точность этого усиления будет зависеть от точности резисторов. Теперь о требовании \(Z_{in}\). Это обманчиво просто. \(Z_{in}\) считается бесконечным, поэтому все, что вам нужно сделать, это поместить 47 k\(\Omega\) параллельно входу. Получившаяся схема показана на рисунке \(\PageIndex{3}\).

Если конкретное \(Z_{in}\) не указано, параллельный входной резистор не требуется. Есть одно исключение из этого правила. Если источник возбуждения не подключен напрямую к входу операционного усилителя (например, он имеет емкостную связь), потребуется резистор для установления обратного пути постоянного тока на землю. Без обратного пути постоянного тока каскад усилителя входной секции не будет должным образом смещен. Этот момент стоит запомнить, так как он может избавить вас от головной боли в будущем. Например, в лаборатории схема, подобная показанной на рисунке \(\PageIndex{2}\), может нормально работать с одним генератором функций, но не с другим. Это было бы так, если бы второй генератор использовал конденсатор связи на выходе, а первый — нет.

Пример \(\PageIndex{3}\)

Разработайте повторитель напряжения (т. е. идеально бесконечный \(Z_{in}\) и коэффициент усиления по напряжению, равный 1).

Часть \(Z_{in}\) достаточно проста. Что касается второй части, какое отношение \(R_f\) к \(R_i\) даст выигрыш в 1?

\[ A_v = 1+ \frac{R_f}{R_i} \nonumber \]

\[ \frac{R_f}{R_i} = A_v — 1 \nonumber \]

\[ \frac{R_f}{ R_i} = 0 \nonumber \]

Рисунок \(\PageIndex{4}\): Повторитель напряжения для примера \(\PageIndex{3}\).

Это говорит о том, что \(R_f\) должен быть равен 0 \(\Omega\). На практике это означает, что \(R_f\) заменяется закорачивающим проводом. А как насчет \(R_i\)? Теоретически подойдет почти любое значение. Пока есть выбор, считай бесконечным. Ноль, деленный на бесконечность, безусловно, равен нулю. Практическое преимущество выбора \(R_i = \infty\) заключается в том, что вы можете удалить \(R_i\). Получившаяся схема показана на рисунке \(\PageIndex{4}\). Помните, что если источник не подключен напрямую, потребуется обратный резистор постоянного тока. Значение этого резистора должно быть достаточно большим, чтобы не нагружать источник.

Как видите, разработка на операционных усилителях может быть намного быстрее, чем на дискретных аналогах. В результате ваша эффективность как проектировщика или специалиста по ремонту может значительно повыситься. Теперь вы можете сосредоточиться на системе, а не на особенностях отдельного резистора смещения. Чтобы сделать многокаскадные усилители, просто соедините отдельные каскады вместе.

Пример \(\PageIndex{4}\)

Каково входное сопротивление схемы на рисунке \(\PageIndex{5}\)? Что такое \(V_{out}\)? Как и в любом многокаскадном усилителе, входное сопротивление первого каскада представляет собой систему \(Z_{in}\). Обратный резистор постоянного тока устанавливает его на 100 кОм\(\Омега\). 9{‘} = 8 дБВ \номер \]

Поскольку 8 дБВ соответствует примерно 2,5 В, опасность клиппинга отсутствует.

4.2.2: Инвертирующий усилитель напряжения

Инвертирующий усилитель основан на модели отрицательной обратной связи PP. Базовая форма показана на рисунке \(\PageIndex{6}\). Сама по себе эта форма является измерением тока, а не напряжения. Для измерения напряжения добавлен входной резистор \(R_i\). См. рисунок \(\PageIndex{7}\). Вот как работает схема: \(V_{ошибка}\) практически равно нулю, поэтому инвертирующий входной потенциал должен равняться неинвертирующему входному потенциалу. Это означает, что инвертирующий вход находится на виртуальной земле. Сигнал здесь настолько мал, что им можно пренебречь. Из-за этого мы также можем сказать, что импеданс, видимый в этой точке, равен нулю. Последний пункт может вызвать некоторую путаницу. Вы можете спросить: «Как импеданс может быть равен нулю, если ток в операционном усилителе равен нулю?» Ответ заключается в том, что весь входящий ток будет проходить через \(R_f\), минуя инвертирующий вход.

Рисунок \(\PageIndex{6}\): Базовый параллельно-параллельный усилитель.

Рисунок \(\PageIndex{7}\): Инвертирующий усилитель напряжения.

Подробное пояснение см. на рисунке \(\PageIndex{8}\). Правый конец \(R_i\) находится на виртуальной земле, поэтому все входное напряжение падает на него, создавая \(I_{in}\), входной ток. Этот ток не может войти в операционный усилитель и вместо этого будет проходить через \(R_f\). Поскольку на инвертирующий вход подается положительный сигнал, операционный усилитель будет потреблять выходной ток, таким образом, протягивая \(I_{in}\) через \(R_f\). Результирующее падение напряжения на \(R_f\) имеет ту же величину, что и напряжение нагрузки. Это верно, потому что \(R_f\) эффективно работает параллельно с нагрузкой. Обратите внимание, что оба элемента привязаны к выходу операционного усилителя и к (виртуальной) земле. Полярность меняется, потому что мы относим выходной сигнал к земле. Короче говоря, \(V_{out}\) — это инвертированное напряжение на \(R_f\).

Рисунок \(\PageIndex{8}\): анализ инвертирующего усилителя с рисунка \(\PageIndex{7}\).

\[ A_v = \frac{V_{out}}{V_{in}} \nonumber \]

\[ V_{in} = I_{in}R_i \nonumber \]

\[ V_{out} = −V_{R_f} \nonumber \]

\[ V_{Rf} = I_{in} R_f \nonumber \]

Замена дает

\[ A_v = −\frac{I_{in}R_f}{I_ {in}R_i} \nonumber \]

\[ A_v =− \frac{R_f}{R_i} \label{4.2} \]

Опять же, мы видим, что коэффициент усиления по напряжению задается отношением резисторов. Опять же, существует допустимый диапазон значений.

Предыдущее обсуждение указывает на вывод входного импеданса. Поскольку весь входной сигнал падает через \(R_i\), отсюда следует, что все, что «видит» источник возбуждения, это \(R_i\). Проще говоря, \(R_i\) устанавливает входное сопротивление. В отличие от неинвертирующего усилителя напряжения, существует определенная взаимосвязь между \(Z_{in}(R_i)\) и \(A_v(-R_f/R_i)\). Это указывает на то, что с этой схемой очень сложно достичь как высокого коэффициента усиления, так и высокого \(Z_{in}\).

Пример \(\PageIndex{5}\)

Определите входное сопротивление и выходное напряжение для схемы на рисунке \(\PageIndex{9}\).

Рисунок \(\PageIndex{9}\): Инвертирующий усилитель для примера \(\PageIndex{9}\).

Входное сопротивление устанавливается с помощью \(R_i\). \(R_i = 5 k\Omega \), поэтому \(Z_{in} = 5 k\Omega \).

\[ V_{out} = V_{in}A_v \nonumber \]

\[ A_v = −\frac{R_f}{R_i} \nonumber \]

\[ A_v =− \frac{20 k} {5 k} \номер \]

\[ A_v =−4 \неномер \]

\[ V_{out} =100 мВ\times (−4) \nonnumber \]

\[ V_{out} =−400 мВ, \text{ (т. е. инвертировано)} \nonnumber \]

Пример \ (\PageIndex{6}\)

Разработайте инвертирующий усилитель с коэффициентом усиления 10 и входным сопротивлением 15 кОм\(\Омега\). Входной импеданс говорит нам, каким должен быть \(R_i\)

\[ Z_{in} = R_i \nonumber \]

\[ R_i = 15 k \nonumber \]

Зная \(R_i\), найдите \(R_f\):

\[ A_v =− \frac{R_f}{R_i} \nonumber \]

\[ R_f =R_i(−A_v ) \не число \]

\[ R_f =15k\times (−(−10)) \не число \]

\[ R_f =150 k \не число \]

Компьютер Simulation

Мультисимуляция результата примера \(\PageIndex{6}\) показана на рисунке \(\PageIndex{10}\) вместе со схемой. В этом моделировании используется простая модель зависимого источника, представленная во второй главе. Вход установлен на 0,1 В постоянного тока для простоты. Обратите внимание, что выходной потенциал отрицателен, что указывает на инвертирующее действие усилителя. Также обратите внимание, что аппроксимация виртуальной земли подтверждается достаточно хорошо, с инвертирующим входным потенциалом, измеряемым в области \(\mu\)V.

Рисунок \(\PageIndex{10a}\): Мультисимуляция простой модели операционного усилителя для примера \(\PageIndex{6}\). а. Схема.

Рисунок \(\PageIndex{10b}\): Мультисимуляция простой модели операционного усилителя для примера \(\PageIndex{6}\). б. Выходной листинг.

Пример \(\PageIndex{7}\)

Схема на рисунке \(\PageIndex{11}\) представляет собой каскад предварительного усилителя для электронной музыкальной клавиатуры. Как и большинство предусилителей музыкантов, этот предлагает регулируемое усиление. Это достигается включением потенциометра вслед за усилителем. Каковы максимальное и минимальное значения усиления?

Рисунок \(\PageIndex{11}\): Предусилитель музыкального инструмента для примера \(\PageIndex{7}\).

Обратите внимание, что коэффициент усиления предварительного усилителя является произведением коэффициента усиления операционного усилителя и коэффициента делителя напряжения, создаваемого потенциометром. Для максимального выигрыша используйте горшок в самом верхнем положении. Поскольку потенциометр действует как делитель напряжения, самое верхнее положение не обеспечивает действия делителя (т. е. его коэффициент усиления равен единице). Для средних частот 20 пФ можно не учитывать.

\[ A_{v-max} =− \frac{R_f}{R_i} \nonumber \] 9{‘} = 22,5 дБ \номер\]

Для минимального усиления потенциометр заземляется. В этот момент действие делителя бесконечно, и, таким образом, минимальное усиление равно 0 (что приводит к тишине).

\(Z_{in}\) для системы около 15к\(\Омега\). Что касается дополнительных компонентов, конденсатор емкостью 20 пФ используется для уменьшения усиления высоких частот. Два шунтирующих конденсатора по 0,1 мкФ на линиях питания очень важны. Практически во всех схемах операционных усилителей используются развязывающие конденсаторы. Из-за высокого коэффициента усиления операционных усилителей важно иметь хорошее заземление по переменному току на выводах источника питания. На более высоких частотах индуктивность проводки источника питания может создавать значительный импеданс. Этот импеданс может создать петлю положительной обратной связи, которой в противном случае не существовало бы. Без шунтирующих конденсаторов схема может генерировать или создавать паразитные выходные сигналы. Точные значения для конденсаторов обычно не критичны, типичными являются значения от 0,1 до 1 мкФ.

4.2.3: Преобразователь тока в напряжение, инвертирующий

Как упоминалось ранее, инвертирующий усилитель напряжения основан на отрицательной обратной связи PP с дополнительным входным резистором, используемым для преобразования входного напряжения в ток. Что произойдет, если исключить этот дополнительный резистор и использовать схему, подобную рисунку \(\PageIndex{6}\)? Без дополнительного резистора вход находится на виртуальной земле, поэтому \(Z_{in}\) устанавливается равным 0 \(\Omega\). Это идеально подходит для измерения тока. Этот входной ток будет проходить через \(R_f\) и создавать выходное напряжение, как описано выше. Характеристика преобразования тока в напряжение измеряется параметром транссопротивления. По определению транссопротивление этой цепи равно значению \(R_f\). Чтобы найти \(V_{out}\), умножьте входной ток на сопротивление. Эта схема также инвертирует полярность.

\[ V_{out} =-I_{in}R_f \label{4.3} \]

Пример \(\PageIndex{8}\)

Создайте схему на основе рисунка \(\PageIndex{6}\ ), если входной ток -50 \(\mu\)A должен давать выходное напряжение 4 В. }{I_{in}} \nonumber \]

\[ R_f =− \frac{4 V}{−50\mu A} \nonumber \]

\[ R_f = 80 k \nonumber \]

входное сопротивление принимается равным нулю.

На первый взгляд схемные применения топологии, представленной в предыдущем примере, кажутся очень ограниченными. На самом деле существует ряд линейных интегральных схем, которые выдают результат в текущей форме ¹ . Во многих случаях этот сигнал должен быть преобразован в напряжение, чтобы правильно взаимодействовать с другими элементами схемы. Для этой цели широко используется преобразователь тока в напряжение.

4.2.4: Неинвертирующий преобразователь напряжения в ток

В этой топологии схемы используется отрицательная обратная связь SS. Он воспринимает входное напряжение и вырабатывает ток. Концептуальное сравнение можно провести с полевым транзистором (источник тока, управляемый напряжением). Вместо коэффициента усиления схемы нас интересует крутизна. Другими словами, какое входное напряжение требуется для получения заданного выходного тока? Представленная здесь схема операционного усилителя управляет плавающей нагрузкой. То есть нагрузка не привязана к земле. В одних случаях это может быть удобно, а в других — доставлять массу неудобств. С некоторыми дополнительными схемами можно создать версию с заземленной нагрузкой, хотя нам не хватает места, чтобы рассмотреть ее здесь.

Типичная схема зависимости напряжения от тока показана на рисунке \(\PageIndex{12}\). Поскольку здесь используется обратная связь с последовательным вводом, мы можем сразу предположить, что \(Z_{in}\) бесконечно. Отношение напряжения к току задается резистором обратной связи \(R_i\). Поскольку \(V_{ошибка}\) предполагается равным нулю, все \(V_{in}\) переходят через \(R_i\), создавая текущий \(I_{Ri}\). Предполагается, что операционный усилитель имеет нулевой входной ток, поэтому все \(I_{Ri}\) проходят через нагрузочный резистор \(R_l\). Регулируя \(R_i\), можно изменять ток нагрузки.

\[ I_{нагрузка} = I_{R_i} \номер \]

\[ I_{R_i} = \frac{V_{in}}{R_i} \неномер \]

\[ I_{нагрузка} = \frac{V_{in}}{R_i} \nonumber \]

Рисунок \(\PageIndex{12}\): Преобразователь напряжения в ток.

По определению,

\[ g_m = \frac{I_{load}}{V_{in}} \nonumber \]

\[ g_m = \frac{1}{R_i} \label{4.4} \]

Итак, крутизна цепи задается резистором обратной связи. Как обычно, существуют практические ограничения на размер \(R_i\). Если \(R_i\) и \(R_l\) слишком малы, существует вероятность того, что выходной ток операционного усилителя «иссякнет» и он войдет в режим насыщения. С другой стороны, произведение двух резисторов и \(I_{нагрузка}\) не может превышать шины питания. Например, если \(R_i\) плюс \(R_l\) составляет 10 кОм\(\Omega\), \(I_{нагрузка}\) не может превышать примерно 1,5 мА при стандартных \(\pm\)15 В источниках питания. используются.

Пример \(\PageIndex{9}\)

При входном напряжении 0,4 В в схеме на рисунке \(\PageIndex{13}\) каков ток нагрузки?

\[ g_m = \frac{1}{R_i} \nonumber \]

\[ g_m = \frac{1}{20 k} \nonumber \]

\[ g_m = 50 \mu S \nonumber \ ]

\[ I_{нагрузка} = g_m V_{in} \номер \]

\[ I_{нагрузка} = 50 \мкСм\раз 0,4 В \неномер \]

\[ I_{нагрузка} = 20 \mu A \nonumber \]

Рисунок \(\PageIndex{13}\): Преобразователь напряжения в ток для примера \(\PageIndex{9}\).

Здесь нет опасности перегрузки по току, так как средний операционный усилитель может выдавать максимум около 20 мА. Выходной ток будет 20 \(\мк\)А независимо от значения \(R_l\), вплоть до ограничения. Опасности обрезания в этой ситуации также нет. Напряжение на выходе операционного усилителя относительно земли равно

\[ V_{max} = (R_i+ R_l) I_{load} \nonnumber \]

\[ V_{max} = (20k+1k)\ раз 20 \мкА \номер\]

\[ V_{max} = 420 мВ \номер\]

Это значительно ниже уровня отсечения.

Компьютерное моделирование

Моделирование схемы примера \(\PageIndex{9}\) показано на рисунке \(\PageIndex{14}\). Идеальная модель операционного усилителя Multisim была выбрана для упрощения компоновки. Ток нагрузки точно такой же, как и рассчитанный при 20 \(\mu\)A. Здесь используется интересный трюк для построения графика тока нагрузки, так как многие симуляторы предлагают только график узловых напряжений. Используя постпроцессор Multisim, ток нагрузки вычисляется путем получения разницы между напряжениями узла по обе стороны от нагрузочного резистора и последующего деления результата на сопротивление нагрузки.

Рисунок \(\PageIndex{14a}\): Схема моделирования преобразователя напряжения в ток.

Рисунок \(\PageIndex{14b}\): Результаты моделирования.

Пример \(\PageIndex{10}\)

Схема на рисунке \(\PageIndex{15}\) может быть использована для изготовления вольтметра постоянного тока с высоким входным сопротивлением. Нагрузка в этом случае представляет собой простое движение метра. Для этого конкретного измерителя требуется 100 мкА для полномасштабного отклонения. Если мы хотим измерять напряжения до 10 В, каким должно быть \(R_i\)?

Сначала мы должны найти крутизну.

\[ g_m = \frac{I_{нагрузка}}{V_{in}} \nonumber \]

\[ g_m = \frac{100 \mu A}{10 V} \nonumber \]

\[ g_m = 10 \mu S \nonumber \]

\[ R_i = \frac{1}{g_m} \nonumber \]

\[ R_i = \frac{1}{10 \mu S} \nonumber \]

\[ R_i =100 k \номер \]

Рисунок \(\PageIndex{15}\): Вольтметр постоянного тока для примера \(\PageIndex{10}\).

Предполагается, что отклонение счетчика является линейным. Например, если входной сигнал составляет всего 5 В, производимый ток уменьшается вдвое до 50 мкА. 50 \(\mu\)A должно давать отклонение на половину шкалы. Точность этого электронного вольтметра зависит от точности \(R_i\) и линейности движения измерителя. Обратите внимание, что эта небольшая схема может быть весьма удобна в лаборатории, питаясь от батареек. Чтобы изменить шкалу, новые значения \(R_i\) можно поменять местами с помощью поворотного переключателя. Для масштаба 1 В \(R_i\) равно 10 k\(\Omega\). Обратите внимание, что для более высоких входных диапазонов требуется некоторая форма входного аттенюатора. Это связано с тем, что большинство операционных усилителей могут быть повреждены, если используются входные сигналы больше, чем шины питания.

4.2.5: Инвертирующий усилитель тока

Инвертирующий усилитель тока использует отрицательную обратную связь PS. Как и в преобразователе напряжения в ток, нагрузка является плавающей. Базовая схема показана на рисунке \(\PageIndex{16}\). Из-за параллельного подключения отрицательной обратной связи на входе входное сопротивление схемы принимается равным нулю. Это означает, что точка входа находится на виртуальной земле. Ток в операционном усилителе незначителен, поэтому весь входной ток протекает через \(R_i\) к узлу A. По сути, \(R_i\) и \(R_f\) параллельны (они оба имеют общий узел A и землю; на самом деле виртуальная земля для \(R_i\)). Следовательно, \(V_{Ri}\) и \(V_{Rf}\) являются одним и тем же значением. Это означает, что ток течет через \(R_f\) от земли к узлу A. Эти два тока объединяются, чтобы сформировать ток нагрузки. Таким образом достигается усиление по току. Чем больше \(I_{Rf}\) относительно \(I_{in}\), тем больше усиление по току. Поскольку операционный усилитель потребляет ток, это инвертирующий усилитель.

Рисунок \(\PageIndex{16}\): Инвертирующий усилитель тока

\[ A_i =− \frac{I_{out}}{I_{in}} \nonumber \]

\[ I_{out } = I_{Rf} + I_{Ri} \label{4. 5} \]

\[ I_{Ri} = I_{in} \nonumber \]

\[ I_{Rf} = \frac{V_{Rf }}{R_f} \nonumber \]

Поскольку \(V_{Rf}\) имеет то же значение, что и \(V_{Ri}\),

\[ I_{Rf} = \frac{V_{Ri} }{R_f} \label{4.6} \]

\[ V_{Ri} = I_{in} R_i \label{4.7} \]

Замена \ref{4.7} на \ref{4.6} дает

\[ I_{Rf} = \frac{I_{in}R_i}{R_f} \nonumber \]

Подстановка в \ref{4.5} дает

\[ I_{out} = I_{in} + \ frac{I_{in}R_i}{R_f} \nonumber \]

\[ I_{out} = I_{in}\left(1+ \frac{R_i}{R_f}\right) \nonumber \]

\[ A_i = −\left(1+ \frac{R_i}{R_f}\right) \label{4.8} \]

Как и следовало ожидать, усиление является функцией двух резисторов обратной связи. Обратите внимание на сходство этого результата с неинвертирующим усилителем напряжения.

Пример \(\PageIndex{11}\)

Каков ток нагрузки на рисунке \(\PageIndex{17}\)?

Рисунок \(\PageIndex{17}\): Усилитель тока для примера \(\PageIndex{11}\).

\[ I_{out} = −A_i I_{in} \nonumber \]

\[ A_i = −(1+ \frac{R_i}{R_f}) \nonumber \]

\[ A_i = −( 1+ \frac{33 k}{1 k}) \nonumber \]

\[ A_i = −34 \nonumber \]

\[ I_{out} =−34\times 5 \mu A \nonumber \]

\[ I_{out} =−170 \mu A \text{ (тонущий)} \nonumber \]

Нам нужно убедиться, что этот ток не вызывает ограничение выходного сигнала. Все, что нужно, это простая проверка закона Ома.

\[ V_{max} = I_{out} R_{load} +I_{in}R_i \nonumber \]

\[ V_{max} =170 \mu A\times 10 k+5 \mu A\ раз 33k \номер \]

\[ V_{макс} = 1,7 В+.165 В \номер \]

\[ V_{макс} = 1,865 В \text{ (нет проблем)} \номер \]

Пример \(\PageIndex{12}\)

Разработайте усилитель с коэффициентом усиления по току -50. Нагрузка примерно 200к\(\Омега\). Предполагая типичный операционный усилитель (\(I_{out-max}\) = 20 мА с питанием \(\pm\) 15 В), каков максимальный ток нагрузки?

\[ A_i =−\left(1+ \frac{R_i}{R_f}\right) \nonumber \]

\[ \frac{R_i}{R_f} =−Ai −1 \nonumber \]

\[ \frac{R_i}{R_f} = 50−1 \nonumber \]

\[ \frac{R_i}{R_f} = 49 \nonumber \]

Следовательно, \(R_i\) должно быть в 49 раз больше чем \(R_f\). Возможные решения:

\[ R_i = 49k \Omega , R_f = 1 k\Omega \nonumber \]

\[ R_i = 98 k\Omega , R_f = 2 k\Omega \nonumber \]

\[ R_i = 24,5 k \Omega , R_f = 500\Omega \nonnumber \]

Максимальный ток нагрузки не может превышать максимальный выходной ток операционного усилителя 20 мА, но может быть и меньше. Нам нужно определить ток при отсечении. Из-за большого сопротивления нагрузки практически весь выходной потенциал падает на него. Игнорирование дополнительного падения на резисторах обратной связи приведет к максимальной ошибке 1% (это наихудший случай, если предположить, что набор резисторов номер два).

Рисунок \(\PageIndex{18}\): Схема усилителя тока для примера \(\PageIndex{12}\).

С шинами 15 В типичный операционный усилитель ограничивается напряжением 13,5 В. Результирующий ток определяется по закону Ома:

\[ I_{max} = \frac{13,5 V}{200 k} \nonumber \]

\[ I_{max} = 67,5 \mu A \nonumber \]

Другой способ взглянуть на это — сказать, что максимально допустимый входной ток составляет 67,5 \(\mu\)A/50, или 1,35 \(\ мю\)А. Одно из возможных решений показано на рисунке \(\PageIndex{18}\).

4.2.6: Суммирующие усилители

В схемотехнике очень часто объединяют несколько сигналов в один общий сигнал. Одним из хороших примеров этого является вещание и звукозапись. Типичная современная запись музыки потребует использования, возможно, десятков микрофонов, но конечный продукт обычно состоит из двух выходных сигналов (стерео левого и правого). Если сигналы соединяются случайным образом, это может привести к чрезмерным помехам, шуму и искажениям. Идеальный суммирующий усилитель должен представлять каждый входной сигнал с изолированной нагрузкой, на которую не влияют другие каналы.

Наиболее распространенная форма суммирующего усилителя на самом деле не что иное, как расширение инвертирующего усилителя напряжения. Поскольку вход операционного усилителя находится на виртуальной земле, он представляет собой идеальный узел суммирования тока. Вместо размещения одного входного резистора в этой точке можно использовать несколько входных резисторов. Каждый источник входного сигнала управляет собственным резистором, и соседние входы очень мало влияют на него. Виртуальная земля — это ключ. Общий суммирующий усилитель показан на рисунке \(\PageIndex{19). }\).

Рисунок \(\PageIndex{19}\): Суммирующий усилитель.

Входное сопротивление первого канала равно \(R_{i1}\), а коэффициент усиления по напряжению равен \(-R_f/R_{i1}\). Для канала 2 входное сопротивление равно \(R_{i2}\) с коэффициентом усиления \(-R_f/R_{i2}\). В общем случае для канала N имеем

\[ Z_{in N} = R_{i N} \nonumber \]

\[ A_{v N} =− \frac{R_f}{R_{i N} } \nonumber \]

Выходной сигнал представляет собой сумму всех входных сигналов, умноженных на связанные с ними коэффициенты усиления. 9{n}{V_{in_i} A_{v_i}} \label{4.9} \]

Суммирующий усилитель может иметь одинаковый коэффициент усиления для каждого входного канала. Это называется равновзвешенной конфигурацией.

Пример \(\PageIndex{13}\)

Каков выходной сигнал суммирующего усилителя на рисунке \(\PageIndex{20}\) при данных входных напряжениях постоянного тока?

Рисунок \(\PageIndex{20}\): Суммирующий усилитель для примера \(\PageIndex{13}\).

Самый простой способ приблизиться к этому — просто рассматривать схему как три инвертирующих усилителя напряжения, а затем сложить результаты, чтобы получить окончательный результат.

Канал 1:

\[ A_v = − \frac{R_f}{R_i} \nonumber \]

\[ A_v = − \frac{10 k}{4 k} \nonumber \]

\[ A_v = −2,5 \номер \]

\[ V_{out} = −2,5\times 1V \nonnumber \]

\[ V_{out} = −2,5 V \nonnumber \]

Канал 2:

\[ A_v = − \frac{R_f}{R_i} \nonumber \]

\[ A_v = − \frac{10 k}{2 k} \nonumber \]

\[ A_v = −5 \nonumber \]

\[ V_{out} = −5\times −2 V \nonumber \]

\[ V_{out} = 10 V \nonumber \]

Канал 3:

\[ A_v = − \frac{R_f}{R_i} \nonumber \]

\[ A_v = − \frac{10 k}{1 k} \nonumber \]

\[ A_v = −10 \nonumber \]

\[ V_{out} = −10\times .5 V \nonumber \]

\[ V_{out} = −5 V \nonumber \]

Окончательный выход найден путем суммирования:

\[ V_{вых.} =-2,5 В+10 В+(-5 В) \не число \]

\[ V_{выход} = 2,5 В \нечисло \]

Если на вход поступают сигналы переменного тока , суммирование не столь прямолинейно. Помните, что сигналы переменного тока с разной частотой и фазой не складываются когерентно. Вы можете выполнить расчет, аналогичный предыдущему, чтобы найти пиковое значение, однако для эффективного значения (т. е. квадратного корня из суммы квадратов) необходимо вычисление среднеквадратичного значения.

Для использования в сфере вещания и звукозаписи суммирующие усилители также потребуют некоторой формы регулировки громкости для каждого входного канала, а также общего регулятора громкости. Это позволяет правильно сбалансировать уровни различных микрофонов или инструментов. Теоретически индивидуальная регулировка усиления канала может быть обеспечена заменой каждого входного резистора потенциометром. Регулируя \(R_i\), можно напрямую изменять коэффициент усиления. На практике есть несколько проблем с этим расположением. Во-первых, полностью отключить канал невозможно. Требуемое значение для \(R_i\) было бы бесконечным. Во-вторых, поскольку \(R_i\) задает входной импеданс, изменение коэффициента усиления приведет к изменению \(Z_{in}\). Это изменение может привести к перегрузке или изменению характеристик источника возбуждения. Одним из возможных решений является сохранение фиксированного значения \(R_i\) и размещение перед ним потенциометра, как показано на рисунке \(\PageIndex{21}\). Горшок дает выигрыш от 1 до 0. Затем комбинация \(R_f/R_i\) устанавливается на максимальный выигрыш. Пока \(R_i\) в несколько раз больше, чем значение потенциометра, входное сопротивление канала будет оставаться относительно постоянным. Эффективный \(Z_{in}\) для канала равен \(R_{pot}\) параллельно с \(R_i\), как минимум, до \(R_{pot}\).

Рисунок \(\PageIndex{21}\): Аудиомикшер.

Что касается основного регулятора громкости, можно использовать потенциометр для \(R_f\). Однако без ограничительного резистора очень низкое ведущее усиление может привести к перенапряжению операционного усилителя из-за небольшого эффективного значения \(R_f\). Этот метод также вызывает изменения потенциалов смещения и пропускной способности цепи. Техника, обеспечивающая более высокую производительность, включает использование этапа с фиксированным значением \(R_f\), за которым следует потенциометр, как показано на рисунке \(\PageIndex{21}\).

Еще одним применением суммирующего усилителя является регулятор уровня. Сдвиг уровня представляет собой суммирующий усилитель с двумя входами. Один вход представляет собой требуемый сигнал переменного тока, а второй вход представляет собой значение постоянного тока. Правильный выбор значения постоянного тока позволяет разместить сигнал переменного тока с желаемым смещением постоянного тока. Есть много применений для такой схемы. Одним из возможных приложений является управление смещением постоянного тока, доступное во многих генераторах сигналов.

4.2.7: Неинвертирующий суммирующий усилитель

Помимо инвертирующей формы, суммирующие усилители также могут быть изготовлены в неинвертирующей форме. Неинвертирующие лета обычно демонстрируют лучшие характеристики на высоких частотах по сравнению с инвертирующим типом. Одна из возможных схем показана на рисунке \(\PageIndex{22}\). В этом примере показаны три входа, хотя можно было бы добавить больше. Каждый вход имеет соответствующий входной резистор. Обратите внимание, что невозможно просто соединить несколько источников вместе в надежде суммировать их соответствующие сигналы. Это связано с тем, что каждый источник будет пытаться довести свой вывод до желаемого значения, которое будет отличаться от значений, созданных другими источниками. Возникающий в результате дисбаланс может вызвать чрезмерные (и, возможно, опасные) токи источника. Следовательно, каждый источник должен быть изолирован от других через резистор.

Рисунок \(\PageIndex{22}\): Неинвертирующий суммирующий усилитель.

Чтобы понять работу этой схемы, лучше всего разделить ее на две части: секцию источника входного сигнала/резистора и секцию неинвертирующего усилителя. Входные сигналы будут объединяться для создания общего входного напряжения \(V_t\). При осмотре вы должны увидеть, что выходное напряжение схемы будет равно \(V_t\), умноженному на неинвертирующий коэффициент усиления, или

\[ V_{out} = V_t \left( 1+ \frac{R_f}{R_i} \ справа) \номер\]

Осталось только определить \(V_t\). Каждый из входных каналов вносит свой вклад в \(V_t\) аналогичным образом, поэтому будет достаточно получения вклада от одного канала.

Рисунок \(\PageIndex{23}\): Эквивалентная схема входа канала 1.

В отличие от инвертирующего лета, неинвертирующий лето не использует узел суммирования виртуальной земли. В результате отдельные каналы будут влиять друг на друга. Эквивалентная схема для канала 1 перерисована на рисунке \(\PageIndex{23}\). Используя суперпозицию, мы сначала заменили бы входные генераторы каналов 2 и 3 короткими замыканиями. Результатом является простой делитель напряжения между \(V_1\) и \(V_{t1}\).

\[ V_{t 1} = V_1 \frac{R_2 || R_3}{R_1 + R_2 || R_3} \nonumber \]

Аналогичным образом мы можем получить доли \(V_t\) из-за канала 2

\[ V_{t 2} = V_2 \frac{R_1 || R_3}{R_2 + R_1 || R_3} \nonumber \]

и за счет канала 3

\[ V_{t 3} = V_3 \frac{R_1 || R_2}{R_3 + R_1 || R_2} \nonumber \]

\(V_t\) является суммой этих трех частей.

\[ V_t = V_{t 1} + V_{t 2} + V_{t 3} \nonumber \]

Таким образом, объединяя эти элементы, находим, что выходное напряжение равно

\[ V_{out} = \left( 1+ \frac{R_f}{R_i} \right) \left( V_1 \frac{R_2 || R_3}{R_1 + R_2 || R_3} + V_2 \frac{ R_1 || R_3}{R_2 + R_1 || R_3} + V_3 \frac{R_1 || R_2}{R_3 + R_1 || R_2} \right) \nonumber \]

Для удобства и одинакового веса входные резисторы часто все установлено на одно и то же значение. Это приводит к схеме, которая усредняет вместе все входы. Это упрощает уравнение до

\[ V_{out} = \left( 1+ \frac{R_f}{R_i} \right) \frac{V_1+V_2+V_3}{3} \nonumber \] 9{n}{V_n}}{n} \label{4.10} \]

, где \(n\) — количество каналов.

С этой схемой все еще остается одна проблема, а именно межканальная изоляция или перекрестные помехи. Этого можно избежать путем индивидуальной буферизации каждого ввода, как показано на рисунке \(\PageIndex{24}\).

Рисунок \(\PageIndex{24}\): Буферизованный и изолированный неинвертирующий суммирующий усилитель.

Пример \(\PageIndex{14}\)

Неинвертирующее лето, подобное показанному на рисунке \(\PageIndex{22}\), используется для объединения трех сигналов. \(V_1\) = 1 В постоянного тока, \(V_2\) = -0,2 В постоянного тока, а \(V_3\) представляет собой синусоидальный сигнал с пиковым значением 2 В и частотой 100 Гц. Определить выходное напряжение, если \(R_1 = R_2= R_3 = R_f\) = 20 кОм\(\Омега\) и \(R_i\) = 5 кОм\(\Омега\).

Поскольку все входные резисторы одинаковы, мы можем использовать общую форму уравнения суммирования.

\[ V_{out} = \left( 1+ \frac{R_f}{R_i} \right) \frac{V_1+V_2+\dpts+V_n}{\text{Количество каналов}} \nonumber \]

\[ V_{out} = \left( 1+ \frac{20 k}{5 k} \right) \frac{1 VDC+(-0,2 VDC)+2 \sin2 \pi 100 t}{3} \nonumber \]

\[ V_{out} = 5 \frac{0,8 В постоянного тока+2 \sin2 \pi 100 t}{3} \nonumber \]

\[ V_{out} = 1,33 В постоянного тока+3,33 \sin2 \pi 100 т \номер\]

Итак, мы видим, что выходной сигнал представляет собой пик синусоиды 3,33 В со смещением 1,33 В постоянного тока.

4.2.8: Дифференциальный усилитель

Поскольку операционный усилитель основан на дифференциальном входном каскаде, ничто не мешает вам сделать из него дифференциальный усилитель. Применение блока на основе операционного усилителя такое же, как и в дискретной версии, рассмотренной в первой главе. По сути, конфигурация дифференциального усилителя представляет собой комбинацию инвертирующего и неинвертирующего усилителей напряжения. Кандидат показан на рисунке \(\PageIndex{25}\). Анализ идентичен анализу двух базовых типов, и для объединения результатов используется суперпозиция. Очевидная проблема для этой схемы заключается в том, что существует большое несоответствие между коэффициентами усиления, если используются более низкие значения. Помните, что для инвертирующего входа величина усиления равна \(R_f/R_i\), тогда как для неинвертирующего входа отображается \(R_f/R_i\) + 1. Для правильной работы коэффициенты усиления двух половин должны быть одинаковыми. Неинвертирующий вход имеет несколько более высокий коэффициент усиления, поэтому для компенсации можно использовать простой делитель напряжения. Это показано на рисунке \(\PageIndex{26}\). Отношение должно быть таким же, как отношение \(R_f/R_i\). Целевое усиление равно \(R_f/R_i\), текущее усиление равно 1 + \(R_f/R_i\), что может быть записано как \((R_f + R_i)/R_i\). Для компенсации используется усиление \(R_f/(R_f + R_i)\). 9{‘}\) равно \(R_i\). Это позволит поддерживать примерно равный входной импеданс между двумя половинами, если используются два разных источника входного сигнала.

После добавления делителя выходное напряжение определяется путем умножения дифференциального входного сигнала на \(R_f/R_i\).

Пример \(\PageIndex{15}\)

Разработайте простой дифференциальный усилитель с входным сопротивлением 10 кОм\(\Омега\) на ветвь и коэффициентом усиления по напряжению 26 дБ.

Прежде всего, преобразование 26 дБ в обычную форму дает 20. Поскольку \(R_i\) устанавливает \(Z_{in}\), установите \(R_i\) = 10 k\(\Omega\), из спецификаций . 9{‘} = 9,52 k \nonumber \]

Окончательный результат показан на рисунке \(\PageIndex{27}\). Как вы увидите позже в шестой главе, дифференциальный усилитель занимает видное место в другой полезной схеме — инструментальном усилителе.

Рисунок \(\PageIndex{27}\): Усилитель разницы для примера \(\PageIndex{15}\).

4.2.9: сумматор/вычитатель

Если инвертирующие и неинвертирующие суммирующие усилители комбинируются с использованием топологии дифференциального усилителя, получается сумматор/вычитатель. Обычно все резисторы в сумматоре/вычитателе имеют одинаковое значение. Типичный сумматор/вычитатель показан на рисунке \(\PageIndex{28}\).

Рисунок \(\PageIndex{28}\): Сумматор-вычитатель.

Инвертирующие входы имеют номера от 1 до \(m\), а неинвертирующие входы — от \(m+1\) до \(n\). Цепь можно проанализировать, объединив предыдущие доказательства уравнений с \ref{4.9} по \ref{4.11} с помощью теоремы о суперпозиции. Детали оставлены в качестве упражнения ( Задача 4.45 ). Когда все резисторы равны, входные веса равны единице, а выход находится по формуле:

\[ V_{out} = \sum_{i=m+1}^{n}{V_{i n_i}} — \ sum_{j=1}^{m}{V_{i n_j}} \label{4. 12} \]

В сущности, вы можете думать о выходном напряжении как о вычитании суммы инвертирующего входа из суммы неинвертирующего входа.

4.2.10: Регулируемый инвертор/неинвертор

Уникальный усилитель с регулируемым усилением показан на рисунке \(\PageIndex{29}\). Что делает эту схему интересной, так это то, что коэффициент усиления непрерывно изменяется между инвертирующим и неинвертирующим максимумом. Например, максимальное усиление может быть установлено на 10. Полный оборот потенциометра будет изменять усиление от +10 до -10. Точное среднее значение даст усиление, равное 0. Таким образом, одна ручка управляет как фазой, так и величиной усиления.

Рисунок \(\PageIndex{29}\): Регулируемый инвертор/неинвертор.

Анализ схемы см. на рисунке \(\PageIndex{30}\).

Рисунок \(\PageIndex{30}\): Анализ инвертора/не инвертора.

Как и следовало ожидать, коэффициент усиления схемы определяется как отношение выходного напряжения к входному. Важно отметить, что в отличие от обычного инвертирующего усилителя величина выходного напряжения не обязательно равна напряжению на \(R_2\). Это связано с тем, что инвертирующий вывод операционного усилителя обычно не является виртуальной землей. Вместо этого также необходимо учитывать напряжение на \(R_3\). Поскольку два входа операционного усилителя должны иметь примерно одинаковый потенциал (т. е. \(V_{ошибка}\) должно быть равно 0), напряжение на инвертирующем выводе должно быть таким же, как и напряжение, снятое с потенциометра. Представляя коэффициент делителя напряжения потенциометра как \(k\), находим:

\[ V_{out} = k V_{i n} −V_{R2} \label{4.13} \]

Перепад \(R_2\) равен просто \(I_2 R_2\). \(I_2\) находится по закону тока Кирхгофа и соответствующей подстановке резисторов напряжения:

\[ I_2 = I_1 − I_3 \nonumber \]

\[ I_2 = \frac{V_{i n}−k V_{i n }}{R_1} − \frac{k V_{i n}}{R_3} \nonumber \]

\[ I_2 = V_{i n}\left( \frac{1−k}{R_1} − \frac{k }{R_3}\right) \nonumber \]

Таким образом, V_{R2} оказывается равным

\[ V_{R2} = V_{i n}\left( (1−k) \frac{R_2}{ R_1} − k \frac{R_2}{R_3} \right) \label(4. 14) \]

Объединяя уравнения \ref{4.13} и \ref{4.14} и затем решая коэффициент усиления, мы находим

\[ A_v = k−\left( (1−k ) \frac{R_2}{R_1} −k \ frac{R_2}{R_3} \right) \nonumber \]

\[ A_v = k−\left( \frac{R_2}{R_1} −k \frac{R_2}{R_1} −k \frac{R_2} {R_3} \right) \nonumber \]

\[ A_v =− \frac{R_2}{R_1} +k \left( 1+ \frac{R_2}{R_1} + k \frac{R_2}{R_3} \right) \nonumber \]

Значение \(R_3\) выбрано так, что \(R_1 = R_2 || R_3\). Это означает, что

\[ R_3 = \frac{1}{\frac{1}{R_1} − \frac{1}{R_2}} \nonumber \]

Подставляя это в наше уравнение усиления и упрощая, получаем \) установить максимальное усиление. Потенциометр устанавливает \(k\) от 0 до 1. Если \(k = 1\), то \(A_v = R_2/R_1\) или максимальное неинвертирующее усиление. Когда \(k = 0\), тогда \(A_v = — R_2/R_1\) или максимальное усиление инвертирования. Наконец, когда потенциометр установлен в среднюю точку, \(k = 0,5\) и \(A_v = 0\).

Ссылки

¹ В первую очередь это операционные усилители на крутизне и цифро-аналоговые преобразователи, которые мы рассмотрим в главах шестой и двенадцатой соответственно.