Site Loader

Содержание

Как буферизовать выход операционного усилителя для получения более высокого тока, часть 1

Добавлено 6 октября 2019 в 14:03

Сохранить или поделиться

Вы можете значительно увеличить выходной ток операционного усилителя (ОУ), добавив в схему чуть более, чем один биполярный транзистор.

Вспомогательная информация

Нужна ли нам схема с буферизацией тока?

Операционные усилители, разумеется, универсальны, но их область применения ограничена ограничениями выходного тока. Можно ожидать, что обычный операционный усилитель будет непрерывно выдавать ток не более чем 30 или 40 мА. Хотя некоторые компоненты могут работать с токами, близкими к 100 мА, другие будут пытаться дать вам хотя бы 10 мА. Существует особая категория усилителей с высоким выходным током, ток которых приближается или даже превышает 1000 мА. Если компонент с высоким выходным током совместим с вашим приложением, обязательно используйте его.

Но есть несколько причин, по которым вы можете предпочесть буферизовать выход усилителя более общего назначения. Во-первых, некоторые усилители с высоким выходным током представляют собой сложные компоненты, предназначенные для специализированных применений, и, следовательно, они менее универсальны и более дороги – например, LT1210, компонент от Linear Tech, который может выдавать 1100 мА, обойдется вам в 12 долларов, если вы покупаете в розницу. Кроме того, некоторые компоненты с высоким выходным током (включая LT1210) являются усилителями с обратной связью по току, и вы не можете просто вставить устройство с обратной связью по току в схему, разработанную для топологии с обратной связью по напряжению.

К счастью, на самом деле нет необходимости использовать усилители с высоким выходным током, когда всё, что вам нужно, это простая схема на операционном усилителе плюс мощный выходной каскад. Вы можете использовать один из 75-центовых усилителей общего назначения, которые есть у вас в лаборатории/мастерской/гараже, и объединить его со стандартными компонентами (стоимостью тоже около доллара), и вы получите схему, которая вам нужна.

Всего один биполярный транзистор

Самая простая схема для буферизации выходного тока операционного усилителя выглядит так:

Рисунок 1 – Схема для буферизации выходного тока операционного усилителя на биполярном транзисторе

А вот соответствующая схема LTspice:

Рисунок 2 – Схема для буферизации выходного тока операционного усилителя на биполярном транзисторе в LTspice

Давайте получим четкое понимание идеи этой схемы, прежде чем двигаться дальше. Входной сигнал подается на неинвертирующий вход операционного усилителя, а выход ОУ подключается непосредственно к базе биполярного транзистора. Операционный усилитель и биполярный транзистор могут использовать один и тот же положительный источник питания, но в этом случае мы предполагаем, что доступны два напряжения – источник питания 5 В для маломощных, малошумящих схем и 12 В для мощной части проекта. Значение резистора нагрузки очень низкое, поэтому выходные напряжения более 200 мВ, приложенные непосредственно к нагрузке, потребуют большего выходного тока, чем может обеспечить LT6203. Транзистор, выбранный в схеме LTspice, может работать с токами около 1000 мА, что означает, что он подходит для напряжений на нагрузке до 5 В.

Ключевым моментом этой схемы является соединение обратной связи. Помните «виртуальное короткое замыкание»: при анализе операционного усилителя в схеме с отрицательной обратной связью мы можем предположить, что напряжение на неинвертирующем входе равно напряжению на инвертирующем входе. Уже одно это говорит нам о том, что выходное напряжение (то есть напряжение на нагрузке) будет равно входному напряжению. Но давайте пойдем немного глубже, чтобы убедиться, что мы действительно понимаем, что происходит; виртуальное короткое замыкание – это своего рода суеверие, которое может отвлечь нас от реальной работы операционного усилителя. Операционный усилитель умножает дифференциальное входное напряжение на очень большой коэффициент усиления. Таким образом, с отрицательной обратной связью операционный усилитель быстро достигает равновесия, потому что большие изменения выходного напряжения уменьшают дифференциальное напряжение, которое вызывает эти самые выходные изменения. В этом состоянии равновесия выход стабилизируется при любом напряжении, что устраняет разницу между напряжениями на инвертирующем и неинвертирующем входах – иными словами, операционный усилитель автоматически регулирует свой выходной сигнал любым способом, необходимым для того, чтобы Vвх– было равно Vвх+.

В контексте этой схемы буферизации выходного сигнала операционный усилитель автоматически генерирует любое выходное напряжение, необходимое для того, чтобы сделать напряжение эмиттера биполярного транзистора равным входному напряжению. Подумайте, насколько сложно это было бы в ситуации разомкнутой петли – каким-то образом необходимо было бы рассчитать соотношение между входным и выходным сигналами усилителя, чтобы компенсировать падение напряжения база-эмиттер биполярного транзистора, которое не является ни линейным, ни предсказуемым. Но с операционным усилителем и некоторой отрицательной связью проблема становится тривиальной.

Давайте подкрепим это понимание идеи парой симуляций. Первая не очень захватывающая; она просто подтверждает, что выходное напряжение следует за входным напряжением (график входного напряжения Vin скрыт под графиком выходного напряжения Vout):

Рисунок 3 – График входного и выходного напряжений схемы

На следующем графике показано, что должно быть на выходном выводе операционного усилителя, чтобы обеспечить нужное напряжение на нагрузке.

Рисунок 4 – График входного напряжения схемы, выходного напряжения операционного усилителя и выходного напряжения схемы

Добавление усиления

Эта базовая схема не ограничена конфигурацией с коэффициентом усиления по напряжению, равным 1. Как и в случае небуферизованного операционного усилителя, вы можете вставить резисторы в петлю обратной связи, чтобы увеличить общий коэффициент усиления схемы от входного напряжения до напряжения нагрузки. Вот версия схемы с коэффициентом усиления более единицы:

Рисунок 5 – Схема для буферизации выходного тока операционного усилителя на биполярном транзисторе с регулируемым коэффициентом усиления по напряжению

А вот новая схема LTspice, за которой следует график с входным напряжением VIN, выходным напряжением VOUT и напряжением, приложенным к базе биполярного транзистора.

Рисунок 6 – Схема для буферизации выходного тока операционного усилителя на биполярном транзисторе с регулируемым коэффициентом усиления по напряжению в LTspiceРисунок 7 – График входного напряжения схемы, выходного напряжения схемы (напряжения на нагрузке) и выходного напряжения ОУ (напряжения на базе транзистора)

Просто, но без «защиты от дурака»

При такой надежной и понятной схеме всегда существует риск самоуспокоения. Вот некоторые потенциальные проблемы, которые вы должны иметь в виду:

  1. Это очевидно, но убедитесь, что биполярный транзистор может справиться с вашим током нагрузки. Например, транзистор 2N2222, который вы найдете среди своих запчастей, вероятно, рассчитан только на постоянный ток коллектора 800 мА.
  2. Это не так очевидно: не превышаете ли вы максимальную рассеиваемую мощность транзистора? Эта проблема особенно неуловима, потому что это то, что вы можете не заметить в симуляции – например, симуляции, выполненные в этой статье, как-то не предупредили нас о том, что мы сжигали транзистор 2SCR293P. Максимальная рассеиваемая мощность для этого компонента с «каждым выводом, установленным на опорной земле» (я не совсем уверен, что это значит) составляет 0,5 Вт. В нашей схеме, если Vвых = 3 В, ток через нагрузку будет равен (3 В) / (5 Ом) = 600 мА, а напряжение коллектор-эмиттер на транзисторе составляет 12 В — 3 В = 9 В. Таким образом, рассеиваемая мощность составляет около (600 мА) × (9 В) = 5,4 Вт. Хотя ток коллектора находится в пределах допустимого диапазона, мы превысили максимальную мощность в 10 раз! Вы можете исправить это, используя более низкое напряжение питания, если это возможно, и после этого вам нужно выбрать более мощный транзистор.
  3. Когда биполярный транзистор работает в активной области, ток, текущий через базу, приблизительно равен току нагрузки, деленному на коэффициент бета, иначе известный как hFE или коэффициент усиления по току. Таким образом, операционный усилитель все еще должен подавать некоторый ток, и вы можете столкнуться с проблемами, если у вас будет высокий ток нагрузки в сочетании с относительно слабым выходным каскадом операционного усилителя. Например, если ваш ток нагрузки составляет 2500 мА, и вы используете транзистор с hFE = 100, вам потребуется ток базы около 25 мА; а некоторые операционные усилители не способны его обеспечить.
  4. Имейте в виду, что выходное напряжение операционного усилителя примерно на 0,7–0,9 В выше напряжения нагрузки. Это необходимо учитывать при выборе напряжения питания операционного усилителя. Например, допустим, вам необходимо напряжение нагрузки в диапазоне от 0 до 4 В. Подходит ли вам напряжение питания 5 В? Возможно, нет: напряжение базы может доходить до 4,9 В; и если размах выходного сигнала операционного усилителя ограничен положительной шиной минус 0,8 В, у вас будут проблемы.
  5. Биполярный транзистор начинает входить в режим насыщения, когда напряжение базы превышает напряжение коллектора примерно на 0,5 В, а поскольку напряжение базы примерно на 0,7–0,9 В выше напряжения нагрузки, напряжение коллектора биполярного транзистора (которое в этой схеме такое же, как напряжение питания) должно быть как минимум на (0,9 В – 0,5 В) = 0,4 В выше, чем максимально необходимое напряжение нагрузки. (Эти числа приблизительны и будут варьироваться в зависимости от условий эксплуатации и электрических характеристик транзистора.) Насыщение биполярного транзистора приведет к выравниванию напряжения нагрузки, прежде чем оно достигнет напряжения питания транзистора.

Заключение

Думаю, что мы достаточно подробно рассмотрели схему буферизации тока операционного усилителя. В следующей статье мы рассмотрим варианты этой схемы, которые делают ее совместимой с более широким спектром приложений.

Оригинал статьи:

Теги

LTspiceБиполярный транзисторОУ (операционный усилитель)Усилитель с высоким выходным током

Сохранить или поделиться

Current Feedback Amplifiers — I

Обратная связь (ОС) по напряжению, как следует из названия, относится к петлезамкнутым конфигурациям, в которых сигнал ошибки представляет собой напряжение. В традиционных операционных усилителях обратная связь формируется сигналом напряжения, т. е. входные выводы реагируют на изменение напряжения; при этом вырабатывается соответствующее выходное напряжение. Обратная связь по току относится к петлезамкнутым конфигурациям, в которых сигнал ошибки, используемый для реализации обратной связи, представляет собой ток. В ОУ с токовой обратной связью ток ошибки передается на один из его входных выводов; при этом на выходе также вырабатывается соответствующее выходное напряжение. Заметьте, что при работе обе структуры пытаются достигнуть одинакового результата: нулевое дифференциальное входное напряжение и нулевой входной ток. Идеальный ОУ с обратной связью по напряжению имеет высокоомные входы, результатом чего является нулевой входной ток, и использует обратную связь по напряжению для поддержания нулевого входного напряжения. ОУ с обратной связью по току, напротив, имеют низкоомный вход и использует токовую обратную связь для поддержания нулевого входного тока.

Передаточная функция трансимпедансного усилителя является зависимостью выходного напряжения от входного тока, и коэффициент “усиления” (точнее, коэффициент преобразования) такого усилителя vO/iIN имеет размерность сопротивления. Следовательно, ОУ с токовой обратной связью могут быть отнесены к трансимпедансным усилителям. Интересно отметить, что схема на ОУ с замкнутой обратной связью по напряжению, может быть также отнесена к трансимпедансным схемам при динамическом токовом управлении низкоимпедансным суммирующим выводом (например, при считывании сигнала фотодиода). Такая схема формирует выходное напряжение, равное входному току, умноженному на сопротивление обратной связи.

Так как, в принципе, любая схема с ОУ может быть выполнена либо с обратной связью по току, либо с обратной связью по напряжению, то преобразователь ток-напряжение может быть выполнен на операционном усилителе с токовой обратной связью. Когда используется термин трансимпедансный услитель, необходимо понимать разницу между ОУ с токовой ОС со специфичной структурой и любыми петлезамкнутыми преобразователями тока в напряжение, которые ведут себя как трансимпедансные схемы.

В упрощенной модели операционного усилителя с ОС по напряжению (бесконечное входное сопротивление, нулевое выходное сопротивление и высокий коэффициент усиления при разомкнутой ОС) в неинвертирующем включении разность напряжений на входах ( VIN+–VIN– ) усиливается в соответствии с коэффициентом усиления с разомкнутой обратной связью A(s), и часть выходного напряжения передается на инвертирующий вход через резистивный делитель, состоящий из сопротивлений RFи RG.

Для этой схемы:

Подставляя и упрощая получаем:

Верхняя граница частотного диапазона (полоса) схемы с замкнутой обратной связью равна частоте, на которой петлевое усиление LG имеет единичное значение (0 дБ). Член 1 + RF/RG, называемый коэффициентом усиления шума, для неинвертирующей схемы также является коэффициентом усиления сигнала. На диаграмме Боде полоса схемы с замкнутой обратной связью определяется как пересечение графиков коэффициента усиления ОУ с разомкнутой обратной связью A(s) и коэффициента усиления шума NG. Большой коэффициент усиления шума уменьшает петлевое усиление и, следовательно, полосу при замкнутой ОС. Если график A(s) имеет наклон 20 дБ/декада, произведение коэффициента усиления схемы на ее полосу будет постоянной величиной. Таким образом, увеличение коэффициента усиления схемы на 20 дБ приведет к сужению полосы на одну декаду (в десять раз).

В упрощенной модели усилителя с обратной связью по току при неинвертирующем включении неинвертирующий вход является высокоимпедансным входом буфера с единичным коэффициентом усиления, а инвертирующий вход – низкоомный выход этого буфера.

Буфер позволяет току ошибки IERR втекать или вытекать из инвертирующего входа, и единичный коэффициент усиления вынуждает инвертирующий вход следить за сигналом неинвертирующего входа. Ток ошибки через резистор RF передается в высокоимпедансный узел, где он преобразуется в напряжение и передается через буфер (на схеме не показан) на выход. Высокоимпедансный узел является частотно-зависимым сопротивлением Z(s), по роли своей аналогичным усилению с разомкнутой обратной связью для ОУ с ОС по напряжению; он обладает высоким значением импеданса по постоянному току и имеет наклон 20 дБ/декада.

Передаточная функция при VIN+=VIN– определяется суммой токов в VIN– узле. Если предположить, что буфер обладает нулевым выходным сопротивлением, т.е. RO=0, то

Подставляя и решая для VO/VIN+ имеем

Передаточная функция для усилителя с токовой ОС такая же, как и для усилителя с ОС по напряжению, но петлевое усиление LG зависит только от сопротивления обратной связи RF.

Таким образом, частотная полоса ОУ с токовой ОС определяется значением RF, а не шумовым усилением 1 + RF/RG. Пересечение графиков RF и Z(s) определяет петлевое усиление и полосу при замкнутой обратной связи. Несомненно, что произведение коэффициента усиления схемы на ее полосу в этом случае не является константой, что является преимуществом токовой обратной связи.

На практике, входной буфер неидеален – он обладает выходным сопротивлением порядка 20…40 Ом, которое модифицирует сопротивление обратной связи. При этом входные напряжения не равны друг другу. Делая подстановку в предшествующие уравнения, получаем:

Решение для VO/VIN+ даст следующий результат:

Добавка к сопротивлению обратной связи означает, что в действительности петлевое усиление отчасти зависит от коэффициента усиления схемы с замкнутой обратной связью. При малых коэффициентах усиления определяющим является сопротивление резистора RF, но при большом усилении значение добавки в уравнении будет увеличиваться и уменьшать петлевое усиление, что, в свою очередь, приведет к сужению полосы схемы с замкнутой обратной связью.

Должно быть понятно, что соединение выхода и инвертирующего входа с отключенным резистором RG (схема повторителя напряжения) будет сильно увеличивать петлевое усиление. По аналогии с ОУ с ОС по напряжению, максимальная обратная связь возникает, когда выходное напряжение передается на вход целиком, но предельный ток обратной связи равен току короткого замыкания. Чем меньшим будет сопротивление, тем большим будет ток. Графически, RF=0 будет задавать более высокочастотное пересечение с графиком Z(s) и полюс более высокого порядка. Как и в случае ОУ с ОС по напряжению, полюс более высокого порядка для Z(s) будет вызывать больший фазовый сдвиг на более высоких частотах, приводя к нестабильности при фазовом сдвиге более 180°.

Так как оптимальное значение сопротивления RF различно при разных коэффициентах усиления, диаграмма Боде полезна при определении полосы и запаса устойчивости по фазе для различных усилений. Более широкая полоса может быть достигнута при меньшем запасе устойчивости; работа при пиковом значении полосы приведет в частотной области к перерегулированию, а во временной области – к звону. В справочных данных для устройств с токовой обратной связью приводятся определенные оптимальные значения сопротивления резистора R
F
для различных коэффициентов усиления схемы.

Усилители с токовой обратной связью обладают прекрасными характеристиками по параметру “скорость нарастания выходного сигнала”. Скорость нарастания выходного напряжения у традиционного, не сильно нагруженного усилителя с ОС по напряжению ограничена током, необходимым для перезаряда внутренней емкости компенсации. Когда вход подвергается сильному сигнальному воздействию, входной каскад насыщается, и только лишь часть его тока способна перезаряжать эту емкость. У ОУ с токовой ОС низкомный вход позволяет более сильным переходным токам втекать в усилитель, что и требуется для перезарядки компенсационной емкости. Внутренние токовые зеркала передают этот входной ток в компенсационный узел, обеспечивая быструю перезарядку, теоретически пропорционально изменению входного сигнала. Более высокая скорость нарастания приводит к более быстрому времени нарастания выходного сигнала, меньшим искажениям, меньшей нелинейности и более широкой полосе для большого сигнала. Реальная скорость нарастания ограничивается насыщением токовых зеркал, которое наступает при 10…15 мА, а также входным и выходным буферами.

Точность усиления сигнала постоянного тока для усилителя с токовой ОС может быть определена из формулы его передаточной характеристики, также как и для ОУ с ОС по напряжению, это, по существу, отношение внутреннего сопротивления к сопротивлению резистора обратной связи. При типовом значении внутреннего сопротивления 1 МОм, сопротивления обратной связи 1 кОм и выходного сопротивления RO около 40 Ом ошибка при единичном коэффицинте усиления составит около 0,1 %. При высоком коэффициенте усиления ошибка значительно возрастает, поэтому ОУ с токовой ОС изредка используются в схемах с большим усилением, особенно в схемах, где требуется малая погрешность усиления.

Упрощенная схема ОУ с токовой ОС

Тем не менее, для многих приложений установочные характеристики часто более важны, чем погрешность усиления. Несмотря на то, что усилители с обратной связью по току имеют очень быстрые времена нарастания сигнала, во многих справочных технических данных приводится значение этого параметра только лишь 0,1 %. Такая малая величина возникает из-за теплового времени установления – основного фактора, ограничивающего точность установки.

Рассмотрим комплементарный вход буфера, в котором напряжение на выводе VIN– есть смещение для вывода VIN+ с учетом напряжений VBE транзисторов Q1 и Q3. Когда входной сигнал равен нулю, напряжения VBE должны быть равнозначными, и смещение будет небольшим от VIN+ до VIN–. Изменение входного сигнала VIN+ в положительныю сторону будет являться причиной уменьшения VCE Q3 и уменьшения мощности рассеивания, в соответствии с возрастанием VBE. У включенного диодом транзистора Q1 напряжение VCE постоянно, поскольку постоянно напряжение VBE. Такой же эффект будет иметь место в токовом зеркале, где изменение напряжения на высокоимпедансном узле изменяет VCE и, соответственно, VBE для транзистора Q6, но не для Q5. Изменение VBE служит причиной токовой ошибки, возвращаемой на вход VIN–, которая, будучи умноженной на сопротивление RF, будет являться результатом ошибки выходного смещения. Мощность рассеивания для каждого транзистора появляется в области, очень небольшой для достижения тепловой взаимосвязи между устройствами. Тепловые ошибки во входном каскаде могут быть уменьшены в схемах с инвертирующим включением, исключающим синфазное входное напряжение.

Тепловое время установления зависит от частоты и формы сигнала. Этот процесс происходит не мгновенно; тепловой коэффициент транзисторов, от которого зависит процесс, определяет время изменения температуры и изменение параметров. Усилители, сделанные согласно высокочастотному комплементарному биполярному процессу (разработка Analog Devices), не проявляют эффект теплового установления для входной частоты выше нескольких килогерц, потому что входной сигнал изменяется очень быстро. Системы связи в общем случае более чувствительны к спектральным характеристикам, поэтому такая дополнительная ошибка усиления не слишком важна. Тепловое время установления может неблагоприятно воздействовать на ступенчатые сигналы, которые могут присутствовать в сигналах видеоизображений. Для таких приложений ОУ с токовой обратной связью могут не обеспечивать соответствующую точность установки.

Операционный усилители в линейных схемах. Часть 3


Нужна ли нам схема с буферизацией тока?

Операционные усилители, разумеется, универсальны, но их область применения ограничена ограничениями выходного тока. Можно ожидать, что обычный операционный усилитель будет непрерывно выдавать ток не более чем 30 или 40 мА. Хотя некоторые компоненты могут работать с токами, близкими к 100 мА, другие будут пытаться дать вам хотя бы 10 мА. Существует особая категория усилителей с высоким выходным током, ток которых приближается или даже превышает 1000 мА. Если компонент с высоким выходным током совместим с вашим приложением, обязательно используйте его.

Но есть несколько причин, по которым вы можете предпочесть буферизовать выход усилителя более общего назначения. Во-первых, некоторые усилители с высоким выходным током представляют собой сложные компоненты, предназначенные для специализированных применений, и, следовательно, они менее универсальны и более дороги – например, LT1210, компонент от Linear Tech, который может выдавать 1100 мА, обойдется вам в 12 долларов, если вы покупаете в розницу. Кроме того, некоторые компоненты с высоким выходным током (включая LT1210) являются усилителями с обратной связью по току, и вы не можете просто вставить устройство с обратной связью по току в схему, разработанную для топологии с обратной связью по напряжению.

К счастью, на самом деле нет необходимости использовать усилители с высоким выходным током, когда всё, что вам нужно, это простая схема на операционном усилителе плюс мощный выходной каскад. Вы можете использовать один из 75-центовых усилителей общего назначения, которые есть у вас в лаборатории/мастерской/гараже, и объединить его со стандартными компонентами (стоимостью тоже около доллара), и вы получите схему, которая вам нужна.

Всего один биполярный транзистор

Самая простая схема для буферизации выходного тока операционного усилителя выглядит так:


Рисунок 1 – Схема для буферизации выходного тока операционного усилителя на биполярном транзисторе

А вот соответствующая схема LTspice:


Рисунок 2 – Схема для буферизации выходного тока операционного усилителя на биполярном транзисторе в LTspice

Давайте получим четкое понимание идеи этой схемы, прежде чем двигаться дальше. Входной сигнал подается на неинвертирующий вход операционного усилителя, а выход ОУ подключается непосредственно к базе биполярного транзистора. Операционный усилитель и биполярный транзистор могут использовать один и тот же положительный источник питания, но в этом случае мы предполагаем, что доступны два напряжения – источник питания 5 В для маломощных, малошумящих схем и 12 В для мощной части проекта. Значение резистора нагрузки очень низкое, поэтому выходные напряжения более 200 мВ, приложенные непосредственно к нагрузке, потребуют большего выходного тока, чем может обеспечить LT6203. Транзистор, выбранный в схеме LTspice, может работать с токами около 1000 мА, что означает, что он подходит для напряжений на нагрузке до 5 В.

Ключевым моментом этой схемы является соединение обратной связи. Помните «виртуальное короткое замыкание»: при анализе операционного усилителя в схеме с отрицательной обратной связью мы можем предположить, что напряжение на неинвертирующем входе равно напряжению на инвертирующем входе. Уже одно это говорит нам о том, что выходное напряжение (то есть напряжение на нагрузке) будет равно входному напряжению. Но давайте пойдем немного глубже, чтобы убедиться, что мы действительно понимаем, что происходит; виртуальное короткое замыкание – это своего рода суеверие, которое может отвлечь нас от реальной работы операционного усилителя. Операционный усилитель умножает дифференциальное входное напряжение на очень большой коэффициент усиления. Таким образом, с отрицательной обратной связью операционный усилитель быстро достигает равновесия, потому что большие изменения выходного напряжения уменьшают дифференциальное напряжение, которое вызывает эти самые выходные изменения. В этом состоянии равновесия выход стабилизируется при любом напряжении, что устраняет разницу между напряжениями на инвертирующем и неинвертирующем входах – иными словами, операционный усилитель автоматически регулирует свой выходной сигнал любым способом, необходимым для того, чтобы Vвх– было равно Vвх+.

В контексте этой схемы буферизации выходного сигнала операционный усилитель автоматически генерирует любое выходное напряжение, необходимое для того, чтобы сделать напряжение эмиттера биполярного транзистора равным входному напряжению. Подумайте, насколько сложно это было бы в ситуации разомкнутой петли – каким-то образом необходимо было бы рассчитать соотношение между входным и выходным сигналами усилителя, чтобы компенсировать падение напряжения база-эмиттер биполярного транзистора, которое не является ни линейным, ни предсказуемым. Но с операционным усилителем и некоторой отрицательной связью проблема становится тривиальной.

Давайте подкрепим это понимание идеи парой симуляций. Первая не очень захватывающая; она просто подтверждает, что выходное напряжение следует за входным напряжением (график входного напряжения Vin скрыт под графиком выходного напряжения Vout):


Рисунок 3 – График входного и выходного напряжений схемы

На следующем графике показано, что должно быть на выходном выводе операционного усилителя, чтобы обеспечить нужное напряжение на нагрузке.


Рисунок 4 – График входного напряжения схемы, выходного напряжения операционного усилителя и выходного напряжения схемы

Пороговое напряжение

Вот график с входным напряжением VIN и выходным напряжением VOUT схемы.


Рисунок 3 – График входного и выходного напряжений схемы

Проблема очевидна: уровень напряжения нагрузки чуть ниже 2 В, хотя у нас есть 5 В на NMOS транзисторе и операционном усилителе. Следующий график раскрывает причину.


Рисунок 4 – График входного напряжения схемы, выходного напряжения схемы и напряжения, приложенного к затвору MOSFET транзистора (выходного напряжения ОУ)

Как можете видеть, напряжение затвора насыщается положительным напряжением с операционного усилителя, когда напряжение нагрузки составляет всего около 2 В. Основная проблема здесь – это пороговое напряжение MOSFET транзистора: полевой транзистор даже не начинает работать, пока напряжение затвор-исток не будет равно 2,6 В. Это означает, что выходное напряжение операционного усилителя всегда будет как минимум на 2,6 В выше, чем напряжение нагрузки, поскольку разность напряжений будет увеличиваться только по мере увеличения тока стока – как показано на предыдущем графике (рисунок 3), когда уровень выходного напряжения выравнивается, напряжение затвор-исток составляет 3 В. Фактически, напряжения, показанные на графике, представляют типовые характеристики FDC2512; согласно спецификации, пороговое напряжение может достигать 4 В!

Это первое моделирование демонстрирует существенный недостаток использования NMOS транзистора в этой схеме: пороговое напряжение намного выше, чем 0,7–0,9 В, требующееся для перехода база-эмиттер NPN транзистора. Конечно, пороговое напряжение варьируется от модели к модели, поэтому вы наверняка могли бы решить эту проблему, выбрав другой полевой транзистор. Быстрый поиск показывает, что NMOS транзисторы, рассчитанные на непрерывный ток стока 1–2 А, могут иметь пороговое напряжение намного ниже 2,6 В. Тем не менее, здесь необходимо соблюдать осторожность, поскольку пороговое напряжение NMOS транзистора склонно быть выше, чем напряжение база-эмиттер 0,7–0,9 В, которое можно ожидать практически от любого NPN-транзистора. Даже пара Дарлингтона (обсуждаемая во второй статье из серии) обеспечит диапазон напряжений нагрузки, равный или больший, чем некоторые MOSFET транзисторы, и составной транзистор Дарлингтона снижает ток базы до уровней, с которыми может справиться практически любой операционный усилитель.

Еще одна деталь, о которой следует помнить: диапазон напряжений нагрузки становится более ограниченным при больших токах нагрузки, поскольку операционный усилитель, чтобы получить более высокий ток стока, должен создавать более высокое напряжение перегрузки. Если мы установим сопротивление нагрузки 2 Ом, вместо 5 Ом, мы получим следующий график:


Рисунок 5 – График входного напряжения схемы, выходного напряжения схемы и напряжения, приложенного к затвору MOSFET транзистора (выходного напряжения ОУ) при сопротивлении нагрузки 2 Ом

В этом случае напряжение нагрузки выравнивается на уровне 1,75 В вместо 2 В.

Добавление усиления

Эта базовая схема не ограничена конфигурацией с коэффициентом усиления по напряжению, равным 1. Как и в случае небуферизованного операционного усилителя, вы можете вставить резисторы в петлю обратной связи, чтобы увеличить общий коэффициент усиления схемы от входного напряжения до напряжения нагрузки. Вот версия схемы с коэффициентом усиления более единицы:


Рисунок 5 – Схема для буферизации выходного тока операционного усилителя на биполярном транзисторе с регулируемым коэффициентом усиления по напряжению

А вот новая схема LTspice, за которой следует график с входным напряжением VIN, выходным напряжением VOUT и напряжением, приложенным к базе биполярного транзистора.


Рисунок 6 – Схема для буферизации выходного тока операционного усилителя на биполярном транзисторе с регулируемым коэффициентом усиления по напряжению в LTspice


Рисунок 7 – График входного напряжения схемы, выходного напряжения схемы (напряжения на нагрузке) и выходного напряжения ОУ (напряжения на базе транзистора)

NPN прочь, NMOS заходи

Вот первая схема буферизации с MOSFET транзистором (а именно, NMOS транзистором, MOSFET транзистором с каналом N-типа) вместо биполярного транзистора:


Рисунок 1 – Схема для буферизации выходного тока операционного усилителя на MOSFET транзисторе

А вот схема LTspice:


Рисунок 2 – Схема для буферизации выходного тока операционного усилителя на MOSFET транзисторе. Схема в LTSpice

Я выбрал модель NMOS транзистора на основе максимального тока стока; я хотел что-то похожее по характеристикам на NPN транзистор 2SCR293P, который мы использовали в первой статье из серии, чтобы сравнение было более релевантным. Максимальный непрерывный ток коллектора 2SCR293P составляет 1 А, а максимальный непрерывный ток стока для FDC2512 – 1,4 А. Эти два компонента также имеют одинаковые пределы рассеивания мощности. Как и ожидалось, имеется значительная разница во входной емкости: у 2SCR293P около 90 пФ; у FDC2512 около 375 пф.

Просто, но без «защиты от дурака»

При такой надежной и понятной схеме всегда существует риск самоуспокоения. Вот некоторые потенциальные проблемы, которые вы должны иметь в виду:

  1. Это очевидно, но убедитесь, что биполярный транзистор может справиться с вашим током нагрузки. Например, транзистор 2N2222, который вы найдете среди своих запчастей, вероятно, рассчитан только на постоянный ток коллектора 800 мА.
  2. Это не так очевидно: не превышаете ли вы максимальную рассеиваемую мощность транзистора? Эта проблема особенно неуловима, потому что это то, что вы можете не заметить в симуляции – например, симуляции, выполненные в этой статье, как-то не предупредили нас о том, что мы сжигали транзистор 2SCR293P. Максимальная рассеиваемая мощность для этого компонента с «каждым выводом, установленным на опорной земле» (я не совсем уверен, что это значит) составляет 0,5 Вт. В нашей схеме, если Vвых = 3 В, ток через нагрузку будет равен (3 В) / (5 Ом) = 600 мА, а напряжение коллектор-эмиттер на транзисторе составляет 12 В — 3 В = 9 В. Таким образом, рассеиваемая мощность составляет около (600 мА) × (9 В) = 5,4 Вт. Хотя ток коллектора находится в пределах допустимого диапазона, мы превысили максимальную мощность в 10 раз! Вы можете исправить это, используя более низкое напряжение питания, если это возможно, и после этого вам нужно выбрать более мощный транзистор.
  3. Когда биполярный транзистор работает в активной области, ток, текущий через базу, приблизительно равен току нагрузки, деленному на коэффициент бета, иначе известный как hFE или коэффициент усиления по току. Таким образом, операционный усилитель все еще должен подавать некоторый ток, и вы можете столкнуться с проблемами, если у вас будет высокий ток нагрузки в сочетании с относительно слабым выходным каскадом операционного усилителя. Например, если ваш ток нагрузки составляет 2500 мА, и вы используете транзистор с hFE = 100, вам потребуется ток базы около 25 мА; а некоторые операционные усилители не способны его обеспечить.
  4. Имейте в виду, что выходное напряжение операционного усилителя примерно на 0,7–0,9 В выше напряжения нагрузки. Это необходимо учитывать при выборе напряжения питания операционного усилителя. Например, допустим, вам необходимо напряжение нагрузки в диапазоне от 0 до 4 В. Подходит ли вам напряжение питания 5 В? Возможно, нет: напряжение базы может доходить до 4,9 В; и если размах выходного сигнала операционного усилителя ограничен положительной шиной минус 0,8 В, у вас будут проблемы.
  5. Биполярный транзистор начинает входить в режим насыщения, когда напряжение базы превышает напряжение коллектора примерно на 0,5 В, а поскольку напряжение базы примерно на 0,7–0,9 В выше напряжения нагрузки, напряжение коллектора биполярного транзистора (которое в этой схеме такое же, как напряжение питания) должно быть как минимум на (0,9 В – 0,5 В) = 0,4 В выше, чем максимально необходимое напряжение нагрузки. (Эти числа приблизительны и будут варьироваться в зависимости от условий эксплуатации и электрических характеристик транзистора.) Насыщение биполярного транзистора приведет к выравниванию напряжения нагрузки, прежде чем оно достигнет напряжения питания транзистора.

Дифференциальный усилитель

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

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


Схема дифференциального усилителя на основе ОУ.

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

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

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

Если входные сигналы будут поступать на оба входа UBX1 и UBX2, 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
.

Операционный усилитель — Энциклопедия по машиностроению XXL

В аналоговых СПУ информация задается в виде потенциалов, В качестве элементной базы и таких системах используются решающие и операционные усилители постоянного тока.  [c.212]

Основными элементами АВМ являются решающие блоки—операционные усилители (ОУ). На рис. 14.21, а в виде треугольника изображен электронный усилитель с высоким коэффициентом усиления к (порядка 10 ).  [c.443]


Рис. 14.21. Решающие блоки АВМ — операционные усилители жение и в выходное—KU Работу схемы описывает уравнение
Кроме трансформаторных мостов, при построении приборов, основанных на ЭМК, применяют и другие измерительные схемы, допускающие вынесение части схемы в блок преобразователя, например автогенераторные схемы, измерители добротности с вынесенным резонансным контуром, схемы преобразования на основе операционного усилителя, схемы сравнения токов или напряжений или специальные схемы компенсации влияния подводящих проводов,  [c. 170]

ИИ — источник излучения Д — детектор — операционные усилители  [c.158]

Масштаб времени Mt ограничивается допустимой погрешностью, обусловленной конечным значением коэффициента усиления операционных усилителей, а также утечками во времени заряда интегрирующих конденсаторов, как через диэлектрик и внешнюю изоляцию, так и между токонесущими проводами источников питания и суммируют,ей точкой усилителя [62].  [c.331]

Частотные ограничения обычно определяются пределами линейности частотной характеристики операционных усилителей. Для большинства АВМ собственные частоты колебаний не должны превышать 5—8 гц.  [c.332]

Для операционных усилителей современных АВМ всегда можно указать динамический диапазон, в пределах которого выходное напряжение пропорционально входному. Во избежание ошибок, связанных с насыщением усилителя, работа вне пределов линейного диапазона должна быть исключена. Вместе с тем, во избежание ощутимого влияния напряжений помех и случайных шумовых напряжений, уровень полезного сигнала должен быть достаточно высок.[c.332]

Схема моделирования соударения масс (рис. 105) включает [48] операционные усилители 1 и 3, работающие в режиме интегрирования блоки постоянных коэффициентов а,у (t, / = 1, 2) операционные усилители 2 VI 4, работающие в режиме суммирования, на выходе которых подключены емкости равные соответ-  [c.360]

Напряжения, снимаемые с выходной диагонали датчика, поступают на входы дифференциального усилителя, собранного на операционных усилителях Коэффициент усиления равен 100 или 200 в зависимости от положения переключателя П . При работе с датчиком сопротивлением 800 Ом, подается питание 24 В постоянного тока. Контакты переключателя IJi размыкаются, и на датчик поступает напряжение 24 В. Контакты переключателя Яз замыкаются, и коэффициент усиления дифференциального усилителя становится равным 100. Так как номинальный коэффициент передачи датчика равен 2 мВ/В, то при работе выходное напряжение дифференциального усилителя при номинальной нагрузке на датчике равно 5 В.[c.439]


Преимущественное развитие тонкопленочной технологии в отраслях прецизионного приборостроения объясняется возможностью получения высокой разрешающей способности, точности и стабильности элементов схем. Этот вид технологии, единственно приемлемый при производстве матриц прецизионных резисторов, делителей напряжения, операционных усилителей высокого класса, стабилизаторов напряжения, а также специальных схем усилительных и измерительных приборов контроля и регулирования.  [c.412]

Известно, что решение уравнения движения агрегата при моменте Мпр в виде (1), получаемое на аналоговой вычислительной машине, имеет по ряду причин (неточность воспроизведения нелинейных функций, дрейф нулей у операционных усилителей и др.) ограниченную точность. Максимальная относительная погрешность может оказаться равной 1% или быть близкой к 10%, причем нет непосредственной возможности оценить ее более достоверно. Метод Ньютона-Канторовича позволяет уточнить такое решение, ибо возможность использования этого метода не зависит от рода причин, вызвавших погрешность в уточняемом им решении. Приведем соотношения, представляющие этот метод в применении к уточнению решения при установившемся движении агрегата. Уравнение движения агрегата при моменте М р в виде (1) можно записать как  [c.61]

Такой прибор (рис. 3) для ПД и усреднения по выборкам Pyi и tфl был реализован на операционных усилителях набора блоков нелинейностей НБН-1м. Последний был дополнительно оснащен полистироловыми запоминающими конденсаторами i (рис. 4), счетчиками ходов на шаговых искателях и контактной логической схемой управления. Измерение выходных напряжений производится компенсационным методом.  [c.269]

Сигналы с выхода усилителя подаются на детектор 10, собранный на быстродействующем операционном усилителе и обладающий большим динамическим диапазоном. Детектор выделяет отдельно верхние и нижние полуволны эхосигналов, а также их огибающие, которые затем подаются на АЦП ЭВМ. Огибающая эхосигналов поступает также на вход компаратора 12. На этот же вход подключены схемы стробирования 9 и гашения 13 паразитной наводки от излучаемого сигнала. С выхода компаратора снимаются прямоугольные импульсы, совпадающие по времени с принятыми эхосигналами. Схема 8 формирования синхроимпульсов фронтов предназначена для получения коротких импульсов, соответствующих переднему и заднему фронтам отдельно первого и всех остальных эхосигналов. Эти синхроимпульсы подаются на ЭВМ, а также используются для стробирования во времени первого эхосигнала в схеме 11.  [c.182]

Из уравнения (7.63) видно, что для нахождения функции у (t) необходимо произвести суммирование в правой части и дважды проинтегрировать левую часть и эту сумму. Операция интегрирования осуществляется в блоках интегрирования (операционных усилителях) АВМ. Для формирования правой части уравнения  [c.295]

Большинство выпускаемых промышленностью электронных моделирующих устройств (например, типа ЭМУ-10, МН-7, МН-14 и т. д.) не имеет требуемой аналоговой памяти. Для исследования динамических систем типа (7.62) разработан метод формирования аналоговой памяти на базе операционных усилителей АВМ ЭМУ-10 посредством внесения несложных изменений в монтаж управляющих интеграторами реле РО и РНУ, расположенных в блоке обратных связей решающих усилителей [64 ]. Этот метод рассмотрен ниже.  [c.296]

Аналоговое запоминающее устройство (рис. 78), состоящее из двух операционных усилителей 1 и 2, находящихся поочередно в режиме память или ввод информации , работает следующим образом. Переменное во времени напряжение подлежащее запоминанию, поступает на входы начальных условий а, Ь — операционных усилителей 1 и 2. При указанных на рис. 78 положениях контактов 1 РНУ-1 и 1 РНУ-2 операционный усилитель 1 работает в режиме ввод информации и напряжение на его вы-  [c.296]

Из соотношений (7.66) и (7.64) следует, что за пределом упругости Уса = у см, а г/см, определяемое из характеристики О А В, в упругой области равно нулю, так как у = R (у), / i = 1 и удовлетворяет отмеченному выше требованию. Блок-схема формирования нелинейной диаграммы деформирования на АВМ ЭМУ-10 показана на рис. 81. Операционные усилители J, 2 и функциональные преобразователи ФП1, ФП2 являются частью электронной модели исследуемой динамической системы (см. рис. 82), а операционный усилитель 3 и блок памяти БП служат для формирования величины г/с с последующим ее запоминанием. Схема работает следующим образом. В области упругих колебаний системы (7.62) сигнал на выходе усилителя 3 и соответственно на выходе БП равен нулю, г/» = 0 на входы функциональных преобразователей поступает (сформированная в предыдущих блоках электронной модели исследуемой системы) искомая величина (—У (0). 3 смещения начала координат нелинейных характеристик отсутствуют. При переходе за предел упругости на выходе усилителя 3 начинает формироваться напряжение, пропорцио-298  [c.298]


В зависимости от знака производной у контакт реле (см. рис. 81) находится в положении / или 2, и на выходе операционного усилителя 2 формируется соответствующее приведенной диаграмме напряжение R у), которое после умножения на поступает в обратную связь электронной модели (см. рис. 82). Следует отметить, что, вводя в рассмотр енную электронную модель  [c. 299]

На рис. 82 показана структурная блок-схема моделирования уравнения (7.63). Запоминание величины напряжения осуществляются на основе операционных усилителей 7 и 5, работа которых рассмотрена выше. На входы начальные условия интеграторов 7, 8 поступает сигнал (—г/см)- В упругой стадии Уси = О, а в пластической области колебаний системы в один из усилителей (7, S) поступает информация о величине а в другом будет находиться запомненное напряжение вычисленное в предыдущем цикле и поступающее через контакт Р2 на вход усилителя 4. На входы функциональных блоков ФП1 и ФП2 поступает сигнал у—у в зависимости от знака у используется первый или второй функциональный блок если у > О, то сигнал R (у) снимается с ФП1, в противном случае у решения уравнения (7.63). Сформированная функция R (у) после операции инвертирования на усилителе 5 поступает на вход интегратора 1. Управление режимами интеграторов 7 и S происходит с помощью реле РО и РНУ и контакта ЗР2. Управление реле РЗ осуществляется с помощью высокочувствительного поляризованного реле Р1, на обмотку которого подается напряжение, пропорциональное у.[c.300]

Точность решения поставленной задачи во многом зависит от чувствительности реле Р1, так как оно является исходным управляющим элементом для всей схемы. Для повышения чувствительности реле Р1 в схему введен операционный усилитель 9, который вначале усиливает напряжение, пропорциональное у, а затем ограничивает последнее до значения надежного срабатывания реле Р1. Включение по такой схеме (см. рис. 82) обеспечивает срабатывание реле Р1 для величины напряжения 0,04 В. Если учесть, что машинная единица равна 100 В, то ошибка, вносимая от переключения реле Р1 в процессе решения задачи (7.63), существенно не превышает стандарта ошибки точности, предъявляемой к АВМ [для АВМ ЭМУ-10 он равен (3-г-4 %) ], и, следовательно, ею практически можно пренебречь.  [c.300]

Общими элементами рассматриваемых схем являются потенциометрический датчик сигналов /, операционный усилитель 2 и управляющая обмотка 3 моментного датчика.  [c. 59]

На входе операционного усилителя может включаться тот или иной дифференцирующий контур в зависимости от решающей задачи.  [c.59]

При достаточно большом коэффициенте усиления подобная система действует аналогично операционному усилителю ток на выходе не будет зависеть от коэффициента усиления магнитного усилителя и фазового дискриминатора, а определяется из условия равенства нулю суммы ампер-витков на входе магнитного усилителя  [c.62]

Масштаб времени определяющий замедление колебательного процесса при решении на модели сравнительно с действительным процессом, выбирается с учетом значений частот реального процесса и рабочих частот модели (0,2—1,5 гг ). Удобно брать масштабы времени Mt = 10, = =100 и Mt — 1000. В соответствии с выбранными масштабами Af

входных цепях операционных усилителей и тем самым величины R и R в интегрирующих цепочках  [c.84]

Передаточная функция (5) может быть реализована методами аналогового моделирования дробно-рациональных передаточных функций [4—6] с использованием интеграторов, сумматоров и масштабных усилителей, в которых в качестве активных элементов используются операционные усилители.[c.103]

Второй интегратор на операционном усилителе У2 является полосовым фильтром 2-го порядка низкой добротности с передаточной функцией  [c.103]

В библиотеках программы PSpi e имеется несколько тысяч математических моделей элементов (диодов, биполярных и полевых транзисторов, операционных усилителей, стабилизаторов, тиристоров, компараторов, магнитных устройств с учетом насьпцения и гистерезиса, оптронов, кварцевых резонаторов, длинных линий с учетом задержек, отражений, потерь и перекрестных помех и др.) Библиотека открыта для включения моделей пользователя, имеются соответствующие инструментальные средства пополнения библиотеки. Предусмотрено взаимодействие аналоговой и цифровой частей схемы.  [c.145]

Выходное напряжение, снимаемое с выхода усилителя УЗ, поступает на входы усилителей У5 и Уб, собранные также на операционных усилителях постоянного тока. Коэффициент усиления усилителя У5 постоянный и равен 2. Напряжение, снимаемое с выхода усилителя У5, является выходным недиапазонированным сигналом преобразователя. При изменении нагрузки на датчике от О до номинальной вы-  [c.439]

Выхаживание (рис. 8, а). Субблок управления выхаживанием (УВ) ставит У-2 и У-3 (решающие субблоки СОУ-2 [3] на операционных усилителях ОУПТ) в режим суммирования последова-274  [c.274]

На базе универсальных аналоговых элементов — операционных усилителей (ОУПТ) и следящих систем (СЛС) — для исследовательского комплекса в НИЛ Автоматического управления и контроля механических систем разработан ряд блоков автоматической переработки измерительной информации.  [c.284]

В НИЛ Автоматического управления и контроля механических систем ТПИ был разработан, иопытан и применен в ИИС для исследования механических систем ряд программно-управляемых аналоговых блоков (БАПУ), которые не имеют перечисленных недостатков. Применение БАПУ облегчает синтез приборов и типизирует их структуру. Набор БАПУ составляется из аналоговых решающих элементов на операционных усилителях ОУПТ и следящих системах с использованием герметизированных реле, запоминающих конденсаторов, полупроводниковых диодов и т. д.  [c.310]

Рассмотрим ряд базовых решающих элементов на ОУПТ, синтезированные из них программно-управляемые субблоки обслуживания операционных усилителей (СОУ) и для примера использования СОУ, созданный на их базе цифровой измеритель (ЦИЗ). ЦИЗ  [c.310]

Рассмотрены решающие элементы на базе операционного усилителя, снабженные управляющими реле. В их число входят последовательные и параллельный сумматоры, управляемый расширитель импульсов и другие. С использованием решающих элементов построены многооперационные субблоки, используемые в комплексах серии Алмаз , предназначенных для автоматического контроля и исследования шлифовальных кругов. Описан один из режимов прибора Алмаз-3 , в котором для цифрового считывания с запоминающих конденсаторов использован программно-управляемый субблок.[c.437]


При подаче на обмотку реле Р управляющего напряжения Uy контакты 1Р, 2Р, 1РНУ-1, 1РНУ-2 одновременно переключаются в противоположные состояния операционный усилитель 2 переходит в режим ввод информации , а усилитель 1 —-в режим память , и на выходе запоминающего устройства получаем зафиксированное напряжение  [c.297]

А sign = Ыопт (О (рис. 84). На АВМ типа ЭМУ-10 такое динамическое воздействие удобно формировать на основе слаботочного поляризованного реле, двух потенциометров и двух операционных усилителей. Схема моделирования такой функции показана на рис. 85. Опорное напряжение 100 В с наборного поля моделирующей установки подается соответственно на входы потенциометров П1 и П2, с помощью которых устанавливается амплитуда А импульсов ползунки указанных потенциометров через контакты 1РП поляризованного реле РП соединяются с входом операционного усилителя 1. Поляризованное реле РП управляется непосредственно сигналом у, который усиливается операционным усилителем 2 с коэффициентом усиления (5- -10) и подается на обмотку питания реле. Усиление сигнала у требуется для обеспечения переключения реле при малых напряжениях и -, т. е. при его значениях, близких к нулю ( 0,3 В), что практически обеспечивает переключение реле РП и соответственно его контактов 1РП в зависимости от sign у. Таким образом, на выходе операционного усилителя 1 формируются требуемые знакопеременные прямоугольные импульсы.  [c.303]

Блок-схема электронной модели системы с выключающимися связями и учетом указанной выше особенности показана на рис. 88, б. В исходном состоянии все контакты реле Р1—РЗ находятся в указанных на рис. 102, б положениях. При подаче на вход системы (операционный усилитель 1) внешнего возмущения U(t) на выходе операционного усилителя 4 получим движение начальной системы (Q (у, t) = 2 с)- Если перемещение у (t) достигнет определенного (заданного) значения Ур (независимо от его знака), то срабатывает поляризованное реле Р1, которое своим контактом 1Р1 подает питание на обмотку реле Р2 последнее срабатывает и блокирует себя контактом ЗР2. Уровень напря-308  [c.308]

На рис. 91 приведена блок-схема для решения системы уравнений (7.73). Основными решающими элементами являются операционные усилители 1—7 и функциональные преобразователи ФП1, ФП2, предназначенные для формирования нелинейной восстанавливающей силы R у). Остальные элементы схемы предназначены для осуществления тех логических операций, которые вытекают из свойств и характера исследуемой системы. Усилители 8—10 служат для формирования аналоговой динамической памяти формирования и хранения остаточных деформаций системы и для подачи последних на входы функциональных преобразователей (через усилитель 6), где происходит смещение начала координат нелинейной характеристики системы [см. выше описание формирования функции R (у) ]. Реле РО и РНУ задают режимы работы блока памяти ( Ввод информации — Память ). Когда POI и РНУ1 обесточены, операционный усилитель 9 работает в режиме Память , а 10 — в режиме Ввод информации . Эти режимы меняются на противоположные, когда обесточены реле Р02 и РНУ2.[c.311]

Принципиальная схема корректирующей цени, реализующей передаточную функцию (5), состоит из двух интеграторов У1 и У2, инвертора УЗ и сумматора У4 (рис. 3). Решающие элементы схемы собраны на дифференциальных операционных усилителях типа К1УТ531А. Цепи коррекции и питания операционных усилителей на схеме не показаны.  [c.103]


Что такое операционные усилители?

Операционные усилители являются основными строительными блоками Аналоговые электронные схемы . Это линейные устройства со всеми свойствами усилителя постоянного тока. Мы можем использовать внешние резисторы или конденсаторы к операционному усилителю. Есть много разных способов сделать их различными формами усилителей, таких как инвертирующий усилитель, неинвертирующий усилитель, повторитель напряжения, компаратор, дифференциальный усилитель, суммирующий усилитель, интегратор и т. Д. OPAMP могут быть одиночными, двойные, четырехъядерные и т. д. OPAMP, такие как CA3130, CA3140, TL0 71, LM311 и т. д., имеют отличную производительность при очень низком входном токе и напряжении. Идеальный операционный усилитель имеет три важных терминала в дополнение к другим терминалам. Входные клеммы — это инвертирующий вход и неинвертирующий вход. Третий вывод — это выход, который может принимать и передавать ток и напряжение. Выходной сигнал — это коэффициент усиления усилителя, умноженный на значение входного сигнала.



5 идеальных персонажей операционного усилителя:

1. Коэффициент усиления разомкнутого контура

Коэффициент усиления без обратной связи — это коэффициент усиления операционного усилителя без положительной или отрицательной обратной связи. Идеальный операционный усилитель должен иметь бесконечное усиление без обратной связи, но обычно оно находится в диапазоне от 20 000 до 2 00 000.


2. Входное сопротивление

Это отношение входного напряжения к входному току. Он должен быть бесконечным без утечки тока от источника питания на входы. Но в большинстве операционных усилителей будет несколько утечек тока пикоампера.


3. Выходное сопротивление

Идеальный операционный усилитель должен иметь нулевое выходное сопротивление без какого-либо внутреннего сопротивления. Чтобы он мог подавать полный ток на нагрузку, подключенную к выходу.

4. Ширина полосы

Идеальный операционный усилитель должен иметь бесконечную частотную характеристику, чтобы он мог усиливать любую частоту от сигналов постоянного тока до самых высоких частот переменного тока. Но у большинства операционных усилителей пропускная способность ограничена.

5. Смещение

Выход операционного усилителя должен быть равен нулю, когда разность напряжений между входами равна нулю. Но в большинстве операционных усилителей выходной сигнал не будет нулевым в выключенном состоянии, а будет иметь минутное напряжение.

Конфигурация контактов OPAMP:

В типичном операционном усилителе будет 8 контактов. Это

Pin1 — смещение нуля

Pin2 — инвертирующий вход INV

Контакт 3 — неинвертирующий вход Non-INV

Pin4 — Земля — ​​отрицательное питание

Pin5 — смещение нуля

Pin6 — выход

Pin7 — положительное питание

Pin8 — стробоскоп

4 типа усиления в OPAMP:

Коэффициент усиления по напряжению — входное и выходное напряжение

Текущее усиление — ток на входе и на выходе

Крутизна — напряжение на входе и ток на выходе

Транс-сопротивление — ток на входе и напряжение на выходе

Работа операционного усилителя:

Здесь мы использовали операционный усилитель LM358. Обычно неинвертирующий вход следует подавать на смещение, а инвертирующий вход — это реальный усилитель, подключенный к обратной связи резистора 60 кОм от выхода к входу. И резистор 10 кОм соединен последовательно с конденсатором, и на схему подается синусоидальная волна 1 В, теперь мы увидим, как усиление будет регулироваться коэффициентом усиления R2 / R1 = 60 кОм / 10 кОм = 6, тогда на выходе будет 6 В. . Если мы изменим коэффициент усиления на 40, то на выходе будет синусоида 4 В.

Видео о работе операционного усилителя

Как правило, это усилитель с двумя источниками питания, его легко настроить на один источник питания с помощью сети резисторов. При этом резисторы R3 и R4 подают напряжение, равное половине напряжения питания, на неинвертирующий вход, что приводит к тому, что выходное напряжение также составляет половину напряжения питания, образуя своего рода резисторы напряжения смещения R3 и R4 могут иметь любое значение от От 1k до 100k, но во всех случаях они должны быть равны. К неинвертирующему входу добавлен дополнительный конденсатор емкостью 1 Ф для уменьшения шума, вызванного конфигурацией. Для этой конфигурации требуется использование разделительных конденсаторов на входе и выходе.

3 приложения OPAMP:

1. Усиление

Усиленный выходной сигнал операционного усилителя представляет собой разницу между двумя входными сигналами.

Схема, показанная выше, представляет собой простое подключение операционного усилителя. Если на оба входа подается одинаковое напряжение, операционный усилитель примет разницу между двумя напряжениями, и она будет равна 0. Операционный усилитель умножит это значение на свой коэффициент усиления 1 000 000, так что выходное напряжение будет равно 0. Когда 2 вольта на выходе. подается на один вход и 1 вольт на другой, тогда операционный усилитель принимает свою разницу и умножается на коэффициент усиления. Это 1 вольт x 1000000. Но это усиление очень велико, поэтому для уменьшения усиления обратная связь с выхода на вход обычно осуществляется через резистор.

Инвертирующий усилитель:

Схема, показанная выше, представляет собой инвертирующий усилитель с неинвертирующим входом, подключенным к земле. Два резистора R1 и R2 включены в схему таким образом, что R1 подает входной сигнал, а R2 возвращает выходной сигнал на инвертирующий вход. Здесь, когда входной сигнал положительный, выходной будет отрицательным, и наоборот. Изменение напряжения на выходе относительно входа зависит от соотношения резисторов R1 и R2. R1 выбран как 1K, а R2 как 10K. Если на вход поступает 1 вольт, то через R1 будет ток 1 мА, а выход должен стать — 10 вольт, чтобы подавать ток 1 мА через R2 и поддерживать нулевое напряжение на инвертирующем входе. Следовательно, коэффициент усиления по напряжению равен R2 / R1. То есть 10K / 1K = 10

Неинвертирующий усилитель:

Схема, показанная выше, представляет собой неинвертирующий усилитель. Здесь неинвертирующий вход получает сигнал, в то время как инвертирующий вход подключен между R2 и R1. Когда входной сигнал движется либо в положительную, либо в отрицательную сторону, выход будет синфазным, и напряжение на инвертирующем входе будет таким же, как и на неинвертирующем входе. Коэффициент усиления по напряжению в этом случае всегда будет больше единицы (1 + R2 / R1).

два. Последователь напряжения

Схема выше представляет собой повторитель напряжения. Здесь он обеспечивает высокий входной импеданс и низкий выходной импеданс. При изменении входного напряжения выход и инвертирующий вход изменяются одинаково.

3. Компаратор

Операционный усилитель сравнивает напряжение, приложенное на одном входе, с напряжением, приложенным на другом входе. Любая разница между напряжениями, даже если она небольшая, приводит к насыщению операционного усилителя. Когда напряжения, подаваемые на оба входа, имеют одинаковую величину и одинаковую полярность, тогда на выходе операционного усилителя будет 0 Вольт.

Компаратор выдает ограниченное выходное напряжение, которое может легко взаимодействовать с цифровой логикой, даже если совместимость требует проверки.

Видео об операционном усилителе как принципиальной схеме компаратора

Здесь у нас есть операционный усилитель, используемый в качестве компаратора с инвертирующим и неинвертирующим выводами, и к ним подключены некоторый делитель потенциала и измеритель, а на выходе и вольтметр. Привело к выход. Основная формула для компаратора состоит в том, что когда ‘+’ больше, чем ‘–’, выход высокий (единица), в противном случае выход равен нулю. Когда напряжение на входе является отрицательным ниже опорного напряжения, выход высок, и, когда вход отрицательного поднимается выше напряжения на положительной, то выход переходит в низкий уровень.

3 Требования к OPAMP:

1. Обнуление смещения

Большая часть OPAMP имеет напряжение смещения на выходе, даже если входное напряжение одинаковое. Чтобы установить на выходе нулевое напряжение, используется метод обнуления смещения. В большинстве операционных усилителей есть небольшое смещение из-за присущих им свойств и возникает из-за несоответствия входного смещения. Таким образом, на выходе некоторых операционных усилителей доступно небольшое выходное напряжение, даже если входной сигнал равен нулю. Этот недостаток можно исправить, подав на входы небольшое напряжение смещения. Это известно как входное напряжение смещения. Для удаления или обнуления смещения у большинства операционных усилителей есть два контакта, позволяющих обнулить смещение. Для этого между контактами 1 и 5 должен быть подключен потенциометр или пресет с типичным значением 100 кОм, а его дворник должен быть заземлен. Регулируя предустановку, выход может быть установлен на нулевое напряжение.

два. Стробирование или фазовая компенсация

Операционные усилители могут иногда становиться нестабильными, и чтобы сделать их стабильными для всех диапазонов частот, конденсатор обычно подключается между его выводом 8 строба и выводом 1. Обычно дисковый конденсатор 47 пФ добавляется для фазовая компенсация так что операционный усилитель останется стабильным. Это наиболее важно, если операционный усилитель используется в качестве чувствительного усилителя.

3. Обратная связь

Как вы знаете, операционный усилитель имеет очень высокий уровень усиления, обычно около 1 000 000 раз. Предположим, что операционный усилитель имеет коэффициент усиления 10 000, тогда операционный усилитель будет усиливать разницу напряжений на своем неинвертирующем входе (V +) и инвертирующем входе (V-). Таким образом, выходное напряжение V out равно
10000 х (V + — V-)

На схеме сигнал подается на неинвертирующий вход, а на инвертирующем входе подключается к выходу. Итак, V + = V in и V- = Vout. Следовательно, Vout = 10,000 x (Vin — Vout). Следовательно, выходное напряжение почти равно входному.

Теперь давайте посмотрим, как работает обратная связь. Простое добавление резистора между инвертирующим входом и выходом значительно снизит усиление. Подав часть выходного напряжения на инвертирующий вход, можно значительно уменьшить усиление.

Согласно предыдущему уравнению, V out = 10,000 x (V + — V-). Но здесь добавлен резистор обратной связи. Итак, здесь V + — это Vin, а V- — это R1.R1 + R2 x V out. Следовательно, V out равен 10 000 x (Vin — R1.R1 + R2xVout). Итак, V out = R1 + R2.R1x Vin

Негативный отзыв:

Здесь выход операционного усилителя подключен к его инвертирующему (-) входу, таким образом, выходной сигнал возвращается на вход, чтобы достичь равновесия. Таким образом, входной сигнал на неинвертирующем (+) входе будет отражаться на выходе. Операционный усилитель с отрицательной обратной связью будет доводить свой выход до необходимого уровня, и, следовательно, разница напряжений между его инвертирующим и неинвертирующим входами будет почти равна нулю.

Положительный отзыв:

Здесь выходное напряжение возвращается на неинвертирующий (+) вход. Входной сигнал поступает на инвертирующий вход. В конструкции с положительной обратной связью, если инвертирующий вход подключен к земле, выходное напряжение операционного усилителя будет зависеть от величины и полярности напряжения на неинвертирующем входе. Когда входное напряжение положительное, тогда выход операционного усилителя будет положительным, и это положительное напряжение будет подаваться на неинвертирующий вход, что приведет к полностью положительному выходу. Если входное напряжение отрицательное, условие будет обратным.

Применение операционных усилителей — предусилитель звука

Фильтры и предварительные усилители:

Усилители мощности появятся после предварительных усилителей и перед динамиками. Современные проигрыватели компакт-дисков и DVD не нуждаются в предварительных усилителях. Им нужен регулятор громкости и селектор источников. Используя элементы управления переключением и пассивную громкость, мы можем избежать предварительных усилителей.

Кратко об усилителях мощности звука.

Усилитель мощности — это компонент, который может управлять громкоговорителями, преобразовывая сигнал низкого уровня в большой сигнал. Работа усилителей мощности заключается в производстве относительно высокого напряжения и большого тока. Обычно диапазон усиления по напряжению находится в пределах от 20 до 30. Усилители мощности имеют очень низкое выходное сопротивление.

Технические характеристики усилителя мощности звука

  • Максимальная выходная мощность:

Выходное напряжение не зависит от нагрузки как для малых, так и для больших сигналов. Данное напряжение, приложенное к нагрузке, вызывает удвоение тока. Следовательно, будет передано вдвое больше мощности. Номинальная мощность представляет собой непрерывную среднюю мощность синусоидальной волны, так что мощность может быть измерена с помощью синусоидальной волны, среднеквадратичное напряжение которой измеряется на долгосрочной основе.

  • Частотный отклик:

Частотная характеристика должна расширять весь звуковой диапазон с 20 Гц до 20 кГц. Допуск по частотной характеристике составляет ± 3 дБ. Обычный способ задания полосы пропускания — это значение усилителя на 3 дБ ниже номинального значения 0 дБ.

Усилители мощности должны производить низкий уровень шума, когда усилители мощности используют высокие частоты. Параметр шума может быть взвешенным или невзвешенным. Невзвешенный шум будет указан для полосы пропускания 20 кГц. Учитываются характеристики взвешенного шума, основанные на чувствительности уха. Измерение взвешенного шума имеет тенденцию ослаблять шум на более высоких частотах, поэтому взвешенное измерение шума намного лучше, чем измерение невзвешенного шума.

Общие гармонические искажения — это общие искажения, обычно указываемые на разных частотах. Это будет определено на уровне мощности, который задается импедансом нагрузки усилителя мощности.

Когда мне следует подумать об операционном усилителе транскондуктивности (OTA)?

What intuitions or rules of thumb would faithfully guide me on when to consider an OTA instead of a «regular» op amp; perhaps illustrated by any «classic» applications where an OTA would be preferred (and why)?

Вы не можете сравнить OTA с обычным операционным усилителем. Операционные усилители — это простые строительные блоки, которые вы обычно «настраиваете» для выполнения одной фиксированной операции, добавляя компоненты вокруг нее. Р>

OTA схожи, но имеют дополнительное преимущество: после их «настройки» вы все равно можете управлять некоторыми аспектами операции (скажем, усилением), применяя управляющий ток.

Главное отличие состоит в том, что OTA имеет три входа, а ваш операционный усилитель — только два. Помимо двух дифференциальных входных клемм, которые разделяют OTA и OpAmp, у OTA есть третий вход, который позволяет вам установить усиление усилителя путем подачи тока.

Этот третий вход позволяет вам делать вещи, которые вы просто не можете реализовать, с помощью простого операционного усилителя: OTA может умножить два изменяющихся во времени сигнала!

С другой стороны, операционный усилитель может умножаться (или усиливаться), но только один сигнал изменяется во времени (сигнал на дифференциальном входе). Другой фактор, который входит в умножение, является постоянным и определяется резисторами обратной связи.

Типичными вариантами использования OTA являются « Управляемые напряжением усилители «. Р>

Допустим, вы хотите контролировать громкость аудиосигнала. Для стереосигнала вы можете использовать стерео-потенциометр, ослабить сигнал и затем буферизовать его с помощью операционного усилителя. Хорошо, но как бы вы сделали то же самое, если имеете дело с более чем двумя каналами? А звуковая система 5. 1 например? Вы, вероятно, не найдете потенциометры с более чем двумя каналами. Р>

Здесь на помощь приходят OTA: вы можете использовать один потенциометр, чтобы генерировать управляющее напряжение и подавать его на любое количество усилителей, управляемых напряжением. Поворотом одной ручки вы теперь можете регулировать громкость любого количества аудиоканалов, как вам нравится.

Другое распространенное использование — автоматическая регулировка усиления . Здесь сигнал усиливается в зависимости от его амплитуды. Сигнал с низкой амплитудой сильно усиливается, а сигнал с высокой амплитудой просто буферизуется. Целью здесь является генерация сигнала с меньшим динамическим диапазоном на выходе. Это может избежать ограничения сигнала и предотвратить погружение частей с малой амплитудой в шум. 20 лет назад вы обнаружили такие схемы в диктофонах, телефонах, магнитофонах и т. Д. В настоящее время работа в программном обеспечении обходится дешевле.

Еще одна важная область, в которой используются OTA, — это фильтры, управляемые напряжением . Здесь вы контролируете не усиление сигнала, а частоту среза фильтра. Около половины всех аналоговых фильтров синтезаторов восьмидесятых годов основаны на OTA.

С точки зрения дизайна схемы операционные усилители и OTA также используются по-разному:

Операционные усилители почти всегда используются в конфигурации с обратной связью. Например. Вы почти всегда найдете резистор или другой компонент, который идет от выхода к отрицательному входу. Как вы, наверное, знаете, это использовалось для снижения очень высокого коэффициента усиления разомкнутого контура операционного усилителя до некоторого полезного уровня.

OTA, с другой стороны, очень редко используются в конфигурации с замкнутым контуром , например вы не найдете типичный резистор от выхода к отрицательному входу. Это потому, что у них нет высокого усиления без обратной связи. Коэффициент усиления OTA определяется током, поступающим на вход регулятора усиления. Р>

Это имеет несколько последствий: подумайте о повторителе напряжения, построенном вокруг операционного усилителя. Выход операционного усилителя напрямую подключается к отрицательному входу. Если вы подаете напряжение на положительный вход, отрицательная обратная связь гарантирует, что разница напряжения между дифференциальными входами практически равна нулю.

Поскольку в цепях OTA редко возникает отрицательная обратная связь, отсутствует также механизм для поддержания дифференциальных входов при одном и том же напряжении. Вместо этого вы найдете огромный делитель напряжения перед входами, которые поддерживают максимальную разность напряжений на входных клеммах от 10 мВ до 30 мВ (практическое правило). Если вы превысите это значение, OTA станет все более нелинейным и будет выводить сильно искаженный сигнал.

Относительно вашего регулятора напряжения: это действительно плохой вариант использования OTA, потому что вам не нужна функция усиления программы. Вы могли бы создать его, используя OTA, но классная функция OTA не принесет никакой пользы.

    

Операционный усилитель.

Примеры схем с описанием работы

Продолжение статьи «Операционный усилитель. На пальцах. Для самых маленьких»

Разберем еще пару схем, чтобы было понятно что и как. Как обычно, усилитель у нас идеальный.

▌Преобразователь напряжения в ток
Иногда надо получить источник тока. Это такой источник энергии который обеспечит протекание нужного тока через любое сопротивление. Вот есть у нас источник на 10мА и если мы его замкнем накоротко, то будет через точку КЗ течь ток в 10мА, а если мы оборвем его, то через обрыв … будет течь ток в 10мА, для этого источник тока загонит свое выходное напряжение до такого уровня, что заряды побегут через воздух, образовав пробой. Ну это в идеальном случае конечно. В реале источник тока при обрыве просто выставит свое максимально возможное напряжение.

Зачем нужно такое? Ну… по разным причинам. Светодиоды питать, например. Или есть линии связи на токовой петле. Когда у нас по проводу передается сигнал не напряжением, а током. Это очень удобно — от длины линии и роста ее сопротивления сигнал не меняется, всегда можно детектировать состояние линии — обрыв это нулевой ток, КЗ это ток выше лимита.

Я как то уже писал про токовую петлю 4-20мА. И вот там был пример применения ОУ для создания преобразователя напряжение-ток. Вот его схемотехника:

Принцип работы рассматриваем по той же методике. ОУ охвачен обратной связью. Считаем, что у нас виртуальное КЗ между его входами.

И можно смело вычислить ток I который будет, просто по закону Ома, равен как I = Uвх/R3. Но так как на самом деле никакого КЗ нет и, более того, во входы ОУ ничего не течет из-за его бесконечного сопротивления, то Ioс = 0. А раз Iос равна нулю, то ток I = Iout и жестко задается ТОЛЬКО входным напряжением и значением R3. Как бы не менялось побочное сопротивление линии R1 ток останется неизменным. Ну, конечно, при условии, что источник питания U может это обеспечить должным напряжением.

▌Логарифмический усилитель

С помощью ОУ можно аналогично интегратору, который рассматривался в прошлой статье, вытащить из детали нужную характеристику и превратить ее в коэффициент усиления.

К примеру, нам нужен хитрый усилитель который произведет компрессию сигнала. Слабый сигнал усилит на большую величину, а сильный проигнорирует. Осталось только найти деталь которая имеет такую характеристику. Возьмем, например, диод 1N4007:

Его вольт-амперная характеристика такая:

Т.е. чем выше приложенное напряжение тем выше ток. И зависимость эта нелинейная, а по экспоненте. Вычисляется примерно как:

I = Is(eU/k — 1),

где Is это предельный ток насыщения, а k конструктивный коэффициент зависящий от температуры и еще разных параметров.

С ростом тока падение напряжения вначале увеличивается быстро, а потом его рост замедляется. Нам вполне подойдет.

Осталось сделать так, чтобы входной ток зависел только от входного напряжения, а выходное напряжение привязать к этой характеристике. Воткнем все в ОУ:

Обратная связь есть. Считаем, что у нас виртуальное КЗ между входами ОУ. И получается, что ток I зависит только от входного напряжения и сопротивления R1. Все, там зависимость полностью линейная, по закону Ома. Мы легко можем задать любой нужный ток подбором сопротивления. Но так как КЗ виртуальное, то входной ток I будет равен току Ioc. Ведь в сам ОУ ток не течет. А значит задавая входной ток, мы можем по нашей ВАХ диода задать падение напряжения.

Скажем при 1 вольте на входе ток будет 10мА. У нас ведь резистор 100ом и все что происходит на входе задается только им. Но в цепи ОУ будет тот же ток, а там диод. И падение напряжения, судя по даташиту, на нем будет 0.6 вольт. Чтобы это обеспечить, равенство напряжений на входах, выходу ОУ надо будет опуститься на -0.6 вольт. В текущем моменте коэффициент усиления -0.6

А при напряжении на входе в 20 вольт, ток будет уже 200мА, соответственно падение напряжения на диоде 0,8 вольт. И напряжение на выходе ОУ будет -0.8 вольт. Коэффициент усиления в текущий момент -0,04

Т.е. наша схема может сожрать как малый сигнал, так и огромный и ее выход не зашкалит. Правда для таких целей обычно используют характеристику не диода, а биполярного транзистора. Но суть от этого не меняется.

Продолжение следует…

Ошибка 404 — Страница не найдена

Страна COUNTRYAfghanistanÅland IslandsAlbaniaAlgeriaAmerican SamoaAndorraAngolaAnguillaAntigua и BarbudaArgentinaArmeniaArubaAustraliaAustriaAzerbaijanBahamasBahrainBangladeshBarbadosBelarusBelgiumBelizeBeninBermudaBhutanBoliviaBosnia и HerzegovinaBotswanaBouvet IslandBrazilBritish Индийский океан TerritoryBruneiBulgariaBurkina FasoBurundiCambodiaCameroonCanadaCape VerdeCaribbean NetherlandsCayman IslandsChadChileChinaChristmas IslandCocos IslandsColombiaComorosCongo, Демократическая RepublicCook IslandsCosta RicaCroatiaCubaCuraçaoCyprusCzech RepublicDenmarkDjiboutiDominicaDominican RepublicEast TimorEcuadorEgyptEl SalvadorEquatorial GuineaEritreaEstoniaEthiopiaFalkland IslandsFaroe IslandsFijiFinlandFranceFrench GuianaFrench PolynesiaFrench Южный TerritoriesGabonGambiaGeorgiaGermanyGhanaGibraltarGreeceGreenlandGrenadaGuadeloupeGuamGuatemalaGuernseyGuineaGuinea-BissauGuyanaHaitiHondurasHong KongHungaryIcelandIndiaIndonesiaIranIraqIrelandIsle из ManIsraelItalyIvory CoastJamaicaJapanJerseyJordan KazakhstanKenyaKiribatiKosovoKuwaitKyrgyzstanLaosLatviaLebanonLesothoLiberiaLibyaLiechtensteinLithuaniaLuxembourgMacaoMacedoniaMadagascarMalawiMalaysiaMaldivesMaliMaltaMarshall IslandsMartiniqueMauritaniaMauritiusMayotteMexicoMicronesiaMoldovaMonacoMongoliaMontenegroMontserratMoroccoMozambiqueMyanmarNamibiaNauruNepalNetherlandsNew CaledoniaNew ZealandNicaraguaNigerNigeriaNiueNorfork IslandNorwayOmanPakistanPalauPalestinian TerritoryPanamaPapua Новый GuineaParaguayPeruPhilippinesPitcairn IslandPolandPortugalPuerto RicoQatarRepublic из CongoReunionRomaniaRussiaRwandaSaint HelenaSaint Киттс и NevisSaint LuciaSaint Пьер и MiquelonSaint Винсент и GrenadinesSamoaSan MarinoSao Томе и PrincipeSaudi ArabiaSenegalSerbiaSeychellesSierra LeoneSingaporeSint MaartenSlovakiaSloveniaSolomon IslandsSomaliaSouth AfricaSouth Грузии и Южные Сандвичевы IslandsSouth KoreaSouth SudanSpainSri LankaSudanSurinameSvalbard и Ян MayenSwazilandSwedenSwitzerlandSyriaTaiwanTajikistanTanzaniaThaila нд ТогоТокелауТонгаТринидад и ТобагоТунисТурцияТуркменистанОстрова Теркс и КайкосТувалуУгандаУкраинаОбъединенные Арабские ЭмиратыВеликобританияСоединенные ШтатыОтдаленные малые острова СШАУругвайУзбекистанВануатуВатиканВенесуэлаВьетнамВиргинские острова, Британские Виргинские острова, СШАЗападная СахараЙеменЗамбияЗимбабве

Современные операционные усилители: базовая архитектура, свойства, эксплуатация и будущее

  • С. В. Директор и Р. А. Рорер, «Обобщенная сопряженная сеть и сетевая чувствительность», IEEE Transactions on Circuit Theory , vol. CT-16, стр. 318–323, 1969.

    Google ученый

  • Г.В. Робертс и А. С. Седра, «Все частотно-селективные схемы токового режима», Electronics Letters , vol. 25, стр. 759–761, 1989.

    Google ученый

  • Г. К. Темес и У. Х. Ки, «Быстродействующий усилитель тока CMOS и буферный каскад», Electronics Letters , vol. 23, стр. 696–697, 1987.

    Google ученый

  • Z. Wang and W. Guggenbühl, «Регулируемое двунаправленное токовое зеркало/усилитель MOS», Electronics Letters , vol. 25, стр. 673–675, 1989.

    Google ученый

  • E.A.M. Klumperink и E. Seevinck, «Ячейки усиления тока MOS с электронным регулированием усиления и постоянной полосой пропускания», IEEE Journal of Solid-State Circuits , vol. СК-24, стр. 1465–1467, 1989.

    Google ученый

  • З. Ван, «Широкополосный усилитель тока класса AB (двухтактный) на КМОП-технологии», Electronics Letters , vol.26, стр. 543–545, 1990.

    Google ученый

  • EAM Klumperink и HJ Janssen, «Дополнительная ячейка усиления тока CMOS», Electronics Letters , vol. 27, стр. 38–40, 1991.

    Google ученый

  • Р. Х. Зеле, Д. Дж. Олстот и Т. С. Физ, «Полностью дифференциальные схемы токового режима КМОП», в Трудах конференции IEEE Custom Integrated Circuits Conference , Сан-Диего, США. С.А., 1991. С. 24.1.1–24.1.4.

  • EAM Klumperink, «Каскадируемая ячейка усиления тока CMOS с фазовым сдвигом, нечувствительным к усилению», Electronics Letters , vol. 29, стр. 2027–2028, 1993.

    Google ученый

  • E. Bruun, «Операционный усилитель с дифференциальным входом и дифференциальным выходом в токовом режиме», International Journal of Electronics , vol. 71, стр. 1048–1056, 1991.

    Google ученый

  • Э.Бруун, «Операционный усилитель с токовым режимом с постоянной полосой пропускания», Electronics Letters , vol. 27, стр. 1673–1674, 1991.

    Google ученый

  • Т. Каулберг, «КМОП-операционный усилитель токового режима», IEEE Journal of Solid-State Circuits , vol. СК-28, стр. 849–852, 1993.

    Google ученый

  • Р. Х. Зеле, С. С. Ли и Д. Дж. Оллстот, «Операционный усилитель токового режима с высоким коэффициентом усиления», в Трудах Международного симпозиума IEEE по схемам и системам , Сан-Диего, США.SA, 1992, стр. 2852–2855.

  • И. Муха, «На пути к операционному усилителю с истинным током», который будет опубликован в Proceedings of the IEEE Symposium on Circuits And Systems , Лондон, Великобритания, 1994.

  • И. Муха, «Тысяча и одно усовершенствование современных операционных усилителей», которое будет опубликовано в Proceedings of the IEEE Symposium on Circuits And Systems , Лондон, Великобритания, 1994.

  • А.Ф. , теория и приложения», Аналоговые интегральные схемы и обработка сигналов , том.2, стр. 243–255, 1992.

    Google ученый

  • П. Е. Аллен и Д. Р. Холберг, Аналоговая схема КМОП , Холт, Райнхарт и Уинстон: Орландо, США, 1987.

    Google ученый

  • стр.Р. Грей и Р. Г. Мейер, «Конструкция операционного усилителя МОП — обзор учебного пособия», IEEE Journal of Solid-State Circuits , vol. СК-17, стр. 969–982, 1982.

    Google ученый

  • Д. Ф. Бауэрс, «Прецизионный операционный усилитель с двойной токовой обратной связью», в Proceedings of the IEEE 1988 Bipolar Circuits and Technology Meeting , Миннеаполис, 1988, стр. 68–70.

  • Й. Поспишил, Й. Брзобогаты и П.Хорак, «Резистивный многопортовый синтез с использованием усилителей тока с несколькими выходами», Modeling Simulation and Control , vol. 31, стр. 57–63, 1991.

    Google ученый

  • J. Pospíšil, J. Brzobohatý и P. Horák, «Подход текущего режима к резистивному многопортовому синтезу», в Proceedings of the ECCTD , Копенгаген, Дания, 1991, стр. 903–909.

    Google ученый

  • Э.Бруун, приватные обсуждения.

  • В чем разница между операционными усилителями с обратной связью по току и обратной связью по напряжению?

    Операционные усилители с обратной связью по току (CFB) и операционные усилители с обратной связью по напряжению (VFB) имеют почти столько же сходств, сколько и различий. CFB и VFB имеют инвертирующие и неинвертирующие входы, сигнальный выход, входы для подачи положительного и отрицательного напряжения и используют резисторы обратной связи и усиления для стабилизации работы схемы и установки усиления схемы. Это может затруднить определение различий, поскольку различия невидимы снаружи.

    Импедансы входов являются основными отличиями: VFB имеют симметричные входы с высоким импедансом, а CFB имеют асимметричные входы. Различия во входных сигналах приводят к различиям между сигналами ошибки, используемыми операционными усилителями VFB и CFB. Операционный усилитель VFB использует напряжение ошибки, в то время как операционный усилитель CFB использует ток ошибки.

    Рис. 1. Идеальные модели операционных усилителей VFB (слева) и CFB (справа), демонстрирующие различия в симметрии входов.

    Существуют дополнительные различия между CFB и VFB, некоторые из которых обсуждаются ниже.Суть в том, что CFB и VFB имеют разные рабочие характеристики и подходят для разных приложений:

    Характеристики операционного усилителя

    CFB включают:

    • Асимметричные входы
    • Меньшее усиление без обратной связи и точность по постоянному току
    • Более высокое напряжение смещения
    • Инвертирующий входной импеданс низкий, неинвертирующий входной импеданс высокий
    • Входные токи смещения не такие низкие, как у VFB, или не соответствуют
    • Постоянный резистор обратной связи необходим для оптимальной работы

    Изготовление операционных усилителей с CFB больше подходит для приложений, которым необходимы:

    • Относительно постоянная полоса пропускания для различных коэффициентов усиления;
    • Сверхширокая полоса пропускания и скорость нарастания при наименьших искажениях;
    • И относительно простые реализации фильтров, такие как активные фильтры Саллена-Ки.

    Характеристики операционного усилителя VFB включают:

    • Симметричный входной импеданс
    • Гибкая сеть обратной связи
    • Доступны входы и выходы Rail-to-Rail
    • Высокий коэффициент усиления без обратной связи и точность по постоянному току
    • Доступно низкое напряжение смещения (может быть <20 мкВ)
    • Доступен низкий ток смещения (может быть <200 фА)

    Изготовление операционных усилителей VFB больше подходит для:

    • Приложения, требующие гибкости в сети обратной связи;
    • Высокоточные приложения с низким уровнем шума и низкой пропускной способностью;
    • Приложение с однополярным питанием;
    • И для использования в сложных активных фильтрах.

    Подробнее о различиях CFB и VFB

    Идеальные уравнения усиления с обратной связью для инвертирующих операционных усилителей CFB и VFB идентичны. Но в практических приложениях эти операционные усилители отклоняются от идеальных характеристик по-разному, поскольку предположения, используемые для получения коэффициентов усиления с обратной связью, более сложны для CFB. Степень, в которой эти операционные усилители отклоняются от идеальных уравнений усиления с обратной связью, зависит от справедливости допущений. Для операционных усилителей VFB единственное допущение состоит в том, что прямое усиление очень велико.С другой стороны, при использовании CFB делается два предположения; трансимпеданс очень высок, а выходной импеданс выходного буфера очень низок. Поскольку выполнить два критерия сложнее, чем выполнить один, CFB обычно отклоняются от идеала больше, чем VFB.

    Операционные усилители

    VFB могут использовать ряд методов компенсации для предотвращения нестабильности, и обычно не существует конкретных ограничений на выбор резисторов при использовании VFB. С другой стороны, разработчики, использующие операционные усилители с обратной связью, не могут свободно выбирать номиналы резисторов обратной связи.В даташитах на операционные усилители с обратной связью обычно указываются номиналы резисторов обратной связи, которые следует использовать при различных настройках усиления, что обеспечивает самую широкую полосу пропускания с наиболее стабильными фазовыми условиями.

    Полоса пропускания операционного усилителя с обратной связью относительно не зависит от коэффициента усиления; Он определяется значением внутреннего конденсатора и (внешнего) резистора обратной связи. В результате CFB хорошо подходят для приложений с программируемым усилением, которым требуется независимая от усиления полоса пропускания. VFB чаще встречаются в инвертирующих усилителях.Инвертирующие усилители, использующие CFB, встречаются реже, поскольку инвертирующий входной импеданс очень низок.

    VFB обеспечивают высокий коэффициент усиления без обратной связи, низкое напряжение смещения и малый ток смещения, что делает их привлекательным выбором для прецизионных низкочастотных приложений. Многие операционные усилители VFB доступны с входами и выходами rail-to-rail, что делает их подходящими для использования в приложениях с однополярным питанием.

    Операционные усилители

    VFB больше подходят для конструкций с активными фильтрами. CFB предлагают превосходную полосу пропускания, скорость нарастания и характеристики искажения, но за счет меньшей производительности по постоянному току, соображений шума и необходимости в резисторе обратной связи с фиксированным значением.

    Подводя итог, несмотря на то, что отличить сложно, так как различия незаметны снаружи, отличий много, и они важны. В результате многочисленных различий в производительности между CFB и VFB эти два типа операционных усилителей подходят для разных наборов приложений.

     

    Операционный усилитель — обзор

    4.17 Операционный усилитель

    Операционный усилитель — это универсальный элемент схемы на основе транзисторов, который используется для разработки звукового оборудования, генераторов и генераторов сигналов, фильтров и многих других приложений.Рассмотрим систему на рис. 4.15, состоящую из идеального стабилитрона D и схемы неинвертирующего усилителя с резисторами R1>0 и R2>0. Обозначим Ri>0 входной резистор, Ro выходной резистор и γ>0 дифференциальный коэффициент усиления операционного усилителя. Обратите внимание, что Ri очень велико (несколько МОм), тогда как Ro очень мало (несколько Ом). Дифференциальное усиление γ очень велико (≃100 000).

    Рисунок 4.15. Стабилитрон + Операционный усилитель.

    Учитывая, как на рис.4.16, модель слабого сигнала для операционного усилителя, законы Кирхгофа дают

    Рис. 4.16. Модель малых сигналов.

    {Ii-I1+I2=0,RiIi+R1I1-Ui+VD=0,-γRiIi+R1I1+(R2+R0)I2=0

    с токами Ii,I1,I2 и напряжениями VD,Ui, как определено в Рис. 4.16. Следовательно,

    (1−11RiR10−γRiR1(R2+Ro))︷A(IiI1I2)︷ϒ−(0−10)︷BVD+(0−10)︷DUi=0,

    и

    (4.133)VD ∈∂φZD(Ii),

    , где φZD обозначает электрический сверхпотенциал стабилитрона, т.е. В1.Полагая

    y=(100)︷C(IiI1I2),

    , мы можем записать соотношение (4.133) эквивалентно

    V∈∂φZD(y),

    и рассмотреть задачу NRM(A,B,C, D,Ui,φZD).

    Проверим выполнение условий предложения 21. Действительно, предположение (h2) выполнено, так как φZD выпукло и непрерывно на R. Предположение (h3) выполняется при

    P=(0−1000−1−100).

    Как следствие предложения 21, задача NRM(A,B,C,D,Ui,φZD) может быть изучена через задачу VI(−PA,−PDUi,Φ), где

    (∀x∈R3) :Ф(х)=φZD(Cx)=φZD(x1).

    Здесь имеем

    −PA=(RiR10−γRiR1(R2+R0)1−11).

    Матрица −PA является P-матрицей, так как

    (1+γ)R1Ri>0, Δ13(−PA)=Ri>0, Δ23(−PA)=R1+R2+R0>0,

    и

    Δ123(−PA)=Ri(R1+R2+ R0)+R1(γRi+R2+R0)>0.

    Кроме того, Φ∈DΓ(R3;R∪{+∞}) (с Φ1≡φZD, Φ2≡Φ3≡0). Таким образом, мы можем применить теорему 7, чтобы убедиться, что система в NRM(A,B,C,D,Ui,φZD) имеет единственное решение.

    Таким образом, для управляемого зависимого от времени входа t↦Ui(t) выходное зависящее от времени напряжение t↦Uo(t), определяемое формулой (см.4.15)

    Uo(t)=γRiIi(t)−RoI2(t)

    определяется однозначно с функциями тока t↦Ii(t) и t↦I2(t), однозначно определяемыми при решении VI(−PA ,−PDUi(t),Φ).

    Операционные усилители и их наиболее важные параметры

    Операционный усилитель (ОУ) был одной из самых успешных интегральных схем. Тип дифференциального усилителя с высоким коэффициентом усиления, дифференциальные входы и один выход позволяют этой небольшой недорогой ИС использовать отрицательную обратную связь в самых разных приложениях, в которых ее коэффициент усиления (в сотни тысяч раз превышающий разницу между двумя входами) ), полоса пропускания и входное и выходное сопротивление задаются внешней схемой.

    Вверху, этот операционный усилитель имеет разомкнутый контур, потому что у него нет цепи обратной связи. Внизу этот операционный усилитель имеет отрицательную обратную связь. Поскольку выход подается обратно на отрицательный вход, устройство не инвертирует.

    Из-за огромного коэффициента усиления небольшая разница между входами приводит к тому, что выходное напряжение усилителя приближается к напряжению питания. В редко используемой конфигурации без обратной связи говорят, что устройство находится в состоянии насыщения, когда эта разница больше, чем напряжение питания.

    В конфигурации без обратной связи (без отрицательной обратной связи) операционный усилитель является компаратором.Положительная обратная связь может быть реализована для регенерации. В конфигурации с обратной связью производительность схемы стабилизируется и становится гораздо более предсказуемой. Подавая часть выходного сигнала на инвертирующий вход, коэффициент усиления снижается до разумного уровня. В этом случае усиление и отклик в значительной степени определяются цепью обратной связи, а не качествами операционных усилителей.

    Следует отметить, что существуют специальные типы операционных усилителей, в том числе высокочастотные (от 10 до 100 МГц), операционные усилители с разностью токов или преобразователи проводимости.

    Обратите внимание, что на операционном усилителе нет контакта заземления, и операционные усилители могут работать от одного источника питания. Но некоторые операционные усилители указаны как требующие положительных и отрицательных источников питания. Это связано с тем, что предполагается, что вход находится на земле, а входные сигналы переменного тока отклоняются выше и ниже земли.

    Также следует отметить, что входы операционного усилителя должны оставаться в пределах источника питания (операционные усилители, называемые типами с однополярным питанием, позволяют входу отклоняться вниз к отрицательной шине, обычно заземленной).Таким образом, отрицательные напряжения на входах с этой спецификацией однополярного питания не допускаются.

    Существует несколько ключевых параметров, которые помогают определить пригодность данного операционного усилителя для выполнения поставленной задачи. Тесты могут установить эти параметры, и наиболее важные из них можно найти в спецификациях операционных усилителей. Коэффициент отклонения источника питания (PSRR) определяет чувствительность операционного усилителя к изменениям в источнике питания. Эта спецификация указана в децибелах (дБ), где каждые 20 дБ увеличивают коэффициент в десять раз.Таким образом, значение 60 дБ означает, что изменение источника питания на один вольт вызовет изменение выходного сигнала на 0,001 В. PSRR зависит от фактического напряжения источника питания, а также от частоты шума. Более высокие рабочие напряжения и более низкие частоты шума обычно дают лучшие значения PSRR.

    Операционные усилители, взаимодействующие с цифровой логикой (которая иногда вызывает значительный шум источника питания), как правило, должны иметь хорошие показатели PSRR. Этот параметр может быть не так важен для операционных усилителей в аналоговых схемах, работающих от тихого источника питания.

    Ток, необходимый для питания операционного усилителя, представляет собой ток питания, I s , также называемый током покоя. Он не включает ток через внешние компоненты или любой выходной ток.

    Входное сопротивление, R in,  указывает, какую нагрузку операционный усилитель оказывает на источник входного сигнала. Обычно поддерживается как можно более высокое значение с типичными значениями в сотни МОм. В некоторых новых операционных усилителях указано входное сопротивление, превышающее 10 тераом (1 тераом = 1 000 000 МОм).Входная емкость операционного усилителя обычно не указывается, но составляет порядка пикофарад и в основном связана с выводами.

    Старые спецификации операционных усилителей могут указывать только входной ток смещения I b , а не фактическое входное сопротивление. I b — это ток, необходимый для управления входами, который может определять входное сопротивление в соответствии с законом Ома и напряжением питания.

    Входное напряжение смещения, V или , и входной ток смещения, I или , являются мерой погрешности операционного усилителя и должны быть близки к нулю.Если оба входа операционного усилителя равны нулю, выход также должен быть равен нулю. Но операционные усилители не идеальны, поэтому на выходе будет некоторое остаточное напряжение. Следует отметить, что коэффициент усиления всей схемы будет влиять на выходной сигнал операционного усилителя. Таким образом, схема с коэффициентом усиления 100 увеличит ошибку в 100 раз, что объясняет, почему напряжения смещения и токи относятся к входу, а не к выходу. В частности, определение ошибки смещения — это напряжение (или ток), подаваемое на вход, чтобы заставить выход точно равняться нулю.

    Ошибки смещения, как правило, не представляют проблемы для цепей переменного тока, поскольку их эффект проявляется в виде фиксированной ошибки постоянного тока. Поскольку цепи переменного тока обычно имеют емкостную связь, постоянный ток исчезает. Но большие коэффициенты усиления (≥1000) могут превратить 5-мВ V или в погрешность 5-В постоянного тока на выходе, что может привести к тому, что выходное напряжение операционного усилителя превысит напряжение питания и вызовет ограничение. С другой стороны, ошибки смещения представляют собой проблему в приложениях постоянного тока, поскольку невозможно отделить реальный сигнал постоянного тока от ошибки постоянного тока.

    Диапазон синфазного напряжения (CMVR) определяет пределы входного напряжения, которое может быть подано на операционный усилитель. Большинство новых операционных усилителей имеют входы «rail-to-rail», что позволяет использовать любое входное напряжение вплоть до шин V+ и V- включительно. Старые операционные усилители, как правило, ограничивают входное напряжение чем-то меньшим, чем рельсы.

    Незначительные помехи могут возникать в операционных усилителях, имеющих CMVR меньше, чем шины питания. Операционные усилители, использующие один источник питания, могут быть ограничены работой с входами, которые никогда не достигают потенциала земли, и такая организация входа может быть затруднена.Также обратите внимание, что некоторые старые операционные усилители инвертируют сигнал, если он становится более отрицательным, чем отрицательный CMVR.

    Другая спецификация, называемая коэффициентом подавления синфазного сигнала (CMRR), относится к ошибке в балансировке входов. Теоретически, соединение инвертирующего и неинвертирующего входов операционного усилителя вместе должно привести к нулевому выходному сигналу независимо от напряжения, подаваемого на входы. Но это только в теории.

    CMRR указывается в дБ и часто составляет от 60 до 80 дБ или выше. КОСС 60 дБ означает, что ошибка ввода может быть равна 0.1% в балансе между входами. Сигнал 10 В, подаваемый на оба входа, или V 90 353 см 90 354 (с 60 дБ CMRR), будет представлять собой сигнал 10 В, подаваемый на один вход, и сигнал 5,010 В, подаваемый на другой вход. Фактическая ошибка на выходе зависит от коэффициента усиления схемы.

    Ошибка CMRR особенно важна при измерении слабого сигнала, встроенного в большой. Например, измерения тока часто включают измерение падения напряжения на малом резисторе на пути тока.Задача может заключаться в измерении долей милливольта при наличии 10 и более вольт.

    Большой коэффициент усиления по напряжению сигнала операционного усилителя (A против или A против ) указывает на максимально возможное усиление без какой-либо обратной связи. (Таким образом, если A и равны 100 дБ, операционный усилитель не может обеспечить коэффициент усиления выше 100 дБ.) Как указывалось ранее, эта конфигурация усилителя используется редко. Иногда A и указывают как отношение В/мВ.

    Выходной ток короткого замыкания, I sc, определяет максимальный выходной ток операционного усилителя.I sc часто находится в диапазоне от 20 до 40 мА, хотя некоторые ранние операционные усилители выдерживают гораздо меньше.

    Параметры операционного усилителя

    , связанные со скоростью, включают скорость нарастания (SR), полосу пропускания единичного усиления (BW) и произведение полосы пропускания усиления (GBW). SR измеряет скорость изменения выходного сигнала, обычно в В/мкс. Но на SR влияет эффективное усиление операционного усилителя. Это потому, что усиленный сигнал также имеет усиленный SL. Например, сигнал 1 В, усиленный в 10 раз, имеет выходное напряжение, которое должно изменяться от нуля до 10 В одновременно с изменением входного напряжения от 0 до 1 В.Таким образом, максимальная выходная частота типичного операционного усилителя напрямую зависит от коэффициента усиления схемы.

    Точка, в которой операционный усилитель не справляется с сигналом, а входное и выходное напряжение имеют одинаковое напряжение, — это точка, в которой A = 1, или единичное усиление. Самая высокая рабочая частота также является полосой пропускания усилителя, BW.

    Прямая зависимость между SR и A v приводит к расчету GBW. Видно, что уменьшение вдвое частоты позволяет схеме иметь вдвое больший коэффициент усиления.Таким образом, произведение усиления и частоты всегда одинаково. Это ГБВ. Также обратите внимание, что BW и GBW одинаковы для особого случая, когда коэффициент усиления равен единице.

    Усиление также влияет на шум напряжения, E n , и шум тока, I n, , потому что оба они возрастают с увеличением усиления. Таким образом, усилитель с коэффициентом усиления 100 будет иметь шум в 100 раз выше указанного. А шум связан с пропускной способностью системы. Таким образом, параметры шума определяются единицами квадратного корня из Гц в знаменателе.Широкополосные каналы будут иметь больше шума, чем узкополосные.

    Параметры искажений операционных усилителей включают общие гармонические искажения (THD), указанные в виде процентного значения, обычно порядка 0,01% или лучше. Другой метод определения того, насколько точно операционный усилитель усиливает сигнал, — это параметр переходной характеристики, измеряющий, как операционный усилитель реагирует на резкое изменение. Практически все операционные усилители демонстрируют некоторую величину перерегулирования, при этом перерегулирование указывается в процентах от выходного сигнала.Типичны цифры в несколько процентов и выше.

    Печатные 5-вольтовые органические операционные усилители для различной обработки сигналов

    Органические тонкопленочные транзисторы (OTFT) P-типа и n-типа

    OTFT P-типа и n-типа были изготовлены на стеклянных подложках в структуре, показанной на рис. . 1а. Все слои, кроме изоляторов затвора, были изготовлены методом растворения. Стабильный на воздухе и растворимый полупроводник n-типа, 4,8-бис[5-(3-цианофенил)тиофен-2-ил]бензо[1,2- c :4,5- c ‘]бис Производное [1,2,5]тиадиазола (TU-3) смешивали с поли-α-метилстиролом (PαMS) для уменьшения изменчивости устройства 13 .Стабильный на воздухе и растворимый полупроводник р-типа, 2,8-дифтор-5,11-бис(триэтилсилилэтинил)антрадитиофен (диФ-ТЭС-АДТ), обладающий такой же подвижностью, как ТУ-3, смешивали с полистиролом (ПС). ) по той же причине, что и PαMS 22 . На рис. 1b,c показаны передаточные и выходные характеристики OTFT p-типа и n-типа. Одно-ворота P-типа OTFTS проявляли подвижность отверстий μ = 0,08 ± 0,01 см 2 S -1 S -1 и пороговое напряжение В Th = 0.35 ± 0,09 В в режиме насыщения для десяти приборов и близкое к нулю напряжение включения В ВКЛ . Для усилителей с высоким коэффициентом усиления более важны следующие два параметра: подпороговый наклон, \(SS\equiv \partial {V}_{{\rm{G}}}/\partial (\mathrm{log}\,{ I}_{{\rm{D}}})\), дающий крутизну переключения тока стока 23 , и коэффициент модуляции длины канала, \(\lambda \equiv (\partial {I}_{ {\rm{D}}}/\partial {V}_{{\rm{D}}})/{I}_{{\rm{D}}}\), что дает степень насыщения тока при высоких напряжение стока 24 .Здесь В Г — напряжение затвора, I D — ток стока, В D — напряжение стока. Обратите внимание, что, хотя происхождение зависимости тока насыщения от напряжения стока в OTFT может отличаться от эффекта модуляции длины канала в кремниевых полевых МОП-транзисторах, для удобства мы используем ту же терминологию. OTFT p-типа показали SS  = 0,3 V dec -1 и λ  = 0,016 V -1 .С другой стороны, однозатворные (верхние затворы) OTFT n-типа показали подвижность электронов µ = 0,06 ± 0,02 см 2  В −1 с −1 и пороговое напряжение В Th = 0,10 ± 0,07 В на десять устройств, подпунктивное наклон СС = 1 В декабря 1 и коэффициент модуляции длины канала λ = 0,04 В -1 . Как мы обсудим в следующем разделе, SS и λ , большие, чем у OTFT p-типа, значительно ухудшают характеристики дополнительных органических OPA.Чтобы улучшить SS и λ для OTFT n-типа, мы изготовили OTFT n-типа с двумя затворами, которые имеют электроды затвора как на верхней, так и на нижней сторонах полупроводникового слоя 25 . В результате двухзатворной структуры SS и λ OTFT n-типа были улучшены до 0,4 V dec −1 и 0,005 V −1 соответственно с небольшим уменьшением a подвижность до 0,04 ± 0,01 см 2  В −1 с −1 для десяти приборов.Передаточные характеристики всех OTFT были показаны на дополнительном рисунке S1. Моделирование устройства показало, что улучшения SS и λ были связаны с подавлением тока на нижней стороне канального слоя, который не мог хорошо контролироваться только верхним затвором (см. Дополнительную информацию). Два типа OTFT продемонстрировали сбалансированную подвижность, подходящую для дополнительных схем. Кроме того, отношения включения/выключения выше 10 3 в диапазоне напряжений от -5 В до 0 В для p-типа и от 0 до +5 В для n-типа указывают на то, что комплементарные схемы могут работать при напряжении питания. напряжение 5 В.

    Рисунок 1

    Структура устройства, фотографии и характеристики транзистора. ( a ) Схема устройства устройства. ( b ) Передаточные и ( c ) выходные характеристики органических транзисторов p- и n-типа. ( d ) Принципиальная схема органических операционных усилителей (ОУ). Клемма CUR подключалась к VSS через внешний источник тока или резистор. ( e ) Изображения органических OPA, полученные с помощью оптического микроскопа. ( f ) Фотография органических OPA, смонтированных на двухрядном корпусе (DIP).14 . VDD, VSS, IN+, IN-, OUT и CUR обозначают положительный источник напряжения, отрицательный источник напряжения, неинвертирующий вход, инвертирующий вход, выход и клеммы источника тока соответственно. VDD и VSS поддерживались на уровне +2,5 В и -2,5 В во всех измерениях, что означает, что напряжение питания составляет всего 5 В.CUR должен быть подключен к источнику тока или резистору, другой конец которого подключен к VSS. Три OTFT p-типа вверху (M1-M3) функционируют как источники тока с одинаковым значением тока, составляя так называемое зеркало тока. Входной каскад (М2, М4-М7) использовался для усиления входной разности В IN+  −  В IN− ​​ и преобразования ее в несимметричный сигнал, а синфазный сигнал, ( В IN+  +  В IN− ​​ )/2, отклоняется.Усилительный каскад (M3, M8) использовался для обеспечения высокого усиления по напряжению. В результате выходное напряжение идеального операционного усилителя можно выразить как

    $${V}_{{\rm{OUT}}}={A}_{{\rm{open}}}({V }_{{\rm{IN}}+}-{V}_{{\rm{IN}}-}),$$

    (1)

    , где A OPEN — усиление без обратной связи. За каскадом усиления может следовать дополнительный каскад, называемый выходным каскадом, чтобы при необходимости уменьшить выходной импеданс. На рисунке 1e показано изображение изготовленных органических OPA, полученное с помощью оптического микроскопа.Ширина линий металлических межсоединений составляла 200 мкм для горизонтальных линий и 100 мкм для вертикальных линий. Длина канала 16–32 мкм, ширина канала 1000 мкм. Площадь отпечатанного органического ОРА составила 4,3 × 4,4 мм 2 . Для создания прототипа печатные органические OPA были смонтированы на двойном встроенном корпусе (DIP), как показано на рис. 1f.

    Характеристики постоянного тока органических OPA сначала оценивались без какой-либо обратной связи, то есть в условиях разомкнутой системы. На рис. 2a сравниваются характеристики двух органических OPA с однозатворными и двухзатворными OTFT n-типа (см. Дополнительный рисунок S2 для большего количества OPA).Терминал CUR был подключен к источнику тока 20  нА. Когда В IN+ свипировали, поддерживая В IN- при 0 В, органические OPA с двумя затворами демонстрировали резкое изменение выходного напряжения, в то время как органические OPA с одним затвором демонстрировали медленные и гистерезисные характеристики. Таким образом, было обнаружено, что структура с двумя затворами для OTFT n-типа весьма полезна для получения высокого коэффициента усиления и небольшого гистерезиса в органических OPA. Напряжение переключения в двухзатворном ОУМ составляло  + 0.15 В для прямой развертки и -0,04 В для обратной развертки. На рисунке 2б представлена ​​зависимость В ВЫХ от В ВХ+ в двухзатворных органических ОУМ при фиксированных В ВХ- от −2,5, −2,0, …, +2,5 В. указывают на то, что органические OPA с двойным затвором имеют коэффициент усиления без обратной связи выше 40 в широком диапазоне входных напряжений от −2,0 до +1,5  В. Эти характеристики также можно использовать в качестве компаратора, который выдает высокое напряжение при В IN+  >  В IN− ​​ , а низкое напряжение при В IN+  <  В IN− ​​ .

    Рисунок 2

    Характеристики постоянного тока без обратной связи органических OPA. ( a ) Сравнение двух типов органических OPA с однозатворными и двухзатворными транзисторами n-типа. Геометрия OFET p-типа представляет собой один затвор для обоих OPA. ( b ) Характеристики органических ОУМ при различных напряжениях В IN− ​​.

    Характеристики постоянного тока с обратной связью органических OPA

    Наиболее важную природу OPA можно увидеть, когда клемма OUT соединена с клеммой IN через пассивные элементы, такие как резисторы и конденсаторы.Соединение дает отрицательную обратную связь, и это состояние называется замкнутым контуром. Простейшая замкнутая схема представляет собой повторитель напряжения, показанный на рис. 3а, который выдает такое же напряжение, как и вход. На рис. 3b показаны характеристики повторителя напряжения. Напряжение смещения | В ВЫХ  −  В ВХОД+ | было найдено менее 0,05 В, а коэффициент усиления с обратной связью составил 0,99 ± 0,01. Гистерезис был значительно уменьшен с 0,19 В в разомкнутом контуре до 0,005 В в повторителе напряжения с помощью отрицательной обратной связи.Такие повторители напряжения можно использовать для передачи сигналов от высокоимпедансных датчиков.

    Рисунок 3

    Характеристики постоянного тока с обратной связью для органических OPA. ( a ) Принципиальная схема и ( b ) характеристики повторителя напряжения. ( c ) Принципиальная схема и ( d ) характеристики неинвертирующего усилителя. Сопротивление R 1 было зафиксировано на уровне 100 МОм. ( e ) Зависимость усиления обратной связи от R 2 для неинвертирующих усилителей.Пунктирная линия показывает расчет на основе уравнения. 2 с коэффициентом усиления без обратной связи 30.

    Другой популярной схемой с обратной связью является неинвертирующий усилитель, показанный на рис. 3c, который усиливает сигнал напряжения с регулируемым коэффициентом усиления. На основании уравнения 1, выходное напряжение неинвертирующего усилителя можно определить как

    $${V}_{{\rm{OUT}}}=\frac{1}{\frac{{R}_{1}} {{R}_{1}+{R}_{2}}+\frac{1}{{A}_{{\rm{open}}}}}{V}_{\mathrm{IN}+ }\equiv {A}_{{\rm{закрыто}}}{V}_{\mathrm{IN}+}$$

    (2)

    , где A замкнутый — коэффициент усиления с обратной связью.Если коэффициент усиления без обратной связи достаточно высок, \({A}_{{\rm{open}}}\gg ({R}_{1}+{R}_{2})/{R}_{ 1}\), коэффициент усиления с обратной связью определяется просто как

    $${A}_{{\rm{closed}}}=\frac{{R}_{1}+{R}_{2} {{R}_{1}}.$$

    (3)

    Таким образом, коэффициент усиления неинвертирующих усилителей легко регулируется соотношением R 1 к R 2 . Регулируемость усиления с обратной связью в OPA резко отличается от усиления усилителей с общим истоком с резисторной нагрузкой.Коэффициент усиления усилителей с общим истоком определяется выражением \(-R\mu C({V}_{{\rm{in}}}-{V}_{{\rm{th}}})W/L\ ) и зависит от множества параметров: сопротивления нагрузки R , подвижности µ , емкости на единицу площади Кл , входного напряжения В , порогового напряжения В ом , ширина канала W и длина канала L 26 . Поскольку в каждом параметре существует вариация, точное управление коэффициентом усиления в усилителях с общим истоком весьма затруднительно.Характеристики постоянного тока органических неинвертирующих усилителей показаны на рис. 3d,e. Когда R 1  =  R 2  = 100 МОм (оранжевая линия), усиление с обратной связью составило 1,8, что примерно соответствует уравнению. 3. При увеличении R 2 до 1000 МОм коэффициент усиления обратной связи увеличился до 8,2. Полученное усиление с обратной связью вполне соответствовало уравнению. 2, в то время как он показывает максимальное отклонение 25% от уравнения. 3. Увеличение коэффициента усиления без обратной связи A разомкнутая может еще больше уменьшить отклонение.

    Частотные характеристики органических ОУМ

    Для оценки динамических характеристик органических ОУМ была измерена частотная зависимость усиления и фазы без обратной связи для входного синусоидального сигнала в диапазоне от 0,1 до 100 Гц (рис. 4). Далее клемма CUR была подключена к VSS через резистор 100 МОм, что приблизительно определяет ток через транзистор M1 как 50 нА. На частоте 0,1 Гц усиление без обратной связи составляло 60, а фаза была близка к нулю. По мере увеличения частоты коэффициент усиления без обратной связи уменьшался, а фаза отклонялась от нуля.Произведение полосы пропускания усиления (ГБ), определяемое частотой, на которой усиление равно единице, было оценено в 50 Гц, что близко к заявленному 15 . Обратите внимание, что наши органические ОУМ работали при напряжении 5 В, тогда как заявленные — при 40 В. Поскольку частота среза транзисторов обычно пропорциональна напряжению питания, /2π L ( L  + Δ L ), ожидается, что произведение GB увеличится при более высоком напряжении питания.Можно ожидать дальнейших улучшений продукта GB, если мы сможем уменьшить длину канала L и длину перекрытия Δ L , например, с помощью более точных методов печати, таких как реверсивная офсетная печать 27 .

    Рисунок 4

    Частотные характеристики органических OPA. Частотная зависимость усиления и фазы слабого сигнала для органического ОПУ без обратной связи и неинвертирующего усилителя с обратной связью. R 1  = 100 МОм и R 2  = 500 МОм для неинвертирующего усилителя.Пунктирные линии показывают кривую моделирования с использованием программного обеспечения LTspice.

    Отрицательная обратная связь неинвертирующих усилителей снова может помочь контролировать усиление в широком диапазоне частот. Например, при R 1  = 100 МОм и R 2  = 500 МОм коэффициент усиления в замкнутом контуре поддерживался на уровне 5 в диапазоне частот 0,1–10 Гц. Фазу также можно было поддерживать близкой к нулю в том же диапазоне частот. Управляемое и частотно-независимое усиление является одним из преимуществ OPA по сравнению с усилителями с общим истоком.

    Различная обработка сигналов органическими OPA

    Наконец, мы демонстрируем, что печатные органические OPA могут использоваться для различной обработки сигналов. При подключении одного резистора и одного конденсатора к органическому OPA был изготовлен интегратор, как показано на рис.{t}{V}_{{\rm{IN}}}(t){\rm{d}}t\), на рисунке.Вторая демонстрация — это дифференциатор, который был изготовлен из одного органического OPA, двух резисторов и одного конденсатора (рис. 5b). Изготовленный дифференциатор успешно дифференцировал треугольную волну в прямоугольную. Экспериментальные данные (сплошная линия) вполне согласуются с теоретической кривой (штриховая линия), \({V}_{{\rm{OUT}}}(t)=-\,RC({\rm{d}} {V}_{{\rm{IN}}}(t)/{\rm{d}}t)\). Третья демонстрация — это преобразователь тока в напряжение или трансимпедансный усилитель, который можно использовать, например.г., для амперометрических биосенсоров 28 . На рисунке 5c показана принципиальная схема и входные-выходные характеристики преобразователя тока в напряжение. Используя резистор 1 ГОм в качестве элемента обратной связи, сигнал малого тока может быть преобразован в сигнал высокого напряжения с коэффициентом преобразования 10 9  В/А. Коэффициент преобразования равен сопротивлению обратной связи и может быть легко настроен. Этот результат указывает на то, что напечатанные органические OPA могут использоваться для измерения слабого токового сигнала в амперометрических биосенсорах.Последней демонстрацией являются треугольные и прямоугольные осцилляторы, показанные на рис. 5d. Первая часть состоит из органического OPA, четырех резисторов и конденсатора и генерирует треугольную волну. Вторая часть состоит из другого органического ОУМ (или компаратора) и генерирует прямоугольную волну с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ). Скважность прямоугольной волны ШИМ можно регулировать напряжением постоянного тока на клемме В IN . Такие схемы ШИМ можно использовать, например, для печатных меток беспроводной связи, подключив аналоговый датчик к терминалу V IN .

    Рисунок 5

    Разновидность обработки сигналов органическими OPA. ( a ) Интегратор. ( b ) Дифференциатор. ( c ) Преобразователь тока в напряжение (трансимпедансный усилитель). ( d ) Треугольный осциллятор и широтно-импульсный модулятор.

    Заключение

    В заключение мы разработали печатные органические ОУМ, работающие при стандартном и безопасном напряжении питания 5 В, и продемонстрировали их универсальность для различных видов обработки сигналов.Металлические электроды и полупроводниковые слои были изготовлены с помощью струйного принтера и дозатора. Работа при низком напряжении была реализована с использованием двухзатворных OTFT n-типа, которые демонстрируют напряжение включения, близкое к нулю, малый подпороговый наклон SS и малый коэффициент модуляции длины канала λ . Универсальность органических OPA была продемонстрирована в повторителях напряжения, неинвертирующих усилителях, интеграторах, дифференциаторах, преобразователях тока в напряжение и генераторах.Также должно быть возможным изготовление активных фильтров, сумматоров, вычитателей и цифро-аналоговых преобразователей с использованием органических ОУМ. Мы считаем, что печатные органические OPA могут сыграть наиболее важную роль в одноразовых электронных приложениях для распознавания пятен в ближайшем будущем.

    Идеальный операционный усилитель (операционный усилитель)

    Ultimate Electronics: практическое проектирование и анализ схем


    Идеальная модель операционного усилителя является ключевым строительным блоком при проектировании аналоговых фильтров, усилителей, генераторов, источников и многого другого.13 минут чтения

    Операционные усилители, обычно сокращаемые до «операционных усилителей», являются важным строительным блоком аналоговых электронных систем. В различных конфигурациях с несколькими другими компонентами операционные усилители могут использоваться для обработки и управления аналоговым сигналом напряжения различными способами. Сюда входят многие виды фильтров (НЧ, ВЧ, полосовой, интегратор, дифференциатор), усилители (буферные, инвертирующие, неинвертирующие, дифференциальные, суммирующие, измерительные), генераторы, компараторы, источники (напряжения, тока). ), преобразователи (напряжение-ток, ток-напряжение) и даже некоторые нелинейные приложения.

    Эти приложения чрезвычайно полезны, и мы рассмотрим каждое из них в отдельности в следующих разделах, но сначала давайте разберемся с идеальным операционным усилителем отдельно.


    Сегодня операционный усилитель представляет собой интегральную схему (ИС), содержащую несколько десятков отдельных транзисторов и пассивных компонентов. Исторически сложилось так, что до эпохи ИС (1960–1970-е годы) большинство усилителей или каскадов обработки аналоговых сигналов разрабатывались специально для конкретного приложения, чтобы избежать относительно высокой сложности и стоимости операционных усилителей.Но теперь, когда операционные усилители на ИС имеют всего несколько выводов и стоят всего несколько копеек, обычно имеет смысл воспользоваться их огромным потенциалом для упрощения аналоговых схем.

    Большинство операционных усилителей стремятся работать как идеальный операционный усилитель , теоретическая модель, которая хорошо работает при моделировании и позволяет легко решать схемы вручную. В результате большая часть проектирования и анализа будет рассматривать операционный усилитель как идеальный, и именно с этого мы и начнем.

    Позже мы обсудим, как эта идеальность нарушается в реальных неидеальных операционных усилителях.Эти ограничения имеют решающее значение для понимания того, когда вы можете приблизить свой анализ к идеальному операционному усилителю, а когда нет. Они также могут помочь вам выбрать правильный операционный усилитель для реализации вашего проекта.


    Идеальный операционный усилитель — это усилитель напряжения с двумя входами и одним выходом:

    Два входа называются неинвертирующим входом (+) и инвертирующим входом (-) .

    Внимательно следите за знаками + и — внутри треугольника! Операционный усилитель обычно рисуется в любом случае, с + вверху или внизу, в зависимости от того, что облегчает рисование остальной части схемы.(В CircuitLab выберите операционный усилитель и нажмите «V», чтобы перевернуть символ по вертикали.) Если вы непреднамеренно поменяете местами два входа, ваш проект не будет работать ни на бумаге, ни в реальном мире!

    Концептуально идеальный операционный усилитель вычитает два входа, а затем умножает эту разницу на огромное число, называемое коэффициентом усиления без обратной связи AOL. :

    Vвых=AOL(V+-V-)

    В качестве шагов обработки сигнала это вычитание и умножение выглядит так:

    В качестве альтернативы идеальный операционный усилитель можно смоделировать как источник напряжения, управляемый напряжением (VCVS):

    Если внимательно присмотреться, приведенная выше модель VCVS поднимает новый вопрос: почему внутри операционного усилителя внезапно появилось заземление? Поскольку напряжения всегда относительны, это означает, что Voffset=0 в более полном и правильном уравнении:

    (Vout-Voffset)=AOL(V+-V-)Vout=AOL(V+-V-)+Voffset

    Если взять операционный усилитель и закоротить входные клеммы так, чтобы V+-V-=0 , выход будет Vout=Voffset .В реальном мире, в реальном операционном усилителе с закороченными входами, на выходе не обязательно будет какое-то конкретное напряжение, и какое бы оно ни было, оно, безусловно, будет относиться к тому, что мы измеряем. Однако при анализе схемы идеального операционного усилителя мы обычно принимаем Voffset=0. как упрощающее предположение, потому что либо:

    • Операционный усилитель используется в конфигурации с обратной связью с обратной связью , где статическое смещение становится неуместным после применения правил обратной связи (особенно с учетом того, что усиление AOL такой большой), или
    • Операционный усилитель используется в конфигурации без обратной связи без обратной связи, и в этом случае мы все равно быстро насыщаем выход до нелинейного, неидеального поведения.

    Насколько велик выигрыш? В реальных неидеальных операционных усилителях типичные значения коэффициента усиления без обратной связи составляют от сотен тысяч до десятков миллионов:

    AOL, неидеальный, тип = от 105 до 107

    Это действительно здорово! Разница в милливольтах на входе становится сотнями или тысячами вольт на выходе! Он настолько велик, что в анализе идеальных операционных усилителей мы делаем еще одно упрощающее предположение, принимая предел, предполагая, что коэффициент усиления стремится к бесконечности:

    Vвых=AOL(V+-V-)AOL,идеал→∞

    Это алгебраическая модель идеального операционного усилителя : он вычитает напряжение на инвертирующем входе из неинвертирующего входа, а затем умножает разницу на очень большой коэффициент усиления, приближающийся к бесконечности.

    Даже для реальных операционных усилителей спецификация часто гарантирует только минимальное усиление без обратной связи , но не максимальное. Вы не можете и не должны проектировать схему, полагаясь на точное значение коэффициента усиления без обратной связи операционного усилителя.

    Трудно думать о бесконечности! Один из полезных умственных приемов — поставить время на паузу и представить, что происходит в динамике: вместо того, чтобы сразу прыгать в бесконечность, представьте, что при небольшой разнице во входных сигналах выходное напряжение идеального операционного усилителя просто начинает расти, расти, расти до бесконечности! Когда позже мы представим различные конфигурации обратной связи с обратной связью, вы увидите, что это быстрое повышение выходного напряжения в конечном итоге возвращается к одному или обоим входам одного и того же операционного усилителя, так что не пугайтесь: бесконечности не продлится очень долго.

    Алгебра с бесконечностями тоже может быть сложной. Предложение состоит в том, чтобы сохранить AOL вместо переменной и только в конце взять предел AOL→∞ .


    Идеальный операционный усилитель постоянно измеряет напряжения на своих входах и регулирует выходное напряжение:

    • Если на неинвертирующем (+) входе напряжение выше, чем на инвертирующем (-) входе, операционный усилитель увеличит свое выходное напряжение.
    • Если на неинвертирующем (+) входе напряжение ниже, чем на инвертирующем (-) входе, операционный усилитель снизит свое выходное напряжение.

    В форме уравнения:

    Vout увеличивается, если V+>V-Vout, уменьшается, если V+

    Если обратная связь присутствует и имеет правильное направление, то операционный усилитель будет постоянно корректировать свое выходное напряжение до тех пор, пока два входных напряжения не станут одинаковыми.


    Существует ряд других предположений инженеров об идеальных операционных усилителях. Все эти предположения неверны для реальных (неидеальных) операционных усилителей, поэтому следите за тем, как они могут повлиять на вашу схему.

    Узнав об этих предположениях об идеальности, мы можем решить, когда мы можем спроектировать схему, предполагая, что операционный усилитель идеален (и, следовательно, его гораздо легче анализировать), и когда эта упрощенная модель, вероятно, будет противоречить реальности. Мы рассмотрим эти вопросы более подробно в последующих разделах.

    Никакой ток не может протекать через входные клеммы идеального операционного усилителя. Входные клеммы могут измерять только свои напряжения. Из Эквивалентных цепей Thevenin это все равно, что сказать, что входное сопротивление входных клемм бесконечно: Zin=∞

    .

    Выход идеального операционного усилителя может удерживать его Vout и подавать любое количество тока, входящего или исходящего, без изменения напряжения.В эквивалентной модели Thevenin, рассматривающей выходную клемму (и землю), она выглядит как источник напряжения с нулевым сопротивлением – следовательно, нулевой выходной импеданс: Zout=0

    В идеальных операционных усилителях предполагается, что неинвертирующий и инвертирующий входы идеально сбалансированы, так что Vout=AOL(V+−V-) . В реальном мире из-за производственных процессов существует некоторое входное напряжение смещения, такое как Vout=AOL(V+-V-+Vinput offset) . Вы можете думать об этом концептуально, просто добавив небольшой источник напряжения последовательно с одним из входов.Если важна точность постоянного тока, это входное смещение (даже всего несколько милливольт!) может иметь большое значение, особенно потому, что оно может дрейфовать во время работы схемы. Но в идеальном операционном усилителе мы предполагаем: Vinput offset=0

    Схематическое обозначение идеального операционного усилителя не включает подключения к источнику питания, но реальный операционный усилитель должен откуда-то получать питание и подавать питание на схему. В таблице данных это начинается с тока покоя операционного усилителя IQ. . (См. Power для обсуждения учета мощности и энергии в цепях.) В идеальных операционных усилителях мы рассматриваем это как VCVS: это активный источник, который может подавать питание на схему.

    Скорость, с которой операционный усилитель может изменить свое выходное напряжение, называется скоростью нарастания . В реальных операционных усилителях существует предел скорости нарастания или падения выходного сигнала, измеряемый в Вс. . (Это похоже на мысленный трюк с размышлениями о бесконечном усилении без обратной связи, о котором говорилось выше.) В идеальных операционных усилителях мы допускаем бесконечную скорость нарастания: выходной сигнал может двигаться бесконечно быстро.

    В дополнение к пределу скорости нарастания (который является нелинейным пределом), в реальных операционных усилителях есть также предел пропускной способности: они не реагируют на все частоты.Реальные операционные усилители имеют коэффициент усиления без обратной связи, зависящий от частоты, AOL(f). , и он снижается на высоких частотах. В частности, произведение коэффициента усиления на полосу пропускания (GBW) — это частота, на которой коэффициент усиления операционного усилителя без обратной связи падает до 1. Примечательно, что коэффициент усиления начинает снижаться задолго до этой частоты. Но в идеальных операционных усилителях мы предполагаем, что коэффициент усиления без обратной связи постоянен и велик (приближается к бесконечности) для всех частот.

    Как подробно обсуждалось выше, мы предполагаем, что коэффициент усиления идеальных операционных усилителей приближается к бесконечности.Настоящие операционные усилители имеют конечное усиление без обратной связи, что может ограничить величину усиления, которую мы можем получить от одного каскада операционного усилителя.

    В идеальных операционных усилителях мы предполагаем, что если мы удвоим разность входных напряжений, мы удвоим выходное напряжение. Настоящие операционные усилители состоят из нелинейных компонентов, и это неправда. Однако, поскольку операционные усилители используются в конфигурациях с обратной связью с обратной связью, обратная связь удерживает разность входных напряжений чрезвычайно малой, в пределах диапазона, в котором мы видим в основном линейное поведение.Можно с уверенностью предположить линейность идеального операционного усилителя.

    Идеальный операционный усилитель может иметь входы любого значения; имеет значение только их различие. Но в реальном операционном усилителе будут ограничения на допустимые входные напряжения, чтобы предотвратить повреждение входных транзисторов. Вычитание не будет работать должным образом, если ваши входные данные превышают эти пределы, и ваша схема не будет работать должным образом. (Более тонко, вы получите нелинейные искажения до того, как достигнете жестких пределов.) В большинстве случаев предельные значения находятся как раз в районе положительного и отрицательного напряжения питания, но вам следует проверить техническое описание, чтобы быть уверенным.

    Идеальный операционный усилитель может выдавать любое напряжение. Но в реальном операционном усилителе вы ограничены выходными транзисторами. Эти пределы обычно находятся рядом с положительным и отрицательным напряжением питания, но вы должны проверить техническое описание.

    Идеальный операционный усилитель реагирует только на изменение напряжения на его неинвертирующем и инвертирующем входных контактах. Но настоящий операционный усилитель может «просачивать» некоторые изменения с выводов источника питания на выход. (Это отражено в спецификации коэффициента подавления источника питания [PSRR].) Это позволяет шумному источнику питания загрязнять сигнал.

    Идеальный операционный усилитель не добавляет шума к сигналу. Но в реальном операционном усилителе шум добавляется и, возможно, даже усиливается.


    Идеальный операционный усилитель просто фантастический! К сожалению, все они распроданы. Настоящие операционные усилители на ИС, которые вы можете купить, не идеальны во всех отношениях, описанных выше, и производителям полупроводников приходится идти на собственные компромиссы, чтобы достичь своих целевых характеристик и цены.

    В результате, если проблема аналогового проектирования, которую вы пытаетесь решить, особенно требовательна в каком-либо направлении, вы можете не захотеть использовать операционный усилитель.Например, если вам нужно спроектировать усилительный каскад с максимально высокими частотными характеристиками или с абсолютно низким энергопотреблением, вы, вероятно, не будете использовать операционный усилитель.

    К счастью, существуют тысячи различных моделей операционных усилителей, доступных для продажи, и все они имеют различные компромиссы между этими неидеальностями. Во многих случаях, поняв свою проблему дизайна и то, как она соотносится с этими неидеальностями, вы сможете найти тот, который отвечает вашим потребностям прямо из коробки!


    Часто бывает полезно ослабить приведенное выше допущение о «неограниченном диапазоне выходного напряжения» и вместо этого смоделировать идеальный операционный усилитель с шинами напряжения , где выходной сигнал ограничен указанным диапазоном.

    Полезно запустить симуляцию DC Sweep, чтобы увидеть, как выглядит выход идеального операционного усилителя в разомкнутом контуре, с шинами напряжения и без них. Две выходные кривые перекрываются посередине, когда пределы не превышены. Но с шинами напряжения линия В (Output_with) обрезается, чтобы стать плоской и горизонтальной, как только пределы превышены:

    Упражнение Нажмите, чтобы открыть и смоделировать приведенную выше схему и посмотреть, как один выходной сигнал обрезается при изменении входного сигнала.

    (Обратите внимание, что для многих реальных операционных усилителей его выход не может полностью качаться до положительной шины питания и не может полностью качаться до отрицательной.)

    Теперь, когда у нас есть идеальный операционный усилитель с шинами напряжения, мы можем использовать его без обратной связи в качестве компаратора напряжения. Бесконечное усиление идеального операционного усилителя эффективно отменяет за счет ограничения выходного напряжения, поэтому в действительности:

    Vвых=Vпредел,полож.V+>V-+ϵVвых=Vпредел,отрицательныйдля V+

    для некоторых очень маленьких ϵ .

    Это можно продемонстрировать, подключив два генератора синусоидальной функции с разными частотами к двум входам операционного усилителя:

    Упражнение Нажмите, чтобы открыть и смоделировать приведенную выше схему. Посмотрите, как выходной сигнал колеблется в любую крайнюю точку при пересечении входных сигналов.

    В реальном мире операционный усилитель не является отличным аналоговым компаратором напряжения: есть гораздо лучшие специализированные компоненты. Тем не менее, это одно из немногих применений операционных усилителей без обратной связи, поэтому вы можете создать и протестировать его в своей лаборатории.


    Полезно моделировать схемы операционных усилителей в области Лапласа, потому что мы можем решать системы с обратной связью алгебраически. В частности, полезная модель идеального операционного усилителя предполагает наличие AOL с конечным коэффициентом усиления без обратной связи. :

    Еще более полезная модель предполагает конечное произведение коэффициента усиления на полосу пропускания GBW. . Это моделируется как наличие AOL с конечным усилением. при постоянном токе с однополюсным фильтром нижних частот с угловой частотой fc=GBWAOL . Компонент нижних частот имеет передаточную функцию Glpf(s)=11+sω , где ω=2πfc .Объединение усиления и фильтра нижних частот дает нам:

    Г(с)=AOL1+s(AOL2πGBW)

    и может быть реализован в CircuitLab, как показано:

    Мы будем использовать эту модель в следующих разделах приложений для алгебраического решения примеров обратной связи с обратной связью.


    Насколько полезно иметь усилитель с действительно огромным (в идеале бесконечным!) коэффициентом усиления? Сам по себе не очень. В этом разделе мы рассмотрели поведение без обратной связи, и наиболее полезным результатом является посредственный аналоговый компаратор напряжения.

    Но как только мы создадим схему на основе идеального операционного усилителя, мы сможем «замкнуть контур» и превратить дико огромное усиление в нечто, что мы сможем спроектировать и контролировать с помощью обратной связи с обратной связью . Оказывается, наличие компонента «вычитание и умножение на бесконечность» является практически волшебным строительным блоком для широкого спектра потребностей в обработке аналоговых сигналов. Мы рассмотрим их в следующих нескольких разделах, начиная с одного из самых простых: буфера напряжения операционного усилителя.


    Роббинс, Майкл Ф. Ultimate Electronics: практическое проектирование и анализ схем. CircuitLab, Inc., 2021, Ultimateelectronicsbook.com. Доступ . (Авторское право © 2021 CircuitLab, Inc.)

    .

    alexxlab

    Добавить комментарий

    Ваш адрес email не будет опубликован.