Особенности применения ОУ при однополярном питании

Тенденции применения электронных компонентов направлены на снижение энергопотребления и стоимости, поэтому в современных изделиях используется однополярное питание, и с каждым годом значения питающих напряжений уменьшаются. В статье рассмотрены основные проблемы, с которыми сталкивается разработчик при использовании операционных усилителей в схемах с однополярным питанием.

Хотя симметричное двуполярное питание является оптимальным для операционных усилителей (ОУ), во многих случаях (жесткие требования к потреблению электроэнергии) необходимо или желательно использовать однополярное электропитание. Например, бортовая сеть в автомобильном и морском оборудовании — однополярная. Да и в оборудовании, где ранее традиционно использовалось двуполярное питание, все чаще применяется встроенный однополярный источник электроэнергии с питающим напряжением 5 или 12 В постоянного тока. Системы с однополярным электропитанием для обработки аналоговых сигналов имеют общие для таких решений дополнительные свойства, вызванные необходимостью использования компонентов для смещения аналогового сигнала на каждой стадии обработки. Если смещение аналогового сигнала не продумано, а тем более не выполнено, то возникает множество проблем, в том числе — нестабильность работы операционных усилителей.

 

Проблемы, возникающие при смещении с помощью резисторов

Применение ОУ с однополярным питанием связано с проблемами, которые обычно не встречаются при использовании двуполярного питания. Главная из них возникает тогда, когда входной сигнал является двуполярным относительно общего уровня («земли»). В системе с однополярным питанием этот уровень совпадает с уровнем отрицательного источника питания в традиционных решениях. Поэтому в этом случае нулевой уровень входного сигнала не может соответствовать «земле» и должен находиться между «землей» и уровнем питающего напряжения. Основное преимущество систем с двуполярным питанием состоит в том, что их общее соединение («земля») является устойчивым, низкоомным нулевым уровнем для входного сигнала. При этом положительное и отрицательное напряжения питания могут быть несимметричными. При однополярном питании с помощью схем смещения создается уровень нулевого сигнала, обычно лежащий в середине диапазона питающего напряжения.

Чтобы использовать усилитель эффективно, то есть получить с его выхода максимальный сигнал без ограничения, входной сигнал должен быть смещен на середину выходного диапазона, или, что одно и то же, на уровень половины питающего напряжения. Наиболее эффективный способ — использование линейного стабилизатора, как показано на рисунке 6. Однако наиболее популярная схема смещения — резистивный делитель напряжения питания. Хотя этот способ наиболее прост, при его использовании возникает ряд проблем.

Используя рисунок 1, рассмотрим некоторые из них. На этом рисунке изображена классическая схема неинвертирующего усилителя переменного тока. Входной сигнал с помощью емкостной связи подается на вход усилителя. Средний уровень входного сигнала смещен на величину V_S/2 с помощью резисторного делителя R

A—R_B. В полосе пропускания данный усилитель имеет коэффициент усиления К_У = 1 + R2/R1. Паразитное усиление постоянного сигнала сведено к единице с помощью емкостной обратной связи цепочкой R1C1, соединенной с нулевым уровнем («землей»). Поэтому уровень постоянной составляющей равен напряжению смещения. Этим самым мы избегаем возникновения искажений из-за усиления напряжения смещения. Обратная связь обеспечивает коэффициент усиления, равный 1 + R2/R1 для высокочастотных сигналов и равный единице — для постоянной составляющей и низкочастотных сигналов с частотами подавления f = 1/(2πR1C1) и f = 1/[2π(R1 + R2)C1], а также вносит фазовый сдвиг во входную и выходную цепи.

Эта схема имеет серьезные ограни чения применения. Во-первых, невозможно использовать такое важное свойство операционных усилителей, как подавление синфазного сигнала. Поскольку любое изменение питающего напряжения моментально отразится на напряжении смещения, равном VS/2, установленным резисторным делителем, любой шум, присутствующий в шине питания, будет усилен наряду с сигналом (за исключением самых низких частот). Так, при К_У = 100 пульсации напряжением 20 мВ от электросети могут быть усилены до напряжения более 1 В (в зависимости от параметров компонентов схемы).

Еще хуже, что при мощной нагрузке усилитель становится нестабильным в работе. Плохие стабилизация и фильтрация в источнике питания приводят к тому, что на шинах питания появляется значительный уровень сигнала. При работе усилителя, включенного по неинвертирующей схеме, этот сигнал поступает на вход усилителя через схему смещения, как было рассмотрено ранее, и усилитель самовозбуждается.

Оптимизация расположения компонентов на печатной плате, установка большого количества блокирующих конденсаторов, правильная разводка заземляющих шин и соединение их в одной точке, соответствующее проектирование шин питания уменьшают наводки и повышают стабильность схемы, но не исключают рассмотренных проблем. Поэтому далее будет предложено несколько решений, помогающих избежать трудностей в использовании усилителей при включении по схеме с однополярным электропитанием.

 

Развязка схемы смещения

Чтобы снизить влияние нестабильности напряжения питания, можно зашунтировать схему смещения по переменному току и добавить отдельный резистор для входного сигнала, как показано на рисунке 2. Конденсатор C2 обеспечивает фильтрацию пульсаций шины питания, тем самым восстанавливая способность ОУ ослаблять синфазные сигналы и влияние напряжения питания. Резистор R_IN, который заменяет в этой схеме входное сопротивление R_A/2 для сигналов переменного тока, обеспечивает передачу постоянного смещения на неинвертирующий вход усилителя.

Сопротивления резисторов R_A и R_B должно быть минимальными, насколько это позволяют ограничения по энергопотреблению. В данном случае выбрано значение 100 кОм, чтобы уменьшить потребляемый ток в схемах с батарейным питанием. Выбор величины шунтирующего конденсатора также требует внимания. С делителем напряжения R

A/R_B (100 кОм/100 кОм) и С2 = 0,1 мкФ частота среза по уровню –3 дБ фильтра высоких частот (ФВЧ), образованного параллельно соединенными резисторами R_A и R_B и конденсатором С2, равна 1/[2π(R_A/2)C2] = 32 Гц. Хотя это усовершенствование схемы, приведенной на рисунке 1, позволило подавить синфазные помехи с частотами выше 32 Гц, более низкочастотные сигналы сохранили обратную связь по шине питания усилителя. Поэтому при реализации такой схемы необходимо использовать конденсаторы большой емкости.

На практике емкость конденсатора C2 требуется увеличить до таких значений, при которых резисторный делитель схемы смещения эффективно шунтировался бы для всех частот в полосе пропускания усилителя. Хорошим правилом для расчета частоты среза ФВЧ, образованного R_A, R_B и C2, является выбор значения, равного 1/10 от наименьшего из значений частот среза RC-цепочек R_INC_IN и R1C1.

Коэффициент усиления по постоянному току остается равным единице. Даже в этом случае должны учитываться входные токи. RIN с последовательно соединенным делителем напряжения R

A/R_B значительно повышают входное сопротивление на неинвертирующем входе операционного усилителя. Поддержание смещения выходного сигнала на уровне половины напряжения питания при использовании обычных усилителей с обратной связью по напряжению, которые имеют симметричные сбалансированные входы, достигается правильным выбором величины резистора обратной связи R2.

В зависимости от напряжения питания значения резисторов, которые обеспечивают разумный компромисс между увеличением тока потребления или увеличением зависимости параметров усилителя от изменений входного тока, должны быть порядка 100 кОм для питающего напряжения 12…15 В, снижены до 42 кОм для питания 5 В и до 27 кОм — для 3,3 В.

В высокочастотных усилителях (особенно с обратной связью по току) следует использовать низкоомный делитель и резистор обратной связи, для того чтобы сохранить широкую полосу пропускания при наличии паразитной емкости. Для операционных усилителей, таких как AD811, разработанных для обработки видеосигналов, оптимально подходит значение резистора R2, равное около 1 кОм. Поэтому схемы с такими ОУ требуют использования намного меньших значений резисторов R

A и R_B в делителе напряжения (и большую емкость шунтирующего конденсатора C2).

Из-за малого входного тока необходимость согласования резисторов на входах современных усилителей с полевыми транзисторами во входных каскадах не так важна, если усилитель не будет работать в широком температурном диапазоне. Иначе такое согласование необходимо.

Схема на рисунке 3 показывает, как реализуется смещение и шунтирование цепи смещения для инвертирующего усилителя.

Смещение с помощью резисторного делителя дешево и обеспечивает постоянный средний уровень выходного сигнала, равный половине величины напряжения питания, но подавление синфазного сигнала операционным усилителем зависит от постоянной времени RC-цепочки, образованной делителем R_A/R_B и конденсатором C2. Необходимо использовать в качестве С2 конденсатор такой емкости, которая обеспечивает по крайней мере в 10 раз большее значение постоянной времени RC-цепи R_A/R_B

– C2, чем у R_INC_IN и R1C1. Это гарантирует достаточное подавление синфазного сигнала. С резисторами R_A и R_B, равными 100 кОм, величина конденсатора C2 может оставаться довольно небольшой, если не требуется работа усилителя на очень низких частотах.

 

Смещение при помощи стабилитрона

Более эффективный способ обеспечить необходимое смещение при однополярном питании — это использование стабилитрона, как показано на рисунке 4. В этой схеме резистор R_Z обеспечивает необходимый рабочий ток стабилитрона. Конденсатор CN шунтирует вход операционного усилителя от шума стабилитрона.

Стабилитрон должен иметь напряжение стабилизации, близкое к половине напряжения питания. Резистор R_Z должен обеспечивать достаточно большой ток, позволяющий стабилитрону работать в устойчивом режиме и, тем самым, обеспечивать минимальную погрешность стабилизации. С другой стороны, важно минимизировать энергопотребление (и тепловые потери). Поскольку входной ток операционного усилителя незначителен, то наиболее оптимален выбор стабилитрона малой мощности. Стабилитрон мощностью 250 мВт является оптимальным, но и наиболее распространенные 500-мВт стабилитроны также приемлемы. Оптимальный рабочий ток — около 0,5 мА для 250-мВт и около 5 мА — для 500-мВт стабилитронов.

Схема на рисунке 4 обеспечивает низкоомный опорный уровень и устраняет влияние нестабильности питающего напряжения на вход усилителя. Преимущества существенны, но стоимость и энергопотребление увеличиваются, да и средний уровень напряжения на выходе усилителя будет соответствовать выходному напряжению стабилитрона и может отличаться от V_S/2. Если это отличие окажется существенным, то при больших выходных сигналах будет происходить асимметричное ограничение. Входные токи смещения также должны быть согласованы. Резисторы R_IN и R2 должны быть равными, чтобы при прохождении через них входного тока разница падения напряжения на них не приводила к появлению ошибки смещения.

Рисунок 5 показывает схему инвертирующего усилителя со смещением уровня входного сигнала стабилитроном.

В таблице 1 перечислены стабилитроны нескольких типов, которые могут быть выбраны в зависимости от напряжения питания для обеспечения необходимого смещения. Значение R_Z в таблице выбрано исходя из обеспечения стабилитронов током 5 или 0,5 мА для схем, показанных на рисунках 4 и 5. Для уменьшения шума (ошибки стабилизации) может быть выбран и больший ток; его максимальную величину следует выяснить в техническом описании стабилитрона.

 

Смещение с помощью линейного стабилизатора

Для операционных усилителей с однополярным питанием 3,3 В требуется смещение напряжения 1,65 В. Однако напряжение стабилизации выпускаемых стабилитронов — не ниже 2,4 В. Хотя существуют источники опорного напряжения AD589 и AD1580 с напряжением 1,225 В, которые могут использоваться подобно стабилитронам, но они не обеспечивают смещение на половину напряжения питания. Самый простой способ обеспечить смещение входного сигнала на произвольную величину — это использовать линейный стабилизатор напряжения, например ADP667 или ADP3367, как показано на рисунке 6. Выходное напряжение линейного стабилизатора может быть установлено в пределах от 1,3 В до 16 В, и это обеспечит низкоомное смещение для операционного усилителя с однополярным напряжением питания от 2,6 В до 16,5 В.

 

Связь по постоянному току при однополярном питании

Пока была обсуждена только связь операционного усилителя по переменному току. Хотя при использовании входных и выходных конденсаторов связи большой емкости усилитель может работать с сигналами с частотами значительно ниже 1 Гц, в некоторых случаях требуется истинная связь по постоянному току. Схемные решения, которые обеспечивают низкоомное постоянное напряжение смещения, типа стабилитронов и линейных стабилизаторов, обсуждаемых выше, могут использоваться, чтобы создавать напряжение «среднего уровня».

Альтернативно схеме смещения, построенной на резистивном делителе, показанной на рисунках 1 и 3, для создания низкоомной искусственной «земли» может использоваться буферный операционный усилитель, как показано на рисунке 7. Если для питания используется низковольтная батарея, скажем 3,3 В, ОУ должен иметь возможность работать с сигналами, равными размаху напряжения питания — rail-to-rail. Кроме того, ОУ также должен быть способен обеспечить большой положительный или отрицательный выходной ток. Конденсатор C2 шунтирует делитель напряжения, чтобы уменьшить шумы резисторов. На эту схему не влияет нестабильность электропитания, потому что общий уровень («земля») всегда находится на уровне половины напряжения питания.

 

Проблемы задержки включения

В заключение необходимо рассмотреть еще одну проблему — время включения усилителя. Оно приблизительно будет зависеть от постоянной времени RC-цепочки, используемой в самом низкочастотном фильтре.

В пассивных схемах смещения, рассмотренных здесь, требуется, чтобы постоянная времени RC цепочки, состоящей из параллельно соединенных резисторов R_A и R_B и С2, была в 10 раз больше, чем постоянные времени входной и выходной цепей. Длительная постоянная времени помогает удерживать схему смещения во «включающемся» состоянии по отношению к входным и выходным цепям усилителя, обеспечивая постепенное нарастание среднего уровня выходного сигнала от 0 В до половины напряжения питания без скачков до уровня напряжения питания. Главное требование, чтобы частота среза схемы смещения на уровне 3 дБ была меньше в десять раз, чем наименьшая из частот среза R1C1 и R_LOAD/C_OUT. Например, в схеме на рисунке 2 для полосы пропускания начиная с 10 Гц и коэффициента усиления, равного 10, емкость конденсатора C2 должна быть равна 3 мкФ, что обеспечит частоту среза по уровню 3 дБ, равную 1 Гц.

С резисторами R_A и R_B = 100 кОм сопротивление в RC-цепочке (параллельное соединение) будет равно 50 кОм, и при C2 = 3 мкФ постоянная времени будет равна 0,15 с. Таким образом, средний уровень выходного сигнала усилителя достигнет величины половины напряжения питания приблизительно за 0,2…0,3 с… Между тем, входные и выходные RC-цепи установятся в десять раз быстрее.

В устройствах, где время включения может оказаться чрезмерно длительным, предпочтительнее использовать схемы смещения на стабилитронах или линейных стабилизаторах.

Однополярное питание ОУ » PRO-диод

Однополярное питание ОУ

11.11.2013 | Рубрика: Операционный усилитель

В предыдущих главах, например в этой, предполагалось, что ОУ имеет два напряжения питания — положительной и отрицательной полярности (рис. 1). При этом напряжения питания обычно выбираются равными по величине, а их средняя точка является землёй. Сигналы на входе и выходе при этом подаются и снимаются относительно земли. Однако…

Однако в современной портативной аппаратуре с батарейным питанием это неудобно.

Рис. 1. Схема включения ОУ с двуполярным питанием.

При однополярном питании ОУ необходимо использовать цепь смещения выходного напряжения так, чтобы выходные сигналы могли изменяться в максимально широком диапазоне, ограниченном нулём (землёй) и напряжением питания. Кроме того, входные сигналы изменяются относительно потенциала земли, что эквивалентно подаче входных сигналов относительно шины отрицательного питания в схеме применения ОУ с двуполярным питанием. Необходимость преодоления этих проблем влечёт за собой некоторое усложнение схем применения ОУ с однополярным питанием.

Когда входной сигнал имеет постоянное смещение относительно земли (рис. 2), напряжение смещения усиливается вместе с напряжением входного сигнала. За исключением случая, когда это напряжение смещения используется для установления нужного постоянного напряжения на выходе ОУ, его приходится исключать из усиливаемого сигнала.

Рис. 2. Схема включения ОУ с двуполярным питанием и источником постоянного смещения на входе усилителя

На рис. 3 приведена одна из схем, применяемых для исключения постоянного смещения из усиливаемых сигналов за счёт использования дифференциального усилителя. В нём одинаковые постоянные напряжения от источников K_REF являются синфазными и вычитаются друг из друга благодаря свойствам дифференциального усилителя.

Рис. 3. Схема включения ОУ с двуполярным питанием и синфазным напряжением на входах

Когда сигнал подаётся относительно земли, при однополярном питании ОУ, как правило, не удаётся использовать схему включения ОУ с двуполярным питанием. В схеме на рис. 4 усилитель совсем не может работать при положительной фазе входного сигнала, так как выходное напряжение при этом должно быть отрицательнее потенциала земли. Что касается отрицательной фазы входного напряжения, то только немногие ОУ могут работать при нулевом потенциале входа.

Рис. 4. Схема включения ОУ с однополярным питанием и входным сигналом, подаваемым относительно земли

Главную сложность при конструировании схем на ОУ с однополярным питанием представляет необходимость учёта того обстоятельства, что входные сигналы, как правило, подаются относительно земли или содержат различную постоянную составляющую. Если не указано иное, все схемы на ОУ в этой главе являются схемами с одним напряжением питания. Следует отметить, что с землёй может быть соединён как положительный, так и отрицательный полюс источника питания.

Использование одного напряжения питания ограничивает полярность выходных напряжений ОУ Например, при напряжении питания 10В выходное напряжение может быть только в диапазоне 0 <= VOUT <= 10В. Это обстоятельство не позволяет получать выходные напряжения отрицательной полярности. Вместе с тем инвертирующий усилитель может работать с отрицательными входными сигналами, когда выходные сигналы имеют положительную полярность.

Следует быть внимательным при работе с отрицательными (положительными) входными напряжениями при питании ОУ от источника положительной (отрицательной) полярности. Дело в том, что входы ОУ, как правило, очень чувствительны к пробою при обратном напряжении смещения. Особое внимание необходимо уделять условиям включения схем: необходимо, чтобы входы ОУ не оказались при этом под воздействием напряжения иной полярности, чем напряжение питания.

Метки:: Однополярное питание, Операционный усилитель

Операционный усилитель — это… Что такое Операционный усилитель?

Разные операционные усилители в различных корпусах, в том числе несколько в одном корпусе

Операционный усилитель (ОУ, OpAmp) — усилитель постоянного тока с дифференциальным входом и, как правило, единственным выходом, имеющий высокий коэффициент усиления. ОУ почти всегда используются в схемах с глубокой отрицательной обратной связью, которая, благодаря высокому коэффициенту усиления ОУ, полностью определяет коэффициент передачи полученной схемы.

В настоящее время ОУ получили широкое применение как в виде отдельных чипов, так и в виде функциональных блоков в составе более сложных интегральных схем. Такая популярность обусловлена тем, что ОУ является универсальным блоком с характеристиками, близкими к идеальным, на основе которого можно построить множество различных электронных узлов.

История

Операционный усилитель изначально был спроектирован для выполнения математических операций (отсюда его название), путём использования напряжения как аналоговой величины. Такой подход лежит в основе аналоговых компьютеров, в которых ОУ использовались для моделирования базовых математических операций (сложение, вычитание, интегрирование, дифференцирование и т. д.). Однако идеальный ОУ является многофункциональным схемотехническим решением, он имеет множество применений помимо математических операций. Реальные ОУ, основанные на транзисторах, электронных лампах или других активных компонентах, выполненные в виде дискретных или интегральных схем, являются приближением к идеальным.

Ламповый операционный усилитель K2-W.

Первые промышленные ламповые ОУ (1940-е гг.) выполнялись на паре двойных триодов, в том числе в виде отдельных конструктивных сборок в корпусах с октальным цоколем. В 1963 Роберт Видлар, инженер Fairchild Semiconductor, спроектировал первый интегральный ОУ — μA702. При цене в 300 долларов прибор, содержавший 9 транзисторов использовался только в военных применениях. Первый доступный интегральный ОУ, μA709, также спроектированный Видларом, был выпущен в 1965; вскоре после выпуска его цена упала ниже 10 долларов, что было всё ещё слишком дорого для бытового применения, но вполне доступно для массовой промышленной автоматики и т. п. гражданских задач.

В 1967 National Semiconductor, куда перешёл работать Видлар, выпустила LM101, а в 1968 Fairchild выпустило практически идентичный μA741 — первый ОУ со встроенной частотной коррекцией. ОУ LM101/μA741 был более стабилен и прост в использовании, чем предшественники. Многие производители до сих пор выпускают версии этого классического чипа (их можно узнать по числу «741» в наименовании). Позднее были разработаны ОУ и на другой элементной базе: на полевых транзисторах с p-n переходом (конец 1970х) и с изолированным затвором (начало 1980х), что позволило существенно улучшить ряд характеристик. Многие из более современных ОУ могут быть установлены в схемы, спроектированные для 741 без каких-либо доработок, при этом характеристики схемы только улучшатся.

Применение ОУ в электронике чрезвычайно широко — операционный усилитель, вероятно, наиболее часто встречающийся элемент в аналоговой схемотехнике. Добавление лишь нескольких внешних компонентов делает из ОУ конкретную схему аналоговой обработки сигналов. Многие стандартные ОУ сто́ят всего несколько центов в крупных партиях (1000шт), но усилители с нестандартными характеристиками (в интегральном или дискретном исполнении) могут стоить $100 и выше.

Обозначения

Обозначение операционного усилителя на схемах

На рисунке показано схематичное изображение операционного усилителя. Выводы имеют следующее значение:

Указанные пять выводов присутствуют в любом ОУ, они необходимы для его функционирования. Однако, существуют операционные усилители, не имеющие неинвертиующего входа^[1]. В частности, такие ОУ находят применение в аналоговых вычислительных машинах (АВМ). ОУ, применяемые в АВМ, принято делить на 5 классов, из которых ОУ первого и второго класса имеют только один вход. Операционные усилители первого класса — усилители высокой точности (УВТ) с одним входом. Они предназначены для работы в составе интеграторов, сумматоров, устройств слежения-хранения, электронных коэффициентов. Высокий коэффициент усиления, предельно малые значения смещения нуля, входного тока и дрейфа нуля, высокое быстродействие обеспечивают снижение погрешности, вносимой усилителем, ниже 0,01 %. Операционные усилители второго класса — усилители средней точности (УСТ) также с одним входом, обладающие меньшим коэффициентом усиления и большими значениями смещения и дрейфа нуля. Эти ОУ предназначены для применения в составе электронных устройств установки коэффициентов, инверторов, электронных переключателей, в функциональных преобразователях, множительных устройствах. Помимо этого, некоторые ОУ могут иметь дополнительные выводы (предназначенные, например, для установки тока покоя, частотной коррекции, балансировки или других функций).

Выводы питания (V_S+ и V_S−) могут быть обозначены по-разному (см. выводы питания интегральных схем). Часто выводы питания не рисуют на схеме, чтобы не загромождать её несущественными деталями, при этом способ подключения этих выводов явно не указывается или считается очевидным (особенно часто это происходит при изображении одного усилителя из микросхемы с четырьмя усилителями с общими выводами питания). При обозначении ОУ на схемах можно менять местами инвертирующий и неинвертирующий входы, если это удобно; выводы питания, как правило, всегда располагают единственным способом (положительный вверху).

Основы функционирования

ОУ 741 в корпусе TO-5

Питание

В общем случае ОУ использует двуполярное питание, то есть источник питания имеет три вывода с потенциалами:

• U₊ (к нему подключается V_S+)
• 0
• U_— (к нему подключается V_S-)

Вывод источника питания с нулевым потенциалом непосредственно к ОУ обычно не подключается, но, как правило, является сигнальной землёй и используется для создания обратной связи. Часто вместо двуполярного используется более простое однополярное, а общая точка создаётся искусственно или совмещается с отрицательной шиной питания.

ОУ способны работать в широком диапазоне напряжений источников питания, типичное значение для ОУ общего применения от ±1,5 В до ±15 В при двуполярном питании (то есть U₊ = 1,5…15 В, U_— = -15…-1,5 В, допускается значительный перекос).

Простейшее включение ОУ

Рассмотрим работу ОУ как отдельного дифференциального усилителя, то есть без включения в рассмотрение каких-либо внешних компонентов. В этом случае ОУ ведёт себя как обычный усилитель с дифференциальным входом, то есть поведение ОУ описывается следующим образом:

((1))

здесь

• V_out: напряжение на выходе
• V₊: напряжение на неинвертирующем входе
• V₋: напряжение на инвертирующем входе
• G_openloop: коэффициент усиления с разомкнутой петлёй обратной связи

Все напряжения считаются относительно общей точки схемы. Рассматриваемый способ включения ОУ (без обратной связи) практически не используется^[2] вследствие присущих ему серьёзных недостатков:

• Коэффициент усиления с разомкнутой петлёй обратной связи G_openloop нормируется в очень широких пределах и может изменяться в тысячи раз (зависит сильнее всего от частоты сигнала и температуры).
• Коэффициент усиления очень велик (типичное значение 10⁶ на постоянном токе) и не поддаётся регулировке.
• Точка отсчёта входного и выходного напряжений не поддаются регулировке.

Идеальный операционный усилитель

Для того, чтобы рассматривать функционирование ОУ в режиме с обратной связью, необходимо вначале ввести понятие идеального операционного усилителя. Идеальный ОУ является физической абстракцией, то есть не может реально существовать, однако позволяет существенно упростить рассмотрение работы схем на ОУ благодаря использованию простых математических моделей.

Идеальный ОУ описывается формулой (1) и обладает следующими характеристиками:

1. Бесконечно большой коэффициент усиления с разомкнутой петлей обратной связи G_openloop.^[3]
2. Бесконечно большое входное сопротивление входов V_— и V₊. Другими словами, ток, протекающий через эти входы, равен нулю.
3. Нулевое выходное сопротивление выхода ОУ.
4. Способность выставить на выходе любое значение напряжения.
5. Бесконечно большая скорость нарастания напряжения на выходе ОУ.
6. Полоса пропускания: от постоянного тока до бесконечности.

Пункты 5 и 6 в действительности следуют из формулы (1), поскольку в неё не входят временны́е задержки и фазовые сдвиги. Из перечисленных условий следует важнейшее свойство идеального ОУ, упрощающее рассмотрение схем с его использованием:

Идеальный ОУ, охваченный отрицательной обратной связью, поддерживает одинаковое напряжение на своих входах ^[4][5]

Другими словами, при указанных условиях всегда выполняется равенство:

(2)

Не следует думать, что ОУ выравнивает напряжения на своих входах, подавая напряжение на входы «изнутри». На самом деле ОУ выставляет на выходе такое напряжение, которое через обратную связь подействует на входы таким образом, что разность входных напряжений уменьшится до нуля.

Легко убедиться в справедливости равенства (2). Допустим, (2) нарушено — имеет место небольшая разность напряжений. Тогда входное дифференциальное напряжение, усиленное в ОУ, вызвало бы (вследствие бесконечного коэффициента усиления) бесконечно большое выходное напряжение, которое, в соответствии с определением ООС, ещё уменьшило бы разность входных напряжений. И так до тех пор, пока равенство (2) не будет выполнено. Заметим, что выходное напряжение может быть любым — оно определяется видом обратной связи и входным напряжением.

Простейший неинвертирующий усилитель на ОУ

Из рассмотрения принципа работы идеального ОУ следует очень простая методика проектирования схем:

Пусть необходимо построить цепь на ОУ с требуемыми свойствами. Требуемые свойства заключаются прежде всего в заданном состоянии выхода (выходное напряжение, выходной ток и т. д.), которое, возможно, зависит от какого-либо входного воздействия. Для создания схемы нужно подключить к ОУ такую обратную связь, чтобы при требуемом выходном состоянии достигалось равенство напряжений на входах ОУ (инвертирующем и неинвертирующем), а обратная связь была бы отрицательной.

Таким образом, требуемое состояние системы будет устойчивым состоянием равновесия, и система будет в нем находиться неограниченно долго^[6]. Пользуясь этим упрощённым подходом, несложно получить простейшую схему усилителя.

Обозначение операционного усилителя на схемах, неинвертирующая схема включения

От усилителя требуется наличие на выходе напряжения, превышающего входное в K раз. В соответствии с приведённой выше методикой подадим на неинвертирующий вход ОУ сам входной сигнал, а на инвертирующий — выходной сигнал, поделённый в K раз резистивным делителем напряжения.

Пусть, K — коэффициент деления напряжения резистивным делителем R₁R₂:

K = R₁ / (R₁ + R₂)

тогда для неидеального ОУ (с конечным коэффициентом усиления G_openloop) имеем:

V₊ = V_in

V₋ = K V_out

V_out = G_openloop(V_in − K V_out)

Решая данную систему относительно V_out / V_in, получаем:

V_out/V_in = G_openloop/(1 + G_openloop K)

то есть получен усилитель, коэффициент усиления которого зависит от усиления ОУ и номиналов резисторов. Если же ОУ имеет очень большой коэффициент усиления G_openloop (много больший, чем 1/K), то коэффициент G_openloop в выражении сокращается и получаем более простое выражение:

V_out/V_in = 1/K = 1 + (R₂/R₁)

Таким образом, коэффициент передачи усилителя, построенного на ОУ с достаточно большим усилением, практически зависит только от параметров обратной связи. Это полезное свойство позволяет проектировать системы с очень стабильным коэффициентом передачи, необходимые, например, при измерениях и обработке сигналов.

Отличия реальных ОУ от идеального

Параметры ОУ, характеризующие его неидеальность, можно разбить на группы:

Параметры по постоянному току

• Ограниченное усиление: коэффициент G_openloop не бесконечен (типичное значение 10⁵ ÷ 10⁶ на постоянном токе). Этот эффект заметно проявляется только в случаях, когда коэффициент передачи каскада с ОУ отличается от параметра G_openloop в небольшое число раз (усиление каскада отличается от G_openloop на 1÷2 порядка или еще меньше).
• Ненулевой входной ток (или, что почти то же самое, ограниченное входное сопротивление): типичные значения входного тока составляют 10⁻⁹ ÷ 10⁻¹² А. Это накладывает ограничения на максимальное значение сопротивлений в цепи обратной связи, а также на возможности согласования по напряжению с источником сигнала. Некоторые ОУ имеют на входе дополнительные цепи для защиты входа от чрезмерного напряжения — эти цепи могут значительно ухудшить входное сопротивление. Поэтому некоторые ОУ выпускаются в защищенной и незащищенной версии.
• Ненулевое выходное сопротивление. Данное ограничение не имеет большого значения, так как наличие обратной связи эффективно уменьшает выходное сопротивление каскада на ОУ (практически до сколь угодно малых значений).
• Ненулевое напряжение смещения: требование о равенстве входных напряжений в активном состоянии для реальных ОУ выполняется не совсем точно — ОУ стремится поддерживать между своими входами не точно ноль вольт, а некоторое небольшое напряжение (напряжение смещения). Другими словами, реальный ОУ ведет себя как идеальный ОУ, у которого внутри последовательно с одним из входов включен генератор напряжения с ЭДС U_см. Напряжение смещения — очень важный параметр, он ограничивает точность ОУ, например, при сравнении двух напряжений. Типичные значения U_см составляют 10⁻³ ÷ 10⁻⁶ В.
• Ненулевое усиление синфазного сигнала. Идеальный ОУ усиливает только разницу входных напряжений, сами же напряжения значения не имеют. В реальных ОУ значение входного синфазного напряжения оказывает некоторое влияние на выходное напряжение. Данный эффект определяется параметром коэффициент ослабления синфазного сигнала (КОСС, англ. common-mode rejection ratio, CMRR), который показывает, во сколько раз приращение напряжения на выходе меньше, чем вызвавшее его приращение синфазного напряжения на входе ОУ. Типичные значения: 10⁴ ÷ 10⁶.

Параметры по переменному току

• Ограниченная полоса пропускания. Любой усилитель имеет конечную полосу пропускания, но фактор полосы не особенно значим для ОУ, поскольку они имеют внутреннюю частотную коррекцию для увеличения запаса по фазе.
• Ненулевая входная ёмкость. Образует паразитный фильтр нижних частот.
• Ненулевая задержка сигнала. Данный параметр, косвенно связанный с ограничением полосы пропускания, может ухудшить действие ООС при повышении рабочих частот.
• Ненулевое время восстановления после насыщения .

Нелинейные эффекты

• Насыщение — ограничение диапазона возможных значений выходного напряжения. Обычно выходное напряжение не может выйти за пределы напряжения питания. Насыщение имеет место в случае, когда выходное напряжение «должно быть» больше максимального или меньше минимального выходного напряжения. ОУ не может выйти за пределы, и выступающие части выходного сигнала «срезаются» (то есть ограничиваются).

В моменты насыщения усилитель не действует в соответствии с формулой (1), что вызывает отказ в работе ООС и появлению разности напряжений на его входах, что обычно является признаком неисправности схемы (и это легко обнаруживаемый наладчиком признак проблем). Исключение — работа ОУ в режиме компаратора.

• Искажение входного П-образного сигнала при ограниченной скорости нарастания выходного сигнала ОУ. Ограниченная скорость нарастания. Выходное напряжение ОУ не может измениться мгновенно. Скорость изменения выходного напряжения измеряется в вольтах за микросекунду, типичные значения 1÷100 В/мкс. Параметр обусловлен временем, необходимым для перезаряда внутренних ёмкостей.

Ограничения тока и напряжения

• Ограниченное выходное напряжение. У любого ОУ потенциал на выходе не может быть выше, чем потенциал положительной шины питания и не может быть ниже, чем потенциал отрицательной шины питания (в случае, если нагрузка отсутствует, или является резистивной и не содержит источник тока). Другими словами, выходное напряжение не может выйти за пределы питающего напряжения. Например, для ОУ opa277[1] выходное напряжение находится в пределах от V_S−+0,5 В до V_S+-2 В при сопротивлении нагрузки 10 кОм. Ширина этих «мертвых зон» выходного напряжения, которых выход ОУ не может достичь, зависит от ряда условий (сопротивление нагрузки, направление выходного тока и др.). Существуют ОУ, у которых мертвые зоны минимальны, например, по 50 мВ до шин питания при нагрузке 10 кОм для opa340[2], эта особенность ОУ называется «rail-to-rail» (от шины до шины).
• Ограниченный выходной ток. Большинство ОУ широкого применения имеют встроенную защиту от превышения выходного тока — типичное значение максимального тока 25 мА. Защита предотвращает перегрев и выход ОУ из строя.

Мощные ОУ, такие как К157УД1, могут иметь крепление для радиатора.

• Ограниченная выходная мощность. Большинство ОУ предназначено для применений, не требовательных к мощности: сопротивление нагрузки не должно быть менее 2 кОм.

Классификация ОУ

По типу элементной базы

^[7]

По области применения

Выпускаемые промышленностью операционные усилители постоянно совершенствуются, параметры ОУ приближаются к идеальным. Однако улучшить все параметры одновременно технически невозможно или нецелесообразно из-за дороговизны полученного чипа. Для того, чтобы расширить область применения ОУ, выпускаются различные их типы, в каждом из которых один или несколько параметров являются выдающимися, а остальные на обычном уровне (или даже чуть хуже). Это оправдано, так как в зависимости от сферы применения от ОУ требуется высокое значение того или иного параметра, но не всех сразу. Отсюда вытекает классификация ОУ по областям применения.

• Индустриальный стандарт. Так называют широко применяемые, очень дешевые ОУ общего применения со средними характеристиками. Пример «классических» ОУ: с биполярным входом — LM324, с полевым входом — TL084.
• Прецизионные ОУ имеют очень малые напряжения смещения, применяются в точных измерительных схемах. Обычно ОУ на биполярных транзисторах по этому показателю несколько лучше, чем на полевых. Также от прецизионных ОУ требуется долговременная стабильность параметров. Исключительно малыми смещениями обладают стабилизированные прерыванием ОУ. Примеры: AD707, AD708, с напряжением смещения 30 мкВ, а также новейшие AD8551 с типичным напряжением смещения 1 мкВ.
• С малым входным током (электрометрические) ОУ. Все ОУ, имеющие полевые транзисторы на входе, обладают малым входным током. Но среди них существуют специальные ОУ с исключительно малым входным током. Чтобы полностью реализовать их преимущества, при проектировании устройств с их использованием необходимо даже учитывать утечку тока по печатной плате. Пример: AD549 с входным током 6·10⁻¹⁴ А.
• Микромощные и программируемые ОУ потребляют малый ток на собственное питание. Такие ОУ не могут быть быстродействующими, так как малый потребляемый ток и высокое быстродействие — взаимоисключающие требования. Программируемыми называются ОУ, для которых все внутренние токи покоя можно задать с помощью внешнего тока, подаваемого на специальный вывод ОУ.
• Мощные (сильноточные) ОУ могут отдавать большой ток в нагрузку, то есть допустимое сопротивление нагрузки меньше стандартных 2 кОм, и может составлять до 50 Ом.
• Низковольтные ОУ работоспособны при напряжении питания 3 В и даже ниже. Как правило, они имеют rail-to-rail выход.
• Высоковольтные ОУ. Все напряжения для них (питания, синфазное входное, максимальное выходное) значительно больше, чем для ОУ широкого применения.
• Быстродействующие ОУ имеют высокую скорость нарастания и частоту единичного усиления. Такие ОУ не могут быть микромощными, и как правило выполнены на биполярных транзисторах.
• Малошумящие ОУ.
• Звуковые ОУ. Имеют минимально возможный коэффициент гармоник (THD).
• Для однополярного питания. CMOS ОУ обеспечивают выходное напряжение, практически равное напряжению питания (rail-to-rail, R2R), биполярные ОУ — примерно на 1.2 В меньше, что существенно при небольших значениях Ucc.
• Специализированные ОУ. Обычно разработаны для конкретных задач (подключение фотодатчика, магнитной головки, и др.). Могут содержать в себе готовые цепи ООС или отдельные необходимые для этого прецизионные резисторы.

Возможны также комбинации данных категорий, например, прецизионный быстродействующий ОУ.

Другие классификации

По входным сигналам:

• Обычный двухвходовый ОУ;
• ОУ с тремя входами ^[8]: третий вход, имеющий коэффициент передачи +1 (для чего используется внутренняя ООС), используется для расширения возможностей ОУ, например, смещение по напряжению выходных сигналов относительно входных, или возможность построения каскада с высоким выходным сопротивлением синфазному сигналу, что напоминает трансформатор с двумя обмотками, однако каскад на AD8132 передаёт и постоянный ток, что трансформатор не может.

По выходным сигналам:

• Обычный ОУ с одним выходом;
• ОУ с дифференциальным выходом ^[9]

Использование ОУ в схемотехнике

Использование ОУ как схемотехнического элемента гораздо проще и понятнее, чем оперирование отдельными элементами, его составляющими (транзисторов, резисторов и т. д.). При проектировании устройств на первом (приближённом) этапе операционные усилители можно считать идеальными. Далее для каждого ОУ определяются требования, которые накладывает на него схема, и подбирается ОУ, удовлетворяющий этим требованиям. Если получается, что требования к ОУ слишком жёсткие, то можно частично перепроектировать схему для обхода данной проблемы.

Принципиальная схема операционного усилителя

Схемы на операционных усилителях

Операционные усилители являются основным элементом для дифференциаторов.

Области применения

См. также

Примечания

1. ↑ http://cxem.net/beginner/beginner96.php
2. ↑ Единственным исключением является простейший аналоговый компаратор
3. ↑ Казалось бы, это бессмысленное допущение, поскольку при этом на выходе было бы бесконечное напряжение всегда, за исключением редкого случая, когда напряжения на входах V_— и V₊ равны. В действительности выходное напряжение даже в теоретической модели всегда ограничено из-за использования отрицательной обратной связи.
4. ↑ Путём изменения выходного напряжения
5. ↑ Если система (ОУ с ОС) устойчива
6. ↑ Это очень упрощённый подход, в действительности необходимо учитывать другие возможные состояния равновесия, а также ряд других факторов.
7. ↑ По типу элементной базы, используемой для построения входных цепей (моста)
8. ↑ AD8132 — ОУ, имеющий третий вход с усилением +1
9. ↑ AD8132 — ОУ с дифференциальным выходом

Ссылки

Описание и применение операционного усилителя LM358. Схемы включения, аналог, datasheet

Микросхема LM358 в одном корпусе содержит два независимых маломощных операционных усилителя с высоким коэффициентом усиления и частотной компенсацией. Отличается низким потреблением тока. Особенность данного усилителя – возможность работать в схемах с однополярным питанием от 3 до 32 вольт. Выход имеет защиту от короткого замыкания.

Описание  операционного усилителя LM358

Область применения — в качестве усилительного преобразователя, в схемах преобразования постоянного напряжения, и во всех стандартных схемах, где используются операционные усилители, как с однополярным питающим напряжением, так и двухполярным.

Тестер транзисторов / ESR-метр / генератор

Многофункциональный прибор для проверки транзисторов, диодов, тиристоров…

Технические характеристики LM358

• Однополярное питание: от 3 В до 32 В.
• Двухполярное питание: ± 1,5 до ± 16 В.
• Ток потребления: 0,7 мА.
• Входное напряжение смещения: 3 мВ.
• Дифференциальное входное напряжение: 32 В.
• Синфазный входной ток: 20 нА.
• Дифференциальный входной ток: 2 нА.
• Дифференциальный коэффициент усиления по напряжению: 100 дБ.
• Размах выходного напряжения: от 0 В до VCC — 1,5 В.
• Коэффициент гармонических искажений: 0,02%.
• Максимальная скорость нарастания выходного сигнала: 0,6 В/мкс.
• Частота единичного усиления (с температурной компенсацией): 1,0 МГц.
• Максимальная рассеиваемая мощность: 830 мВт.
• Диапазон рабочих температур: 0…70 гр.С.

Габаритные размеры и назначения выводов LM358 (LM358N)

Аналоги LM358

Ниже приведен список зарубежных и отечественных аналогов операционного усилителя LM358:

• GL358
• NE532
• OP221
• OP290
• OP295
• TA75358P
• UPC358C
• AN6561
• CA358E
• HA17904
• КР1040УД1 (отечественный аналог)
• КР1053УД2 (отечественный аналог)
• КР1401УД5 (отечественный аналог)

Примеры применения (схемы включения) усилителя LM358

Простой неинвертирующий усилитель

 Компаратор с гистерезисом

Допустим, что потенциал, поступающий на инвертирующий вход, плавно возрастает. При достижении его уровня чуть выше опорного (Vh -Vref), на выходе компаратора возникнет высокий логический уровень. Если после этого входной потенциал начнет медленно снижаться, то выход компаратора переключится на низкий логический  уровень при значении немного ниже опорного (Vref – Vl). В данном примере разница между (Vh -Vref) и (Vref – Vl)  будет значение гистерезиса.

Генератор синусоидального сигнала с мостом Вина

Мостовой генератор Вина (Wien bridge oscillator) — является одним из видов электронного генератора, который генерирует волны синусоидальной формы. Он может генерировать широкий спектр частот. Генератор основан на мостовой схеме, изначально разработанной Максом Вином в 1891 году. Класический генератор Вина состоит из четырех резисторов и двух конденсаторов. Генератор можно также рассматривать в качестве прямого усилителя в сочетании с полосовым фильтром, который обеспечивает положительную обратную связь.

Hantek 2000 — осциллограф 3 в 1

Портативный USB осциллограф, 2 канала, 40 МГц….

 Дифференциальный усилитель на LM358

Назначение данной схемы — усиление разности двух входящих сигналов, при этом каждый из них умножается на определенную постоянную величину.

Дифференциальный усилитель — это хорошо известная электрическая схема, применяемая для усиления разности напряжений 2-х сигналов, поступающих на его входы. В теоретической модели дифференциального усилителя величина выходного сигнала не зависит от величины каждого отдельного входного сигнала, а зависит строго от их разности. 

Функциональный генератор

Данный функциональный генератор вырабатывает сигналы треугольной и прямоугольной формы.

Генератор прямоугольных импульсов на LM358

В качестве примера использования  приведем схему микрофонного усилителя на LM358:

Скачать datasheet LM358 (808,0 KiB, скачано: 14 492)

Операционные усилители с однополярным питанием

РАЗДЕЛ 3: Усилители для нормирования сигналов

Унекоторых операционных усилителей, например, семейство ОР191/OP291/OP491

иОР279, порог переключения от одной пары транзисторов к другой находится при синфазном напряжении на 1 В ниже положительной шины питания. p-n-p дифференциальный входной каскад приблизительно активен от 200 мВ ниже отрицательной шины питания до 1 В ниже положительной шины. По данному диапазону синфазных сигналов напряжение смещения, входной ток, ОСС, шумы напряжения/тока ОУ определяются, главным образом, характеристиками p-n-p транзисторной пары. Однако, при переключении входное напряжение смещения может резко измениться, из-за того что оно представляет собой среднее значение напряжений смещения p-n-p и n-p-n транзисторных пар. Входные токи усилителя изменят полярность и величину в момент включения n-p-n пары.

Операционные усилители, например, ОР184/OP284/OP484, используют входной каскад с технологией «от питания до питания», в котором обе транзисторные пары n-p-n

иp-n-p активны во всем диапазоне синфазных сигналов, и порога переключения не существует. Входное напряжение смещения усилителя является средним из напряжений смещения p-n-p и n-p-n каскадов.

Усилитель дает плавное изменение входного напряжения смещения по всему диапазону входного синфазного напряжения, что достигается тщательной лазерной подгонкой резисторов входного каскада. Это же происходит и со входным током. Исключение составляют крайние точки (не доходя 1 В до уровней питания), где напряжение смещения и входной ток резко изменяются вследствие открытия паразитных p-n переходов.

Когда обе дифференциальные пары транзисторов активны по всему диапазону входного синфазного напряжения, переходная характеристика усилителя более быстра в области середины диапазона синфазного сигнала (в два раза выше для биполярных транзисторов и в √2 раз в случае JFET транзисторов). Переходная проводимость входного каскада определяет скорость нарастания выходного напряжения и частоту единичного усиления усилителя, следовательно, время отклика слегка уменьшится в крайних точках диапазона синфазного сигнала, когда, либо p-n-p каскад (сигнал приближается к положительной шине питания), либо n-p-n каскад (сигнал идет в сторону отрицательной шины) вводятся в режим отсечки. Пороги, при которых переходная проводимость изменяется, отстоят приблизительно на 1 В от каждой шины питания.

По этой причине для приложений, требующих действительных входов «от питания до питания», следует тщательно оценивать операционный усилитель с тем, чтобы отобранные усилители гарантировали нужные для работы: входное напряжение смещения, входной ток, ОСС и шумы (тока и напряжения).

Выходные каскады ОУ с однополярным питанием

Выходные каскады первых операционных усилителей представляли собой n-p-n эмиттерные повторители с источниками тока или резисторами на «землю», как показано в левой части Рис.3.21. В действительности, скорости нарастания получались выше для положительных перепадов сигналов, нежели для отрицательных. В то время как современные операционные усилители имеют пуш-пульные выходные каскады различного типа, многие из них обладают асимметричностью и имеют скорость нарастания выходного сигнала в одну сторону выше, чем в другую. Асимметрия вводит искажения в сигналы переменного тока и проистекает из технологического процесса, дающего более быстрые n-p-n транзисторы, чем p-n-p транзисторы. Асимметрия может также привести к тому, что выходной сигнал будет приближаться к одной из шин питания ближе, чем к другой.

©АВТЭКС Санкт-Петербург (812) 567-7202, http://www.autexspb.da.ru, E-mail: autex@newmail.ru Автор перевода: Горшков Б.Л.

Фильтр на оу с однополярным питанием

При проектировании активного фильтра на основе ОУ заранее должны быть определены следующие данные:

† имеющиеся в наличии источники питания – двуполярный или однополярный;

† диапазон пропускаемых и фильтруемых частот;

† частота перехода, т. е. точка характеристики, в которой фильтр начинает работать, либо резонансная частота, вокруг которой характеристика фильтра симметрична;

† начальное значение емкости конденсатора: для фильтров верхних частот (ФВЧ) его следует выбирать от 100 пФ, а для фильтров нижних частот – от 0,1 мкФ.

Рассмотрим шесть вариантов структур активных фильтров. На частотных характеристиках заштрихована область пропускания частот.

1. Фильтр нижних частот (ФНЧ). Схема фильтра для двухполярного источника питания показана на рис. П.2.1а, а для однополярного – на рис. П.2.1б. Амплитудная характеристика фильтра показана на рис. П.2.2. Такой фильтр представляет собой фильтр с единичным коэффициентом передачи.

а

б

1. Выбираем величину емкости С1 (согласно рекомендациям).

3. Рассчитываем величины резисторов R1 и R2:

,

где f – частота основной гармоники выходного напряжения фильтра.

Для фильтра с однополярным питанием (рис. 1б) С_вх = С_вых = (100…1000)С₁ (не критично), а R₃ = R₄ = 100 кОм.

2. Фильтр верхних частот (ФВЧ). Схема фильтра для двухполярного источника питания показана на рис. П.2.3а, а для однополярного – на рис. П.2.3б. Амплитудная характеристика фильтра показана на рис. П.2.4.

а)

б)

2. Рассчитываем величину резистора R1:

,

3. Рассчитываем величину резистора R2:

,

где f – частота основной гармоники выходного напряжения фильтра.

Для фильтра с однополярным питанием (рис. 3б) С_вх = С_вых = (100…1000) ∙ С₁ (не критично).

3. Узкополосный фильтр. Схема фильтра для двухполярного источника питания показана на рис. П.2.5а, а для однополярного – на рис. П.2.5б. Амплитудная характеристика фильтра показана на рис. П.2.6.

а)

б)

Добротность такого фильтра Q = 10, что позволяет получить коэффициент передачи k = 10, поскольку

.

Более высокую добротность выбирать нецелесообразно, поскольку произведение коэффициента усиления на ширину полосы пропускания операционного усилителя можно с легкостью обеспечить даже при k = 20 Дб. По крайней мере полоса шириной 40 Дб должна быть обеспечена выше пика резонансной частоты. Скорость нарастания выходного напряжения операционного усилителя должна быть достаточной для того, чтобы амплитуда выходного напряжения на резонансной частоте достигла необходимого уровня.

2. Рассчитываем величину резисторов:

,

где f – частота входного напряжения.

Для фильтра с однополярным питанием (рис. 3б) С_вх = С_вых = (100…1000) ∙ С₁ (не критично).

4. Широкополосный фильтр. Схема фильтра для двухполярного источника питания показана на рис. 7а, а для однополярного – на рис. П.2.7б. Амплитудная характеристика фильтра показана на рис. П.2.8. Начальная и конечная частоты полосы пропускания должны отличаться по крайней мере в пять раз.

а)

б)

Это ничто иное, как каскадное включение фильтров Салена-Ки верхних и нижних частот. Сначала работает высокочастотный фильтр, поэтому энергия на его выходе, стремящаяся к бесконечной частоте, проходит через фильтр нижних частот.

1. С помощью раздела 2 рассчитываем фильтр верхних частот для нижнего предела полосы пропускания.

2. С помощью раздела 1 рассчитываем фильтр нижних чатот для верхнего предела полосы пропускания.

Для фильтра с однополярным питанием (рис. 3б) С_вх = С_вых = (100…1000) ∙ С₁ (не критично).

5. Фильтр-пробка. Схема фильтра для двухполярного источника питания показана на рис. 9а, а для однополярного – на рис. П.2.9б. Амплитудная характеристика фильтра показана на рис. П.2.10. Начальная и конечная частоты полосы пропускания должны отличаться по крайней мере в пять раз.

а)

б)

В такой схеме добротность Q = 10. Она может регулироваться независимо от резонансной частоты изменением R1 и R2. Добротность зависит от резистора, задающего резонансную частоту следующим образом:

.

При такой топологии схемы фильтра коэффициент передачи равен 1.

Единственная проблема – это амплитуда синфазной помехи нижнего усилителя в случае однополярного питания.

2. Рассчитываем величину резисторов:

,

где f – частота входного напряжения.

Для фильтра с однополярным питанием (рис. 3б) С_вх = С_вых = (100…1000) ∙ С₁ (не критично), R₅ = R₆ = 100 кОм.

5. Полосовой заградительный фильтр. Схема фильтра для двухполярного источника питания показана на рис. П.2.11а, а для однополярного – на рис. П.2.11б. Амплитудная характеристика фильтра показана на рис. П.2.12. Начальная и конечная частоты полосы пропускания должны отличаться по крайней мере в пятьдесят раз.

а)

б)

Рис. П.2.12

В этом случае каскадное включение невозможно, поскольку характеристики фильтров не перекрываются, как в случае широкополосного фильтра

1. С помощью раздела 2 рассчитываем фильтр верхних частот для нижнего предела верхней полосы пропускания.

2. С помощью раздела 1 рассчитываем фильтр нижних частот для верхнего предела нижней полосы пропускания.

Для фильтра с однополярным питанием (рис. 3б) Свх = Свых =
= (100…1000) ∙ С1 (не критично). R3 = R4 = R5 = 100 к.

Приложение 3

АКТИВНЫЕ ВЫПРЯМИТЕЛИ

Часто требуется выделение составляющей сигнала одной полярности (однополупериодное выпрямление), либо определение абсолютного значения сигнала (двухполупериодное выпрямление). Такие схемы могут быть реализованы с помощью диодно-резис-тивных цепей. Однако большое падение напряжение на диода при прямом смещении (0,5–1 В) и нелинейность их вольт-амперных характеристик внесут существенные погрешности, особенно при небольших уровнях входного сигнала. Применение ОУ позволяет существенно ослабить влияние характеристик реальных диодов.

Схемы неинвертирующих однополупериодных выпрямителей показаны на рис. П.3.1. (и_вых > 0 – рис. П.3.1а; и_вых 0 – рис. 3а, б; и_вых

Дата добавления: 2016-09-03 ; просмотров: 2285 | Нарушение авторских прав

При проектировании активного фильтра на основе ОУ заранее должны быть определены следующие данные:

† имеющиеся в наличии источники питания – двуполярный или однополярный;

† диапазон пропускаемых и фильтруемых частот;

† частота перехода, т. е. точка характеристики, в которой фильтр начинает работать, либо резонансная частота, вокруг которой характеристика фильтра симметрична;

† начальное значение емкости конденсатора: для фильтров верхних частот (ФВЧ) его следует выбирать от 100 пФ, а для фильтров нижних частот – от 0,1 мкФ.

Рассмотрим шесть вариантов структур активных фильтров. На частотных характеристиках заштрихована область пропускания частот.

1. Фильтр нижних частот (ФНЧ). Схема фильтра для двухполярного источника питания показана на рис. П.2.1а, а для однополярного – на рис. П.2.1б. Амплитудная характеристика фильтра показана на рис. П.2.2. Такой фильтр представляет собой фильтр с единичным коэффициентом передачи.

а

б

1. Выбираем величину емкости С1 (согласно рекомендациям).

3. Рассчитываем величины резисторов R1 и R2:

,

где f – частота основной гармоники выходного напряжения фильтра.

Для фильтра с однополярным питанием (рис. 1б) С_вх = С_вых = (100…1000)С₁ (не критично), а R₃ = R₄ = 100 кОм.

2. Фильтр верхних частот (ФВЧ). Схема фильтра для двухполярного источника питания показана на рис. П.2.3а, а для однополярного – на рис. П.2.3б. Амплитудная характеристика фильтра показана на рис. П.2.4.

а)

б)

2. Рассчитываем величину резистора R1:

,

3. Рассчитываем величину резистора R2:

,

где f – частота основной гармоники выходного напряжения фильтра.

Для фильтра с однополярным питанием (рис. 3б) С_вх = С_вых = (100…1000) ∙ С₁ (не критично).

3. Узкополосный фильтр. Схема фильтра для двухполярного источника питания показана на рис. П.2.5а, а для однополярного – на рис. П.2.5б. Амплитудная характеристика фильтра показана на рис. П.2.6.

а)

б)

Добротность такого фильтра Q = 10, что позволяет получить коэффициент передачи k = 10, поскольку

.

Более высокую добротность выбирать нецелесообразно, поскольку произведение коэффициента усиления на ширину полосы пропускания операционного усилителя можно с легкостью обеспечить даже при k = 20 Дб. По крайней мере полоса шириной 40 Дб должна быть обеспечена выше пика резонансной частоты. Скорость нарастания выходного напряжения операционного усилителя должна быть достаточной для того, чтобы амплитуда выходного напряжения на резонансной частоте достигла необходимого уровня.

2. Рассчитываем величину резисторов:

,

где f – частота входного напряжения.

Для фильтра с однополярным питанием (рис. 3б) С_вх = С_вых = (100…1000) ∙ С₁ (не критично).

4. Широкополосный фильтр. Схема фильтра для двухполярного источника питания показана на рис. 7а, а для однополярного – на рис. П.2.7б. Амплитудная характеристика фильтра показана на рис. П.2.8. Начальная и конечная частоты полосы пропускания должны отличаться по крайней мере в пять раз.

а)

б)

Это ничто иное, как каскадное включение фильтров Салена-Ки верхних и нижних частот. Сначала работает высокочастотный фильтр, поэтому энергия на его выходе, стремящаяся к бесконечной частоте, проходит через фильтр нижних частот.

1. С помощью раздела 2 рассчитываем фильтр верхних частот для нижнего предела полосы пропускания.

2. С помощью раздела 1 рассчитываем фильтр нижних чатот для верхнего предела полосы пропускания.

Для фильтра с однополярным питанием (рис. 3б) С_вх = С_вых = (100…1000) ∙ С₁ (не критично).

5. Фильтр-пробка. Схема фильтра для двухполярного источника питания показана на рис. 9а, а для однополярного – на рис. П.2.9б. Амплитудная характеристика фильтра показана на рис. П.2.10. Начальная и конечная частоты полосы пропускания должны отличаться по крайней мере в пять раз.

а)

б)

В такой схеме добротность Q = 10. Она может регулироваться независимо от резонансной частоты изменением R1 и R2. Добротность зависит от резистора, задающего резонансную частоту следующим образом:

.

При такой топологии схемы фильтра коэффициент передачи равен 1.

Единственная проблема – это амплитуда синфазной помехи нижнего усилителя в случае однополярного питания.

2. Рассчитываем величину резисторов:

,

где f – частота входного напряжения.

Для фильтра с однополярным питанием (рис. 3б) С_вх = С_вых = (100…1000) ∙ С₁ (не критично), R₅ = R₆ = 100 кОм.

5. Полосовой заградительный фильтр. Схема фильтра для двухполярного источника питания показана на рис. П.2.11а, а для однополярного – на рис. П.2.11б. Амплитудная характеристика фильтра показана на рис. П.2.12. Начальная и конечная частоты полосы пропускания должны отличаться по крайней мере в пятьдесят раз.

а)

б)

Рис. П.2.12

В этом случае каскадное включение невозможно, поскольку характеристики фильтров не перекрываются, как в случае широкополосного фильтра

1. С помощью раздела 2 рассчитываем фильтр верхних частот для нижнего предела верхней полосы пропускания.

2. С помощью раздела 1 рассчитываем фильтр нижних частот для верхнего предела нижней полосы пропускания.

Для фильтра с однополярным питанием (рис. 3б) Свх = Свых =
= (100…1000) ∙ С1 (не критично). R3 = R4 = R5 = 100 к.

Приложение 3

АКТИВНЫЕ ВЫПРЯМИТЕЛИ

Часто требуется выделение составляющей сигнала одной полярности (однополупериодное выпрямление), либо определение абсолютного значения сигнала (двухполупериодное выпрямление). Такие схемы могут быть реализованы с помощью диодно-резис-тивных цепей. Однако большое падение напряжение на диода при прямом смещении (0,5–1 В) и нелинейность их вольт-амперных характеристик внесут существенные погрешности, особенно при небольших уровнях входного сигнала. Применение ОУ позволяет существенно ослабить влияние характеристик реальных диодов.

Схемы неинвертирующих однополупериодных выпрямителей показаны на рис. П.3.1. (и_вых > 0 – рис. П.3.1а; и_вых 0 – рис. 3а, б; и_вых

Дата добавления: 2016-09-03 ; просмотров: 2286 | Нарушение авторских прав

Разрабатывая «радиоуправляемое реле» я решил использовать частотный способ кодирования команд управления. При этом фильтр было принято решение построить на ОУ, так как в корпусе оставался еще не задействованный блок ОУ. Но на этом фантазировать я еще не закончил, немного подумал и решил, что можно еще с экономить на деталях используя элементы, которые есть в наличии. Это и привело к написанию этой статьи «расчет полосового фильтра на ОУ». Покопавшись в книгах, собрав всю необходимую информацию составил алгоритм расчета фильтра с однополярным питанием. Но об этом потом, а сейчас не много теории.

Все фильтры разделяются на: активные фильтры, использующие для формирования частотной характеристики заданного вида как пассивные (резисторы и конденсаторы), так и активные (транзисторы, микросхемы) элементы, и пассивные фильтры, которые для формирования частотной характеристики заданного вида используют только пассивные (резисторы и конденсаторы) элементы. А сейчас поговорим о полосовых фильтрах.

Полосовой фильтр так называется потому, что он пропускает только тот частотный диапазон на который настроен, при этом частоты находящиеся за пределами данного диапазона ослабляются. Любой полосовой фильтр имеет несколько основных параметров определяющих его характеристики: полоса пропускания (полоса в которой сигнал проходя через фильтр имеет наименьшее затухание), полоса затухания (полоса в которой, сигналы ослабляются), коэффициент усиления (характеристика фильтра, которая отвечает за то во сколько раз сигнал будет усилен или ослаблен в полосе пропускания).

Идеальный полосовой фильтр имеет прямоугольную полосу пропускания, но на практике этого добиться невозможно, а можно только в какой-то степени лишь приблизиться такой форме. Реальный фильтр неспособен полностью задержать частоты за границами желаемого диапазона частот, в результате имеется область у границ заданного диапазона, где сигнал только частично ослабляется. Эта область называется крутизной спада фильтра, и измеряется в «дБ» затухания на октаву.

Принцип работы полосового фильтра основан на изменении коэффициента усиления в зависимости от частоты входного сигнала. Основной в фильтре является RC-цепочка, включенная в цепь обратной связи которая, при изменении частоты влияет на коэффициента усиления. Ну все думаю теории хватит перейдем к расчетам.

Расчет произведем по ниже приведенной схеме. Элементы R1-R3 и C1, C2 – определяют полосу пропускания и коэффициент усиления. R4, R5 – смещение рабочей точки, это необходимо для питания от однополярного источника. Микросхема ОУ выполняет роль активного элемента и подключать ее необходимо согласно Datasheet. Ниже схемы на картинках приведен расчет полосового фильтра на ОУ, но вы так же можете воспользоваться файлами расчета в Mathcad 14 и модели в Multisim 11.

Схема полосового фильтра на ОУ

Данный фильтр можно использовать в светомузыкальных устройствах, радиоуправлении, датчиках и так далее.

Новые прецизионные микромощные операционные усилители фирмы Analog Devices Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

Окончание. Начало №№ 4-5’2001

Новая продукция фирмы Analog Devices

Прецизионные микромощные операционные усилители с однополярным питанием OP777/OP727/OP747

Дмитрий Садченков

pierce_arrow@mtu-net.ru

ОС

перационные усилители (ОУ) с однополяр-| ным питанием ОР777, ОР727 и ОР747 представляют собой соответственно прецизионные гаДЧо-гаД одиночные, сдвоенные и счетверенные ОУ с микротоковым потреблением. Они являются следующим поколением ставших промышленным стандартом усилителей ОР07, работающих от источника питания напряжением ±15 В. Для питания этих ОУ необходим либо однополярный источник напряжением 2,7…30 В, либо двухполярный — напряжением от ±1,35 до ±15 В. Потребляемый ток составляет не более 300 мкА при напряжении питания 5 В. Напряжение смещения ОУ не превышает 100 мкВ, ток смещения составляет 10 нА. Допустимая емкость нагрузки — 500 пФ. Включенные на входах последовательно резисторы сопротивлением 500 Ом обеспечивают защиту, даже если входной сигнал превышает напряжение источника питания на несколько вольт (без поворота фазы). Все ОУ работают в промышленном диапазоне температур от -40 до +85 °С. Одиночные ОУ ОР777 выпускаются в 8-выводных корпусах типа МвОР или вО1С, сдвоенные ОР727 — в 8-выводных ТвОР, счетверенные ОР747 — в 14-выводных ТввОР или вО.

Область применения данных ОУ очень широка. Это устройства, питаемые по линии, портативные приборы, усилители в датчиках дистанционного управления, прецизионные фильтры.

Входные каскады ОУ ОР777, ОР727 и ОР747 выполнены на прецизионных биполярных транзисторах структуры р-п-р, которые имеют высокое напряжение пробоя, низкий уровень собственных шумов и обеспечивают высокий коэффициент усиления. Он согласован с выходным каскадом на высоковольтных КМОП-транзисторах.

На рис. 1 представлена схема включения ОУ ОР777, ОР727 и ОР747 для работы в качестве дифференциального усилителя с однополярным питанием +2,7 В. Входное напряжение не более 400 мВ

подается на неинвертирующий вход. Режим микро-токового потребления обеспечивается за счет включения резисторов с большим сопротивлением на входе и в цепь обратной связи (ОС).

Обычно, когда напряжение на входе велико и превышает величину ограничения диодным ограничителем или напряжение питания, возникает ток большой величины, протекающий через ОУ от вывода, подключенного к источнику питания, ко входу и способный вывести ОУ из строя. В ОУ ОР777, ОР727 и ОР747 подача на вход дифференциальных напряжений, близких по величине к напряжению питания, проблем не вызовет: они имеют встроенные токоограничительные резисторы сопротивлением 500 Ом, включенные во входные цепи последовательно, что предохраняет ОУ от пробоя. Эта мера обеспечивает протекание тока величиной не более 5 мА в экстремальных случаях. В сочетании с использованием входных транзисторов с высоким напряжением пробоя стало возможным отказаться от применения на входе ОУ токоограничительных диодов, применяемых в большинстве прецизионных усилителей. Эти диоды, кроме того, значительно влияют на точность работы таких устройств, как прецизионные выпрямители и компараторы. Всех этих недостатков ОУ ОР777, ОР727 и ОР747 лишены. Более того, они имеют специальную схему защиты от поворота фазы при перегрузке по входу. При эксплуатации ОУ рекомендуется, чтобы управляющее напряжение не превышало напряжения шины питания более чем на 3 В.

Выходные каскады ОУ ОР777, ОР727 и ОР747 построены на КМОП-транзисторах и обеспечивают на выходе симметричный неискаженный сигнал. Максимальный размах выходного напряжения отличается от напряжения источника питания не более чем на 1 мВ. ОУ ОР777, ОР727 и ОР747 устойчиво работают в повторителях напряжения. Их выходные каскады имеют защиту от короткого замыкания. Величина тока короткого замыкания нагрузки, который не способен вывести ОУ из строя, может достигать 30 мА.

При разработке схем управления источников питания большое внимание уделяется надежности их длительной работы при изменяющихся в широких пределах токах нагрузки.ешЕ’ Поэтому ток через транзистор Q1 прямо пропорционален току через И5ЕМ5Е, а выходное напряжение будет равно:

V =5 В’ OUT

R\

SENSE

■h

У

Падение напряжения на резисторе И2 увеличивается с увеличением тока 1ь, поэтому выходное напряжение уменьшается при увеличении выходного тока. Для элементов, указанных на схеме, величина выходного напряжения составляет 2,5 В при обратном токе 1 А.

ОУ ОР777, ОР727 и ОР747 хорошо подходят для приложений, в основе которых лежит электрический мост. На рис. 3 изображена схема, используемая в однополярном источнике питания. Ее выходной сигнал линейно пропорционален дробному отклонению моста (8). Напомним, что

8 =М/Д’

В системах с двуполярным питанием схема, изображенная на рис. 4, может быть использована для детектирования выходных сигналов моста, которые линейны относительно его дробного отклонения.

На рис. 5 показана схема однополярного источника тока. Резисторы с большим сопротивлением обеспечивают режим микротоко-вого потребления. Величина выходного тока устанавливается резистором К2Б.

Схема однополярного инструментального усилителя на основе ОУ ОР727 изображена на рис. 6. В ней должно выполняться условие: И3/И4 = И1/И2. Коэффициент ослабления синфазного сигнала при постоянном токе составляет:

CMRR — 20 • logf10%_ . къу(К1. щ

Он достигает 100 дБ при рассогласовании соотношения сопротивлений резисторов на 0,1%.7 R1 = 100k£2

lOpF

R2 = R2A + R2B

R2

R2A +

97.3 k£l

° R1 X R2B s = 1mA-11mA

rLOAD

T

Рис. 5

АР8322 — драйвер линии для систем передачи данных по сетям кабельного телевидения с 5-вольтовым питанием

ЛБ8322 представляет собой недорогой усилитель с цифровой регулировкой коэффициента усиления, предназначенный для управления сигналами в коаксиальных кабельных линиях на основе модемов стандарта МС№-БОСвК. Коэффициент усиления регулируется с шагом 6,02 дБ на основной несущей и может достигать значений от -12,64 до 29,5 дБ. Он определяется значением 8-битного последовательного слова, подаваемого на вход управления. ЛБ8322 имеет низкий коэффициент шума и работа-

R3 = ІО.ІкП

R4 = 1 МП

2.7VTO 30V

R2 = 1 МП

R1 = 10.1 к£2

1/2ОР727

VI ——1

V2————————

Vo = 100(V2-Vl)

0.02mV< VI — V2 < 290mV

рис. 6 оит

более высокий коэффициент усиления по сравнению с подобной схемой с применением трех ОУ.

ет на нагрузку сопротивлением 75 Ом (коаксиальный кабель). Структурная схема драйвера ЛБ8322 представлена на рис. 7.

В составе микросхемы — входной усилитель с дифференциальным входом (фаза выходного сигнала отличается от фазы входного на 180°). Входной усилитель управляется посредством ЦАП, что обеспечивает регулировку коэффициента усиления. Далее сигналы усиливаются

5VO-

SDATAO

DATEN О

PD О—

Рис. 9

-LlOuF

2

3

0.1 nF Л

5

0*1 М-F. і 6

7

O.lnF 8

9

0.1 nF’ 10

14

AD8322TSSOP

SDATA GND12

CLK VCC6

DATEN VIN-

GND1 VIN+

BYP GND11

VCC VCC5

PD GND10

VCCI VCC4

VCC2 VCC3

OUT- OUT+

GND2 GND9

GND3 GND8

GND4 GND7

GND5 GND6

0.iF

0.1

0.1 (lF

0.1 |lF

П432п

0.1 (lF

0.1 nF

0.1 (lF

0.1 |lF

: TOKO 617DB-A0070

TO DIPLEXER

Z|fg=75£2

—О V,N. Z|n=150£2

—О V|N4.

в оконечном усилителе мощности, охваченном отрицательной обратной связью, что обеспечивает постоянство выходного сопротивления драйвера.

Одним из наиболее важных преимуществ AD8322 является постоянство выходного сопротивления 75 Ом, которое не зависит от режима управления питанием (Power-Up,

мости согласования усилителя с нагрузкой. Его выходное напряжение в два раза выше выходного напряжения обычного ОУ.

AD8322 выпускаются в 28-выводных корпусах типа TSSOP и работают в диапазоне температур от -40 до +85 °С.

Основное назначение AD8322 — усиление мощности сигналов от кабельных модемов в системах передачи данных поверх сигналов кабельного телевидения DOCSIS (Data Over Cable Service Interface). Подаваемые на драйвер сигналы данных модулированы по стандарту QPSK или QAM. На драйвер AD8322 эти сигналы поступают с ЦАП, и иногда требуется их фильтрация с использованием ФНЧ. Поскольку расстояние до каждого получателя (группы получателей) данных изменяется, в драйвере реализована функция регулировки усиления.

Усиление драйвера определяется сигналами, подаваемыми на порты управления последовательного интерфейса периферийных устройств SPI (Serial Peripheral Interface) — DATEN, SDATA, CLK. Загрузка данных начинается по спаду импульса на выв. DATEN. 8-битный код поступает с порта SDATA на последовательный регистр сдвига. Если линия CLK активна, коэффициент усиления остается неизменным.

Дифференциальное входное сопротивление AD8322 составляет 235 Ом. При необходимости обеспечить входное сопротивление равным 75 Ом используется схема, изображенная на рис. 8. Можно добиться и других значений входного сопротивления, определяемых резистором R1:

z =RV 210.

На рис. 9 приведена типовая схема включения AD8322. Следует обратить внимание на то, чтобы все выводы GND были соединены с общим (земляным) проводом. Выходной трансформатор должен иметь коэффициент трансформации 1:1. Вместо трансформатора типа 617DB-A0070 можно использовать MA/COM ETC-1-1T-15.

Для разработки приложений на основе AD8322 фирмой Analog Devices выпускается специальная плата — AD8322-EVAL (Evaluation Board), поставляемая с программным обеспечением CABDRIVE_22, работающим из-под ОС Windows. Принципиальная схема AD8322-EVAL приведена на рис. 10.

Кроме драйвера AD8322 выпускается близкий ему по параметрам драйвер AD8323 (рис. 10).

Как избежать проблем с нестабильностью операционных усилителей в приложениях с однополярным питанием

Одиночное или двойное питание?

Несмотря на то, что выгодно реализовать схемы операционного усилителя со сбалансированным двойным источником питания, существует множество практических приложений, где из соображений энергосбережения или по другим причинам работа с однополярным питанием необходима или желательна. Например, аккумуляторная батарея в автомобильном и судостроительном оборудовании обеспечивает только одну полярность. Даже оборудование с питанием от сети, такое как компьютеры, может иметь только однополярный встроенный источник питания, обеспечивающий для системы +5 В или +12 В постоянного тока.При обработке аналоговых сигналов общей особенностью работы с однополярным питанием является необходимость в дополнительных компонентах на каждом этапе для соответствующего смещения сигнала. Если это не будет тщательно продумано и выполнено, могут возникнуть нестабильность и другие проблемы.

Распространенные проблемы с подмагничиванием резистора

Приложениям с ОУ с однополярным питанием присущи проблемы, которые обычно не встречаются в схемах с двойным питанием. Основная проблема заключается в том, что если сигнал должен качаться как положительным, так и отрицательным по отношению к «общему», это опорное напряжение нулевого сигнала должно быть на фиксированном уровне между шинами питания.Основным преимуществом двойных источников питания является то, что их общее соединение обеспечивает стабильное нулевое опорное напряжение с низким импедансом. Два напряжения питания обычно равны и противоположны (и часто отслеживаются), но это не абсолютная необходимость. При одном источнике питания такой узел должен быть создан искусственно путем введения дополнительных схем для обеспечения некоторой формы смещения, чтобы поддерживать общий сигнал при соответствующем среднем напряжении питания.

Поскольку обычно желательно, чтобы большие выходные значения ограничивались симметрично, смещение обычно устанавливается в средней точке номинального выходного диапазона усилителя или (для удобства) на половине напряжения питания.Самый эффективный способ добиться этого — использовать регулятор, как показано на рисунке 6; однако популярный метод заключается в снятии напряжения питания с помощью пары резисторов. Несмотря на кажущуюся простоту, с этим есть проблемы.

Для иллюстрации проблемы схема на рис. 1, имеющая несколько конструктивных недостатков, представляет собой неинвертирующий усилитель со связью по переменному току. Сигнал имеет емкостную связь на входе и выходе. Средний уровень входного сигнала со связью по переменному току смещен до V _s /2 парой делителей R _A -R _B , а внутриполосное усиление составляет G = 1 + R2 / R1.«Усиление шума» постоянного тока уменьшается до единицы за счет емкостной связи обратной связи с нулем, установленным R1 и C1, так что уровень постоянного тока на выходе равен напряжению смещения. Это позволяет избежать искажений из-за чрезмерного усиления входного напряжения смещения усилителя. Коэффициент усиления усилителя с обратной связью снижается от (1 + R2 / R1) на высокой частоте до единицы при постоянном токе, с частотами излома при f = 1 / [2π R1 C1] и f = 1 / [2π (R1 + R2) C1. ], вводя фазовые сдвиги, которые добавляют к сдвигам, связанным со схемами связи входов и выходов.

Рис. 1. Потенциально нестабильная схема операционного усилителя с однополярным питанием.

Эта простая схема имеет дополнительные потенциально серьезные ограничения. Во-первых, неотъемлемая способность операционного усилителя подавлять колебания напряжения питания бесполезна, поскольку любое изменение напряжения питания напрямую изменяет напряжение смещения V _s /2, устанавливаемое резистивным делителем. Хотя это не представляет проблемы при постоянном токе, любой синфазный шум, появляющийся на клеммах источника питания, будет усилен вместе с входным сигналом (за исключением самых низких частот).При усилении 100 20 милливольт 60 Гц пульсации и гудения будут усилены до уровня 1 вольта на выходе.

Еще хуже, нестабильность может возникать в схемах, где операционный усилитель должен обеспечивать большие выходные токи в нагрузке. Если источник питания не отрегулирован (и не обойден), на линии питания будут появляться значительные сигнальные напряжения. Поскольку неинвертирующий вход операционного усилителя напрямую связан с питающей линией, эти сигналы будут подаваться непосредственно обратно в операционный усилитель, часто в фазовом соотношении, которое будет вызывать «мотор-лодку» или другие формы колебаний.

Хотя использование чрезвычайно тщательной компоновки, байпаса источника питания с несколькими конденсаторами, заземления звездой и печатной платы «силовой плоскости» — все это помогает снизить уровень шума и поддерживать стабильность схемы, лучше внести изменения в конструкцию схемы, которые улучшат отказ источника питания. Здесь предлагается несколько.

Отсоединение сети смещения от источника питания

Один из шагов к решению — обойти делитель напряжения смещения и предоставить отдельный входной возвратный резистор, модифицируя схему, как показано на рисунке 2.Теперь точка ответвления на делителе напряжения блокируется для сигналов переменного тока конденсатором C2, чтобы восстановить подавление подачи переменного тока. Резистор Rin, который заменяет Ra / 2 в качестве входного сопротивления схемы для сигналов переменного тока, также обеспечивает обратный путь постоянного тока для входа +.

Рис. 2. Изолированная схема смещения операционного усилителя с однополярным питанием.

Разумеется, значения R _A и R _B должны быть как можно более низкими; Выбранные здесь значения 100 кОм предназначены для экономии питающего тока, как это может потребоваться в приложениях с батарейным питанием.Также следует тщательно выбирать номинал байпасного конденсатора. С делителем напряжения 100 кОм / 100 кОм для R _A и R _B и значением емкости 0,1 мкФ или аналогичным значением для C2 полоса пропускания -3 дБ для импеданса этой сети устанавливается параллельной комбинацией R _A , R _B и C2, равно 1 / [2π (R _A /2) C2] = 32 Гц. Хотя это улучшение по сравнению с рисунком 1, подавление синфазного сигнала падает ниже 32 Гц, обеспечивая значительную обратную связь через источник питания на низких частотах сигнала.Для этого требуется конденсатор большего размера, чтобы избежать «катания на лодке» и других проявлений нестабильности.

Практический подход заключается в увеличении емкости конденсатора C2. так что он достаточно велик, чтобы эффективно обходить делитель напряжения на всех частотах в полосе пропускания схемы. Хорошее практическое правило — установить этот полюс на одну десятую ширины входной полосы по уровню –3 дБ, установленной в R _IN / C _IN и R ₁ / C ₁ .

Коэффициент усиления усилителя на постоянном токе по-прежнему равен единице.Даже в этом случае необходимо учитывать входные токи смещения операционного усилителя. R _IN , последовательно с делителем напряжения R _A / R _B , добавляет значительное сопротивление последовательно с положительной входной клеммой операционного усилителя. Поддержание выхода операционного усилителя близко к среднему источнику питания с использованием обычных операционных усилителей с обратной связью по напряжению, которые имеют симметричные симметричные входы, может быть достигнуто путем балансировки этого сопротивления путем выбора R2.

В зависимости от напряжения питания типичные значения, обеспечивающие разумный компромисс между повышенным током питания и повышенной чувствительностью к току смещения усилителя, варьируются от 100 кОм для одиночных источников питания + 15 В или + 12 В до 42 кОм для питание 5 В и 27 кОм для 3.3 В.

Усилители

, предназначенные для высокочастотных приложений (особенно типов с обратной связью по току), должны использовать низкое входное сопротивление и сопротивление обратной связи для сохранения полосы пропускания при наличии паразитной емкости. Операционный усилитель, такой как AD811, который был разработан для приложений скорости видео, обычно будет иметь оптимальную производительность при использовании резистора 1 кОм для R2. Следовательно, в этих типах приложений необходимо использовать резисторы гораздо меньшего номинала в делителе напряжения R _A / R _B (и более высокие байпасные емкости), чтобы минимизировать входной ток смещения и избежать нестабильности на низких частотах.

Из-за их низкого тока смещения потребность в балансировочных входных резисторах не так велика в приложениях с современными операционными усилителями на полевых транзисторах, если только схема не должна работать в очень широком диапазоне температур. В этом случае балансировка сопротивления на входных клеммах операционного усилителя по-прежнему является разумной мерой предосторожности.

На рисунке 3 показано, как смещение и шунтирование могут применяться в случае инвертирующего усилителя.

Рисунок 3. Схема инвертирующего усилителя с развязкой и однополярным питанием.

Метод смещения резистивного делителя недорогой и поддерживает выходное напряжение постоянного тока операционного усилителя на уровне V _S /2, но подавление синфазного сигнала операционного усилителя по-прежнему зависит от постоянной времени RC, формируемой R _A || R _B и конденсатор C2. Использование значения C2, которое обеспечивает как минимум 10-кратную постоянную времени RC входной цепи RC-связи (R1 / C1 и R _в / C _в ), поможет обеспечить разумный коэффициент подавления синфазного сигнала. С резисторами 100 кОм для R _A и R _B практические значения C2 могут быть довольно небольшими, если полоса пропускания схемы не слишком мала.

Смещение стабилитрона

Более эффективным способом обеспечения необходимого смещения V _S /2 для работы с однополярным питанием является использование стабилитрона, такого как показанный на рисунке 4. Здесь ток подается на стабилитрон через резистор R. Конденсатор. C _N помогает уменьшить генерируемый стабилитроном шум на входе операционного усилителя.

Рис. 4. Неинвертирующий усилитель с однополярным питанием и смещением на стабилитроне.

Следует выбрать стабилитрон с рабочим напряжением, близким к В _S /2.Резистор R _Z должен быть выбран так, чтобы обеспечить достаточно высокий ток для работы стабилитрона при его стабильном номинальном напряжении и поддерживать низкий уровень шума на выходе стабилитрона. Тем не менее, также важно минимизировать энергопотребление (и нагрев) и избежать повреждения стабилитрона. Поскольку вход операционного усилителя потребляет небольшой ток от эталона, рекомендуется выбрать маломощный диод. Лучше всего устройство с номинальной мощностью 250 мВт, но приемлемы и более распространенные типы мощностью 500 мВт. Идеальный ток стабилитрона варьируется от каждого производителя, но практические уровни I _z от 500 мкА (устройство на 250 мВт) до 5 мА (устройство на 500 мВт) обычно являются хорошим компромиссом для этого приложения.

В рабочих пределах стабилитрона схема на рис. 4 в основном обеспечивает низкий импеданс опорного уровня, который восстанавливает отказ источника питания операционного усилителя. Преимущества существенны, но есть цена: потребляется больше энергии, а выход постоянного тока операционного усилителя фиксируется напряжением стабилитрона, а не на уровне V _S /2. Если напряжение источника питания существенно упадет, на больших сигналах может произойти асимметричное ограничение. Также необходимо учитывать входные токи смещения.Резисторы R _{, IN} и R2 должны быть близки к одному и тому же значению, чтобы входные токи смещения не создавали существенную ошибку напряжения смещения.

На рисунке 5 показана схема инвертирующего усилителя, использующая тот же метод смещения стабилитрона.

Рис. 5. Инвертирующий усилитель с однополярным питанием и смещением на стабилитроне.

В таблице 1 показаны некоторые распространенные типы стабилитронов, которые можно выбрать для обеспечения половинного смещения питания для различных уровней напряжения питания. Для удобства предусмотрены практические значения R _Z , обеспечивающие 5 мА и 0.Токи устройства 5 мА в цепях 4 и 5. Для снижения шума в цепи оптимальный ток стабилитрона можно выбрать, обратившись к паспорту производителя.

Таблица 1. Предлагаемые номера деталей стабилитронов (типы Motorola) и значения Rz для использования на рисунках 4 и 5.

Напряжение питания	Ссылка Напряжение	Диод Тип	Стабилитрон Ток	Rz Значение Ом
+ 15В	7.5В	1N4100	0,5 мА	15к
+ 15В	7,5 В	1N4693	5 мА	1,5к
+ 12В	6,2 В	1N4627	0,5 мА	11.5к
+ 12В	6,2 В	1N4691	5 мА	1,15к
+ 9В	4,3 В	1N4623	0,5 мА	9.31k
+ 9В	4,3 В	1N4687	5 мА	931
+ 5В	2.4В	1N4617	0,5 мА	5.23k
+ 5В	2,7 В	1N4682	5 мА	464

Смещение операционного усилителя с использованием линейного регулятора напряжения

Для схем операционных усилителей, работающих от стандарта + 3,3 В, необходимо напряжение смещения + 1,65 В.Стабилитроны обычно доступны только с напряжением до +2,4 В, хотя шунтирующие регуляторы шириной запрещенной зоны AD589 и AD1580 на 1,225 В могут использоваться как стабилитроны для обеспечения фиксированного, хотя и не центрированного, напряжения при низком импедансе. Самый простой способ обеспечить произвольные значения напряжения смещения при низком импедансе (например, V _S /2) — использовать линейный стабилизатор напряжения, такой как ADM663A или ADM666A, как показано на рисунке 6. Его выход можно регулировать. от 1,3 до 16 В и обеспечит низкоомное смещение для однополярных напряжений от 2 В до 16.5 В.

Рис. 6. Схема смещения с однополярным питанием операционного усилителя с использованием линейного регулятора напряжения.

Цепи одинарного питания со связью по постоянному току

До сих пор обсуждались только схемы операционных усилителей со связью по переменному току. Хотя при использовании подходящих больших входных и выходных разделительных конденсаторов схема со связью по переменному току может работать на частотах значительно ниже 1 Гц, для некоторых приложений требуется настоящая связь по входу и выходу по постоянному току. Цепи, которые обеспечивают постоянное постоянное напряжение при низком импедансе, такие как стабилитроны и регуляторы, описанные выше, могут использоваться для обеспечения напряжения «нулевого уровня».

В качестве альтернативы резисторы смещения V _S /2, показанные на рисунках 1–3, могут быть буферизованы операционным усилителем для создания низкоомной цепи «фантомного заземления», как показано на рисунке 7. Если источником питания является низковольтная батарея. Источник, скажем, + 3,3 В, операционный усилитель должен быть устройством типа «rail-to-rail», способным эффективно работать во всем диапазоне напряжений питания. Операционный усилитель также должен иметь возможность подавать положительный или отрицательный выходной ток, достаточный для удовлетворения требований нагрузки главной цепи.Конденсатор C2 идет в обход делителя напряжения, чтобы уменьшить шум резистора. Эта схема не должна обеспечивать отказ от источника питания, потому что она всегда будет управлять общей клеммой («землей») при половинном напряжении питания.

Рис. 7. Использование операционного усилителя для обеспечения «фантомного заземления» для приложений с прямым подключением с батарейным питанием.

Проблемы со временем включения цепи

Еще одна проблема, которую необходимо учитывать, — это время включения цепи. Приблизительное время включения будет зависеть от постоянной времени RC используемого фильтра с самой низкой полосой пропускания.

Все схемы с пассивным смещением, показанные здесь, должны требовать, чтобы цепь делителя напряжения R _A || R _B -C2 имела постоянную времени в 10 раз больше, чем постоянная времени входной или выходной цепи. Это сделано для упрощения конструкции схемы (поскольку входную полосу пропускания задают до трех разных полюсов RC). Эта длительная постоянная времени также помогает удерживать цепь смещения от «включения» перед входными и выходными цепями операционного усилителя, тем самым позволяя выходному сигналу операционного усилителя постепенно повышаться от нуля вольт до V _S /2, не приводя к напряжению. положительная подающая шина.Требуемая частота излома 3 дБ составляет 1/10 от частоты R1C1 и R _{, нагрузка} C _{на выходе} . Например: на рисунке 2 для полосы пропускания цепи 10 Гц и коэффициента усиления 10 значение C2, равное 3 мкФ, обеспечивает полосу пропускания 3 дБ, равную 1 Гц.

С R _A || R _B = 50 000 Ом конденсатор емкостью 3 мкФ обеспечивает постоянную времени RC 0,15 секунды. Таким образом, выходу операционного усилителя потребуется от 0,2 до 0,3 секунды, чтобы он стал достаточно близким к V _S /2. Между тем, входные и выходные RC-цепи будут заряжаться в десять раз быстрее.

В приложениях, где время включения схемы может стать чрезмерно большим, лучше выбрать стабилитрон или метод активного смещения.

% PDF-1.3 % 634 0 объект > эндобдж xref 634 95 0000000016 00000 н. 0000002269 00000 н. 0000002461 00000 н. 0000002601 00000 н. 0000002632 00000 н. 0000002689 00000 н. 0000003376 00000 н. 0000003647 00000 н. 0000003713 00000 н. 0000003811 00000 н. 0000003907 00000 н. 0000004076 00000 н. 0000004244 00000 н. 0000004340 00000 н. 0000004452 00000 н. 0000004579 00000 п. 0000004700 00000 н. 0000004888 00000 н. 0000005000 00000 н. 0000005105 00000 н. 0000005273 00000 н. 0000005478 00000 н. 0000005683 00000 п. 0000005888 00000 н. 0000005997 00000 н. 0000006204 00000 н. 0000006329 00000 н. 0000006536 00000 н. 0000006740 00000 н. 0000006852 00000 н. 0000007041 00000 н. 0000007173 00000 н. 0000007353 00000 н. 0000007472 00000 н. 0000007652 00000 н. 0000007777 00000 н. 0000007983 00000 п. 0000008127 00000 н. 0000008332 00000 н. 0000008510 00000 н. 0000008633 00000 п. 0000008797 00000 н. 0000008958 00000 н. 0000009079 00000 н. 0000009198 00000 п. 0000009318 00000 п. 0000009413 00000 п. 0000009507 00000 н. 0000009600 00000 н. 0000009693 00000 п. 0000009787 00000 н. 0000009881 00000 п. 0000009976 00000 н. 0000010070 00000 п. 0000010164 00000 п. 0000010330 00000 п. 0000010695 00000 п. 0000010929 00000 п. 0000011778 00000 п. 0000012110 00000 п. 0000012695 00000 п. 0000012882 00000 п. 0000014115 00000 п. 0000014138 00000 п. 0000014579 00000 п. 0000015373 00000 п. 0000016807 00000 п. 0000016830 00000 н. 0000018296 00000 п. 0000018319 00000 п. 0000019923 00000 п. 0000019946 00000 п. 0000020485 00000 п. 0000021193 00000 п. 0000021994 00000 п. 0000022330 00000 п. 0000023952 00000 п. 0000023975 00000 п. 0000025644 00000 п. 0000025667 00000 п. 0000026350 00000 п. 0000026556 00000 п. 0000028220 00000 п. 0000028243 00000 п. 0000029328 00000 п. 0000029351 00000 п. 0000034534 00000 п. 0000038516 00000 п. 0000040204 00000 п. 0000044861 00000 п. 0000045287 00000 п. 0000045971 00000 п. 0000046088 00000 п. 0000002730 00000 н. 0000003354 00000 н. трейлер ] >> startxref 0 %% EOF 635 0 объект > эндобдж 636 0 объект a_

% PDF-1.4 % 402 0 объект > эндобдж xref 402 82 0000000016 00000 н. 0000002831 00000 н. 0000002997 00000 н. 0000003652 00000 н. 0000003840 00000 н. 0000003977 00000 н. 0000004109 00000 п. 0000004402 00000 п. 0000004964 00000 н. 0000005640 00000 н. 0000005754 00000 н. 0000005866 00000 н. 0000005959 00000 н. 0000006377 00000 н. 0000006404 00000 п. 0000007006 00000 н. 0000007669 00000 н. 0000008256 00000 н. 0000008644 00000 н. 0000009115 00000 н. 0000009142 00000 п. 0000009571 00000 н. 0000009809 00000 н. 0000010132 00000 п. 0000011589 00000 п. 0000012458 00000 п. 0000012603 00000 п. 0000012747 00000 п. 0000012861 00000 п. 0000014133 00000 п. 0000015693 00000 п. 0000017239 00000 п. 0000017378 00000 п. 0000017515 00000 п. 0000017701 00000 п. 0000019309 00000 п. 0000019448 00000 п. 0000019896 00000 п. 0000019923 00000 п. 0000021949 00000 п. 0000022231 00000 п. 0000022486 00000 п. 0000024359 00000 п. 0000024429 00000 п. 0000024510 00000 п. 0000024779 00000 п. 0000025382 00000 п. 0000039551 00000 п. 0000039632 00000 п. 0000039702 00000 п. 0000043147 00000 п. 0000043623 00000 п. 0000048421 00000 н. 0000048502 00000 н. 0000053391 00000 п. 0000053461 00000 п. 0000053722 00000 п. 0000054017 00000 п. 0000054087 00000 п. 0000054168 00000 п. 0000082169 00000 п. 0000082432 00000 п. 0000082888 00000 п. 0000084999 00000 н. 0000085295 00000 п. 0000085365 00000 п. 0000085446 00000 п. 0000099974 00000 п. 0000100261 00000 н. 0000100623 00000 н. 0000100916 00000 н. 0000100943 00000 н. 0000101300 00000 н. 0000101327 00000 н. 0000101725 00000 н. 0000101752 00000 н. 0000102145 00000 н. 0000102172 00000 п. 0000102488 00000 н. 0000112786 00000 н. 0000002646 00000 п. 0000001975 00000 н. трейлер ] / Назад 482492 / XRefStm 2646 >> startxref 0 %% EOF 483 0 объект > поток hb«`c`g`X Ȁ

4.3: Смещение однополярного источника питания — Engineering LibreTexts

До этого момента во всех схемах в качестве примера использовался биполярный источник питания, обычно \ (\ pm \) 15 В. Иногда это непрактично. Например, небольшое количество аналоговой схемы может использоваться вместе с преимущественно цифровой схемой, которая работает от униполярного источника питания. Создание отрицательного источника питания для одного или двух операционных усилителей может оказаться неэкономичным. Хотя можно купить операционные усилители, специально разработанные для работы с униполярными источниками питания ¹ , добавление простой схемы смещения позволит практически любому операционному усилителю работать от униполярного источника питания.Этот источник питания может быть в два раза больше, чем у биполярного аналога. Другими словами, схема, которая обычно работает от источника питания \ (\ pm \) 15 В, может быть сконфигурирована для работы от униполярного источника питания +30 В, обеспечивая аналогичные характеристики. Мы рассмотрим примеры использования как неинвертирующего, так и инвертирующего усилителей напряжения

.

Идея состоит в том, чтобы смещать вход на половину общего потенциала предложения. Это можно сделать с помощью простого делителя напряжения. Конденсатор связи может использоваться, чтобы изолировать этот потенциал постоянного тока от каскада возбуждения.Для правильной работы выход операционного усилителя также должен находиться на половине напряжения питания. Этот факт означает, что коэффициент усиления схемы должен быть равен единице. Это может показаться очень ограничивающим фактором, но на самом деле это не так. Следует помнить, что для постоянного тока коэффициент усиления должен быть равен единице. Коэффициент усиления по переменному току может быть любым, каким вы хотите.

Рисунок \ (\ PageIndex {1} \): Смещение однополярного питания в неинвертирующем усилителе.

Пример использования неинвертирующего усилителя напряжения показан на рисунке \ (\ PageIndex {1} \).Чтобы установить коэффициент усиления постоянного тока равным единице, не влияя на коэффициент усиления переменного тока, конденсатор \ (C_3 \) помещается последовательно с \ (R_i \). \ (R_1 \) и \ (R_2 \) устанавливают точку смещения 50%. Их параллельная комбинация также устанавливает входное сопротивление. Резисторы \ (R_3 \) и \ (R_4 \) используются для предотвращения деструктивного разряда конденсаторов связи \ (C_1 \) и \ (C_2 \) в операционный усилитель. Они могут не требоваться, но если они есть, обычно имеют размер около 1 k \ (\ Omega \) и 100 \ (\ Omega \) соответственно.

Включение конденсаторов дает трехпроводную сеть.Стандартный частотный анализ и упрощение схемы показывают, что приблизительные критические частоты составляют

\ [f_ {i n} = \ frac {1} {2 \ pi C_1 R_1 || R_2} \ notag \]

\ [f_ {out} = \ frac {1} {2 \ pi C_2 R_ {load}} \ notag \]

\ [f_ {fdbk} = \ frac {1} {2 \ pi C_3 R_i} \ notag \]

Входную сеть смещения можно улучшить, используя схему на рисунке \ (\ PageIndex {2} \). Это уменьшает гудение и шум, передаваемые от источника питания на вход операционного усилителя. Это достигается за счет создания низкого импеданса в узле A.Это, конечно, не влияет на потенциал постоянного тока. \ (R_5 \) теперь устанавливает входное сопротивление цепи.

Рисунок \ (\ PageIndex {2} \): улучшенное смещение для схемы на рисунке \ (\ PageIndex {1} \).

Здесь важно помнить, что усиление по напряжению все еще равно \ (1 + R_f / R_i \) в средней полосе, \ (Z_ {in} \) теперь устанавливается резисторами смещения \ (R_1 \) и \ (R_2 \) или \ (R_5 \) (если используется), и эта частотная характеристика больше не плоская до нуля Герц.

Версия инвертирующего усилителя напряжения с однополярным питанием показана на рисунке \ (\ PageIndex {3} \).Он использует те же основные методы, что и неинвертирующая форма. В настройке смещения используется оптимизированная форма с низким уровнем шума. Обратите внимание, что входной импеданс не изменился, он по-прежнему установлен в \ (R_i \). Приблизительные критические частоты свинцовой сети находятся через

.

\ [f_ {in} = \ frac {1} {2 \ pi C_1 R_i} \ notag \]

\ [f_ {out} = \ frac {1} {2 \ pi C_2 R_ {load}} \ notag \]

\ [f_ {bias} = \ frac {1} {2 \ pi C_3 R_1 || R_2} \ notag \]

Обратите внимание на общее сходство между схемами на рисунках \ (\ PageIndex {3} \) и \ (\ PageIndex {1} \).Простое перенаправление входного сигнала создает одну форму из другой.

Рисунок \ (\ PageIndex {3} \): Инвертирующий усилитель с однополярным питанием.

6 уникальных схем операционных усилителей

9 декабря 2019 г., | Предоставлено Avnet

Электронные схемы эволюционировали от дискретных схем до высокоинтегрированных схем (ИС) на одном кристалле, что позволило высокотехнологичным аналоговым и цифровым системам сэкономить место и затраты.Операционный усилитель (ОУ) — одна из таких интегральных схем, сыгравшая звездную роль в аналоговых конструкциях. Сегодняшний операционный усилитель — это не просто операционный усилитель, он объединяет множество функций, упрощающих разработку аналоговых схем. Однако они не решают всех проблем. И операционные усилители, и дискретные усилители имеют свои преимущества и недостатки.

Дискретные схемы

Усилитель является строительным блоком большинства аналоговых схем, повышающих напряжение, мощность или ток любого сигнала.Транзистор — жизненно важный компонент дискретных схем. Комбинация нескольких транзисторов, а также активных и пассивных компонентов, таких как резисторы и конденсаторы, используется для создания аналоговых логических функций. Такие аналоговые логические функции используются для извлечения желаемых выходных данных, состоящих из математических функций. Они созданы для таких приложений, как усилители звука, логические схемы, компараторы, операционные усилители и переключатели от входов. Цепи обеспечивают высокую потребляемую мощность и обеспечивают высокую выходную мощность; Параметр Circuit достигается изменением компонентов и их значений.Помогает то, что они стабильны при колебаниях температуры.

Для сборки и подключения всех отдельных дискретных компонентов требуется больше времени и больше места. Замена вышедшей из строя детали в существующей схеме может быть сложной. Поскольку для соединения элементов используется процесс пайки, дискретные резисторы страдают меньшей надежностью, меньшей точностью усиления, отклонением синфазного сигнала (CMR), дрейфом смещения и дрейфом коэффициента усиления. Помимо этих факторов, резисторам также мешает высокотемпературный коэффициент и низкая точность.Все это приводит к значительным ошибкам схемы. Чтобы преодолеть такие проблемы, связанные с дискретными цепями, были разработаны операционные усилители, которые не занимают места, обеспечивают надежность и точность

Операционные усилители (интегральная схема)

Операционный усилитель представляет собой простую интегральную схему с постоянным током, работающую как усилитель напряжения. Дифференциальный выход операционного усилителя дает два входа с противоположной полярностью и один выход с высоким коэффициентом усиления. Типичная функция усилителя, построенная с использованием нескольких транзисторов и пассивных компонентов, теперь заменена одной ИС, описываемой характеристиками клемм и несколькими подключенными внешними компонентами.Операционный усилитель находит широкое применение в зависимости от подключения отдельных контактов. Результирующая схема может быть компаратором, разностным усилителем, пиковым детектором, инвертирующим усилителем, неинвертирующим усилителем и аналого-цифровым преобразователем.

Операционный усилитель на интегральной схеме меньше по размеру. Это стало возможным, поскольку на одном кристалле изготовлено несколько сложных схем, что упрощает конструкцию. Повышается производительность. Меньшее количество соединений обеспечивает превосходную надежность. ИС потребляет мощность в незначительных количествах, а отсутствие эффекта емкости увеличивает скорость работы.

Операционные усилители

— это не решение всех прикладных проблем. Ограничения по теплоотдаче и размеру делают невозможным использование любого операционного усилителя на базе микросхемы аудиотранзистора высочайшего качества для усилителей звука класса А. Близость компонентов, интегрированных в операционный усилитель, затрудняет передачу аудиосигналов, где слабый сигнал будет поглощен шумом электромагнитных помех. Конечно, высококачественный аудиоусилитель имеет меньше места или стоимости, и, следовательно, выходной каскад класса A, оснащенный линейным источником питания и специальным трансформатором, обеспечивает великолепное качество звука.

Когда принимается во внимание класс характеристик операционных усилителей, было обнаружено, что усилители мощности класса D доминируют в этой нише. Помимо качества звука, при проектировании учитывается энергоэффективность, бюджет и даже размер. Усилители класса D были изготовлены для портативных аудиоприложений с низким энергопотреблением.

Операционные усилители

играют разные роли в оптимизации работы схем. Идеальный операционный усилитель, если он вообще существует, имел бы бесконечное усиление, нулевое выходное сопротивление и бесконечное входное сопротивление.Он должен обладать бесконечной частотной характеристикой, не должен вносить никаких шумов и не должен иметь искажений. Ни один операционный усилитель не может удовлетворить такие высокие требования.

В продаже имеется множество операционных усилителей. Специализированные операционные усилители предпочтительнее обычных продуктов, если требуется лучшая производительность. Важно выбрать правильный, чтобы удовлетворить разнообразные потребности приложения.

Следующие примеры применения показывают, как операционные усилители IC преодолевают множество недостатков дискретных схем за счет правильного использования: —

• Характеристики ошибок операционного усилителя постоянного тока и их влияние на высокоточные приложения

Входные токи смещения и входные токи смещения являются двумя критическими характеристиками во многих приложениях для прецизионных усилителей.Оба влияют на выход через емкостную и резистивную обратную связь. Коэффициент подавления синфазного сигнала (CMRR) в любом типичном операционном усилителе снижает точность за счет введения входного напряжения смещения. Высокий CMRR является обязательным во время минутных случаев входного сигнала (например, когда сигнал находится в диапазоне мВ).

Коэффициент отклонения источника питания (PSRR) играет ключевую роль, когда дело доходит до инициирования любого дополнительного входного напряжения смещения в качестве реакции на изменения напряжения источника питания. Входной импеданс операционного усилителя образует настоящий делитель напряжения, поскольку усилитель управляется импедансом источника и вносит ошибку усиления.Разработчики, чтобы справиться с такими ситуациями, должны выбрать операционный усилитель с высоким CMRR, PSRR и низким отношением скорости к мощности. Другими требованиями являются низкий входной ток смещения и низкое входное напряжение смещения.

IC Op Amp MAX 44260 имеет высокоомный входной каскад CMOS со специальной структурой ESD, обеспечивающей низкие входные токи смещения при низких входных синфазных напряжениях. Он идеально подходит для таких требовательных приложений, как драйверы АЦП последовательного приближения от 12 до 14 разрядов, где требуются входы или выходы rail-to-rail и пониженный шум в децибелах.Дополнительная экономия энергии достигается за счет режима выключения при быстром включении питания. Это значительно снижает ток покоя, когда устройство остается в нерабочем состоянии. Другой операционный усилитель MAX9620 IC имеет дрейф нуля и низкую мощность наряду с низким входным напряжением смещения. В таких устройствах используется новый метод автоматического обнуления, который обеспечивает точность при минимальной мощности. Низкошумный зарядный насос помогает операционному усилителю реализовать на входе производительность по схеме «rail-to-rail».

Внутренняя шина позволяет операционному усилителю достигать истинных выходных и входных сигналов Rail-to-Rail, добиваться линейности и обеспечивать выдающиеся CMRR и PSRR.Еще один операционный усилитель MAX4238 обеспечивает точность и сверхнизкое смещение или дрейф за счет использования методов автокорреляции обнуления. Такое низкое смещение, подавление шума 1 / f и быстрое время установления операционного усилителя делают такие устройства лучшими для буферов АЦП.

• Реализация полнополупериодного выпрямителя с операционными усилителями с однополярным питанием.

Для двухполупериодного выпрямителя в идеале необходимы два операционных усилителя с двойным источником питания, поскольку последний должен изменять биполярное выходное напряжение, которое может становиться положительным или отрицательным в ответ на нормальный диапазон входных сигналов.

Микросхема ОУ MAX44267 имеет однополярный и двойной ОУ с нулевым выходом для реализации двухполупериодного выпрямителя с одной шиной питания. Отрицательное питание требуется, поскольку двойной операционный усилитель со встроенной интегральной схемой в одном из усилителей может генерировать отрицательное напряжение, в -0,5 раза превышающее входное. Внешний диод и конденсаторы уменьшают шум накачки заряда и низкий уровень сигналов утечки. Усилитель работает от одного источника питания от + 4,5В до + 15В. Эта архитектура устраняет необходимость в любой отрицательной шине питания, что позволяет сэкономить на размере и стоимости системы.

• Реализация линеаризации Уитстона — Бридж

Цепи, собранные из недорогих, точных дискретных деталей с переменным сопротивлением, выполняют основную часть задач проектирования. Конструкторы, работающие с высокоточными системами, следуют соглашению принимать во внимание присущую элементу RTD нелинейность, а также мост Уитстона. Передняя часть должна быть тщательно откалибрована, одновременно линеаризуя интерфейсную часть, расположенную сбоку от микроконтроллера.В некоторых случаях линейность 0,6% неприемлема.

Операционный усилитель не только устраняет неотъемлемую нелинейность моста, но также контролирует элемент датчика температуры, нелинейность RTD и использование схемы двойного операционного усилителя для создания линеаризованного выхода моста. Схема, однако, нуждается в положительном и отрицательном питании усилителей, что дает удвоенный диапазон качания. Дополнительным преимуществом является характеристика подавления синфазного сигнала, поскольку второй усилитель комфортно работает при напряжении около 0 В.

Рис.1: Внутренняя структура IC MAX 44267

В этом сценарии усилитель MAX44267 работает от одного источника питания и, таким образом, может выдавать биполярные напряжения.В отличие от других усилителей с однополярным питанием, которым требуется высота над землей, операционный усилитель предлагает нулевой выходной сигнал, что делает его идеальным для мостовых датчиков. Операционный усилитель IC MAX44267, как показано на рисунке 1, интегрирован со схемой накачки заряда, сдвоенными операционными усилителями и схемой смещения. Дополнительным преимуществом является уменьшение площади и стоимости платы.

• Высоковольтный прецизионный усилитель с датчиком тока для базовой станции.

Эти усилители, в зависимости от современной технологии, могут иметь смещение максимум до 50 или 60 В.В таких приложениях необходимы двойные операционные усилители для измерения тока. Первый операционный усилитель снижает напряжение, а второй операционный усилитель устанавливает усиление. Минимизация ошибки усиления требует использования высоковольтного полевого транзистора с р-каналом при подаче тока через внешний резистор.

Интегрированная микросхема MAX4428 с двухканальным усилителем измерения тока на стороне высокого напряжения и полевым транзистором с р-каналом высокого напряжения включает в себя функции, минимизирующие ошибку усиления, а также входное синфазное напряжение в диапазоне от 2,7 В до 76 В с небольшой полосой пропускания сигнала 80 кГц. .Это идеально подходит для взаимодействия с АЦП последовательного приближения для систем сбора многоканальных мультиплексированных данных. Мониторинг тока на стороне высокого напряжения не влияет на путь заземления конкретной измеряемой нагрузки, что делает операционный усилитель полезным в широком диапазоне высоковольтных систем.

• Цепь защиты входов АЦП от перенапряжений.

Входы АЦП страдают, когда шины управляющего усилителя значительно превышают максимальный входной диапазон АЦП. Чаще всего используются диоды Шоттки для ограничения выхода усилителя.Такие диоды обладают емкостью, ток утечки ограничивает полосу пропускания и способствует искажению.

Рис 2: Внутренняя функциональная схема IC MAX 4428

Эффективным методом сохранения емкости и постоянного тока утечки является поддержание напряжения на защитных диодах на уровне 0 В. Это делается с помощью испытанного и испытанного метода защиты драйвера дифференциального операционного усилителя, что приводит к смещению 0 В через защитные диоды во время нормальной работы усилителя. В случае перенапряжения диоды проводят ток короткого замыкания на землю.Однако такой метод дискретной защиты требует большего пространства, а также контроля и действия тока утечки. Усилитель также должен иметь двойной источник питания.

Проблемы с перенапряжением могут быть устранены путем использования шины одинарного питания усилителя. Микросхема защиты сигналов операционного усилителя MAX 4505 в сочетании с переключателями MOSFET обеспечивает схему обнаружения перенапряжения. Операционный усилитель IC состоит из одного устройства защиты сигнальной линии с защищенным от сбоев входом и возможностью управления сигналами Rail-to-Rail.В случае неисправности входная клемма преобразуется в разомкнутую цепь, и источник утечки тока в наноамперах. Операционный усилитель экранирует как униполярные, так и биполярные аналоговые сигналы.

• Аналоговые схемы в носимых устройствах, например в смарт-часах и средствах мониторинга состояния здоровья.

При разработке таких уникальных устройств возникают различные проблемы, в том числе та, которая утверждает, что устройство должно быть крошечным, чтобы его можно было носить на запястье, с эффективным мониторингом состояния заряда (SOC) и состоянием батареи, не влияющим на их SOC.Инструмент должен иметь низкое энергопотребление и большой объем памяти, пониженный уровень шума источника питания и аналоговый сигнал.

Если происходит какое-либо событие, эти схемы предупреждают микроконтроллер, что схемы с низким энергопотреблением должны постоянно контролировать жизненно важные функции системы. Выходное напряжение ниже требуемого означает, что аккумулятор разряжен и требует зарядки. Компаратор Op Amp может использоваться для контроля напряжения батареи.

Различные аккумуляторные батареи имеют неодинаковый химический состав.Такие различия определяют термостабильность аккумуляторных элементов, срок их службы и удельную мощность аккумуляторных элементов. Решение требует крошечных компонентов и микросхем. MAX6778 можно использовать как самый маленький. Помогает то, что точный аккумулятор контролирует максимальный срок службы портативного оборудования. Точность 1% позволяет батарее разряжаться дольше, чем обычно, что отодвигает замену.

Гистерезис устраняет дребезжание выходного сигнала, иногда связанное с мониторами напряжения батареи, как правило, в результате шума входного напряжения.Микросхема MAX4257 оснащена малошумящими операционными усилителями с низким уровнем искажений, обеспечивающими выходы с прямой связью и с однополярным питанием. Искажения операционного усилителя чрезвычайно низкие, в тандеме с плотностью входного напряжения и шума, а также плотностью входного тока и шума.

Проектирование с ОУ: виртуальная земля | Стив Таранович | Supplyframe

Помимо конденсаторов, резисторов и конденсаторов, одним из наиболее важных электронных устройств является операционный усилитель или операционный усилитель.Эти устройства используются для преобразования сигналов, фильтрации,, очевидно, усиления, и даже могут использоваться для умножения и деления в аналоговых компьютерах.

Одной из ключевых особенностей операционного усилителя является дифференциальный вход, который при соединении в цепи может образовывать виртуальное заземление. Концепция виртуального заземления полезна для анализа операционных усилителей. Эта концепция значительно упрощает анализ схемы операционного усилителя.

Инвертирующий вход операционного усилителя (-) имеет нулевой потенциал (виртуальная земля), даже если он не имеет гальванического соединения с землей.Это связано с обратной связью из-за R2 и высоким коэффициентом усиления операционного усилителя.

Рис. 1 Простой инвертирующий операционный усилитель с отрицательной обратной связью

Виртуальная земля действительна только в том случае, если усиление операционного усилителя (оно указано в листе данных операционного усилителя и может считаться бесконечным для данного обсуждения) намного больше, чем запрограммировано схемой. коэффициент усиления (R2 / R1) на рисунке 1.

В идеале для этого обсуждения мы можем предположить, что входной импеданс также бесконечен, поэтому на инвертирующий вход не будет протекать ток (-), потому что напряжение на инвертирующем входе равно нулю, как указано в первом абзаце.

Типичным применением здесь может быть портативный источник питания операционного усилителя с батарейным питанием. Разработчики могут захотеть выбрать операционный усилитель с питанием от шины питания к сети, если требуется максимальный размах напряжения на выходе усилителя. Операционный усилитель такого типа не может генерировать «отрицательное» напряжение на выходе, поскольку он имеет однополярный источник питания (от 0 до Vcc).

Виртуальная земля

Войдите в «Виртуальную землю». Виртуальный означает, что чего-то нет, но вроде бы есть! В этом случае мы можем использовать виртуальную землю по существу как опорное напряжение, которое обычно устанавливается как средняя точка между Vcc и землей в « униполярной » конструкции только с положительным напряжением источника питания (тот же метод применяется для отрицательного источника питания и заземления. для операционного усилителя)

Разработчики могут создать виртуальное заземление как средство для создания положительного и «отрицательного» размаха напряжения на выходе усилителя.Рисунок 2:

Рисунок 2 На этой схеме создается виртуальная земля (Vcc / 2), так что выходной сигнал колеблется около Vcc / 2 (Изображение из справочного материала 1)

Выход усилителя будет качаться в положительном и отрицательном направлении около Vcc / 2. на выходе. Выход усилителя также подключен к инвертирующему входу (-) операционного усилителя; это конфигурация повторителя напряжения, в которой неинвертирующее (+) входное напряжение (которое равно Vcc / 2) на делителе напряжения появляется на выходе усилителя как центральная линия или виртуальная точка заземления.Обратите внимание, что входы (-) и (+) усилителя также имеют Vcc / 2.

Когда я работал в Burr-Brown с 1988 по 2000 год, у меня были отличные наставники. Одним из них был Том Браун, соучредитель и генеральный директор. Во время обеда во время тренировки Берра-Брауна я имел удовольствие сидеть за столом напротив Тома Брауна, который комментировал нас группе операционных усилителей. Я помню одно обсуждение, касающееся ограничения точки суммирования операционных усилителей. Мистер Браун сказал нам, что точка суммирования, неинвертирующий вход (+) не будет проводить ток к усилителю.Это свойство является важным инструментом для анализа и проектирования схем, поскольку оно дает нам внутреннее ограничение нашей схемы: то есть место для начала нашего анализа. Мы увидим, что на инвертирующем (-) и неинвертирующем (+) входных контактах должно оставаться одинаковое напряжение, что дает нам второй мощный инструмент для анализа этого идеального операционного усилителя.

У меня было еще несколько дискуссий с Томом Брауном за годы, проведенные в Burr-Brown, и, насколько мне известно, он был необычайно проницательным инженером, чье начало положило начало созданию гибридного модуля операционного усилителя в первые дни электроника после введения транзистора.

Ссылки

1 Операционные усилители с однополярным питанием, Swarthmore College http://www.swarthmore.edu/NatSci/echeeve1/Ref/SingleSupply/SingleSupply.html

Написано% для @SupplyFrame

4 % 8464 0 объект> эндобдж xref 8464 235 0000000016 00000 н. 0000013251 00000 п. 0000005104 00000 п. 0000013422 00000 п. 0000016621 00000 п. 0000016650 00000 п. 0000017467 00000 п. 0000017821 00000 п. 0000018568 00000 п. 0000018804 00000 п. 0000018842 00000 п. 0000019024 00000 п. 0000019203 00000 п. 0000019681 00000 п. 0000020127 00000 н. 0000020595 00000 п. 0000020977 00000 п. 0000021139 00000 п. 0000021506 00000 п. 0000021719 00000 п. 0000022195 00000 п. 0000022763 00000 п. 0000037150 00000 п. 0000051523 00000 п. 0000064634 00000 п. 0000078209 00000 п. 0000092019 00000 п. 0000104197 00000 н. 0000116184 00000 н. 0000127651 00000 н. 0000139187 00000 н. 0000151641 00000 н. 0000163773 00000 н. 0000175466 00000 н. 0000187451 00000 н. 0000198859 00000 н. 0000209291 00000 н. 0000221264 00000 н. 0000222740 00000 н. 0000223137 00000 н. 0000229958 00000 н. 0000243198 00000 п. 0000255311 00000 н. 0000267842 00000 н. 0000280969 00000 н. 0000294456 00000 п. 0000308083 00000 н. 0000321263 00000 н. 0000334832 00000 н. 0000348350 00000 н. 0000362137 00000 п. 0000375973 00000 п. 0000389573 00000 п. 0000403041 00000 н. 0000416511 00000 н. 0000426429 00000 н. 0000435845 00000 н. 0000445824 00000 н. 0000455907 00000 н. 0000466258 00000 н. 0000476562 00000 н. 0000487219 00000 н. 0000497111 00000 п. 0000507567 00000 н. 0000518777 00000 н. 0000528778 00000 н. 0000540297 00000 н. 0000540774 00000 н. 0000541591 00000 н. 0000542408 00000 п. 0000543225 00000 н. 0000544042 00000 н. 0000544859 00000 н. 0000545676 00000 н. 0000546493 00000 н. 0000547310 00000 н. 0000556925 00000 н. 0000557742 00000 н. 0000557764 00000 н. 0000558581 00000 н. 0000558604 00000 н. 0000559421 00000 н. 0000559444 00000 н. 0000560261 00000 п. 0000571012 00000 н. 0000571829 00000 н. 0000571851 00000 н. 0000572668 00000 н. 0000572691 00000 н. 0000573508 00000 н. 0000573531 00000 н. 0000574332 00000 н. 0000575149 00000 н. 0000575316 00000 н. 0000576133 00000 н. 0000576950 00000 н. 0000577767 00000 н. 0000578584 00000 н. 0000579401 00000 н. 0000580218 00000 н. 0000581035 00000 н. 0000581852 00000 н. 0000582669 00000 н. 0000583486 00000 н. 0000584303 00000 н. 0000585120 00000 н. 0000585937 00000 н. 0000586754 00000 н. 0000587571 00000 н. 0000588388 00000 н. 0000589205 00000 н. 00005

00000 н. 0000590839 00000 н. 0000591656 00000 н. 0000592473 00000 н. 0000593290 00000 н. 0000594107 00000 н. 0000594924 00000 н. 0000595741 00000 н. 0000596558 00000 н. 0000597375 00000 н. 0000598192 00000 н. 0000598214 00000 п. 0000598237 00000 п. 0000598259 00000 н. 0000606086 00000 н. 0000606327 00000 н. 0000606614 00000 н. 0000607431 00000 н. 0000608996 00000 н. 0000609813 00000 н. 0000610140 00000 п. 0000614317 00000 н. 0000615134 00000 н. 0000623229 00000 н. 0000624046 00000 н. 0000636218 00000 п. 0000637035 00000 п. 0000651991 00000 н. 0000652808 00000 н. 0000670032 00000 н. 0000670849 00000 н. 0000691186 00000 п. 0000692003 00000 п. 0000712371 00000 н. 0000713188 00000 н. 0000733815 00000 н. 0000734632 00000 н. 0000755839 00000 н. 0000756656 00000 н. 0000777876 00000 н. 0000778693 00000 н. 0000799242 00000 н. 0000800059 00000 н. 0000820443 00000 н. 0000821260 00000 н. 0000842030 00000 н. 0000842847 00000 н. 0000864589 00000 н. 0000865406 00000 н. 0000887181 00000 н. 0000887998 00000 н. 0000909680 00000 н. 0000910497 00000 п. 0000931701 00000 п. 0000932518 00000 н. 0000952784 00000 н. 0000953601 00000 п. 0000973614 00000 н. 0000974431 00000 н. 0000994087 00000 н. 0000994904 00000 н. 0001015426 00000 п. 0001016243 00000 п. 0001035876 00000 п. 0001036693 00000 п. 0001056006 00000 п. 0001056823 00000 п. 0001077218 00000 п. 0001078035 00000 п. 0001097205 00000 п. 0001098022 00000 п. 0001117071 00000 п. 0001117888 00000 п. 0001137102 00000 п. 0001137919 00000 п. 0001157516 00000 п. 0001158333 00000 п. 0001178719 00000 п. 0001179536 00000 п. 0001201197 00000 п. 0001202014 00000 n 0001224371 00000 п. 0001225188 00000 п. 0001248376 00000 п. 0001249193 00000 п. 0001272618 00000 п. 0001273435 00000 п. 0001297088 00000 н. 0001297905 00000 п. 0001320409 00000 п. 0001321226 00000 п. 0001344036 00000 п. 0001344853 00000 п. 0001365613 00000 п. 0001366430 00000 п. 0001385760 00000 п. 0001386577 00000 п. 0001406082 00000 п. 0001406899 00000 п. 0001426749 00000 п. 0001427566 00000 п. 0001445162 00000 п. 0001445979 00000 п. 0001464304 00000 п. 0001465121 00000 п. 0001483614 00000 п. 0001484431 00000 п. 0001501848 00000 п. 0001502665 00000 п. 0001516773 00000 п. 0001517590 00000 п. 0001525736 00000 н. 0001526553 00000 п. 0001529552 00000 п. 0001530369 00000 п. 0001531187 00000 п. 0001532004 00000 п. 0001532390 00000 п. 0001533207 00000 п. 0001533525 00000 п. 0001534342 00000 п. 0001534619 00000 п. 0001535436 00000 п. 0000012958 00000 п. трейлер ] >> startxref 0 %% EOF 8466 0 obj> поток x [iX ׶_

.