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:

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.

Инвертирующий Операционный Усилитель | Основы электроакустики

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

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

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

Рис. Инвертирующий усилитель на ОУ

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

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

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

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

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

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

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

Рис. Усилитель на ОУ с компенсационным резистором 

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

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

Сопротивление баланса операционного усилителя — Русские Блоги

Во-первых, балансное сопротивление операционного усилителя.

Сопротивление, подключенное к входному концу операционного усилителя, должно быть сбалансировано. Цель состоит в том, чтобы сделать сопротивление постоянному току двух входных концов встроенного операционного усилителя равным заземлению, чтобы ток смещения операционного усилителя не создавал дополнительного напряжения смещения. Но некоторые схемы не требуют высокого напряжения смещения, например усилители звука переменного тока. Некоторые операционные усилители имеют очень низкий ток смещения, и даже если входное сопротивление несимметрично, это не повлияет на напряжение смещения.Эти схемы не требуют балансировки входного сопротивления.

Использует инвертирующий усилитель, чтобы проиллюстрировать роль уравновешивающего сопротивления. как показано на картинке.

Если операционный усилитель является идеальным операционным усилителем и на входе 0, то:

Но на самом деле операционный усилитель имеет напряжение смещения (VIO), ток смещения (IIO) и входной ток смещения (IIB). Согласно току смещения и определению входного тока смещения различают:

Решая уравнения, получаем:

Используйте KCL на инвертирующем терминале, есть:

Учитывая напряжение смещения, фактическое напряжение инвертирующей клеммы составляет:

 

Подставляя все параметры, решение:

Когда R2 = R1 // Rf,

В это время напряжение смещения, создаваемое входным током смещения IIB, равно нулю.

Описание:

1. Для обеспечения согласования входного импеданса обычно требуется подходящий резистор.

2. Чтобы уменьшить дисбаланс входного тока, в принципе, сопротивление неинвертирующего конца равно параллельному значению двух резисторов, подключенных к инвертирующему концу. В практических приложениях из-за замкнутого контура, особенно в условиях глубокой отрицательной обратной связи, смещение не очевидно на выходе.Если смещение не является главным противоречием, синфазное сопротивление заземления часто не учитывается. Исходя из смысла работы операционного усилителя в лучшем состоянии, резистор все же нужен. Синфазное сопротивление заземления влияет только на биполярные операционные усилители и не имеет значения для операционных усилителей типа MOS.

3. Сопротивление входной клеммы заземления: полное сопротивление симметрично и согласовано. Необходимо использовать высокую частоту.

4. Узнайте о токе смещения и токе смещения операционного усилителя.

  Входные клеммы операционного усилителя будут иметь токи смещения IB +, IB-. Среднее значение двух токов смещения определяется как ток смещения IB, а разница — ток смещения Ios. Для операционного усилителя IB》》 Ios два входных сопротивления Rs +, Rs -Согласование может уменьшить ошибку, вызванную прохождением IB через сопротивление, но прецизионные операционные усилители часто компенсируют IB до минимума. IB и Ios аналогичны, добавление согласующего сопротивления увеличивает ошибку.

5. Он настроен на наличие тока смещения на входе, и его назначение — сделать одинаковую фазу и обратную фазу

Полные сопротивления, видимые двумя входными клеммами, равны, так что падение напряжения, создаваемое «равными» токами смещения двух входных клемм, также одинаково, что может компенсировать друг друга.
 

 

2. Расчет балансового сопротивления операционного усилителя.

Коэффициент усиления инвертированного пропорционального операционного усилителя равен 10, коэффициент усиления β = -Ui (RF / R1), сопротивление RF = 100K, R1 = 10K, балансное сопротивление должно быть RP = RF // R1 [(100 &TImes; 10) / (100 + 10)], результат RP = 9.09K, сопротивления 9.09K нет, его можно заменить сопротивлением 9.1K.

Три, подробное сопротивление входного баланса

Подключите операционный усилитель к инвертирующему усилителю, установите входное сопротивление на R1 и сопротивление обратной связи на Rf. Во-первых, предположим, что неинвертирующая клемма не подключена к балансному резистору и напрямую подключена к земле. Установите входной ток смещения операционного усилителя на IB (неинвертирующая клемма и инвертирующая клемма) То же самое), токи, протекающие через R1 и Rf, равны I1 и Rf соответственно, если напряжение на инвертирующем выводе равно V-, а коэффициент усиления операционного усилителя равен A, тогда используйте KCL на инвертирующем выводе (установите входной сигнал на 0):

  (0-V-)/R1-(A+1)V-/Rf=IB

Может быть получено из приведенной выше формулы:

  V-=-(IB&TImes;R1&TImes;Rf/(Rf+(A+1)R1))

Выходное напряжение операционного усилителя в это время составляет:

  Vo=A&TImes;(IB×R1×Rf/(Rf+(A+1)R1))

Вышеупомянутая формула может быть приблизительно представлена ​​как:

  Vo=IB×((AR1)//Rf) (1)

Если неинвертирующий вывод передает резистор R2 на землю, а R2 = R1 // Rf, то напряжение на неинвертирующем выводе равно:

  V+=-IB×R2

Подайте KCL на инвертирующую клемму, есть (установите входной сигнал на 0):

(0 - V -) / R1 + (A × (V + -V -) — V -) / Rf = IB В этот момент выходное напряжение операционного усилителя составляет:

Vo = 0 (2) Контрастность (1) и (2), чтобы увидеть эффект сопротивления баланса.

Операционные усилители

Операционные усилители

Операционные усилители

 

Операционные усилители — это универсальные ИС, содержащие примерно сотню транзисторов, которые могут выполнять различные математические функции. По этой причине они являются строительные блоки многих схем обработки сигналов. Имеют два входа, инвертирующий (-) и неинвертирующий (+). Источник положительного напряжения и отрицательный источник напряжения или земля подключены непосредственно к операционному усилителю, хотя эти редко изображаются на принципиальных схемах.Есть один выход, т. почти всегда подключен к инвертирующему входу с отрицательной обратной связью.

Операционные усилители имеют почти бесконечный коэффициент усиления, высокое входное сопротивление и низкий выходной сигнал. импеданс. Из-за этого они служат многим полезным целям в аналоговых схемах. Некоторые из этих свойств обсуждаются в контексте следующего Примеры.

Все примеры цепей можно проанализировать, соблюдая следующие правила. простые правила.

  1. Выход делает все необходимое для создания разницы напряжений на входах равны нулю.
  2. Входы не потребляют ток.
  3. Выходное напряжение не зависит от выходного тока.
Несмотря на то, что внутри операционного усилителя происходит много всего, эти правила описывают его поведение интегральной схемы «черного ящика». Идеальные операционные усилители моделируются с помощью бесконечный коэффициент усиления и бесконечный импеданс — реальные операционные усилители только приближаются к этим свойства модели.Аналогично, хотя наша модель предполагает бесконечный коэффициент усиления по напряжению, предельная величина выходного напряжения примерно на 1,4 В ниже, чем величина напряжения питания (это связано с падением напряжения на диоде в ОУ). Что-нибудь из этого эффекты должны быть наблюдаемы, если мы применим вход прямоугольной волны. На подъеме и падающие переходы меандра напряжение меняется бесконечно быстры, и хотя они и быстры, операционные усилители не могут меняться мгновенно — там на выходе должен быть слегка невертикальный наклон.Это может быть измеряется скоростью нарастания (с — изменение напряжения над изменением время).

Инвертирующий усилитель — Эта конфигурация копирует инвертированную и масштабированную версию входного сигнала. к его выходу. При этом схема изолирует схему, которая производит входная ссылка из схемы, которая использует выход в силу нашего соотношения импеданса операционного усилителя.

Неинвертирующий усилитель — Мы можем добиться усиления без инверсии, если перенастроим цепь немного.

Установив R 2 на ноль (короткое замыкание) и R 1 на бесконечность (разомкнутая цепь на землю), мы получаем неинвертирующий, единичный коэффициент усиления усилитель — повторитель с единичным коэффициентом усиления . Это важное использование операционные усилители. Высокое входное сопротивление усилителя практически не потребляет ток и поэтому действует как буфер импеданса. Например, можно было бы использовать делитель напряжения для ступенчатого изменения напряжения, используемого для снижения резистивной нагрузки не беспокоясь об импедансе, нагружающем делитель.Операционный усилитель позволяет отслеживать входное напряжение без значительного тока.

Интегрирующие и дифференциальные усилители — Используя емкость, операционный усилитель может вычислять интегральные и дифференциальные входного напряжения. В первом примере мы видим, что выходное напряжение является интегралом входного напряжения.

А при переключении конденсатора и резистора выходное напряжение равно производная входного напряжения по времени.

Сумматор — Эта схема производит и выводит равный отрицательная взвешенная сумма соответствующих входов. Можно представить, что с входных сопротивлений, мы могли бы построить форму цифро-аналогового преобразователя с в котором входные «биты» усиливаются на величину, пропорциональную их положению в бинарном слове.

Компаратор — Эта установка используется для определения того, какой входной сигнал больше.Когда входы равны, выхода нет. Когда инвертирование вход больше, операционный усилитель становится насыщенным, а выходное напряжение равно источник положительного напряжения. Когда инвертирующий вход больше, выход напряжение равно отрицательному напряжению питания. Есть ТТЛ-компараторы. которые можно было бы рекомендовать для этой цели, но мощный операционный усилитель может сделать это в крайнем случае.

Введение в характеристики идеальных схем операционных усилителей

Введение

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

1 Характеристики идеального операционного усилителя

При анализе различных прикладных схем операционных усилителей интегральный операционный усилитель часто рассматривается как идеальный операционный усилитель. Так называемый идеальный ОУ должен идеализировать различные технические показатели ОУ и должен обладать следующими характеристиками.

1.1 Бесконечное входное сопротивление

Входная клемма идеального операционного усилителя не пропускает ток. В электронике операционные усилители представляют собой устройства усиления напряжения.Они усиливают напряжение, подаваемое на операционный усилитель, и выдают тот же сигнал, что и на выходе, с гораздо большим коэффициентом усиления. Чтобы операционный усилитель мог принимать сигнал напряжения в качестве входного сигнала, сигнал напряжения должен быть пропущен через операционный усилитель. Если вы знаете концепцию делителя напряжения, напряжение падает в основном на компонентах с высоким импедансом, пропорционально закону Ома по формуле V=IR. Таким образом, чем больше сопротивление (или импеданс) устройства, тем больше падение напряжения на этом устройстве.Чтобы убедиться, что сигнал напряжения полностью падает на операционном усилителе, он должен иметь очень высокий входной импеданс, чтобы на нем полностью падало напряжение. Если бы он имел низкий входной импеданс, напряжение на нем могло бы не падать, и он не принимал бы сигнал. Вот почему операционные усилители должны иметь высокое входное сопротивление.
Также легко уменьшить входной импеданс (поставить резистор параллельно) или увеличить импеданс источника (поставить резистор последовательно).

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

1.2 Нулевой выходной импеданс

Выход идеального операционного усилителя является идеальным источником напряжения, как бы ни изменялся ток, текущий на нагрузку усилителя, выходное напряжение усилителя всегда имеет определенное значение, то есть выходное сопротивление равно нулю. На практике нулевой выходной импеданс на самом деле отличается от бесконечного входного импеданса, но в течение очень долгого времени к бесконечному входному импедансу приближались только с компромиссами в напряжении смещения и шуме.

1.3 Бесконечное усиление без обратной связи

В разомкнутом состоянии дифференциальный сигнал на входе имеет бесконечный коэффициент усиления по напряжению.Эта особенность делает операционный усилитель очень подходящим для практических приложений с верхней конфигурацией отрицательной обратной связи.

1,4 Бесконечный коэффициент подавления синфазного сигнала

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

1,5 Бесконечная пропускная способность

Идеальный операционный усилитель будет усиливать входной сигнал любой частоты с одинаковым дифференциальным усилением, которое не изменится при изменении частоты сигнала.

2 предположения об идеальном операционном усилителе

Операционный усилитель можно рассматривать как источник тока, управляемый напряжением, или как интегральную схему, которая может усиливать слабые электрические сигналы.Исходя из этого, для идеального операционного усилителя, какова связь между ним и этими электрическими сигналами?
Сначала предположим, что ток, поступающий на вход операционного усилителя, равен нулю. Это предположение почти полностью верно для операционных усилителей на полевых транзисторах, поскольку входной ток для операционных усилителей на полевых транзисторах меньше 1 пА. А вот для сдвоенных быстродействующих ОУ это допущение не всегда верно, поскольку входной ток у него иногда может достигать десятков микроампер.
Во-вторых, предположим, что коэффициент усиления операционного усилителя бесконечен, поэтому операционный усилитель может изменять выходное напряжение до любого значения в соответствии с входными требованиями.Это означает, что выходное напряжение операционного усилителя может достигать любого значения. Фактически, когда выходное напряжение близко к напряжению источника питания, операционный усилитель насыщается. Может быть, эта гипотеза и существует, но нуждается в практических ограничениях. Например, на более высоких частотах вступают в действие внутренние переходные конденсаторы транзистора, что снижает выходную мощность и, следовательно, коэффициент усиления усилителя. Реактивное сопротивление конденсатора уменьшается с увеличением частоты, минуя большую часть выхода. Операционный усилитель находится в состоянии насыщения.

Рис. 2. Насыщение операционного усилителя

Например, согласно техническому описанию LM741, коэффициент усиления по напряжению большого сигнала составляет 200 В/мВ. Это означает, что прирост без обратной связи составляет 200 000. Если вы используете операционный усилитель в режиме разомкнутого контура (т. е. без отрицательной обратной связи), даже микровольт входного напряжения (входное напряжение смещения LM741 составляет 3 мВ) приведет к насыщению выхода.
В большинстве схем усилителя операционный усилитель настроен на использование отрицательной обратной связи, что значительно снижает коэффициент усиления по напряжению (т.е. усиление в замкнутом контуре). В генераторах и триггерах Шмита операционный усилитель настроен на использование положительной обратной связи. Схема компаратора является примером схемы, в которой используется коэффициент усиления операционного усилителя без обратной связи. Его выход всегда будет при насыщении либо положительном, либо отрицательном насыщении. В схеме интегратора коэффициент усиления по постоянному току должен быть ограничен добавлением резистора обратной связи параллельно конденсатору, иначе выходной сигнал будет насыщен.
Даже в схемах усилителя амплитуда входного сигнала и усиление по напряжению схемы должны быть сбалансированы так, чтобы выходное напряжение не превышало напряжение источника питания.Например, для неинвертирующего усилителя с коэффициентом усиления по напряжению 100 максимально допустимое входное напряжение будет 150 мВ, если напряжение VCC равно 15 Вольт. Если вы подаете сигнал 200 мВ, выход операционного усилителя перейдет в состояние насыщения, так как требуемое выходное напряжение будет 20 вольт, что превышает VCC 15 вольт.
В-третьих, предположение о бесконечном усилении также означает, что входной сигнал должен быть равен нулю. Коэффициент усиления операционного усилителя будет управлять выходным напряжением до тех пор, пока напряжение (напряжение ошибки) между двумя входными клеммами не станет равным нулю.Напряжение между двумя входными клеммами равно нулю. Нулевое напряжение между двумя входными клеммами означает, что если одна входная клемма подключена к источнику жесткого напряжения, например к земле, другая входная клемма также будет иметь такой же потенциал. Кроме того, поскольку ток, протекающий через входную клемму, равен нулю, входное сопротивление операционного усилителя бесконечно.
В-четвертых, конечно же, выходное сопротивление идеального ОУ равно нулю. Идеальный операционный усилитель может управлять любой нагрузкой без падения напряжения благодаря своему выходному импедансу.При малых токах выходное сопротивление большинства операционных усилителей находится в диапазоне нескольких десятых долей Ома, поэтому в большинстве случаев это предположение верно.

3 Рабочие характеристики идеальных операционных усилителей

3.1 Работа в линейной области

Когда идеальный операционный усилитель работает в линейной области, выходное и входное напряжение демонстрируют линейную зависимость. Где u0 — выходное напряжение интегрального ОУ; u+ и u- — напряжения на неинвертирующем входе и на инвертирующем входе соответственно.Auo — увеличение дифференциального напряжения без обратной связи. Согласно характеристикам идеального операционного усилителя, две важные характеристики идеального операционного усилителя в линейной области.
1) Нулевое дифференциальное входное напряжение
Поскольку коэффициент увеличения дифференциального напряжения разомкнутого контура идеального операционного усилителя равен бесконечности, а выходное напряжение имеет определенное значение, значения напряжения на неинвертирующем входе и на инвертирующем входе примерно равны. Так же, как короткое замыкание между входом и выходом, но это фальшивка.Поскольку это эквивалентное короткое замыкание, а не настоящее короткое замыкание, это явление называется «виртуальное короткое замыкание».
2) Нулевой входной ток
Поскольку входное сопротивление без обратной связи идеального операционного усилителя бесконечно, ни на одном входе в операционный усилитель не протекает ток. В это время ток на неинвертирующем входе и на инвертирующем входе равен нулю. Вроде разъединение, но равноценное разъединение, поэтому это явление называется «виртуальный разрыв». Виртуальное короткое замыкание и виртуальный разрыв — две важные концепции для анализа идеального операционного усилителя, работающего в линейной области.
На самом деле идеальный операционный усилитель имеет характеристики «виртуального короткого замыкания» и «виртуального разрыва». Эти две характеристики очень полезны для анализа схем линейных усилителей. Необходимым условием виртуального шорта является отрицательная обратная связь. Когда вводится отрицательная обратная связь, в это время, если напряжение на прямой клемме немного выше, чем напряжение на обратной клемме, выходная клемма будет выдавать высокое напряжение, эквивалентное напряжению источника питания после усиления операционного усилителя.Фактически время отклика операционного усилителя изменяется от исходного состояния выхода до состояния высокого уровня (золотое правило анализа аналоговых схем: изменение сигнала — это процесс непрерывного изменения). Из-за сопротивления обратной связи изменения обратного конца неизбежно повлияют на его напряжение, когда напряжение обратного конца бесконечно близко к напряжению переднего конца, схема достигает сбалансированного состояния. Выходное напряжение больше не меняется, то есть напряжение на переднем и заднем концах всегда близко.(Примечание: метод анализа остается тем же при снижении напряжения.)

3.2 Работа в нелинейной области

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

4 Анализ характеристик идеального операционного усилителя

Что касается операционного усилителя, то описание, наверное, такое: трехвыводной элемент (структура схемы с двухтактным входом, однотактным выходом), идеальный транзистор, усилитель постоянного тока с высоким коэффициентом усиления.
(1) Высокое входное сопротивление
В этой ситуации ток, поступающий на входную клемму, близок к 0, ток источника сигнала почти не используется, что близко к характеристике управления напряжением. Отсюда и виртуальный перерыв.
(2) Более низкое выходное сопротивление
Обладает характеристиками адаптации к любой нагрузке. И импеданс последующей цепи нагрузки не повлияет на выходное напряжение.
(3) Бесконечное усиление напряжения
(4) При определенных условиях напряжения питания усилитель может работать только в режиме обратной связи (отрицательная обратная связь), а фактическое усиление ограничено.Поскольку сами операционные усилители не имеют соединения 0 В, но их конструкция предполагает, что типичные сигналы будут ближе к центру их положительных и отрицательных источников питания. Таким образом, если ваше входное напряжение находится в одном крайнем положении или направляет выходное напряжение к одному источнику питания, скорее всего, оно не будет работать должным образом. Работа в режиме без обратной связи похожа на работу компаратора, а выходной сигнал имеет высокий или низкий уровень.
В режиме обратной связи (ограниченное усиление) усилитель случайным образом сравнивает потенциалы двух входных клемм.Выходной каскад производит немедленную корректировку, когда они не равны. Таким образом, конечной целью усиления является уравнивание потенциалов двух входных клемм. И виртуальный шорт является производным от этого.

5 предустановок сбалансированного сопротивления

5.1 Роль сбалансированного сопротивления

1) Обычно требуется подходящее сопротивление, чтобы обеспечить согласование входного импеданса.
2) Чтобы уменьшить дисбаланс входного тока, сопротивление в фазе должно быть равно параллельному значению двух резисторов на обратном конце.На практике из-за замкнутого контура, особенно в условиях глубокой отрицательной обратной связи, рассогласование на выходе неочевидно. И нет необходимости в фазном заземляющем резисторе, когда несоосность не является основной проблемой. Потому что сбалансированный резистор является отправной точкой для идеального операционного усилителя. Сопротивление заземления в фазе полезно для биполярных операционных усилителей и не имеет значения для операционных усилителей МОП-типа.
3) Входное оконечное сопротивление заземления: необходимо для согласования импеданса и настройки высоких частот.
4) Ток смещения и ток смещения.
Для операционных усилителей с током смещения, превышающим ток смещения, согласование входного сопротивления может быть уменьшено, а прецизионные схемы могут компенсировать ток смещения до минимума. Если ток смещения и ток смещения одинаковы, согласующее сопротивление увеличит ошибку.
5) Набор для тока смещения на входе, целью которого является выравнивание импеданса инвертирующего и неинвертирующего входов, чтобы два входа с одинаковыми токами смещения считались имеющими одинаковые падения напряжения, тем самым можно противодействовать сделанный.

5.2 Входной балансировочный резистор Пояснение

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

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

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

Приведенная выше формула может быть аппроксимирована как Vo=IB×((A×R1)/Rf)

Если синфазная клемма проходит через резистор R2 на землю и R2=R1/Rf, то напряжение на синфазной клемме составляет В+=-IB×R2

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

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

6 уравнений идеального операционного усилителя

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

(а)

На основе виртуального разрыва, u+=u-, затем

(б)

2) Метод узлового напряжения
Перечислите уравнения узлового напряжения для узла 1 и узла 2 и получите

(в)

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

.

(г)

Следовательно, конечный выход операционного усилителя:

(д)

7 Несколько общих схем операционных усилителей

Схема неинвертирующего усилителя
Неинвертирующий усилитель представляет собой конфигурацию схемы операционного усилителя, которая создает усиленный выходной сигнал.Он обеспечивает высокий входной импеданс наряду со всеми преимуществами, полученными от использования операционного усилителя.

Рис. 3. Схема неинвертирующего усилителя

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

Рис. 4. Цепь инвертирующего усилителя

Операционный усилитель в качестве сумматора
Сумматорную схему можно создать, подключив дополнительные входы к инвертирующему операционному усилителю. Принципиальная схема суммирующего усилителя показана на следующем рисунке.

Рис. 5. Операционный усилитель как сумматор

Дифференциальный усилитель
Дифференциальный усилитель представляет собой аналоговую схему с двумя входами и одним выходом, в которой выход идеально пропорционален разнице между двумя напряжениями.Это очень полезная схема на операционном усилителе, и при добавлении дополнительных резисторов параллельно входным резисторам, как показано ниже.

Рисунок 6. Дифференциальный усилитель

Композитный усилитель
Композитный усилитель называется комбинацией нескольких операционных усилителей, соединенных каскадом с контуром отрицательной обратной связи по всей сети.

Рисунок 7. Композитный усилитель

Сопротивление в цепи обычно выбирается на уровне кОм, соотношение сопротивления влияет на усиление и смещение, кроме того, ток питания, частотная характеристика и емкостная нагрузка операционного усилителя определяют их конкретные значения в цепях .Если он используется в высокочастотной цепи, сопротивление необходимо уменьшить, чтобы получить лучшую высокочастотную характеристику, но это увеличит входной ток смещения, тем самым увеличив ток источника питания.

8 Разница между идеальным операционным усилителем и практическим операционным усилителем

Идеальные операционные усилители не потребляют энергии, имеют бесконечный входной импеданс, неограниченную полосу усиления и скорость нарастания, не имеют входного тока смещения и входного смещения. Они имеют неограниченную совместимость по напряжению.
Практические операционные усилители потребляют некоторую мощность, имеют очень высокий входной импеданс, ограниченную полосу усиления и ограниченную скорость нарастания, имеют некоторый входной ток смещения и входное напряжение смещения.Соответствие напряжения ограничивается шиной питания, а часто даже меньше.
Тем не менее практичные операционные усилители очень полезны, потому что большинство перечисленных выше ограничений намного лучше, чем то, что нужно вашей схеме.
Для идеального усилителя он вообще не потребляет ток со своего входа. Предполагая двухвходовой усилитель, ток сигнала в обоих входных пробниках равен нулю. Другими словами, входное сопротивление должно быть бесконечным. Выход должен работать как выход идеального источника напряжения.Это означает, что потенциал между выходом и землей должен быть A(v2−v1), независимо от того, какой ток будет потреблять нагрузка, подключенная к выходу. Другими словами, выходное сопротивление должно быть равно нулю.
Для реального усилителя входное сопротивление должно быть как можно больше, а выходное сопротивление должно быть как можно меньше.
На самом деле, в реальной жизни операционный усилитель не может работать при нулевом токе.

9 Артикул

Обзор основ электронных операционных усилителей
Обзор основ неинвертирующих и инвертирующих усилителей
Основные проблемы Анализ основ операционных усилителей

Введение в операционные усилители с LTSpice

Избранное Любимый 12

Введение

Если вы еще не ознакомились с руководством по началу работы с LTSpice, вам определенно следует подождать, так как обновление качества звука крайне необходимо.Для тех из вас, кто смотрел его и закончил — благословляю вас. Я думал, что здесь я убью двух зайцев одним выстрелом и продолжу руководство по LTSpice введением в операционные усилители — или, для краткости, операционные усилители. Здесь мы рассмотрим только основы — что такое операционные усилители, некоторые распространенные конфигурации и пару примеров — и закончим красивым простым проектом, который, надеюсь, вдохновит вас на дальнейшую работу с аналоговыми схемами.

Для начала загрузите схемы, символы и модели, нажав кнопку ниже.

Введение в операционные усилители

Операционный усилитель — это устройство для усиления напряжения. С помощью некоторых внешних компонентов операционный усилитель, являющийся активным элементом схемы , может выполнять математические операции, такие как сложение, вычитание, умножение, деление, дифференцирование и интегрирование. Если мы посмотрим на обычный корпус операционного усилителя (внутренняя часть будет представлена ​​в следующем руководстве), такой как вездесущий 741, мы заметим стандартный 8-контактный DIP (двойной линейный корпус):

.

Фото предоставлено Learning About Electronics

В основном нас интересуют пять контактов.Символ схемы операционного усилителя представляет собой треугольник с пятью контактами, показанный ниже.

Фото предоставлено Virtual Labs

Операционный усилитель имеет широкий спектр применения, и, в зависимости от того, как подключен каждый вывод, результирующая схема может быть одной из следующих (это ни в коем случае не исчерпывающий список):

  • Компаратор
  • Инвертирующий усилитель , например суммирующий усилитель
  • A Неинвертирующий усилитель , такой как повторитель напряжения
  • Дифференциальный усилитель
  • Дифференциатор или Интегратор
  • Фильтр
  • Пиковый детектор
  • Аналого-цифровой преобразователь
  • Осциллятор

В этом учебном пособии я покажу вам, как измерять типичные характеристики операционных усилителей, такие как усиление, полоса пропускания, ошибка, скорость нарастания, потребляемый ток, размах выходного сигнала и другие характеристики, приведенные в технических описаниях устройств.

Идеальный операционный усилитель

Операционный усилитель предназначен для обнаружения разности напряжений на входе (плюс (v2) и минус (v1) или контакты 2 и 3 корпуса операционного усилителя). Разница также известна как дифференциальное входное напряжение . Таким образом, на выходе получается разность, обнаруженная на входе, умноженная на некоторое значение A — коэффициент усиления без обратной связи . Операционный усилитель ведет себя как управляемый напряжением источник напряжения, который мы сейчас смоделируем.Мы будем моделировать как разомкнутую, так и замкнутую конфигурацию усилителя .

Идеальный операционный усилитель имеет следующие характеристики:

  • Бесконечное усиление без обратной связи
  • Бесконечное входное сопротивление
  • Ноль Выходное сопротивление
  • Ноль усиление синфазного сигнала = бесконечное подавление синфазного сигнала
  • Бесконечная пропускная способность
  • Ноль Шум
  • Нулевой ввод Смещение

Модель операционного усилителя предоставлена ​​Википедией

Поскольку входное сопротивление (Rin) бесконечно, мы можем сделать вывод, что ток на клеммах (+)(v2) и (-)(v1) равен нулю, используя законы Кирхгофа.Поскольку выходное сопротивление (Rout) равно нулю, потери напряжения на выходе нет. Источник напряжения в форме ромба на изображении выше известен как источник напряжения, зависящий от напряжения, и в этом случае напряжение представляет собой коэффициент усиления (G), умноженный на разницу между входными клеммами (Vin). Усиление обычно обозначается в текстах как (A), поэтому уравнение для выхода задается как:

Давайте смоделируем источник напряжения, управляемый напряжением, и посмотрим, не сможем ли мы заставить его поведение имитировать идеальный операционный усилитель.

Обратная связь с усилителями

Операционные усилители

не предназначены для использования в качестве автономных устройств. Мы просто проверили уравнение Vout в видеоролике с идеальным операционным усилителем, чтобы показать, почему его обычно называют источником напряжения, управляемым напряжением. Мы собираемся поговорить об усилении и применении обратной связи и с обратной связью . Что такое обратная связь? Обратная связь возникает, когда выходные данные системы подаются обратно в качестве входных данных.Существует два типа обратной связи: положительная (регенеративная) и отрицательная (дегенеративная). Обратная связь применяется к системе, чтобы повлиять на одно или несколько из следующих свойств:

  • Снижение чувствительности усиления — значение усиления становится менее чувствительным к изменениям значений компонентов схемы, например, температурным воздействиям на транзисторы.
  • Уменьшить нелинейные искажения — выход пропорционален входу.
  • Уменьшить влияние шума — уменьшает количество нежелательных электрических помех на выходе.Эти помехи могут быть внешними или исходить от самих компонентов схемы.
  • Управление входными и выходными сопротивлениями — при соответствующей конфигурации обратной связи можно управлять входными и выходными сопротивлениями.
  • Расширение полосы пропускания усилителя. Нам нужно знать о продукте Gain-Bandwidth. Вы можете расширить полосу пропускания (до определенной степени), но за счет усиления. Коэффициент усиления на полосу пропускания является постоянным и описывает поведение коэффициента усиления операционного усилителя в зависимости от частоты.

Краткая информация об устройствах

Говоря об усилении, мы берем отношение выхода к входу. Если и выход, и вход выражены в терминах напряжения, тогда единицами измерения будут Вольт/Вольт. В анализе .ac усиление дается в децибелах. Вот формула преобразования.

Фото предоставлено Planet Analog

Вся обратная связь имеет свою цену, и эта цена является прибылью. Отрицательная обратная связь меняет выгоду на более желательные свойства; увеличение входного сопротивления также увеличивает полосу пропускания.

Коэффициент усиления с обратной связью

В отличие от усиления без обратной связи, усиление с обратной связью зависит от внешней схемы из-за обратной связи. Однако его можно обобщить.

Фото предоставлено https://paginas.fe.up.pt/~fff/eBook/MDA/Teo_realim.html

Инвертирующие усилители

Пример инвертирующей конфигурации состоит из одного операционного усилителя и двух резисторов, R1 и R2. R2 подключается от выходной клеммы операционного усилителя к инвертирующей или минусовой клемме операционного усилителя.R2 замыкает петлю вокруг операционного усилителя.

Одна вещь, не упомянутая в видео ниже, но считается, что подразумевает , потому что мы все еще используем идеальный операционный усилитель, заключается в том, что через операционный усилитель не протекает ток. Весь ток (I1), протекающий через R1, также протекает через R2. Следует также отметить, что если R1 и R2 равны по значению, то эта схема обычно используется для преобразования -vout в +vout (меняет фазу). Это известно как инвертор с единичным усилением.

Проект: Суммирующий усилитель

Типичным применением инвертирующего усилителя является суммирующий усилитель, также известный как микшер виртуальной земли, используемый для микширования звука. Так случилось, что у меня завалялось довольно много операционных усилителей LM741, поэтому я пошел дальше и построил суммирующий усилитель. Сначала я смоделировал его в LTSpice.

Неинвертирующие усилители

Повторитель напряжения

Повторитель напряжения является хорошим примером неинвертирующего усилителя.Свойство очень высокого входного импеданса является желательной особенностью неинвертирующей конфигурации. Повторитель напряжения можно использовать в качестве буферного усилителя с единичным коэффициентом усиления, подключенного от источника с высоким импедансом к источнику с низким импедансом, что помогает избежать влияния нагрузки на схему возбуждения.

Разностные усилители

Дифференциальные усилители реагируют на разницу между двумя сигналами, подаваемыми на его вход, и подавляют сигналы, общие для двух входов.

Дифференциальный усилитель с одним операционным усилителем

Помните, что коэффициент усиления неинвертирующего усилителя положительный и определяется как:

и что коэффициент усиления инвертирующего усилителя отрицательный и определяется как:

Объединяя эти две топологии, мы приближаемся к возможности разработать схему, которая сможет получить разницу между двумя входными сигналами. Чтобы добиться этого, мы должны сначала убедиться, что величины усиления (подумайте о абсолютных значениях, которые всегда положительны) каждого из них равны.Ослабив усиление положительного пути от (1+ R2/R1) до (R2/R1), мы сделали именно это. Теперь у нас есть четыре резистора; нам нужно убедиться, что коэффициенты усиления равны, поэтому важно соотношение резисторов:

Проблема с этой схемой заключается в том, что для получения высокого коэффициента усиления резистор R1 должен быть относительно низким. Это приводит к падению входного сопротивления. Другая проблема заключается в том, что варьировать коэффициент усиления этого усилителя непросто. Обе эти проблемы решаются с помощью инструментального усилителя.Используя три операционных усилителя, мы можем получить точно настроенный дифференциальный усилитель. Поскольку у нас есть проблема низкого входного сопротивления при использовании одного операционного усилителя, мы можем добавить дополнительный повторитель напряжения или буфер на каждый вход. Еще более удивительным является то, что буферы могут увеличивать усиление, облегчая нагрузку на разностный усилитель во втором каскаде.

Инструментальный усилитель прекрасно сочетает в себе весь предыдущий материал: инвертирующие и неинвертирующие усилители в каскаде.

В этом руководстве мы не будем рассматривать интеграторы, дифференциаторы, генераторы или АЦП.Как только мы начинаем добавлять конденсаторы и катушки индуктивности, математика становится немного более специализированной и обобщенной с точки зрения импеданса, а не сопротивления. Это будет отдельный урок.

Рабочие характеристики

Если мы посмотрим на техпаспорт аудиоусилителя LM386, то увидим массу параметров, которые помогают охарактеризовать операционный усилитель. Большинство из них можно проверить с помощью моделирования в LTSpice. Прежде чем мы сможем добраться туда, давайте определим некоторые из этих характеристик.

Коэффициент подавления синфазного сигнала

Коэффициент подавления синфазного сигнала (CMRR) измеряет количество сигнала, общего для обоих входов, который не усиливается. Желательно, чтобы усиление синфазного сигнала было очень низким, что соответствует очень высокому CMRR.

Коэффициент подавления синфазного сигнала представляет собой отношение абсолютного значения дифференциального усиления к абсолютному значению усиления синфазного сигнала. Дифференциальное усиление обычно составляет половину внутреннего усиления МОП-транзистора, установленного производителем.Операционные усилители с высоким выходным сопротивлением будут иметь лучший CMRR.

Коэффициент отклонения источника питания

Power Supply Rejection Ratio или PSRR — это мера влияния пульсаций источника питания на выходное напряжение операционного усилителя. PSSR важен для MOSFET-устройств, поскольку они обычно находятся на микросхемах со смешанными сигналами, где цифровое переключение в цепи вызывает повышенные пульсации источника питания. Последнее, что вам нужно в вашей конструкции, это усиливать эту пульсацию через ваш операционный усилитель.

Вывод: чтобы свести к минимуму влияние пульсаций в источниках питания, операционный усилитель должен иметь большой PSRR.Так что имейте это в виду, просматривая спецификации для любых предстоящих проектов.

Скорость нарастания

Скорость нарастания относится к максимально возможной скорости изменения на выходе операционного усилителя. Большинство операционных усилителей имеют ограничение по скорости нарастания, которое рассчитывается путем взятия максимальной производной выходного напряжения операционного усилителя по времени.

Общее гармоническое искажение

Задача аудиоусилителя состоит в том, чтобы принимать слабый сигнал и усиливать его без внесения каких-либо изменений, кроме усиления.Это сложная задача, потому что нежелательные сигналы (например, пульсации) могут усиливаться вместе с полезным сигналом. Любое отклонение от линейности считается искажением. Гармонические искажения — это распространенная форма искажений в звуковых приложениях, когда пики выходного сигнала «обрезаются». Чем ниже процент, указанный для THD, тем лучше, но после определенного момента он едва уловим человеческим ухом.

Аудиоусилитель LM386

Моделировать, проверять, строить — мой девиз.В этом случае я зашел слишком далеко с проектом портативного мини-футляра для гитарного усилителя. Я не смог найти модель, которую можно было бы импортировать в LTSpice, и начал с нуля. Ниже находится кнопка, где вы можете скачать файлы проекта для того, что я собираюсь вам показать. Я разработал операционный усилитель на основе LM386, но с МОП-транзисторами вместо биполярных транзисторов. На самом деле я получил эту конструкцию, которая немного превосходит ту часть, на которой я основывал свою конструкцию, но она работает только от 2 до 6 вольт. Несмотря на то, что моя модель LM386 не совсем похожа на деталь, использованную в проекте, она по-прежнему удобна для изучения электрических характеристик операционных усилителей и более близкого знакомства с LTSpice.

Проект: Мини-портативный гитарный усилитель

Я встроил в корпус своей гитары небольшой усилитель с батарейным питанием, используя LM386 и минимальное количество дополнительных деталей. Вся сборка стоила около 5 долларов, а сборка заняла менее часа. Схему я взял прямо из раздела datasheet application (Gain of 200):

Единственные изменения, которые я внес, касались выходного конденсатора. У меня не было под рукой конденсатора на 250 мкФ, поэтому я поменял его на 470 мкФ. Я также добавил 1/4-дюймовую монофоническую аудиоразъемную розетку для гитарного кабеля и добавил индикатор состояния, чтобы я знал, когда буду готов к року.В моем кейсе для гитары есть небольшое отделение для кабелей и медиаторов, поэтому я использовал это пространство для встраивания усилителя.

Схема:

Примечание. J1 — гнездо монофонического аудиоразъема 1/4 дюйма.

Посмотреть в действии:

Ресурсы и дальнейшие шаги

Лаборатория виртуальных операционных усилителей:

Создатель

Music from Outer Space Рэй Уилсон (Ray Wilson) создал это приложение для виртуального операционного усилителя MFOS, которое позволяет нам экспериментировать с операционными усилителями, наблюдая за выходным сигналом на смоделированном осциллографе.

Примечание: Если ссылка сообщает вам, что приложение Operational Amp не найдено, щелкните вкладку «Synth-DIY» вверху, и она должна обновиться соответствующим образом. Кроме того, вы можете выполнить поиск «MFOS в классе» в меню слева и выбрать «Виртуальная лаборатория операционных усилителей».

Музыка из космоса

Всегда хотели заняться синтезаторами своими руками, но не знали, с чего начать? Music From Outer Space — отличный ресурс, предлагающий сотни схем, разработанных Рэем Уилсоном.

Любители

Если вы только начинаете заниматься проектами по аналоговой электронике, я не могу не порекомендовать мини-ноутбуки инженера Форреста Мимса.

Измерение КОСС

В EE Times есть фантастическая статья о коэффициенте ослабления синфазного сигнала и дифференциальных усилителях.

Операционные усилители (ОУ) | Analog Devices

Некоторые файлы cookie необходимы для безопасного входа в систему, а другие являются необязательными для функциональных действий.Сбор данных используется для улучшения наших продуктов и услуг. Мы рекомендуем вам принять наши файлы cookie, чтобы убедиться, что вы получаете наилучшую производительность и функциональность, которые может предоставить наш сайт. Для получения дополнительной информации вы можете просмотреть сведения о файлах cookie. Узнайте больше о нашей политике конфиденциальности.

Принять и продолжить Принять и продолжить

Используемые нами файлы cookie можно разделить на следующие категории:

Строго необходимые файлы cookie:
Это файлы cookie, которые необходимы для работы аналога.com или конкретные предлагаемые функции. Они либо служат единственной цели осуществления сетевой передачи, либо строго необходимы для предоставления онлайн-услуги, явно запрошенной вами.
Аналитические/производительные файлы cookie:
Эти файлы cookie позволяют нам проводить веб-аналитику или другие формы измерения аудитории, такие как распознавание и подсчет количества посетителей и просмотр того, как посетители перемещаются по нашему веб-сайту. Это помогает нам улучшить работу веб-сайта, например, гарантируя, что пользователи легко находят то, что ищут.
Функциональные файлы cookie:
Эти файлы cookie используются для распознавания вас, когда вы возвращаетесь на наш веб-сайт. Это позволяет нам персонализировать наш контент для вас, приветствовать вас по имени и запоминать ваши предпочтения (например, ваш выбор языка или региона). Потеря информации в этих файлах cookie может сделать наши услуги менее функциональными, но не помешает работе веб-сайта.
Целевые/профилирующие файлы cookie:
Эти файлы cookie записывают ваше посещение нашего веб-сайта и/или использование вами услуг, страницы, которые вы посетили, и ссылки, по которым вы перешли.Мы будем использовать эту информацию, чтобы сделать веб-сайт и отображаемую на нем рекламу более соответствующими вашим интересам. Мы также можем передавать эту информацию третьим лицам для этой цели.
Отказ от файлов cookie

Базовый анализ неинвертирующих и инвертирующих усилителей

Ⅰ.   Введение

В электронике операционный усилитель представляет собой блок схемы с очень высоким коэффициентом усиления. В реальной схеме, как правило, в сочетании с сетью обратной связи образуют определенный функциональный модуль.Это электронное устройство со специальной цепью связи и обратной связью. Выходной сигнал может быть результатом математических операций, таких как сложение, вычитание или дифференцирование, интегрирование и т. д., поэтому он использовался в аналоговых компьютерах для реализации математических операций.

Каталог

Операционный усилитель — это функциональный блок, который может быть реализован в дискретных устройствах или полупроводниковых микросхемах. С развитием полупроводниковой техники большинство операционных усилителей существуют в виде одной микросхемы, но существует множество типов операционных усилителей, которые широко используются в электронной промышленности.

 

Операционный усилитель можно просто рассматривать как усилитель напряжения с прямой связью и высоким коэффициентом усиления с одним портом вывода сигнала (Out) и двумя входами с высоким импедансом, неинвертирующим входом и инвертирующим входом, поэтому операционные усилители можно использовать для создания неинвертирующие, инвертирующие и дифференциальные усилители.

Разница между инвертирующим и неинвертирующим усилителем

 

Ⅱ.   Неинвертирующие усилители и инвертирующие усилители

2.1 Терминология

Операционный усилитель в электронной схеме имеет неинвертирующий вход и инвертирующий вход. Одинаковая полярность входа и выхода — это неинвертирующий усилитель, наоборот, это инвертирующий усилитель. И схема инвертирующего усилителя имеет функцию усиления входного сигнала и инвертирования выхода.

 

2.2 Схема неинвертирующего усилителя

При приеме положительной фазы выводится положительная фаза, тогда как выводится отрицательная фаза.Фазы неинвертирующего конца и выходного конца одинаковы. Другими словами, на неинвертирующий вход ОУ подается сигнал, а на выходе он не инвертируется по сравнению со входом.

 

Рис. 1. Неинвертирующий усилитель

(Приложенный сигнал сохраняет свою полярность на выходе, и положительный вход остается положительным выходом.)

Vin и V-Virtual на рисунке замыкаются, где Vin=V-……a

Из-за виртуального обрыва цепи ток на инвертирующем входе отсутствует, ток через R1 и R2 равен, а ток установлен равным I, что получается по закону Ома:

I=Vвых/(R1+R2)……б

Vin равно парциальному напряжению на R2, где Vin=I*R2……c

По a, b, c, где Vвых=Vin*(R1+R2)/R2

 

2.3 Схема инвертирующего усилителя

Когда принимается положительная фаза, выводится отрицательная фаза, тогда как выводится положительная фаза. А неинвертирующий конец и выходной конец сохраняют инвертирующее отношение. Инвертирующий усилитель выполняет ту же функцию, что и усилитель с общим эмиттером и общим истоком.

Рис. 2. Заземление операционного усилителя равно 0 В, инвертирующий и неинвертирующий конец имеют короткое замыкание, поэтому на нем также 0 В. Входное сопротивление инвертирующего входа очень велико, пока он виртуально разомкнут.Чтобы почти не было ввода и оттока тока, тогда R1 и R2 равны последовательному соединению, ток, протекающий через каждый из компонентов в последовательной цепи, одинаков, то есть ток, протекающий через R1, и ток, протекающий через R2 одинаковы.

 

Рис. 2. Инвертирующий усилитель

(Полярность сигнала на выходе меняется на противоположную, и отрицательный вход становится положительным на выходе.)

Ток, протекающий через R1: I 1 =(Vin-V-)/R1………a

Ток, протекающий через R2: I 2 =(V—Vout)/R2……b

В-=В+=0………………с

I 1 =I 2 ……………………d

Решая приведенное выше алгебраическое уравнение, мы можем получить результат:

Vвых=(-R2/R1)*Vi

Схема инвертирующего усилителя имеет функцию усиления входного сигнала и инвертирования выхода, что является методом отрицательной обратной связи.Отрицательная обратная связь возвращает часть выходного сигнала на вход. Причина, по которой инвертирующий усилитель может подключать сигнал только к инвертирующему входу, заключается в том, что отрицательная обратная связь может быть сформирована только таким образом, иначе он не будет работать в области линейного усиления.

При одновременном вводе с обоих концов размер и фаза одинаковы, то есть синфазный сигнал, а теоретический выходной сигнал равен нулю.

 

Ⅲ.   Примечание. Входное сопротивление

Входное сопротивление неинвертирующего входа высокое, а входное сопротивление инвертирующего входа низкое.Входное сопротивление неинвертирующего входа в основном определяется резистором смещения, подключенным параллельно с неинвертирующей клеммой, и это сопротивление может быть очень большим. Когда инвертирующий вход подключен, резистор обратной связи подключается между инвертирующей клеммой и выходной клеммой, а сопротивление мало, поэтому входное сопротивление инвертирующего входа относительно низкое.

1. Величина входного сопротивления неинвертирующего усилителя не влияет на входное сопротивление, а входное сопротивление инвертирующего усилителя примерно равно входному сопротивлению.

2. Если требуется высокое входное сопротивление, следует выбрать неинвертирующий усилитель.

3. Если входное сопротивление не должно быть большим, в это время можно выбрать неинвертирующий или инвертирующий. Когда фаза не рассматривается строго, инвертирующее усиление предпочтительнее, потому что оно имеет только сигнал дифференциального режима.

4. КОСС инвертирующего усилителя лучше, когда решающее значение имеет КОСС.

Инвертирующий усилитель, входной общий режим операционного усилителя почти постоянен, синфазное усиление не отражается на выходе, а входной общий режим операционного усилителя в неинвертирующем усилителе изменяется с входным сигналом, общий Режим усиления операционного усилителя будет отражаться на выходе.Следовательно, CMRR инвертирующего усилителя лучше, когда решающим является CMRR операционного усилителя.

 

Ⅳ. Коэффициент усиления усилителя


Базовый инвертирующий усилитель на операционном усилителе

Неинвертирующий усилитель Инвертирующий усилитель
УСИЛЕНИЕ (AV) = 1+(R2 / R1)
Пример:
, если R2 равно 1000 кОм, а R1 равно 100 кОм, усиление будет:
1+ (1000/100) = 1 + 10 или GAIN (AV) = 11
Если входное напряжение равно 0.5 В выходное напряжение будет: 0,5 х 11 = 5,5 В
УСИЛЕНИЕ (AV) = -R2 / R1
Пример:
, если R2 равен 100 кОм, а R1 равен 10 кОм, усиление будет:
-100 / 10 = -10 (усиление AV)
Если входное напряжение 0,5 В, выходное напряжение будет: 0,5 В X -10 = -5 В

 

Ⅴ. Различия между инвертирующими и неинвертирующими усилителями

5.1 Факты Рассмотрение

Можно видеть, что их сравнение проводится по следующим аспектам: входное и выходное сопротивление, помехоустойчивость общего режима.

1. Входное сопротивление неинвертирующего усилителя равно входному сопротивлению операционного усилителя, и они близки к бесконечности. Входное сопротивление неинвертирующего усилителя не влияет на входное сопротивление; а входное сопротивление инвертирующего усилителя равно сопротивлению последовательного резистора подачи сигнала на вход. Поэтому, когда требуется высокое входное сопротивление, следует выбирать неинвертирующий усилитель.

2. Диапазон входного сигнала неинвертирующего усилителя ограничен диапазоном синфазного входного напряжения операционного усилителя, в отличие от инвертирующего усилителя.Поэтому, если входное сопротивление должно быть низким, а фаза свободна, инвертирующее усиление предпочтительнее, потому что оно имеет только сигнал дифференциального режима. И способность защиты от помех сильна, поэтому можно получить больший диапазон входного сигнала.

3. В конструкции, где требуется такое же увеличение, старайтесь выбирать резистор с малым номиналом, который может уменьшить влияние входного тока смещения и влияние распределенной емкости. Если вас больше беспокоит энергопотребление, вам придется пойти на компромисс с сопротивлением.

4. Определите, является ли входной сигнал неинвертирующим или инвертирующим входом. Если требуется большое входное сопротивление схемы усилителя, следует использовать неинвертирующую схему входного усилителя, поскольку увеличение входного сопротивления схемы усилителя повлияет на коэффициент усиления по напряжению. Когда инвертирующее входное сопротивление увеличивается, коэффициент усиления по напряжению схемы уменьшается, и на коэффициент усиления по напряжению также влияет внутреннее сопротивление источника сигнала.Поэтому при проектировании инвертирующей входной усилительной схемы иногда трудно сбалансировать входное сопротивление и коэффициент усиления по напряжению. Если резистор смещения или делитель напряжения соответствующим образом увеличен, входное сопротивление схемы усилителя может быть увеличено, а коэффициент усиления по напряжению практически не влияет на коэффициент усиления по напряжению, что требует лучшего понимания схемы.

Рисунок 3. Интегральная схема с использованием операционного усилителя

5.2 Краткий обзор различий

Интегральный усилитель может быть подключен как к неинвертирующему, так и к инвертирующему усилителю.Что лучше выбрать неинвертирующее усиление или инвертирующее усиление? Давайте посмотрим на разницу между ними.

1) неинвертирующий усилитель

а. Преимущества

Входное сопротивление равно входному сопротивлению операционного усилителя, которое близко к бесконечности.

б. Недостатки

Схема усиления не имеет виртуального заземления, поэтому она имеет большое синфазное напряжение, а помехозащищенность относительно низкая. Таким образом, для операционного усилителя требуется более высокий коэффициент подавления синфазного сигнала, а еще одним недостатком является то, что коэффициент усиления может быть только больше единицы.

2) инвертирующий усилитель

а. Преимущества

 Потенциал двух входных клемм всегда приблизительно равен нулю (неинвертирующая клемма заземлена, а инвертирующая клемма заземлена виртуально), кроме того, существует только сигнал дифференциального режима, и устройство обладает сильной защитой от помех. .

б. Недостатки

Входное сопротивление мало, равно сопротивлению последовательного сопротивления сигнала на вход.

3) Вычисление коэффициента усиления у них разное, а их фазы противоположны.

 

6.1 Вопрос

Для чего используются неинвертирующие усилители?

6.2 Ответ

Конфигурация неинвертирующего усилителя является одной из самых популярных и широко используемых форм схемы операционного усилителя и используется во многих электронных устройствах. Неинвертирующая усилительная схема операционного усилителя обеспечивает высокий входной импеданс наряду со всеми преимуществами, полученными от использования операционного усилителя.

 

Часто задаваемые вопросы о разнице между инвертирующим и неинвертирующим операционным усилителем

1. Какой усилитель лучше инвертирующий или неинвертирующий?
Инвертирующие операционные усилители обеспечивают большую стабильность системы, чем неинвертирующие операционные усилители. В случае инвертирующих операционных усилителей используется отрицательная обратная связь, что всегда желательно для стабильной системы.

 

2. Каковы преимущества неинвертирующего усилителя перед инвертирующим усилителем?
Преимущества неинвертирующего усилителя заключаются в следующем: Выходной сигнал получается без инверсии фазы.По сравнению с входным сопротивлением в инвертирующем усилителе значение импеданса выше, чем в неинвертирующем усилителе. Коэффициент усиления по напряжению в этом усилителе является переменным.

 

3. Для чего нужен инвертирующий усилитель?
Инвертирующий усилитель представляет собой важную схему схемы, использующую операционные усилители и использующую соединение с отрицательной обратной связью. Инвертирующий усилитель, как следует из названия, инвертирует входной сигнал, а также усиливает его.

 

4. Где используются неинвертирующие усилители?
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.

 

5. Почему инвертирующие усилители лучше неинвертирующих?
Инвертирующие операционные усилители обеспечивают большую стабильность системы, чем неинвертирующие операционные усилители. В случае инвертирующих операционных усилителей используется отрицательная обратная связь, что всегда желательно для стабильной системы.

Альтернативные модели

Деталь Сравнить Производители Категория Описание
Произв.Номер детали: 60R110XMR Сравните: Текущая часть Производитель: Литтельфузе Категория: Термисторы Описание: LITTELFUSE 60R110XMR PPTC Самовосстанавливающийся предохранитель, сквозное отверстие, серия POLYFUSE 60R, 1.1 А, 2,2 А, 60 В постоянного тока, -40 ℃
Номер детали производителя:RLD60P110XFF Сравните: 60R110XMR ПРОТИВ RLD60P110XFF Производитель: Литтельфузе Категория: Предохранители Описание: ПЕРЕЗАГРУЗОЧНЫЙ ПРЕДОХРАНИТЕЛЬ 1.1А 60В РАДИАЛЬНЫЙ
№ производителя: 60R110XU Сравните: 60R110XMR ПРОТИВ 60R110XU Производитель: Литтельфузе Категория: Термисторы Описание: LITTELFUSE 60R110XU PPTC Самовосстанавливающийся предохранитель, сквозное отверстие, серия POLYFUSE 60R, 1.1 А, 2,2 А, 60 В постоянного тока, -40 ℃
№ производителя: RKEF110 Сравните: 60R110XMR ПРОТИВ RKEF110 Производитель: Литтельфузе Категория: Предохранители Описание: Сбрасываемый предохранитель PTC 1.1 А (удержание) 2,2 А (отключение) 60 В 40 А 2,2 Вт 3 с 0,17 Ом Радиальный 7,6 X 4,1 X 15 мм Масса

4.2: Инвертирующие и неинвертирующие усилители

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.

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

Потому что в идеале \(V_{ошибка} = 0\)

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

Также,

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

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

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

Расширение дает

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

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

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

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

Вот 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 коэффициент усиления схемы на рисунке \(\PageIndex{2}\)?

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

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

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

\[A_v=11\notag\]

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

Противоположный процесс проектирования усилителя столь же прост.

Пример \(\PageIndex{2}\)

Спроектируйте 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,

.

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

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

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

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 допустимо:

.

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

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

\[ R_i=500 \Омега ,\ R_f =9,5 кОм \]

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 (т.г., он имеет емкостную связь), потребуется резистор, чтобы установить обратный путь 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?

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

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

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

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 \(Z_{in}\).{‘} = 8 дБВ \notag \]

Поскольку 8 дБВ переводится примерно в 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.

Подробные пояснения 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 из рисунка \(\PageIndex{7}\).

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

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

\[ V_{out} = −V_{R_f} \notag \]

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

Замена дает

\[ A_v = -\frac{I_{in}R_f}{I_{in}R_i} \notag \]

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

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 задается \(R_i\). \(R_i = 5 k\Omega \), поэтому \(Z_{in} = 5 k\Omega \).

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

\[ A_v = −\frac{R_f}{R_i} \notag \]

\[ A_v =− \frac{20k}{5k} \notag \]

\[ A_v =−4 \notag \]

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

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

Пример \(\PageIndex{6}\)

Спроектируйте инвертирующий усилитель с коэффициентом усиления 10 и входным сопротивлением 15 кОм (\Омега\). Входное сопротивление говорит нам, что \(R_i\) должно быть

.

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

\[ R_i = 15 к\нотаг\]

Зная \(R_i\), решить для \(R_f\):

\[ A_v =− \frac{R_f}{R_i} \notag \]

\[R_f =R_i(−A_v) \notag \]

\[ R_f =15k\times (−(−10)) \notag \]

\[ R_f=150 к\нотаг\]

Компьютерное моделирование

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.

\[A_{v-max} =− \frac{R_f}{R_i} \notag\]

\[ A_{v-max} =− \frac{200 k}{15k} \notag \]

\[ A_{v-max} =- 13.{‘} = 22,5 дБ \notag \]

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 составляет 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 указано 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 \(\PageIndex{8}\)

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

Поперечное сопротивление цепи равно \(R_f\)

\[ R_f =− \frac{V_{out}}{I_{in}} \notag \]

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

\[ R_f = 80 к\нотаг\]

Предполагается, что входное сопротивление равно 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 цепь напряжения-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.

\[ I_{нагрузка} = I_{R_i} \notag \]

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

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

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

По определению,

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

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

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?

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

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

\[ г_м = 50 \мкС\нотаг\]

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

\[ I_{нагрузка} = 50 \mu S\times 0.4 В \нетаг\]

\[ I_{нагрузка} = 20 \mu A \notag \]

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

.

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

\[ V_{max} = (20k+1k)\times 20 \mu A \notag \]

\[ V_{max} = 420 мВ \notag \]

Это значительно ниже уровня отсечки.

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 \(\PageIndex{10}\)

Схему на рисунке \(\PageIndex{15}\) можно использовать для создания 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 \(R_i\)?

Во-первых, мы должны найти крутизну.

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

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

\[ г_м = 10 \мкС\нотаг\]

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

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

\[ R_i=100 к\нотаг\]

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 проходит через \(R_i\) к узлу A.По сути, \(R_i\) и \(R_f\) параллельны (они оба имеют общий узел A и землю; фактически 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

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

\[ I_{out} = I_{Rf} + I_{Ri} \label{4.5} \]

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

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

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

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

Замена в \ref{4.5} дает

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

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

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

Как и следовало ожидать, коэффициент усиления зависит от двух резисторов обратной связи. Обратите внимание на сходство этого результата с неинвертирующим усилителем напряжения.

Пример \(\PageIndex{11}\)

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

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

\[ I_{выход} = −A_i I_{вход} \notag \]

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

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

\[ A_i = −34 \notag \]

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

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

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

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

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

\[ V_{max} = 1,7 В + 0,165 В \notag \]

\[ V_{макс.} = 1,865 В \text{ (без проблем)} \notag \]

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?

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

\[ \frac{R_i}{R_f} = −Ai −1 \notag \]

\[ \frac{R_i}{R_f} = 50−1 \notag \]

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

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

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

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

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

Что касается максимального тока нагрузки, то он 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 \(\PageIndex{18}\): Текущая конструкция усилителя для примера \(\PageIndex{12}\).

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

\[ I_{max} = \frac{13,5 В}{200 кОм} \notag \]

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

Другой способ взглянуть на это — сказать, что максимально допустимый входной ток равен 67.5 мкА/50 или 1,35 мкА. Одно из возможных решений показано на рисунке \(\PageIndex{18}\).

4.2.6: Суммирующие усилители

Очень часто в схемотехнике 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 то для канала N имеем

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

\[ A_{v N} =- \frac{R_f}{R_{i N}} \notag \]

Выходной сигнал представляет собой сумму всех входных сигналов, умноженных на связанные с ними коэффициенты усиления.{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 выходной сигнал.

Канал 1:

\[ A_v = — \frac{R_f}{R_i} \notag \]

\[ A_v = — \frac{10k}{4k} \notag \]

\[ A_v = −2,5 \notag \]

\[ V_{out} = −2,5\times 1V \notag \]

\[ V_{out} = −2,5 В \notag \]

Канал 2:

\[ A_v = — \frac{R_f}{R_i} \notag \]

\[ A_v = — \frac{10k}{2k} \notag \]

\[ A_v = −5 \notag \]

\[ V_{out} = −5\times −2 V \notag \]

\[ V_{out} = 10 В \notag \]

Канал 3:

\[ A_v = — \frac{R_f}{R_i} \notag \]

\[ A_v = — \frac{10k}{1k} \notag \]

\[ A_v = −10 \notag \]

\[ V_{out} = −10\times .5 В \нетаг\]

\[ V_{out} = −5 В \notag \]

Окончательный результат находится путем суммирования:

\[ V_{out} =−2,5 В+10 В+(−5 В) \notag \]

\[ V_{out} = 2,5 В \notag \]

Если бы входными сигналами были сигналы переменного тока, суммирование было бы не таким простым. 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 необходим расчет среднеквадратичного значения (т.е., квадратный корень из суммы квадратов).

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

Суммирующие усилители помимо инвертирующего исполнения могут изготавливаться и в неинвертирующем исполнении. 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 разбить 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

.

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

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 \(V_{t1}\).

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

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

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

и из-за канала 3

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

\(V_t\) является суммой этих трех частей.

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

Таким образом, объединив эти элементы, получим, что выходное напряжение равно

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

Для удобства и одинакового веса все входные резисторы часто имеют одинаковое значение. Это приводит к схеме, которая усредняет вместе все входы.{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, такое как показано 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.

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

\[ V_{out} = \left( 1+ \frac{20k}{5k} \right) \frac{1 VDC+(−0.2 В пост. тока)+2 \sin2 \pi 100 t}{3} \notag \]

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

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

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 на нем 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 \(R_f/R_i\), а для неинвертирующего входа — \(R_f/R_i\) + 1.Для правильной работы коэффициенты усиления двух половинок 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 \(R_f/(R_f + R_i)\).

Рисунок \(\PageIndex{25}\): Вариант дифференциального усилителя.{‘}\) 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 на ветвь и усилением по напряжению 26 дБ.

Во-первых, преобразование 26 дБ в обычную форму дает 20.{‘} = 9,52 кб \notag \]

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 оставляем в качестве упражнения ( Задача 4.{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, коэффициент усиления может быть установлен максимум на 10.Полный оборот потенциометра изменит 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:

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

Падение через \(R_2\) равно просто \(I_2 R_2\). \(I_2\) находится по закону тока Кирхгофа и соответствующим заменам напряжения на резистор:

\[ I_2 = I_1 − I_3 \notag \]

\[ I_2 = \frac{V_{i n}−k V_{i n}}{R_1} — \frac{k V_{i n}}{R_3} \notag \]

\[ I_2 = V_{in}\left( \frac{1−k}{R_1} — \frac{k}{R_3}\right) \notag \]

Таким образом, V_{R2} оказывается равным

\[ V_{R2} = V_{in}\left( (1−k) \frac{R_2}{R_1} — k \frac{R_2}{R_3} \right) \label(4.14)\]

Объединяя уравнения \ref{4.13} и \ref{4.14}, а затем решая коэффициент усиления, мы находим

\[ A_v = k−\left( (1−k ) \frac{R_2}{R_1} −k \frac{R_2}{R_3} \right) \notag \]

\[ A_v = k−\left( \frac{R_2}{R_1} −k \frac{R_2}{R_1} −k \frac{R_2}{R_3} \right) \notag \]

\[ A_v =− \frac{R_2}{R_1} +k \left( 1+ \frac{R_2}{R_1} + k \frac{R_2}{R_3} \right) \notag \]

Значение \(R_3\) выбрано так, что \(R_1 = R_2 || R_3\). Это означает, что

\[ R_3 = \frac{1}{\frac{1}{R_1} — \frac{1}{R_2}} \notag \]

Подставив это в наше уравнение усиления и упростив выходы

\[ A_v = \frac{R_2}{R_1} (2k−1) \notag \]

По сути резисторы \(R_1\) и \(R_2\) задают 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 \(A_v = 0\).

Каталожные номера

1 В первую очередь это операционные усилители на крутизне и цифро-аналоговые преобразователи, которые мы рассмотрим в главах шестой и двенадцатой соответственно.

Пользователь:Inductiveload — Wikimedia Commons

Зона пользователя Inductiveload
Главная страница пользователя Страница обсуждения Галерея Взносы
Добро пожаловать на мою страницу пользователя.Посмотрите мои галереи и материалы, если хотите, или оставьте сообщение на моей странице обсуждения. Также стоит проверить каналы IRC, если я вам понадоблюсь быстро.

Если вы можете предложить улучшения в моей работе, скажите мне. Не оставляйте мои неоптимальные работы без дела.

Страница пользователя Wikisource Страница пользователя Википедии
Индуктивная нагрузка
IRC-ник этого пользователя inductiveload на сервере #wikimedia-commons .
IRC-ник этого пользователя inductiveload на сервере #wikisource .

Быстрые ссылки для меняПравить

Полезные скрипты для автоматизации скучных вещей/скрапинга:

ИзбранноеПравить

  • Трехмерные квантовые волновые функции (1 из 9)

  • Ряд Фурье пилообразной волны

  • Складная бутылка Клейна (1 из 6)

  • Микросхема DIL-16, выполненная в SolidEdge (используется около 0.01% его возможностей)

  • USB-розетка двойного типа A

  • 2D квантовые волновые функции (2,1)

  • Дифракция через щель

Общий бот WorkEdit

У меня есть бот InductiveBot, который помогает мне с загрузкой и небольшими правками. Ожидается разрешение на создание и редактирование категории. Вы можете попросить меня выполнить задачи с этим ботом, в том числе:

  • Пакетная загрузка
  • Пакетное незначительное редактирование (может быть одобрено мастером)
  • Категория работы
  • Что-нибудь еще (только простые вещи, более сложные боты могут делать сложные вещи), и я посмотрю, что я могу сделать.

См. также мою галерею для большего количества работ.

Если возможно, я использую DejaVu Serif для своих новых диаграмм, так как он поддерживается визуализатором медиавики, в отличие от многих других, и это бесплатный шрифт (во всех смыслах). Также он хорошо смотрится с «Computer Modern», который используется в LaTeX и программе установки уравнений Inkscape.

Чтобы получить шрифты Computer Modern, см. здесь шрифты OTF.

Инструменты, которые я используюРедактировать

У меня есть следующее программное обеспечение, которое я часто использую для своих изображений:

КоммерческийПравить

  • Математика 7
  • SolidEdge 14

FreewareEdit

  • Inkscape — настоятельно рекомендуется всем — особенно теперь он может делать PDF!

Иногда у меня есть доступ к Adobe CS2 и MuPAD.

Обычно я буду более чем счастлив попытаться построить графики и тому подобное для вас, если вы меня хорошо попросите. Что можно сделать ниже. Большинство вещей можно предоставить в формате SVG, PNG или анимированном GIF, если это необходимо.

Графики и графикиПравить

  • Основные двухмерные графики
  • Диаграммы рассеяния
  • 3D линейные графики (например, Parametrics)
  • 3D-поверхности
  • Графики плотности и контура

Технические диаграммыПравить

  • Принципиальные схемы большинства видов
  • Смотрите мою галерею, чтобы узнать, какие вещи вы можете получить

Кроме того, я буду рад транскрибировать (интересные) уравнения в TeX — у меня было МНОГО практики в этом!

У меня академическая лицензия SolidEdge v14, так что если вам нужны 3D чертежи, их можно сгенерировать (и в SVG!) Цвет, каркас, технические чертежи и т.д. — все возможно! Они выглядят потрясающе, поэтому, если у вас есть интересное предложение, скажите мне, я, вероятно, с удовольствием его сделаю!

УчастиеПравить

CommonsПравить

В основном улучшения и замены, когда я могу, особенно диаграммы, относящиеся к электронной технике.

Перекатегоризация — текущий личный проект. Помимо перемещения сотен неправильно классифицированных изображений из разных мест, на данный момент я распространил или распространяю следующие основные категории:

ВикиучебникиПравить

Мне нравится писать учебники — это гораздо полезнее, чем просто энциклопедическая статья. Вся концепция объяснена от начала до конца, очевидно, с таким количеством иллюстраций, сколько необходимо.

  • Практическая электроника
  • Дифференциальные уравнения
  • Материалы в электронике
  • Полупроводники
  • Теория цепей

WikisourceПравить

ВикипедияEdit

Общие улучшения, ничего особенного.

.

alexxlab

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.