Расчет параметров инвертирующего и неинвертирующего усилителей

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное автономное образовательное учреждение

высшего образования

«НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ

ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Инженерная школа энергетики

Электроэнергетика и электротехника

«Расчет параметров инвертирующего и неинвертирующего усилителей»

Индивидуальное задание № 1

по дисциплине:

Электроника 2. 1

Исполнитель:

студент группы 5А6Г Агафонов Богдан Валерьевич

Руководитель:

кандидат технических наук Чернышев Александр Юрьевич

Томск — 2018

Задание №1

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

Рис.1. Схема инвертирующего усилителя

Решение:

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

=+151,5 В;

1 МОм;

=151,5 В;

= +11 В;

2,5 мА;

200 нА;

25 нА;

=10 В;

= 11 В;

30000;

= 1 МГц;

= 2 В/мкс;

Условные обозначения параметров операционного усилителя:

напряжение источника питания положительной полярности;

напряжение источника питания отрицательной полярности;

максимальный допустимый ток операционного усилителя;

входной ток операционного усилителя;

разность входных токов;

напряжение смещения;

входное сопротивление

максимальное выходное напряжение положительного уровня;

максимальное выходное напряжение отрицательного уровня;

коэффициент усиления напряжения;

частота единичного усиления;

скорость изменения выходного напряжения.

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

Решим уравнение относительно сопротивления :

Подставив в выражение численные значения параметров, получим

Для ограничения выходного тока операционного усилителя увеличиваем в 10 раз.

Сопротивления резистора выбираем из ряда номинальных значений Е24.

Принимаем кОм.

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

Подставив численные значения параметров в выражение, имеем

Тогда мощность резистора

или после подстановки численных значений параметров

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

Коэффициент усиления инвертирующего усилителя определяется в соответствии с выражением

Решая выражение относительно , получим

После подставки численных значений параметров:

Сопротивление резистора выбираем из ряда номинальных значений Е24:

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

Тогда

и

С учетом численных значений параметров

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

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

Подставив найденные значения сопротивлений и в выражение, получим

Сопротивление резистора выбираем из ряда номинальных значений:

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

В соответствии с выражением проведем проверку коэффициента усиления инвертирующего усилителя

Погрешность вычислений находим по выражению

С учетом найденного значения определяем величину

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

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

Рис.3. Осциллограммы цифрового осциллографа

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

Тогда коэффициент усиления по напряжению инвертирующего усилителя можно определить по уравнению

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

Задание №2

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

Рис.4. Схема неинвертирующего усилителя

Решение:

Для расчетов используем операционный усилитель типа К140УД6.

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

Решим выражение относительно

Коэффициент усиления неинвертирующего усилителя определяется в соответствии с выражением

Из выражения определим отношение сопротивлений и и составим систему уравнений

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

Найдем ток, протекающий через резисторы и :

Подставив численные значения параметров в выражение, получим

В соответствии с выражением определим мощность резисторов и :

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

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

Согласно стандартному ряду сопротивлений принимаем

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

Проведем проверку коэффициента усиления неинвертирующего усилителя по выражению:

По уравнению определяем погрешность вычислений

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

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

Рис.6. Диаграммы входного и выходного напряжений неинвертирующего усилителя

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

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

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

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

Операционные усилители с однополярным питанием: примеры применения

11 февраля 2020

Бонни Бейкер (Microchip Technology)

Ведущий инженер Microchip рассказывает о схемах базовых функциональных узлов на операционных усилителях (ОУ), типовых схемах систем управления на их базе и типичных ошибках при проектировании устройств на ОУ.

Операционный усилитель (ОУ) представляет собой основной после транзистора функциональный элемент для построения аналоговых схем. С помощью ОУ легко реализуются такие базовые функции как усиление сигнала, изоляция нагрузки, инвертирование сигнала, смещение уровня, сложение и/или вычитание сигналов. Также на базе ОУ можно реализовать и более сложные схемы, такие как инструментальные усилители, преобразователи тока в напряжение и фильтры. Независимо от сложности схемы собственно операционного усилителя, знание основных принципов его работы позволит сэкономить много времени на начальных этапах проектирования.

В курсе изучения операционных усилителей дается множество важной и полезной информации. Однако при этом часто упускают из виду вопросы, касающиеся практического применения ОУ. Так, при проектировании схем с операционными усилителями разработчики постоянно забывают о такой «мелочи» как блокировочные конденсаторы по питанию. С теоретической точки зрения эти компоненты не нужны. В то же время при отсутствии блокировочного конденсатора схема усилителя может возбудиться и в ней возникнут колебания, чего в теории быть не должно. Если же при проектировании схемы использовались только готовые решения из книг, эта проблема может оказаться трудноразрешимой.

Данное руководство состоит из трех частей. В первой части рассматриваются схемы базовых функциональных узлов на ОУ вместе с уравнениями для их расчета. Эти схемы были выбраны с учетом их применимости во встраиваемых системах.

Во второй части руководства рассматриваются более сложные аналоговые схемы для встраиваемых систем управления, построенные с использованием базовых функциональных узлов.

В третьей части руководства приведены наиболее распространенные ошибки, которые допускаются при проектировании схем на ОУ с однополярным питанием. Данный перечень ошибок – результат многолетней работы множества разработчиков по поиску неисправностей в аналоговых схемах. Большей части этих ошибок можно избежать, если применить рекомендации, приведенные в данной статье.

Основные принципы работы операционных усилителей

Операционный усилитель – это такой же «кирпичик» для построения аналоговых схем, как логический элемент – для цифровых. При помощи операционных усилителей мы можем кардинально изменять аналоговые сигналы, подобно тому как с помощью инверторов и логических элементов И/ИЛИ мы изменяем цифровые сигналы. В этой части мы рассмотрим такие базовые функциональные узлы на ОУ как повторитель напряжения, неинвертирующий и инвертирующий усилители, расщепитель питания (формирователь искусственной средней точки), дифференциальный и суммирующий усилители, а также преобразователь тока в напряжение.

Повторитель напряжения

Начнем с самой простой схемы – схемы буферного усилителя (рисунок 1). Буферный усилитель применяется для управления большими нагрузками для согласования входных/выходных сопротивлений или для развязки силовых цепей и чувствительных прецизионных схем.

Рис. 1. Буферный усилитель (повторитель напряжения)

Буферный усилитель, показанный на рисунке 1, может быть реализован на любом ОУ с однополярным питанием, устойчиво работающем при единичном коэффициенте усиления. В этой схеме, как и во всех схемах с ОУ, должен присутствовать блокировочный конденсатор по питанию. Для усилителей с однополярным питанием, работающих в полосе частот от нуля до единиц мегагерц, как правило, достаточно конденсатора емкостью 1 мкФ. Если полоса частот усилителя составляет десятки мегагерц, может потребоваться конденсатор меньшей емкости. В этом случае обычно используют конденсатор емкостью 0,1 мкФ. При отсутствии блокировочного конденсатора или при неправильном выборе его емкости операционный усилитель может самовозбудиться.

Коэффициент усиления схемы, приведенной на рисунке 1, равен +1 В/В. Обратите внимание, что хотя усиление всей схемы положительно, цепь обратной связи с выхода усилителя подключена к инвертирующему входу. Полагать, будто бы схема на ОУ, имеющая положительное усиление, требует наличия положительной обратной связи – очень распространенное заблуждение. Если мы охватим ОУ положительной обратной связью, то на выходе усилителя, скорее всего, установится уровень одной из шин питания.

Данная схема обеспечивает хорошую линейность в пределах всей полосы пропускания усилителя. Однако существуют и определенные ограничения – уровень синфазного сигнала на входе и размах выходного сигнала не должны выходить за определенные границы. Указанные ограничения обсуждаются в разделе «Подводные камни проектирования схем с ОУ».

Если эта схема предназначена для управления мощной нагрузкой, то примененный ОУ должен обеспечивать необходимый уровень выходного тока. Также данная схема может применяться для управления емкостной нагрузкой. Следует отметить, что далеко не каждый ОУ способен сохранять устойчивость при работе на емкостную нагрузку. Если усилитель рассчитан на управление емкостной нагрузкой, то в его документации это будет явно указано. С другой стороны, если ОУ не может работать на емкостную нагрузку, то в его документации это, как правило, особо не оговаривается.

Кроме того, буферный усилитель используется для решения задачи согласования входного и выходного сопротивлений. Это может потребоваться в том случае, если источник аналогового сигнала имеет достаточно высокое выходное сопротивление по сравнению со входным сопротивлением схемы. При прямом подключении источника к схеме уровень сигнала уменьшится из-за падения напряжения на делителе, образованном выходным сопротивлением источника и выходным сопротивлением схемы. Буферный усилитель прекрасно решает эту проблему. Входное сопротивление неинвертирующего входа КМОП ОУ может достигать значения 10¹³ Ом. В то же время выходное сопротивление буферного усилителя обычно не превышает 10 Ом.

Еще один вариант использования буферного усилителя – изоляция чувствительной прецизионной схемы от источника тепла, как показано на рисунке 2. Представьте, что схема, к которой подключен буферный усилитель, усиливает сигнал величиной 100 мкВ.

Рис. 2. Развязка нагрузки с использованием буферного усилителя

Усиление подобных сигналов – непростая задача, независимо от требуемой точности. При таких прецизионных измерениях из-за изменения выходного тока схемы усилителя может легко возникнуть погрешность. Увеличение тока нагрузки вызывает саморазогрев кристалла, что в свою очередь приводит к росту напряжения смещения. В таких ситуациях для управления мощной нагрузкой лучше использовать отдельный аналоговый буфер, а входным каскадам оставить только прецизионные измерения.

Усиление аналоговых сигналов

Буфер позволяет решить многие проблемы, связанные с передачей аналогового сигнала, однако на практике часто возникает необходимость усиления сигнала. Для этого можно использовать усилители двух типов. В усилителе первого типа, схема которого приведена на рисунке 3, сигнал не инвертируется. Этот вариант усилителя очень удобен для схем с однополярным питанием, в которых отрицательные сигналы, как правило, отсутствуют.

Рис. 3. Неинвертирующий усилитель на ОУ

Примечание. Когда в данной публикации говорится об однополярном питании, то подразумевается, что отрицательный вывод питания операционного усилителя соединен с общим проводом, а положительный вывод питания подключен к линии +5 В. Все рассуждения в этой статье можно экстраполировать и на другие значения напряжения питания, если напряжение однополярного источника превышает 5 В или же если используется двуполярное питание.

В данном случае входной сигнал подается на высокоимпедансный неинвертирующий вход операционного усилителя. Выходное напряжение данной схемы определяется по формуле 1:

$$V_{OUT}=\left(1+\frac{R_{2}}{R_{1}} \right)\times V_{IN}\qquad{\mathrm{(}}{1}{\mathrm{)}}$$

В схемах с однополярным питанием значение сопротивления резистора R₂, как правило, берется не менее 2 кОм. Сопротивление резистора R₁ выбирается исходя из требуемого значения коэффициента усиления с учетом уровня шумов операционного усилителя и входного напряжения смещения, указанных в технической документации на ОУ. Стоит отметить, что данная схема имеет некоторые ограничения, касающиеся величины входного и выходного сигналов. Так, напряжение на неинвертирующем входе ОУ не должно превышать максимально допустимого для данного ОУ значения синфазного напряжения. Размах выходного сигнала ОУ также ограничен; допустимый диапазон указывается в технической документации на усилитель. Как правило, большая часть ошибок возникает из-за ограничения слишком большого выходного сигнала усилителя, а не из-за слабого сигнала на входе. При возникновении ограничения выходного сигнала коэффициент усиления схемы следует уменьшить.

Схема инвертирующего усилителя приведена на рисунке 4. Эта схема усиливает и инвертирует сигнал, поданный на входной резистор (R₁). Выходное напряжение этой схемы определяется по формуле 2:

$$V_{OUT}=-\left(\frac{R_{2}}{R_{1}} \right)\times V_{IN}+\left(1+\frac{R_{2}}{R_{1}} \right)\times V_{BIAS}\qquad{\mathrm{(}}{2}{\mathrm{)}}$$

Рис. 4. Инвертирующий усилитель на ОУ

Сопротивления резисторов R₁ и R₂ выбираются из тех же соображений, что и для схемы неинвертирующего усилителя, приведенной на рисунке 3.

При использовании этой схемы в условиях однополярного питания легко допустить ошибку. Пусть, к примеру, R₂ равен 10 кОм, R₁ равен 1 кОм, V_BIAS равно 0 В, а напряжение на входном резисторе R₁ равно 100 мВ. В этом случае выходное напряжение, казалось бы, должно быть равно -1 В. Однако это значение выходит за границы диапазона выходного напряжения ОУ, поэтому на выходе ОУ установится минимально возможное положительное напряжение.

Для решения этой проблемы следует добавить в схему источник напряжения смещения V_BIAS. Вернемся к предыдущему примеру. Если бы мы подали на вход V_BIAS напряжение 225 мВ, то выходной сигнал оказался бы смещен на 2,475 В. Соответственно, вместо отрицательного напряжения на выходе ОУ было бы напряжение 2,475 В – 1 В = 1,475 В. Как правило, схемы рассчитывают таким образом, чтобы среднее значение выходного напряжения ОУ было равно половине напряжения питания V_DD/2.

Схемы с однополярным питанием и расщепители питания

Как было показано на примере схемы инвертирующего усилителя (рисунок 4), при однополярном питании часто требуется смещать уровень сигнала, чтобы он оставался в пределах диапазона, определенного потенциалами выводов питания. Такое смещение можно обеспечить с использованием одного ОУ и нескольких пассивных элементов, как показано на рисунке 5. Во многих случаях эту схему можно реализовать на обычном буферном усилителе без конденсаторов частотной коррекции. В других ситуациях, например, при использовании этой схемы в качестве источника опорного напряжения аналого-цифрового преобразователя (АЦП), ее нагрузка будет динамически изменяться. В подобных приложениях напряжение смещения должно оставаться неизменным, иначе может возникнуть ошибка преобразования.

Рис. 5. Расщепитель питания на одном операционном усилителе. Данная схема особенно полезна при однополярном питании

Неизменное напряжение смещения можно легко сформировать, используя делитель напряжения (R₃ и R₄) или источник опорного напряжения с последующей буферизацией посредством ОУ. Выходное напряжение схемы, приведенной на рисунке 5, определяется по формуле 3:

$$V_{OUT}=V_{DD}\times \left(\frac{R_{4}}{R_{3}+R_{4}} \right)\qquad{\mathrm{(}}{3}{\mathrm{)}}$$

Схема, представленная на рисунке 5, имеет дополнительную цепь коррекции, обеспечивающую работу на большую емкостную нагрузку C₁. Такая большая емкость используется потому, что имеет очень маленькое сопротивление переменному току по входу опорного напряжения АЦП. Этот конденсатор сглаживает кратковременные скачки тока, которые обязательно присутствуют на входе опорного напряжения АЦП.

Дифференциальный (разностный) усилитель

Дифференциальный усилитель представляет собой сочетание неинвертирующего и инвертирующего усилителей (рисунки 3 и 4). Схема дифференциального усилителя приведена на рисунке 6.

Рис. 6. Дифференциальный усилитель на ОУ

Выходное напряжение этой схемы определяется по формуле 4:

$$V_{OUT}=\left(V_{1}-V_{2} \right)\times \left(\frac{R_{2}}{R_{1}} \right)+V_{REF}\qquad{\mathrm{(}}{4}{\mathrm{)}}$$

Данная схема будет усиливать разность двух сигналов с хорошей точностью с условием, что выходное сопротивлении источников этих сигналов мало. Если выходные сопротивления этих источников окажутся большими по сравнению с сопротивлением R₁, то уровень сигнала на входах ОУ снизится из-за влияния делителя напряжения, созданного выходным сопротивлением источника и входными резисторами дифференциального усилителя. Помимо этого, погрешности могут создавать различные значения выходных сопротивлений источников сигналов. Коэффициент усиления данной схемы может превышать или равняться единице.

Суммирующий усилитель

Суммирующие усилители (рисунок 7) используются, когда необходимо объединить несколько сигналов путем их сложения или вычитания. Дифференциальный усилитель, обрабатывающий только два сигнала, представляет собой частный случай суммирующего усилителя.

Рис. 7. Суммирующий усилитель на ОУ

Выходное напряжение этой схемы определяется по формуле 5:

$$V_{OUT}=\left(V_{1}+V_{2}-V_{3}-V_{4} \right)\times \left(\frac{R_{2}}{R_{1}} \right)\qquad{\mathrm{(}}{5}{\mathrm{)}}$$

На инвертирующий и неинвертирующий входы ОУ в этой схеме можно подавать любое равное количество сигналов через резисторы с одинаковым сопротивлением.

Преобразователь тока в напряжение

Операционный усилитель может применяться для преобразования токового сигнала от датчика, такого как фотодиод, в напряжение. Для этого в цепь обратной связи включается единственный резистор и (опционально) конденсатор, как показано на рисунке 8.

Свет, попадая на фотодиод, вызывает протекание через него обратного тока. При использовании операционного усилителя, изготовленного по технологии КМОП, который обладает высоким входным сопротивлением, весь ток фотодиода (I_D1) будет течь по цепи с наименьшим сопротивлением – через резистор обратной связи R₂. А благодаря очень малому входному току смещения КМОП-усилителей (обычно менее 200 пА), обусловленная им погрешность также будет невелика. Неинвертирующий вход операционного усилителя подключен к общему проводу, то есть все сигналы в схеме отсчитываются относительно общего провода. Обе схемы будут работать только в том случае, если ОУ допускает подачу на свои входы нулевого синфазного напряжения.

На рисунке 8 приведены две схемы. Верхняя схема обеспечивает измерение освещенности с высокой точностью. В ней напряжение на фотодиоде близко к нулю и равно напряжению смещения операционного усилителя. При такой конфигурации основным источником тока, протекающего через резистор R₂, является воздействие света на фотодиод.

Рис. 8. Преобразователь тока в напряжение на ОУ и одном резисторе: схема (а) измерения освещенности обеспечивает повышенную точность, а схема (б) обладает повышенным быстродействием

Схема измерения освещенности, изображенная в нижней части рисунка 8, обеспечивает более высокое быстродействие. Это достигается путем смещения фотодиода в обратном направлении, в результате чего уменьшается его паразитная емкость. Недостатком данной схемы является увеличенная погрешность по постоянному току из-за большого обратного тока фотодиода.

Применение базовых схем

Инструментальный усилитель

Инструментальные усилители находят применение в самых разных областях: от медицинского оборудования до промышленных контроллеров. Инструментальный усилитель аналогичен дифференциальному усилителю в том смысле, что он тоже вычитает один аналоговый сигнал из другого, однако его входной каскад построен совершенно иначе. Классическая схема инструментального усилителя на трех ОУ приведена на рисунке 9.

Рис. 9. Инструментальный усилитель на трех ОУ

В этой схеме оба входных сигнала поступают на высокоомные неинвертирующие входы операционных усилителей. Поэтому, в отличие от дифференциального усилителя, данную схему можно использовать в случае, если выходные сопротивления источников сигналов велики и/или различаются. Коэффициент усиления входного каскада определяется сопротивлением резистора R_G.

Второй каскад представляет собой обычный дифференциальный усилитель. Этот каскад подавляет синфазное напряжение входных сигналов и вычитает один сигнал из другого. Выходные сопротивления источников сигналов, поступающих на вход дифференциального усилителя, малы, имеют одинаковое значение и их легко контролировать.

Напряжение смещения дифференциального каскада измерительного усилителя можно изменять в широких пределах. В схемах с однополярным питанием напряжение смещения обычно выбирается равным половине напряжения питания. Для формирования напряжения смещения можно использовать расщепитель питания, схема которого приведена на рисунке 5. Выходное напряжение инструментального усилителя определяется по формуле 6:

$$V_{OUT}=\left(V_{1}-V_{2} \right)\times \left(1+\frac{2R_{2}}{R_{G}} \right)\times \left(\frac{R_{4}}{R_{3}} \right)+V_{REF}\qquad{\mathrm{(}}{6}{\mathrm{)}}$$

Другая схема инструментального усилителя показана на рисунке 10. В этой схеме оба ОУ служат для изоляции нагрузки и усиления сигнала. Кроме того, второй ОУ работает как дифференциальный усилитель.

Рис. 10. Инструментальный усилитель на двух ОУ. Эта схема лучше всего подходит, если нужно обеспечить высокий коэффициент усиления (более 3 В/В)

На первый ОУ можно подать напряжение смещения. Как правило, в схемах с однополярным питанием напряжение смещения выбирают равным половине напряжения питания. Выходное напряжение этой схемы определяется по формуле 7:

$$V_{OUT}=\left(V_{1}-V_{2} \right)\times \left(1+\frac{R_{1}}{R_{2}}+\frac{2R_{1}}{R_{G}} \right)+V_{REF}\qquad{\mathrm{(}}{7}{\mathrm{)}}$$

Плавающий источник тока

Плавающий источник тока может пригодиться для задания тока, протекающего через элемент с изменяющимся сопротивлением, например, резистивного термодатчика (RTD). Схема, приведенная на рисунке 11, представляет собой источник тока величиной 1 мА для RTD-датчика, хотя можно установить и любое другое значение тока.

Рис. 11. Плавающий источник тока, построенный на двух ОУ и прецизионном источнике опорного напряжения

В этой схеме из-за наличия резистора R1 напряжение V_REF уменьшается на величину V_R1. Соответственно, напряжение на неинвертирующем входе верхнего в схеме ОУ равно V_REF – V_R1. Это напряжение после усиления в два раза дает на выходе ОУ напряжение, равное 2 × (V_REF – V_R1). При этом выходное напряжение нижнего ОУ  схемы составляет V_REF – 2 × V_R1. Вычитая выходное напряжение верхнего ОУ из напряжения на неинвертирующем входе нижнего ОУ, получаем:

2(V_REF – V_R1) – (V_REF – 2V_R1), что равно V_REF.

Величина тока, формируемого данной схемой, определяется по формуле 8:

$$I_{OUT}=\frac{V_{REF}}{R_{L}}\qquad{\mathrm{(}}{8}{\mathrm{)}}$$

Фильтры

На входе любого АЦП крайне желательно наличие полосового или низкочастотного фильтра, позволяющего удалить нежелательные составляющие сигнала. Фильтр нижних частот, схема которого приведена на рисунке 12, имеет два полюса, которые можно сконфигурировать таким образом, чтобы получить фильтр Баттерворта. Фильтры Баттерворта имеют плоскую АЧХ в полосе пропускания и хорошие характеристики в целом.

Рис. 12. Активные фильтры нижних частот с двумя полюсами легко реализовать на одном операционном усилителе

С другой стороны, на переходной характеристике фильтра этого типа присутствует небольшой выброс, а также звон. Это может быть проблемой, а может и не быть – все зависит от требований конкретного приложения. Коэффициент усиления этого фильтра определяется сопротивлением резисторов R₃ и R₄.

Обратите внимание на сходство уравнений для вычисления коэффициента усиления данного фильтра и неинвертирующего усилителя, показанного на рисунке 3.

Фильтры этого типа также называют антиалиасинговыми, если они используются для устранения составляющих сигнала, частота которых превышает половину частоты Найквиста конкретной дискретной системы. Таким образом, из спектра сигнала удаляются высокочастотные помехи, которые в противном случае наложились бы на полезный сигнал.

Коэффициент усиления по постоянному току схемы, приведенной на рисунке 12, определяется по формуле 9:

$$\frac{V_{OUT}}{V_{IN}}=\left(1+\frac{R_{4}}{R_{3}} \right)\qquad{\mathrm{(}}{9}{\mathrm{)}}$$

Полосовой фильтр, схема которого приведена на рисунке 13, имеет частотную характеристику с одним нулем и двумя полюсами и предназначен для обработки речевых сигналов. Фильтр высоких частот первого порядка реализован на конденсаторе C₁ и резисторах R₁ и R₂, соединенных параллельно. Обратите внимание, что резисторы R₁ и R₂ также образуют делитель, формирующий на неинвертирующих входах операционных усилителей напряжение смещения. Это обеспечивает работу обеих ОУ в линейной области. На втором операционном усилителе U2 и компонентах R₃, R₄, C₃ и C₄ реализован фильтр низких частот второго порядка.

Рис. 13. Полосовой фильтр можно реализовать на двух ОУ: первый ОУ будет работать как фильтр верхних частот, а второй – как фильтр нижних частот

Этот фильтр подавляет высокочастотные помехи, которые в противном случае могли бы наложиться на полезный сигнал при аналого-цифровом преобразовании. Выходное напряжение данной схемы определяется по формуле 10:

$$V_{OUT}=V_{IN}\times \left(\frac{R_{3}}{R_{4}} \right)\times \left(\frac{R_{2}}{R_{1}+R_{2}} \right)\qquad{\mathrm{(}}{10}{\mathrm{)}}$$

Для получения дополнительной информации о фильтрах нижних частот ознакомьтесь с руководством по применению AN699 «Anti-Aliasing Analog Filters for Data Acquisitions Systems» («Антиалиасинговые аналоговые фильтры для систем сбора данных»).

Соединяем все вместе

Схема, приведенная на рисунке 14, реализует законченное устройство измерения температуры с однополярным питанием. В этой схеме применены четыре операционных усилителя и 12-разрядный аналого-цифровой преобразователь. В качестве датчика температуры используется RTD-датчик, который требует возбуждения током. Этот ток формируется плавающим источником тока, схема которого была приведена на рисунке 11. Усилительный каскад и антиалиасинговый фильтр реализованы по схеме, приведенной на рисунке 13.

Рис. 14. Законченная схема с однополярным питанием для измерения температуры

Сигнал с RTD-датчика поступает на усилительный каскад, который представляет собой комбинацию инвертирующего и неинвертируюшего усилителей.

С выхода этого усилительного каскада сигнал поступает на фильтр нижних частот второго порядка с коэффициентом усиления 6 В/В. Такое усиление было выбрано в соответствии со входным диапазоном аналого-цифрового преобразователя. Полагая, что частота дискретизации АЦП, также известная как частота Найквиста, равна 75 кГц, частота среза антиалиасингового фильтра (U4) была задана равной 10 кГц. Такой полосы пропускания фильтра достаточно для эффективного подавления составляющих сигнала с частотами, меньшими чем половина частоты Найквиста. В качестве аналого-цифрового преобразователя используется 12-битный АЦП последовательного приближения, выход которого подключен к микроконтроллеру PIC12C509.

Подводные камни проектирования схем с ОУ

В этой части руководства перечислены типичные проблемы, связанные с работой операционных усилителей, установленных на печатную плату. Эти проблемы разбиты на четыре категории:

• общие советы;
• входные каскады;
• ширина полосы пропускания ОУ;
• ОУ класса «rail-to-rail» при однополярном питании.

Общие советы

• Соблюдайте осторожность при выборе напряжений, подаваемых на выводы питания ОУ. Не превышайте значений, указанных в спецификации на операционный усилитель, и, в то же время, не делайте их слишком маленькими. Высокие значения напряжений приведут к повреждению компонента, а низкие не смогут обеспечить требуемое смещение транзисторов на кристалле ОУ, необходимое для нормальной работы усилителя.
• Убедитесь, что отрицательный вывод питания (обычно – земля) действительно подключен к шине с низким потенциалом. Кроме того, убедитесь, что источник положительного напряжения действительно обеспечивает требуемое напряжение относительно отрицательного вывода питания ОУ. Для проверки подключите вольтметр между отрицательным и положительным выводами питания ОУ.
• Тщательно проверьте земляную шину, особенно при наличии на плате цифровых узлов. Хорошо продумайте трассировку земляной шины. Если схема содержит много цифровых цепей, подумайте над использованием отдельных слоев земли и питания. Очень сложно, а зачастую просто невозможно убрать из аналогового сигнала помехи, вызванные работой цифровых компонентов.
• Развязывайте цепи питания операционных усилителей с помощью блокировочных конденсаторов, располагая их как можно ближе к ОУ. Для КМОП-усилителей обычно рекомендуется использовать конденсаторы емкостью 0,1 мкФ. Также выполните развязку самого источника питания с помощью конденсатора емкостью 10 мкФ.
• Используйте короткие проводники на входах ОУ. Если вы применяете для макетирования беспаечные макетные платы, то имейте в виду, что они могут стать причиной появления в схеме паразитных шумов и колебаний. Можно надеяться, что эти проблемы не возникнут при реализации схемы на печатной плате.
• Операционные усилители чувствительны к статическому электричеству. Если микросхема будет повреждена, то ОУ либо просто перестанет работать, либо возникнут непонятные погрешности (например, изменится напряжение смещения или входной ток смещения), которые со временем будут только увеличиваться.

Входные каскады

• Учитывайте диапазон входных напряжений вашего ОУ. Если напряжение на любом из входов усилителя выйдет за допустимые пределы, то на выходе, скорее всего, установится напряжение одной из шин питания.
• Если ваша схема имеет большой коэффициент усиления, не забывайте о напряжении смещения ОУ. Это напряжение усиливается вместе с полезным сигналом и может «забить» полезный сигнал на выходе усилителя.
• Не используйте ОУ со входами типа «rail-to-rail», если в этом нет прямой необходимости. Заметим, что такие ОУ обычно требуются только для буферных усилителей и, в некоторых случаях, для реализации инструментальных усилителей. Если схема имеет усиление, то ограничение выходного сигнала в любом случае наступит до возникновения проблем со входом.

Ширина полосы пропускания ОУ

• Учитывайте ширину полосы пропускания ОУ. Если у вас реализован усилитель с коэффициентом усиления 10, а величина выходного сигнала переменного тока намного меньше ожидаемой, то вам, возможно, следует подыскать усилитель с более широкой полосой пропускания.
• Для обеспечения устойчивости ОУ обычно достаточно установить конденсатор параллельно резистору в цепи обратной связи усилителя. Но это помогает не всегда. Если усилитель теряет устойчивость, быстрый ее расчет укажет проблему и, возможно, подскажет пути ее решения.

ОУ класса «rail-to-rail» при однополярном питании

• Операционный усилитель способен отдавать в нагрузку ограниченный ток.
• Емкостная нагрузка опасна для ОУ. Убедитесь, что используемый усилитель рассчитан на нагрузки, имеющиеся в вашей схеме.
• Большая редкость, когда операционный усилитель с однополярным питанием действительно обеспечивает полный размах выходного напряжения. На практике предельные значения выходного напряжения большинства таких усилителей отличаются от напряжения каждой из шин питания на 50…200 мВ. Проверьте это по технической документации на ваш усилитель.

Литература

1. Sergio Franco, “Design with Operational Amplifiers and Analog Integrated Circuits”, McGrawHill, 2001
2. Thomas Frederiksen, “Intuitive Operational Amplifiers: From Electron to Op Amp”, McGraw Hill, 1988
3. Jim Williams, “Analog Circuit Design”, Butterworth-Heinemann, 1991
4. Bonnie Baker, “AN699 – Anti-aliasing Analog Filters for Data Acquisition Systems”, Microchip Technology Inc., DS00699, 1999
5. Bonnie Baker, “AN722 – Operational Amplifier Topologies and DC Specifications”, Microchip Technology Inc., DS00722, 1999
6. Bonnie Baker, “AN723 – Operational Amplifier AC Specifications and Applications”, Microchip Technology Inc., DS00723, 2000

Оригинал статьи

Перевел Андрей Евстифеев по заказу АО КОМПЭЛ

•••

Наши информационные каналы

Измеритель напряжения и коэффициента усиления на усилителе — инструменты электротехники и электроники

Калькулятор напряжения и коэффициента усиления Op-Amp

Калькулятор для вычисления коэффициента усиления и выходного напряжения операционного усилителя

Вывод

V _out

(В)

Инвертирование коэффициента усиления

(V _out / V ₁ )

Получите неинвертирующий

(V _out / V ₂ )

обзор

Этот калькулятор помогает рассчитать значения выходного напряжения и инвертирующего и неинвертирующего усиления операционного усилителя. Укажите значения резисторов, входных напряжений и напряжения питания и нажмите кнопку «рассчитать».

Операционный усилитель (op-amp) — усилитель напряжения с дифференциальным входом и односторонним выходом. Двумя основными базовыми конфигурациями ОУ являются инвертирующий усилитель и неинвертирующий усилитель. Термины «инвертирование» и «неинвертирование» относятся к полярности выходного напряжения по отношению к входному напряжению. Инвертирующий усилитель обеспечивает выходное напряжение, которое имеет противоположную полярность по отношению к входному напряжению. Неинвертирующий усилитель не изменяет полярность входного напряжения.

Обратите внимание, что этот калькулятор может использоваться как для инвертирующей, так и для неинвертирующей конфигурации операционного усилителя. Для неинвертирующего операционного усилителя установите V2 на 0V и используйте V1 в качестве входного сигнала. Если требуется инвертирующий операционный усилитель, установите V1 на 0 В и используйте V2 в качестве входа. Используйте очень большое значение для R3 (например, 9999999999), если положительный входной сигнал операционного усилителя должен быть подключен непосредственно к земле.

уравнения

$$ V_ {out} = A V_ {input} $$

Для инвертирования операционного усилителя:

$$ A = — \ frac {R_ {2}} {R_ {1}} $$

Для неинвертирующего операционного усилителя:

$$ A = 1 + \ frac {R_ {2}} {R_ {1}} $$

Приложения

ОУ-усилитель представляет собой модуль дифференциального усилителя с высоким коэффициентом усиления, который формирует центральный компонент во множестве полезных, простых схем усилителя. Проектирование с помощью операционных усилителей намного проще, чем создание настраиваемых усилителей из дискретных компонентов, а результирующие схемы легко настраиваются в соответствии с потребностями приложения. Основополагающим методом в реализации ОУ является использование отрицательной обратной связи. В типичных инвертирующих и неинвертирующих конфигурациях сеть обратной связи принимает форму двух резисторов. Низкочастотный коэффициент усиления готовой схемы почти полностью определяется значениями этих двух резисторов.

Дальнейшее чтение

• Учебник — Введение в операционные усилители
• Учебник — Инвертирующие и неинвертирующие операционные усилители
• Видео-лекция — характеристики Op-amp

расчёт параметров схмы ОУ

Инвертирующий усилитель на ОУ

Входные токи смещения ОУ чрезвычайно малы, однако при усилении сигналов низкого уровня, к которым относятся и биомедицинские сигналы, токи смещения могут привести к появлению погрешности усиления. Для повышения точности усилителя целесообразно в цепь неинвертирующего входа включать резистор, как показано на рис. 1.2.

Входное сопротивление инвертирующего усилителя (рис. 1.1) равно R1, так как благодаря обратной связи потенциал точки А приблизительно равен нулю . Поэтому сопротивление R1 должно выбираться так, чтобы не нагружать источник входного сигнала, а R2 должно быть достаточно большим, чтобы не нагружать выходную цепь операционного усилителя.

Операционный усилители в линейных схемах. Часть 3

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

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

Дифференциальный усилитель

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

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

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

Схема дифференциального усилителя на основе ОУ фактически представляет собой два усилителя – инвертирующий и неинвертирующий. Инвертирующий усилитель получится, если заземлить вход U_BX2, тогда неивертирующий вход ОУ окажется, заземлён через параллельно соединенные резисторы R2 и R3 и схема превратится в инвертирующий усилитель, а выходное напряжение в данном случае составит, как известно

в случае, если заземлить вход U_BX1, а сигнал будет поступать на U_BX2, то схема превратится в неинвертирующий усилитель, на входе которого включён делитель напряжения, тогда выходное напряжение составит

Если входные сигналы будут поступать на оба входа U_BX1 и U_BX2, то выходное напряжение будет иметь вид

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

То выходное напряжение будет пропорционально разности входных напряжений

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

Параметры дифференциального усилителя

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

• дифференциальный коэффициент усиления
  
  
  
• коэффициент усиления синфазного сигнала, который возникает из-за несогласованности резисторов
  
  
  
• коэффициент усиления синфазного сигнала, который обусловлен значением коэффициента ослабления синфазного сигнала операционного усилителя (К_ОСС.ОУ)
  
  
  

Тогда общий К_ОСС всей схемы будет иметь вид

Входное сопротивление дифференциального усилителя состоит из суммы сопротивлений по двум входным каналам. Для входа U_BX1, составит

Для входа U_BX2, входное сопротивление составит

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

где R_BbIX.ОУ – выходное сопротивление ОУ,

К_ОУ – коэффициент усиления ОУ.

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

Улучшение параметров дифференциального усилителя

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

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

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

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

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

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

Работа данной схемы объясняется следующим образом. В соответствии с принципом виртуального замыкания, напряжение между инвертирующим и неинвертирующим входом ОУ равно нулю, поэтому на резисторе R2 напряжение будет равно разности между напряжениями U_BX1 и U_BX1.

Тогда ток, протекающий через резистор R2, составит

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

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

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

Измерительный усилитель

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

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

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

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

— Пояснение к расчетному уравнению »Примечания к электронике

является ключевым аспектом проектирования схемы операционного усилителя: вычисления могут выполняться для общих схем или с более конкретными формулами для инвертирующих и неинвертирующих усилителей.

Учебное пособие по операционному усилителю Включает:
Введение Усиление операционного усилителя Пропускная способность Скорость нарастания операционного усилителя Смещение null Входное сопротивление Выходное сопротивление Понимание спецификаций Как выбрать операционный усилитель Сводка схем операционного усилителя

Одним из ключевых аспектов характеристик операционных усилителей и их электронной схемы является коэффициент усиления.Операционные усилители сами по себе предлагают огромные уровни усиления при использовании в так называемой конфигурации с разомкнутым контуром.

В условиях разомкнутого контура коэффициент усиления операционного усилителя может быть любым, превышающим 10 000, при этом некоторые операционные усилители имеют уровни усиления более чем в десять раз превышающие это значение. Даже для операционных усилителей одного типа возможны большие отклонения коэффициента усиления в результате используемых процессов изготовления.

Хотя операционные усилители сами по себе предлагают огромные уровни усиления, это усиление редко используется в такой форме для усиления сигнала — его было бы чрезвычайно сложно использовать, поскольку даже очень малые входные сигналы будут приводить к выходу за пределы напряжения шины, что приводит к ограничению или обрезка вывода.

Используя метод, известный как отрицательная обратная связь в конструкции электронной схемы, можно использовать огромные уровни усиления с положительным эффектом, обеспечивая плоские частотные характеристики, низкие искажения и очень определенные уровни усиления для всей схемы, не зависящие от фактическое усиление ИС, но от внешних компонентов, значения которых можно точно выбрать.

В других схемах операционных усилителей обратная связь может использоваться для обеспечения других эффектов, таких как фильтрация и т.п.

В некоторых случаях может использоваться положительная обратная связь, но обычно это делается определенным образом для достижения определенного эффекта.

Посмотрите наше видео об усилении операционного усилителя

Основы усиления ОУ

Существует два основных сценария, которые можно рассмотреть при рассмотрении коэффициента усиления операционного усилителя и конструкции электронной схемы с использованием этих электронных компонентов:

• Коэффициент усиления разомкнутого контура: Этот вид усиления измеряется, когда к схеме операционного усилителя не применяется обратная связь.Другими словами, он работает в формате разомкнутого цикла. Коэффициенты усиления для операционного усилителя в этой конфигурации обычно очень высоки, обычно от 10 000 до 100 000. Это коэффициент усиления самого операционного усилителя.

  В технических паспортах операционных усилителей часто приводятся цифры в вольт на милливольт, В / мВ. Указание выигрыша в этих терминах позволяет записать выигрыш в более удобном формате. 10 В / мВ соответствует усилению напряжения 10 000. Это избавляет от записи множества нулей.

• Коэффициент усиления замкнутого контура: Этот вид усиления измеряется, когда работает контур обратной связи, то есть замкнутый контур. Применяя отрицательную обратную связь, общий коэффициент усиления схемы значительно снижается и может быть точно настроен на требуемый уровень или для получения требуемого выходного формата, как в случае фильтров, интеграторов и т. Д. Можно добавить несколько электронных компонентов. к схеме операционного усилителя, чтобы обеспечить необходимую обратную связь.

  Коэффициент усиления измеряется при замкнутом контуре, и при наличии достаточной разницы между усилением разомкнутого и замкнутого контуров схема будет работать в соответствии с расположенной вокруг него обратной связью.Другими словами, при условии, что операционный усилитель имеет достаточный коэффициент усиления (который у него будет), коэффициент усиления всей схемы определяется отрицательной обратной связью, а не коэффициентом усиления самого операционного усилителя.

  Хотя отрицательная обратная связь обычно используется для аналоговых схем, бывают случаи, когда используется положительная обратная связь. Чаще всего это применяется для компараторов, где требуется выходной сигнал на одном из двух уровней. Триггер Шмитта — один из примеров, когда в систему вводится гистерезис.В этих приложениях следует использовать микросхемы компаратора, а не операционные усилители, поскольку они предназначены для работы в этом режиме.

Одним из аспектов, тесно связанных с усилением операционного усилителя, является полоса пропускания. Огромное усиление операционных усилителей может привести к нестабильности, если не будут приняты меры для обеспечения стабильности операционного усилителя и его схемы даже при наличии отрицательной обратной связи.

Используется метод, известный как компенсация. В ранних операционных усилителях внешние электронные компоненты использовались для добавления компенсации, но в более поздних микросхемах она была добавлена ​​внутри.Проще говоря, к внутренним элементам операционного усилителя добавляется небольшой конденсатор. Это снижает склонность к колебаниям, но также уменьшает полосу пропускания разомкнутого контура.

Хотя полоса пропускания разомкнутого контура схемы операционного усилителя уменьшается, после применения отрицательной обратной связи для большинства целей может быть достигнуто достаточное усиление уровня с плоской частотной характеристикой.

Обобщенное усиление ОУ

Отрицательная обратная связь используется для управления усилением всей схемы операционного усилителя.Существует много способов применения обратной связи при проектировании электронной схемы — она ​​может быть независимой от частоты или, например, может зависеть от частоты при создании фильтров.

Можно создать обобщенную концепцию применения отрицательной обратной связи. Исходя из этого, можно разработать более конкретные сценарии.

Можно рассчитать общую формулу для коэффициента усиления операционного усилителя в цепи:

Выходное напряжение можно рассчитать, зная входное напряжение, коэффициент усиления и обратную связь:

Теперь его можно использовать для генерации общего уравнения усиления ОУ с обратной связью.

Используя это общее уравнение, можно разработать уравнения для более конкретных сценариев. Обратная связь может быть частотно-зависимой или плоской по мере необходимости.

Двумя простейшими примерами схем операционных усилителей, использующих обратную связь, являются форматы для инвертирующих и неинвертирующих усилителей.

Инвертирующее усиление ОУ

Схема инвертирующего операционного усилителя показана ниже. Эта схема имеет выход, сдвинутый по фазе на 180 ° со входом, а также обеспечивает виртуальный вход заземления.

Схема операционного усилителя довольно проста и состоит из нескольких электронных компонентов: одного резистора обратной связи от выхода к инвертирующему входу и резистора от инвертирующего входа к входу схемы. Неинвертирующий вход берется за точку заземления. В этой схеме операционного усилителя используются только два дополнительных электронных компонента, что делает ее очень простой и легкой в ​​реализации.

Вывести уравнение усиления операционного усилителя несложно.Сам по себе вход операционного усилителя не потребляет ток, насколько наши расчеты учитывают, поскольку импеданс каждого входа обоих усилителей будет намного выше 100 кОм и, возможно, намного больше 1 МОм. Это означает, что любой ток, протекающий в микросхеме, можно игнорировать.

Из этого видно, что ток, протекающий в резисторах R1 и R2, одинаков, потому что ток не течет через соединение между двумя резисторами.

Используя закон сопротивления V _out / R ₂ = -V _in / R ₁ .Следовательно, коэффициент усиления по напряжению схемы Av можно принять как

В качестве примера можно построить усилитель, требующий десятикратного усиления, сделав R ₂ 47 кОм и R ₁ 4,7 кОм.

Усиление неинвертирующего ОУ

Схема неинвертирующего операционного усилителя показана ниже. Он предлагает более высокий входной импеданс, чем схема инвертирующего операционного усилителя. Как и схема инвертирующего операционного усилителя, она требует добавления только двух электронных компонентов: двух резисторов для обеспечения необходимой обратной связи.

Неинвертирующий усилитель также имеет характеристику, состоящую в том, что вход и выход находятся в одной фазе в результате подачи сигнала на неинвертирующий вход операционного усилителя.

Коэффициент усиления неинвертирующей схемы для операционного усилителя также легко определить в процессе проектирования электронной схемы. Расчет основан на том факте, что напряжение на обоих входах одинаково.

Это происходит из-за того, что усиление усилителя слишком велико.Если выход схемы остается в пределах шины питания усилителя, то деление выходного напряжения на коэффициент усиления означает, что между двумя входами практически нет разницы.

Мы можем предположить, что для целей наших расчетов вход операционного усилителя не потребляет ток, поскольку импеданс входов микросхемы будет намного выше значений используемых резисторов.

Это означает, что ток, протекающий в резисторах R ₁ и R ₂ , одинаков.Напряжение на инвертирующем входе формируется делителем потенциала, состоящим из R ₁ и R ₂ , и поскольку напряжение на обоих входах одинаковое, напряжение на инвертирующем входе должно быть таким же, как и на не -инвертирующий вход.

Это означает, что Vin = Vout x ₁ рэндов / ( ₁ + ₂ рэндов). Следовательно, уравнение усиления операционного усилителя для коэффициента усиления по напряжению схемы Av можно принять как

В качестве примера, усилитель, требующий одиннадцатого усиления, можно построить, сделав R ₂ 47 кОм и R ₁ 4.7 кОм.

Коэффициент усиления операционного усилителя очень легко определить. Расчеты для разных схем немного отличаются, но по существу обе схемы могут предлагать одинаковые уровни усиления, хотя значения резисторов не будут одинаковыми для одинаковых уровней усиления операционного усилителя.

Коэффициент усиления ОУ в других ситуациях

Использование операционных усилителей в линейных приложениях с отрицательной обратной связью является нормальным, хотя это не всегда так. При этом используется очень высокий коэффициент усиления усилителя разомкнутого контура для обеспечения воспроизводимой характеристики, управляемой внешними компонентами.

Примеры этих схем операционных усилителей включают усилители, фильтры, дифференциаторы и интеграторы.

Однако также можно использовать операционные усилители с другими формами обратной связи для получения других эффектов.

Одно из применений использования положительной обратной связи в схеме операционного усилителя для обеспечения переключения, для которого компараторы обеспечивают гораздо лучшую производительность, поскольку они работают намного быстрее и не страдают от проблем с фиксацией, но это не означает, что основные принципы положительной обратной связи не применяются.Однако основные принципы обратной связи и усиления по-прежнему применимы к этому типу ИС или схемных блоков.

Тем не менее, отрицательная обратная связь является наиболее широко используемой формой обратной связи для аналоговых, линейных приложений.

Другие схемы и схемотехника:
Основы операционных усилителей Схемы операционных усилителей Цепи питания Конструкция транзистора Транзистор Дарлингтона Транзисторные схемы Схемы на полевых транзисторах Условные обозначения схем
Возврат в меню проектирования схем.. .

Основы, типы и применение операционных усилителей | Статья

СТАТЬЯ

Получайте ценные ресурсы прямо на ваш почтовый ящик — рассылается раз в месяц

Мы ценим вашу конфиденциальность

Что такое операционный усилитель?

Операционный усилитель (ОУ) — это блок аналоговой схемы, который принимает входное дифференциальное напряжение и выдает несимметричное выходное напряжение.

обычно имеют три клеммы: два входа с высоким сопротивлением и выходной порт с низким сопротивлением.Инвертирующий вход обозначается знаком минус (-), а неинвертирующий вход использует положительный знак (+). Операционные усилители работают для усиления разности напряжений между входами, что полезно для множества аналоговых функций, включая цепочку сигналов, питание и приложения управления.

Классификация операционных усилителей

Существует четыре способа классификации операционных усилителей:

• Усилители напряжения принимают напряжение и создают напряжение на выходе.
• Усилители тока получают токовый вход и выдают токовый выход.
• Усилители крутизны преобразуют входное напряжение в выходное значение тока.
• Трансрезистивные усилители преобразуют входной ток и выдают выходное напряжение.

Поскольку большинство операционных усилителей используются для усиления напряжения, в этой статье основное внимание будет уделено усилителям напряжения.

Операционные усилители: основные характеристики и параметры

Операционные усилители (см. Рисунок 1) имеют много различных важных характеристик и параметров.Эти характеристики более подробно описаны ниже.

Рисунок 1: Схема операционного усилителя

Коэффициент усиления без обратной связи: Коэффициент усиления без обратной связи («A» на рис. 1 , ) операционного усилителя является мерой усиления, достигаемого при отсутствии обратной связи в схеме. Это означает, что цепь обратной связи разомкнута. Коэффициент усиления без обратной связи часто должен быть чрезвычайно большим (10 000+), чтобы быть полезным сам по себе, за исключением компараторов напряжения.

Компараторы напряжения сравнивают напряжения на входных клеммах. Даже при небольших перепадах напряжения компараторы напряжения могут направлять выходной сигнал либо на положительную, либо на отрицательную шины. Высокие коэффициенты усиления без обратной связи полезны в конфигурациях с обратной связью, поскольку они обеспечивают стабильное поведение схемы при изменении температуры, процесса и сигнала.

Другой важной характеристикой операционных усилителей является то, что они обычно имеют высокий входной импеданс («Z _IN » на рисунке , рис. 1 ).Входное сопротивление измеряется между отрицательной и положительной входными клеммами, и его идеальное значение равно бесконечности, что минимизирует нагрузку на источник. (На самом деле происходит небольшая утечка тока.) Размещение схемы вокруг операционного усилителя может значительно изменить эффективное входное сопротивление источника, поэтому внешние компоненты и контуры обратной связи должны быть тщательно настроены. Важно отметить, что входное сопротивление определяется не только входным сопротивлением постоянному току. Входная емкость также может влиять на поведение схемы, поэтому это также необходимо учитывать.

Операционный усилитель в идеале должен иметь нулевой выходной импеданс («Z _OUT » на рисунке , рисунок 1 ). Однако выходное сопротивление обычно имеет небольшое значение, которое определяет величину тока, который он может выдавать, и насколько хорошо он может работать в качестве буфера напряжения.

Идеальный операционный усилитель должен иметь бесконечную полосу пропускания (BW) и поддерживать высокий коэффициент усиления независимо от частоты сигнала.Однако все операционные усилители имеют конечную полосу пропускания, обычно называемую «точкой -3 дБ», где коэффициент усиления начинает падать с увеличением частоты. Затем коэффициент усиления усилителя уменьшается со скоростью -20 дБ / декаду, а частота увеличивается. Операционные усилители с более высокой полосой пропускания обладают улучшенными характеристиками, поскольку они поддерживают более высокий коэффициент усиления на более высоких частотах; однако этот более высокий выигрыш приводит к большему энергопотреблению или увеличению стоимости.

Рисунок 2: Кривая частотной характеристики разомкнутого контура операционного усилителя

Как следует из названия, GBP — это произведение коэффициента усиления и полосы пропускания усилителя.GBP является постоянной величиной на кривой, и ее можно рассчитать с помощью Уравнение (1):

фунтов стерлингов измеряется в точке частоты, в которой коэффициент усиления операционного усилителя достигает единицы. Это полезно, поскольку позволяет пользователю рассчитать коэффициент усиления разомкнутого контура устройства на разных частотах. GBP операционного усилителя обычно является мерой его полезности и производительности, поскольку операционные усилители с более высоким коэффициентом полезного действия могут использоваться для достижения лучших характеристик на более высоких частотах.

Это основные параметры, которые следует учитывать при выборе операционного усилителя в вашей конструкции, но есть много других факторов, которые могут повлиять на вашу конструкцию, в зависимости от приложения и требований к производительности. Другие общие параметры включают входное напряжение смещения, шум, ток покоя и напряжения питания.

Отрицательная обратная связь и усиление с обратной связью

В операционном усилителе отрицательная обратная связь реализуется путем подачи части выходного сигнала через внешний резистор обратной связи и обратно на инвертирующий вход (см. Рисунок 3) .

Рисунок 3: Отрицательная обратная связь с инвертирующим операционным усилителем

Отрицательная обратная связь используется для стабилизации усиления. Используя отрицательную обратную связь, коэффициент усиления с обратной связью можно определить с помощью внешних компонентов обратной связи, которые могут иметь более высокую точность по сравнению с внутренними компонентами операционного усилителя. Это связано с тем, что внутренние компоненты операционного усилителя могут существенно отличаться из-за технологических сдвигов, изменений температуры, изменения напряжения и других факторов. Коэффициент усиления с обратной связью можно рассчитать с помощью уравнения (2) :

Операционные усилители: преимущества и ограничения

Использование операционного усилителя дает множество преимуществ.Операционные усилители часто имеют форму ИС и широко доступны с бесчисленным количеством выбираемых уровней производительности для удовлетворения потребностей любого приложения. Операционные усилители имеют широкий диапазон применений и, как таковые, являются ключевым строительным блоком во многих аналоговых приложениях, включая конструкции фильтров, буферы напряжения, схемы компараторов и многие другие. Кроме того, большинство компаний предоставляют поддержку моделирования, такую ​​как модели PSPICE, чтобы дизайнеры проверяли свои проекты операционных усилителей перед созданием реальных проектов.

Ограничения на использование операционных усилителей включают тот факт, что они являются аналоговыми схемами, и требуют, чтобы разработчик понимал основы аналоговой обработки, такие как нагрузка, частотная характеристика и стабильность. Нет ничего необычного в том, чтобы спроектировать, казалось бы, простую схему операционного усилителя, только чтобы включить ее и обнаружить, что она колеблется. Из-за некоторых ключевых параметров, обсужденных ранее, разработчик должен понимать, как эти параметры влияют на его дизайн, что обычно означает, что разработчик должен иметь опыт аналогового проектирования от среднего до высокого.

Топологии конфигурации операционных усилителей

Существует несколько различных схем операционного усилителя, каждая из которых отличается по функциям. Ниже описаны наиболее распространенные топологии.

Самая простая схема операционного усилителя — повторитель напряжения (см. Рисунок 4) . Эта схема обычно не требует внешних компонентов и обеспечивает высокий входной импеданс и низкий выходной импеданс, что делает ее полезным буфером.Поскольку входное и выходное напряжение равны, изменения на входе вызывают эквивалентные изменения выходного напряжения.

Рисунок 4: Повторитель напряжения

Наиболее распространенными операционными усилителями, используемыми в электронных устройствах, являются усилители напряжения, которые увеличивают величину выходного напряжения. Инвертирующая и неинвертирующая конфигурации — две наиболее распространенные конфигурации усилителей. Обе эти топологии являются замкнутыми (это означает, что существует обратная связь от выхода к входным клеммам), и, таким образом, коэффициент усиления по напряжению устанавливается соотношением двух резисторов.

В инвертирующих операционных усилителях операционный усилитель заставляет отрицательный вывод равняться положительному выводу, который обычно является заземлением. Следовательно, входной ток определяется соотношением V _IN / R1 (см. Рисунок 5) .

Рисунок 5: Инвертирующий операционный усилитель

В этой конфигурации такой же ток течет через R2 к выходу. В идеале ток не течет на отрицательную клемму операционного усилителя из-за высокого значения Z _IN .Ток, протекающий от отрицательной клеммы через R2, создает инвертированную полярность напряжения по отношению к V _IN . Вот почему эти операционные усилители имеют инвертирующую конфигурацию. Обратите внимание, что выход операционного усилителя может качаться только между положительным и отрицательным питанием, поэтому для создания отрицательного выходного напряжения требуется операционный усилитель с отрицательной шиной питания. V _OUT можно рассчитать по формуле (3) :

В схеме неинвертирующего усилителя входной сигнал от источника подключается к неинвертирующей (+) клемме (см. Рисунок 6) .

Рисунок 6: Неинвертирующий операционный усилитель

Операционный усилитель вынуждает инвертирующее (-) напряжение на клеммах равняться входному напряжению, что создает ток через резисторы обратной связи. Выходное напряжение всегда находится в фазе с входным напряжением, поэтому эта топология известна как неинвертирующая. Обратите внимание, что с неинвертирующим усилителем коэффициент усиления по напряжению всегда больше 1, что не всегда имеет место в инвертирующих конфигурациях. VOUT можно рассчитать с помощью уравнения (4) :

Компаратор напряжения операционного усилителя сравнивает входные напряжения и подает выход на шину питания того входа, который выше.Эта конфигурация считается работой без обратной связи, потому что нет обратной связи. Компараторы напряжения работают намного быстрее, чем топологии с обратной связью, описанные выше (см. Рисунок 7) .

Рисунок 7: Компаратор напряжения

Как выбрать операционный усилитель для вашего приложения

В разделе ниже обсуждаются некоторые соображения при выборе подходящего операционного усилителя для вашего приложения.

Во-первых, выберите операционный усилитель, который может поддерживать ожидаемый диапазон рабочих напряжений.Эту информацию можно получить, посмотрев на напряжения питания усилителя. Напряжение питания, вероятно, будет либо V _DD (+), либо заземлением (одинарное питание), либо усилитель может поддерживать как положительное, так и отрицательное напряжение. Отрицательное питание полезно, если выход должен поддерживать отрицательное напряжение.

Во-вторых, рассмотрим GBP усилителя. Если ваше приложение должно поддерживать более высокие частоты или требует более высокой производительности и уменьшения искажений, подумайте об операционных усилителях с более высоким коэффициентом полезного действия.

Следует также учитывать энергопотребление, поскольку для некоторых приложений может потребоваться работа с низким энергопотреблением. Рекомендуемые требования к питанию обычно можно найти в техническом описании детали и обычно указаны как ток питания и потребляемая мощность. Потребляемая мощность также может быть оценена как произведение тока и напряжения питания. Как правило, операционные усилители с более низкими токами питания имеют меньшее значение GBP и соответствуют более низким характеристикам схемы.

Для приложений, требующих более высокой точности, разработчик должен уделять особое внимание входному напряжению смещения усилителя, поскольку это напряжение приводит к смещению выходного напряжения усилителя.

Сводка

Операционные усилители широко используются во многих аналоговых и силовых приложениях. Преимущества использования операционного усилителя заключаются в том, что они, как правило, широко понятны, хорошо документированы и поддерживаются, а также довольно просты в использовании и внедрении. Операционные усилители полезны для многих приложений, таких как буферы напряжения, создание аналоговых фильтров и пороговых детекторов. Обладая более глубоким пониманием ключевых параметров и распространенных топологий, связанных с операционными усилителями, вы можете приступить к их внедрению в свои схемы.

Вы нашли это интересным? Получайте ценные ресурсы прямо на свой почтовый ящик — рассылайте их раз в месяц!

Получить техническую поддержку

— Practical EE

представляют собой базовые блоки для построения схем и могут быть приобретены в различных упаковках с одним или несколькими операционными усилителями в каждой. Эти компоненты являются усилителями, что означает, что они принимают входной сигнал и усиливают этот сигнал на выходе.Фактор, на который устройство усиливает свой вход, называется его усилением. В частности, операционные усилители имеют очень высокое усиление, практически бесконечное входное сопротивление и низкое выходное сопротивление.

Эти компоненты могут использоваться в аналоговых приложениях в качестве преобразователей частоты и фильтров, а также в цифровых приложениях в качестве компараторов. Ниже показан символ схемы операционного усилителя. Vs + и Vs- — контакты питания устройства. Положительное напряжение подается на Vs +, а отрицательное или заземляющее напряжение подается на Vs-.Vo — это выход, V- — инвертирующий вход, а V + — неинвертирующий вход.

используют питание от выводов питания для усиления разницы между напряжениями на входах: Vo = K (V + — V-), где K — некоторый коэффициент масштабирования. Для автономного устройства следует помнить два правила:

• Входы с высоким сопротивлением. Входы V + и V- имеют очень высокий импеданс, что означает, что по этим входам практически не течет ток, независимо от приложенного напряжения.
• Выход не может превышать предложение. Выходное напряжение Vo никогда не может быть выше Vs + или ниже Vs-.

Операционные усилители обычно конфигурируются с той или иной формой обратной связи, позволяющей им реализовывать большое количество функций. Положительная обратная связь или отсутствие обратной связи реализует функцию компаратора, а отрицательная обратная связь реализует аналоговый усилитель и / или частотный фильтр, в зависимости от того, какие основные компоненты включены в сеть обратной связи. Когда вы смотрите на схемы операционных усилителей, важно отметить, имеют ли они положительную или отрицательную обратную связь, потому что это определит способ определения того, как работает схема.

Операционные усилители без обратной связи — Компараторы

без обратной связи называются компараторами. Устройство работает довольно просто, прямолинейно, когда нет обратной связи. Когда на входе + напряжение выше, чем на входе -, выход резко повышается до напряжения положительной шины питания. Когда на входе «-» операционного усилителя напряжение выше, чем на входе «+», выход резко упирается в обратную шину источника питания (заземление или клемму -).

+ Входное напряжение выше, чем — вход: Выход приводит к максимальному напряжению

— Входное напряжение выше, чем на входе +: выходное напряжение достигает минимального значения

Операционные усилители с положительной обратной связью

с положительной обратной связью также ведут себя как компараторы, но положительная обратная связь добавляет гистерезис.

Операционные усилители с отрицательной обратной связью

Давайте начнем с отрицательных отзывов об операционных усилителях. Отрицательная обратная связь означает, что между выходом и инвертирующим входом (V-) есть некий компонент или сеть компонентов.Например, отрицательная обратная связь может быть связана с резистором, подключенным между выходом и V-. Отрицательная обратная связь добавляет еще одно правило к операционным усилителям.

Отрицательная обратная связь объединяет входные напряжения

Схема операционного усилителя с отрицательной обратной связью будет иметь близкое к нулю напряжение между входами V + и V-. В этой конфигурации вы можете принять V + = V- при расчете напряжений и токов в цепи.

Важным параметром схемы операционного усилителя с отрицательной обратной связью является коэффициент усиления по напряжению.Коэффициент усиления по напряжению определяется как выходное напряжение, деленное на входное. Это уравнение показывает, как выход соотносится с входом, Vo = Gain * Vin.

Коэффициент усиления напряжения = Vo / Vin

Выходной сигнал схемы, деленный на ее входной сигнал, более известный как передаточная функция этой схемы, но в случае схем усилителя он известен как коэффициент усиления.

Инвертирующий усилитель

Давайте посмотрим на нашу первую схему операционного усилителя ниже и определим ее коэффициент усиления.Он имеет отрицательную обратную связь, обеспечиваемую Rf, и известен как схема инвертирующего операционного усилителя, поскольку входной сигнал подключается к входу инвертирующего операционного усилителя.

Первый шаг к определению усиления — это отметить, что V- = V + из-за наличия отрицательной обратной связи. Так как V + подключен к GND (0V), V- = 0V. Итак, по закону Ома:

, и поскольку вход V имеет высокий импеданс, весь ток обратной связи (If) протекает через Rin на Vin.

, заменить на If:

, переставить:

Коэффициент усиления (инвертирующий усилитель) H (s) =

Мы использовали резисторы в приведенной выше схеме, но Rf и Rin можно обобщить на комплексные импедансы с помощью резисторов, конденсаторов и катушек индуктивности, и так же, как закон Ома можно обобщить до V = Z * I, где Z — комплексное сопротивление, так и коэффициент усиления схемы усилителя.Коэффициент усиления инвертирующего усилителя обычно описывается как -Zf / Zin, где Zf — полное сопротивление компонента (ов) в цепи обратной связи, а Zin — входное сопротивление.

Общий коэффициент усиления инвертирующего усилителя H (s) =

Неинвертирующий усилитель

Неинвертирующий усилитель также имеет отрицательную обратную связь, но входной сигнал теперь подключается к входу V + операционного усилителя.

Коэффициент усиления (неинвертирующий усилитель) H (s) =

Общий коэффициент усиления неинвертирующего усилителя H (s) =

Коэффициент усиления — это передаточная функция для схемы усилителя.

Компоненты операционного усилителя

Далее: Цикл фазовой автоподстройки частоты

Расчетное уравнение и калькулятор коэффициента усиления операционного усилителя | Инженеры Edge

Калькулятор напряжения и усиления операционного усилителя — Apogeeweb

Усиление и усиление напряжения

В операционном усилителе, когда напряжение поступает в схему усиления, на выходе получается входное напряжение, умноженное на коэффициент усиления.Это усиление представляет собой значение выходного напряжения, деленное на входное. Входное напряжение Vs, выходное напряжение Vo и скорость усиления представлены как Av и могут быть определены следующим образом.

Что такое децибел (дБ)?

20-кратный десятичный логарифм степени увеличения выражается в децибелах [дБ]. Например: когда коэффициент усиления холостого хода операционного усилителя составляет 100000 раз, выражение в децибелах выглядит следующим образом.

Большое многократное увеличение, например 10, может быть выражено в децибелах как малое значение, например 100 [дБ]. Кроме того, необходимые блоки для аналоговой схемы перечислены ниже.

(A) дБ: возьмите логарифм отношения двух величин, значение после 10 или 20 раз.

(B) Впик-пик: разница между максимальным и минимальным значениями сигнала.

(C) Vrms: средний квадрат действующего значения.

1 В среднекв. = 2√2

(D) дБВ: Представление основано на среднеквадратичном значении 1 В.

0 дБВ = 1 В среднеквадр.

(E) дБм: Опорное напряжение, обеспечивающее мощность 1 мВт на нагрузке.

Общее значение нагрузки обычно составляет 50 Ом, 600 Ом.

0 дБм = 0,775 В среднеквадр. (Нагрузка 50 Ом)

0 дБм = 0,775 В среднеквадр. (Нагрузка 600 Ом)

(F) oct: «октава» 1 октава — это 2 раза для некоторых частот.

-6 дБ / oc означает, что при увеличении частоты в 2 раза она уменьшится на 6 дБ.

(g) dec: «декада» 1dec равна 10 раз для некоторых частот

-20 дБ / дек означает, что при увеличении частоты в 10 раз она уменьшится на 20 дБ.

※ Из (f) и (g) известно, что -6 дБ / окт. = -20 дБ / дек.

(ч) дБ (децибел) базовый расчет

3дБ ≒ 1,41 раза ≒ √2;

6 дБ ≒ 2,00 раза;

10дБ ≒ 3,16 раза;

20дБ ≒ 10 раз;

Пример) 16 дБ = 10 дБ + 6 дБ → 3,16 × 2 = 6,32 раза.

Часто задаваемые вопросы

1.Что такое выгода?

В электронике коэффициент усиления — это мера способности двухпортовой схемы (часто усилителя) увеличивать мощность или амплитуду сигнала от входа к выходному порту путем добавления энергии, преобразованной из некоторого источника питания в сигнал. … Это часто выражается в логарифмических единицах децибел (дБ) («усиление в дБ»).

2. Что такое усиление в операционных усилителях?

Коэффициент усиления операционного усилителя показывает, насколько большим будет выходное напряжение, чем входное.Например, операционный усилитель с резистором RIN 1 кОм и резистором RF 10 кОм будет иметь коэффициент усиления 10.

3. Почему операционный усилитель имеет высокое усиление?

— устройство усиления напряжения

имеют высокий входной импеданс и низкий выходной импеданс из-за концепции делителя напряжения, который представляет собой то, как напряжение делится в цепи в зависимости от величины импеданса, присутствующего в данных частях цепи. Вот почему операционные усилители должны иметь высокое входное сопротивление.

4. Почему CMRR измеряется в дБ?

Дифференциальное усиление Ad увеличивает разницу между двумя входными напряжениями. Но синфазное усиление Ac увеличивает синфазное постоянное напряжение между двумя входами. Отношение двух коэффициентов усиления называется коэффициентом подавления синфазного сигнала. Значение формата указано в дБ.

5. В чем разница между усилением и громкостью?

Усиление и громкость — очень похожие концепции, но их различие очень важно для вашего микса.Громкость — это уровень громкости на ВЫХОДЕ канала или усилителя, а усиление — это уровень громкости на входе канала или усилителя. Он контролирует тон, а не громкость.

6. Зачем операционным усилителям нужно отрицательное напряжение?

не имеют соединения 0 В, но их конструкция предполагает, что типичные сигналы будут ближе к центру их положительного и отрицательного источников питания. Таким образом, если ваше входное напряжение находится на одном пределе или вынуждает выход к одному источнику питания, скорее всего, он не будет работать должным образом.

7. Почему коэффициент усиления операционных усилителей уменьшается на высоких частотах?

На более высоких частотах задействуются внутренние переходные конденсаторы транзистора, уменьшая таким образом выходную мощность и, следовательно, коэффициент усиления усилителя. Реактивное сопротивление конденсатора уменьшается с увеличением частоты в обход большей части выхода. В некоторых случаях выход возвращается на вход как отрицательная обратная связь.

8. Что такое усилитель с высоким коэффициентом усиления?

Дисторшн-усилитель с высоким коэффициентом усиления — это именно то, что вам нужно. Настроен на большую прибыль.JCM-900, Dual Rectifier и т. Д. И т. Д. Он будет обеспечивать сильно искаженный или перегруженный тон на тихой или громкой громкости, при любой настройке громкости. Тем не менее, у них часто будет чистый канал.

9. Зачем использовать неинвертирующий операционный усилитель?

Неинвертирующий усилитель — это конфигурация схемы операционного усилителя, которая выдает усиленный выходной сигнал. Высокое входное сопротивление и низкое выходное сопротивление неинвертирующего усилителя делают схему идеальной для приложений с буферизацией импеданса.

10.Что такое инвертирующий и неинвертирующий усилитель?

Усилитель, у которого выходной сигнал сдвинут по фазе на 180 градусов относительно входа, известен как инвертированный усилитель, тогда как усилитель, у которого есть фаза o / p относительно i / p, называется неинвертирующим усилителем.

Введение в операционные усилители с LTSpice

Введение

Если вы еще не ознакомились с руководством «Приступая к работе с LTSpice», вам обязательно следует подождать, поскольку крайне необходимо обновить качество звука.Для тех из вас, кто смотрел это и закончил — благослови вас. Я подумал, что убью здесь двух зайцев и продолжу учебник по LTSpice введением в операционные усилители — или, для краткости, операционные усилители. Мы рассмотрим здесь только основы — что такое операционные усилители, некоторые общие конфигурации и пару примеров — и закончим красивым, простым проектом, который, надеюсь, вдохновит вас немного больше на работу с аналоговыми схемами.

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

Введение в операционные усилители

Операционный усилитель — это устройство усиления напряжения. С помощью некоторых внешних компонентов операционный усилитель, который является активным элементом схемы , может выполнять математические операции, такие как сложение, вычитание, умножение, деление, дифференцирование и интегрирование. Если мы посмотрим на общий корпус операционного усилителя (внутреннее устройство будет в следующем руководстве), такое как вездесущий 741, мы заметим стандартный 8-контактный DIP (двухрядный корпус):

Фото предоставлено Learning About Electronics

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

Фото предоставлено Virtual Labs

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

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

В этом руководстве я покажу вам, как измерить типичные характеристики операционного усилителя, такие как усиление, полоса пропускания, ошибка, скорость нарастания, потребление тока, размах выходного сигнала и другие характеристики, указанные в технических паспортах устройств.

Идеальный операционный усилитель

Операционный усилитель предназначен для определения разницы в напряжении, подаваемом на вход (клеммы «плюс» (v2) и «минус» (v1), либо контакты 2 и 3 корпуса операционного усилителя). Разница также известна как дифференциальное входное напряжение . Таким образом, выходной сигнал представляет собой разницу, измеренную на входе, умноженную на некоторое значение A — коэффициент усиления без обратной связи . Операционный усилитель ведет себя как источник напряжения, управляемый напряжением, который мы сейчас смоделируем.Мы будем моделировать конфигурацию усилителя как с разомкнутым контуром, так и с замкнутым контуром .

Идеальный операционный усилитель имеет следующие характеристики:

• Бесконечное усиление без обратной связи
• Бесконечное входное сопротивление
• Ноль выходное сопротивление
• Ноль усиление синфазного сигнала = бесконечное отклонение синфазного сигнала
• Бесконечная полоса пропускания
• Ноль шум
• Нулевой вход смещение

Модель операционного усилителя любезно предоставлена ​​Википедией

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

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

Обратная связь с усилителями

не предназначены для использования в качестве автономных устройств. Мы просто проверили уравнение Vout в видео об идеальном операционном усилителе, чтобы показать, почему его обычно называют источником напряжения, управляемым напряжением. Мы собираемся поговорить об усилении с обратной связью и с обратной связью и применении. Что такое обратная связь? Обратная связь возникает, когда выход системы возвращается в качестве входа (ов).Есть два типа обратной связи: положительная (восстанавливающая) и отрицательная (дегенеративная). Обратная связь применяется к системе, чтобы влиять на одно или несколько из следующих свойств:

• Снижение чувствительности усиления — значение усиления становится менее чувствительным к изменениям значений компонентов схемы, например к температурным воздействиям на транзисторы.
• Уменьшите нелинейные искажения — выходной сигнал пропорционален входному.
• Уменьшить эффект шума — уменьшает количество нежелательных электрических помех на выходе.Эти помехи могут быть внешними или исходить от самих компонентов схемы.
• Управляйте входным и выходным сопротивлениями — с соответствующей конфигурацией обратной связи можно управлять входным и выходным сопротивлениями.
• Расширьте полосу пропускания усилителя. Здесь нам нужно знать о продукте «прирост-пропускная способность». Вы можете расширить полосу пропускания (до определенной степени), но за счет выигрыша. Произведение коэффициента усиления на полосу пропускания является постоянным и описывает поведение усиления операционного усилителя в зависимости от частоты.

Краткое примечание о единицах

Когда мы говорили об усилении, мы берем отношение выхода к входу. Если и выход, и вход выражены в виде напряжения, то единицы измерения будут вольт / вольт. В анализе .ac усиление выражается в децибелах. Вот формула преобразования.

Фото любезно предоставлено Planet Analog

За все отзывы приходится платить, и эта цена — прибыль. Отрицательная обратная связь способствует приобретению более желаемых свойств; увеличение входного сопротивления также увеличивает полосу пропускания.

Коэффициент усиления замкнутого контура

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

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

Инвертирующие усилители

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

Одна вещь, не упомянутая в видео ниже, но считается, что подразумевает , потому что мы все еще используем идеальный операционный усилитель, — это отсутствие тока через операционный усилитель. Весь ток (I1), протекающий через R1, также течет через R2. Также следует отметить, что если R1 и R2 равны по значению, то эта схема обычно используется convert -vout to + vout (изменяет фазу). Это известно как инвертор с единичным усилением.

Проект: Суммирующий усилитель

Типичным применением инвертирующего усилителя является суммирующий усилитель, также известный как микшер виртуального заземления, используемый при микшировании звука. У меня случайно валяется довольно много операционных усилителей LM741, поэтому я пошел дальше и построил суммирующий усилитель. Сначала я смоделировал это в LTSpice.

Усилители неинвертирующие

Повторитель напряжения

Повторитель напряжения — хороший пример неинвертирующего усилителя.Свойство очень высокого входного импеданса является желательной особенностью неинвертирующей конфигурации. Повторитель напряжения можно использовать в качестве буферного усилителя с единичным усилением, подключенного от источника с высоким импедансом к источнику с низким импедансом — это помогает избежать воздействия нагрузки на схему управления.

Разностные усилители

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

Разностный усилитель с одним операционным усилителем

Помните, что коэффициент усиления неинвертирующего усилителя положительный и равен:

и что коэффициент усиления инвертирующего усилителя отрицательный и определяется выражением:

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

Проблема этой схемы в том, что для получения высокого усиления R1 должен быть относительно низким. Это вызывает падение входного сопротивления. Другая проблема в том, что изменить коэффициент усиления этого усилителя непросто. Обе эти проблемы решаются с помощью инструментального усилителя.Используя три операционных усилителя, мы можем получить точно настроенный дифференциальный усилитель. Поскольку у нас есть проблема низкого входного сопротивления при использовании одного операционного усилителя, мы можем добавить дополнительный повторитель напряжения или буфер на каждый вход. Еще более удивительно то, что буферы могут увеличивать усиление, уменьшая нагрузку на дифференциальный усилитель во втором каскаде.

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

В этом руководстве мы не будем рассматривать интеграторы, дифференциаторы, генераторы или аналого-цифровые преобразователи.Как только мы начнем добавлять конденсаторы и катушки индуктивности, математика станет немного более специализированной и обобщенной с точки зрения импеданса, а не сопротивления. Это будет отдельный урок.

Тактико-технические характеристики

Если мы посмотрим на технический паспорт аудиоусилителя LM386, мы увидим массу параметров, которые помогают охарактеризовать операционный усилитель. Большинство из них можно проверить с помощью моделирования в LTSpice. Прежде чем мы дойдем до этого, давайте определим некоторые из этих характеристик.

Коэффициент подавления синфазного сигнала

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

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

Коэффициент отклонения блока питания

или PSRR — это мера влияния пульсаций источника питания на выходное напряжение операционного усилителя. PSSR важен для устройств MOSFET, поскольку они обычно находятся на ИС со смешанными сигналами, где цифровое переключение в цепи вызывает повышенную пульсацию источника питания. Последнее, что вам нужно в своем дизайне, — это усилить эту пульсацию через операционный усилитель.

Вывод здесь заключается в том, что для минимизации эффекта пульсации в источниках питания операционный усилитель должен иметь большой PSRR.Так что имейте это в виду при просмотре таблиц данных для любых предстоящих проектов.

Скорость нарастания

Скорость нарастания означает максимальную скорость изменения, возможную на выходе операционного усилителя. Для большинства операционных усилителей скорость нарастания ограничена, и она рассчитывается путем взятия максимума производной по времени выходного напряжения операционного усилителя.

Суммарные гармонические искажения

Задача усилителя звука — принять слабый сигнал и усилить его, не внося никаких изменений, кроме усиления.Это сложная задача, потому что нежелательные сигналы (т. Е. Пульсации) могут усиливаться вместе с полезным сигналом. Любое отклонение от линейности считается искажением. Гармонические искажения — это распространенная форма искажения в аудиоприложениях, когда пики выходного сигнала «срезаются». Чем ниже процентное значение, указанное для THD, тем лучше, но после определенного момента это становится практически незаметным для человеческого уха.

Усилитель звука LM386

Моделировать, проверять, строить — мой девиз.В этом случае с проектом мини-портативного гитарного усилителя я зашел слишком далеко. Мне не удалось найти модель, которую можно было бы импортировать в LTSpice, и я начал с нуля. Ниже находится кнопка, с помощью которой вы можете загрузить файлы проекта для того, что я собираюсь вам показать. Я разработал операционный усилитель на основе LM386, но с MOSFET вместо BJT. На самом деле я получил этот дизайн, чтобы он немного превосходил ту часть, на которой я основал свой дизайн, но он работает только от 2 до 6 вольт. Несмотря на то, что моя модель LM386 не совсем похожа на деталь, используемую в проекте, она все же удобна для изучения электрических характеристик операционных усилителей и более глубокого знакомства с LTSpice.

Project: портативный мини-гитарный усилитель

Я встроил небольшой усилитель с батарейным питанием в корпус моей гитары, используя LM386 и минимум дополнительных деталей. Вся сборка стоила около 5 долларов, и на ее сборку ушло меньше часа. Схема, которую я взял прямо из раздела технических данных приложений (усиление 200):

Единственные изменения, которые я внес, касались выходного конденсатора. У меня не было под рукой конденсатора емкостью 250 мкФ, я заменил его на 470 мкФ. Я также добавил 1/4-дюймовую монофоническую розетку для гитарного кабеля и добавил индикатор состояния, чтобы я знал, когда я буду готов к игре.В моем футляре для гитары есть небольшой отсек для кабелей и медиаторов, поэтому я использовал это пространство, чтобы встроить усилитель.

Схема:

Примечание: J1 — это гнездовой монофонический аудиоразъем 1/4 дюйма.

Посмотрите это в действии:

Ресурсы и дальнейшее развитие

Лаборатория виртуальных операционных усилителей:

Music from Outer Space Рэй Уилсон создал это приложение для виртуального операционного усилителя MFOS, которое позволяет нам экспериментировать с операционными усилителями, просматривая выходной сигнал на смоделированном осциллографе.

Примечание: Если ссылка сообщает, что приложение Operational Amp Application не найдено, щелкните вкладку «Synth-DIY» вверху, и она должна обновиться соответствующим образом. Кроме того, вы можете найти «MFOS In The Classroom» в меню слева и выбрать «Virtual Op Amp Lab».

Музыка из космоса

Вы когда-нибудь хотели заняться DIY-синтезаторами, но не знаете, с чего начать? Music From Outer Space — отличный ресурс, предлагающий сотни схем, разработанных Рэем Уилсоном.

Любители

Если вы только начинаете заниматься проектами в области аналоговой электроники, я не могу порекомендовать Mini Notebooks от Форреста Мимса.

Измерение CMRR

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

Типичные параметры операционных усилителей ＜ Коэффициент усиления и коэффициент усиления ＞ | Основы электроники

Коэффициент усиления и коэффициент усиления по напряжению

Когда на вход схемы усилителя подается напряжение, оно умножается на коэффициент усиления и появляется на выходе.Этот коэффициент усиления получается делением выходного напряжения на входное.

При входном напряжении V _s и выходном напряжении V _или коэффициент усиления Av определяется по следующей формуле.

Что такое децибел (дБ)?

Логарифм коэффициента усиления (умноженный на 20) выражается в децибелах (дБ).

Например, для операционного усилителя с открытым коэффициентом усиления 100 000x (105x) обозначение в децибелах будет следующим.

Таким образом, мы можем выразить большое усиление с множеством кратных 10 меньшим числом, используя децибелы.
Другие блоки, используемые в аналоговых схемах, показаны ниже.

(a) дБ: логарифм отношения двух величин, умноженный на 10 или 20.

(b) В _P — _P ： Разница между минимальным и максимальным значениями сигнала.

(c) Vrms ： Получено извлечением квадратного корня из среднего среднего значения квадрата напряжения.

(d) дБВ ： Представление основано на среднеквадратичном 1 В

(e) дБм Опорное напряжение, которое дает мощность 1 мВт для данной нагрузки.
Типичные значения нагрузки включают 50 Ом и 600 Ом.

• 0 дБм ＝ 0,224 В среднекв. (При нагрузке 50 Ом)
• 0 дБм ＝ 0,775 В среднекв. (При нагрузке 600 Ом)

(f) oct (октава) ： 1oct — это удвоенное значение для данной частоты.
-6 дБ / окт. Означает, что при удвоении частоты происходит падение на 6 дБ.

(g) dec (декада) ： 1dec в 10 раз больше значения для данной частоты.
-20 дБ / дек. Показывает, что при увеличении частоты в 10 раз происходит падение на 20 дБ.
* Из (f) и (g), 6dB ／ oct ＝ －20dB ／ dec.

(ч) дБ (децибел) базовый расчет

• 3 дБ ≒ 1,41x ≒ √2
  6 дБ ≒ 2,00x
  10 дБ ≒ 3,16x
  20 дБ ≒ 10x
  Пример: 16 дБ ＝ 10 дБ ＋ 6 дБ → 3,16 × 2 ＝ 6,32x

Входное напряжение смещения

При входном напряжении смещения и схеме дифференциального входа идеальные операционные усилители и компараторы будут иметь напряжение смещения 0 В, включая напряжение ошибки.При подаче синфазного (такого же) напряжения на входные контакты операционного усилителя или компаратора с идеальным операционным усилителем выходное напряжение не будет выводиться, но в случае, когда существует входное напряжение смещения, напряжение будет выводиться на основе входное напряжение смещения. Это входное напряжение смещения, которое представляет собой дифференциальное напряжение, необходимое для создания выходного напряжения 0 В, становится значением преобразования входного сигнала.

Преимущество выражения в терминах входного преобразования состоит в том, что использование входного напряжения преобразования позволяет легко оценить влияние на выходное напряжение, даже с операционными усилителями и компараторами с различными коэффициентами усиления и конфигурациями схем.Напряжение смещения обычно выражается в мВ или мкВ.
Значения, близкие к 0, более идеальны.

Напряжение смещения быстро увеличивается, когда оно выходит за пределы синфазного входного диапазона, и в этой области операционные усилители и компараторы не могут работать. Кроме того, если мы наблюдаем частоту появления напряжения смещения, мы увидим, что нормальное распределение будет сосредоточено около 0 В.

Другими словами, он будет стохастически распределен в пределах определенного диапазона. Обычно, поскольку представление стандартного значения описывается как абсолютное значение, существуют как +, так и — напряжения смещения.

Скорость нарастания (SR)

Скорость нарастания — это параметр, который описывает рабочую скорость операционного усилителя. Он представляет собой скорость, которая может изменяться в единицу времени, обусловленную выходным напряжением. Например, 1 В / мкс означает, что напряжение может измениться на 1 В за 1 мкс. Идеальные операционные усилители позволяют точно выводить выходной сигнал для любого входного сигнала. Однако в действительности ограничения скорости нарастания напряжения действительно существуют.

При подаче на вход прямоугольного импульса с резким нарастанием и спадом это указывает на возможную степень изменения выходного напряжения в единицу времени.

Скорость нарастания и спада рассчитывается по следующим уравнениям:

Скорость нарастания определяется на основе более медленного из «подъема» и «спада». Другими словами, это максимальное значение крутизны выходного сигнала. Для сигналов с более крутыми изменениями (крутизнами) выходной сигнал будет искажен и не сможет следовать.И даже при настройке схемы усилителя, поскольку скорость нарастания — это отношение изменения выходного сигнала, никаких изменений не произойдет.

используются для усиления сигналов переменного и постоянного тока. Однако операционные усилители имеют ограниченную скорость отклика и поэтому не могут обрабатывать все типы сигналов. На приведенной выше диаграмме [Схема измерения нарастания напряжения и формы сигналов] цепи повторителя напряжения диапазоны входного и выходного напряжения ограничены входным напряжением постоянного тока. Кроме того, сигналы переменного тока с частотной составляющей ограничиваются произведением скорости нарастания и усиления полосы пропускания.

Здесь мы рассматриваем соотношение между амплитудой и частотой или скоростью нарастания. Операционный усилитель определяет максимальную выходную частоту.

Рассчитайте скорость нарастания, необходимую для вывода сигнала, показанного справа.

y = Asinωt

Скорость нарастания — это наклон тангенса синусоидальной волны, дифференцируя указанное выше уравнение.

Скорость нарастания

SR = Aω ω = 2πf

Кроме того, поскольку амплитуда синусоидальной волны становится Vpp = 2A (размах), уравнение можно изменить следующим образом.

Эта частота (f) называется шириной полосы полной мощности. Это условия, при которых коэффициент усиления в операционном усилителе не установлен, другими словами, соотношение частоты и амплитуды (в пределах диапазона выходного напряжения), которое может выдаваться операционным усилителем в цепи повторителя напряжения.

Пример:

Частота, способная выдавать сигнал 1 В (размах) в операционном усилителе, где SR = 1 В / мкс, составляет:

При превышении частоты, рассчитанной выше (с постоянной амплитудой), форма сигнала ограничивается скоростью нарастания, и синусоидальная волна искажается и становится треугольной.

Система отрицательной обратной связи

Хотя операционные усилители являются усилителями с высоким коэффициентом усиления, практически ни один из операционных усилителей не выполняет автономное усиление. Это связано с тем, что трудно контролировать открытые вариации усиления и коэффициент усиления в узкой полосе. Поэтому обычно используется схема отрицательной обратной связи.

На схеме справа показан пример системы отрицательной обратной связи.

Преимущества цепей отрицательной обратной связи:

• Расширяет область (полосу пропускания), в которой коэффициент усиления схемы усилителя становится постоянным
• Минимизирует влияние вариаций открытого усиления операционных усилителей
• Подавляет искажения

Расширяет область (полосу пропускания), в которой коэффициент усиления схемы усилителя становится постоянным

Прежде всего, определите передаточную функцию, которая связывает выход со входом модели.

A _O ： Коэффициент усиления операционного усилителя (коэффициент разомкнутого контура)
β ： Коэффициент обратной связи
1 + βA (с) ： Величина обратной связи
Коэффициент усиления контура ： βA (с)

Кроме того, как показано в следующем уравнении, операционный усилитель имеет передаточную функцию для запаздывания 1-го порядка

Приведенные выше частотные характеристики иллюстрируют взаимосвязь приведенной выше формулы.

Применение отрицательной обратной связи уменьшит усиление и количество обратной связи, показывая, что ω _O расширится до ω _O (1 + βA _O ).

минимизирует влияние открытого изменения коэффициента усиления операционного усилителя

Далее, если предположить, что коэффициент усиления на холостом ходу операционного усилителя в уравнении передаточной функции (связывающий выход со входом) достаточно велик (A _O >> 1), коэффициент усиления цепи отрицательной обратной связи на низких частотах может быть приблизительно равен к 1 / β.
Другими словами, когда коэффициент усиления при открытии операционного усилителя велик, коэффициент усиления цепи обратной связи определяется исключительно коэффициентом обратной связи (независимо от коэффициента усиления).

В результате коэффициент усиления схемы усилителя (то есть инвертирующих усилителей) на низких частотах определяется исключительно внешним сопротивлением.

Кроме того, в случае, если открытое усиление достаточно велико (A _O >> 1), эффекты открытого усиления (основанные на температурных характеристиках и изменениях производительности) малы, даже с некоторыми колебаниями.

Подавляет искажения

Схема обратной связи с элементами ошибки показана на рисунке ниже.Здесь элементы ошибки, генерируемые операционным усилителем, — это V _D .

Включены такие элементы, как искажение, напряжение ошибки и шум.

Передаточная функция, включая искажение, показана в уравнении справа.