Как это работает? — Однополярное питание ОУ и отрицательное напряжение — DiMoon Electronics
Обратились недавно ко мне с вопросом. Есть схема с операционным усилителем. ОУ питается однополярным положительным напряжением. Но в схеме присутствует отрицательное напряжение, которое через резисторы подается на на вход ОУ. Вопрос: как и почему оно работает? Разве для работы с отрицательными напряжениями не надо ли питать операционник от двуполярного источника напряжения?
Давайте разбираться вместе.
Вот те самые схемы:
Рис. 1. Схема №1
Рис. 2. Схема №2
Судя по всему, схемы с РадиоКота, но сами статьи не нашел.
Первая — источник высокого отрицательного напряжения для питания ФЭУ, вторая — предварительный усилитель того самого ФЭУ.
Рассмотрим первую. Интересующий нас участок выглядит так:
Рис. 3. Упрощенная обвязка ОУ из рис. 1
Здесь ОУ работает как инвертирующий усилитель с коэффициентом усиления меньше единицы.
На вход -HV подается высокое отрицательное напряжение. На выходе OUT получаем положительный потенциал, по величине пропорциональный входному напряжению.
Работает схема следующим образом. На вход -HV подается высокое отрицательное напряжение. Через резистор R2 оно поступает на отрицательный вход ОУ. Так как положительный вход операционника подключен к земле, ОУ через резистор обратной связи R1 будет компенсировать отрицательное напряжение положительным, тем самым сохранять на отрицательном входе нулевой потенциал. То есть, как только на отрицательном входе напряжение провалится ниже нуля, ОУ его снова вернет в ноль через резистор R1. Таким образом, на обоих входах операционного усилителя напряжение всегда будет находиться в окрестности нуля вольт.
Вопрос только вызывает то, что для срабатывания обратной связи операционник должен зафиксировать небольшой провал в отрицательную область, а как он это сделает, если он питается только положительным напряжением?
На это можно ответить коротко: Да ни как! Схема в данном виде является нерабочей, уж не знаю как оно заработало у автора, но у человека, который ее собирал, ни чего не получилось.
Выйти из положения можно внеся небольшое изменение в конструкцию:
Рис. 4. Модернизированная схема №1
Положительный вход ОУ с помощью делителя R3-R4 мы немного «приподнимаем» над потенциалом земли. В этом случае операционник следит за провалом напряжения на отрицательным входе уже не ниже уровня земли, а ниже небольшого смещения, которое всегда больше нуля. В таком виде схема уже является жизнеспособной.
Данный прием как раз и реализован во второй схеме (рис. 2). Вот ее часть:
Рис. 5. Зарядочувствительный усилитель ФЭУ
Это так называемый зарядочувствительный усилитель, или инверсный интегратор тока. Вход Anode подключается к аноду ФЭУ, который является источником отрицательного тока (не напряжения!!!). При регистрации кванта света, на выходе OUT получаем импульс напряжения положительной полярности.
Вот и все. Как видите, даже если схема работает с отрицательными напряжениями, в некоторых случаях совсем не обязательно операционные усилители в ней питать двуполярным напряжением.
Однополярное питание операционного усилителя в Абакане: 501-товар: бесплатная доставка, скидка-62% [перейти]
Партнерская программаПомощь
Абакан
Каталог
Каталог Товаров
Одежда и обувьОдежда и обувь
СтройматериалыСтройматериалы
Здоровье и красотаЗдоровье и красота
Текстиль и кожаТекстиль и кожа
Детские товарыДетские товары
ЭлектротехникаЭлектротехника
Продукты и напиткиПродукты и напитки
Дом и садДом и сад
Сельское хозяйствоСельское хозяйство
Мебель и интерьерМебель и интерьер
Вода, газ и теплоВода, газ и тепло
Все категории
ВходИзбранное
-63%
631
1700
10 шт LM358P, Двухканальный операционный усилитель с однополярным питанием. Тип: Пассивные
В МАГАЗИНLM358P — двухканальный операционный усилитель с однополярным питанием, 3-32 В, DIP-8 Тип: микросхема
ПОДРОБНЕЕМикросхема LM 358DT Двухканальный операционный усилитель с однополярным питанием 10 штук Тип:
ПОДРОБНЕЕ-5%
352
369
Микросхема LM 358DT Двухканальный операционный усилитель с однополярным питанием 10 штук Тип:
ПОДРОБНЕЕ29 325
Операционный усилитель LM258DT, SO8-150-1.
27, ST Тип: микросхема, Производитель: Без бренда
10 шт LM358P, Двухканальный операционный усилитель с однополярным питанием. GPR Тип: микросхема
ПОДРОБНЕЕAD822ARZ, Микросхема, Операционный усилитель с однополярным питанием, с полевыми транзисторами на входе SO-8, активные компоненты
ПОДРОБНЕЕмикросхема LM358P DIP8 Двухканальный операционный усилитель с однополярным питанием, 3…32V Тип:
ПОДРОБНЕЕ55 200
Операционный усилитель TL074CDT, SO14-150, ST Тип: микросхема, Производитель: Без бренда
ПОДРОБНЕЕUA741CN, Одноканальный операционный усилитель [DIP-8]
ПОДРОБНЕЕ32 775
Операционный усилитель LM258DR2G, SO8-150 , ON Тип: микросхема, Производитель: Без бренда
ПОДРОБНЕЕLM358P — двухканальный операционный усилитель с однополярным питанием, 3-32 В, DIP-8 Тип: микросхема
ПОДРОБНЕЕLM358P, LM358N,LM358,Двухканальный операционный усилитель с однополярным питанием, 3В.
32В PDIP8 / 5 штук
LM358P — двухканальный операционный усилитель с однополярным питанием, 3-32 В, DIP-8 Тип: микросхема
ПОДРОБНЕЕAS321KTR-E1 SOT23-5 операционный усилитель Тип: контроллер заряда
ПОДРОБНЕЕУсилитель 2-х канальный LM358N 5 шт. общего применения с однополярным питанием в корпусе DIP-8 Тип:
ПОДРОБНЕЕLM358P (LM358N), Двухканальный операционный усилитель с однополярным питанием, 3В…32В
ПОДРОБНЕЕLM358P — двухканальный операционный усилитель с однополярным питанием, 3-32 В, DIP-8 Тип: микросхема
ПОДРОБНЕЕLM358P — двухканальный операционный усилитель с однополярным питанием, 3-32 В, DIP-8 Тип: микросхема
ПОДРОБНЕЕLM358P — двухканальный операционный усилитель с однополярным питанием, 3-32 В, DIP-8 Тип: микросхема
ПОДРОБНЕЕLM358P — двухканальный операционный усилитель с однополярным питанием, 3-32 В, DIP-8 Тип: микросхема
ПОДРОБНЕЕLM358P — двухканальный операционный усилитель с однополярным питанием, 3-32 В, DIP-8 Тип: микросхема
ПОДРОБНЕЕAD8554ARZ-REEL7, Операционный усилитель с однополярным питанием, нулевым дрейфом напряжения [SO-14]
ПОДРОБНЕЕLM358DT, Двухканальный операционный усилитель с однополярным питанием, 3В…32В [SO-8]
ПОДРОБНЕЕ-1%
265
269
Усилитель 2-х канальный LM358N общего применения с однополярным питанием в корпусе DIP-8 Тип:
В МАГАЗИН-26%
349
469
TDA2050 Hi-Fi Mono 30W, аудио усилитель мощности до 50Вт, Моно, питание однополярное 5-24В Тип:
В МАГАЗИНУсилитель НЧ компактный 0.
1…18Вт, моно (TDA2030), BM2037M Мастер Кит Тип: микросхема,
TLV521DCKR, Операционный усилитель наномощный с полевыми транзисторами уровень входа/выхода до напряжения питания Texas Instruments
ПОДРОБНЕЕ2 страница из 18
Однополярное питание операционного усилителя
Глава 6. Операционные усилители. Основы прикладной электротехники
Операционный усилитель или операционный усилитель — это активное электронное устройство, используемое для многих приложений, включая усиление сигнала, фильтрацию, сравнение значений напряжения, суммирование сигналов, буферизацию или изоляцию компонентов схемы, а также создание синхронизирующих генераторов. Операционные усилители являются активными устройствами, а это означает, что для работы на них необходимо подавать питание в виде однополярных или биполярных источников постоянного напряжения. Операционный усилитель — это дифференциальный усилитель, который создает выходное напряжение, пропорциональное разнице между двумя входами, неинвертирующим входом, обозначаемым + или , и инвертирующим входом, обозначаемым — или .
Схематическое обозначение операционного усилителя представляет собой треугольник с двумя входами и одним выходом.
Операционный усилитель — это активное электронное устройство, состоящее из десятков транзисторов; детали такой конструкции нас здесь не интересуют. Вместо этого нас интересует использование операционных усилителей для различных схемных приложений, и поэтому нам необходимо понять, как ведет себя операционный усилитель, когда он используется в качестве элемента схемы. Для работы операционных усилителей обычно требуется биполярная (одно положительное напряжение и одно отрицательное напряжение) пара внешних напряжений постоянного тока, обозначенная и показанная на рисунке. Обратите внимание, что все напряжения, показанные на этой диаграмме, являются напряжениями узла, и они измеряются относительно общего опорного или заземляющего узла, который устанавливается источниками питания, как описано ниже.
Требование к внешнему напряжению может быть выполнено с помощью однополярного источника питания (например, , = земля) или биполярного источника питания (например, , ), как показано ниже.
Обратите внимание, что заземление — это отрицательная клемма источника питания.
Обычно эту схему изображают без соединительного провода между клеммой «–» батареи, но вместо этого используют символы заземления. Имейте в виду, что два входных сигнала и , каждый относительно земли,
В конфигурации с биполярным источником питания земля — это узел, соединяющий клемму «–» одного источника питания и клемму «+» другого источника питания.
Рисунок 6.5 Операционный усилитель с биполярным источником питания Биполярный источник питания используется, когда операционный усилитель принимает дифференциальные входные напряжения переменного тока и/или создает выходные напряжения переменного тока. Примером приложения, требующего биполярного источника питания, может быть схема операционного усилителя, которая усиливает звуковой сигнал, такой как колебательное напряжение на микрофоне.
Примером приложения, требующего однополярного источника питания, может быть схема на операционном усилителе, которая генерирует управляющее напряжение для включения или выключения светодиода на основе сравнения двух входных значений. Этот пример будет обсуждаться далее в этой части книги. Наши приложения в этом курсе будут в основном связаны с однополярными источниками напряжения. Обратите внимание, что на схемах, показанных на этой странице, операционные усилители показаны с пятью клеммами или соединениями: дифференциальные входы и , выход, и шины питания. Униполярные шины питания часто маркируются символом заземления. тогда как биполярные шины питания помечены и . (Как и большая часть маркировки в электронике, имеет историческое значение, относится к положительному напряжению на коллекторе и отрицательному напряжению на эмиттере транзистора. Такие обозначения имеют тенденцию сохраняться и становятся частью общего использования.
Насыщение операционного усилителя. Шины напряжения обычно находятся в диапазоне от 0 до вольт, в зависимости от выбранного операционного усилителя. Выходное напряжение операционного усилителя не может превышать напряжение источника питания . Если произведение дифференциального входного напряжения и коэффициента усиления операционного усилителя превышает напряжение на шине, выходное напряжение будет насыщаться или ограничиваться напряжением на шине. Рассмотрим приведенную ниже иллюстрацию схемы усилителя, которая имеет коэффициент усиления (мы рассмотрим это в следующем разделе) и однополярную шину напряжения питания . Инвертирующий вход заземлен, а на неинвертирующий вход подается входное напряжение, так что выходное напряжение равно . Дифференциальные уровни входного напряжения < будут усиливаться за счет коэффициента усиления по напряжению в этой схеме, в то время как превышение дифференциальных входных уровней приведет к ограничению усиления или насыщению из-за неспособности операционного усилителя обеспечить выходное напряжение, превышающее .
Рисунок 6.7 Пример насыщенного или ограниченного сигнала усилителя Рисунок 6.8 Схемы выводов двух интегральных схем (ИС) операционных усилителей Операционные усилители
часто поставляются в виде интегральных схем с двойным расположением выводов (DIP), чертежи которых показаны ниже. Показаны схемы разводки популярных операционных усилителей 741 (один операционный усилитель на ИС) и 358 ОУ (два операционных усилителя на ИС).
Обратите внимание, что модель 741 имеет одну схему операционного усилителя в микросхеме, тогда как модель 358 имеет два операционных усилителя на одной микросхеме интегральной схемы.
Соединение однополярного выхода 0-5 В с биполярной системой сбора данных +/- 0,1 В с использованием дифференциального усилителя и делителя напряжения
Мне нужно подключить сенсорную систему, которая выдает 0-5 В DC , к системе сбора данных (DAQ), который принимает входные сигналы ±0,1 В DC (он предназначен для другого типа датчика, но мне нужно переназначить его в этом приложении). (Сигналы в основном постоянного тока, но могут быть и компоненты переменного тока. Диапазоны те же.) Этот сценарий представляет две очевидные проблемы:
Выходной диапазон 5 В PP сенсорной системы должен быть значительно ослаблен, чтобы быть совместимым с входным диапазоном 0,2 В PP системы сбора данных.
Наивно я полагаю, что этого можно добиться с помощью простого делителя напряжения, выполняющего 50-кратное уменьшение.
Сенсорная система имеет однополярный выход напряжения , тогда как DAQ предназначен для работы с биполярным входом напряжения .
Это можно было бы просто проигнорировать, если бы я был готов пожертвовать половиной входного диапазона DAQ (и, следовательно, разрешения), но, учитывая, насколько должен быть ослаблен входной сигнал, я думаю, что это неразумный подход.
Поэтому мне пришла в голову идея использовать дифференциальный усилитель как простой способ преобразовать выходной сигнал 0–5 В сенсорной системы в выходной сигнал ±5 В.
Полная конструкция схемы «преобразования» выглядит следующим образом:
смоделируйте эту схему — схема создана с помощью CircuitLab
Обратите внимание, что система датчиков (которая генерирует входные данные) здесь смоделирована как генератор сигналов (крайний слева). На самом деле он не будет генерировать постоянный выходной сигнал (на самом деле, как раз наоборот, иначе это был бы ужасный датчик), но этого достаточно для моделирования схемы.
Согласно симуляции CircuitLab, это работает, достигая именно того, что я хочу.
Но я не инженер-электрик по образованию, поэтому я ищу экспертное руководство/обзор. Разумный ли это замысел? Есть ли какие-то скрытые недостатки или «подводные камни», которые я не замечаю?
Правильна ли двухкаскадная конструкция — начиная с дифференциального усилителя для преобразования униполярного сигнала в биполярный, за которым следует делитель напряжения для ослабления биполярного сигнала до желаемого диапазона? Есть ли лучший способ сделать это?
Здесь важны точные и воспроизводимые измерения, насколько это возможно. (Очевидно, поскольку все это предназначено для сбора данных с датчиков, идея состоит в том, чтобы иметь возможность количественно точно и точно определять явления реального мира.) Если существует относительно простая конструкция, которая будет более точной, чем эта, при эквивалентные результаты, то мне было бы интересно услышать об этом. Я говорю «относительно просто», потому что это модернизация/хак. Если мне нужно спроектировать простую печатную плату, которая будет вставляться в качестве адаптера/преобразователя, то так тому и быть, но обе системы (сенсорная система и DAQ) уже существуют и не могут быть легко модифицированы.
