Site Loader

Содержание

Инвертирующий усилитель на ОУ. Принцип работы

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:

Цифровой мультиметр AN8009

Большой ЖК-дисплей с подсветкой, 9999 отсчетов, измерение TrueRMS…


Мультиметр — RICHMETERS RM101

Richmeters RM101 — удобный цифровой мультиметр с автоматическим изменен…


Мультиметр — MASTECH MY68

Измерение: напряжения, тока, сопротивления, емкости, частоты…


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:

IR1 = UR1/R1 = (4В-0В)/1к = 4мА.

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:

UR2 = IR2R2 = 4мА *2к = 8В.

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.

Операционные усилители (на основе простейших примеров): часть 1 / Хабр
В курсе электроники есть много важных тем. Сегодня мы попытаемся разобраться с операционными усилителями.
Начнем сначала. Операционный усилитель — это такая «штука», которая позволяет всячески оперировать аналоговыми сигналами. Самые простейшие и основные — это усиление, ослабление, сложение, вычитание и много других (например, дифференцирование или логарифмирование). Абсолютное большинство операций на операционных усилителях (далее ОУ) выполняются с помощью положительных и отрицательных обратных связей.
В данной статье будем рассматривать некий «идеал» ОУ, т.к. переходить на конкретную модель не имеет смысла. Под идеалом подразумевается, что входное сопротивление будет стремиться к бесконечности (следовательно, входной ток будет стремиться к нулю), а выходное сопротивление — наоборот, будет стремиться к нулю (это означает, что нагрузка не должна влиять на выходное напряжение). Также, любой идеальный ОУ должен усиливать сигналы любых частот. Ну, и самое важное, коэффициент усиления при отсутствующей обратной связи должен также стремиться к бесконечности.

Ближе к делу

Операционный усилитель на схемах очень часто обозначается равносторонним треугольничком. Слева расположены входы, которые обозначены «-» и «+», справа — выход. Напряжение можно подавать на любой из входов, один из которых меняет полярность напряжения (поэтому его назвали инвертирующим), другой — не меняет (логично предположить, что он называется неинвертирующий). Питание ОУ, чаще всего, двуполярное. Обычно, положительное и отрицательное напряжение питания имеет одинаковое значение (но разный знак!).
В простейшем случае можно подключить источники напряжения прямо ко входам ОУ. И тогда напряжение на выходе будет расчитываться по формуле:
, где — напряжение на неинвертирующем входе, — напряжение на инвертирующем входе, — напряжение на выходе и — коэффициент усиления без обратной связи.
Посмотрим на идеальный ОУ с точки зрения Proteus.

Предлагаю «поиграть» с ним. На неинвертирующий вход подали напряжение в 1В. На инвертирующий 3В. Используем «идеальный» ОУ. Итак, получаем: . Но тут у нас есть ограничитель, т.к. мы не сможем усилить сигнал выше нашего напряжения питания. Таким образом, на выходе все равно получим -15В. Итог:

Изменим коэффициент усиления (чтобы Вы мне поверили). Пусть параметр Voltage Gain станет равным двум. Та же задача наглядно решается.
Реальное применение ОУ на примере инвертирующего и неинвертирующего усилителей

Есть два таких основных правила:
I. Выход операционного усилителя стремится к тому, чтобы дифференциальное напряжение (разность между напряжением на инвертирующем и неинвертирующем входах) было равно нулю.
II. Входы ОУ не потребляют тока.
Первое правило реализуется за счет обратной связи. Т.е. напряжение передается с выхода на вход таким образом, что разность потенциалов становится равной нулю.
Это, так сказать, «священные каноны» в теме ОУ.
А теперь, конкретнее. Инвертирующий усилитель выглядит именно так (обращаем внимание на то, как расположены входы):

Исходя из первого «канона» получаем пропорцию:
, и немного «поколдовав» с формулой выводим значение для коэффициента усиления инвертирующего ОУ:

Приведенный выше скрин в комментариях не нуждается. Просто сами все подставьте и проверьте.

Следующий этап — неинвертирующий усилитель.
Тут все также просто. Напряжение подается непосредственно на неинвертирующий вход. На инвертирующий вход подводится обратная связь. Напряжение на инвертирующем входе будет:
, но применяя первое правило, можно утверждать, что

И снова «грандиозные» познания в области высшей математики позволяют перейти к формуле:

Приведу исчерпывающий скрин, который можете перепроверить, если хотите:

Пара интересных схем

Напоследок, приведу парочку интересных схем, чтобы у Вас не сложилось впечатления, что операционные усилители могут только усиливать напряжение.

Повторитель напряжения (буферный усилитель). Принцип действия такой же, как и у транзисторного повторителя. Используется в цепях с большой нагрузкой. Также, с его помощью можно решить задачку с согласованием импедансов, если в схеме есть нежелательные делители напряжения. Схема проста до гениальности:

Суммирующий усилитель. Его можно использовать, если требуется сложить (отнять) несколько сигналов. Для наглядности — схема (снова обращаем внимание на расположение входов):

Также, обращаем внимание на то, что R1 = R2 = R3 = R4, а R5 = R6. Формула расчета в данном случае будет: (знакомо, не так ли?)

Таким образом, видим, что значения напряжений, которые подаются на неинвертирующий вход «обретают» знак плюс. На инвертирующий — минус.

Заключение

Схемы на операционных усилителях чрезвычайно разнообразны. В более сложных случаях Вы можете встретить схемы активных фильтров, АЦП и устройств выборки хранения, усилители мощности, преобразователи тока в напряжение и многие многие другие схемы.
Список источников

Краткий список источников, который поможет Вам быстрее освоится как в ОУ, так и в электронике в целом:
Википедия
П. Хоровиц, У. Хилл. «Искусство схемотехники»
Б. Бейкер. «Что нужно знать цифровому разработчику об аналоговой электронике»
Конспект лекций по электронике (желательно, собственный)
UPD.: Спасибо НЛО за приглашение

Операционные усилители. Часть 1 | joyta.ru

Операционный усилитель (ОУ) — это основной элемент современной аналоговой электроники. Благодаря отличным характеристикам и простоте расчетов, ОУ очень легки в использовании. Операционные усилители еще называют дифференциальными усилителями, поскольку они могут усилить разность напряжений на входах.

Операционные усилители выпускаются как готовые микросхемы, иногда по одному, а иногда и по несколько штук в одном корпусе. Существует множество видов операционных усилителей, которые отличаются между собой техническими параметрами, что в конечном итоге влияет на целесообразность применения в конкретных схемах.

В теории операционный усилитель имеет идеальные параметры. На практике же их параметры стремятся к идеальным, но все же не достигают их. Использование понятия «идеального» операционного усилителя помогает упростить расчеты.

Этими идеальными параметрами 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.

Как вы можете видеть, такие параметры не могут быть обеспечены в полной мере, но из года в год ОУ реально все более и более приближаются к идеалу.

Есть несколько основных схем работы операционного усилителя:

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

Схема инвертирующего усилителя

Это основная схема, в которой работает ОУ. Работа операционного усилителя характеризуется не только усилением (или ослаблением) входного сигнала, но и изменением его фазы. Усиление обозначается буквой k. Приведенный ниже график показывает влияние операционного усилителя в такой схеме:

Синим цветом представлен график входного сигнала, а красным — график выходного сигнала, причем усиление системы составляет 2 (k=2). Как видно, амплитуда выходного сигнала в два раза выше, чем амплитуда входного сигнала, и также видно, что сигнал перевернут.

Схема такого усилителя достаточно проста, и представлена на следующем рисунке:

Эта схема доказывает, почему операционные усилители являются настолько популярными. Для того, чтобы вычислить значения элементов нам достаточно использовать следующую формулу:

Как видно, резистор R3 не влияет на усиление схемы, и можно было бы обойтись без него, соединив положительный вход усилителя с минусом питания. В данном случае резистор R3 используется в качестве защиты.

Схема неинвертирующего усилителя

В схеме неинвертирующего усилителя ситуация очень схожа с инвертирующим усилителем, с той лишь разницей, что здесь не происходит инверсия сигнала, то есть фаза сохраняется. Приведенный ниже график показывает, что происходит с усиленным сигналом:

Так же, как и в предыдущей схеме, коэффициент усиления равен k=2, а на вход подан синусоидальный сигнал. Как видно, изменению подверглась только амплитуда сигнала.

Ниже приведена принципиальная схема использования операционного усилителя в качестве неинвертирующего усилителя:

Данная схема усилителя также является очень простой, здесь есть два резистора. Входной сигнал подается на положительный вход ОУ. Чтобы рассчитать усиление необходимо применить формулу:

Из формулы видно, что усиление не может быть меньше единицы, т. е. такая схема не позволяет подавить сигнал.

Операционный усилитель в схеме вычитания (дифференциальный усилитель)

Другим типом схемы использования ОУ является дифференциальный усилитель, который позволяет получить разность двух входных сигналов, которая впоследствии может быть усилена. На графике, приведенном ниже, представлен принцип работы системы.

Следующая схема позволяет реализовать такую работу операционного усилителя:

Схема является более сложной по сравнению с предыдущими. Чтобы рассчитать напряжение на выходе, следует применить формулу:

 

Первая часть уравнения отвечает за усиление (или ослабление), а вторая часть — это разница двух напряжений.

Операционный усилитель в схеме сложения

Этот тип функции полностью противоположен функции вычитания. Его интересной особенностью является то, что здесь может быть обработано более двух сигналов. На этом принципе основаны все аудио микшеры.

Как видно на схеме можно суммировать множество сигналов, схема проста и интуитивно понятна. Для расчета используем формулу:

Неинвертирующий усилитель на ОУ. Принцип работы

Неинвертирующий усилитель  — это, пожалуй, одним из трех самых элементарных схем аналоговой электроники, наряду со схемами инвертирующего усилителя и повторителя напряжения. Он даже проще чем инвертирующий усилитель, поскольку для работы схемы не нужно двухполярное питание.

Обратите внимание на единицу, содержащуюся в формуле. Это нам говорит о том, что неинвертирующий усилитель всегда имеет усиление больше 1, а это значит, что с помощью такой схемы вы не можете ослабить сигнал.

Чтобы лучше понять, как работает неинвертирующий усилитель, давайте рассмотрим схему на операционном усилителе и подумаем, какое будет напряжение на его выходе.

В первую очередь мы должны подумать о том, какие напряжения присутствуют на обоих входах нашего операционного усилителя. Вспомним первое из правил, которое описывает работу 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.

Цифровой мультиметр AN8009

Большой ЖК-дисплей с подсветкой, 9999 отсчетов, измерение TrueRMS…


Мультиметр — RICHMETERS RM101

Richmeters RM101 — удобный цифровой мультиметр с автоматическим изменен…


Мультиметр — MASTECH MY68

Измерение: напряжения, тока, сопротивления, емкости, частоты…


То есть, напряжение на инвертирующем входе составляет 3В. На следующем этапе давайте рассмотрим резистор сопротивлением 10k. Мы знаем, какое напряжение на нем и его сопротивление, а значит, из закона Ома мы можем вычислить какой ток течет через него:

I = U/R = 3В/10k = 300мкА.

Этот ток, согласно правилу 2, не может быть взят с инвертирующего входа (-), таким образом, он идет с выхода усилителя.

Правило №2 — входы усилителя не потребляют ток

Ток 300мкА протекает также через резистор сопротивлением 20к. Напряжение на нем мы легко вычислим с помощью закона Ома:

U = IR = 300мкА * 20к = 6В

Получается, что это напряжение и есть выходное напряжение усилителя? Не, это не так. Напомним, что резистор 20к на одном из своих выводов имеет напряжение 3В. Обратите внимание, как направлены напряжения на обоих резисторах.

Ток течет в направлении противоположном направлению стрелки, символизирующей точку с более высоким напряжением. Поэтому к рассчитанным 6В нужно добавить еще 3В на входе. В таком случае конечный результат будет 9В.

Стоит отметить, что резисторы R1 и R2 образуют простой делитель напряжения. Помните, что сумма напряжений на отдельных резисторах делителя должно быть равно напряжению, поступающему на делитель — напряжение не может исчезнуть бесследно и возникнуть из ниоткуда.

В заключение мы должны проверить полученный результат с последним правилом:

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

То есть нам необходимо проверить, что рассчитанное нами напряжение можно получить реально. Часто начинающие думают, что усилитель работает как «Perpetuum Mobile», 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 расчетные нами 9В являются реальным напряжением, поскольку 9В находится в диапазоне питающего напряжения. Однако современные усилители часто работают с напряжением от 5В или еще ниже. В такой ситуации нет никаких шансов, чтобы усилитель выдал на выходе 9В.

Поэтому при разработке схем необходимо всегда помнить, что теоретические расчеты всегда должны сверяться с реальностью и физическими возможностями компонентов.

Операционный усилители в линейных схемах. Часть 3

Всем доброго времени суток. Сегодня публикую третью часть статьи о применении операционных усилителей в линейных цепях. В предыдущих частях я рассказал о инвертирующих и неинвертирующих схемах на основе ОУ. Данная статья будет посвящена дифференциальным или разностным усилителям, которые составляют основу измерительных усилителей.

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

Дифференциальный усилитель

В одной из статей я рассказывал о дифференциальных усилителях, выполненных на транзисторах. Одной из особенностей таких усилителей является усиление разности сигналов поступающих на входы дифференциального усилителя. Данная особенность позволяет усиливать слабые сигналы, которые замаскированы более сильными сигналами, а также позволяет значительно уменьшить уровень шумов усилительных приборов.

Кроме транзисторных дифференциальных усилителей существует большой класс дифференциальных усилителей выполненных на ОУ. Схема простейшего дифференциального усилителя на ОУ представлена ниже


Схема дифференциального усилителя на основе ОУСхема дифференциального усилителя на основе ОУ
Схема дифференциального усилителя на основе ОУ.

Данная схема имеет довольно простое устройство и состоит из ОУ DA1 и четырёх резисторов R1, R2, R3 и R4. ОУ DA1 охвачен обратной связью через резисторы R3, R4, а через резисторы R1, R2 поступает входные сигналы.

Схема дифференциального усилителя на основе ОУ фактически представляет собой два усилителя – инвертирующий и неинвертирующий. Инвертирующий усилитель получится, если заземлить вход UBX2, тогда неивертирующий вход ОУ окажется, заземлён через параллельно соединенные резисторы R2 и R3 и схема превратится в инвертирующий усилитель, а выходное напряжение в данном случае составит, как известно


20160327012016032701

в случае, если заземлить вход UBX1, а сигнал будет поступать на UBX2, то схема превратится в неинвертирующий усилитель, на входе которого включён делитель напряжения, тогда выходное напряжение составит


20160327022016032702

Если входные сигналы будут поступать на оба входа UBX1 и UBX2, то выходное напряжение будет иметь вид


20160327032016032703

Не трудно заметить, что если оптимизировать схему, чтобы выполнялось следующее соотношение


20160327042016032704

То выходное напряжение будет пропорционально разности входных напряжений


20160327052016032705

Поэтому данный усилитель и назвали дифференциальным, то есть разностным усилителем.

Параметры дифференциального усилителя

Как известно из предыдущей статьи дифференциальный усилитель имеет ряд специфических параметров:

Тогда общий КОСС всей схемы будет иметь вид


20160327092016032709

Входное сопротивление дифференциального усилителя состоит из суммы сопротивлений по двум входным каналам. Для входа UBX1, составит


20160327102016032710

Для входа UBX2, входное сопротивление составит


20160327112016032711

Выходное сопротивление дифференциального усилителя рассчитывается так же как и выходные сопротивления инвертирующего и неинвертирующего усилителя


20160327122016032712

где RBbIX.ОУ – выходное сопротивление ОУ,

КОУ – коэффициент усиления ОУ.

Таким образом, простейший дифференциальный усилитель на ОУ имеет очень простое схемное решение однако и его параметры, в частности, входное сопротивление, очень мало (порядка единиц – десятков кОм), поэтому данная схема находит применение в схемах где точность и влияние выходного сопротивления не играют большой роли. Большее распространение получили дифференциальные усилители, состоящие из нескольких ОУ, которые за свои высокие параметры называют инструментальными или измерительные усилители.

Улучшение параметров дифференциального усилителя

Основными недостатками вышеописанной схемы дифференциального усилителя являются низкое сопротивление и возникновение трудности изменить коэффициент усиления, так как соотношение сопротивлений должно быть достаточно точно согласовано.

Первый недостаток связан с тем, что входным сопротивлением дифференциального усилителя являются по сути сопротивления резисторов R1 и R2, которые имеют величину от единиц до десятков кОм. При увеличении величин этих сопротивлений приходится увеличивать сопротивления R3 и R4, что приводит к уменьшению полосы пропускания усилителя и появлению дополнительных шумов. Решением данной проблемы является изолирование и развязка входов дифференциального усилителя при помощи двух повторителей напряжения по схеме неивертирующего усилителя. Схема такого дифференциального усилителя представлена ниже


Схема увеличения входного сопротивления дифференциального усилителя на ОУСхема увеличения входного сопротивления дифференциального усилителя на ОУ
Схема увеличения входного сопротивления дифференциального усилителя на ОУ.

Схема состоит из двух операционных усилителей включённых по схеме повторителя напряжения, входное сопротивление которых очень велико (десятки-сотни МОм), поэтому сопротивление источника сигнала практически не влияет на входное напряжение. На нагрузке RH итоговое напряжение будет зависеть от разности входных напряжений


20160327132016032713

Особенностью данной схемы является то, что она имеет дифференциальный выход, то есть сопротивление нагрузки подключается только к выходам операционных усилителей DA1 и DA2

Для решения, проблемы упрощения регулирования коэффициента усиления дифференциального усилителя, может быть применена схема состоящая, как и предыдущая из двух повторителей напряжения с включением на дифференциальном выходе, параллельно сопротивлению нагрузки, дополнительно трёх последовательных резисторов. Данная схема изображена ниже


Схема дифференциального усилителя, позволяющая регулировать коэффициент усиления одним резисторомСхема дифференциального усилителя, позволяющая регулировать коэффициент усиления одним резистором
Схема дифференциального усилителя, позволяющая регулировать коэффициент усиления одним резистором.

Данная схема состоит из двух ОУ DA1 и DA2, включённых по схеме повторителя напряжения и резисторов R1, R2 и R3, причём R1 = R3 = R.

Работа данной схемы объясняется следующим образом. В соответствии с принципом виртуального замыкания, напряжение между инвертирующим и неинвертирующим входом ОУ равно нулю, поэтому на резисторе R2 напряжение будет равно разности между напряжениями UBX1 и UBX1.


20160327142016032714

Тогда ток, протекающий через резистор R2, составит


20160327152016032715

Так как резисторы R1, R2 и R3 включены последовательно, то такой же ток протекает и через резисторы R1 и R3. Тогда, с учётом того что R1 = R3 = R, выходное напряжение на сопротивлении нагрузки составит


20160327162016032716

Легко заметить, что выходное напряжение зависит от отношения сопротивлений R1, R2 и R3, поэтому изменяя величину сопротивления резистора R2 можно изменять величину выходного напряжения, а, следовательно, и коэффициент усиления схемы. Приняв отношение сопротивлений R и R2, за некоторый коэффициент пропорциональности можно несколько упростить выражение для выходного напряжения


20160327172016032717

Вышеописанные дифференциальные усилители имеют один недостаток: работа усилителя возможна только на незаземлённую (плавающую) нагрузку, то есть нагрузка не должна быть соединена с землёй. Для устранения данного недостатка необходимо на выход схемы добавить усилитель с дифференциальным входом и несимметричным выходом. Таким усилителем является простейший дифференциальный усилитель, рассмотренный вначале статьи. Получившаяся схема носит название измерительного или инструментального усилителя.

Измерительный усилитель

Измерительный или инструментальный усилитель находит широкое применение в измерительных схемах и устройствах благодаря тому, что имеют коэффициент усиления, не зависящий от внешних факторов (частоты сигнала, амплитуды, сопротивления нагрузки и т.д.). Кроме того, измерительный усилитель обладает высоким входным сопротивлением (десятки и сотни МОм) и низким выходным сопротивлением (единицы и десятки Ом). Схема измерительного усилителя представлена ниже


Измерительный (инструментальный) усилитель на трёх ОУИзмерительный (инструментальный) усилитель на трёх ОУ
Измерительный (инструментальный) усилитель на трёх ОУ.

Измерительный усилитель состоит из трёх операционных усилителей DA1, DA2, DA3 и резисторов обвязки R1, R2, R3, R4, R5, R6 и R7. Данный тип усилителя функционально состоит из двух узлов: буферного каскада на двух повторителях напряжения DA1, DA2 и дифференциального усилителя DA3. В данной схеме резисторы R4, R5, R6 и R7 выбирают одинакового сопротивления для того, чтобы коэффициент усиления выходного дифференциального усилителя был равен единице. Таким образом, при условии равенства сопротивлений резисторов R1 и R3 регулировка коэффициента усиления измерительного усилителя будет осуществляться с помощью резистора R2. В общем же случае коэффициент усиления данной схемы будет определяться следующим выражением


20160327182016032718

Довольно часто резистор R6 состоит из двух: постоянного и переменного резистора, что очень удобно для более точного согласования резисторов обвязки дифференциального усилителя DA3.

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

24. Инвертирующий усилитель на оу.

25. Неинвертирующий усилитель на оу.

Схема неинвертирующего усилителя показана на рис. 9.6. Выражение для коэффициента усиления по напряжению для этой схемы получим, так же, как и для предыдущей, из уравнений, составленных по закону Кирхгофа

С учетом (9.13) выражение для коэф- фициента усиления будет иметь вид

Из следует, что коэффициент усиления по напряжению в схеме неин- вертирующего усилителя всегда больше 1. В отличие от схемы инвертирующего усилителя в данной схеме ОУ охвачен цепью ООС по напряжению, последовательной по входу. Поэтому входное сопро- тивление этой схемы значительно больше входного сопротивления ОУ без ОС:

Выходное сопротивление определяется, как и для инвертирующего усилителя, согласно (9.16).

26. Схема сумматора на оу.

К суммирующим схемам относятся сумматоры и схемы вычитания. Эти схемы используются для решения алгебраических уравнений и в устройствах аналоговой обработки сигналов. Сумматором называется устройство, на выходе которого сигналы, подаваемые на его входы, суммируются. Сумматоры строятся с использованием инвертирующих и неинвертирующих усилителей.

Инвертирующий сумматор

Схема инвертирующего сумматора с тремя входными сигналами приведена на рис. 11.10. Для простоты рассуждений принимаем, что R1=R2=R3=Roc.

Поскольку у идеального ОУ KU→∞, Rвx →∞, а ток смещения очень мал по сравнению с током обратной связи, то согласно закона Кирхгофа I1+I2+I3=Iос. (11.19) Вследствие того, что инвертирующий вход имеет практически нулевой потенциал, то в нем отсутствует взаимное влияние входных сигналов. Выражение (11.19) может быть представлено в виде Следовательно на выходе получается инвертированная сумма входных напряжений. Если R1≠R2≠R3, то на выходе получается инвертированная сумма входных напряжений (11.20) с различными масштабными коэффициентами. Инвертирующий сумматор объединяет в себе функции сумматора и усилителя при сохранении простоты схемы. Резистор R служит для компенсации сдвига нуля на выходе ОУ, вызванного временными и температурными колебаниями входного тока. Сопротивление R выбирают токай величины, чтобы эквивалентные сопротивления, подключенные ко входам ОУ были одинаковы: R=Roc ||R1||R2||R3 .

Неинвертирующий сумматор

Схема неинвертирующего сумматора, который строится на базе неинвертирующего усилителя, приведена на рис. 11.11. Так как при U0=0 напряжения на инвертирующем и неинвертиющем входах равны, то

Учитывая, что RвxОУ по неинвертирующему входу очень велико, то входной ток равен 0. Согласно закона Кирхгофа можно записать

Если же в схеме (рис. 11.11) еще подаются сигналы на инвертирующие входы, то схема выполняет операцию сложения- вычитания. Для правильной работы сумматора необходимо сбалансировать инвертирующий и неинвертирующий коэффициент усиления, т.е. обеспечить равенство сумм коэффициентов усиления инвертирующей и неинвертирующей частей схемы.

27. 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

Дифференциальный усилитель на ОУ. Принцип работы

Иногда возникает необходимость вычесть два сигнала. Классическим примером является измерение тока на резисторе, которое практикуется в различных источниках питания и инверторах, при чтении температуры с термопары или напряжения моста Уитстона.

Самый простой способ использовать схему вычитания так называемый дифференциальный усилитель (не путать с дифференциатором!). Если нам необходимо вычислить разницу между двумя сигналами, то достаточно будет одного операционного усилителя и четырех одинаковых резисторов:

Но зачастую мы имеем дело с очень слабыми сигналами, так что не мешало бы, помимо вычитания, усилить полученную разницу. Для этого используем слегка измененную схему, которая отличается значениями резисторов:

Ничто нам не мешает еще больше изменить значения резисторов, однако, мы не видели, чтобы кто-то использовал подобную схему, как показано ниже:

Цифровой мультиметр AN8009

Большой ЖК-дисплей с подсветкой, 9999 отсчетов, измерение TrueRMS…


Мультиметр — RICHMETERS RM101

Richmeters RM101 — удобный цифровой мультиметр с автоматическим изменен…


Мультиметр — MASTECH MY68

Измерение: напряжения, тока, сопротивления, емкости, частоты…


Несмотря на то, что третья схема уже довольно сильно запутана, это все еще также рабочая схема. Резисторы R3 и R4 образуют обычный делитель напряжения. Напряжение на неинвертирующем входе усилителя (+) такое же, как и на инвертирующем входе (-), поскольку работа операционного усилителя основана на 3 основных правилах:

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.

Правило №2 — входы усилителя не потребляют ток

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

Если мы знаем, входное напряжение U1 и напряжение на инвертирующем входе (-), то значит, мы знаем и напряжение на резисторе R1. Далее, из закона Ома, вычислим, какой ток течет через него (R1), и этот же ток течет далее через резистор R2. Зная сопротивление R2, вычислим падение напряжения на этом резисторе, а это даст нам конечный результат.

Дифференциальный  усилитель имеет, к сожалению, два серьезных недостатка, которые перечеркивают его во многих ситуациях:

  • Первый недостаток — низкое входное сопротивление, которое зависит от величины резистора (как и в инвертирующим усилителе). В случае, когда мы измеряем очень слабый сигнал с термопары или моста Уитстона, то усилитель даст существенную ошибку в измерительную систему.
  • Второй недостаток — нелегко изменить коэффициент усиления. Чтобы это сделать, нужно одновременно изменить значение двух резисторов, что на практике очень сложно. Нужно иметь спаренный потенциометр или ввести систему аналоговых мультиплексоров, что значительно усложнит схему.

Таким образом, дифференциальный усилитель является простой схемой, но его практическое применение довольно сильно ограничено. Лучше использовать чуть более сложную, но качественную схему измерительного усилителя.

Схема проектирования, конфигурации, усиления и практические примеры
Операционный усилитель

, сокращение от , операционный усилитель является основой аналоговой электроники. Операционный усилитель представляет собой электронный компонент, подключенный к постоянному току, который усиливает напряжение с дифференциального входа с помощью резисторной обратной связи. Операционные усилители популярны своей универсальностью, так как их можно настраивать разными способами и использовать в разных аспектах. Схема операционного усилителя состоит из нескольких переменных, таких как полоса пропускания, входное и выходное сопротивление, запас усиления и т. Д.Различные классы операционных усилителей имеют разные характеристики в зависимости от этих переменных. В различных корпусах интегральных микросхем (IC) имеется множество операционных усилителей, некоторые операционные усилители имеют два или более операционных усилителя в одном корпусе. LM358, LM741, LM386 — это некоторые часто используемые ИС операционных усилителей. Вы можете узнать больше об операционных усилителях, следуя нашему разделу схем операционных усилителей.

Операционный усилитель имеет два дифференциальных входа и выходной контакт вместе с выводами питания. Эти два дифференциальных входа — это инвертирующего контакта или отрицательный и неинвертирующего контакта или положительный.Операционный усилитель усиливает разницу в напряжении между этими двумя входными контактами и обеспечивает усиленный выход через его Vout или выходной контакт.

В зависимости от типа входа операционный усилитель может быть классифицирован как инвертирующий или неинвертирующий. В предыдущем уроке неинвертирующего операционного усилителя мы видели, как использовать усилитель в неинвертирующей конфигурации. В этом уроке мы узнаем , как использовать операционный усилитель в инвертирующей конфигурации .

Инвертирование конфигурации операционного усилителя

Это называется Inverting , потому что операционный усилитель изменяет фазовый угол выходного сигнала точно на 180 градусов не в фазе относительно входного сигнала.Как и прежде, мы используем два внешних резистора для создания цепи обратной связи и замкнутого контура на усилителе.

В неинвертирующей конфигурации мы предоставили положительную обратную связь через усилитель, но для инвертирующей конфигурации мы создали отрицательную обратную связь через цепь операционного усилителя.

Давайте посмотрим схему подключения для инвертирования конфигурации операционного усилителя

Inverting Operational Amplifier

На изображении выше мы видим, что R1 и R2 обеспечивают необходимую обратную связь по схеме операционного усилителя.Резистор R2 является входным резистором сигнала, а резистор R1 является резистором обратной связи. Эта цепь обратной связи заставляет дифференциальное входное напряжение почти нуля .

Обратная связь подключена через отрицательный вывод операционного усилителя, а положительный вывод подключен к земле. Потенциал напряжения на инвертирующем входе такой же, как потенциал напряжения на неинвертирующем входе. Таким образом, через неинвертирующий вход создается точка суммирования Виртуальной Земли, которая находится в том же потенциале, что и земля или Земля.Операционный усилитель будет действовать как дифференциальный усилитель .

Итак, в случае инвертирования операционного усилителя ток не поступает на входную клемму, также входное напряжение равно напряжению обратной связи на двух резисторах, так как они оба используют один общий виртуальный источник заземления. Из-за виртуального заземления входное сопротивление операционного усилителя равно входному резистору операционного усилителя, который является R2. Этот R2 имеет отношение с усилением в замкнутом контуре, и усиление может быть установлено отношением внешних резисторов, используемых в качестве обратной связи.

Поскольку на входной клемме нет тока, а дифференциальное входное напряжение равно нулю, мы можем рассчитать коэффициент усиления замкнутого контура инвертора.

Gain of Inverting Op-amp

Voltage Divider Circuit

На изображении выше показаны два резистора R2 и R1, которые представляют собой резисторы обратной связи с делителем напряжения, используемые вместе с инвертирующим операционным усилителем. R1 — резистор обратной связи (Rf), а R2 — входной резистор (Rin).Если рассчитать ток, протекающий через резистор, то —

  i = (Vin - Vout) / (Rin (R2) - Rf (R1))  

Так как Dout является средней точкой делителя, мы можем заключить

Calculating Gain of Inverting Operational Amplifier

Как мы описали ранее, из-за виртуальной земли или той же точки суммирования узлов напряжение обратной связи равно 0, Dout = 0. Итак,

Gain formula Derivation

Таким образом, усиление в замкнутом контуре инвертирующего операционного усилителя будет

  Gain (Av) = (Vout / Vin) = - (Rf / Rin)  

Итак, из этой формулы мы получаем любую из четырех переменных, когда доступны три другие переменные.

Как мы можем видеть отрицательный знак в формуле, выходной сигнал будет на 180 градусов не в фазе , в отличие от фазы входного сигнала.

Практический пример инвертирующего усилителя

Practical Example of Inverting Amplifier

На изображении выше показана конфигурация операционного усилителя, где два резистора обратной связи обеспечивают необходимую обратную связь в операционном усилителе. Резистор R2, который является входным резистором, и R1, является резистором обратной связи.Входной резистор R2 имеет значение сопротивления 1 кОм, а резистор обратной связи R1 имеет значение сопротивления 10 кОм. Мы рассчитаем усиление инвертирования операционного усилителя. Обратная связь обеспечивается в отрицательной клемме, а положительная клемма соединена с землей.

Формула для инвертирования усиления схемы операционного усилителя —

  Gain (Av) = (Vout / Vin) = - (Rf / Rin)  

В приведенной выше схеме Rf = R1 = 10k и Rin = R2 = 1k

  Итак, Gain (Av) = (Vout / Vin) = - (Rf / Rin) 
  Gain (Av) = (Vout / Vin) = - (10k / 1k)  

Таким образом, коэффициент усиления будет в 10 раз больше, а выходной сигнал будет сдвинут по фазе на 180 градусов.

Теперь, если мы увеличим коэффициент усиления операционного усилителя до -20 раз, каким будет значение резистора обратной связи, если входной резистор будет таким же? Итак,

  Gain = -20 и Rin = R2 = 1k. 
  -20 = - (R1 / 1k) 
  R1 = 20k  

Итак, если мы увеличим значение 10k до 20k, усиление операционного усилителя будет -20 раз.

Мы можем увеличить коэффициент усиления операционного усилителя, изменив соотношение резисторов , однако не рекомендуется использовать меньшее сопротивление, как Rin или R2.По мере того как меньшее значение сопротивления понижает входной импеданс и создает нагрузку для входного сигнала. В типичных случаях для входного резистора используется значение от 4,7 кОм до 10 кОм.

Когда требуется высокое усиление, и мы должны обеспечить высокое сопротивление на входе, мы должны увеличить значение резисторов обратной связи. Но также не рекомендуется использовать очень высокое значение резистора через Rf. Более высокий резистор обратной связи обеспечивает нестабильный запас усиления и не может быть приемлемым выбором для операций, связанных с ограниченной полосой пропускания. Типичное значение 100 кОм или чуть больше того, которое используется в резисторе обратной связи .

Нам также необходимо проверить полосу пропускания цепи операционного усилителя для надежной работы с высоким усилением.

Суммирующий усилитель или схема сумматора операционного усилителя

Инвертирующий операционный усилитель можно использовать в разных местах. Одним из важных применений инвертирующего операционного усилителя является суммирующий усилитель или виртуальный заземлитель.

Summing Amplifier or Op Amp Adder Circuit

На изображении выше показан виртуальный микшер заземления или суммирующий усилитель, в котором инвертированный операционный усилитель микширует несколько разных сигналов через инвертирующий терминал.Вход инвертирующих усилителей фактически находится под потенциалом земли, что обеспечивает превосходное применение микшера в работе, связанной с микшированием звука.

Как мы видим, разные сигналы складываются вместе через отрицательный вывод, используя разные входные резисторы. Количество добавляемых сигналов не ограничено. Коэффициент усиления каждого отдельного сигнального порта определяется соотношением резистора R2 обратной связи и входного резистора конкретного канала.

Трансимпедансный усилитель Circui т

Другое использование инвертирующего усилителя — использование усилителя в качестве трансимпедансного усилителя.

В такой схеме операционный усилитель преобразует очень низкий входной ток в соответствующее выходное напряжение. Таким образом, трансимпедансный усилитель преобразует ток в напряжение .

Он может преобразовывать ток от фотодиодов, акселерометров или других датчиков, которые вырабатывают малый ток, и с помощью трансимпедансного усилителя ток может быть преобразован в напряжение.

Trans-Impedance Amplifier Circuit

На приведенном выше изображении инвертированный операционный усилитель, используемый для создания трансимпедансного усилителя , который преобразует ток, полученный из фотодиода, в напряжение.Усилитель обеспечивает низкий импеданс через фотодиод и создает изоляцию от выходного напряжения операционного усилителя.

В приведенной выше схеме используется только один резистор обратной связи. R1 является резистором обратной связи высокого значения. Мы можем изменить усиление, изменив значение этого резистора R1. Высокое усиление операционного усилителя использует стабильное состояние, когда ток фотодиода равен току обратной связи через резистор R1.

Поскольку мы не обеспечиваем никакого внешнего смещения через фотодиод, входное напряжение смещения фотодиода очень низкое, что приводит к большому усилению напряжения без какого-либо выходного напряжения смещения.Ток фотодиода будет преобразован в высокое выходное напряжение.

Другие применения инверторного операционного усилителя:

  1. Фазовращатель
  2. Интегратор
  3. В балансировки сигналов связанных работ
  4. Линейный RF смеситель
  5. Различные датчики используют инвертирующий операционный усилитель для выхода.
Op Amp Инвертирующий усилитель — Схема операционного усилителя »Electronics Notes

Схема операционного усилителя для инвертирующего усилителя обеспечивает высокую производительность с простотой вычисления значений и рядом опций для источника питания, соединения переменного тока и тому подобного.


Руководство по операционному усилителю включает в себя:
Введение Сводка схем Инвертирующий усилитель Суммирующий усилитель Неинвертирующий усилитель Усилитель с переменным усилением Фильтр высоких частот Активный фильтр низких частот Полосовой фильтр Режекторный фильтр компаратор Триггер Шмитта мультивибратор бистабильный интегратора дифференциатор Мостовой осциллятор Генератор сдвига фаз


Схема инвертирующего усилителя ОУ очень проста в разработке и может быть реализована с очень ограниченным количеством дополнительных электронных компонентов.

В простейшей форме инвертирующий усилитель операционного усилителя требует использования только двух дополнительных резисторов, которые должны быть включены в процесс проектирования электронных схем. Это делает схему очень простой и легкой в ​​реализации, обеспечивая при этом очень высокий уровень производительности.

Этот инвертирующий усилитель также можно использовать в качестве виртуального заземляющего микшера или суммирующего усилителя, но также стоит отметить, что входное сопротивление этой схемы операционного усилителя не такое высокое, как у инвертирующего формата.Как суммирующий усилитель, эта схема операционного усилителя находит множество применений в микшерах звука, а также во многих других схемах электронных схем, где напряжения должны суммироваться вместе.

Для многих людей инвертирующий усилитель операционного усилителя является их любимой формой схемы усилителя с простым процессом проектирования схемы и высоким уровнем производительности.


Операционный усилитель с инвертирующей схемой

Принципиальная схема инвертирующей схемы операционного усилителя довольно проста и требует только нескольких электронных компонентов, помимо самой интегральной схемы операционного усилителя.

Очевидно, что схема основана на операционном усилителе, который представляет собой дифференциальный усилитель с двумя входами: инвертирующий и неинвертирующий.

Цепь состоит из резистора от входной клеммы до инвертирующего входа схемы и другого резистора, подключенного от выхода к инвертирующему входу операционного усилителя. Неинвертирующий вход подключен к земле.

Basic inverting operational amplifier circuit Принципиальная инвертирующая схема операционного усилителя

В этой схеме операционного усилителя обратная связь определяется резистором с выхода на инвертирующий вход и общим сопротивлением от инвертирующего входа на землю, т.е.е. входной резистор, а также сопротивление источника источника сигнала.

Усиление инвертирующего усилителя

Одной из главных особенностей схемы инвертирующего усилителя является общее усиление, которое он производит. Это довольно легко рассчитать.

Простое определение коэффициента усиления этой схемы операционного усилителя. Коэффициент усиления Av фактически является выходным напряжением (Vout), деленным на входное напряжение (Vin), то есть это количество раз, когда выходное напряжение больше, чем входное напряжение.

Также легко определить уравнение для усиления по напряжению. Поскольку на вход операционного усилителя не подается ток, это означает, что ток, протекающий в резисторах R1 и R2, одинаков. Используя закон Ома Vout / R2 = -Vin / R1. Следовательно, коэффициент усиления по напряжению в цепи Av можно принять равным:

Где:
Av = усиление напряжения
R2 — значение резистора обратной связи
R1 — значение входного резистора

В качестве примера, усилитель, требующий усиления в десять, может быть построен, сделав R2 47 кОм и R1 4.7 кОм, поскольку отношение между двумя резисторами равно десяти. В равной степени такой же коэффициент усиления можно получить, используя резистор 33 кОм для R2 и резистор 3,3 кОм для R1.

Хотя для R1 и R2 можно выбрать практически любой набор значений, ключ к реальному выбору часто лежит на других аспектах, таких как входное сопротивление, как мы увидим ниже, а также на поддержании значений для резисторов в разумных пределах, как подробно в разделе советы и подсказки ниже.

Входное сопротивление инверторного усилителя

Часто необходимо знать входное сопротивление цепи, и в этом случае инвертирующего усилителя.Схема с низким входным импедансом может нагружать выход предыдущей схемы и может вызывать такие эффекты, как изменение частотной характеристики, если конденсаторы связи невелики.

Очень просто определить входное сопротивление инвертирующей схемы операционного усилителя. Это просто значение входного резистора R1.

Explanation of inverting amplifier virtual earth Объяснение инвертирующего усилителя виртуальной земли

Нетрудно понять, почему входное сопротивление цепи усилителя равно R1.

Неинвертирующий вход подключен к земле, и, следовательно, он соответствует потенциалу земли.

Усиление операционного усилителя очень велико, это означает, что для выходов в пределах напряжения на шине, как для аналогового усилителя, разность напряжений между инвертирующим и неинвертирующим входами должна быть очень мала. Поскольку неинвертирующий вход находится на земле, инвертирующий вход должен быть практически на земле. Именно по этой причине цепь иногда называют виртуальным усилителем земли.

Op amp inverting amplifier with op amp chips Инвертирующий усилитель операционного усилителя с чипами операционного усилителя

Операционный усилитель с инвертирующим усилителем и его советы

Инвертирующий усилитель ОУ очень прост в разработке, но, как и в случае с любым другим дизайном, есть несколько советов и полезных советов.

  • Не делайте R2 слишком высоким: Несмотря на то, что входной импеданс операционных усилителей высокий, в любой схеме операционного усилителя всегда лучше убедиться, что значение R2 не выбрано слишком высоким, в противном случае другие эффекты схемы может загрузить его, и значение усиления может не соответствовать ожидаемому.Часто целесообразно поддерживать значение R2 ниже 100 кОм в качестве приблизительного правила.
  • Не делайте R1 слишком низким: Также не стоит делать слишком низкое значение R1 в этой цепи операционного усилителя. Помните, что он определяет входное сопротивление цепи инвертирующего усилителя. Если переменный ток соединяет входную цепь, значение конденсатора последовательного соединения нужно будет выбрать так, чтобы его реактивное сопротивление было достаточно низким на самых низких необходимых частотах. Понижение значения R1 увеличивает значение требуемого конденсатора.Кроме того, слишком низкое значение R1 увеличивает нагрузку на предыдущем этапе.
  • Запомните пропускную способность: Хотя операционные усилители имеют высокое значение усиления, они начинают падать с увеличением частоты. Даже с обратной связью в инвертирующем усилителе, необходимо учитывать произведение ширины полосы усиления. Не пытайтесь получить слишком большое усиление от схемы одноступенчатого операционного усилителя, иначе частотная характеристика может пострадать.

Инвертирующий усилитель одностороннего действия

Обычно цепь операционного усилителя будет работать от дифференциальных источников, e.грамм. + 12В и -12В. Это вполне приемлемо во многих приложениях, но во многих конструкциях электронных схем может быть доступен только один источник питания.

В этих обстоятельствах относительно легко реализовать так называемую одностороннюю версию схемы операционного усилителя с инвертирующим усилителем — при этом используется только один источник питания и заземление.

Op amp inverting amplifier using single ended supply Операционный усилитель с инверторным усилителем, использующий одноконтактное питание

Версия с одним источником напряжения схемы операционного усилителя для схемы инвертирующего усилителя использует больше компонентов по сравнению с версией с двумя шинами, но конструкция элементов усилителя остается неизменной.

Эффективно создается половина пути для неинвертирующего входа. И таким образом, операционный усилитель видит те же условия, что и при работе от двойного источника питания.

Несколько замечаний по поводу процесса проектирования электронных схем:

  • Половина точки питания: Точка в половине напряжения питания установлена ​​для подключения к неинвертирующему входу. Это создается потенциальной делительной цепью, состоящей из резисторов R3 и R4.Учитывая высокий входной импеданс операционного усилителя, можно использовать значения примерно 47 кОм — ток, необходимый для входа операционного усилителя, будет небольшим, и эти значения будут хороши для большинства операционных усилителей. Если значения выбраны слишком высокими, то сопротивление инвертирующего входа может компенсировать напряжение.
  • Развязка: Напряжение питания на половину рельса требует разъединения с землей, поскольку инвертирующий вход должен отображаться как заземление сигнала, при этом он также поддерживается при напряжении питания наполовину.Значение конденсатора С1 выбирается таким образом, чтобы его полное сопротивление было таким же, как у резисторов R3 и R4 параллельно на самой низкой требуемой частоте — это дает точку -3 дБ на этой частоте. Если ниже этого требуется абсолютно плоский отклик, то следует использовать конденсатор большего размера.

    Имея относительно высокое значение резисторов для R3 и R4, значение конденсатора не обязательно должно быть слишком высоким, чтобы можно было получить низкое значение для низкочастотной точки разрыва.

  • Выбор напряжения на половину рельса: Напряжение на половину рельса выбирается так, чтобы оно было близко к 50% от напряжения на шине.Таким образом, схема обеспечит максимальное отклонение выходного напряжения вверх и вниз без ограничения.

    Необходимо позаботиться о том, чтобы общее напряжение на шине было достаточным для правильной работы операционного усилителя — сверьтесь с таблицей данных, чтобы убедиться, что выбранное значение шины приемлемо для выбранного операционного усилителя.

  • Цепная связь: Для одноконцевого усилителя напряжения с инвертирующим шинным преобразователем требуется входы переменного тока. Конденсаторы C2 и C3 следует выбирать так, чтобы они пропускали самые низкие частоты сигнала без чрезмерного затухания.

    Эти конденсаторы следует выбирать так, чтобы их полное сопротивление соответствовало полному сопротивлению цепи на самой низкой требуемой частоте. Это делает эту точку точкой -3 дБ для каждой из этих цепей.

    Помните, что входное сопротивление для цепи может быть равным сопротивлению R2, при условии, что цепь управляется источником с низким импедансом. Для выходной цепи можно предположить, что операционный усилитель имеет нулевое полное сопротивление для этого расчета, и поэтому сопротивление или полное сопротивление выходной цепи соответствует сопротивлению предполагаемой нагрузки.

Версия с односторонним рельсом цепи операционного усилителя находит применение, когда доступна только одна шина питания. Часто цепи, работающие от батарейных источников, имеют только один источник питания, и это решение часто используется в этих приложениях.

Существуют некоторые операционные усилители, которые предназначены для работы в одноконечном режиме, но этот подход может быть принят для операционных усилителей, которые доступны.

Операционный усилитель является дифференциальным усилителем, и, следовательно, имеется два входа: для инвертирующего усилителя отрицательная обратная связь с выхода и входной сигнал подаются на инвертирующий вход, в то время как неинвертирующий вход берется на землю.

Схема операционного усилителя для инвертирующего усилителя предлагает множество преимуществ, включая относительно низкий входной импеданс, низкий выходной импеданс и требуемый уровень усиления (в пределах операционного усилителя и коэффициента усиления, требуемого от всей цепи. Также требуется очень мало электронных компонентов для производства высокопроизводительной схемы.

Больше схем и схемотехники:
Основы операционного усилителя Операционные усилители Цепи питания Транзисторная конструкция Транзистор Дарлингтон Транзисторные схемы Полевые схемы Схема символов
Возврат в меню схемы., ,

.
Конструкция схемы, конфигурация, усиление и практические примеры
Операционный усилитель

, сокращение от , операционный усилитель является основой аналоговой электроники. Операционный усилитель представляет собой электронный компонент, подключенный к постоянному току, который усиливает напряжение с дифференциального входа с помощью резисторной обратной связи. Операционные усилители популярны своей универсальностью, так как их можно настраивать разными способами и использовать в разных аспектах. Схема операционного усилителя состоит из нескольких переменных, таких как полоса пропускания, входное и выходное сопротивление, запас усиления и т. Д.Различные классы операционных усилителей имеют разные характеристики в зависимости от этих переменных. В различных корпусах интегральных микросхем (IC) имеется множество операционных усилителей, некоторые операционные усилители имеют два или более операционных усилителя в одном корпусе. LM358, LM741, LM386 — это некоторые часто используемые ИС операционных усилителей. Вы можете узнать больше об операционных усилителях, следуя нашему разделу схем операционных усилителей.

Операционный усилитель имеет два дифференциальных входа и выходной контакт вместе с выводами питания.Эти два дифференциальных входа — это инвертирующего контакта или отрицательный и неинвертирующего контакта или положительный. Операционный усилитель усиливает разницу в напряжении между этими двумя входными контактами и обеспечивает усиленный выход через его Vout или выходной контакт.

В зависимости от типа входа операционный усилитель может быть классифицирован как инвертирующий или неинвертирующий. В этом уроке мы изучим , как использовать операционный усилитель в неинвертирующей конфигурации .

В неинвертирующей конфигурации входной сигнал подается на неинвертирующий входной вывод ( положительный вывод ) операционного усилителя.Вследствие этого усиленный выходной сигнал становится « синфазным » с входным сигналом.

Как мы уже говорили, операционному усилителю требуется обратная связь для усиления входного сигнала . Обычно это достигается путем подачи небольшой части выходного напряжения обратно на инвертирующий вывод (в случае неинвертирующей конфигурации) или в неинвертирующий вывод (в случае инвертирующего вывода) с использованием сети делителя напряжения.

Конфигурация неинвертирующего операционного усилителя

Non-Inverting Op-Amp Circuit

На верхнем рисунке показан операционный усилитель с неинвертирующей конфигурацией .Сигнал, который необходимо усилить с помощью операционного усилителя, подается на положительный или неинвертирующий вывод схемы операционного усилителя, в то время как делитель напряжения с использованием двух резисторов R1 и R2 обеспечивает небольшую часть вывод на инвертирующий вывод схемы операционного усилителя. Эти два резистора обеспечивают необходимую обратную связь с операционным усилителем. В идеальном состоянии входной вывод операционного усилителя будет обеспечивать высокий входной импеданс, а выходной контакт будет иметь низкий выходной импеданс.

Voltage Divider Circuit

Усиление зависит от двух резисторов обратной связи ( R1 и R2 ), подключенных в качестве конфигурации делителя напряжения. R2 упоминается как Rf ( Обратная связь резистор )

Выход делителя напряжения, который подается на неинвертирующий вывод усилителя, равен Vin, поскольку точки соединения Vin и делителя напряжения расположены на одном и том же узле заземления.

В связи с этим, и поскольку Vout зависит от сети обратной связи, мы можем рассчитать усиление по напряжению в замкнутом контуре , как показано ниже.

Усиление неинвертирующего операционного усилителя

Voltage Divider Output Voltage

Поскольку напряжение на выходе делителя напряжения совпадает с напряжением на входе , Vout делителя = Vin

  Итак, Vin / Vout = R1 / (R1 + Rf) 
  или Vout / Vin = (R1 + Rf) / R1  

Общее усиление напряжения усилителя (Av) Vout / Vin

  Итак, Av = Vout / Vin = (R1 + Rf) / R1  

Используя эту формулу, мы можем сделать вывод, что коэффициент усиления по напряжению в замкнутом контуре неинвертирующего операционного усилителя равен

.
  Av = Vout / Vin = 1 + (Rf / R1)  

Таким образом, по этому коэффициенту усиление операционного усилителя не может быть меньше, чем или 1 .Кроме того, усиление будет положительным , и оно не может быть в отрицательной форме. Коэффициент усиления напрямую зависит от соотношения Rf и R1.

Интересно, что если мы добавим значение резистора обратной связи или Rf как 0 , усиление будет 1 или единиц . И если R1 становится 0 , то усиление будет бесконечности . Но это возможно только теоретически. В действительности, это широко зависит от поведения операционного усилителя и усиления разомкнутой петли.

Операционный усилитель

также можно использовать в качестве усилителя суммирования с двумя дополнительными входными напряжениями.

Практический пример неинвертирующего усилителя

Мы спроектируем схему неинвертирующего операционного усилителя , которая будет давать 3x усиление напряжения на выходе, сравнивая входное напряжение.

Мы сделаем вход в операционном усилителе. Мы сконфигурируем операционный усилитель в неинвертирующей конфигурации с возможностями усиления 3x .Мы выбрали значение резистора R1 как 1.2k , мы выясним значение резистора Rf или R2 и рассчитаем выходное напряжение после усиления.

Поскольку коэффициент усиления зависит от резисторов и формула Av = 1 + (Rf / R1)

В нашем случае коэффициент усиления равен 3 , а значение R1 равно 1 . . Итак, значение Rf равно

  3 = 1 + (Rf / 1.2k) 
  3 = 1 + (1,2k + Rf / 1,2k) 
  3.6k = 1.2k + Rf 
  3,6 тыс. - 1,2 тыс. = Rf 
  Rf = 2.4k  

После усиления выходное напряжение будет

  Av = Vout / Vin 
  3 = Vout / 2V 
  Vout = 6 В  

Practical Example for Non-Inverting Op-Amp

Пример схемы показан на рисунке выше. R2 является резистором обратной связи, и усиленный выход будет в раза в 3 раза больше, чем вход.

Последователь напряжения или усилитель Unity Gain

Как обсуждалось ранее, если мы сделаем Rf или R2 как 0 , это означает, что в R2 нет сопротивления, а резистор R1 равен бесконечности, тогда усиление усилителя будет 1 или он достигнет усиления единства. Поскольку в R2 отсутствует сопротивление, выход замыкается на с отрицательным входом или инвертированным на входе операционного усилителя .Поскольку усиление составляет 1 или единицы , эта конфигурация называется конфигурацией усилителя с единичным усилением или повторителя напряжения или буфера .

Когда мы поместим входной сигнал на вход положительного операционного усилителя, а выходной сигнал находится в фазе с входным сигналом с усилением 1x , мы получим тот же сигнал на выходе усилителя. Таким образом, выходное напряжение совпадает с входным напряжением. Выходное напряжение = напряжение в .

Таким образом, он будет следить за входным напряжением и производить одинаковый сигнал реплики на своем выходе. Вот почему он называется , схема с повторителем напряжения.

Входной импеданс операционного усилителя очень высок при использовании конфигурации с повторителем напряжения или с единичным усилением . Иногда входное сопротивление намного выше, чем 1 МОм . Таким образом, из-за высокого входного сопротивления мы можем подавать слабые сигналы на вход, и никакой ток не будет течь на входном выводе от источника сигнала к усилителю.С другой стороны, выходной импеданс очень низок, и он будет выдавать такой же входной сигнал на выходе.

Voltage Follower Circuit

На изображении выше показана конфигурация повторителя напряжения. Выход напрямую подключен через отрицательный вывод операционного усилителя. Усиление этой конфигурации составляет 1x .

Как мы знаем,

  Gain (Av) = Vout / Vin 
Итак,  1 = Vout / Vin 
  Вин = Вут . 

Из-за высокого входного сопротивления входной ток составляет 0 , поэтому входная мощность также составляет 0 .Повторитель напряжения обеспечивает большой коэффициент усиления на выходе. Из-за этого поведения повторитель напряжения используется в качестве буферной схемы .

Кроме того, конфигурация буфера обеспечивает хороший коэффициент изоляции сигнала . Благодаря этой функции схема повторителя напряжения используется в активных фильтрах типа с ключом , где ступени фильтров изолированы друг от друга с помощью конфигурации операционного усилителя повторителя напряжения.

Также доступны цифровые буферные схемы, такие как 74LS125 , 74LS244 и т. Д.

Поскольку мы можем управлять усилением неинвертирующего усилителя , мы можем выбрать несколько значений резисторов и создать неинвертирующий усилитель с переменным диапазоном усиления.

Неинвертирующие усилители используются в секторах аудиоэлектроники, а также в области применения, микшерах и различных местах, где необходима цифровая логика с использованием аналоговой электроники.

,
неинвертирующая схема операционного усилителя »Electronics Notes

Схема неинвертирующего усилителя ОУ обеспечивает высокий входной импеданс со всеми другими преимуществами, связанными с операционными усилителями.


Руководство по операционному усилителю включает в себя:
Введение Сводка схем Инвертирующий усилитель Суммирующий усилитель Неинвертирующий усилитель Усилитель с переменным усилением Фильтр высоких частот Активный фильтр низких частот Полосовой фильтр Режекторный фильтр компаратор Триггер Шмитта мультивибратор бистабильный интегратора дифференциатор Мостовой осциллятор Генератор сдвига фаз


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

Схема неинвертирующего усилителя ОУ обеспечивает высокий входной импеданс наряду со всеми преимуществами, полученными при использовании операционного усилителя.

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


Неинвертирующая схема усилителя

Базовая электронная схема неинвертирующего операционного усилителя относительно проста.

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

Однако обратная связь берется с выхода операционного усилителя через резистор на инвертирующий вход операционного усилителя, где другой резистор заземляется. Это должно быть применено к инвертирующему входу, поскольку это отрицательная обратная связь.

Именно эти два резистора определяют коэффициент усиления цепи операционного усилителя, когда они определяют уровень обратной связи.

Basic non-inverting operational amplifier circuit design Принципиальная неинвертирующая схема операционного усилителя

Неинвертирующий усилитель усиления

Усиление неинвертирующей схемы для операционного усилителя легко определить. Расчет основывается на том, что напряжение на обоих входах одинаково. Это связано с тем, что усиление усилителя чрезвычайно велико. Если выход цепи остается в пределах питающих шин усилителя, то выходное напряжение, деленное на коэффициент усиления, означает, что между двумя входами практически нет разницы.

Поскольку на вход операционного усилителя не подается ток, это означает, что ток, протекающий в резисторах R1 и R2, одинаков. Напряжение на инвертирующем входе формируется из делителя потенциала, состоящего из R1 и R2, и, поскольку напряжение на обоих входах одинаково, напряжение на инвертирующем входе должно быть таким же, как и на неинвертирующем входе. Это означает, что Vin = Vout x R1 / (R1 + R2). Следовательно, коэффициент усиления по напряжению в цепи Av можно принять равным:

Где:
Av = усиление напряжения цепи операционного усилителя
R2 = сопротивление резистора обратной связи в Ом
R1 = сопротивление резистора к земле в Ом

В качестве примера, усилитель, требующий усиления одиннадцати, можно построить, сделав R2 47 кОм и R1 4.7 кОм.

Входной импеданс неинвертирующего усилителя

Полное сопротивление неинвертирующей схемы операционного усилителя особенно велико.

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

Для большинства применений схемы любое влияние нагрузки цепи на предыдущих ступенях может быть полностью проигнорировано, поскольку оно очень высокое, если только они не являются чрезвычайно чувствительными.

Это существенное отличие от конфигурации инвертирования схемы операционного усилителя, которая обеспечивала только относительно низкий импеданс, зависящий от значения входного резистора.

AC, соединяющий неинвертирующий усилитель

В большинстве случаев возможно подключение цепи постоянного тока. Там, где требуется соединение по переменному току, необходимо убедиться, что неинвертирующий имеет путь постоянного тока к земле для очень маленького входного тока, который необходим для смещения входных устройств внутри ИС.

Этого можно достичь, вставив резистор высокого значения, R3 на диаграмме, в заземление, как показано ниже. Значение этого может обычно составлять 100 кОм или больше. Если этот резистор не вставлен, выход операционного усилителя будет подключен к одной из шин напряжения.

Non-inverting operational amplifier circuit design with capacitor coupled input Базовая неинвертирующая схема операционного усилителя с конденсаторным входом

При вставке резистора таким образом, следует помнить, что комбинация конденсатор-резистор C1 / R3 образует фильтр верхних частот с частотой среза. Точка отсечки возникает на частоте, где емкостное сопротивление равно сопротивлению.

Аналогичным образом следует выбрать выходной конденсатор, чтобы он мог пропускать самые низкие частоты, необходимые для системы.В этом случае выходной импеданс операционного усилителя будет низким, и поэтому наибольшим импедансом, вероятно, будет импеданс следующей ступени.

однополярный неинвертирующий усилитель

Цепи операционного усилителя, как правило, рассчитаны на работу от двух источников, например + 9В и -9В. Этого не всегда легко достичь, и поэтому часто бывает удобно использовать вариант конструкции электронной схемы с одним концом или с одним источником питания. Это может быть достигнуто путем создания того, что часто называют наполовину питающей шиной.

Неинвертирующая цепь операционного усилителя смещена на половину напряжения на шине. Установив рабочую точку при этом напряжении, можно получить максимальное отклонение на выходе без ограничения.

Single supply rail non-inverting operational amplifier electronic circuit design Цепь 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 R3 и R4. Обычно входной импеданс самого операционного усилителя будет выше, чем у резисторов, и поэтому его можно игнорировать.Как правило, напряжение смещения устанавливается равным половине напряжения шины, чтобы позволить выходу одинаково качаться в любом направлении без ограничения. R3 и R4 обычно будут одинаковыми значениями.
  • Входное сопротивление: Входное сопротивление этого устройства будет ниже, чем у операционного усилителя. Входной импеданс всей неинвертирующей схемы усилителя будет R3 параллельно с R4 параллельно с входным импедансом операционного усилителя. В действительности это обычно приравнивается к R3 параллельно с R4, т.е.е. (R3 x R4) / R3 + R4).
  • Конденсатор С3: Утечка на конденсаторе С3 должна быть очень низкой, иначе ток утечки нарушит цепь и попадет на шину. Электролитические конденсаторы не работают в этом положении, так как их ток утечки слишком велик, и цепь попадает в шину питания.
  • Входные и выходные конденсаторы: Как и в любой конструкции электронной схемы, входные и выходные конденсаторы должны выбираться так, чтобы пропускать самые низкие частоты без чрезмерного затухания.

Конфигурация неинвертирующего усилителя с использованием операционного усилителя особенно полезна для схем электронных схем в электронных устройствах, где требуется высокий входной импеданс. Схема неинвертирующего усилителя проста в сборке и надежно работает на практике.

Больше схем и схемотехники:
Основы операционного усилителя Операционные усилители Цепи питания Транзисторная конструкция Транзистор Дарлингтон Транзисторные схемы Полевые схемы Схема символов
Возврат в меню схемы., ,

.

alexxlab

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *