Высококачественный усилитель 75 Вт с применением операционного усилителя

категория Схемы усилителей материалы в категории * Подкатегория Схемы усилителей на транзисторах

Автор статьи — М. Путырский. Статья опубликована в PЛ, N°9,2002 г.

На рис. 1 приведена обобщенная структурная схема усилителя мощности звуковой частоты (УМЗЧ). Данная схема построена на базе хорошо известного усилителя [1]. Автор предложил очень хороший УМЗЧ, но, на мой взгляд, принципиальная схема этого усилителя несколько громоздка и ее можно несколько упростить. Задача каждого разработчика состоит в правильном сочетании получения требуемых характеристик качества работы устройства и необходимых для их реализации затрат. Не нужно усложнять схему ради незначительного улучшения качества, что приводит к неоправданным затратам. Достоинством каждой схемы является ее простота.

Структурная схема усилителя

Принципиальная электрическая схема усилителя мощности звуковой частоты

Выходная мощность усилителя составляет не менее 75 Вт на нагрузке 4 Ом. Полоса воспроизводимых частот — 3 Гц..100 кГц.

Входной каскад усилителя мощности выполнен на операционном усилителе типа КР140УД1101. Этот операционный усилитель относится к быстродействующим. Частота единичного усиления составляет 15 МГц, скорость нарастания выходного напряжения — 50 В/ мкс. Это очень неплохой операционный усилитель и, главное, дешевый. Операционный усилитель включен в инвертирующем включении. Цепь отрицательной обратной связи, охватывающая весь усилитель и определяющая его коэффициент усиления, образуется с помощью резисторов R1, R4. Конденсатор С10 служит для формирования необходимой АЧХ усилителя. Для снижения статических ошибок необходимо выдерживать равенство суммарных сопротивлений, включаемых в цепях инвертирующего и неинвертирующего входов. Для этой цели неинвертирующий вход операционного усилителя посажен на землю через резистор R2.

Для точной установки нуля на выходе усилителя мощности используется цепь, образованная резисторами R6, R8. Для устранения высокочастотных наводок на вход усилителя конденсатор С1 совместно с резистором R1 образовывают ФНЧ. При инвертирующем включении ОУ рекомендуется использовать цепь R3C7, которая увеличивает скорость нарастания выходного напряжения до 150 В/мкс. Из-за ограниченной скорости отклика большого сигнала с ростом частоты снижается амплитуда неискаженного выходного сигнала, эта цепочка позволяет практически увеличить ее в три раза. Питание операционного усилителя осуществляется стабилизированным напряжением 15 В, которое стабилизируется с помощью стабилитронов VD1, VD2. Напряжение источника питания подается на стабилитроны через резисторы R14, R15, служащие для ограничения тока через стабилитрон.

Так как максимальная амплитуда выходного сигнала операционного усилителя ограничена напряжением его питания, а оконечный каскад усилителя мощности, как известно, не усиливает по напряжению, то максимальная амплитуда на выходе такого усилителя будет ограниченной, даже если оконечный каскад запитан в два раза большим напряжением. Для устранения этого недостатка перед оконечным каскадом необходимо использовать дополнительный каскад усиления по напряжению. В качестве такого каскада в данном усилителе используется абсолютно симметричный усилитель напряжения, верхнее плечо которого образовано транзисторами VT4, ѴТЗ, ѴТ5, нижнее -транзисторами ѴТ1, ѴТ2, ѴТ7.

Этот усилитель напряжения обладает высокой линейностью за счет симметричности структуры. Критерий выбора данных транзисторов — максимальная граничная частота единичного усиления. Дополнительно для транзисторов VT1, VT2…VT4 — малый коэффициент шума. Цепочки R12C13 и R10C12 предназначены для устранения возбуждения усилителя напряжения на высоких частотах. Диоды VD3, VD4, VD5 — для ускорения переходных процессов при выходе усилителя из перегрузки. Стабилитрон VD6 задерживает включение транзисторов VT5, VT7 на время зарядки накопительных конденсаторов, чтобы к моменту их включения напряжение питания операционного усилителя достигало режима его работы и они вошли в нормальный режим. Входной каскад и усилитель напряжения разделены через резистор R5. Цепь начального смещения на базы транзисторов оконечного каскада выполнена на транзисторе VT6.

Энергетическая эффективность усилителя в основном зависит от экономичности оконечного каскада, так как каскады предварительного усиления потребляют от источника питания незначительную энергию. Оконечный каскад выполнен на транзисторах: верхнее плечо — VT8, VT10, VT12 и нижнее — на VT9, VT11, VT13. Для уменьшения падения напряжения на р-п переходах транзисторов оконечного каскада при протекании больших токов транзисторы VT10 и VT12, VT11 и VT13 соединены в параллель. При этом ток коллектора каждого транзистора уменьшается вдвое. Каждый транзистор оконечного каскада охвачен отрицательными местными обратными связями, образованными резисторами R29, R30…R32. Так же весь оконечный каскад охвачен общей отрицательной обратной связью с помощью R25, С25.

Конденсаторы С18, С20 предотвращают появление динамической асимметрии выходного каскада. На выходе установлен дроссель L1 для исключения любых паразитных воздействий на выходной каскад.

Конструктивные особенности усилителя

Дроссель наматывается на каркас диаметром 12 мм в два слоя. Толщина провода — 1 мм, длинна намотки — 25 мм. На транзисторы VT8, VT9 следует повесить маленькие радиаторы. Транзисторы ѴТ10, Ѵ12 и ѴТ11, Ѵ13 вынесены из печатной платы на радиаторы. Транзи-стор ѴТ6, на котором выполнена цепь начального смещения рабочей точки, для лучшей термостабилизации вынесен из печатной платы и закреплен на одном из радиаторов оконечного каскада. Питание от источника питания подается на коллекторы выходных транзисторов оконечного каскада, от них на печатную плату усилителя мощности.

Ток покоя оконечного каскада следует устанавливать в пределах 75…95 мА, поскольку при меньшей величине ухудшаются частотные свойства мощных транзисторов. При первом запуске усилителя мощности рекомендуется включить в цепь коллекторов мощных транзисторов резисторы по 4 Ом 5 Вт, эти резисторы ограничат ток коллекторов и тем самым спасут транзисторы оконечного каскада в случае каких-либо неисправностей. Если при первом запуске ваш усилитель возбуждается, то следует проверить RC-цепи: R12C15, R10C14, R25C25 и конденсатор СЮ.

Данный усилитель обладает отличной переходной характеристикой, способен работать на низкоомную нагрузку порядка 2 Ом, хорошо отрабатывает скачок в виде ступеньки благодаря широкой полосе пропускания.

Следует отметить, что на пути прохождения НЧ сигнала в усилителе нет разделительных конденсаторов, не считая входного СЗ, ко* торый можно также исключить, что позволит без ослабления и внесения фазовых искажений усиливать НЧ сигнал. Таким образом, данный усилитель обладает идеальной фазочастотной характеристикой.

Экономичный усилитель мощности звуковых частот на LM358

Схема простого УНЧ с низким потреблением тока для приёмников, плееров и прочих
устройств с питанием от батареек или аккумулятора. Режим класса С в действии.

Современная элементная база позволяет создавать электронные устройства с очень низким потреблением тока, будь то: миниатюрный приёмник, плеер или какое-либо иное устройство, подразумевающее питание от гальванических или химических источников тока.

За счёт мобильности и отсутствия наводок, подобные источники зачастую имеют ряд преимуществ перед сетевыми, однако постоянная необходимость замены батареек и зарядки аккумуляторов создаёт ряд неприятных проблем для человека, не обременённого хорошей памятью, рассеянного и раздражительного.
Зачастую главным поедателем электрической энергии в устройстве выступает усилитель мощности звуковых частот (УМЗЧ), он же — усилитель низких частот (УНЧ).
И если выходная мощность усилителя — это параметр небесполезный, т. е. параметр, описывающий качественные параметры УНЧ, то ток покоя в режиме молчания — абсолютно паразитная величина, снижающая КПД как усилителя, так и всего устройства в целом.
Избавиться от этой паразитной величины довольно просто — достаточно ввести выходной каскад в режим класса C. Данный режим имеет очень высокий КПД (около 90%), но зачастую сопровождается большими искажениями усиливаемого сигнала, т. к. рабочая точка транзисторов находится за точкой отсечки полупроводника, а конкретно — на 0,6…0,7В ниже начала области относительной линейности.
Однако если перед таким выходным каскадом поставить современный операционный усилитель с Ku ~ 100000 и охватить всё это хозяйство 100% обратной связью, то эта зона нелинейности снизится всё в те же 100000 раз и составит жалкие единицы микровольт.

Итак, поскольку мне (да думаю и многим другим) в радиолюбительской практике часто нужен достаточно качественный, но очень небольшой и экономичный звуковой усилитель, работающий от батарейки системы «Крона», было решено остановиться на следующем схемотехническом решении:

Рис.1 Схема экономичного усилителя мощности звуковых частот

Усилитель выполнен на распространённом операционном усилителе LM358, который в одном корпусе содержит два независимых маломощных операционных усилителя с высоким коэффициентом усиления и частотной компенсацией. Отличается низким потреблением тока (~0,7мА) и возможностью работать в схемах с однополярным питанием от 3 до 32 вольт.

Собственно говоря, именно эти 0,7 мА УНЧ и потребляет от батарейки в режиме молчания. А если сравнивать его с популярной микросхемой усилителя мощности LM386 с током покоя 4…5 мА, то разница в 4мА для маломощной батарейки это, поверьте, приличная величина, которая позволяет значительно продлить срок её службы.

На первой половинке LM358 (ОР.1.1) выполнен обычный неинвертирующий каскад усиления, входное сопротивление которого составляет ~ 100 кОм, а коэффициент усиления регулируется переменным резистором R3 в диапазоне от 2 до 200.

Выходные транзисторы, работающие в режиме класса C, охвачены со второй половиной LM358 100% ООС и образуют обычный повторитель напряжения. Для получения максимальной выходной мощности важно, чтобы их коэффициент передачи тока был не менее 2000/Rн.

Следует отметить, что LM358 относится к редкому типу микросхем с несимметричным ограничением выходного сигнала при напряжении на выходе, равном половине Еп. Поэтому для получения максимальной неискажённой выходной мощности в схему введён подстроечный резистор R4. Регулировкой этого подстроечника необходимо добиться одновременного начала ограничения обеих полуволн. Лучше всего это сделать при помощи генератора и осциллографа, а при их отсутствии — посредством собственного слухового аппарата при максимально громком воспроизведении какого либо музыкального, либо иного материала.

Так как усилитель используется мной в основном для экспериментальных целей и подразумевает работу совместно с наушниками, то я без зазрения совести впаял в выходном каскаде маломощные транзисторы из имеющихся в наличии — КТ3102 и КТ3107. Усилитель, подключённый к звуковому разъёму телефона, продемонстрировал отличное качество воспроизведения музыки при любых уровнях громкости, по крайней мере — лучшее, чем сам телефон с подключёнными к нему напрямую наушниками.

При использовании транзисторов, указанных на схеме, выходная мощность усилителя при работе на 4…8 — омную нагрузку составит 500…600 мВт.

 

Схема универсального усилительного модуля » Паятель.Ру

Очень часто, при коммутации аудиосигналов приходится сталкиваться с тем. что уровень выходного сигнала какого-то источника звуковой частоты оказывается недостаточным для подачи его на вход усилителя, рекордера, компьютерной звуковой платы, или другого НЧ устройства. В таких случаях приходится второпях собирать простейшие усилительные каскады из того, что окажется под рукой, часто на транзисторах с недостаточными характеристиками по АЧХ, КНИ, шумам.

Наверное, лучше иметь в своем хозяйстве несколько готовых заранее сделанных универсальных усилительных модулей, с универсальным однополярным питанием и возможностью регулировки коэффициента усиления. На рисунке показана схема модуля предварительного стереоусилителя. обладающего следующими характеристиками:

1. Напряжение питания…………….+10…+15V.
2. Потребляемый ток не более……..10mA.
3. Частотный диапазон при неравномерности 3 dB……………………….. 10…30000 Гц.
4. Пределы регулировки коэффициента усиления…………………………….0.15 dB.
5. КНИ, не более………………………..0.05%.
6. Максимум входного сигнала……4V.

Усилитель сделан на малошумящем двойном операционном усилителе NJM4580L в корпусе с однорядным торцевым расположением выводов.

Каналы усиления сделаны по типовым схемам УНЧ на ОУ с однополярным питанием. Входные сигналы поступают на инвертирующие входы ОУ. Это снижает вероятность самовозбуждения от проникания сигнала с выхода на вход, при неудачном расположении кабелей. Коэффициент усиления устанавливается изменением глубины ООС с помощью подстроечных резисторов RP1 и RP2, которые изменяют сопротивление между инвертирующим входом и выходом ОУ.

Подвижные контакты подстроенных резисторов подключены к выходам ОУ, чтобы снизить величину наводок, поступающих в тракт НЧ с вашего тела через отвертку при регулировке усиления работающего усилителя.

Для того чтобы операционные усилители могли питаться от однополярного источника на их прямые входы подано напряжение смещения, равное половине напряжения питания Напряжение смещения задается отдельно для каждого ОУ резисторами R2 R3 и R9 R10, соответственно

Питается усилитель напряжением 8V через интегральный стабилизатор А2. Источником питания может служить нестабильный или стабилизированный источник постоянного тока напряжением 10-15V. С успехом можно использовать сетевые адаптеры напряжением 12-14V от различной компьютерной периферии и даже, от аккумуляторных инструментов. Например, у автора, усилитель неплохо работает от зарядного устройства для шуруповерта (14,6V). и от источника питания сканера (12.8V).

Если всегда будет использоваться один и тот же стабилизированный источник напряжением 8…12V, можно обойтись без А2.

Печатная плата модуля
Практически все детали расположены на одной печатной плате из фольгированного стеклотекстолита. Разъемы Х1, Х2, Х4, Х5 — разъемы-гнезда типа Азия от современной аудио-видеотехники. Х3 — разъем для подачи питания.

Тип разъема Х3 зависит от типа штекера источника, от которого предполагается питать усилитель. Можно использовать различные тройники-переходники, чтобы можно было подключаться к разным источниками. а так же, сделать разъем с крокодилами для внутрисхемного подключения.

В этом случае, сразу после Х3, между Х3 и входом А2 нужно включить любой диод (например, КД522). Диод нужен чтобы не допустить случайного. подключения источника в обратной полярности, так как это может легко вывести схему из строя

Все детали миниатюрные. Желательно чтобы конденсаторы С3 и С10 были на напряжение побольше (чем больше допустимое напряжение конденсатора, тем ниже ток утечки). Можно использовать другие операционные усилители, но это потребует изменения разводки платы.

Плата помещена в экранированный корпус, спаянный из консервной жести. В верхней крышке вырезаны отверстия под отвертку (для регулировки RP1, RP2). Можно использовать и пластмассовый корпус.

Простой УМЗЧ на двух транзисторах и ОУ КР574УД2 (8-25В, 6Вт)

Принципиальная схема двухтактного УМЗЧ, каждое плечо которого состоит изсхемы усилителя мощности на операционном усилителе и мощного эмиттерного повторителя на транзисторе.

В одном плече работает транзистор п-р-п структуры, и эмиттерный повторитель действует относительно плюса питания, а в другом плече работает р-п-р транзистор и эмиттерный повторитель действует относительно минуса питания.

Принципиальная схема

Источник питания однополярный. На прямые входы операционных усилителей поступает напряжение смещения от цепи на резисторах R1, R2 и R3. Как известно, постоянное напряжение на выходе ОУ зависит от напряжения на его входе.

А прямые входы этих ОУ, если не брать в расчет сопротивление R2, соединены вместе и на них поступает одно и то же напряжение.

При возрастании этого напряжения, соответственно возрастает напряжение и на выходах ОУ. Но, эмиттерные повторители на транзисторах разной структуры, поэтому транзистор VТ1 открывается, а VТ2 закрывается. Если напряжение снижается, то VТ1 закрывается, но открывается VТ2.

В результате изменяется напряжение на выходной точке, которой является точка соединения эмиттеров этих транзисторов.

При правильной балансировке усилителя сопротивление R1 подбирается таким образом, чтобы при отсутствии входного сигнала напряжение на эмиттерах транзисторов было равно половине напряжения питания. Усилитель в таком виде будет работать, но будут возникать искажения типа «ступенька».

Рис. 1. Принципиальная схема УМЗЧ на транзисторах и ОУ, 8-25В, 6Ватт.

Чтобы их не было и есть резистор R2, который вносит различие между постоянными напряжениями на прямых входах операционных усилителей. При налаживании, подбором сопротивления этого резистора устанавливают ток покоя усилителя, равный 10-15 мА.

На схеме входной сигнал поступает на вход ОУ А1.2, практически, он поступает на оба входа, так как изменяет мгновенное напряжение на прямых входах обоих ОУ. Сигнал можно подавать и на вход А1.1, -разницы никакой не будет. Динамик подключен к выходу усилителя через разделительный конденсатор C3. Конденсатор С2 блокирует по цепи питания.

В заключение

Транзисторы должны быть на радиаторах. Все конденсаторы должны быть на напряжение не ниже напряжения питания. Выходная мощность УНЧ на нагрузке сопротивлением 4 Ом составила 5,5W. Коэффициент нелинейных искажений не превышал 0,2% (на сколько позволила его определить имеющаяся измерительная техника).

Усилитель работоспособен в диапазоне питающего напряжения от 8 до 25V.

Пичугин А.Н. РК-06-16.

Выходные усилители мощности | Основы электроакустики

Выходные усилители мощности обычно являются выходными каскадами многокаскадного усилителя и предназначены для обеспечения заданной мощности нагрузки РН при заданном сопротивлении нагрузки RН, как правило, низкоомной. Получение на выходе усилителя большой мощности предполагает работу его транзисторов при больших значениях токов и напряжений. Отсюда следует, что одним из основных параметров усилителя становится его КПД. К тому же переменные составляющие токов и напряжений в этом случае соизмеримы с постоянными составляющими сигналов. На свойства усилителя сильно влияют связь параметров транзистора с режимами его работы и нелинейность характеристик.         В выходных усилителях мощности должны использоваться транзисторные каскады с малым выходным сопротивлением, а вводимые цепи ООС должны быть только по напряжению. Это обусловило применение в усилителях мощности только двухтактных схем усиления , обеспечивающих работу транзисторов в режимах класса В и АВ. Усилители, работающих в режиме класса А (выходной транзистор всегда в открытом состоянии), имеют малое КПД, поэтому при больших мощностях сигналов такие схемы используется редко.          На рис. 11.17 показана двухтактная схема усилителя мощности, работающая в режиме класса В. Усилитель, собранный на двух биполярных транзисторах различного типа проводимости, имеющих одинаковые параметры, получил название комплементарный усилитель. Транзистор VT1 открыт при положительных значениях сигнала, а транзистор VT2 – при отрицательных. При нулевом входном напряжении коллекторный ток отсутствует и мощность, рассеиваемая на транзисторах, близка к нулю. При выходной мощности 10 Вт каждый транзистор рассеивает мощность менее 10 Вт, максимально возможный коэффициент полезного действия схемы составляет 78%

Рис. 11.17. Двухтактный усилитель мощности, работающий в режиме класса В 

         Этой схеме присуще следующее свойство: выходной сигнал повторяет входной с разницей на величину падения напряжения UБЭ, на положительном интервале входного сигнала выходное напряжение примерно на 0,6 В меньше, чем входное, на отрицательном интервале наоборот. Для синусоидального входного сигнала выходной будет таким, как показано на рис. 11.11, а. Такое искажение сигнала называется переходным искажением. Для улучшения формы сигнала нужно немного сместить двухтактный каскад в состояние проводимости, как показано на рис.11.18.

Рис.11.18. Двухтактный усилитель, работающий в режиме класса АВ 

         Резисторы смещения R переводят диоды в состояние проводимости, благодаря чему этому напряжение на базе VT1 превышает входное напряжение на величину напряжения на диоде, а напряжение на базе VT2 на величину падения напряжения на диоде меньше, чем входное напряжение. При нулевом входном сигнале оба транзистора немного приоткрыты, их рабочие точки находятся в начале линейного участка входных характеристик (рис. 11.9). Резистор R выбран так, чтобы обеспечивался необходимый базовый ток в выходных транзисторах при пиковых значениях выходного сигнала. В этой схеме несколько увеличивается мощность, рассеиваемая на транзисторах, и уменьшается КПД.        Для улучшения параметров схемы часто используют двухтактный усилитель мощности с операционным усилителем (рис.11.19). В схеме использована общая отрицательная обратная связь (резисторы R1 и R2), охватывающая оба каскада (на операционном усилителе и на биполярных транзисторах), благодаря которой схема создает настолько малые искажения, что часто не требует дополнительных цепей смещения для каскада на транзисторах VT1 и VT2. Поскольку напряжение на нагрузке RН примерно равно напряжению на выходе ОУ, то мощность на выходе усилителя ограничивается выходным напряжением ОУ.

Рис.11.19. Усилитель мощности с ОУ 

         Рассмотренный выше усилитель имеет один серьезный недостаток: он не обладает температурной стабильностью. При нагревании выходных транзисторов (они нагреваются, так как рассеивают мощность), напряжение uКЭ начинает убывать, а коллекторный ток покоя — возрастать. Выделяющееся при этом дополнительное тепло усугубляет положение и повышает вероятность того, что в схеме получится неконтролируемая тепловая положительная обратная связь (эта вероятность зависит от ряда факторов: насколько велик радиатор для отвода тепла, совпадает ли температура диодов с температурой транзисторов и т.д.). Для исключения этого эффекта используют схему с параметрической температурной стабилизацией режима (рис. 11.20). Для примера здесь показан случай, когда входной сигнал снимается с коллектора предшествующего каскада, резистор выполняет двойную функцию: он является коллекторным резистором транзистора VT1 и формирует ток для смещения диодов и смещающего резистора в основной двухтактной схеме. Резисторы R3 и R4 обычно имеют сопротивление несколько ом и ниже, они уменьшают влияние критического смещения тока покоя: напряжение между базами выходных транзисторов должно быть немного больше, чем удвоенное падение напряжения на диоде, дополнительное падение напряжения обеспечивает регулируемый резистор смещения R2 (иногда его заменяют еще одним диодом).

Рис.11.20. Усилитель с температурной параметрической стабилизацией режима 

         Падение напряжения на резисторах R3 и R4 составляют несколько десятых долей вольта, благодаря этому температурное изменение напряжения UБЭ не приводит к быстрому возрастанию тока (чем больше падение напряжения на R3 и R4, тем менее чувствителен к температуре усилитель) и схема работает стабильно. Стабильность увеличивается, если диоды имеют тепловой контакт с выходными транзисторами (размещены на их корпусе).         Еще одно преимущество схемы состоит в том, что регулировка тока покоя позволит управлять величиной переходных искажений. При выборе тока покоя следует найти компромисс между уменьшением искажений и рассеиваемой мощностью в состоянии покоя.         Составной транзистор. Если соединить транзисторы, как показано на рис. 11.21, то полученная схема будет работать как один транзистор, причем его коэффициент β будет равен произведению коэффициентов β составляющих транзисторов.

Рис.11.21. Составной транзистор 

         Этот прием полезен для схем, работающих с большими токами (например, для стабилизаторов напряжения или выходных каскадов усилителей мощности) или для входных каскадов усилителей, если необходимо обеспечить большой входной импеданс. Для улучшения параметров схемы между базой и эмиттером транзисторов включают резистор R, который предотвращает смещение транзистора VT2 в область проводимости за счет токов утечки транзисторов VT1 и VT2. Сопротивление резистора выбирают таким, чтобы токи утечки создавали на нем падение напряжения, не превышающее падение на диоде в предыдущей схеме, и вместе с тем, чтобы через него протекал ток, малый по сравнению с базовым током транзистора VT2. Обычно сопротивление R составляет несколько сотен ом в мощном составном транзисторе.         Промышленность выпускает составные транзисторы в виде законченных модулей, включающих, как правило, и эмиттерный резистор.

 

Как буферизовать выход операционного усилителя для получения более высокого тока, часть 2

Добавлено 8 октября 2019 в 06:52

Сохранить или поделиться

В данной статье мы рассмотрим два варианта базовой схемы на биполярных транзисторах для буферизации тока.

Вспомогательная информация

Предыдущая статья

Если выходной каскад вашего операционного усилителя не может справиться с давлением

Базовая схема буферизации на биполярном транзисторе, рассмотренная в предыдущей статье, отлично подходит для многих приложений, но у нее есть два ограничения, которые необходимо учитывать: во-первых, для высоких токов нагрузки может потребоваться слишком большой выходной ток операционного усилителя; во-вторых, она не совместима с отрицательными напряжениями нагрузки. Начнем с первой проблемы.

Как упоминалось в предыдущей статье, выходной ток, требуемый от операционного усилителя, будет приблизительно равен току нагрузки, деленному на коэффициент усиления по току транзистора (он же бета или h_FE). В некоторых ситуациях может быть проблематично добавить в ваш проект возможность получения большого выходного тока.

Например: вы используете компонент операционного усилителя, который включает в себя несколько усилителей в одном корпусе. Если у вас уже есть деталь с низким выходным током, которая подходит именно для вашей системы, и вы используете три из четырех усилителей в комплекте, вы можете решить использовать этот четвертый усилитель. Или, скажем, у вас есть операционный усилитель, встроенный в микроконтроллер, используемый на плате. Этот операционный усилитель вряд ли может предложить большой выходной ток, но вы не хотите добавлять внешнюю деталь просто потому, что вам нужно еще 20 или 30 мА от встроенного операционного усилителя. Решением таких ситуаций является дополнительное усиление по току с помощью биполярного транзистора. Первое, что нужно сделать, это просто найти транзистор с более высоким h_FE. Но если вам нужно гораздо большее усиление по току (потому что у вас слишком большой ток нагрузки, или ваш операционный усилитель настолько слаб, или и то, и другое), то настало время использовать пару Дарлингтона.

Пара Дарлингтона

Рисунок 1 – Схема для буферизации выходного тока операционного усилителя на паре Дарлингтона

Условное обозначение на схеме рассказывает большую часть истории. Пара Дарлингтона – это два биполярных транзистора с общим коллектором, объединенных в один корпус. В результате получается устройство, которое работает очень похоже на обычный биполярный транзистор, но с чрезвычайно высоким h_FE – общий коэффициент усиления по току приблизительно равен h_FE первого транзистора, умноженному на h_FE второго транзистора. В этот момент вы можете подумать: «У меня много транзисторов 2N2222, я просто подключу их в стиле Дарлингтона и скажу, что это круто». Ну, это не так просто. Взгляните на эквивалентную схему для транзистора Дарлингтона TIP142T от Fairchild:

Рисунок 2 – Эквивалентная схема транзистора Дарлингтона TIP142T от Fairchild

В дополнение к биполярным транзисторам у нас тут защитный диод и два резистора. Резисторы уменьшают время выключения, обеспечивая путь разряда для емкости перехода база-эмиттер правого транзистора, и они обеспечивают определенное состояние для базы правого транзистора, которая в противном случае висела бы в воздухе, когда пара Дарлингтона находится в режиме отсечки. Они также приводят к снижению h_FE, потому что часть тока базы идет в обход переходов база-эмиттер. Это уменьшение усиления на самом деле во многих ситуациях выгодно, потому что оно уменьшает влияние тока утечки – и дело в том, что вам на самом деле не нужен весь коэффициент усиления по току, который был бы примерно равен 10 000, если предположим, что каждый биполярный транзистор имеет h_FE = 100. Суть в том, что, вероятно, лучше купить устройство Дарлингтона, а не делать свое собственное из двух отдельных биполярных транзисторов.

Вот схема LTspice с парой Дарлингтона вместо одного биполярного транзистора.

Рисунок 3 – Схема для буферизации выходного тока операционного усилителя на паре Дарлингтона в LTspice

В LTspice по умолчанию нет устройств Дарлингтона, но вы можете зайти сюда, чтобы скачать файлы подсхем и условных обозначений для TIP142.

Вот график входного напряжения V_IN, выходного напряжения V_OUT и напряжения, приложенного к базе транзистора Дарлингтона (выходного напряжения ОУ), V_BASE.

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

Как и в схеме с одним биполярным транзистором, выходное напряжение повторяет входное напряжение (график входного напряжения V_IN скрыт под графиком выходного напряжения V_OUT). Обратите внимание, что напряжение на базе транзистора Дарлингтона V_BASE приблизительно на 1,3–1,4 В выше напряжения на нагрузке; это потому, что теперь у нас есть два падения напряжения база-эмиттер вместо одного. Таким образом, вы должны быть особенно осторожны, чтобы убедиться, что ваши напряжения питания транзистора Дарлингтона и операционного усилителя достаточно высоки, чтобы обеспечить весь диапазон напряжений нагрузки (более подробно об этом см. раздел «Просто, но без «защиты от дурака»» в конце предыдущей статьи).

Следующий график показывает ток нагрузки и ток, протекающий через базу транзистора Дарлингтона.

Рисунок 5 – График ток нагрузки и тока базы первого транзистора пары Дарлингтона

Таким образом, при токе нагрузки 360 мА ток базы составляет 169 мкА, что соответствует h_FE ≈ 2130. Техническое описание указывает, что коэффициент усиления по току должен быть около 1000; возможно, эта конкретная модель SPICE не так точна, как могла бы быть. В любом случае нам удалось значительно снизить выходной ток, требующийся от операционного усилителя.

Другой способ справиться с операционным усилителем, который не может обеспечить достаточный выходной ток, – это использовать MOSFET-транзистор вместо биполярного транзистора. Мы рассмотрим реализацию с MOSFET в следующей статье.

Идем ниже земли

Операционные усилители часто используются с отрицательными выходными напряжениями. Очевидным примером являются синусоидальные сигналы, которые можно найти в аудио, видео и радиочастотных приложениях. Когда операционный усилитель генерирует положительное выходное напряжение, выходной ток течет «из» операционного усилителя и через нагрузку «в» узел земли. Следовательно, когда выходной сигнал положительный, операционный усилитель «отдает» ток. При отрицательном выходном напряжении ток протекает «из» узла земли через нагрузку и «в» операционный усилитель, поэтому теперь операционный усилитель «принимает» ток. Таким образом, для поддержки сигналов, которые по напряжению находятся выше и ниже уровня земли, нам необходим буфер выходного тока, который может «принимать» и «отдавать» ток. Вуаля:

Рисунок 6 – Схема для буферизации выходного тока операционного усилителя на двухтактном усилителе на биполярных транзисторах

Общая идея та же: биполярные транзисторы обеспечивают способность пропускать более высокий ток, а схема обратной связи заставляет ОУ изменять свой выходной сигнал любым необходимым способом, чтобы гарантировать, что напряжение нагрузки V_вых равно V_вх. Разница заключается в добавлении PNP транзистора, который выполняет для отрицательных напряжений нагрузки то же самое, что NPN транзистор для положительных напряжений нагрузки. Другими словами, когда входное напряжение положительное, выходной сигнал операционного усилителя становится положительным, чтобы открыть NPN транзистор, и ток подается от NPN транзистора к нагрузке. Когда входное напряжение отрицательное, выходной сигнал операционного усилителя становится отрицательным, чтобы открыть PNP транзистор, и PNP транзистор принимает ток нагрузки. Вот схема LTspice:

Рисунок 7 – Схема для буферизации выходного тока операционного усилителя на двухтактном усилителе на биполярных транзисторах в LTspice

Обратите внимание, что я выбрал модель PNP транзистора, рекомендованную в качестве комплементарного транзистора в техническом описании для 2SCR293P:

Рисунок 8 – Рекомендация по выбору комплементарного транзистора для 2SCR293P

Вот график для входного напряжения V_IN и выходного напряжения V_OUT. Как обычно, график входного напряжения скрыт под графиком выходного напряжения.

Рисунок 9 – Графики входного и выходного напряжений для схемы буферизации выходного тока операционного усилителя на двухтактном усилителе на биполярных транзисторах

Следующая увеличенная диаграмма включает в себя график выходного напряжения операционного усилителя (V_BASE). Обратите внимание, что действие отрицательной обратной связи заставляет операционный усилитель автоматически обходить «мертвую зону», т. е. диапазон напряжений (примерно от –0,7 В до +0,7 В), в котором оба транзистора находятся в закрытом состоянии.

Рисунок 10 – Графики входного и выходного напряжений схемы и выходного напряжения операционного усилителя

Это аудиоусилитель?

В этот момент вам может быть интересно, можете ли вы использовать эту схему в качестве усилителя мощности для аудиосигналов. Вы, конечно, можете, но качество звука будет не лучшим. Фактически, конфигурация «NPN транзистор плюс PNP транзистор» в этой схеме упоминается как выходной каскад класса B, и объединение каскада класса B с операционным усилителем и некоторой отрицательной обратной связью дает усилитель мощности с минимальным кроссоверным искажением (каскад класса B сам по себе имеет серьезные проблемы с искажениями, создаваемыми большой мертвой зоной). Однако даже при отрицательной обратной связи качество звука всё еще несколько ухудшается из-за попеременного включения и выключения NPN и PNP транзисторов. Вот почему предпочтительной схемой для аудио является усилитель класса AB, в котором транзисторы смещены таким образом, что при небольших входных напряжениях (выше или ниже точки кроссовера) оба находятся в состоянии проводимости.

Заключение

Мы рассмотрели три простых недорогих схемы, которые могут значительно увеличить выходной ток операционного усилителя. Эти три конфигурации охватывают большинство ситуаций, в которых необходим усилитель с высоким выходным током – просто не забудьте перепроверить напряжение питания, ограничения по току и рассеиваемой мощности.

Оригинал статьи:

Теги

LTspiceБиполярный транзисторОУ (операционный усилитель)Пара ДарлингтонаСоставной транзистор ДарлингтонаУсилитель класса BУсилитель мощностиУсилитель с высоким выходным током

Сохранить или поделиться

Операционный усилитель это интегральная микросхема

Операционный усилитель это элемент электроники

Операционный усилитель это один из главных составных частей нынешней электроники. Обладая прекрасными характеристиками и легкости расчетных функций, ОУ довольно просты в использовании. У операционных усилителей есть еще другое, параллельное название — дифференциальный усилитель, из-за того, что у него имеется возможность усиления разности входных напряжений.

В основном операционные усилители производятся в виде интегральных микросхем. В зависимости от назначения, могут размещаться по одному чипу в корпусе, а в некоторых случаях по два и более. Также производители выпускают ОУ различных модификаций, которые имеют существенные различия в технических характеристиках относительно друг друга.

По теоретическим расчетам ОУ обладает совершенными параметрами, в практическом же применении его характеристики только на пути к безупречным. Тем не менее в определенных моментах они достигаются. Применение понятия «совершенного» операционного усилителя способствует сделать расчеты более простыми.

Ламповый операционный усилитель K2-W

Такими безупречными характеристиками являются:

• бесконечно большое усиление при открытой петли обратной связи;
• бесконечно широкая полоса передаваемых частот;
• бесконечно большое входное сопротивление;
• импеданс равный нулю;
• выходное напряжение равно нулю при равенстве входных напряжений.

Из этого можно понять, что такие параметрические данные не могут быть гарантированы в полном объеме, хотя производители ежегодно улучшают характеристики операционников, тем самым делая их почти идеальными.

Существует некоторое количество ключевых схем, по которым работает ОУ:

• инвертирующий
• не инвертирующий
• вычитание
• сложение
• дифференцирование
• интегрирование
• повторитель напряжения
• аналоговый компаратор

Принцип действия инвертирующего усилителя

Данная аналоговая схема считается наиболее простой и часто используемая в электронике. Рабочие действия ОУ заключаются в усилении либо снижении сигнала на входе устройства, при этом он способен выполнять фазовую модуляцию. Функция усиливающая сигнал определяется буквенным обозначением k. Представленное графическое изображение демонстрирует определенное воздействие операционного усилителя в данной схеме:

Амплитуда отображенная синим цветом является сигналом во входном тракте устройства, а амплитуда красного цвета — выходная цепь. Как можно заметить на графике, идет двойное усиление сигнала, при этом амплитуда имеет перевернутый вид.

Принципиальная схема данного усилителя показана на снимке ниже:

Принцип действие данной схемы, как бы обосновывает популярность этого электронного прибора. Для того, чтобы определить коэффициент усиления сигнала на выходе нужно воспользоваться формулой приведенной ниже:

Включенный в схему постоянное сопротивление R3 выполняет функцию защиты микросхемы.

Принцип действия не инвертирующего усилителя

Схема не инвертирующего усилителя выполнена по аналогии инвертирующего усилителя, но с одним лишь отличием, в этом варианте не выполняется изменение полярности сигнала, то-есть фаза остается без изменений. Показанное ниже графическое изображение показывает прохождение выходного сигнала:

В данной схеме, при подаче во входную цепь синусоидального сигнала, усиленный выходной импульс, так же как и в предыдущей схеме составляет k=2, то есть двойной коэффициент усиления. График показывает, что при этом изменился только размах амплитуды.

На изображении ниже, показана схема ОУ работающего как не инвертирующий усилитель:

Показанная здесь схема, с включенными в нее парой резисторов, так же отличается своей простотой в исполнении. Сигнальный импульс по входу поступает на плюсовой вход микросхемы. Для расчета коэффициента усиления сигнала служит следующая формула:

Формула определяет: у усиливающего сигнала не должно быть условное значение, которое меньше «1», тем самым микросхема не даст возможности уменьшить сигнал.

Принцип работы операционного усилителя в схеме вычисления — дифференциальный усилитель

Следующим вариантом применения ОУ будет дифференциальный усилитель, и возможностью получения по входу разность двух сигнальных импульсов с последующим усилением. Представленный ниже график показывает работу микросхемы.

Очередная схема, способна выполнить следующую работу ОУ:

Данный вариант принципиальной схемы не такой простой как представленные выше, а немного посложнее. Для вычисления выходного напряжения, нужно воспользоваться формулой:

Одна часть формулы определяет усиление либо уменьшение, другая часть высчитывает разницу 2-х напряжений.

Операционный усилитель работающий по схеме сложения

Этот характер работы микросхемы кардинально отличается от варианта вычитания. В данном случае имеется значительное преимущество прибора, а именно: его способность обрабатывать одновременно несколько сигнальных импульсов. Такой принцип функционирования используют все звуковые микшеры.

Представленная схема показывает ее возможность сложения большого количества сигналов, она не очень сложная и разобраться с ней не составит никакого труда. Для вычисления данных применяется формула:

Начинающим. Операционные усилители

Усилитель мощности на базе операционного усилителя

Усилитель мощности на базе операционного усилителя

Elliott Sound Products

пр.76

© Рохит Балкишан, март 2001 г.,
(отредактировал Род Эллиотт)
Обновлено в марте 2021 г.

---

Введение

Это проект, внесенный Рохитом Балкишаном, который построил его и подумал, что это будет хороший простой проект для других. Это хороший экспериментальный проект, он обойдется недорого, и вы извлечете из него уроки.

Этот проект недавно был обновлен (март 2021 года), он более надежен и работает на ОУ от регулируемого источника питания.

---

Описание

Усилитель основан на широко используемом дополнительном усилителе мощности класса AB с выходными транзисторами на составной паре. В системе используется четырехъядерный операционный усилитель TL074 для управления выходными транзисторами. Как видно из рисунка 1, A2 используется для установки коэффициента усиления по напряжению усилителя. Предполагая, что коэффициент усиления по напряжению каскада с общим коллектором равен единице, общий коэффициент усиления по напряжению усилителя равен (R4 / R3) + 1, т.е.е. коэффициент усиления неинвертирующего операционного усилителя (в данном случае 16 или 24 дБ). Поскольку выходные транзисторы находятся в контуре обратной связи A2, A2 также линеаризует входную характеристику комплементарной пары Q1 / Q2 и Q3 / Q4. Это позволяет увеличить рассогласование между транзисторами NPN-PNP.

Питание до +/- 22 В подходит для силовых транзисторов и позволяет использовать тот же источник питания для питания регуляторов. Более низкие напряжения (как показано) будут быть недостаточным для обеспечения регуляторов достаточным резервом входного напряжения.

Рисунок 1 — Схема усилителя мощности (Заменено — см. Рисунок 1A)

На следующем рисунке показана улучшенная схема, которая будет иметь большую стабильность смещения и улучшенные характеристики ограничения. На выходную мощность не сильно влияет (этот усилитель способен выдавать только около 18 Вт на 4 Ом или 9 Вт на 8 Ом). Мощность ограничивается операционным усилителем, а не силовым каскадом, так как операционный усилитель не должен работать с напряжением более ± 15 В. Обратите внимание, что изменение на рисунке 1A касается схемы смещения (подстроечный резистор R6 и R7).Модификация гарантирует, что C8 не может разряжаться во время положительных полупериодов, что возможно (но маловероятно) с исходной схемой.

Рисунок 1A — Улучшенная схема усилителя мощности

Смещение к Q1 и Q3 обеспечивается R6, R7 и диодами D1 и D2. Такое расположение смещает транзисторы чуть выше точки отсечки и снижает искажения кроссовера. R6 необходимо настроить на максимальное значение, которое устраняет искажения кроссовера. .D1 и D2 должны быть установлены таким образом, чтобы они контактировали с транзисторами драйвера — , а не , основной радиатор.

Чтобы настроить R6 без осциллографа, начните с R6, установленного на максимум, установите регулятор громкости R2, чтобы получить минимальный слышимый выход с подходящим источником входного сигнала (например, проигрыватель компакт-дисков, который дает 0,65 В среднеквадратичного значения на линейном выходе), и прислушайтесь к любому звуковому сигналу. «треск» в звуке, особенно тот, который, кажется, основан на низкочастотных звуках. Если слышен «треск», уменьшайте значение R6 очень маленькими шагами, пока треск (кроссоверное искажение) не станет неслышным (я чувствую, его невозможно устранить).

Поскольку выход операционного усилителя A2 подтягивается цепью смещения, конденсатор C5 должен быть подключен между выходом A2 и землей , чтобы предотвратить прерывание цепи в колебаниях. Значение C5 не критично, подойдет любое значение от 22 до 100 нФ. Операционный усилитель A1 представляет собой простой буфер, который изолирует входную цепь от силового каскада. C1 и R1 используются для установки нижней частоты 3 дБ примерно на 15 Гц и для получения входного импеданса около 100 кОм.Верхняя частота 3 дБ определяется R4 и C7, что в данном случае составляет примерно 30 кГц. На схеме показан только один канал стереоусилителя. Усилитель может использоваться для управления громкоговорителями с сопротивлением от 3 до 8 Ом, можно использовать громкоговорители с более высоким импедансом, но выходная мощность будет значительно меньше.

Коэффициент усиления по напряжению усилителя можно увеличить, увеличивая R4 или уменьшая R3, пока размах выходного сигнала поддерживается на уровне не более 3 В ниже шин питания.Это связано с тем, что максимальное выходное напряжение операционного усилителя всегда на 2-3 В ниже, чем напряжение на шинах питания, прежде чем оно сработает.

Коэффициент усиления по напряжению усилителя составляет 16 или 24 дБ (R3 = 10K и R4 = 150K). Также обратите внимание, что значения R3 и R4 не являются критическими в том, что касается их абсолютных значений, но что критично, так это их соотношение (Av = 1 + R4 / R3). Выберите C7, чтобы задать верхнюю частоту 3 дБ от 30 до 50 кГц. Я еще не измерял фактическую выходную мощность прототипа, который я построил, но, тем не менее, я использовал его в обычном режиме.

Могут использоваться любые транзисторы, удовлетворяющие следующим критериям:

Q1 / Q3: Vmax> = 40 В, Imax> = 1A, Pmax> = 5 Вт, hfe> = 25, Ft> = 50 кГц
Q2 / Q4: Vmax> = 40 В, Imax> = 5A, Pmax> = 40 Вт, hfe> = 20, Ft> = 50 кГц

Показанные транзисторы несколько дороги из-за того, что они являются ВЧ-транзисторами с Ft = 4 МГц, а также имеют более высокие значения напряжения / мощности, чем требуется, это потому, что изначально я намеревался создать усилитель, который может подавать +/- 33 В в Нагрузка 4 Ом, но из-за отсутствия четырехъядерного ОУ LM3580 я выбрал версию с меньшей мощностью, но транзисторы остались.Однако для этой современной конструкции вполне можно использовать более дешевые AF-транзисторы.

Вся схема вместе с блоком питания может быть легко собрана на универсальной плате Veroboard. Для получения высокопроизводительной системы можно использовать различные типы операционных усилителей и транзисторы вместо показанных здесь. Например, операционные усилители, такие как OP445 (высокая скорость / высокая скорость нарастания напряжения), LM3580 или LM3581 (высокое напряжение), могут использоваться в конструкции с более высокой стоимостью и лучшей производительностью, или почти любые операционные усилители общего назначения могут использоваться для получения прилично работающей системы при высокой производительности. бюджетный.

Изменения в исходной схеме: …

1. Операционные усилители были изменены с LM348 на TL074. Эта ИС совместима по выводам с LM348, но имеет более высокую скорость нарастания напряжения (13 В / мкс) по сравнению с к LM348 (0,5 В / мкСм). TL074 также имеет гораздо меньше искажений.
2. Источники питания операционных усилителей были отделены от источников питания силовых транзисторов, так что теперь операционные усилители питаются от регулируемых источников питания ± 15 В. и силовые транзисторы питаются от обычных источников высокого тока (> = 5 ампер) от +/- 15 до +/- 18 вольт, которые могут регулироваться, а могут и не регулироваться.Этот было сделано так, что операционные усилители не подвержены влиянию переменного тока стока (и сопутствующих падений напряжения), которые происходят в силовом каскаде. источников питания, особенно при работе на полной или близкой к ней мощности. Еще одна причина иметь отдельный источник питания для операционных усилителей — это использование с активными кроссоверами. используя аналогичные операционные усилители. В этом случае регулятор громкости R2 должен быть опущен и размещен перед кроссоверной сетью (неинвертирующий вход из A2 теперь напрямую связан с o / p из A1). Желательно через резистор 100 Ом . Или А1 также может использоваться аналогично A2. Все операционные усилители теперь будут питаться от регулируемых источников.
3. Транзисторы o / p теперь имеют конфигурацию «составная пара» вместо первоначальной конфигурации Дарлингтона. Это было сделано для уменьшения кроссовера. искажение до пренебрежимо малого уровня и делает смещение чрезвычайно простым (несмотря на очень элементарную схему смещения, производительность усилитель неплохой.Потенциал R6 50K не нуждался в какой-либо регулировке для устранения искажений кроссовера после того, как я его построил).
4. Из-за высокой скорости нарастания TL074 конденсатор C5 должен иметь минимальное значение 22 нФ. Если после нескольких секунд включения усилитель перейдет в колебания или издает гудящий звук (при подключенных динамиках), или вы обнаружите, что питание транзистора питания падает (это может произойти даже без подключение динамиков), сопровождаемый легким нагревом транзисторов o / p, то виновником, безусловно, является операционный усилитель (A2).Чтобы решить эту проблему, просто увеличьте значение C5 и проверьте его снова. Убедитесь, что колебания / гудение не возникают даже при подключении / отключении аудиоисточника. на входе с включенным усилителем или когда громкость увеличена до максимума (все эти симптомы имеют одну общую причину — операционный усилитель (A2) « пинает » в высокочастотные колебания, колпачок на своем o / p гарантирует, что этого не произойдет). Выберите C5 как минимальное значение, которое останавливает это поведение.
   Предупреждение: такие колебания могут повредить твитеры — тестирование «живой» акустической системы не рекомендуется! Использование старого (желательно такой, который не вызовет слез в случае разрушения) рекомендуется громкоговоритель.
   
5. C8 добавлен. Без него положительный выходной ток усилителя сильно ограничен, поскольку операционный усилитель не может обеспечить ток базы в Q1, потому что он заблокирован диодами. C8 снимает это ограничение и позволяет операционному усилителю одинаково управлять Q1 и Q3.

Конденсатор 33 пФ (C7) на R4 устанавливает верхнюю частоту 3 дБ примерно на 30 кГц. Уменьшите это значение, если в усилителе не хватает высоких частот, или вообще не используйте его (не рекомендуется). Рекомендуется значение больше 10 пФ, так как любое меньшее значение вызовет утомление слушателя.Значение 12 пФ дает наилучшую высокочастотную характеристику, соответствующую верхней частоте -3 дБ около 63 кГц. Точно так же можно увеличить C1, чтобы понизить нижнюю частоту -3 дБ.

Транзисторы Q2 и Q4 можно заменить на BD240 / MJ2955 и BD239 / 2N3055 соответственно. BD239 / 240 следует использовать только , если сопротивление нагрузки больше или равно 6 Ом. Для более низкого импеданса либо оставьте показанные транзисторы, либо используйте транзисторы с более высоким током (2N3055 / MJ2955 или аналогичные).Радиаторы не должны быть очень сложными (за исключением BD239 / 240), поскольку транзисторы имеют номинальную мощность, значительно превышающую требуемую. Несмотря на это, большой радиатор всегда лучше, чем меньший.

Из-за снижения напряжения питания операционных усилителей макс. Размах пикапа теперь будет около ± 12 В (размах), или мощность 18 Вт на нагрузке 4 Ом, или 9 Вт на нагрузке 8 Ом. Это значение мощности очень скромное, поэтому усилитель не будет очень громким. Чтобы получить систему, обеспечивающую заметную мощность, лучше использовать этот усилитель для би / триампинга с активными кроссоверами.Предполагая абсолютную максимальную мощность 20 Вт на 4 Ом, мы можем получить 40 Вт (60 Вт) при двухканальном (триамперном) усилении. Для стереосистемы это составляет 80 Вт (120 Вт) общей выходной мощности, что вполне достаточно для домашнего использования. Усилитель имеет довольно приличную частотную характеристику, а высокие частоты чрезвычайно четкие, поэтому рекомендуется использовать этот усилитель в системе с двойным / тройным усилением, а не отдельно. Для трехканальной системы (или двухканальной системы, в которой используется только высокочастотный динамик для средних и высоких частот), неполярный конденсатор 22 мкФ должен использоваться последовательно с выходом усилителя, питающего высокочастотный динамик.

---

Блок питания

Рисунок 2 — Блок питания

Производительность любой электронной системы в значительной степени зависит от источника питания, который она содержит, то есть от того, насколько хорошо регулируется подача и насколько хорошо она подавляет гудение / пульсации. Для этого усилителя можно было использовать любую топологию с двойным питанием, но, безусловно, лучшим источником питания является старый добрый мостовой выпрямитель / конденсаторная система с фильтром. Этот тип прост в сборке, прост в использовании, недорог и может иметь очень хорошее регулирование и подавление пульсаций за счет правильного выбора трансформаторов и фильтрующих конденсаторов.

Схема выше содержит 2 отдельные цепи трансформатор / выпрямитель / фильтр. Такая компоновка требует, чтобы выходные напряжения верхнего трансформатора были очень близки друг к другу (конечно, допустимы некоторые вариации, если конечные напряжения постоянного тока находятся в пределах от 0,5 В до 1 В друг от друга). Верхняя цепь предназначена для силовых транзисторов (высокий ток), а нижняя — для операционных усилителей (низкий ток). Единственным строгим требованием здесь является то, что верхний трансформатор должен обеспечивать ток не менее 5 ампер на каждом полупериоде выхода (это необходимо для хорошего регулирования, особенно когда усилитель работает на максимальной или близкой к ней мощности).

Показано, что верхний номинал трансформатора выше, чем фактически требуется (достаточно даже 2–3 ампер), так что этот источник питания можно использовать для систем с двойным / тройным усилением. Верхний трансформатор может быть блоком 15–0–15 В с разделенным центральным ответвлением для получения двух выходов 0–15 В. Для трансформатора 15–0–15 В потребуется, чтобы диоды имели номинал, по крайней мере, в два раза превышающий текущий. Использование его в качестве сдвоенного блока 0-15 В требует несколько меньших затрат на диоды. Лучше было бы использовать мост от 10 до 35 А для верхнего трансформатора.

Конденсаторы должны быть рассчитаны на 3 300 мкФ / 50 В или выше (более высокое значение улучшит подавление пульсаций и регулирование). Из-за топологии усилителя класса AB, усилитель по своей природе невосприимчив (более или менее) к плохому регулированию питания, и, следовательно, простого источника питания, такого как этот, более чем достаточно для этого применения. При сборке блока питания необходимо соблюдать осторожность, чтобы на входе не улавливался сетевой шум, а во избежание риска поражения электрическим током необходимо использовать надлежащую изоляцию.Этот источник питания можно использовать для обоих каналов стереосистемы, даже если они двух / трехканальные. В обход электролита конденсаторами емкостью 100 нФ нет необходимости, но вы можете это сделать, если хотите.

Примечания редактора:

1 Предлагаемые диоды 1N4007 не имеют достаточно высокого номинального тока, и я предлагаю диоды. Диоды для этой схемы в идеале должны быть рассчитаны на минимум и на 3А непрерывно.

2 Дополнительные сведения о конструкции источников питания см. В статье «Проектирование источников питания».

---

Транзистор, идентификация выводов ИС и радиатор в сборе

На рисунках 3 и 4 показаны выводы транзистора и вывод ИМС соответственно. Как и в случае с любой другой системой питания, этот усилитель также выделяет некоторое количество тепла в своих выходных устройствах, и они должны быть снабжены соответствующими средствами для отвода выделяемого тепла. Транзисторы BD245 / 246 должны быть установлены на соответствующих радиаторах, таких как показанный на рисунке 5. Коллекторы транзисторов должны иметь надлежащий тепловой (НЕ электрический) контакт с радиаторами.Между коллектором и радиатором должен быть зажат слюдяной изолятор. Кроме того, пластиковая сквозная шайба должна быть вставлена ​​в транзистор и монтажные отверстия так, чтобы винт, используемый для крепления транзистора к радиатору, был электрически изолирован как от коллектора, так и от радиатора. Использование некоторого состава для радиатора (своего рода пасты) на поверхностях слюдяного изолятора улучшает передачу тепла от коллектора к радиатору.

На этом завершается описание всего проекта.Я надеюсь, что читатель найдет, что представленный материал поможет в понимании усилителей в частности и электроники в целом. Для справки использовались следующие книги / материалы:

1) Интегрированная электроника от Millman & Halkias, Tata McGraw-Hill (ISBN 0-07-Y85493-9)
2) Сборник данных National Semiconductor Opamp.

---

---

Основной индекс Указатель проектов

Уведомление об авторских правах. Эта статья, включая, помимо прочего, весь текст и диаграммы, является интеллектуальной собственностью Рохита Балкишана и Рода Эллиотта и © 2001.Воспроизведение или переиздание любыми средствами, электронными, механическими или электромеханическими, строго запрещено международными законами об авторском праве. Автор (Рохит Балкишан) и редактор (Род Эллиотт) предоставляют читателю право использовать эту информацию только для личного использования, а также разрешают сделать одну (1) копию для справки при создании проекта. Коммерческое использование запрещено без письменного разрешения Рохита Балкишана и Рода Эллиотта.

Журнал изменений: страница создана, авторские права © Рохит Балкишан / Род Эллиотт 10 марта 2001 г./ Март 2021 г. — добавлены Рис. 1A и текст.

Что такое операционный усилитель?

Представление операционных усилителей ABLIC

1. Что такое операционный усилитель (операционный усилитель)?

Операционный усилитель — это интегральная схема, которая может усиливать слабые электрические сигналы.
Операционный усилитель имеет два входных контакта и один выходной контакт. Его основная роль заключается в усилении и выводе разности напряжений между двумя входными контактами.

2. Возможности операционного усилителя

Операционный усилитель не используется в одиночку, он предназначен для подключения к другим цепям для выполнения самых разнообразных операций. В этой статье приведены несколько типичных примеров использования схем с операционными усилителями.

● Обеспечивает значительное усиление входного сигнала

Когда операционный усилитель объединен со схемой усиления, он может преобразовывать слабые сигналы в сильные.Он ведет себя как мегафон, где входным сигналом является голос человека, а мегафон — это схема операционного усилителя. Например, такую ​​схему можно использовать для усиления минутных сигналов датчиков.
Обработка сигналов датчиков может быть дополнительно улучшена путем ввода усиленного сигнала в блок микроконтроллера * (MCU).
* Микроконтроллер… Компактный компьютер для управления электронными устройствами. Как мозг электронных устройств, микроконтроллеры работают в соответствии с входными сигналами.

● Позволяет устранить шум из входного сигнала

Действуя как фильтр входных сигналов, схема операционного усилителя может выделять сигнал с целевой частотой.Например, когда схема операционного усилителя используется для распознавания голоса или в диктофоне, она может извлекать частоты, близкие к целевому звуку, при этом исключая все другие частоты как шум. Схема операционного усилителя может быть настроена для выполнения широкого диапазона частот. такие функции, как арифметические операции или синтез сигналов.

3. Применение операционных усилителей

Как отмечалось выше, операционный усилитель практически никогда не используется отдельно.Подключив резисторы или конденсаторы, вы можете сконфигурировать схему, способную усиливать сигнал, фильтровать или выполнять арифметические операции схемы, описанные в «2. На что способен операционный усилитель ».

(1) Операции внутреннего операционного усилителя

Ниже описаны операции, выполняемые операционным усилителем в цепи. Давайте посмотрим, как операционный усилитель ведет себя в схеме усилителя, на примере схемы неинвертирующего усилителя.В дополнение к этому простому расчету при настройке схемы необходимо учитывать характеристики операционного усилителя. Этот момент описан далее в этом разделе в разделе «4. Выбор рабочего усилителя и объяснение терминов ».

(2) Примеры схем

Здесь мы описываем некоторые типичные применения операционных усилителей.

[Схема неинвертирующего усилителя]

Как объяснено в (1), это также схема для усиления и вывода входных сигналов.

[Схема инвертирующего усилителя]

Инвертирующая схема усилителя обозначена знаком минус. Если напряжение V _IN увеличивается, напряжение V _OUT уменьшается.

[Цепь повторителя напряжения]

Это схема неинвертирующего усилителя, в которой R2 замкнут накоротко (R2 = 0 Ом), а R1 разомкнут (R1 = бесконечность). Поскольку V _OUT = (1 + R2 / R1) × V _IN = (1 + 0Ω / ∞) × V _IN = V _IN , выходное напряжение равно входному сигналу.Повторитель напряжения используется в качестве буферной схемы для преобразования импеданса или для разделения цепей.

[Схема дифференциального усилителя]

Это схема для усиления и вывода разницы между двумя входными сигналами.

4. Выбор рабочего усилителя и объяснение терминов

Здесь мы будем использовать операционный усилитель ABLIC S-89630A в качестве примера того, что нужно проверить при выборе операционного усилителя и объяснения характеристик операционного усилителя.

(1) Проверьте рабочее напряжение.

[Диапазон рабочего напряжения источника питания]
Это диапазон рабочего напряжения источника питания на выводе VDD. Убедитесь, что напряжение источника питания находится в пределах диапазона рабочего напряжения операционного усилителя.

[Диапазон синфазного входного напряжения]
Диапазон напряжения сигнала, который может быть приложен к входным контактам. Операционный усилитель будет работать, пока входной сигнал находится в этом диапазоне.Операционный усилитель, диапазон синфазного входного напряжения которого покрывает V _SS — V _DD , называется «входным операционным усилителем Rail-to-Rail»; то есть операционный усилитель с отличным диапазоном входного напряжения сигнала.

(2) Проверьте частоту входного сигнала.

[Произведение на ширину полосы частот]
Определяет максимальную частоту, до которой операционный усилитель может усилить сигнал. Максимальная частота зависит от коэффициента (усиления), который вы используете для усиления сигнала.При коэффициенте усиления, равном единице (= 0 дБ), сигнал может быть усилен до максимальной частоты, так называемого произведения коэффициента усиления на ширину полосы частот.

График справа показывает, что при усилении, равном единице (= 0 дБ), максимальная частота, на которой усиление позволяет использовать S-89630A, составляет 1,2 МГц, а при усилении 10 (= 20 дБ) максимальная частота составляет 120 кГц. Убедитесь, что максимальная частота, до которой вы хотите усилить, находится в пределах диапазона коэффициента, с которым вы хотите усилить.

(3) Проверьте потребление тока.

[Потребление тока]
Указывает текущее значение, полученное с вывода VDD. Чем ниже это значение, тем больше вы можете снизить мощность системы. Обычно операционный усилитель с низким потреблением тока имеет также низкую частоту полосы пропускания усиления.

(4) Проверить точность усиления сигнала.

[Входное напряжение смещения]
Входное напряжение смещения представляет собой преобразование напряжения ошибки, генерируемого на выходе, во входное значение, когда входное напряжение равно 0 В.Это важный атрибут, влияющий на точность усиления операционных усилителей. Обычно, когда амплитуда напряжения входного сигнала порядка мВ, требуется входное напряжение смещения порядка мкВ. Это заставляет выбирать «операционный усилитель с дрейфом нуля » для обработки таких крошечных напряжений смещения.

5. Что такое усилитель с нулевым дрейфом?

Усилитель нулевого дрейфа — это операционный усилитель, который минимизирует входное напряжение смещения и дрейф входного напряжения смещения (0).Выбор операционного усилителя с нулевым дрейфом — очень эффективное решение для приложений, требующих высокоточного усиления сигнала.

Усилитель с нулевым дрейфом ABLIC

ABLIC имеет операционные усилители с нулевым дрейфом серий S-89630A и S-89713 для общего использования, а также усилители с нулевым дрейфом S-19630A и S-19611A для автомобильного использования.

S-89630A (для общего использования) и S-19630A (для автомобильного использования) операционный усилитель обеспечивает работу с нулевым дрейфом, широкий диапазон напряжения (4.0 — 36 В) и атрибуты низкого напряжения смещения.

Серия

S-89713 (для общего использования) и S-19611A (для автомобильного использования) обеспечивает работу с автоматическим дрейфом нуля при низком напряжении от 2,65 В и с низкими характеристиками напряжения смещения. Мы также предлагаем серию S-89713 (для общего использования) в сверхкомпактном корпусе (SNT-8A: размер 1,97 x 2,46 мм).

Если вам нужен операционный усилитель с нулевым дрейфом, настоятельно рекомендуются операционные усилители ABLIC.

Таблица выбора операционного усилителя

Представление операционного усилителя ABLIC

Основы работы усилителя

с 6 примерами схем

Операционные усилители, широко известные как операционные усилители, являются наиболее распространенным типом строительных блоков в аналоговой электронике.Операционные усилители используются для выполнения всех задач в области электроники — для создания усилителей мощности, чувствительных предусилителей, логарифмических усилителей, RC-генераторов, генерирующих синусоидальные, треугольные и прямоугольные сигналы, LC-генераторов, фильтров с большой крутизной кривой и многого другого.

СИМВОЛ OPAMP Пара с длинным хвостом — основа для операционного усилителя

Операционный усилитель имеет два входа: инвертирующий вывод (обозначен «-») и неинвертирующий вывод (обозначен «+»). И имеет единственный выход. Первый вход называется инвертирующим, потому что выходное напряжение обратно пропорционально напряжению, приложенному на инвертирующем входе, умноженному на коэффициент усиления схемы усилителя.Если мы подадим сигнал на неинвертирующий вход, мы получим тот же сигнал на выходе, умноженный на усиление.

Отрицательная обратная связь в операционном усилителе

В большинстве схем операционных усилителей используется отрицательная обратная связь, чтобы ограничить идеальный бесконечный коэффициент усиления операционного усилителя до желаемого значения. При отрицательной обратной связи выходной сигнал, который сдвинут по фазе на 180 ° по отношению к входу, подается обратно на тот же вход, обычно с помощью некоторой сети делителей. Это напряжение обратной связи с выхода, которое всегда имеет обратную полярность, чем входное напряжение, «подтягивает» фактический вход и делает общее входное напряжение меньше, чем напряжение, которое было фактически приложено на входе.

Отрицательная обратная связь в операционном усилителе

Эта обратная связь обеспечивает отличный контроль усиления операционного усилителя, так что коэффициент усиления схемы, использующей отрицательную обратную связь, определяется не коэффициентом усиления используемого устройства (операционный усилитель или транзистор), а самой обратной связью (при условии, что коэффициент усиления, определяемый обратной связью, равен значительно ниже, чем коэффициент усиления используемого устройства).

Параметры операционного усилителя

Идеальный операционный усилитель имеет бесконечное усиление без обратной связи (разомкнутый контур), нулевой шум, бесконечное входное сопротивление, нулевое выходное сопротивление, бесконечную скорость нарастания и бесконечную полосу пропускания.

Обычные операционные усилители, такие как легендарные LM741 или LM358, LM324 (LM358 в квадрате) и BA4558, имеют коэффициент усиления разомкнутого контура около 100000, полоса пропускания с единичным усилением около 1 МГц и входное сопротивление Ом. около 1 МОм.

Параметры шума сильно различаются от операционного усилителя к операционному усилителю. Типичные эквивалентные параметры входного шума с полосой пропускания 20 кГц, как и в аудиосхемах (напряжение шума зависит от полосы пропускания, чем выше ширина полосы, тем выше шум), ниже 7 мкВ (50 нВ / √Гц), LM741 имеет 2.9 мкВ (20 нВ / √Гц), BA4558 имеет 1,7 мкВ (12 нВ / √Гц) и даже 0,64 мкВ (4,5 нВ / √Гц) для μPC4570C.

ПРИМЕЧАНИЕ. Параметры шума могут быть измерены либо в мкВ в желаемой полосе пропускания, либо в нВ / √Гц, что представляет собой нановольт шума на входе, деленный на квадратный корень из ширины полосы.

Скорость нарастания — это скорость, с которой операционные усилители могут изменять свои выходные сигналы. Он измеряется в В / мкс или в том, насколько быстро может увеличиваться выходное напряжение за одну микросекунду. LM358 имеет скорость нарастания около 0,55 В / мкс.

Существует 3 основных конфигурации усилителя операционных усилителей с отрицательной обратной связью:

• Усилитель без обратной связи (компаратор / дифференциатор)
• Неинвертирующий усилитель. Буфер единичного усиления (повторитель напряжения)
• Инвертирующий усилитель

Усилитель без обратной связи

Этот тип усилителя является особенным, поскольку для ограничения усиления не используется отрицательная обратная связь. Сигнал может быть подан на любой вход, но другой вход должен быть заземлен.Если сигнал слабый, скажем, 10 мкВ, и наш операционный усилитель имеет коэффициент усиления без обратной связи 100 000, выходной сигнал будет 1 В.

Конфигурация операционного усилителя с разомкнутым контуром

Такое усиление редко требуется само по себе, оно также дает возможность возникновения паразитных колебаний. Если параметр усиления без обратной связи строго контролируется во время производства, операционные усилители одного и того же типа могут давать разное усиление без обратной связи. Усилитель без обратной связи может также использоваться в качестве аналогового компаратора.Фактически, компараторы — это в основном операционные усилители с другим названием.

Неинвертирующий усилитель

Неинвертирующий усилитель использует отрицательную обратную связь для уменьшения коэффициента усиления до необходимого значения. Таким образом, коэффициент усиления схемы определяется не коэффициентом усиления в разомкнутом контуре операционного усилителя, а набором резисторов обратной связи, что обеспечивает большую гибкость. Входной сигнал подается прямо на положительный вход усилителя, в результате чего входное сопротивление практически равно входному сопротивлению операционного усилителя на звуковых частотах.

Неинвертирующий усилитель

Отрицательная обратная связь и, следовательно, усиление (Av) устанавливаются соотношением резисторов R1 и R2 и всегда больше или равны единице.

Формула усиления для неинвертирующего усилителя

Буфер единичного усиления (повторитель напряжения) Буфер единичного усиления с использованием операционного усилителя

Частным случаем неинвертирующего усилителя является буфер единичного усиления, где вместо цепи обратной связи отрицательный вход подключается непосредственно к выходу.Это приводит к тому, что коэффициент усиления по напряжению равен единице (равен единице, A _v = 1). Эта конфигурация используется в активных звуковых фильтрах, операционных усилителях для наушников и везде, где есть необходимость в буферном каскаде с высоким входным импедансом. Эту схему можно сравнить с конфигурацией усилителя на транзисторах с общим коллектором.

Инвертирующий усилитель

Инвертирующий усилитель отличается от неинвертирующего усилителя гораздо более низким входным импедансом (равным значению R1), а выходной сигнал в инвертирующем усилителе инвертируется по отношению к входному сигналу.Если сигнал 1 В постоянного тока подается на инвертирующий усилитель с коэффициентом усиления 10, мы получаем на выходе сигнал -10 В постоянного тока. Для сигналов переменного тока процесс аналогичен, но можно сказать, что сигнал сдвинулся на 180 °, как в усилителе с общим эмиттером.

Схема инвертирующего операционного усилителя

Отрицательная обратная связь и, следовательно, усиление (Av) устанавливаются соотношением резисторов R2 и R1. Инвертирующая конфигурация допускает усиление как выше, так и ниже единицы.

Формула усиления для инвертирующего усилителя

Как и в других схемах операционного усилителя, напряжения на обоих входах оказываются одинаковыми (из-за свойств операционного усилителя).Следовательно, если положительный вход заземлен, отрицательный вход также будет заземлен или на 0 вольт. Теперь напряжение обратной связи с выхода комбинируется с входным напряжением, и, поскольку эти напряжения имеют противоположную полярность, результирующее напряжение равно нулю вольт, что объясняет низкий входной импеданс.

Разница между неинвертирующим и инвертирующим усилителями Разница между инвертирующим и неинвертирующим усилителями

В целом, как инвертирующие, так и неинвертирующие усилители могут обеспечить хорошие характеристики, единственная разница заключается во входном сопротивлении.Низкое входное сопротивление инвертирующего усилителя полезно там, где требуется заданное входное сопротивление, например, в системах, в которых используются линии передачи с заданным сопротивлением или LC-фильтры.

Неинвертирующий усилитель полезен там, где необходим высокий входной импеданс, например, в каскадах, следующих за активными фильтрами, генераторами, усилителями звука, усилителями постоянного тока, используемыми в вольтметрах и т. Д. Еще одним преимуществом инвертирующего усилителя является то, что коэффициент усиления может быть ниже. чем один, в отличие от неинвертирующего усилителя, у которого коэффициент усиления всегда больше единицы.

На всех схемах, представленных выше, показаны только резисторы обратной связи. Может возникнуть соблазн подумать, что это все, что вам нужно, чтобы операционный усилитель работал от одного источника питания, например, от одной батареи 9 В или 5 В от USB.

Операционный усилитель с однополярным питанием

Это не сработает, поскольку положительный (+) и отрицательный (-) входы никоим образом не смещены. Операционные усилители должны быть смещены так же, как транзисторы, когда они используют одиночный источник питания вместо двойного (также известного как биполярный) положительного и отрицательного источника питания (вот почему LM741 имеет V + и V-, а не только V + и GND).Чтобы смещать их должным образом, вам необходимо подключить резистор 100 кОм к источнику питания и еще 100 кОм к земле (если вы используете полевой транзистор или операционный усилитель с высоким входным сопротивлением, вы можете использовать два резистора 1 МОм). Если между выходом и входом подключен резистор, он будет смещать вход, поскольку напряжение постоянного тока на выходе операционного усилителя составляет примерно половину напряжения питания (4,5 В для источника питания 9 В), и это напряжение смещает усилитель.

Особым случаем является LM324, это операционный усилитель с однополярным питанием, что означает, что входы уже смещены и не нуждаются в каких-либо внешних резисторах, хотя в цепях переменного тока требуются конденсаторы, чтобы предотвратить присутствие этих напряжений смещения постоянного тока на входах. и выходы и в любом месте, где они не должны быть, а также там, где внешние резисторы обратной связи могут повлиять на смещение.

Неинвертирующий усилитель постоянного тока

Цель: Эту схему можно использовать для повышения селективности вашего мультиметра при измерении малых напряжений постоянного тока.

СХЕМА:

Схема неинвертирующего усилителя постоянного тока

НЕОБХОДИМЫЕ КОМПОНЕНТЫ:

РЕЗИСТОРЫ	ОПАМП ИС
R1 — 1к R2 — 10к R3 — 10 тыс.	U — LM741, TL081, TL071 или любой операционный усилитель, предназначенный для усилителей постоянного тока.

Работа неинвертирующего усилителя постоянного тока:

В этой схеме используется операционный усилитель LM741 BJT, но использование TL081 и 2,2 МОм может улучшить входное сопротивление примерно с 100 кОм до 1 МОм. Он имеет регулируемое усиление, которое может быть установлено на 10, для облегчения считывания выходного напряжения (1 мВ дает 10 мВ вместо 11 мВ для усиления 11 с резисторами 10 кОм и 100 кОм).

R1 — это элемент управления нулевым смещением — это триммер, который должен быть установлен на значение, поэтому напряжение на инвертирующем и неинвертирующем входе должно быть одинаковым.

R2 и R3 устанавливают усиление, и его следует установить на 10, чтобы было легче считывать напряжение. Его легко можно поставить с двумя батареями на 9 В, что делает его портативным.

Инвертирующая цепь предусилителя звука

Цель: Эта схема может действовать как предусилитель звука, либо сама по себе, либо как часть более крупного аудиоусилителя.

СХЕМА:

Инвертирующая схема предусилителя звука

НЕОБХОДИМЫЕ КОМПОНЕНТЫ:

РЕЗИСТОР	КОНДЕНСАТОР	Микросхема операционного усилителя
R1 — 100 тыс. R2 — 100 тыс. R3 — 10 тыс. R4 — 100 тыс.	C1 — 100 нФ C2 — 10 мкФ C3 — 100 нФ C4 — 470 мкФ при использовании телефона, 100 мкФ в противном случае	U — LM741, TL081, TL071, LM358, BA4558 или любой другой распространенный операционный усилитель, даже усилитель мощности, такой как TDA2030, может работать.

Работа инвертирующего предварительного усилителя звука:

Эта схема имеет усиление звука 10 и входное сопротивление 10 кОм. Его можно использовать в качестве предусилителя звука, отдельно или как часть более крупного аудиоусилителя. Его также можно использовать для управления парой наушников 32 Ом на 5 мВт или парой наушников с высоким сопротивлением 200 Ом на 40 мВт при питании 9 В и управлении с достаточно сильным сигналом. Такая низкая выходная мощность обусловлена ​​тем, что максимальный выходной ток LM741 составляет 25 мА, что типично для большинства операционных усилителей.Операционные усилители большей мощности дадут гораздо более высокую выходную мощность.

R1 и R2 смещают положительный вход (большинство операционных усилителей не могут работать с одним источником питания без смещения), C1 заземляет положительный вход для сигналов переменного тока (в инвертирующей конфигурации возможный вход должен быть заземлен для сигнала).

R3 и R4 обеспечивают отрицательную обратную связь, ограничивая коэффициент усиления до 10, кроме обратной связи R4 обеспечивают смещение к отрицательному входу, а R3 устанавливает входное сопротивление усилителя.

C3 развязывает блок питания от шума и пульсаций, его следует размещать как можно ближе к микросхеме усилителя.C4 пропускает через него только сигнал переменного тока, предотвращая прохождение любого напряжения постоянного тока на выходе операционного усилителя в динамик.

Схема предусилителя электретного микрофона

Цель: Эту схему можно использовать для усиления очень слабого сигнала (<10 мВ) электретного микрофона перед выходом на выход динамика.

СХЕМА:

Схема предусилителя электретного микрофона

НЕОБХОДИМЫЕ КОМПОНЕНТЫ:

РЕЗИСТОР	КОНДЕНСАТОР	Микросхема операционного усилителя
R1 — 10 тыс. R2 — 220 кОм R3 — 220 кОм R4 — подстроечный резистор 100 кОм R5 — 2.2к	C1 — 100 нФ C2 — 4,7 мкФ C3 — 100 нФ C4 — 100 мкФ C5 — 470 мкФ для наушников, 1000 мкФ для 8 Ом, 2200 мкФ для 4 Ом	U — BA4558, RC4558, LM741, TL081, TL071, LM358 или любой другой обычный операционный усилитель.

Работа цепи предусилителя электретного микрофона:

Коэффициент усиления по напряжению в этой цепи регулируется с помощью R4 от примерно 45 до 1.Вы можете заменить R4 резистором с заданным значением, если вы знаете требуемое усиление, но оно должно быть меньше 220 кОм.

R1 смещает электретный микрофон (M, из-за природы электретных микрофонов на них необходимо подавать питание, так как внутри них находится полевой транзистор).

C1 предотвращает влияние напряжения смещения постоянного тока из-за низкого сопротивления микрофона, в то время как R2 и R3 смещают положительный вход операционного усилителя. C3 фильтрует и развязывает источник напряжения и предотвращает паразитные колебания, R4 обеспечивает смещение на отрицательном входе, в то время как R4 и R5 вместе устанавливают отрицательную обратную связь и, следовательно, усиление.

C2 предотвращает влияние резистора R5 на смещение постоянного тока, поскольку его низкое сопротивление снижает отрицательное входное смещение с половины напряжения питания до долей вольта. C4 блокирует постоянное напряжение на выходе усилителя и пропускает только усиленный микрофонный сигнал переменного тока.

Схема усилителя мощности звука класса AB

Цель: Эта простая схема представляет собой законченный аудиоусилитель, который может дать серьезную выходную мощность.

СХЕМА:

Полная схема усилителя мощности звука класса AB

НЕОБХОДИМЫЕ КОМПОНЕНТЫ:

РЕЗИСТОР	КОНДЕНСАТОР	Микросхема операционного усилителя
R1 — 47 кОм логарифмический (B) R2 — 220 кОм R3 — 220 кОм R4 — 100 кОм R5 — 470	C1 — 100 нФ C2 — 47 мкФ C3– 1000 мкФ C4 — 100 нФ C5 — 470 мкФ для наушников, 1000 мкФ для 8 Ом, 2200 мкФ для 4 Ом	Q1, Q2 — Оба транзистора совпадают (примерно одинаковый hFE) U (IC) — Лучшие операционные усилители TL082 / TL072 и другие операционные усилители с высокой скоростью нарастания напряжения для наименьших искажений, BA4558 или любые операционные усилители 4558 также будут работать, LM358 будет работать, но с гораздо худшими высокочастотными характеристиками (искажение выше 5 кГц).Распиновка у всех одинаковая.

Рабочий класс AB Схема усилителя мощности звука:

В этой схеме используется двойной операционный усилитель, первая секция — это предусилитель с коэффициентом усиления около 200, вторая используется как драйвер с единичным усилением, который управляет силовыми транзисторами Q1 и Q2.

Очень сильная отрицательная обратная связь гарантирует, что звук не будет искажен.

R1 — регулятор громкости, R2 и R3 смещают положительный вход первого операционного усилителя.R4 и R5 устанавливают усиление предусилителя, при этом R4 также смещает отрицательный вход, C2 блокирует постоянный ток, в противном случае напряжение смещения постоянного тока будет уменьшено за счет R4 и R5, действующих как делитель напряжения, и усилитель не будет работать. C3 и C4 развязывают питание от шума и гула 50 Гц. C5 блокирует постоянный ток и пропускает только усиленный аудиосигнал переменного тока на динамик.

Используемые транзисторы в зависимости от требуемой выходной мощности:

• 2N3904 и 2N3906 для 50 мВт при 4 Ом и 100 мВт при 8 Ом (питание 5–9 В),
• BD139 и BD140 для 4 Вт при 4 Ом и 7 Вт при 8 Ом (12 В)
• TIP120, TIP125 до 20 Вт при 4 Ом и 12 Вт при 8 Ом (12 В, больше при 24 В)

Активный фильтр нижних частот, 3000 Гц для радиосвязи:

Цель: Эта схема действует как фильтр нижних частот 3000 Гц и усилитель.

СХЕМА:

Активный фильтр нижних частот, 3000 Гц для радиосвязи

НЕОБХОДИМЫЕ КОМПОНЕНТЫ:

РЕЗИСТОР	КОНДЕНСАТОРЫ	Микросхема операционного усилителя
R1 — 22 кОм R2 — 10 кОм R3 — 100 кОм R4 — 100 кОм R5 — 47 кОм R6 — 4.7 кОм	C1 — 2,2 нФ C2 — 100 нФ C3– 10 нФ C4 — 100 нФ C5 — 100 нФ	Opamp Ic (U) — BA4558, RC4558, TL082, TL072, LM358 или любой другой обычный двойной операционный усилитель.

Работа усилителя с активным фильтром нижних частот 3000 Гц:

Первый операционный усилитель формирует активный фильтр Саллена-Ки с гораздо большей производительностью, чем простой RC-фильтр (5 дБ / 1 кГц против 1.Спад на 6 дБ / кГц выше макс. частота). Второй операционный усилитель обеспечивает усиление около 11 и может использоваться для подключения пары наушников (с сопротивлением более 10 Ом) или другого каскада аудиоусилителя. После каскада активного фильтра необходим усилитель, потому что, если на фильтр будет загружена нагрузка с низким импедансом, характеристики фильтра значительно ухудшатся.

R1, R2, C1 и C3- устанавливает отрицательную обратную связь, частоту среза и добротность (насколько резкий фильтр) фильтра.C2 предотвращает попадание постоянного напряжения на вход.

R3 и R4 смещают положительный вход фильтра, отрицательный вход смещается от выхода фильтра (выход имеет половину напряжения питания, что идеально для смещения входа).

R5 и R6 обеспечивают отрицательную обратную связь и устанавливают коэффициент усиления (), C4 блокирует поток постоянного тока через R6, который может изменить отрицательное входное смещение. Положительный вход не имеет резисторов смещения, потому что он смещен выходом первого операционного усилителя (выход операционного усилителя обычно имеет половину напряжения питания, как раз то, что нам нужно для смещения входа).

C5 разъединяет источник питания и предотвращает паразитные колебания, тогда как C6 позволяет отфильтрованному усиленному входному сигналу на выход, одновременно предотвращая любое смещение постоянного тока.

Осциллятор релаксации

Цель: построить схему релаксационного генератора с использованием LM741. Релаксационный генератор представляет собой очень простую схему генератора, которая дает высокую выходную амплитуду с прямоугольной формой волны.

СХЕМА:

Схема осциллятора релаксации с использованием операционного усилителя

НЕОБХОДИМЫЕ КОМПОНЕНТЫ:

РЕЗИСТОРЫ	КОНДЕНСАТОРЫ	Микросхема операционного усилителя
R1 — 22 кОм R2 — 22 кОм R3 — 47 кОм логарифмический (B)	C1 — 10 мкФ C2 — 100 нФ C3 — 100 нФ C4 — зависит от необходимой частоты C5 — 100 мкФ C6 — 100 нФ	Opamp IC (U) — LM741, TL081, TL071, LM358, BA4558 или любой другой обычный операционный усилитель.Высокоскоростные и высокочастотные типы, такие как TL081, TL071, предпочтительнее 100 кГц.

Работа цепи генератора релаксации:

Релаксационный генератор представляет собой очень простую схему генератора, которая дает высокую выходную амплитуду с прямоугольной формой волны. С потенциометром 47 кОм он может работать от долей Гц до сотен кГц, при этом изменяются только значения C4, в зависимости от желаемого диапазона частот.Частота колебаний определяется по следующей формуле: где f в герцах, R в омах и C в фарадах.

Формула частоты генератора операционного усилителя

В отличие от всех других схем, генераторы используют положительную обратную связь, здесь она применяется от выхода к положительному входу, аналогично тому, как отрицательная обратная связь используется в неинвертирующих усилителях.

R1 и R2 обеспечивают положительную обратную связь, C2 и C1 предотвращают прохождение постоянного тока через R1 на землю, а также не позволяют R1 и R2 действовать как делитель напряжения для положительного входа — это может вызвать недостаточное смещение входа (вместо получения половины напряжение питания, которое ему нужно, он получит, потому что R1 и R2 делят напряжение пополам, и у нас уже есть половина питания на выходах), и операционный усилитель может работать неправильно.

Конденсатор емкостью 100 нФ (C2) подключен параллельно C1, поскольку электролитические конденсаторы плохо работают на частотах выше 20 кГц — это предотвращает искажение прямоугольной волны на высоких частотах. C3 отделяет источник питания от помех, вызванных генератором, и предотвращает высокочастотный «звон» на выходной прямоугольной волне и паразитные колебания на частотах, отличных от той, которую мы хотим генерировать.

C4 и R3 определяют частоту колебаний, при этом R3 также смещает отрицательный вход операционного усилителя.C5 и C6 передают сгенерированный сигнал, останавливая постоянное напряжение на выходе. Как и в случае с конденсаторами C1 и C2, использование конденсатора емкостью 100 нФ параллельно с электролитическим конденсатором улучшает частотную характеристику. Этот генератор не дает идеальной прямоугольной волны с идеальным рабочим циклом 50% — если требуется идеальный рабочий цикл 50%, R2 следует заменить потенциометром / триммером 22k или 10k.

ИСТОЧНИКИ:

Дуглас Селф — «Электроника для винила»

Стэн Гибилиско и Саймон Монк — «Научитесь электричеству и электронике, шестое издание», McGraw-Hill Education, 2016, ISBN 978-1-25-958553-1

Несколько авторов — «Poradnik Radioamatora, Wydanie other zmienione», WKŁ, Варшава, 1983, ISBN 83-206-0307-2

Электроника-заметки.com

Википедия

Техас-инструменты (1)

Техас-инструменты (2)

Sim.okawa-denshi

CircuitDigest

Электроника-Учебники

Неправильная последовательность мощности в операционных усилителях: анализ рисков

Введение

В системах с несколькими напряжениями питания мощность операционного усилителя поставки должны быть установлены одновременно с любым вводом или до него. сигналы применяются. Если этого не происходит, перенапряжение и фиксация условия могут возникнуть.

Однако это иногда может быть трудно выполнить в реальном мире. Приложения. В этой статье рассматривается активность операционных усилителей в различные ситуации последовательности мощности (см. Таблицу 2), анализ возможных вопросы и предлагает некоторые предложения.

Проблемы с последовательностью питания могут варьироваться

Существует ряд различных сценариев, в которых возникают проблемы с последовательностью питания. может возникнуть. Например, в одном клиентском приложении AD8616 может быть настроенным как буфер, вход 0 В до того, как источники питания установлен (Рисунок 1), а отрицательный источник питания включается до положительное питание (отрицательная мощность присутствует, а положительная мощность отсутствует).

Рис. 1. Тестовая схема AD8616 при подаче напряжения –3 В V– и отсутствии напряжения V +.

Таблица 1 показывает результаты всех выводов AD8616 в таких условиях. Перед V + приложено, напряжение на выводах V + и OUT отрицательное. Это может не повредить операционный усилитель, но если эти сигналы подключены к клеммам на других микросхемах, которые не были полностью запитаны (например, если предположить АЦП использует тот же V +, и его вывод питания обычно допускает только –0,3 В минимальное напряжение) микросхемы могут быть повреждены. Похожая проблема произойдет, если V + будет включен до V–.

Таблица 1. Напряжение на выводах AD8616 при подаче напряжения –3 В V– и отсутствии напряжения V +

Контакт1: OUTA	Контакт2: –INA	Контакт3: + INA	Pin4: В–	Pin5: + INB	Pin6: –INB	Pin7: OUTB	Pin8: В +
–1.627	–1,627	–0,959	–3,000	–0,959	–1,627	–1,627	–1,627

В таблице 2 показаны некоторые возможные ситуации при последовательном включении питания.

Таблица 2. Возможные ситуации при последовательном включении питания

	IN	В +	В–	Мощность усилителя с нагрузкой	Выход усилителя с нагрузкой
Корпус 1	Плавающий Плавающий	Присутствует Отсутствует	Отсутствует Присутствует	Нет Нет	Нет Нет
Корпус 2	0 В 0 В	Присутствует Отсутствует	Отсутствует Присутствует	Нет Нет	Нет Нет
Корпус 3	Положительное или отрицательное Положительное или отрицательное	Присутствует Отсутствует	Отсутствует Присутствует	Нет Нет	Нет Нет
Корпус 4	Положительное или отрицательное Положительное или отрицательное Положительное или отрицательное Положительное или отрицательное	Присутствует Присутствует Отсутствует Отсутствует	Отсутствует Отсутствует Присутствует Присутствует	Да Нет Да Нет	Нет Да Нет Да

Электростатические разрядные диоды в операционных усилителях

Электростатический разряд также может привести к перенапряжению.Большинство оп В усилителях есть внутренний диод ESD для предотвращения электростатических разрядов. Диоды ESD могут предоставить ключ к анализу активности, когда V + или V– отсутствующий. На рисунке 2 представлена ​​упрощенная блок-схема ADA4077 / ADA4177. В таблице 3 показано типичное падение напряжения внутренних цепей ADA4077-2 / ADA4177-2. ESD-диоды и встречные диоды. Обратите внимание, что диоды, соединенные спиной к спине помещаются между двумя входными клеммами операционных усилителей, чтобы зажимать максимальный дифференциальный входной сигнал.

Рис. 2. Упрощенная блок-схема ADA4077 / ADA4177.

Таблица 3. Внутренний диод операционного усилителя

	ADA4077	ADA4177
D1	0,838	Неизвестно
D2	0,845	Неизвестно
D3	0,837	Неизвестно
D4	0.844	Неизвестно
D5	Неизвестно	Неизвестно
D6	Неизвестно	Неизвестно
D7	0,841	0,849
D8	0,842	0,849

Также обратите внимание, что когда цифровой мультиметр используется для измерения D5 / D6 ADA4077-2, он не показывает диода между двумя входными клеммами.На самом деле есть две серии резисторов перед вставными диодами для ограничения входного тока менее ± 10 мА. Внутренние резисторы и встречные диоды ограничивают дифференциал. входное напряжение до ± Vs для предотвращения пробоя перехода база-эмиттер.

В ADA4177 ячейки OVP интегрированы для повышения надежности. Они размещены перед диодами ESD и задними диодами, поэтому трудно измерить эти диоды по DMM. Выходные диоды ESD ADA4177 могут быть измерены.

Настройка оценки

Рисунок 3 используется для измерения активности операционного усилителя.Канал А и Канал B настроен как буфер, а канал B — неинвертирующий. вход подключен к GND резистором 100 кОм. Сделав V + отсутствующим (V– присутствует) или V + присутствует (V– отсутствует), входные и связанные с мощностью переменные могут быть измерены амперметрами и вольтметрами. Анализируя эти переменные, мы можем определить текущий путь потока.

Рисунок 3. Установка для проверки последовательности питания.

Случай 1: входной сигнал плавающий

В таблице 4 показаны результаты для плавающего входа и одного отсутствующего питания.Когда V– присутствует, а V + отсутствует, на выводе V + присутствует отрицательное напряжение. Когда V + присутствует, а V– отсутствует, на выводе V– есть положительное напряжение.

Тестирование ADA4077-2 и ADA4177-2 показало аналогичные результаты. Не большой токи наблюдаются на входных контактах и ​​контактах питания, а операционный усилитель с плавающим входом остается безопасным при отсутствии шины питания.

Случай 2: вход заземлен

Таблица 5 показывает результаты, когда вход заземлен. Примечание для IB +, a отрицательное значение означает, что ток выходит из клеммы + IN.Для IOUT, отрицательное значение означает, что текущий поток выходит из клеммы –IN.

Таблица 4. Результаты ADA4077-2 / ADA4177-2 с плавающим входом

	Состояние	В +	В–	ISY + (мА)	ISY– (мА)	IB + (мА)	IOUT (мА)	В (В)	ВЫХ (В)
ADA4077-2	Вся мощность	15	–15	1.02	1.01	–0,00005	0,00007	0,001	–0,008
	В + отсутствует	–13,1	–15	0	0,12	–0,00001	0,001	–13,73	–14,42
	V– отсутствует	15	13.06	0,15	0	–0,00001	0,001	12,93	13,62
ADA4177-2	Вся мощность	15	–15	0,98	0,96	–0,00001	0,00002	0	0.001
	В + отсутствует	–14,26	–15	0	0,14	–0,00002	0,00137	–13,77	–13,78
	V– отсутствует	15	12,96	0,14	0	–0.00001	–0,00039	12,26	12,31

Таблица 5. Результаты ADA4077-2 / ADA4177-2 с заземленным входом

	Состояние	В +	В–	ISY + & (мА)	ISY– (мА)	IB + (мА)	IOUT (мА)	В (В)	ВЫХ (В)
ADA4077-2	Вся мощность	15	–15	1.01	1	–0,00005	0,00001	0	–0,019
	В + отсутствует	–0,846	–15	0	2,30	2.300	–1.60	–0,017	–2,68
	V– отсутствует	15	0.847	1,78	0	–1,758	1.064	0,12	2,116
ADA4177-2	Вся мощность	15	–15	0,98	0,96	–0,00001	0,00002	0	0
	В + отсутствует	–11.99	–15	0	9,3	9,300	–0.200	–0,068	–11,98
	V– отсутствует	15	1,848	1,84	0	–1,823	0,067	0,013	1.851

Если взять ADA4077-2 с отсутствующим V + в качестве примера, V + прикреплен к VIN напряжение на диоде ESD.

• VIN подключается к V + через фиксирующий диод ESD, поэтому, когда VIN равен 0 В, V + составляет –0,846 В.
• Контур протока тока: как показано красным на рисунке 4, ток 0,7 мА течет от GND (+ IN) к V +. Ток 1,6 мА течет от GND (+ IN) через внутренний резистор D5 и цепь обратной связи между –IN и OUT, ток поступает на выходной терминал.Наконец два течения (0,7 мА и 1,6 мА) в совокупности составляют –15 В, а комбинированный ток течет обратно на GND (+ IN).

Результаты аналогичны для ADA4177-2 и ADA4077-2. Обратите внимание, что в ADA4177-2 D1 реализован эмиттерной базой бокового PNP-транзистор. Транзистор направляет ток перенапряжения от V + к V–. Схема ADA4177 на рисунке 4 показывает ток 9,1 мА. от V + обратно к V– и в сочетании с током 0,2 мА в обратной связи path, в результате будет 9.Ток 3 мА течет до –15 В, затем ток течет обратно к GND.

Не наблюдается больших токов на входных контактах и ​​контактах питания ни для одного из ADA4077-2 или ADA4177-2 (Таблица 5). Эти операционные усилители могут выдерживать любой порядок последовательностей PU с усилением +1 с заземленным + IN.

Случай 3: с вводом

Положительный или отрицательный сигнал (+10 В или –10 В) подается на клемму + IN. когда одна сила отсутствует. Таблица 6 показывает отсутствие большого тока, поэтому эти операционные Усилители могут выдерживать любой порядок последовательностей PU с усилением +1 с + IN заземлен на короткий срок.

Анализ пути прохождения тока аналогичен случаю 2 (вход 0 В), см. Рисунок 5.

Рисунок 4. Токовый путь ADA4077 / ADA4177 при отсутствии V + (вход заземлен). Рисунок 5. Токовый путь ADA4077 / ADA4177 при отсутствии V + (вход 10 В).

Таблица 6

	Состояние	В +	В–	ISY + (мА)	ISY– (мА)	IB + (мА)	IOUT (мА)	В (В)	ВЫХ (В)
ADA4077-2	Вся мощность	15	–15	1.03	1.01	0,00098	–0,00003	10	9,97
	В + отсутствует и положительный вход	9,14	–15	0	2,4	2,396	–1,653	9,99	7,3
	В + отсутствует и отрицательный вход	–10.83	–15	0	2,41	2.308	–1,651	–10,02	–12,66
	В– отсутствует и положительный вход	15	10,83	1,81	0	–1,689	1.055	10.02	12,09
	В– отсутствует и отрицательный вход	15	–9,15	1,77	0	–1,759	1.031	–9,99	–7,88
ADA4177-2	Вся мощность	15	–15	1.02	1	–0,00099	–0,00009	9,99	9,97
	В + отсутствует и положительный вход	–9.09	–15	0	8,86	8,866	–0,113	9,92	–9,06
	В + отсутствует и отрицательный вход	–12.33	–15	0	4,31	4,18	–0,039	–10,02	–12,32
	В– отсутствует и положительный вход	15	11,42	1,33	0	–1,2	0.056	9,99	11,43
	В– отсутствует и отрицательный вход	15	–8,33	1,51	0	–1,492	0,062	–9,97	–8,32

Случай 4: с входом и с нагрузкой при мощности / выходе

В реальном приложении схема операционного усилителя может работать с другой схемой.Например, выход операционного усилителя может управлять нагрузкой, или мощность операционного усилителя Источник может также питать другие цепи. Это может вызвать проблемы.

В этом тесте резистор 47 Ом подключен между выходом и GND или отсутствие контактов питания и GND. В таблице 7 показаны результаты испытаний для ADA4077. Красные токи выделены красным. Три возможных ситуации может представлять опасность при отсутствии V +:

Ситуация 1: Когда на входе 10 В, а нагрузка на ВЫХОД 47 Ом, на выходе 1.373 В. Когда на выходном контакте операционного усилителя протекает ток 23 мА (см. Рисунок 6), путь тока составляет:

• Источник входного сигнала, ток 30,2 мА
• Прохождение тока 24 мА через D1 в V + и ток 6,2 мА через D5 и путь обратной связи на OUT
• Ток 24 мА от V + делится на 1 мА (для V–) и 23 мА (для OUT)
• Прохождение тока 29,2 мА через нагрузку 47 Ом на GND

Ток нужно ограничить.При добавлении резистора 1 кОм к + IN входной ток снижается до 6,8 мА.

Ситуация 2: Когда на входе 10 В и нагрузка V + составляет 47 Ом, ток 170 мА течет в ADA4077-2 и выходит из контакта V + на нагрузку 47 Ом. Ток 170 мА сожжет внутренний диод и повредит микросхему. При добавлении резистора 1 кОм к + IN входной ток уменьшается до 8,9 мА. На рисунке 7 показан текущий путь потока.

Таблица 7. ADA4077 с нагрузкой на выходном контакте или отсутствующим контактом питания

ADA4077-2	Состояние	В (В)	В +	В–	ISY + (мА)	ISY– (мА)	IB + (мА)	IOUT (мА)	ВЫХ (В)
В + отсутствует	Vo или V + без нагрузки / положительный вход	9.99	9,14	–15	0	2,4	2,396	–1,653	7,3
	Vo 47 Ом к земле	9,98	8,77	–15	0	1,00	30,22	–6,174	1.373
	Vo 47 Ом к земле и 1 кОм	9,98	2,389	–15	0	0,76	6,828	–2,104	0,284
	В + 47 Ом к земле	9,59	8,01	–15	170	5.05	175	–5,0	6,06
	В + 47 Ом на землю и 1 кОм	9,94	0,295	–15	6,27	2,69	8,96	–2,69	–1,876
	Vo или V + без нагрузки / отрицательный вход	–10.02	–10,83	–15	0	2,41	2.308	–1,651	–12,66
	Vo 47 Ом к земле	–9,97	–3,226	–15	0	48,6	–4,65	4,885	–2.501
	Vo 47 Ом к земле и 1 кОм	–10,02	–10,83	–15	0	14,30	2,284	–1,629	–0,563

Рисунок 6. Токовый путь ADA4077 при отсутствии V + (вход 10 В и выходная нагрузка 47 Ом). Рисунок 7. Токовый путь ADA4077 при отсутствии V + (вход 10 В и силовая нагрузка 47 Ом).

Ситуация 3: Когда входной сигнал отрицательный (–10 В), а нагрузка на выходе составляет 47 Ом. (см. Рисунок 8), через чип. Это будет генерировать мощность 48 мА × (–2,5 В + 15 В) = 0,6 Вт. диссипация. Учитывая 158 ° C / Вт θJA ADA4077-2, соединение температура на 94,8 ° выше температуры окружающей среды. Если есть два канала или большая нагрузка, температура перехода может быть выше 150 °, и чип может быть поврежден.

Вместо добавления токоограничивающего резистора на входе резистор следует добавить на выходе.

Когда V + присутствует, а V– отсутствует, происходит то же самое. Добавив внешние резисторы для ограничения тока, схема может будь более крепким.

Для ADA4177-2 применима только ситуация 3. Когда есть большой негатив вход и большая нагрузка на выходе одновременно, и когда V + отсутствует и через микросхему протекает ток 53 мА, рассеиваемая мощность может быть увеличена, и температура перехода увеличится (см. к рисунку 9). Добавив на выходе резистор 1 кОм, можно избежать риска.

Из двух операционных усилителей ADA4177-2 более надежен, чем ADA4077-2. это предпочтительный выбор для приложений, требующих как точности, так и надежности.

Другая активность операционного усилителя при секвенировании мощности

Среди операционных усилителей есть различные реализации диодов, резисторов, и клетки OVP. Некоторые операционные усилители не имеют внутренних ячеек OVP, некоторые — нет. встык диоды. Другая реализация приведет к другому результаты, если один блок питания отсутствует. Кроме того, различные конструкции операционных усилителей может дать разные результаты.

Например, ADA4084-2 не имеет внутреннего токоограничивающего резистора или OVP. ячеек, и он имеет диоды ESD, подключенные к источнику питания и диоды. В таблице 9 и на рисунке 10 показаны результаты, когда V + отсутствует и есть это вход 10 В. Активность и текущий путь ADA4084 аналогичны таковым у ADA4084. ADA4077-2 и ADA4177-2 (обсуждалось ранее в случае 3). Тем не мение, поскольку ADA4084 не имеет внутреннего резистора или ячейки OVP для ограничения тока, В микросхему будет протекать ток 60 мА, что может вызвать повреждение.

Рисунок 8. Токовый тракт ADA4077 при отсутствии V + (–10 В на входе и 47 Ом выходная нагрузка). Рисунок 9. Токовый тракт ADA4177 при отсутствии V + (–10 В на входе и 47 Ом выходная нагрузка). Рисунок 10. Токовый тракт ADA4084 при отсутствии V + (вход 10 В).

Таблица 8. ADA4177 с нагрузкой на выходном контакте или отсутствующим контактом питания

ADA4177-2	Состояние	В (В)	В +	В–	ISY + (мА)	ISY– (мА)	IB + (мА)	IOUT (мА)	ВЫХ (В)
В + отсутствует	Vo или V + — плавающий и отрицательный вход	–10.02	–12,33	–15	0	4,31	4,18	–0,039	–12,32
	Vo 47 Ом к земле	–9,97	–3,218	–15	0	51,53	–2,473	2.632	–2,543
	Vo 47 Ом к земле и 1 кОм	–10	–10,4	–15	0	9,10	–0,003	0,147	–0,428

Таблица 9

ADA4084-2	Состояние	В +	В–	I + (мА)	I– (мА)	IB + (мА)	IOUT (мА)	В (В)	ВЫХ (В)
	Вся мощность	15	–15	1.38	1,37	–0,001	–0,0001	10	9,98
	В + отсутствует и положительный вход	8,71	–15	0	60,1	60.102	–51,89	9,56	7,99

В системных приложениях разные операционные усилители, разная топология (например, неинвертирующее усиление, инвертирующее усиление и разностное усиление), различная нагрузка, и могут быть реализованы внешние подключения.Если один блок питания отсутствует, необходимо оценить риски. эта статья может предоставить руководство по настройке схемы оценки (Рисунок 2), как проанализировать текущий путь и оценить потенциальные риски.

Сводка

Во избежание перенапряжения или защелкивания мощность операционного усилителя поставки должны быть установлены одновременно. Общие рекомендации:

• Во время последовательности включения сначала включите питание, затем примените сигнал на входе
• Во время выключения питания сначала выключите входной сигнал, затем выключите блок питания

В реальных приложениях эти рекомендации могут быть трудными для соблюдения.Это может вызвать проблемы, особенно при наличии входного сигнала и дизайнерам необходимо правильно оценить риск. Эффективное решение — попробовать чтобы ограничить входной ток операционного усилителя, чтобы он находился в пределах спецификации в данных простыня. Добавление токоограничивающего резистора на входе и выходе может помочь в приложения, в которых нельзя одновременно подавать питание.

Мы протестировали три операционных усилителя ADI при отсутствии источника питания. (ADA4084-2, ADA4077-2 и ADA4177-2). При интеграции с внутренним резисторы, ADA4077-2 оказался очень надежным.ADA4177, когда интегрирован со схемой OVP, обеспечивает лучшую надежность. В приложениях где питание может отсутствовать, а внешние токоограничивающие резисторы не могут Чтобы избежать снижения точности, рекомендуется использовать ADA4177.

использованная литература

Технические данные

ADA4077. Analog Devices, Inc.

Технические данные

ADA4177. Analog Devices, Inc.

Аркин, Майкл и Эрик Модика.«Надежные усилители обеспечивают интегрированную защиту от перенапряжения». Аналоговый диалог , Volume 46, Number 1, 2012.

Бланшар, Поль и Брайан Пеллетье. «Использование диодов ESD в качестве фиксаторов напряжения». Аналоговый диалог , Volume 49, Number 10, 2015.

Для получения дополнительной информации об ADA4177 и ADA4077 см. Страницы продуктов и спецификации здесь: ADA4177 и ADA4077.

Усилитель мощности BJT с драйвером операционного усилителя

Усилитель мощности BJT с драйвером операционного усилителя:

Усилитель мощности BJT с работой схемы драйвера операционного усилителя — Мощность класса AB, показанная на рис.18-39 использует операционный усилитель (A ₁ ) для входного каскада. Резисторы R ₄ и R ₅ вместе с двумя диодами обеспечивают смещение для дополнительного выходного каскада BJT эмиттерного повторителя. Отрицательная обратная связь по постоянному току 100% через R ₃ поддерживает выход do на том же уровне, что и op. неинвертирующий вход -ампер, который заземлен через R ₁ . Общая отрицательная обратная связь по переменному току через R ₂ и R ₃ управляет усилением переменного напряжения усилителя.

Промежуточный каскад (смещение выходного сигнала) не производит усиления. Вместо этого резисторы R ₄ и R ₅ обеспечивают активное подтягивание транзисторов Q ₁ и Q ₂ . Когда выход операционного усилителя на соединении D ₁ и D ₂ увеличивается в положительном направлении, A ₁ подает ток через D ₂ и R ₅ . Таким образом, падение напряжения на R ₄ уменьшается, что позволяет ему подтягивать базу Q ₁ до необходимого уровня, одновременно подавая увеличенный базовый ток на Q ₁ .Это проиллюстрировано на примерах уровней напряжения, показанных на Рис. 18-40 (a). Обратите внимание, что Q ₂ смещается, когда выходное напряжение достигает своего положительного пика.

Рисунок 18-40 (b) иллюстрирует ситуацию, когда выход операционного усилителя перемещается в отрицательном направлении. A ₁ протягивает ток через R ₄ и D ₁ , оставляя R ₅ для опускания базы Q ₂ до необходимого уровня напряжения при подаче увеличенного базового тока.Транзистор Q ₁ в это время смещен, как показано на примерах уровней напряжения.

Схема на рис. 18-39 не предусматривает регулировки тока смещения в выходных транзисторах. Однако падения напряжения на диоде смещают Q ₁ и Q ₂ , по крайней мере, в слаботочное состояние включения. Хотя этого может показаться недостаточно для полного устранения перекрестных искажений, следует напомнить (из уравнения 13-28), что общая отрицательная обратная связь (NFB) снижает искажения в раз (1+ A _v B), где A _v — это коэффициент усиления разомкнутого контура, а B — коэффициент обратной связи.Таким образом, высокое усиление разомкнутого контура операционного усилителя сильно ослабляет перекрестные искажения, которые были бы представлены без NFB.

Использование загрузочных конденсаторов:

Сопротивление (равных резисторов) R ₄ и R ₅ (на рис. 18-39) ограничено необходимостью подачи тока базы на выходные транзисторы. Расчет R _C уже определен R ₄ и R ₅ . Также существует потребность в минимальном падении напряжения на R ₄ и R ₅ для создания тока базы.Здесь снова это уже показано, где V _{RC (min)} — минимальное падение напряжения на R _C . Это требование к минимальному напряжению резистора удерживает максимальное пиковое выходное напряжение усилителя значительно ниже уровня напряжения питания и, таким образом, ограничивает эффективность усилителя.

Ситуацию можно существенно улучшить, используя конденсаторы начальной загрузки (C ₃ и C ₄ ), показанные на рис. 18-41. Резисторы R ₄ и R ₅ разделены на два резистора равного номинала (R ₈ R ₉ и R ₁₀ R ₁₁ ), как показано, и конденсаторы возвращают выходное напряжение к соединения этих компонентов.

Рассмотрим пример уровней напряжения питания и смещения постоянного тока, показанных на рис. 18-42 (a), где эмиттерный резистор Q ₁ для простоты опущен.

Выход A ₁ — 0 В, база Q ₃ — +0,7 В, а напряжение нагрузки — 0 В. Напряжение питания +15 В, напряжение на переходе R ₈ и R ₉ составляет +7,5 В, а напряжение на C ₃ составляет 7,5 В. Обратите внимание, что падение напряжения на R ₉ равно 6.8 В.

Новые уровни напряжения, возникающие при увеличении выхода операционного усилителя на 3 В, показаны на рис. 18-42 (b). База Q ₁ находится при +3,7 В, а напряжение нагрузки (В _o ) равно +3 В. Поскольку C ₃ — большой конденсатор, его напряжение на клеммах остается практически постоянным на уровне 7,5 В, поэтому переход R ₈ и R ₉ сдвинут до;

При 10,5 В на одном конце R ₉ и 3,7 В на другом конце напряжение на R ₉ равно 6.8 В. Это тот же уровень напряжения V _R9 , который возникает, когда выход операционного усилителя равен нулю. Таким образом, C ₃ сохраняет постоянным V _R9 . Напомним, что без конденсатора начальной загрузки напряжение V _R9 уменьшается при повышении выходного сигнала операционного усилителя.

Теперь рассмотрим уровни напряжения, показанные на рис. 18-42 (c), где выход операционного усилителя составляет +13,7 В. Q ₁ базовое напряжение составляет 14,4 В, _{В или} = +13,7, а напряжение на выходе переход R ₈ R ₉ ,

Еще раз, V _R9 остается постоянным, однако обратите внимание, что конденсатор начальной загрузки фактически поднял переход R ₈ R ₉ на уровень выше, чем напряжение питания.Это позволяет выводным транзисторам перейти в состояние насыщения, и падение напряжения на (R ₈ + R ₉ ) больше не будет учитываться при вычислении напряжения питания. В этом случае необходимое напряжение питания составляет

Пиковое выходное напряжение также может быть ограничено диапазоном выходного напряжения операционного усилителя. Для большинства операционных усилителей диапазон выходного напряжения на 1–1,5 В меньше положительного и отрицательного уровней питания. Однако операционные усилители Rail-to-Rail доступны с выходным сигналом от + V _CC до -V _EE .

Процедура проектирования:

Усилитель мощности BJT с драйвером операционного усилителя на рис. 18-44 использует четыре диода для прямого смещения переходов база-эмиттер выходных транзисторов Дарлингтона. В остальном схема в точности такая же, как на рис. 18-43.

Как всегда, пиковое выходное напряжение и ток рассчитываются исходя из указанной выходной мощности и сопротивления нагрузки. Напряжение питания определяется по формуле. 18-22, а эмиттерные резисторы для выходного каскада обычно выбираются равными 0.1 Р _Л . Ток сети смещения (I ₄ ) должен быть больше, чем пиковый базовый ток для Q ₁ и Q ₂ . Сопротивление R ₄ (что равно R ₈ + R ₉ ) рассчитывается из I ₄ , и постоянное напряжение в цепи падает. R ₈ обычно следует выбирать как 0,5 R ₄ , а затем R ₉ , R ₁₀ и R ₁₁ все равны R ₈ .

R ₁ и R ₃ — резисторы равного номинала, которые смещают входные клеммы операционного усилителя.R ₂ рассчитывается из R ₃ для получения необходимого усиления напряжения. C ₂ выбран так, чтобы его полное сопротивление было равным R ₂ на желаемой нижней частоте среза (f ₁ ). Конденсаторы начальной загрузки рассчитываются по сопротивлению последовательно с ними; R ₈ || R ₉ . Операционный усилитель должен иметь подходящую полосу пропускания полной мощности для получения пикового выходного напряжения на желаемой верхней частоте среза для усилителя мощности BJT с драйвером операционного усилителя.

PassDiy

Операционные усилители для самостоятельного изготовления

Пасс Нельсон

Введение

Карл Саган заметил: «Если вы хотите приготовить яблочный пирог с нуля, вы должны сначала создать вселенную». Если вы хотите построить аудиосхему, вы примете решение о том, сколько вы на самом деле построите самостоятельно, а сколько вы купите изготовленным.

Линия всегда где-то проводится.Будете ли вы плавить песок, чтобы сделать транзисторы? Наверное, нет, но любитель всегда стремится сделать как можно больше. Во многих статьях проектов в AE и других изданиях используются коммерчески доступные интегральные схемы, обычно операционные усилители.

Монолитные операционные усилители — это десерт линейной электроники. В каталоге Digikey представлены сотни таких запчастей по цене от пятидесяти центов до двадцати долларов, в зависимости от характеристик, комплектации и производителя.Практически все эти части можно было бы использовать в аудиопроекте, требующем операционного усилителя.

Это очень дешевые и простые в использовании монолитные операционные усилители. Напротив, мы могли бы предположить, что создание наших собственных операционных усилителей с нуля с использованием транзисторов (или даже ламп) будет сложной задачей, которую должны решать только опытные инженеры, без каких-либо гарантий удовлетворения.

Это совсем не так. Простые высокопроизводительные операционные усилители легко собрать всего из шести дискретных компонентов, общая стоимость которых составляет менее доллара.Цель этой статьи — показать, насколько это просто.

Есть ли еще какие-то причины для создания собственных операционных усилителей, помимо удовлетворения от того, что вы делаете это самому? да. Во-первых, вам могут потребоваться некоторые особые характеристики, такие как очень высокое напряжение, или сверхнизкий уровень шума, или высокий выходной ток, которые могут быть коммерчески доступны, но по очень высокой цене. Например, Apex предлагает операционные усилители высокого напряжения и тока, но вы должны быть готовы заплатить до 682 долларов за PA03A, который может работать с шинами 75 В и выходным током 30 А.

Для аудиофилов с субъективной ориентацией есть еще одна причина для создания собственных операционных усилителей, которая открывается, когда вы смотрите на внутренние схемы коммерчески доступных микросхем. Большинство из них разработаны для достижения характеристик, которые не имеют большого значения для аудиофилов, таких как сверхвысокое усиление, или очень низкий дрейф постоянного тока, или очень низкое рассеивание. Их сложная топология отражает эти требования, поэтому вы видите много транзисторов и каскадов усиления, включенных последовательно. Выходные каскады этих операционных усилителей работают с классом B или AB, поэтому они не такие линейные, как можно было бы достичь с помощью класса A.

Мы также видим, что методы изготовления монолитных устройств не обязательно обеспечивают получение лучшего полупроводника или резистора для каждой части схемы, и, делая свой собственный выбор при выборе и тестировании устройств, мы можем достичь высоких линейных характеристик с очень простыми схемами. Беру как

Конечно, на самом деле есть немного больше, и большая часть из них связана с концепцией обратной связи. Управляющие контакты операционного усилителя обычно настолько чувствительны, что практически невозможно поддерживать выходное напряжение в полезном (линейном) диапазоне между шинами питания без какого-либо метода управления системой, и этот метод является обратной связью.Обратная связь поддерживает очень малое дифференциальное входное напряжение (разность напряжений между + In и -In), что позволяет поддерживать выходной сигнал в линейном диапазоне.

Мы делаем это, устанавливая связь между отрицательным входом и выходом операционного усилителя. Самым простым примером этого является простой повторитель напряжения, показанный на рис. 2. В этой схеме отрицательный вход подключен непосредственно к выходу, в результате чего выход операционного усилителя совпадает с сигналом, подаваемым на положительный вход.

Следуя логике управляющих контактов операционного усилителя, мы наблюдаем, что если бы напряжение от источника сигнала, управляющего положительным входом, стало положительным, на выходе операционного усилителя стало бы очень положительным. Но выход операционного усилителя, подключенный к отрицательному входу, также приведет к тому, что он станет положительным, и он не захочет быть более положительным, чем положительный вход, иначе выход будет отклоняться в отрицательном направлении. Вместо этого оно будет очень близко к напряжению на положительном входе с достаточной разницей, чтобы выход операционного усилителя мог отслеживать вход.

Устройства усиления: краткое руководство

Операционные усилители состоят из устройств усиления и резисторов. Устройства усиления, с которыми мы будем иметь дело, представляют собой три оконечных устройства, которые используются для управления потоком электронов в цепи. Ток протекает через два проводящих контакта, управляемых третьим управляющим штифтом. Напряжение или ток, приложенные к управляющему выводу, измеряются относительно одного из других выводов. В полевом транзисторе или лампе ток, протекающий через основные соединения, является функцией напряжения управляющего контакта относительно одного из других контактов, а в биполярном транзисторе это функция тока, протекающего через управляющий контакт.

В полевом транзисторе управляющий штифт называется затвором. В трубке это называется сеткой. В биполярном транзисторе он называется базой. Управление, осуществляемое каждым из этих штырей управления, действует относительно одного из других штифтов в устройстве. В полевом транзисторе вентиль работает относительно вывода источника, управляя током между источником и другим выводом, стоком.

В трубке ток течет от пластины к катоду и регулируется напряжением между сеткой и катодом.В биполярном транзисторе ток течет от коллектора к эмиттеру и управляется током между базой и эмиттером.

предположение, что более простая схема лучше, особенно применительно к аудиоприложениям.

Как работают операционные усилители

Во-первых, небольшой урок о том, как работают операционные усилители. На рис. 1 показан операционный усилитель, который имеет пять подключений к внешнему миру. Два из них — это контакты шины питания, + V и -V, которые для монолитных операционных усилителей обычно необходимо подключать для подачи напряжения питания в диапазоне от 5 до 15 вольт каждый для имеющихся в продаже микросхем.Специализированные продукты работают вне этого диапазона, от 1 до 500 вольт. Здесь предполагается, что + V и -V относятся к потенциалу земли, но этого не требует операционный усилитель как таковой. Операционному усилителю для правильной работы требуется только положительное напряжение на выводе + V относительно напряжения на выводе -V.

Операционный усилитель имеет два входных контакта, обозначенных положительным и отрицательным входами (+ In и -In), которые контролируют напряжение на выходном контакте. Для линейной работы мы обычно хотим, чтобы напряжения, появляющиеся на + In и -In, находились в диапазоне между напряжениями источника питания, и во многих приложениях мы увидим, что эти контакты работают около потенциала земли, на полпути между + V и -V.

Выходной сигнал операционного усилителя может варьироваться от + V до -V и регулируется разностью напряжений между + In и -In. Если напряжение на + In является положительным по отношению к -In, то выход операционного усилителя имеет положительный сдвиг в сторону напряжения шины + V. Если напряжение на + In отрицательно по сравнению с напряжением на -In, выходной сигнал будет отрицательным. Достаточно небольшой разницы в напряжении между двумя входами, чтобы вызвать большое изменение выходного напряжения. Это известно как усиление операционного усилителя.

Вот об этом.

Если нам нужно усиление, нам просто нужно обмануть отрицательный вход, чтобы он подумал, что выход меньше, чем он есть на самом деле, как на рис. 3, где отрицательный вход видит выходное напряжение после сети деления напряжения. Разделительная сеть снижает напряжение на R2 / (R1 + R2). В результате операционный усилитель выдает выходной сигнал, кратный входному, где коэффициент усиления определяется величиной, обратной делителю: (R1 + R2) / R2. Например, если R1 составляет 9 кОм, а R2 — 1 кОм, то коэффициент усиления будет 10, а вход 1 вольт на + In приведет к выходу 10 вольт.

Другое простое соединение обратной связи позволяет источнику сигнала управлять отрицательным входом, что приводит к инвертированному выходному напряжению. На рис. 4 показано такое соединение с коэффициентом усиления, определяемым формулой R1 / R2. Опять же, следуя логике входных контактов операционного усилителя, положительный сигнал от источника будет управлять отрицательным входом, так что выход операционного усилителя становится очень отрицательным, и он возвращается через R1, значительно уменьшая положительное напряжение. Поскольку в этом случае положительный вход был связан с землей, операционный усилитель поддерживает отрицательный вход очень близко к потенциалу земли.В результате эта схема полезна в качестве смесителя, поскольку отрицательный вход может управляться несколькими источниками, каждый со своим собственным резистором, и они не будут взаимодействовать, поскольку отрицательный вход удерживается на потенциале земли, «виртуальная земля». «, контуром обратной связи операционного усилителя.

Простое практическое правило относительно усиления и обратной связи в разомкнутом контуре заключается в том, что разница между усилением разомкнутого контура и фактическим выходным усилением заключается в том, сколько обратной связи было применено. Если усиление разомкнутого контура составляет 60 дБ (X1000), а фактическое усиление на выходе составляет 20 дБ (X10), то применяется обратная связь 40 дБ (X100).

Конечно, об обратной связи нужно знать больше, и вышеизложенного достаточно, чтобы начать игру. Есть ряд отличных источников об операционных усилителях и обратной связи, но мои любимые взяты из Linear Application Notes от National Semiconductor (Digikey (800) 344 4539, заказ # 9245B-ND), где 30 лет назад я узнал большую часть того, что знаю, о предмет. Особый интерес представляет работа Боба Видлара 1968 года «Монолитные операционные усилители — универсальный линейный компонент», поскольку легендарный Видлар широко считается источником монолитных операционных усилителей.

Интересно знать, с какой скоростью будет изменяться ток относительно напряжения затвор-исток. Этот рисунок называется крутизной и показывает, какое изменение тока следует ожидать при изменении напряжения затвора. Его часто выражают как mhos (противоположность ом), потому что он описывает сопротивление, обратное сопротивлению. Ом — это вольт, разделенный на амперы, а mho — это амперы, разделенные на вольты, так что крутизна рассматривается как изменение тока для изменения управляющего напряжения.Устройство, имеющее одну крутизну mho, увеличит свой ток на 1 А на каждый дополнительный вольт на затворе. Большинство сигнальных МОП-транзисторов имеют крутизну порядка 0,1 или около того, а силовые МОП-транзисторы имеют значения порядка 10, так что они проводят 10 ампер на контрольный вольт.

Большинство N-канальных МОП-транзисторов начинают проводить где-то с напряжением от затвора до источника от +3 до +4 вольт, и поэтому в линейных схемах вы обычно увидите этот диапазон постоянного напряжения между выводами затвора и истока.

Естественно, все это предполагает, что сток МОП-транзистора имеет положительное напряжение, приложенное к нему относительно Источника, иначе ток не будет течь. Примерно так же вы можете отрегулировать ручку на водопроводном кране, но вы не получите потока, если нет давления.

На рис. 5 показаны эти три типа устройств, а также соотношение напряжения и тока на их выводах. На рис. 5A и 5B показаны полевой транзистор «N-канал» и транзистор NPN, и вы заметите, что 5D и 5E показывают полевой транзистор «P-канал» и транзистор PNP.Эти типы «P» похожи на типы «N», но имеют обратные ток и напряжение. Наличие этих «отрицательных» версий деталей очень удобно и является преимуществом перед лампами, у которых полярность только типа «N».

С целью упрощения этого обсуждения я теперь обращусь к Mosfet, в конце которого мы отметим основные различия между этими типами устройств.

Как уже отмечалось, ток, протекающий через основные выводы устройства, является функцией напряжения между выводом управления и одним из других выводов, а в случае МОП-транзистора это будет между выводами затвора и истока.Когда напряжение на затворе станет положительным по отношению к напряжению на источнике, ток начнет течь от стока к источнику. Так устройство усиливает электрические сигналы. Чем больше положительное напряжение между затвором и источником, тем больше ток от стока к источнику.

Для МОП-транзистора с P-каналом действие такое же, но напряжения и токи меняются местами. МОП-транзистор P-канала начнет работать, когда напряжение затвор-источник достигнет от -3 до -4 вольт.

Устройства усиления, которые мы будем рассматривать, имеют три контакта, и их можно использовать только тремя способами. На рис. 6 показаны три способа использования Nchannel Mosfet, каждый из которых называется «общим выводом», то есть тем выводом устройства, который не передает напряжение сигнала. Первое использование — это обычная операция слива, также известная как ведомая операция. Он имеет усиление по току, но не по напряжению. Входной сигнал подается на затвор, а выходной сигнал исходит от источника почти так же, как входное напряжение, но со сдвигом — 4 В постоянного тока или около того и с гораздо большей допустимой нагрузкой по току.Второй — это операция с общим источником, в которой мы имеем усиление как по напряжению, так и по току. Вход находится на затворе, а выходной сигнал с инвертированной фазой появляется на сливе. Нагрузка для транзистора здесь показана как резистор, но может быть и другой, возможно, более сложной нагрузкой.

Третий способ использования МОП-транзистора — это работа с общим затвором, которая имеет усиление по напряжению, но без усиления по току. Вход появляется в источнике; вывод появляется на сливе. Это соединение наиболее часто используется для формирования операции каскода, в которой устройство с общим затвором экранирует

устройство с общим исходным кодом.

Те же принципы, которые регулируют использование МОП-транзисторов, применимы к другим типам устройств усиления, но со следующими отличиями:

В JFets напряжение от затвора до источника имеет гораздо более низкое значение постоянного тока, обычно отрицательное, порядка -1 вольт или около того. Кроме того, JFet обычно имеют более низкую крутизну, чем Mosfet, часто порядка 0,01 или около того.

Лампы требуют гораздо более высоких напряжений, часто более 100 вольт от пластины к катоду, чем твердотельные устройства, и обычно проводят меньший ток.Для линейной работы триода, такого как 12AX7, напряжение постоянного тока между сеткой и катодом составляет несколько вольт отрицательного значения, и мы видим крутизну порядка 0,003, или около 3 миллиАмпер тока для каждого управляющего напряжения.

Биполярные транзисторы имеют то, что вы могли бы назвать очень высокой крутизной (рис. 1), но это не лучший способ смотреть на них, потому что ток через устройство является функцией тока через управляющий вывод. Напряжение на выводе базы относительно вывода эмиттера является относительно постоянным (рис.порядка 0,7 вольт, но ток от коллектора к эмиттеру кратен току от базы к эмиттеру. Этот рисунок, в диапазоне от менее 10 до 1000, известен как коэффициент усиления по току, или бета, биполярного транзистора.

Итак, теперь мы знаем об устройствах с усилением достаточно, чтобы быть опасными, но имейте в виду, что есть много мелких деталей о характеристиках различных устройств с усилением, которые обычно изложены в технических паспортах и ​​которые стоит изучить.

Итак, давайте создадим операционные усилители.

Шаг 1. Создание дифференциального входа

Ключ к операционному усилителю — это два устройства усиления, которые образуют дифференциальный вход. Вы можете построить функциональный операционный усилитель только из этого, хотя, как правило, за ним следует один или несколько дополнительных каскадов.

Первым шагом является создание входного каскада, известного как дифференциальная пара: два транзистора с их источниками, связанными вместе, и питаемым током в этом соединении, как показано на рис.7. В этом случае ток подается через источник тока, подключенный к отрицательному напряжению питания. Два входа доступны на воротах, как и два выхода на стоках, которые затем сообщаются через нагрузки с положительным источником питания. Для простоты источники тока на рис. 7 снабжены резисторами, хотя можно использовать различные компоненты импеданса. Среди альтернатив для этих импедансов есть активные источники постоянного тока, в которых ток не будет изменяться в зависимости от напряжения. На рис.7, I1 — это ток, поступающий в дифференциальную пару, который затем поровну делится на I2 и I3.

Дрены представляют собой равные, но инвертированные выходы, которые представляют разницу между входами. Если оба входа видят один и тот же сигнал, то в идеале этот сигнал не появляется на выходах. Это дифференциальный усилитель, что означает, что любые различия во входных сигналах на воротах усиливаются, а общий сигнал отклоняется. По этой причине он чрезвычайно полезен в качестве входного каскада для усилителя, потому что вы можете подключить входной сигнал к одному затвору и использовать другой затвор для наблюдения за выходом усилителя.

Это наблюдение за выходом называется обратной связью. Дифференциальная пара используется для сравнения входных и выходных данных, а путем усиления их различий используется для исправления ошибок на выходе.

В зависимости от выбора устройств, значений напряжения и сопротивления дифференциальная пара на рис. 7 будет иметь определенный коэффициент усиления по напряжению, который в данном случае составляет около 20 дБ (X10). Для некоторых целей этого может быть достаточно, как в проектах AE «Son of Zen» и «Bride of Son of Zen», в которых усилитель мощности и соответствующий предусилитель представляют собой просто дифференциальные пары, не более того.

Шаг 2: второй этап усиления

Однако в большинстве случаев нам нужно большее усиление по напряжению в разомкнутом контуре, чем обеспечивается простой дифференциальной парой, поэтому у нас может быть немного остатка для коррекции обратной связи. Кроме того, было бы удобно расположить схему так, чтобы на выходе было полное напряжение источников питания, которое

дифференциальная пара бесполезна. Для этого необходим второй каскад усиления.

На рис. 8 показано применение второго каскада усиления к схеме на рис.7. Мы добавили МОП-транзистор с каналом P, работающий в режиме общего источника и управляющий резистором R3, подключенным к отрицательному источнику питания. R2 выбран таким образом, чтобы он давал около 3 вольт постоянного тока для управления напряжением от затвора до источника Q3. Это значение часто необходимо регулировать, чтобы сделать I2 и I3 равными и создать более низкое входное напряжение смещения для операционного усилителя, поскольку не каждому MOSFET канала P потребуется ровно 3 вольта привода.

Это полноценный и функциональный операционный усилитель. Он имеет входной CMRR около -42 дБ и коэффициент усиления разомкнутого контура более 50 дБ.Будет качать

20 В (среднеквадратичное значение) на выходе с низким уровнем искажений, со скоростью нарастания напряжения около 80 В / мкс.

Резисторы Ra, Rb, Rc и Rd не являются частью самого операционного усилителя. Они представляют собой «внешнюю» сеть для входа и обратной связи, которая превращает этот конкретный операционный усилитель в линейный дифференциальный усилитель. Ra устанавливается равным Rb, а Rc равно Rd, а коэффициент усиления усилителя равен Rc / Ra. На рис. 9 показана кривая искажения этой конкретной схемы на частоте 1 кГц между ними.Выход 1 и 20 вольт. Ниже 1 В на кривой искажений преобладает шум. Измерено на

2N4250. Напряжение между базой и эмиттером этих устройств составляет примерно 0,65 Вольт, тогда как полевые транзисторы и лампы имеют гораздо большие относительные различия и больше выигрывают от согласования. Вы можете использовать биполярные устройства с меньшим усилением, обычно около 100, но производительность немного снизится.

На рис. 12 показано, что можно сделать для создания операционного усилителя на триоде с использованием 12AX7.Я не создавал это устройство, но я считаю, что оно будет адекватно работать для некоторых аудиоприложений и обеспечит истинное усиление постоянного тока. Уловка смещения уровня для правильного смещения параллельных выходных ламп заключается в создании источника постоянного напряжения, вставленного между выходной пластиной дифференциальной пары и сетками повторителей. Это может быть обеспечено внешними источниками постоянного тока, такими как батареи. Эта конкретная схема не может предложить большого усиления разомкнутого контура или впечатляющих характеристик, но она действительно иллюстрирует потенциал операционных усилителей без устройств усиления P-типа.

Шаг 3: еще большее усиление

Второй каскад усиления на рис. 8 был создан устройством с каналом P, работающим в режиме общего источника, который обеспечивает усиление как по напряжению, так и по току. Обычно этот второй этап дает нам соответствующее напряжение

Выходное напряжение 2 Вольта, искажения ровные от 20 Гц до 20 кГц. Схема 8b настроена на симметричный вход, но ее легко преобразовать в одиночный вход, подключив любой из входов к земле. Конечно, вы можете заменить эти четыре резистора какой-нибудь другой сетью, которая выполняет другую задачу.

Мы можем легко создать некоторые другие версии этой схемы, используя другие типы устройств усиления. На рис.10 показана эта схема, визуализированная с помощью Bipolar

.

транзисторы, а не МОП-транзисторы. Он имеет более высокий коэффициент усиления без обратной связи и дает более низкие искажения и лучшие показатели CMRR, чем схема Mosfet. Кривая искажения для этой схемы приведена на рис. 11.

Опять же, это функциональный блок усиления звука, который вы можете создать и использовать. Обратите внимание, что PNP-транзистор 2N4250 имеет эмиттерный резистор, чтобы немного снизить коэффициент усиления разомкнутого контура и повысить стабильность, и что конденсатор C1 используется для стабилизации частоты схемы при работе в замкнутом контуре.

С биполярными транзисторами меньше необходимости согласовывать устройства на дифференциальной паре, пока значения коэффициента усиления по току достаточно высоки. В этом случае MPSA18 имеет несколько сотен бета-версий, как и

.

усиление для аудиоприложений, но часто недостаточное усиление по току для управления нагрузками с более низким импедансом. Мы можем добиться большего усиления по току, добавив еще один каскад усиления, работающий в режиме общего стока или повторителя, который дает нам усиление по току, но не по напряжению.

Инжир.13 показано добавление повторителей напряжения для схем на фиг. 8 и 10. Выходное сопротивление разомкнутого контура на фиг. 8 и 10 — это просто значения резисторов, прикрепленных к отрицательной шине, которые составляют 3 кОм на рис. 8 и 6,8 кОм на рис. 10. В замкнутом контуре эти значения уменьшаются за счет обратной связи, так что обратная связь составляет 40 дБ. приведет к тому, что функциональный выходной импеданс этих резисторов будет разделен на 100.

Добавление повторителя на рис. 8 приводит к выходному сопротивлению разомкнутого контура, равному обратной крутизне, что дает около 20 Ом или около того.Для биполярного устройства на рис. 10 это будет исходное значение 6,8 кОм, разделенное на коэффициент усиления по току (бета) транзистора, что также даст около 20 Ом или около того.

Повторитель не только снижает выходное сопротивление, но и снижает зависимость характеристик ОУ от импеданса нагрузки. Если вы хотите управлять нагрузкой с более низким импедансом, особенно громкоговорителем, вам понадобится некоторое усиление по току, и очень часто вам понадобится эта третья ступень.

Имейте в виду, что эти проблемы сильно зависят от требований схемы и типа устройства.С практической точки зрения, полевые транзисторы обеспечивают наилучшее сочетание характеристик для наиболее простых силовых цепей при более высоких токах, но полевые транзисторы превосходят на низких уровнях мощности по шуму и входному сопротивлению. Биполярные сигнальные устройства дают очень высокий коэффициент усиления в цепях с низким импедансом, и поэтому они часто лучше измеряют в случаях, когда полное сопротивление источника низкое.

Шаг 4. Повышение производительности

Источники постоянного тока

До сих пор мы создавали эти операционные усилители с использованием резисторов для установки токов (смещения) через устройства усиления.Это простой и линейный способ сделать это, но часто мы хотим смещать устройства усиления токами, которые не изменяются с напряжением, как это происходит с резисторами. Они называются источниками постоянного тока. Источники постоянного тока работают так, чтобы пропускать постоянный ток в широком диапазоне напряжений, и тем самым они могут улучшить среду, в которой работают устройства усиления. На рис. 14 показаны МОП-транзисторы и биполярные операционные усилители на рис. 13, в которых резисторы заменены источниками постоянного тока.

На рис. 15а показаны детали этих источников тока, изготовленных на основе МОП-транзисторов. Для смещения контактов затвора и истока МОП-транзистора требуется около 3,5 вольт, поэтому мы создаем опорное напряжение, используя стабилитрон и резистор. Резистор пропускает через стабилитрон небольшой ток, который создает постоянное напряжение. Мы используем это напряжение, 9,1 вольт, для управления затвором МОП-транзистора. Требования от затвора к источнику будут поглощать 3,5 вольт из этого, оставив 5,5 вольт на резисторе источника, что приводит к истоку МОП-транзистора к источнику тока, как определено 5.5 / Р. Резистор на 221 Ом, включенный последовательно с затвором, предотвращает паразитные колебания в МОП-транзисторе и, как правило, необходим. Это

Источник тока работает достаточно хорошо, и его можно легко использовать при высоких напряжениях и больших токах. Он имеет тенденцию быть шумным при низком уровне использования, но это можно улучшить, поместив конденсатор на стабилитрон, который вносит основной вклад в случайный шум.

На рис. 15b показаны источники тока, изготовленные с помощью биполярных устройств. В этом случае биполярный транзистор, образующий источник тока, управляется напряжением смещения, создаваемым парой диодов.Диоды управляют базой транзистора примерно 1,3 вольт, а переход база-эмиттер падает примерно наполовину, оставляя примерно 0,65 вольт для определения тока через резистор эмиттера источника тока. Ток, выходящий из коллектора, будет относительно постоянным на уровне 0,65 / R.

На рис. 15в показаны источники тока, сформированные из полупроводниковых транзисторов. Полевые транзисторы обычно имеют отрицательное напряжение затвора, поэтому они обычно образуют самосмещенный источник тока, как показано. Для N-канального устройства, такого как 2SK170, напряжение затвора составляет около -.3 вольта, поэтому мы просто устанавливаем значение резистора истока для тока, определяемого параметром .3 / R. Как показано, источники тока установлены на 4 мА. Помимо простоты, JFet-транзисторы обладают тем преимуществом, что они очень низкий уровень шума. С другой стороны, они ограничены в своей способности выдерживать высокое напряжение и рассеивать мощность.

Выбор устройства для использования с текущими источниками зависит от вас. Не существует требований, чтобы вы использовали источники тока Mosfet в операционном усилителе Mosfet, а также нет требований, что вы должны использовать источники тока повсюду в цепи.Вы можете использовать текущие источники по своему усмотрению или нет, в зависимости от желаемых результатов.

Готовность экспериментировать очень важна для получения желаемых результатов. Вы можете оценивать производительность субъективно или объективно, но всегда должны быть готовы попробовать что-нибудь.

Использование источника постоянного тока для смещения дифференциальной пары (I1), вероятно, является наиболее важным усовершенствованием. Его преимущество состоит в том, что он не увеличивает коэффициент усиления разомкнутого контура, но значительно улучшает отклонение источника питания (PSRR), делая производительность независимой от колебаний питания и шума.Это также значительно улучшает подавление синфазных помех (CMRR) входного каскада, обычно в 20–30 дБ.

Второе наиболее полезное место для источника постоянного тока — это место, где загружается второй каскад усиления (I4). Это увеличивает усиление этого каскада, снижает искажения и снова улучшает подавление подачи питания.

Я не показал источник тока, при котором R2 заменяется источником постоянного тока, и этот метод часто используется в монолитных операционных усилителях, поскольку он увеличивает коэффициент усиления дифференциальной пары и повышает коэффициент усиления разомкнутого контура операционного усилителя, иногда значительно.Иногда это необходимо, когда вам нужно очень высокое усиление, например, в фонокорректорах, но зачастую реализовать это гораздо сложнее, чем в приложениях линейного уровня. Требование низкого напряжения на этом источнике тока немного усложняет задачу, и мы оставим это в качестве дополнительного упражнения в будущем.

Источники тока третьего каскада повторителя вывода (I5) дают некоторое улучшение линейности и улучшают эффективность и PSRR несимметричного выходного каскада класса A, но часто не являются существенными для производительности каскада линейного уровня с регулируемым источником питания.

Снижение шума

Частично низкий уровень шума связан либо с высоким отклонением источника питания (PSRR), либо с тихим источником питания. Нетрудно использовать тихие источники тока или тихий источник питания, или и то, и другое. После этого шум будет сильно зависеть от качества входных транзисторов.

Вы обнаружите, что хотите перенести некоторые из наших примеров схем в эти проекты, и в этом случае у вас есть выбор либо создать источники более высокого напряжения, либо отрегулировать смещение операционных усилителей.

Когда вы поднимаете шины питания, значения резисторов смещения R1, R3 и R4 увеличиваются, чтобы получить тот же ток, а при более высоких значениях они больше похожи на источники постоянного тока для заданного уровня сигнала. Это очень простой способ улучшить производительность, не добавляя дополнительных деталей.

Если вы решите использовать нижние 15-вольтовые шины существующего проекта, вам нужно будет отрегулировать резисторы, которые определяют I1, I4 и I5. На практике вы можете просто уменьшить их значения вдвое, чтобы получить ту же величину тока, и снижение производительности будет номинальным, но вряд ли станет реальной проблемой.Вы не уменьшите вдвое значение R2, пока I1 остается неизменным.

Ни одно из этих значений смещения не является критическим; на самом деле я вытащил их из воздуха, не пытаясь оптимизировать производительность. Если вы поиграете с различными значениями сопротивления и тока, вы можете обнаружить, что производительность улучшилась. Если у вас есть анализатор искажений, вполне приемлемо настроить значения для меньшего числа искажений.

Весьма вероятно, что вы захотите отрегулировать резисторы в конкретном приложении, чтобы получить низкое смещение постоянного тока на выходе, поэтому не бойтесь экспериментировать.Помните, что ни одна из этих частей не стоит дороже доллара.

Точно так же не стесняйтесь заменять различные типы устройств усиления и выключать. Приведенные здесь схемы будут работать практически с любыми деталями, и вы можете компенсировать многие различия, просто отрегулировав R2.

Бывают моменты, когда ваши схемы будут колебаться, что является одной из лучших причин для приобретения осциллографа. Колебание, при котором петля обратной связи преследует собственный хвост, вызывает множество искажений и шумов.Есть несколько способов его устранения или уменьшения:

Во-первых, байпас питания приводит к заземлению с конденсаторами рядом с цепью.

Во-вторых, всегда подключайте какое-либо сопротивление (пару сотен Ом или около того) последовательно к затвору любого МОП-транзистора.

В-третьих, никогда не подключайте выход небольшого операционного усилителя к внешнему миру без некоторого сопротивления последовательно с выходом, по крайней мере, 100 Ом или около того.

В-четвертых, используйте в цепи компенсационные конденсаторы, такие как C1 на рис.10, и не бойтесь изменять их значения.

В-пятых, поместите сопротивление последовательно с выводами источника или эмиттера устройств усиления Q1, Q2 и Q3, чтобы уменьшить их усиление. Если вы используете сопротивление на Q1 дифференциальной пары, то используйте то же значение на Q2, чтобы они оставались равными.

Обычно мы хотим, чтобы входной импеданс был высоким, чтобы он не перегружал и не искажал источник, но есть категория операционных усилителей, использующих «обратную связь по току», в которых входное сопротивление отрицательного входа низкое.Если вам нужен или нужен высокий входной импеданс, лучше всего подходят полевые транзисторы JFet, за ними идут полевые транзисторы, а затем биполярные транзисторы.

Входной ток смещения: если входные контакты подключены к биполярным транзисторам, через входные соединения будет протекать небольшой, но измеримый постоянный ток, который может быть важен в некоторых приложениях. JFets и Mosfet практически не страдают от этого.

Коэффициент подавления синфазного входа: хотя предполагается, что только дифференциальное входное напряжение является тем, что должно управлять выходом операционного усилителя, мы обнаружили, что напряжение, общее для обоих входов, также может иметь влияние.Величина этого эффекта сокращенно обозначается CMRR и указывается в децибелах. Операционный усилитель с CMRR -60 дБ и коэффициентом усиления разомкнутого контура 60 дБ будет иметь 1 вольт на выходе или каждый вольт синфазного входного сигнала. Если 40 дБ обратной связи используется для уменьшения усиления до 20 дБ, то на выходе будет 0,01 вольт на каждый вольт синфазного режима входа.

Коэффициент подавления источника питания: идеальный операционный усилитель не зависит от значений напряжений питания, и на выходе не появляются помехи питания.На практике это не так, и, как и CMRR, это выражается в дБ. Монолитные операционные усилители обычно имеют очень высокий PSRR Рис. Операционные усилители для домашнего приготовления обычно не так хороши, что дает повод для использования тихих регулируемых источников питания.

Диапазон питания: функциональный диапазон + V и -V. Традиционно в проектах выбирают шины питания на 15 вольт. Для аудиоприложений линейного уровня этого часто бывает достаточно, однако нам может потребоваться более высокое напряжение для использования в усилителях мощности или для достижения большей линейности от устройств усиления, используемых в операционном усилителе, но это будет ограничено номиналами устройств усиления. .

Выходной импеданс: точно так же, как входные контакты имеют конечный импеданс, так же как и выходной контакт, только здесь мы хотим, чтобы импеданс был низким. Часто он на самом деле не очень низкий, но эффективно снижается за счет действия контура обратной связи. Например, операционный усилитель с внутренним выходным сопротивлением «разомкнутого контура» 10 Ом и усилением разомкнутого контура 1 миллион (120 дБ) будет работать как повторитель с выходным сопротивлением 10 миллионных долей Ом. Следящий каскад на выходе операционного усилителя обычно используется для обеспечения низкого выходного импеданса, если это необходимо.

Выходной ток: выходной ток ограничен коэффициентом усиления и рассеиваемой мощностью выходного каскада операционного усилителя, а для монолитных устройств он составляет порядка 10 миллиампер (0,01 ампер) или около того. Звуковые усилители мощности обычно представляют собой просто большие операционные усилители с номинальным выходным током в несколько ампер, иногда сотни ампер.

Полоса пропускания: усиление разомкнутого контура операционного усилителя будет уменьшаться или спадать с частотой, и частота, при которой это начинает происходить, является полосой пропускания операционного усилителя.Многие монолитные операционные усилители с очень высоким коэффициентом усиления будут испытывать этот спад ниже звуковых частот, например 10 Гц. Это не обязательно реакция операционного усилителя с контуром обратной связи, поскольку обратная связь предлагает коррекцию, однако способность обратной связи корректировать уменьшение разомкнутого контура снижается с той же скоростью.

Для транзисторов с коэффициентом усиления по току 100 резистор будет составлять около 200 кОм, позволяя току около 20 мкА проходить через базу и заставляя 2 мА протекать через транзистор.Для устройств с более высоким коэффициентом усиления будут подходящими более высокие значения сопротивления базы, выбранные таким образом, чтобы на транзисторе было подано около 4 Вольт или около того. Как и раньше, мы сопоставляем устройства с одинаковым напряжением на устройстве с одним и тем же базовым резистором.

На рис. 20 показана согласующая схема для N-канальных полевых транзисторов. Поскольку полевые транзисторы JFet не требуют положительного управляющего напряжения, они удобно смещаются в этом тесте. Выберите номинал резистора так, чтобы типичный JFet работал при 2 мА в зависимости от напряжения на резисторе и номинала резистора, где I = V / R.Например, если напряжение составляет 0,3 В, тогда 0,002 = 0,3 / R, что дает сопротивление 150 Ом. В этом случае мы измеряем напряжение на этом резисторе, а не на R1, и хотим, чтобы наши согласованные устройства имели одинаковое напряжение.

Мы отмечаем на кривых искажений наших операционных усилителей, что кривая искажений растет, когда выходное напряжение опускается ниже вольта или около того. В основном это происходит из-за случайного шума в устройствах дифференциального ввода. Для схемы Mosfet на рис. 8 это составляет около 10 микровольт шума.Для биполярной схемы на рис. 10 это около 2 мкВ.

Для еще более низкого уровня шума можно использовать малошумящие транзисторы JFet в качестве дифференциальной пары, создавая случайный входной шум порядка 0,4 мкВ. На рис. 16 показана схема, показанная на рис. 8, но с двумя малошумящими двойными полевыми полевыми полями 2SK389. Искажения и шум на низких уровнях снижаются на порядок, но производительность на более высоких уровнях почти идентична, как видно на рис.

Разное

Во всех представленных здесь примерах операционных усилителей используются шины 32 В, что представляет собой разумный компромисс между характеристиками простых схем и номинальными характеристиками устройств.Мы можем получить некоторые интересные улучшения при более высоких напряжениях с устройствами с более высоким напряжением и использованием операции каскода, но это выходит за рамки того, что мы пытаемся здесь выполнить.

Проекты, использующие монолитные операционные усилители, обычно имеют шины плюс и минус 15 вольт, поскольку это соответствует номинальным значениям питания многих устройств. Вы можете

Заключение

Эта статья была задумана только как учебное пособие для начинающих, чтобы вы начали играть и создавать свои собственные операционные усилители.Просматривая литературу по схемам операционных усилителей, их применениям и характеристикам устройств усиления, вы увидите, что мы коснулись лишь поверхности. Тем не менее, вы можете взять схемы, представленные здесь, и использовать их напрямую или расширить их способами, ограниченными только вашим воображением и готовностью экспериментировать. Дурачиться с этими штуками — вот как вы учитесь.

На нашем веб-сайте www.passlabs.com вы найдете копии других проектов «сделай сам», которые помогут, предоставив больше обучающих обсуждений и больше примеров работающих операционных усилителей.Вы можете написать мне по электронной почте или напрямую: [email protected]. Рано или поздно каждый получит ответ, иногда желаемый.

Я получаю много писем с просьбами назвать книги, которые научат вас создавать усилители, и у меня нет хорошего ответа. Как упоминалось ранее, заметки о линейном приложении National Semiconductor являются отличным источником информации. Кроме того, «Искусство электроники» Горовица и Хилла, Cambridge University Press, — отличная книга, которую я храню.Оба этих источника содержат больше информации, чем вы, вероятно, захотите.

Боковая панель: Характеристики операционного усилителя

Существует ряд полезных характеристик операционных усилителей, независимо от того, являются ли они монолитными микросхемами или самодельными дискретными. Вот краткий глоссарий наиболее часто цитируемых спецификаций. Помните, что децибелы (дБ) — это нелинейная шкала для описания отношения двух чисел, и что каждый коэффициент 10 добавляет 20 дБ.

Технические характеристики являются результатом законов природы и решений, принятых проектировщиком.Обычно вам нужно где-то отказаться от чего-то, чтобы получить что-то еще, поэтому всегда уместно подумать, какие характеристики важны для вас, какие цифры подходят и от чего вы отказываетесь, чтобы их получить. Если бы один дизайн обеспечил все это, то был бы только один дизайн. Судя по каталогам, дизайнов тысячи.

Коэффициент усиления разомкнутого контура: отношение изменения выходного напряжения к изменению дифференциального входного напряжения. Если разница в 0,001 вольта между положительным и отрицательным входами дает 1 вольт на выходе, усиление составляет 1000 или 60 дБ.Большинство операционных усилителей рассчитаны на очень высокое усиление, часто порядка 1 миллиона (120 дБ), но это не всегда необходимо или желательно, поскольку вы часто получаете компромисс между сложностью и полосой пропускания, а когда вы разрабатываете свои собственные операционные усилители, вы можете отрегулируйте усиление в соответствии с вашими потребностями.

Входное смещение напряжения: вы можете представить, что если бы дифференциальные входы операционного усилителя были идеально согласованы, то выход операционного усилителя установился бы в средней точке между шинами питания, когда дифференциальное входное напряжение равно 0.Обычно это не так, и небольшое входное напряжение, необходимое для размещения выхода между шинами питания, обычно измеряемое в милливольтах, известно как входное напряжение смещения.

Входное сопротивление: входные контакты операционного усилителя имеют конечный импеданс и потребляют небольшое количество тока из-за входного напряжения.

Скорость нарастания: тесно связанный с полосой пропускания, вопрос заключается в следующем: «Как быстро выходное напряжение может переходить от одного напряжения к другому?» Монолитные устройства имеют скорость от менее 1 вольт за микросекунду до более 1000 вольт за микросекунду.Аудиосхемы линейного уровня обеспечивают передачу сигнала со скоростью до 0,1 вольт на микросекунду при воспроизведении музыки, а все проектные схемы выдают около 80 вольт на микросекунду или более.

Искажения: все схемы искажают сигнал, и вопрос лишь в том, насколько сильно. Наиболее распространенная спецификация — это полное гармоническое искажение плюс шум (THD + N), которое вы видите здесь на кривых искажений. Когда простой одночастотный сигнал (синусоида) искажается схемой, появляются дополнительные компоненты, кратные или гармоникам исходной частоты.Суммирование энергии этих гармоник и шума дает процентное число. Очевидно, что низкий уровень искажений и шума лучше, но на этом единственном числе был сделан такой акцент, что многие аудиофилы обеспокоены тем, что какой-то другой фактор производительности был поставлен в жертву этому. Среди аудиофилов распространено мнение, что искажение не раскрывает всей картины.

Боковая панель: Согласование устройств с дифференциальным усилением

Наилучшие характеристики получаются от дифференциальных пар, в которых согласованы устройства.Вы часто можете купить их таким образом на одной микросхеме, но несложно сделать простое сопоставление самостоятельно. Проверка проста и требует источника питания, резистора и вольтметра постоянного тока.

На рис. 18 показано тестовое соединение для N-канальных МОП-транзисторов. Сопротивление источника питания (R1) является номинальным и определяется как I2 = (V — 3) / R1, где V — напряжение питания, а I — номинальный ток, при котором должно работать каждое устройство ввода. В схемах операционного усилителя, представленных здесь, I2 составляет около 2 мА.При напряжении питания 15 В R1 должен быть около 6000 Ом.

Мы стремимся согласовать напряжение на Mosfet, которое будет примерно от 3 до 4 вольт. Помните о предупреждениях об электростатическом разряде: коснитесь земли перед тем, как коснуться деталей.

На рис. 19 показана согласующая схема для NPN-транзисторов. Мы используем то же значение R1, но резистор, включенный последовательно с базой, должен быть выбран так, чтобы типичная часть имела около 4 Вольт между коллектором и эмиттером. Для

Схема усилителя

или операционный усилитель (операционный усилитель) на корабле

Схема усилителя или операционного усилителя (операционного усилителя) обычно используется в схемах автоматизации, управления и других электронных схемах для морских приложений.

Применяемый входной сигнал обычно представляет собой сигнал напряжения или тока. Назначение усилителя — создать выходной сигнал, больший, чем входной.

Использование схемы усилителя

Как следует из названия, цель усилителя или операционного усилителя состоит в том, чтобы усилить или увеличить входной сигнал для получения выходного сигнала, который намного больше, чем входной, с формой волны, аналогичной входной.

Основным изменением выходного сигнала будет увеличение уровня мощности.Эта дополнительная мощность обеспечивается внешним напряжением постоянного тока. Выходной сигнал управляется входным сигналом в усилителе.

In Компактные электронные компоненты, усилители слабого сигнала обычно используются в качестве устройств, поскольку они способны повышать относительно небольшой входной сигнал до большей величины. Например, от датчика, такого как фотоустройство, в гораздо больший выходной сигнал для управления реле, лампой или громкоговорителем.

Несколько устройств на корабле можно найти схему усилителя:

• Используется для усиления звуковых сигналов (динамик, УКВ, звуковая система Судовой гудок)
• Используется как регулятор напряжения и тока
• Используется как аналого-цифровой преобразователь и наоборот.
• Используется как сервоусилитель в двигателе
• Выходной сигнал с усилителя поступает на реле в цепи
• Используется в Гирокомпасе
• Используется в машинном отделении, палубе и других сигнализациях.
• Используется в различных датчиках
• Применяется в системах электрозащиты

Различные электронные схемы классифицируются как усилители, от операционных усилителей и усилителей малых сигналов до больших сигналов и усилителей мощности.

Усилитель можно классифицировать в зависимости от: —

• по величине входного сигнала
• в физической конфигурации
• о том, как он обрабатывает входной сигнал, то есть взаимосвязь между входным сигналом и током, протекающим в нагрузке.

Большая часть электрической и электронной схемы содержит усилительное устройство, такое как транзистор, полевой транзистор или операционный усилитель, который имеет две входные клеммы и две выходные клеммы (земля является общей) с выходным сигналом, намного превышающим входного сигнала, так как он был «усилен».

Работа цепи усилителя

Вход усилителя состоит из дифференциального входного напряжения V + входа и V-входа, и эта разница в напряжении усиливается для получения большого выходного сигнала. Следовательно, уравнение операционного усилителя можно представить как

V o / p = [(V +) — (V-)] x A o / l

Где A o / l — коэффициент усиления усилителя без обратной связи.

В операционном усилителе величина A o / l огромна, что дает большой выходной сигнал даже при небольшом входном дифференциале.

Операционный усилитель — это трехконтактное устройство, состоящее из двух высокоомных входов; один, называемый инвертирующим входом, отмечен знаком минус или минус (-), а другой, называемый неинвертирующим входом, отмечен положительным знаком или знаком «плюс» (+).

Идеальный усилитель

Теперь мы можем определить характеристики идеального усилителя из нашего обсуждения выше в отношении его усиления, то есть усиления по напряжению:

• Коэффициент усиления усилителя (A) должен оставаться постоянным при изменении значений входного сигнала.
• Частота не влияет на усиление. В одинаковом количестве должны усиливаться сигналы всех частот.
• Коэффициент усиления усилителя не должен добавлять шум к выходному сигналу. Он должен удалить любой шум, который уже существует во входном сигнале.
• На коэффициент усиления усилителя не должны влиять изменения температуры, что обеспечивает отличную температурную стабильность.
• Коэффициент усиления усилителя должен оставаться стабильным в течение длительного времени.

Характеристики идеального операционного усилителя или операционного усилителя

«Идеальный: или совершенный операционный усилитель (ОУ)» — это устройство с определенными уникальными характеристиками, такими как бесконечное усиление без обратной связи Ao, бесконечное входное сопротивление Rin, нулевое выходное сопротивление Rout, неограниченная полоса пропускания от 0 до ∞ и смещения нуля ( выход равен нулю, когда вход равен нулю).

Обладает высоким коэффициентом усиления на выходе.

Обладает высоким входным и низким выходным сопротивлением.

Полоса пропускания находится в очень высоком диапазоне.

Получить идеальную технику или схему невозможно. Потери энергии в приборе всегда присутствуют, но выбор усилителя, близкого к идеальному, обеспечит наилучшие рабочие характеристики в электрической / электронной схеме, в которой он установлен.

Отказ от ответственности: Мнения авторов, выраженные в этой статье, не обязательно отражают точку зрения Marine Insight. Данные и диаграммы, если они используются в статье, были получены из доступной информации и не были подтверждены каким-либо установленным законом органом. Автор и компания «Марин Инсайт» не заявляют об их точности и не берут на себя ответственность за них. Взгляды представляют собой только мнения и не представляют собой каких-либо руководящих принципов или рекомендаций относительно какого-либо курса действий, которым должен следовать читатель.