Операционные усилители с однополярным питанием: примеры применения

11 февраля 2020

Бонни Бейкер (Microchip Technology)

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

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

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

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

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

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

Основные принципы работы операционных усилителей

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

Повторитель напряжения

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

Рис. 1. Буферный усилитель (повторитель напряжения)

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

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

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

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

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

13 Ом. В то же время выходное сопротивление буферного усилителя обычно не превышает 10 Ом.

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

Рис. 2. Развязка нагрузки с использованием буферного усилителя

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

Усиление аналоговых сигналов

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

Рис. 3. Неинвертирующий усилитель на ОУ

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

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

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

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

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

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

Рис. 4. Инвертирующий усилитель на ОУ

Сопротивления резисторов R₁ и R

2 выбираются из тех же соображений, что и для схемы неинвертирующего усилителя, приведенной на рисунке 3.

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

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

Схемы с однополярным питанием и расщепители питания

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

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

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

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

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

Дифференциальный (разностный) усилитель

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

Рис. 6. Дифференциальный усилитель на ОУ

Выходное напряжение этой схемы определяется по формуле 4:

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

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

Суммирующий усилитель

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

Рис. 7. Суммирующий усилитель на ОУ

Выходное напряжение этой схемы определяется по формуле 5:

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

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

Преобразователь тока в напряжение

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

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

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

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

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

Применение базовых схем

Инструментальный усилитель

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

Рис. 9. Инструментальный усилитель на трех ОУ

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

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

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

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

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

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

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

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

Плавающий источник тока

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

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

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

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

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

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

Фильтры

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Соединяем все вместе

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

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

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

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

Подводные камни проектирования схем с ОУ

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

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

Общие советы

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

Входные каскады

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

Ширина полосы пропускания ОУ

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

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

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

Литература

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

Оригинал статьи

Перевел Андрей Евстифеев по заказу АО КОМПЭЛ

 

 

•••

Наши информационные каналы

Операционные усилители. Виды и работа. Питание и особенности

Операционные усилители являются одними из основных компонентов в современных аналоговых электронных устройствах. Благодаря простоте расчетов и отличным параметрам, операционные усилители легки в применении. Их также называют дифференциальными усилителями, так как они способны усилить разность входных напряжений.

Особенно популярно использование операционных усилителей в звуковой технике, для усиления звучания музыкальных колонок.

Обозначение на схемах

Операционные усилители на корпусе имеют обычно пять выводов, из которых два вывода – входы, один – выход, остальные два – питание.

Принцип действия

Существуют два правила, помогающие понять принцип действия операционного усилителя:

1. Выход операционного усилителя стремится к нулевой разности напряжений на входах.
2. Входы усилителя не расходуют ток.

Первый вход обозначен «+», он называется неинвертирующим. Второй вход обозначен знаком «–», считается инвертирующим.

Входы усилителя имеют высокое сопротивление, называемое импедансом. Это позволяет расходовать ток на входах в несколько наноампер. На входе происходит оценка величины напряжений. В зависимости от этой оценки усилитель выдает на выход усиленный сигнал.

Большое значение имеет коэффициент усиления, который иногда достигает миллиона. Это означает, что если на вход подать хотя бы 1 милливольт, то на выходе напряжение будет равно величине напряжения источника питания усилителя. Поэтому операционники не применяют без обратной связи.

Входы усилителя действуют по следующему принципу: если напряжение на неинвертирующем входе будет выше напряжения инвертирующего входа, то на выходе окажется наибольшее положительное напряжение. При обратной ситуации на выходе будет наибольшее отрицательное значение.

Отрицательное и положительное напряжение на выходе операционного усилителя возможно из-за использования источника питания, обладающего расщепленным двуполярным напряжением.

Питание операционного усилителя

Если взять пальчиковую батарейку, то у нее два полюса: положительный и отрицательный. Если отрицательный полюс считать за нулевую точку отсчета, то положительный полюс покажет +1,5 В. Это видно по подключенному мультиметру.

Взять два элемента и подключить их последовательно, то получается следующая картина.

Если за нулевую точку принять отрицательный полюс нижней батарейки, а напряжение измерять на положительном полюсе верхней батарейки, то прибор покажет +10 вольта.

Если за ноль принять среднюю точку между батарейками, то получается источник двуполярного напряжения, так как имеется напряжение положительной и отрицательной полярности, равной соответственно +5 вольта и -5 вольта.

Существуют простые схемы блоков с расщепленным питанием, использующиеся в конструкциях радиолюбителей.

Питание на схему подается от бытовой сети. Трансформатор понижает ток до 30 вольт. Вторичная обмотка в середине имеет ответвление, с помощью которого на выходе получается +15 В и -15 В выпрямленного напряжения.

Разновидности

Существует несколько разных схем операционных усилителей, которые стоит рассмотреть подробно.

Инвертирующий усилитель

Такая схема является основной. Особенностью этой схемы является то, что операционники характеризуются кроме усиления, еще и изменением фазы. Буква «k» обозначает параметр усиления. На графике изображено влияние усилителя в данной схеме.

Синий цвет отображает входной сигнал, а красный цвет – выходной сигнал. Коэффициент усиления в этом случае равен: k = 2. Амплитуда сигнала на выходе в 2 раза больше, сигнала на входе. Выходной сигнал усилителя перевернут, отсюда и его название. Инвертирующие операционные усилители имеют простую схему:

Такие операционные усилители стали популярными из-за своей простой конструкции. Для вычисления усиления применяют формулу:

Отсюда видно, что усиление операционника не зависит от сопротивления R3, поэтому можно обойтись без него. Здесь он применяется для защиты.

Неинвертирующие операционные усилители

Эта схема подобна предыдущей, отличием является отсутствие инверсии (перевернутости) сигнала. Это означает сохранение фазы сигнала. На графике изображен усиленный сигнал.

Коэффициент усиления неинвертирующего усилителя также равен: k = 2. На вход подается сигнал в форме синусоиды, на выходе изменилась только ее амплитуда.

Эта схема не менее простая, чем предыдущая, в ней имеется два сопротивления. На входе сигнал подается на плюсовой вывод. Для расчета коэффициента усиления требуется использовать формулу:

Из нее видно, что коэффициент усиления не бывает меньше единицы, так как сигнал не подавляется.

Схема вычитания

Эта схема дает возможность создания разности двух сигналов на входе, которые могут быть усилены. На графике показан принцип действия дифференциальной схемы.

Такую схему усилителя еще называют схемой вычитания.

Она имеет более сложную конструкцию, в отличие от рассмотренных ранее схем. Для расчета выходного напряжения пользуются формулой:

Левая часть выражения (R3/R1) определяет коэффициент усиления, а правая часть (Ua – Ub) является разностью напряжений.

Схема сложения

Такую схему называют интегрированным усилителем. Она противоположна схеме вычитания. Особенностью ее является возможность обработки больше двух сигналов. На таком принципе действуют все звуковые микшеры.

Эта схема показывает возможность суммирования нескольких сигналов. Для расчета напряжения применяется формула:

Схема интегратора

Если в схему добавить конденсатор в обратную связь, то получится интегратор. Это еще одно устройство, в котором используются операционные усилители.

Схема интегратора подобна инвертирующему усилителю, с добавлением емкости в обратную связь. Это приводит к зависимости работы системы от частоты сигнала на входе.

Интегратор характеризуется интересной особенностью перехода между сигналами: сначала прямоугольный сигнал преобразуется в треугольный, далее он переходит в синусоидальный. Расчет коэффициента усиление проводится по формуле:

В этой формуле переменная ω = 2πf повышается с возрастанием частоты, следовательно, чем больше частота, тем коэффициент усиления меньше. Поэтому интегратор может действовать в качестве активного фильтра низких частот.

Схема дифференциатора

В этой схеме получается обратная ситуация. На входе подключена емкость, а в обратной связи подключено сопротивление.

Судя по названию схемы, ее принцип работы заключается в разнице. Чем больше скорость изменения сигнала, тем больше величина коэффициента усиления. Этот параметр дает возможность создавать активные фильтры для высокой частоты. Коэффициент усиления для дифференциатора рассчитывается по формуле:

Это выражение обратно выражению интегратора. Коэффициент усиления повышается в отрицательную сторону с возрастанием частоты.

Аналоговый компаратор

Устройство компаратора сравнивает два значения напряжения и переводит сигнал в низкое или высокое значение на выходе, в зависимости от состояния напряжения. Эта система включает в себя цифровую и аналоговую электронику.

Особенностью этой системы является отсутствие в основной версии обратной связи. Это означает, что сопротивление петли очень велико.

На плюсовой вход подается сигнал, а на минусовой вход подается основное напряжение, которое задается потенциометром. Ввиду отсутствия обратной связи коэффициент усиления стремится к бесконечности.

При превышении напряжения на входе величины основного опорного напряжения, на выходе получается наибольшее напряжение, которое равно положительному питающему напряжению. Если на входе напряжение будет меньше опорного, то выходным значением будет отрицательное напряжение, равное напряжению источника питания.

В схеме аналогового компаратора имеется значительный недостаток. При приближении значений напряжения на двух входах друг к другу, возможно частое изменение выходного напряжения, что обычно приводит к пропускам и сбоям в работе реле. Это может привести к нарушению работы оборудования. Для решения этой задачи применяют схему с гистерезисом.

Аналоговый компаратор с гистерезисом

На рисунке показана схема действия схемы с гистерезисом, которая аналогична предыдущей схеме. Отличием является то, что выключение и включение не происходит при одном напряжении.

Направление стрелок на графике указывает направление перемещения гистерезиса. При рассмотрении графика слева направо видно, что переход к более низкому уровню осуществляется при напряжении Uph, а двигаясь справа налево, напряжение на выходе достигнет высшего уровня при напряжении Upl.

Такой принцип действия приводит к тому, что при равных значениях входных напряжений, состояние на выходе не изменяется, так как для изменения требуется разница напряжений на существенную величину.

Такая работа схемы приводит к некоторой инертности системы, однако это более безопасно, в отличие от схемы без гистерезиса. Обычно такой принцип действия применяется в нагревательных приборах с наличием термостата: плиты, утюги и т.д. На рисунке изображена схема усилителя с гистерезисом.

Напряжения рассчитываются по следующим зависимостям:

Повторители напряжения

Операционные усилители часто применяются в схемах повторителей напряжения. Основной особенностью этих устройств является то, что в них не происходит усиления или ослабления сигнала, то есть, коэффициент усиления в этом случае равен единице. Такая особенность связана с тем, что петля обратной связи имеет сопротивление, равное нулю.

Такие системы повторителей напряжения чаще всего используются в качестве буфера для увеличения нагрузочного тока и работоспособности устройства. Так как входной ток приближен к нулю, а ток на выходе зависит от вида усилителя, то есть возможность разгрузки слабых источников сигнала, например, некоторых датчиков.

Похожие темы:

Операционные усилители. Часть 1 | joyta.ru

Операционный усилитель (ОУ) — это основной элемент современной аналоговой электроники. Благодаря отличным характеристикам и простоте расчетов, ОУ очень легки в использовании. Операционные усилители еще называют дифференциальными усилителями, поскольку они могут усилить разность напряжений на входах.

Операционные усилители выпускаются как готовые микросхемы, иногда по одному, а иногда и по несколько штук в одном корпусе. Существует множество видов операционных усилителей, которые отличаются между собой техническими параметрами, что в конечном итоге влияет на целесообразность применения в конкретных схемах.

Стенд для пайки со светодиодной подсветкой

Материал: АБС + металл + акриловые линзы. Светодиодная подсветка…

В теории операционный усилитель имеет идеальные параметры. На практике же их параметры стремятся к идеальным, но все же не достигают их. Использование понятия «идеального» операционного усилителя помогает упростить расчеты.

Этими идеальными параметрами 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.

Как вы можете видеть, такие параметры не могут быть обеспечены в полной мере, но из года в год ОУ реально все более и более приближаются к идеалу.

Есть несколько основных схем работы операционного усилителя:

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

Схема инвертирующего усилителя

Это основная схема, в которой работает ОУ. Работа операционного усилителя характеризуется не только усилением (или ослаблением) входного сигнала, но и изменением его фазы. Усиление обозначается буквой k. Приведенный ниже график показывает влияние операционного усилителя в такой схеме:

Синим цветом представлен график входного сигнала, а красным — график выходного сигнала, причем усиление системы составляет 2 (k=2). Как видно, амплитуда выходного сигнала в два раза выше, чем амплитуда входного сигнала, и также видно, что сигнал перевернут.

Схема такого усилителя достаточно проста, и представлена на следующем рисунке:

Паяльная станция 2 в 1 с ЖК-дисплеем

Мощность: 800 Вт, температура: 100…480 градусов, поток возду…

Эта схема доказывает, почему операционные усилители являются настолько популярными. Для того, чтобы вычислить значения элементов нам достаточно использовать следующую формулу:

Как видно, резистор R3 не влияет на усиление схемы, и можно было бы обойтись без него, соединив положительный вход усилителя с минусом питания. В данном случае резистор R3 используется в качестве защиты.

Схема неинвертирующего усилителя

В схеме неинвертирующего усилителя ситуация очень схожа с инвертирующим усилителем, с той лишь разницей, что здесь не происходит инверсия сигнала, то есть фаза сохраняется. Приведенный ниже график показывает, что происходит с усиленным сигналом:

Так же, как и в предыдущей схеме, коэффициент усиления равен k=2, а на вход подан синусоидальный сигнал. Как видно, изменению подверглась только амплитуда сигнала.

Ниже приведена принципиальная схема использования операционного усилителя в качестве неинвертирующего усилителя:

Данная схема усилителя также является очень простой, здесь есть два резистора. Входной сигнал подается на положительный вход ОУ. Чтобы рассчитать усиление необходимо применить формулу:

Из формулы видно, что усиление не может быть меньше единицы, т. е. такая схема не позволяет подавить сигнал.

Операционный усилитель в схеме вычитания (дифференциальный усилитель)

Другим типом схемы использования ОУ является дифференциальный усилитель, который позволяет получить разность двух входных сигналов, которая впоследствии может быть усилена. На графике, приведенном ниже, представлен принцип работы системы.

Следующая схема позволяет реализовать такую работу операционного усилителя:

Схема является более сложной по сравнению с предыдущими. Чтобы рассчитать напряжение на выходе, следует применить формулу:

 

Первая часть уравнения отвечает за усиление (или ослабление), а вторая часть — это разница двух напряжений.

Операционный усилитель в схеме сложения

Этот тип функции полностью противоположен функции вычитания. Его интересной особенностью является то, что здесь может быть обработано более двух сигналов. На этом принципе основаны все аудио микшеры.

Как видно на схеме можно суммировать множество сигналов, схема проста и интуитивно понятна. Для расчета используем формулу:

Калейдоскоп схем на операционных усилителях

Операционные усилители

Калейдоскоп схем на операционных усилителях

Подразделы: 4.09 4.10

Мы предоставляем читателю право самостоятельно проанализировать работу приведенных ниже схем.

Схема с инвертированием по выбору. Схемы, представленные на рис. 4.14, позволяют инвертировать входной сигнал или пропускать его без инвертирования в зависимости от положения переключателя. Положение переключателя определяет также коэффициент усиления по напряжению — он может быть равен или +1, или -1.

Рис. 4.14.

Упражнение 4.5. Покажите, что схемы, представленные на рис. 4.14, работают так, как сказано выше.

Повторитель со следящей связью. В транзисторных усилителях на величину входного импеданса могут влиять цепи смешения; такая же проблема возникает при использовании ОУ, особенно с межкаскадными связями по переменному току, когда ко входу обязательно должен быть подключен заземленный резистор. Схема со следящей связью, представленная на рис. 4.15. позволяет решить эту проблему. Как и в транзисторной схеме со следящей связью (разд. 2.17), конденсатор емкостью 0,1 мкФ вместе с верхним резистором с сопротивлением 1 МОм образует для входных сигналов высокоомную входную цепь. Низкочастотный спад усиления для этой схемы начинается на частоте 10 Гц, на более низких частотах на спаде усиления начинает сказываться влияние обоих конденсаторов и ослабление оценивается величиной 12дБ/октава. Замечание: у вас может появиться искушение уменьшить величину входного конденсатора связи, так как его нагрузка привязана к высокому импедансу. Однако, это может привести к появлению пика в частотной характеристике, как в характеристике схемы активного фильтра (см. разд. 5.06).

Рис. 4.15.

Идеальный преобразователь тока в напряжение. Напомним, что простейшим преобразователь тока в напряжение — это всего — навсего резистор. Однако у него есть недостаток, который состоит в том, что для источника входного сигнала входное сопротивление такого преобразователя не равно нулю; этот недостаток может оказаться очень серьезным, если устройство, обеспечивающее входной ток, имеет очень малый выходной рабочий диапазон или не может обеспечить постоянство тока при изменении выходного напряжения. Примером может служить диодный фотоэлемент (фотодиод), или солнечная батарея. Небольшой светочувствительностью обладают даже обычные диоды в прозрачных корпусах, которые используются почти в любой схеме (известно немало историй о загадочном поведении схем которое в конце концов было объяснено этим эффектом). На рис. 4.16 представлена хорошая схема для преобразования тока в напряжение, в которой потенциал входа поддерживается строго равным потенциалу земли. Инвертирующий вход имеет квазинуль потенциала; это очень хорошо, так как фотодиод может создавать потенциал, равный всего нескольким десятым долям вольта. Представленная схема обеспечивает преобразование тока в напряжение в отношении 1 В на 1 мкА входного тока. (В ОУ с биполярными плоскостными транзисторами на входах иногда между неинвертирующим входом и землей включают резистор: его функции мы определим, когда будем обсуждать недостатки операционных усилителей).

Рис. 4.16.

Безусловно, этот преобразователь тока в напряжение можно с таким же успехом использовать с элементами, через которые протекает ток при наличии положительного напряжения возбуждения, например U_кк. В такую схему часто включают фотоумножители и фототранзисторы (оба элемента под воздействием света начинают потреблять ток от положительно источника питания (рис. 4.17).

Упражнение 4.4. Используя ОУ типа 411 и измерительный прибор на 1 мА (полный размах шкалы), разработайте схему «идеального» измерителя тока (т.е. с нулевым входным импедансом) с полным размахом шкалы, рассчитанным на 5 мА. Разработайте схему так, чтобы входной сигнал никогда не превышал ±150% полного размаха шкалы. Предположите, что диапазон выходного сигнала для ОУ типа 411 составляет ±13 В (источники питания ±15 В), а внутреннее сопротивление измерительного прибора равно 500 Ом.

Рис. 4.17.

Дифференциальный усилитель. На рис. 4.18 представлена схема дифференциального усилителя, коэффициент усиления которого равен R₂/R₁. В этой схеме, как и в схеме источника тока с согласованными резисторами, для получения высокого значения КОСС необходимо обеспечить точное согласование резисторов. Для этого лучше всего при первом удобном случае создать запас резисторов с сопротивлением 100 кОм и точностью 0,01%. Коэффициент усиления дифференциального усилителя будет равен единице, но этот недостаток легко устранить за счет последующих усилительных каскадов (с несимметричным входом). Более подробно дифференциальные усилители рассмотрены в гл. 7.

Рис. 4.18.

Суммирующий усилитель. Схема, показанная на рис. 4.19, представляет собой один из вариантов инвертирующего усилителя. Точка X имеет потенциальный нуль, поэтому входной ток равен U₁/R + U₂/R + U₃/R, отсюда U_вых = — (U_l + U₂ + U₃). Обратите внимание, что входные сигналы могут быть как положительными, так и отрицательными. Кроме того, входные резисторы не обязательно должны быть одинаковыми; если они неодинаковы, то получим взвешенную сумму. Например, схема может иметь 4 входа, на каждом из которых напряжение равно + 1 В или О В; входы представляют двоичные значения: 1, 2, 4 и 8. Если использовать резисторы с сопротивлением 10, 5, 2,5 и 1,25 кОм. то снимаемое с выхода напряжение (в вольтах) будет пропорционально двоичному числу, которое задано на входе. Эту схему нетрудно расширить до нескольких цифр. Описанный метод представления чисел лежит в основе цифро-аналогового преобразования, правда, на входе преобразователя обычно используют другую схему (резистивную сетку R — 2R).

Рис. 4.19.

Упражнение 4.5. Постройте схему цифро-аналогового преобразователя на две десятичные цифры, подобрав соответствующим образом входные резисторы для суммирующего усилителя. Цифровой вход должен представлять собой две цифры; каждый вход должен состоять из четырех шин, соответствующих значениям 1, 2, 4 и 8, из которых формируется десятичная цифра. Потенциал входной шины может быть равен потенциалу земли или +1 В, т. е. восемь входных шин соответствуют числам 1, 2, 4. 8. 10. 20, 40 и 80. В связи с тем, что диапазон выходного сигнала ограничен значениями ±13 В, нужно сделать так, чтобы выходное напряжение (в вольтах) составляло одну десятую часть числа на входе.

Предусилитель для электромагнитного звукоснимателя. Предусилитель для звукоснимателя по стандарту RIAA представляет собой пример усилителя с частотной характеристикой особого вида. При записи звука на пластинку амплитудная характеристика имеет почти плоский вид, с другой стороны, электромагнитный звукосниматель реагирует на скорость движения иглы в бороздке диска, следовательно, усилитель воспроизведения должен иметь подъем частотной характеристики на низких частотах. Такую характеристику обеспечивает схема, показанная на рис. 4.20. График представляет собой частотную характеристику усилителя воспроизведения (построенную относительно значения коэффициента усиления 0 дБ при частоте 1 кГц), точки перегиба графика отмечены в единицах времени. Заземленный конденсатор емкостью 47 мкФ уменьшает коэффициент усиления по постоянному току до единицы, в противном случае он был бы равен 1000; как упоминалось выше, это делается для того, чтобы устранить усиление входного сдвига по постоянному току Использованная в примере интегральная схема типа LM833 представляет собой сдвоенный ОУ, предназначенный для использования в звуковом диапазоне («золотой» для данного примера является схема типа LM1028, которая в 13 дБ раз тише ив 10 дБ раз дороже, чем схема типа 833!).

Рис. 4.20. Операционный усилитель в схеме предусилителя звуковых частот для электрофонов с электромагнитной головкой и коррекцией частотной характеристики по стандарту RIAA.

Усилитель мощности (бустер). Для получения больших выходных токов к выходу ОУ можно подключить мощный транзисторный повторитель (рис. 4.21). В примере использован неинвертирующий усилитель, но повторитель можно подключать к любом операционному усилителю. Обратите внимание, что сигнал обратной связи снимается с эмиттера; следовательно, обратная связь определяет нужное выходное напряжение независимо от падения напряжения U_бэ. При использовании этой схемы возникает обычная проблема, связанная с тем, что повторитель может только отдавать ток (для n-p-n — транзистора). Как и в случае транзисторного повторителя, проблема решается применением двухтактного варианта схемы (рис. 4.22). В дальнейшем мы покажем, что ограниченная скорость, с которой может изменяться напряжение на выходе (скорость нарастания), накладывает серьезные ограничения на быстродействие усилителя в переходной области и вызывает переходные искажения. Если усилитель будет использоваться в системе с малым быстродействием, то смешать двухтактную пару в состоянии покоя не нужно, так как переходные искажения будут в основном устранены за счет обратной связи. Промышленность выпускает несколько типов интегральных схем усилителей мощности для операционных усилителей, например LT1010, ОРА633 и 3553. Эти двухтактные усилители с единичным коэффициентом усиления работают на частотах до 100 МГц и выше, их выходной ток равен 200 мА. Их смело можно охватывать петлей обратной связи.

Рис. 4.21.

Рис. 4.22.

Источник питания. Операционный усилитель может работать как усилитель в стабилизаторе напряжения с обратной связью (рис. 4.23). Операционный усилитель сравнивает выходное напряжение с эталонным напряжением стабилитрона и соответственно управляет составным транзистором Дарлингтона, выполняющим функции «проходного транзистора». Эта схема обеспечивает стабилизированное напряжение 10 В при протекании через нагрузку тока до 1 А. Некоторые замечания по этой схеме:
1. Делитель, с которого снимается выходное напряжение, может быть выполнен в виде потенциометра, тогда выходное напряжение можно будет регулировать.
2. Для ослабления пульсаций на зенеровском диоде (стабилитроне) резистор с сопротивлением 10 кОм полезно заменить источником тока. Другой вариант состоит в том, чтобы смещение зенеровского диода задавать от выходного сигнала; в этом случае вы с пользой применяете стабилизатор, который построили. Замечание: если вы захотите воспользоваться этим трюком, то внимательно проанализируйте вашу схему и убедитесь в том, что она запускается, когда на нее подается питание.
3. Схема, подобная рассмотренной, может быть повреждена при возникновении короткого замыкания на выходе. Это связано с тем, что при этом ОУ стремится обеспечить протекание через составной транзистор очень большого тока. В стабилизированном источнике питания всегда следует предусматривать схему для ограничения «аварийного» тока (более подробно вы познакомитесь с этим вопросом в разд. 6.05).
4. Промышленность выпускает разнообразные стабилизаторы напряжения в интегральном исполнении, начиная от освященных временем интегральных схем типа 723 до недавно появившихся 3-выводных регулируемых стабилизаторов с внутренними средствами ограничения тока и ограничения по перегреву (см. табл. 6.8-6.10). Эти устройства, в которых имеются встроенные температурно-компенсированный источник эталонного напряжения и проходной транзистор, Так удобны в работе, что операционные усилители общего назначения теперь почти никогда не используются в стабилизатоpax напряжения. Исключением являются случаи, когда стабильное напряжение нужно сформировать внутри схемы. уже имеющей стабилизированный источник напряжения.

Рис. 4.23.

В гл. 6 мы подробно поговорим о стабилизаторах напряжения и источниках питания и рассмотрим специальные интегральные схемы, предназначенные для использования в качестве стабилизаторов напряжения.

Подразделы: 4.09 4.10

Подробный анализ работы операционных усилителей

Изучаем работу операционного усилителя на примере NE5532

Операционный усилитель — это интегральная схема, предназначенная для усиления слабого сигнала. Операционные усилители часто используются в различных аудио-устройствах. Например, если вы решите спаять усилитель для высокоомных наушников, вам наверняка понадобится операционный усилитель. Звучит, как что-то полезное. Так давайте же разберемся, как работать с этим хозяйством, на примере конкретного чипа NE5532.

Рассмотрим такую задачу. Допустим, мы хотим сделать микрофон, чтобы его можно было подключить прямо к компьютеру и записывать с него звук, например, в Audacity. Популярным и дешевым видом микрофона является электретный микрофон. Типичная схема его подключения выглядит как-то так:

Обратите внимание, что у электретного микрофона есть полярность. Определить, где у микрофона минус, обычно не сложно. Если перевернуть микрофон контактами кверху, то со стороны минуса у него будут видны дорожки, идущие к корпусу. Впрочем, мне попадались электретные микрофоны и без таких дорожек. В этом случае лучше свериться с даташитом.

Так что же происходит на приведенной схеме? Будучи соединенным последовательно с резистором, как показано на верхней части схемы, электретный микрофон создает колебания напряжения в точке между собой и резистором. Колебания эти соответствуют окружающему звуку. Однако есть проблема, и даже несколько.

Для начала, у напряжения в точке между микрофон и резистором есть две составляющие — постоянная и переменная. Из них нам интересна только переменная составляющая, значит, постоянную нужно как-то отрезать. Именно для этого в схеме и используется конденсатор C2, подтянутый к земле через резистор R3. Как вам может быть известно, конденсаторы пропускают через себя переменную часть сигнала, отрезая постоянную, а это именно то, что нам нужно. Резистор R3 нужен для того, чтобы результирующий сигнал колебался вокруг строго определенной точки 0 В. Таким образом, на выходе mic мы получим интересующий нас сигнал с отрезанной постоянной составляющей.

Другая проблема заключается в том, что получившийся сигнал очень слаб, всего лишь +/- 20 мВ или около того. Тут-то в дело и вступают операционные усилители. Для наглядности я забегу немного вперед и приведу следующую картинку, полученную при помощи осциллографа Rigol DS1054Z:

Здесь желтый сигнал, которого почти не видно — это исходный сигнал, полученный от электретного микрофона. Синий сигнал — это он же, но усиленный с помощью операционного усилителя. На глаз коэффициент усиления можно оценить, как 1:100.

Итак, существует две типичные схемы использования операционного усилителя:

Важно! Несмотря на то, что операционный усилитель обозначается на схемах так же, как компаратор, это два разных компонента, которые не следует путать. Операционный усилитель может быть использован в качестве не очень хорошего компаратора, но обычно вы не должны этого хотеть. Чтобы окончательно всех запутать, этот же символ используется для обозначения и других интегральных схем. Например, LM386 является аудио-усилителем класса AB. Но на схемах он может быть изображен тем же символом, что и операционный усилитель. Понять, какой компонент используется на самом деле, можно по подписанному рядом названию чипа.

Коэффициент усиления сигнала в первой схеме можно примерно посчитать, как - RB / RA. Обратите внимание на знак минус в формуле. Он означает, что сигнал на выходе будет инвертирован. Соответственно, такое включение операционного усилителя называется инвертирующим. Недостатком схемы является довольно низкий входной импеданс.

По этой причине в большинстве случаев предпочтительнее использовать неинвертирующее включение операционного усилителя, изображенное на второй схеме. Коэффициент усиления этой схемы можно приблизительно вычислить по формуле 1 + RB / RA. В этом проекте мы воспользуемся неинвертирующим включением.

Взглянем на распиновку NE5532:

Как видите, чип содержит в себе два операционных усилителя, из которых в этом проекте нам понадобится только один. Для снижения энергопотребления и повышения стабильности работы чипа неиспользуемый операционный усилитель следует подключать образом, изображенным на следующей картинке справа:

Оставшийся же усилитель был подключен по обычной неинвертирующей схеме. Единственное отличие здесь заключается в том, что RB был заменен на подстроечный резистор для возможности регулирования коэффициента усиления.

Хорошо, как пользоваться операционным усилителем мы разобрались. Но что это еще за отрицательные 5 В, необходимые для его работы? Отрицательное напряжение — это вообще как, и откуда мы его возьмем? В действительности, все не так страшно, как может показаться на первый взгляд. Напряжение зависит от выбранной точки отсчета. Например, мы можем сказать, что 3 В от источника питания в нашей цепи будут считаться за 0 В. Тогда 6 В превратятся в 3 В относительно нового нуля, а 0 В, соответственно, в -3 В.

Отрицательное напряжение достаточно просто получить при помощи делителя напряжения или двух последовательно соединенных батареек. Но такие схемы далеки от идеала. Например, батарейки могут разряжаться с разной скоростью, и в результате наш ноль со временем «уплывет». В случае же с делителем напряжения следует учесть вклад сопротивления самой нагрузки, которая получается соединенной параллельно с резистором на делителе, опять таки, смещая тем самым ноль. Поэтому в данном проекте я решил пойти другим путем.

Путь заключается в использовании специальной микросхемы для инвертирования напряжения под названием ICL7660:

Принцип действия этого чипа не сложен для понимания и основывается на переключающихся конденсаторах. Подробности можно найти в даташите [PDF] на рисунке 13. Интересно, что ICL7660 можно использовать не только как инвертор напряжения, но и как удвоитель. А при использовании нескольких чипов напряжение можно умножить на 4 или 8. Следует однако учесть, что при использовании ICL7660 в качестве удвоителя рекомендуемая производителем схема подключения отличается от приведенной выше.

Поскольку мы работает со звуком, лишние шумы нам ни к чему. А ICL7660 показал себя как достаточно шумный источник напряжения, по крайней мере, на макетной плате. Поэтому я решил также добавить в схему два линейных регулятора напряжения — LM7805 для положительного напряжения и аналогичный ему LM7905 для отрицательного:

Регуляторы напряжения хороши еще тем, что позволяет питать схему напряжением из некого диапазона, а не фиксированным.

Остался последний штрих, а именно — добавить в схему разъем 3.5 mm jack:

Заметьте, что выход операционного усилителя идет через конденсатор. Так сделано по той причине, что вход для микрофона компьютера на левом и правом канале имеет какое-то постоянное напряжение, и нам нужно от него отгородиться.

Окончательный вид устройства, спаянного на макетке:

Должен сказать, что качество звука меня приятно удивило. Нет, до профессионального конденсаторного микрофона, конечно же, еще очень далеко. Но какой-либо фоновый писк, треск или иные артефакты, которых я ожидал, совершенно отсутствуют. Если говорить исключительно о передаче голоса, то устройство даст огромную фору многим USB-гарнитурам. Учитывая, что себестоимость проекта составляет что-то близкое к 2-3$, это действительно поразительно.

Полную версию проекта для KiCad вы найдете в этом Git-репозитории.

А доводилось ли вам паять что-то связанное со звуком, и если да, то что именно?

Дополнение: Пример использования операционного усилителя в роли повторителя напряжения и создания с его помощью ЦАП вы найдете в посте Генерация синусоидального сигнала, а следовательно и звука, на FPGA. Схема peak detector приводится в статье Самодельный интерфейс для работы в цифровых видах связи. Также вас могут заинтересовать статьи Активные фильтры: теория и практика и Генератор с мостом Вина на NE5532.

Метки: Аудио, Электроника.

принцип работы, схемы и т.д.

Суммирующий усилитель — схема операционного усилителя, у которого выходное напряжение равно сумме его входных напряжений. Суммирующие усилители широко применяются в электронной технике для суммирования нескольких сигналов.

Например, может включаться сигнал тревоги, если суммарная величина двух или более переменных параметров процесса превысит заданное значение.

Поскольку суммирующие усилители имеют два или более входных напряжения, подаваемых на один или оба входных зажима, то такие усилители легко узнаваемы на принципиальных схемах.

Схема суммирующего усилителя

Обратите внимание на основы электричества и на приборы электроники.

Принцип действия суммирующего усилителя

На рисунке выше представлен суммирующий операционный усилитель, имеющий два входных напряжения — Ein1 и Ein2, подаваемых на инвертирующий зажим. Неинвертирующий зажим заземлен. Поскольку входное напряжение подается на инвертирующий вход, этот суммирующий усилитель может быть назван инвертирующим суммирующим усилителем.

Резистор R1 действует как входной резистор для Ein1, а резистор R2 действует как входной резистор для Ein2. Падение напряжения на каждом входе происходит через соответствующий входной резистор.

В целом, выходное напряжение суммирующего усилителя, Eout, равно сумме входных напряжений. Поскольку входные напряжения усилителя подаются на инвертирующий вход, полярность выходного напряжения противоположна полярности суммы входных напряжений. Выходное напряжение по цепи обратной связи поступает на суммирующее соединение, и выходное напряжение формируется через резистор цепи обратной связи Rfb.

Теоретически, число входов, которое может иметь суммирующий усилитель, не ограничено. Независимо от числа входов, выходное напряжение суммирующего усилителя может быть вычислено тем же способом, который использовался для вычисления выходного напряжения инвертирующего суммирующего усилителя с двумя входными напряжениями.

Суммирующий усилитель с тремя входами

Другой вид суммирующих усилителей образует выходное напряжение, представляющее собой среднюю величину его входных напряжений. Для того, чтобы найти среднюю величину входов математически, входы сначала суммируются, затем сумма делится на число входов.

Например, при наличии двух входов их значения сначала суммируются, затем полученная сумма делится на два. Для нахождения средней величины при наличии трех входов эти входы сначала суммируются, затем сумма делится на три.

Иногда в контрольно-измерительной технике используются неинвертирующие суммирующие усилители. В неинвертирующем суммирующем усилителе коэффициент усиления схемы выбирается таким образом, чтобы выходное напряжение было равно сумме входных напряжений.

Неинвертирующий суммирующий усилитель с тремя входными напряжениями

Инвертирующий суммирующий усилитель, используемый для усреднения двух и более входных напряжений, и неинвертирующий суммирующий усилитель представляют собой лишь два из множества вариантов использования схем базовых суммирующих усилителей в электронной контрольно-измерительной технике. Рассмотрение других вариантов их использования не входит в задачи настоящего учебного модуля. Однако прибористы, понимающие основы функционирования суммирующих усилителей, смогут различить другие разновидности схем таких усилителей.

Описание операционного усилителя: определение, схемы, принцип работы

 Определение операционного усилителя

Операционный усилитель (ОУ) — это высококачественный усилитель, предназначенный для усиления как постоянных, так и переменных сигналов. Ранее такие усилители использовали главным образом в аналоговых вычислительных устройствах для выполнения математических операций (сложения, вычитания и т. д.). Это объясняет происхождение термина «операционный». В настоящее время очень широко используются операционные усилители в виде полупроводниковых интегральных схем. Эти схемы содержат большое число (десятки) элементов (транзисторов, диодов и т. д.), но по размерам и стоимости приближаются к отдельным транзисторам. Оказалось, что операционные усилители очень удобно использовать для решения самых различных задач преобразования и генерирования маломощных сигналов, поэтому эти усилители очень широко используются на практике.

Васильев Дмитрий Петрович

Профессор электротехники СПбГПУ

Задать вопрос

При инженерной разработке электронных устройств на основе операционных усилителей полезно иметь представление о внутренней структуре операционных усилителей, особенно об устройстве входных и выходных каскадов, что помогает правильно решать вопросы согласования операционных усилителей с источниками входных сигналов и приемниками преобразованных сигналов.

Однако во многих случаях нет необходимости учитывать особенности электронной схемы, реализованной в том или ином операционном усилителе. При этом операционный усилитель рассматривается как «черный ящик», который описывается характеристиками и параметрами, соответствующими токам и напряжениям только внешних выводов. Особенности электрических процессов во внутренних цепях операционного усилителя при таком подходе не учитываются. Именно поэтому начальные сведения по операционным усилителям даются в начальном разделе курса электроники, в котором изучают электронные приборы (диоды, транзисторы и т. д.).

Вообще следует отметить, что при обращении к тому или иному объекту как электроники, так и других областей науки и техники всегда можно выделить следующие две тенденции.

Первая тенденция состоит в стремлении как можно подробнее изучить и учесть внутреннюю структуру и внутренние процессы объекта, а вторая — в стремлении охарактеризовать объект так, чтобы эта структура и эти процессы учитывались как можно меньше. В отношении операционного усилителя можно сказать, что представление его в форме «черного ящика» значительно упрощает анализ электронных схем и обычно дает вполне приемлемые практические результаты.

Абрамян Евгений Павлович

Доцент кафедры электротехники СПбГПУ

Задать вопрос

Рассмотрим наиболее широко используемые разновидности операционных усилителей, для питания которых применяются два источника напряжения (обычно +15 В и −15 В). По-другому это называют питанием от источника с нулевым выводом или от расщепленного источника ±15 В.

Схемы операционного усилителя

Приведем один из вариантов условного графического обозначения операционного усилителя (рис. 1.133).

Обозначение общего вывода «0V» расшифровывается как «ноль вольт». Для уяснения назначения выводов изобразим типичную схему на операционном усилителе — схему инвертирующего усилителя (рис. 1.134).

Ниже будет показано, что если входное напряжение uвх достаточно мало по модулю, то выходное напряжение uвых определяется выражениемu вых= −uвх·Rос/R1

Часто на схемах выводы +U, − U и 0V не указывают (но, естественно, подразумевают) и используют упрощенное условное графическое обозначение (рис. 1.135). При этом приведенная выше типичная схема приобретает упрощенный вид (рис. 1.136).

В литературе, особенно зарубежной, часто используют условные графические обозначения, не соответствующие стандарту, принятому у нас (рис. 1.137).

Обозначим напряжения на выводах операционного усилителя (рис. 1.138).

Напряжение uдиф между инвертирующим и неинвертирующим входами называют дифференциальным напряжением (дифференциальным сигналом). Ясно, что uдиф =u+−u−Операционные усилители конструируют таким образом, чтобы они как можно больше изменяли напряжение uвых при изменении дифференциального сигнала (т. е. разности u+−u−) и как можно меньше изменяли напряжение uвых при одинаковом изменении напряжений u+ и u−.

Пусть uдиф= 0. Сделаем обозначение:uсф=u+=u− Напряжение u сф называют синфазным напряжением (синфазным сигналом).

Используя этот термин, можно сказать, что операционные усилители конструируют таким образом, чтобы влияние синфазного сигнала на выходное напряжение было как можно меньше.

Основы работы с операционным усилителем

— Учебное пособие по операционному усилителю

Операционные усилители — это линейные устройства, которые обладают всеми свойствами, необходимыми для почти идеального усиления постоянного тока, и поэтому широко используются при преобразовании сигналов, фильтрации или для выполнения математических операций, таких как сложение, вычитание, интегрирование и дифференцирование.

Операционный усилитель , или для краткости операционный усилитель, по сути, представляет собой устройство усиления напряжения, предназначенное для использования с внешними компонентами обратной связи, такими как резисторы и конденсаторы, между его выходными и входными клеммами.Эти компоненты обратной связи определяют результирующую функцию или «работу» усилителя, и благодаря различным конфигурациям обратной связи, будь то резистивная, емкостная или и то, и другое, усилитель может выполнять множество различных операций, что и привело к его названию «Операционный усилитель».

Операционный усилитель — это, по сути, трехконтактное устройство, состоящее из двух входов с высоким импедансом. Один из входов называется Inverting Input и отмечен знаком минус или минус (-).Другой вход называется неинвертирующим входом и отмечен знаком плюс или плюс (+).

Третий вывод представляет собой выходной порт операционного усилителя, который может как потреблять, так и передавать либо напряжение, либо ток. В линейном операционном усилителе выходной сигнал представляет собой коэффициент усиления, известный как коэффициент усиления усилителя (A), умноженный на значение входного сигнала, и в зависимости от природы этих входных и выходных сигналов может быть четыре различных классификации операционных усиление усилителя.

• Напряжение — напряжение «на входе» и «на выходе»
• Current — ток «на входе» и «на выходе»
• Крутизна — напряжение «на входе» и ток «на выходе»
• Transresistance — ток «на входе» и «на выходе»

Поскольку большинство схем, работающих с операционными усилителями, являются усилителями напряжения, мы ограничим обучающие программы в этом разделе только усилителями напряжения (Vin и Vout).

Сигнал выходного напряжения от операционного усилителя — это разница между сигналами, подаваемыми на его два отдельных входа.Другими словами, выходной сигнал операционного усилителя — это разница между двумя входными сигналами, поскольку входной каскад операционного усилителя фактически является дифференциальным усилителем, как показано ниже.

Дифференциальный усилитель

Схема ниже показывает обобщенную форму дифференциального усилителя с двумя входами, обозначенными V1 и V2. Два идентичных транзистора TR1 и TR2 смещены в одной и той же рабочей точке, их эмиттеры соединены вместе и возвращены на общую шину -Vee через резистор Re.

Дифференциальный усилитель

Схема работает от двойного источника питания + Vcc и -Vee, что обеспечивает постоянное питание. Напряжение, которое появляется на выходе усилителя Vout, представляет собой разницу между двумя входными сигналами, поскольку два базовых входа находятся в противофазе друг с другом.

Таким образом, когда прямое смещение транзистора TR1 увеличивается, прямое смещение транзистора TR2 уменьшается, и наоборот. Тогда, если два транзистора идеально согласованы, ток, протекающий через резистор с общим эмиттером, Re останется постоянным.

Подобно входному сигналу, выходной сигнал также сбалансирован, и поскольку напряжения коллектора либо колеблются в противоположных направлениях (противофазно), либо в одном и том же направлении (синфазно), сигнал выходного напряжения, снимаемый между двумя коллекторами, равен: если предположить, что схема идеально сбалансирована, то разница между двумя напряжениями коллектора равна нулю.

Это известно как Common Mode of Operation , где коэффициент усиления синфазного сигнала усилителя является выходным усилением, когда входной сигнал равен нулю.

Операционные усилители

также имеют один выход (хотя есть и с дополнительным дифференциальным выходом) с низким импедансом, который привязан к общей клемме заземления, и он должен игнорировать любые синфазные сигналы, то есть, если идентичный сигнал подается на оба инвертирующих и неинвертирующие входы, выход не должен изменяться.

Однако в реальных усилителях всегда есть некоторое отклонение, и отношение изменения выходного напряжения к изменению входного синфазного напряжения называется коэффициентом подавления синфазного сигнала или CMRR для краткости.

Операционные усилители

сами по себе имеют очень высокое усиление по постоянному току без обратной связи, и, применив некоторую форму с отрицательной обратной связью , мы можем создать схему операционного усилителя с очень точной характеристикой усиления, которая зависит только от используемой обратной связи. Обратите внимание, что термин «разомкнутый контур» означает, что вокруг усилителя не используются компоненты обратной связи, поэтому тракт или контур обратной связи разомкнут.

Операционный усилитель реагирует только на разницу между напряжениями на двух входных клеммах, известную как «Дифференциальное входное напряжение », а не на их общий потенциал.Тогда, если к обоим клеммам будет приложен одинаковый потенциал напряжения, результирующий выходной сигнал будет равен нулю. Коэффициент усиления операционных усилителей обычно известен как разомкнутый дифференциальный коэффициент усиления и обозначен символом (A _или ).

Схема эквивалента

идеального операционного усилителя

Параметры операционного усилителя и идеальная характеристика

• Усиление разомкнутого контура, (Avo)

  • Infinite — Основная функция операционного усилителя заключается в усилении входного сигнала, и чем больше у него коэффициент усиления без обратной связи, тем лучше.Коэффициент усиления без обратной связи — это коэффициент усиления операционного усилителя без положительной или отрицательной обратной связи, и для такого усилителя коэффициент усиления будет бесконечным, но типичные реальные значения находятся в диапазоне примерно от 20 000 до 200 000.

• Входное сопротивление, (Z

  _IN )
  • Бесконечный — Входной импеданс — это отношение входного напряжения к входному току и предполагается, что он бесконечен, чтобы предотвратить протекание любого тока от источника питания во входную схему усилителя (I _IN = 0).Настоящие операционные усилители имеют входные токи утечки от нескольких пикоампер до нескольких миллиампер.

• Выходное сопротивление, (Z

  _OUT )
  • Ноль — Выходное сопротивление идеального операционного усилителя предполагается равным нулю, действуя как идеальный внутренний источник напряжения без внутреннего сопротивления, чтобы он мог подавать на нагрузку столько тока, сколько необходимо. Это внутреннее сопротивление эффективно включено последовательно с нагрузкой, тем самым уменьшая выходное напряжение, доступное для нагрузки.Реальные операционные усилители имеют выходное сопротивление в диапазоне 100-20 кОм.

• Пропускная способность, (BW)

  • Infinite — Идеальный операционный усилитель имеет бесконечную частотную характеристику и может усиливать любой частотный сигнал от постоянного до самых высоких частот переменного тока, поэтому предполагается, что он имеет бесконечную полосу пропускания. В реальных операционных усилителях полоса пропускания ограничена произведением коэффициента усиления на полосу пропускания (GB), которое равно частоте, на которой коэффициент усиления усилителей становится равным единице.

• Напряжение смещения, (В

  _IO )
  • Ноль — Выход усилителя будет равен нулю, когда разность напряжений между инвертирующим и неинвертирующим входами равна нулю, одинакова или когда оба входа заземлены. Реальные операционные усилители имеют некоторое выходное напряжение смещения.

Из этих «идеализированных» характеристик, приведенных выше, мы можем видеть, что входное сопротивление бесконечно, поэтому ток не течет ни на одну из входных клемм («правило тока») и что напряжение смещения дифференциального входа равно нулю (« правило напряжения »).Важно помнить об этих двух свойствах, поскольку они помогут нам понять работу операционного усилителя в отношении анализа и проектирования схем операционного усилителя.

Однако реальные операционные усилители , такие как широко распространенный uA741 , например, не имеют бесконечного усиления или полосы пропускания, но имеют типичное «усиление разомкнутого контура», которое определяется как усиление выходного сигнала усилителя без каких-либо внешних сигналов обратной связи, подключенных к это и для типичного операционного усилителя составляет около 100 дБ при постоянном токе (ноль Гц).Это выходное усиление линейно уменьшается с частотой до «Unity Gain» или 1, примерно на 1 МГц, и это показано на следующей кривой отклика усиления без обратной связи.

Кривая АЧХ без обратной связи

Из этой кривой частотной характеристики мы можем видеть, что произведение коэффициента усиления на частоту является постоянным в любой точке кривой. Кроме того, частота единичного усиления (0 дБ) также определяет коэффициент усиления усилителя в любой точке кривой. Эта константа обычно известна как произведение на коэффициент усиления или фунтов стерлингов .Следовательно:

GBP = Прирост x Полоса пропускания = A x BW

Например, из приведенного выше графика коэффициент усиления усилителя на частоте 100 кГц задается как 20 дБ или 10, тогда произведение коэффициента усиления на полосу пропускания рассчитывается как:

GBP = A x BW = 10 x 100 000 Гц = 1 000 000.

Точно так же операционные усилители усиливаются на 1 кГц = 60 дБ или 1000, поэтому GBP задается как:

GBP = A x BW = 1000 x 1000 Гц = 1000000. То же! .

Коэффициент усиления по напряжению (A _В ) операционного усилителя можно найти по следующей формуле:

и Децибел или (дБ) дается как:

An Полоса пропускания операционных усилителей

Полоса пропускания операционных усилителей — это диапазон частот, в котором коэффициент усиления усилителя по напряжению превышает 70.7% или -3 дБ (где 0 дБ — максимум) от его максимального выходного значения, как показано ниже.

Здесь мы использовали линию 40 дБ в качестве примера. -3 дБ или 70,7% от точки понижения Vmax на кривой частотной характеристики задается как 37 дБ . Если провести линию до тех пор, пока она не пересечется с основной кривой GBP, мы получим частотную точку чуть выше линии 10 кГц на уровне примерно от 12 до 15 кГц. Теперь мы можем рассчитать это более точно, так как мы уже знаем GBP усилителя, в данном конкретном случае 1 МГц.

Пример рабочего усилителя №1.

Используя формулу 20 log (A), мы можем рассчитать полосу пропускания усилителя как:

37 = 20 log (A), следовательно, A = anti-log (37 ÷ 20) = 70,8

GBP ÷ A = Полоса пропускания, следовательно, 1000000 ÷ 70,8 = 14,124 Гц или 14 кГц

Тогда полоса пропускания усилителя при усилении 40 дБ задается как 14 кГц , как ранее предсказывалось из графика.

Пример рабочего усилителя №2.

Если бы коэффициент усиления операционного усилителя был уменьшен наполовину до 20 дБ на приведенной выше кривой частотной характеристики, точка -3 дБ теперь была бы на уровне 17 дБ.Это даст операционному усилителю общий коэффициент усиления 7,08, следовательно, A = 7,08 .

Если мы воспользуемся той же формулой, что и выше, это новое усиление даст нам полосу пропускания приблизительно 141,2 кГц , что в десять раз больше, чем частота, указанная в точке 40 дБ. Таким образом, можно видеть, что за счет уменьшения общего «коэффициента усиления разомкнутого контура» операционного усилителя его полоса пропускания увеличивается, и наоборот.

Другими словами, полоса пропускания операционного усилителя обратно пропорциональна его усилению (A 1 / ∞ BW).Кроме того, эта точка угловой частоты -3 дБ обычно известна как «точка половинной мощности», так как выходная мощность усилителя составляет половину своего максимального значения, как показано:

Обзор операционных усилителей

Теперь мы знаем, что операционные усилители — это дифференциальный усилитель постоянного тока с очень высоким коэффициентом усиления, который использует одну или несколько внешних цепей обратной связи для управления его откликом и характеристиками. Мы можем подключать внешние резисторы или конденсаторы к операционному усилителю различными способами, чтобы сформировать базовые схемы «строительного блока», такие как усилители инвертирующего, неинвертирующего, с повторителем напряжения, суммирования, дифференциала, интегратора и дифференциатора.

Символ операционного усилителя

«Идеальный» или совершенный операционный усилитель — это устройство с определенными особыми характеристиками, такими как бесконечное усиление разомкнутого контура A _O , бесконечное входное сопротивление R _IN , нулевое выходное сопротивление R _OUT , бесконечная полоса пропускания от 0 до ∞ и смещение нуля (выход точно равен нулю, когда вход равен нулю).

Существует очень большое количество ИС операционных усилителей, подходящих для всех возможных применений: от стандартных биполярных, прецизионных, высокоскоростных, малошумящих, высоковольтных и т. Д. В стандартной конфигурации или с внутренними переходными полевыми транзисторами.

Операционные усилители доступны в корпусах IC, состоящих из одного, двух или четырех операционных усилителей в одном устройстве. Наиболее распространенным и используемым из всех операционных усилителей в базовых электронных наборах и проектах является промышленный стандарт мкА-741 .

В следующем руководстве по операционным усилителям мы будем использовать отрицательную обратную связь, подключенную вокруг операционного усилителя, чтобы создать стандартную схему усилителя с обратной связью, называемую схемой инвертирующего усилителя, которая выдает выходной сигнал, который составляет 180 ^o «вне диапазона». фаза »с вводом.

Обзор операционных усилителей

, основы операционных усилителей

Мы можем завершить наш раздел и взглянуть на операционные усилители со следующим обзором различных типов схем операционных усилителей и их различных конфигураций, обсуждаемых в этом учебном разделе по операционным усилителям.

Общие условия рабочего усилителя

• • Операционный усилитель или Op-amp , как его чаще всего называют, может быть идеальным усилителем с бесконечным усилением и полосой пропускания при использовании в режиме разомкнутого контура с типичным коэффициентом усиления по постоянному току более 100000 или 100 дБ. .
• • Базовая конструкция операционного усилителя представляет собой устройство с 3 контактами, с 2 входами и 1 выходом (исключая силовые соединения).
• • Операционный усилитель работает либо от двойного положительного (+ V), и от соответствующего отрицательного (-V) источника питания, либо они могут работать от одного источника постоянного напряжения.
• • Два основных закона, связанных с операционным усилителем, заключаются в том, что он имеет бесконечный входной импеданс (Z = ∞), в результате чего « Нет тока, протекающего ни на один из его двух входов », и нулевое входное напряжение смещения V1 = V2.
• • Операционный усилитель также имеет нулевое выходное сопротивление (Z = 0).
• • Операционные усилители определяют разницу между сигналами напряжения, приложенными к их двум входным клеммам, а затем умножают ее на некоторое заранее определенное усиление (A).
• • Это усиление (A) часто называют усилением без обратной связи усилителя.
• • Замыкание разомкнутого контура путем подключения резистивного или реактивного компонента между выходом и одной входной клеммой операционного усилителя значительно снижает и регулирует это усиление разомкнутого контура.
• • Операционные усилители могут быть подключены в двух основных конфигурациях: , инвертирующий, и , неинвертирующий, .

Две основные схемы операционных усилителей

• Для отрицательной обратной связи , когда напряжение обратной связи находится в «противофазе» по отношению к входу, общее усиление усилителя уменьшается.
• Для положительной обратной связи , когда напряжение обратной связи находится в «фазе» на входе, общее усиление усилителя увеличивается.
• При подключении выхода напрямую к отрицательной входной клемме достигается 100% -ная обратная связь, что приводит к цепи повторителя напряжения (буфер) с постоянным усилением, равным 1 (единица).
• Заменив постоянный резистор обратной связи (Rƒ) на потенциометр, схема будет иметь регулируемое усиление.

Коэффициент усиления операционного усилителя

• Коэффициент усиления разомкнутого контура, называемый произведением на коэффициент усиления на полосу пропускания , или (GBP), может быть очень высоким и является мерой того, насколько хорош усилитель.
• Очень высокое значение GBP делает схему операционного усилителя нестабильной, поскольку входной микровольтный сигнал заставляет выходное напряжение переходить в состояние насыщения.
• С помощью подходящего резистора обратной связи (Rƒ) можно точно контролировать общий коэффициент усиления усилителя.

Дифференциальные и суммирующие усилители

• Путем добавления дополнительных входных резисторов к инвертирующим или неинвертирующим входам можно получить сумматоры напряжения или Summers .
Операционные усилители с повторителем напряжения
• могут быть добавлены ко входам дифференциальных усилителей для создания инструментальных усилителей с высоким импедансом.
• Дифференциальный усилитель выдает выходной сигнал, пропорциональный разнице между двумя входными напряжениями.

Схемы операционных усилителей дифференциатора и интегратора

• Интегратор-усилитель выдает выходной сигнал, который является математической операцией интегрирования.
• Дифференцирующий усилитель выдает выходной сигнал, который является математической операцией дифференцирования.
• И интегратор, и дифференциальный усилитель имеют резистор и конденсатор, подключенные к операционному усилителю, и на них влияет постоянная времени RC.
• В своей базовой форме усилители-дифференциаторы страдают нестабильностью и шумом, но могут быть добавлены дополнительные компоненты для уменьшения общего коэффициента усиления с обратной связью.

Топ-10 основных схем операционных усилителей

Наряду с резисторами и конденсаторами, которые являются пассивными компонентами, операционные усилители являются одними из основных строительных блоков аналоговых электронных схем.Операционные усилители (ОУ) — это линейные устройства, которые обладают всеми свойствами, необходимыми для почти идеального усиления постоянного тока, и поэтому широко используются при преобразовании или фильтрации сигналов или для выполнения математических операций, таких как сложение, вычитание, интегрирование и дифференцирование. Цель этой статьи — представить 10 основных схем для новичков в разработке электроники и освежить ржавые умы инженеров.

1. Повторитель напряжения

Самая простая схема — это буфер напряжения, так как не требует каких-либо внешних компонентов.Поскольку выходное напряжение равно входному напряжению, студенты могут быть озадачены и задаются вопросом, имеет ли такая схема какое-либо практическое применение.

Эта схема позволяет создавать вход с очень высоким сопротивлением и выход с низким сопротивлением. Это полезно для сопряжения логических уровней между двумя компонентами или когда источник питания основан на делителе напряжения. Рисунок ниже основан на делителе напряжения, и схема не может работать. Действительно, импеданс нагрузки может сильно варьироваться, поэтому напряжение Vout может резко измениться, в основном, если импеданс нагрузки имеет такое же значение, как R2.

Чтобы решить эту проблему, между нагрузкой и делителем напряжения вставлен усилитель (см. Рисунок ниже). Таким образом, Vout зависит от R1 и R2, а не от значения нагрузки.

Основная цель операционного усилителя, как указано в его названии, — усилить сигнал. Например, выходной сигнал датчика должен быть усилен, чтобы АЦП измерял этот сигнал.

2. Инвертирующий операционный усилитель

В этой конфигурации выходной сигнал подается обратно на отрицательный или инвертирующий вход через резистор (R2).Входной сигнал подается на этот инвертирующий вывод через резистор (R1).

Положительный вывод подключен к земле.

Это очевидно в частном случае, когда R1 и R2 равны. Эта конфигурация позволяет производить сигнал, который является дополнительным ко входу, поскольку выходной сигнал точно противоположен входному сигналу.

Из-за отрицательного знака выходной и входной сигналы не совпадают по фазе. Если оба сигнала должны быть в фазе, используется неинвертирующий усилитель.

3. Неинвертирующий операционный усилитель

Эта конфигурация очень похожа на инвертирующий операционный усилитель. Для неинвертирующего типа входное напряжение подается непосредственно на неинвертирующий вывод, а конец контура обратной связи соединяется с землей.

Эти конфигурации позволяют усиление одного сигнала. Можно усилить несколько сигналов с помощью суммирующих усилителей.

4. Неинвертирующий суммирующий усилитель

Чтобы добавить 2 напряжения, только 2 резистора можно добавить на положительный вывод к схеме неинвертирующего операционного усилителя.

Следует отметить, что добавление нескольких напряжений — не очень гибкое решение. Действительно, если добавить напряжение 3 ^rd с точно такими же сопротивлениями, формула будет иметь вид Vs = 2/3 (V ₁ + V ₂ + V ₃ ).

Чтобы получить Vs = V ₁ + V ₂ + V _3, или 2 ^nd , необходимо использовать инвертирующий летний усилитель.

5.Инвертирующий суммирующий усилитель

Путем добавления резисторов параллельно к инвертирующему входному выводу схемы инвертирующего операционного усилителя суммируются все напряжения.

В отличие от неинвертирующего суммирующего усилителя, любое количество напряжений может быть добавлено без изменения номиналов резисторов.

6. Дифференциальный усилитель

Инвертирующий операционный усилитель (см. Схему № 2) усиливал напряжение, подаваемое на инвертирующий вывод, и выходное напряжение было не в фазе.В этой конфигурации неинвертирующий вывод заземлен.

Если вышеуказанная схема модифицирована путем подачи напряжения через делитель напряжения на неинвертирующий, мы получим дифференциальный усилитель, как показано ниже.

Усилитель полезен не только потому, что он позволяет складывать, вычитать или сравнивать напряжения. Многие схемы позволяют изменять сигналы. Давайте посмотрим на самые простые.

7. Интегратор

Прямоугольную волну очень легко сгенерировать, просто переключив, например, GPIO микроконтроллера.Если для схемы требуется треугольная форма волны, хороший способ сделать это — просто интегрировать прямоугольный сигнал. С операционным усилителем, конденсатором на инвертирующем пути обратной связи и резистором на входном инвертирующем контакте, как показано ниже, входной сигнал интегрируется.

Имейте в виду, что резистор часто подключается параллельно конденсатору из-за проблем с насыщением. Действительно, если входной сигнал представляет собой синусоидальную волну очень низкой частоты, конденсатор действует как разомкнутая цепь и блокирует напряжение обратной связи.В этом случае усилитель похож на обычный усилитель с разомкнутым контуром, который имеет очень высокий коэффициент усиления без обратной связи, и усилитель находится в режиме насыщения. Благодаря резистору, включенному параллельно конденсатору, схема ведет себя как инвертирующий усилитель с низкой частотой, и насыщение избегается.

8. Дифференциатор операционных усилителей

Дифференциатор работает аналогично интегратору, меняя местами конденсатор и резистор.

Все конфигурации, которые были представлены до сих пор.

9. Преобразователь тока — напряжения

Фотоприемник преобразует свет в ток. Чтобы преобразовать ток в напряжение, простая схема с операционным усилителем, контур обратной связи через резистор на неинвертирующем и диод, подключенный между двумя входными контактами, позволяет получить выходное напряжение, пропорциональное току, генерируемому фотодиодом. , что видно по световым характеристикам.

В приведенной выше схеме применяется закон Ома с основной формулой: напряжение равно сопротивлению, умноженному на ток.Сопротивление указано в Ом и всегда положительно. Но благодаря операционным усилителям можно спроектировать отрицательное сопротивление!

10. Отрицательное сопротивление

Обратная связь на инвертирующем выводе заставляет выходное напряжение быть вдвое больше входного. Поскольку выходное напряжение всегда выше входного, положительная обратная связь через резистор R1 на неинвертирующем выводе имитирует отрицательное сопротивление.

Наконец, схема с операционным усилителем не обязательно изменяет входной сигнал, но записывает его, как усилитель с пиковым детектором.

Также: Усилитель с пиковым детектором

Конденсатор используется как память. Когда входное напряжение на неинвертирующем входе выше, чем напряжение на инвертирующем входе, которое также является напряжением на конденсаторе, усилитель входит в состояние насыщения, а диод направлен вперед и заряжает конденсатор. Предполагая, что конденсатор не имеет быстрого саморазряда, когда входное напряжение Ve ниже, чем напряжение на конденсаторе, диод блокируется. Следовательно, пиковое напряжение записывается благодаря конденсатору.

Имеется гораздо больше схем с операционными усилителями, но понимание этих 10 основных схем позволяет легко изучать более сложные схемы.

Схема усилителя с общим эмиттером и ее работа

Транзистор представляет собой трехконтактный полупроводниковый прибор с выводами E (эмиттер), B (база) и C (коллектор). Транзистор может работать в трех разных областях, таких как активная область, область отсечки и область насыщения.Транзисторы выключаются при работе в области отсечки и включаются при работе в области насыщения. Транзисторы работают как усилители, пока они работают в активной области. Основная функция транзистора как усилителя заключается в усилении входного сигнала без значительных изменений. В этой статье рассказывается, как транзистор работает как усилитель.

Транзистор как усилитель

Схема усилителя может быть определена как схема, которая используется для усиления сигнала.На входе усилителя подается напряжение, в противном случае — ток, а на выходе — входной сигнал усилителя. Схема усилителя, в которой используется транзистор, иначе транзисторы, известна как транзисторный усилитель. Применение схем транзисторных усилителей в основном связано с аудио, радио, оптоволоконной связью и т. Д.

Конфигурации транзисторов подразделяются на три типа, такие как CB (общая база), CC (общий коллектор) и CE (общий эмиттер). Но общая конфигурация излучателя часто используется в таких приложениях, как аудиоусилитель.Поскольку в конфигурации CB коэффициент усиления <1, а в конфигурации CC коэффициент усиления почти эквивалентен 1.

Параметры хорошего транзистора в основном включают в себя различные параметры, а именно: высокое усиление, высокую скорость нарастания, широкую полосу пропускания, высокую линейность, высокую эффективность, высокий импеданс i / p, высокую стабильность и т. Д.

Транзистор как схема усилителя

Транзистор может использоваться как усилитель , увеличивая силу слабого сигнала. С помощью следующей схемы транзисторного усилителя можно получить представление о том, как эта транзисторная схема работает как схема усилителя.

В приведенной ниже схеме входной сигнал может подаваться между переходом эмиттер-база и выходом через нагрузку Rc, подключенную в цепи коллектора.

Транзистор как схема усилителя

Для точного усиления всегда помните, что вход подключен с прямым смещением, а выход подключен с обратным смещением. По этой причине, в дополнение к сигналу, мы прикладываем постоянное напряжение (VEE) во входной цепи, как показано в приведенной выше схеме.

Как правило, входная цепь имеет низкое сопротивление; небольшое изменение напряжения сигнала на входе приведет к значительному изменению тока эмиттера.Из-за действия транзистора изменение тока эмиттера вызовет такое же изменение в цепи коллектора.

В настоящее время ток коллектора через резистор Rc создает на нем огромное напряжение. Следовательно, приложенный слабый сигнал на входной цепи будет выходить в усиленной форме на коллекторной цепи на выходе. В этом методе транзистор работает как усилитель.

Схема усилителя с общим эмиттером

В большинстве электронных схем мы обычно используем конфигурацию транзисторов NPN, которая известна как схема усилителя транзисторов NPN.Давайте рассмотрим схему смещения делителя напряжения, которая широко известна как схема одноступенчатого транзисторного усилителя.

В принципе, устройство смещения может быть построено на двух транзисторах, например, в цепи делителя потенциала на источнике напряжения. Он подает напряжение смещения на транзисторы со своей средней точки. Этот тип смещения в основном используется в схемах усилителя на биполярных транзисторах.

Принципиальная схема усилителя с общим эмиттером

При таком смещении транзистор будет уменьшать коэффициент усиления тока ‘β’, удерживая смещение базы на ступени постоянного постоянного напряжения, и обеспечивает точную стабильность.Vb (базовое напряжение) можно измерить с помощью схемы делителя потенциала .

В приведенной выше схеме полное сопротивление будет равно количеству двух резисторов, таких как R1 и R2. Создаваемый уровень напряжения на соединении двух резисторов будет поддерживать постоянное базовое напряжение при напряжении питания.

Следующая формула представляет собой простое правило делителя напряжения, которое используется для измерения опорного напряжения.

Vb = (Vcc.R2) / (R1 + R2)

Аналогичное напряжение питания также определяет максимальный ток коллектора, так как транзистор активирован в режиме насыщения.

Коэффициент усиления общего эмиттера

Коэффициент усиления по напряжению с общим эмиттером эквивалентен изменению отношения входного напряжения к изменению выходного напряжения усилителя. Рассмотрим Vin и Vout как Δ VB. & Δ VL

В условиях сопротивлений усиление напряжения будет эквивалентно отношению сопротивления сигнала в коллекторе к сопротивлению сигнала в эмиттере, которое дается как

Коэффициент усиления напряжения = Ввых / Vin = Δ VL / Δ VB = — RL / RE

Используя приведенное выше уравнение, мы можем просто определить коэффициент усиления по напряжению в цепи общего эмиттера.Мы знаем, что биполярные транзисторы имеют очень маленькое внутреннее сопротивление, встроенное в их эмиттерную часть, то есть Re. Когда внутреннее сопротивление эмиттера будет последовательно соединено с внешним сопротивлением, ниже приведено настраиваемое уравнение усиления напряжения.

Коэффициент усиления по напряжению = — RL / (RE + Re)

Полное сопротивление в цепи эмиттера на низкой частоте будет эквивалентно величине внутреннего сопротивления и внешнего сопротивления, равного RE + Re.

Для этой схемы усиление напряжения на высоких и низких частотах включает следующее.

Коэффициент усиления напряжения на высокой частоте = — RL / RE

Коэффициент усиления по напряжению на низкой частоте = — RL / (RE + Re)

Используя приведенные выше формулы, можно рассчитать коэффициент усиления по напряжению для схемы усилителя.

Таким образом, все дело в транзисторе как усилителе. Из приведенной выше информации, наконец, мы можем сделать вывод, что транзистор может работать как усилитель, только если он правильно смещен.Хороший транзистор имеет несколько параметров, включая высокое усиление, широкую полосу пропускания, высокую скорость нарастания, высокую линейность, высокий импеданс i / p, высокую эффективность, высокую стабильность и т. Д. Вот вам вопрос: , что такое транзисторный усилитель 3055 ?

Принципиальная схема

, работа и характеристики

Существует различных типов транзисторных усилителей , работающих от входного сигнала переменного тока. Он меняется между положительным значением и отрицательным значением, следовательно, это один из способов представить схему усилителя с общим эмиттером для работы между двумя пиковыми значениями.Этот процесс известен как усилитель смещения, и это важная конструкция усилителя, позволяющая установить точную рабочую точку транзисторного усилителя, готового к приему сигналов, следовательно, он может уменьшить любые искажения выходного сигнала. В этой статье мы обсудим анализ обычных эмиттерных усилителей.

Что такое усилитель?

Усилитель — это электронная схема, которая используется для увеличения силы слабого входного сигнала с точки зрения напряжения, тока или мощности.Процесс увеличения силы слабого сигнала известен как усиление. Одним из наиболее важных ограничений во время усиления является то, что должна увеличиваться только величина сигнала, и не должно быть никаких изменений в исходной форме сигнала. Транзистор (BJT, FET) является основным компонентом системы усилителя. Когда транзистор используется в качестве усилителя, первым делом необходимо выбрать подходящую конфигурацию, в которой будет использоваться устройство. Затем транзистор должен быть смещен, чтобы получить желаемую точку добротности.Сигнал подается на вход усилителя, и достигается выходное усиление.

Что такое усилитель с общим эмиттером?

Усилитель с общим эмиттером представляет собой трехкаскадный однокаскадный транзистор с биполярным переходом и используется в качестве усилителя напряжения. Вход этого усилителя берется с клеммы базы, выходной сигнал — с клеммы коллектора, а клемма эмиттера является общей для обоих клемм. Базовое обозначение усилителя с общим эмиттером показано ниже.

Усилитель с общим эмиттером

Конфигурация усилителя с общим эмиттером

В разработке электронных схем используются три типа конфигураций транзисторов, такие как общий эмиттер, общая база и общий коллектор. Из-за его основных свойств наиболее часто используется общий эмиттер.

Этот тип усилителя включает сигнал, который подается на клемму базы, а затем выходной сигнал принимается с клеммы коллектора схемы. Но, как следует из названия, основной атрибут схемы эмиттера знаком как для входа, так и для выхода.

Конфигурация транзистора с общим эмиттером широко используется в большинстве конструкций электронных схем. Эта конфигурация в равной степени подходит для обоих транзисторов, таких как транзисторы PNP и NPN, но транзисторы NPN используются наиболее часто из-за широкого использования этих транзисторов.

В конфигурации усилителя с общим эмиттером эмиттер BJT является общим как для входного, так и для выходного сигнала, как показано ниже. Расположение такое же для транзистора PNP, но смещение будет противоположным по отношению к транзистору NPN.

Конфигурации усилителя CE

Работа усилителя с общим эмиттером

Когда сигнал подается на переход эмиттер-база, прямое смещение на этом переходе увеличивается в течение верхнего полупериода. Это приводит к увеличению потока электронов от эмиттера к коллектору через базу, следовательно, увеличивает ток коллектора.Увеличивающийся ток коллектора вызывает большее падение напряжения на резисторе RC нагрузки коллектора.

Работа усилителя CE

Отрицательный полупериод уменьшает напряжение прямого смещения на переходе эмиттер-база. Уменьшение напряжения коллектор-база уменьшает ток коллектора во всем резисторе коллектора Rc. Таким образом, резистор усиленной нагрузки появляется на резисторе коллектора. Схема усилителя с общим эмиттером показана выше.

Из осциллограмм напряжения для цепи CE, показанной на рис.(b). Видно, что существует сдвиг фазы на 180 градусов между сигналами на входе и выходе.

Работа усилителя с общим эмиттером

На приведенной ниже принципиальной схеме показана работа схемы усилителя с общим эмиттером, которая состоит из смещения делителя напряжения, используемого для подачи напряжения смещения базы в соответствии с необходимостью. Делитель напряжения смещения имеет делитель потенциала с двумя резисторами, подключенными таким образом, что средняя точка используется для подачи напряжения смещения базы.

Схема усилителя с общим эмиттером

В усилителе с общим эмиттером используются различные типы электронных компонентов: резистор R1 используется для прямого смещения, резистор R2 используется для развития смещения, резистор RL используется на выходе, который называется сопротивление нагрузки.Резистор RE используется для термостойкости. Конденсатор C1 используется для отделения сигналов переменного тока от напряжения смещения постоянного тока, а конденсатор известен как конденсатор связи.

На рисунке показано, что характеристики транзистора усилителя с общим эмиттером смещения в зависимости от коэффициента усиления: если резистор R2 увеличивается, то увеличивается прямое смещение, а R1 и смещение обратно пропорциональны друг другу. Переменный ток подается на базу транзистора схемы усилителя с общим эмиттером, после чего возникает небольшой ток базы.Следовательно, через коллектор проходит большой ток через сопротивление RC. Напряжение около сопротивления RC изменится, потому что значение очень высокое и составляет от 4 до 10 кОм. Следовательно, в цепи коллектора присутствует огромное количество тока, который усиливается за счет слабого сигнала, поэтому транзисторы с общим эмиттером работают как схема усилителя.

Коэффициент усиления усилителя с общим эмиттером

Коэффициент усиления по току усилителя с общим эмиттером определяется как отношение изменения тока коллектора к изменению тока базы.Коэффициент усиления по напряжению определяется как произведение коэффициента усиления по току и отношения выходного сопротивления коллектора к входному сопротивлению базовых цепей. Следующие уравнения показывают математическое выражение усиления по напряжению и по току.

β = ΔIc / ΔIb

Av = β Rc / Rb

Элементы схем и их функции

Элементы схемы усилителя с общим эмиттером и их функции обсуждаются ниже.

Цепь смещения / делитель напряжения

Сопротивления R1, R2 и RE, используемые для формирования цепи смещения и стабилизации напряжения.Схема смещения должна установить правильную рабочую точку Q, иначе часть отрицательного полупериода сигнала может быть отключена на выходе.

Входной конденсатор (C1)

Конденсатор C1 используется для передачи сигнала на базовый вывод BJT. Если его нет, сопротивление источника сигнала Rs будет попадать на R2, и, следовательно, это изменит смещение. C1 пропускает только сигнал переменного тока, но изолирует источник сигнала от R2

Конденсатор байпаса эмиттера (CE)

Шунтирующий конденсатор эмиттера CE используется параллельно с RE, чтобы обеспечить путь с низким реактивным сопротивлением для усиленного сигнала переменного тока.Если он не используется, то усиленный сигнал переменного тока, следующий через RE, вызовет падение напряжения на нем, тем самым понизив выходное напряжение.

Конденсатор связи (C2)

Разделительный конденсатор C2 связывает один каскад усиления со следующим каскадом. Этот метод используется для изоляции настроек смещения постоянного тока двух связанных цепей.

Токи цепи усилителя CE

Базовый ток iB = IB + ib где,

IB = постоянный ток базы при отсутствии сигнала.

ib = база переменного тока при подаче сигнала переменного тока и iB = общий базовый ток.

Ток коллектора iC = IC + ic где,

iC = общий ток коллектора.

IC = ток коллектора нулевого сигнала.

ic = ток коллектора переменного тока при подаче сигнала переменного тока.

Ток эмиттера iE = IE + т.е. где,

IE = ток эмиттера нулевого сигнала.

Ie = переменный ток эмиттера при подаче переменного сигнала.

iE = полный ток эмиттера.

Анализ усилителя с общим эмиттером

Первым шагом в анализе переменного тока схемы усилителя с общим эмиттером является построение эквивалентной схемы переменного тока путем уменьшения всех источников постоянного тока до нуля и замыкания всех конденсаторов. На рисунке ниже показана эквивалентная схема переменного тока.

Эквивалентная схема переменного тока для усилителя CE

Следующим шагом в анализе переменного тока является построение схемы с h-параметром путем замены транзистора в эквивалентной схеме переменного тока его моделью с h-параметром. На рисунке ниже показана эквивалентная схема h-параметра для схемы CE.

Схема эквивалента h-параметра для усилителя с общим эмиттером

Типичные характеристики схемы CE приведены ниже:

• Входное сопротивление устройства, Zb = hie
• Входное сопротивление цепи, Zi = R1 || R2 || Zb
• Выходное сопротивление устройства, Zc = 1 / мотыга
• Выходное сопротивление цепи, Zo = RC || ZC ≈ RC
• Коэффициент усиления цепи, Av = -hfe / hie * (Rc || RL)
• Коэффициент усиления тока цепи, AI = hfe. RC. Rb / (Rc + RL) (Rc + hie)
• Коэффициент усиления цепи, Ap = Av * Ai

Частотная характеристика усилителя CE

Коэффициент усиления по напряжению усилителя CE зависит от частоты сигнала.Это связано с тем, что реактивное сопротивление конденсаторов в цепи изменяется в зависимости от частоты сигнала и, следовательно, влияет на выходное напряжение. Кривая между усилением напряжения и частотой сигнала усилителя называется частотной характеристикой. На рисунке ниже показана частотная характеристика типичного усилителя CE.

Частотная характеристика

Из приведенного выше графика мы видим, что усиление напряжения падает на низких ( FH) частотах, тогда как оно остается постоянным в среднечастотном диапазоне (от FL до FH).

На низких частотах ( Реактивное сопротивление разделительного конденсатора C2 относительно велико, и, следовательно, очень небольшая часть сигнала будет проходить от каскада усилителя к нагрузке.

Более того, CE не может эффективно шунтировать RE из-за его большого реактивного сопротивления на низких частотах. Эти два фактора вызывают падение усиления напряжения на низких частотах.

на высоких частотах (> FH) Реактивное сопротивление разделительного конденсатора C2 очень мало, и он ведет себя как короткое замыкание.Это увеличивает нагрузку на каскад усилителя и снижает коэффициент усиления по напряжению.

Кроме того, на высоких частотах емкостное сопротивление перехода база-эмиттер низкое, что увеличивает ток базы. Эта частота снижает коэффициент усиления тока β. По этим двум причинам усиление напряжения падает на высокой частоте.

На средних частотах (от FL до FH) Коэффициент усиления по напряжению усилителя постоянный. Конденсатор связи C2 в этом диапазоне частот обеспечивает постоянное усиление напряжения.Таким образом, по мере увеличения частоты в этом диапазоне реактивное сопротивление CC уменьшается, что приводит к увеличению усиления.

Однако, в то же время, более низкое реактивное сопротивление означает, что более высокие почти компенсируют друг друга, что приводит к равномерному хорошему среднему значению.

Мы можем наблюдать частотную характеристику любой схемы усилителя — это разница в ее характеристиках из-за изменений в частоте входного сигнала, поскольку она показывает полосы частот, в которых выходной сигнал остается достаточно стабильным. Полоса пропускания схемы может быть определена как небольшой или большой частотный диапазон между ƒH и ƒL.

Таким образом, мы можем определить коэффициент усиления по напряжению для любого синусоидального входа в заданном диапазоне частот. Частотная характеристика логарифмического представления — это диаграмма Боде. Большинство усилителей звука имеют плоскую частотную характеристику в диапазоне от 20 Гц до 20 кГц. Для аудиоусилителя частотный диапазон известен как полоса пропускания.

Точки частоты, такие как ƒL и ƒH, относятся к нижнему и верхнему углам усилителя, которые являются падением коэффициента усиления схем как на высоких, так и на низких частотах.Эти частотные точки также известны как точки в децибелах. Таким образом, BW можно определить как

BW = fH — fL

дБ (децибел) составляет 1/10 от B (бел), это знакомая нелинейная единица измерения усиления и определяется как 20log10 (A). Здесь «A» — десятичный коэффициент усиления, отложенный по оси ординат.

Максимальный выходной сигнал может быть получен через нулевые децибелы, которые передаются в сторону функции величины, равной единице, в противном случае это происходит, когда Vout = Vin, когда нет снижения на этом уровне частоты, поэтому

VOUT / VIN = 1, поэтому 20log (1) = 0 дБ

Как видно из приведенного выше графика, выходной сигнал в двух точках частоты среза будет уменьшаться с 0 дБ до -3 дБ и продолжает падать с фиксированной скоростью.Это уменьшение в пределах усиления известно как участок спада кривой частотной характеристики. Во всех основных схемах фильтров и усилителей эта скорость спада может быть определена как 20 дБ / декада, что равно скорости 6 дБ / октаву. Итак, порядок схемы умножается на эти значения.

Эти точки частоты среза -3 дБ будут описывать частоту, на которой усиление o / p может быть уменьшено до 70% от его максимального значения. После этого мы можем правильно сказать, что частотная точка — это также частота, на которой коэффициент усиления системы снизился до 0.7 высшей ценности.

Транзисторный усилитель с общим эмиттером

Принципиальная схема транзисторного усилителя с общим эмиттером имеет общую конфигурацию и представляет собой стандартный формат транзисторной схемы, в которой требуется усиление по напряжению. Усилитель с общим эмиттером также преобразован в инвертирующий усилитель. Различные типы конфигураций в транзисторных усилителях представляют собой транзисторы с общей базой и общим коллектором, и рисунок показан на следующих схемах.

Усилитель на транзисторах с общим эмиттером

Характеристики усилителя с общим эмиттером

• Коэффициент усиления по напряжению обычного эмиттерного усилителя средний
• Высокий коэффициент усиления в усилителе с общим эмиттером
• Имеется фазовое соотношение 180 градусов на входе и выходе
• В усилителе с общим эмиттером входные и выходные резисторы средние.

График характеристик между смещением и усилением показан ниже.

Характеристики

Напряжение смещения транзистора

Vcc (напряжение питания) будет определять максимальный Ic (ток коллектора) после активации транзистора. Ib (базовый ток) для транзистора можно найти из Ic (ток коллектора) и коэффициента усиления по постоянному току β (бета) транзистора.

VB = VCC R2 / R1 + R2

Значение бета

Иногда «β» обозначается как «hFE», что означает усиление прямого тока транзистора в конфигурации CE.Бета (β) — это фиксированное соотношение двух токов, таких как Ic и Ib, поэтому оно не содержит единиц. Таким образом, небольшое изменение базового тока приведет к огромным изменениям в токе коллектора.

Транзисторы того же типа, а также их номер детали будут сильно отличаться в пределах их значений «β». Например, транзистор NPN, такой как BC107, имеет значение бета (коэффициент усиления постоянного тока составляет от 110 до 450 на основе таблицы данных. Таким образом, один транзистор может включать значение 110 бета, тогда как другой может включать значение 450 бета, однако оба транзистора являются Транзисторы NPN BC107, потому что бета — это особенность структуры транзистора, но не его функция.

Когда база или эмиттерный переход транзистора подключен к прямому смещению, тогда напряжение эмиттера «Ve» будет единственным переходом, где падение напряжения не похоже на напряжение на выводе базы. Ток эмиттера (Ie) — это не что иное, как напряжение на резисторе эмиттера. Это можно просто вычислить с помощью закона Ома. «Ic» (ток коллектора) можно приблизительно определить, так как это значение приблизительно равно току эмиттера.

Входное и выходное сопротивление усилителя с общим эмиттером

В любой конструкции электронной схемы уровни импеданса являются одним из основных атрибутов, которые необходимо учитывать.Значение входного импеданса обычно находится в пределах 1 кОм, хотя оно может значительно отличаться в зависимости от условий, а также значений схемы. Меньший входной импеданс будет результатом того факта, что вход подается через два вывода транзисторной базы и эмиттера, потому что имеется переход с прямым смещением.

Кроме того, импеданс o / p сравнительно высок, потому что он снова значительно варьируется в зависимости от значений выбранных электронных компонентов и допустимых уровней тока.Импеданс o / p составляет минимум 10 кОм, в противном случае он может быть высоким. Но если сток позволяет потреблять ток высокого уровня, то импеданс o / p будет значительно уменьшен. Уровень импеданса или сопротивления исходит из того факта, что выход используется с клеммы коллектора, потому что здесь имеется обратносмещенный переход.

Одноступенчатый усилитель с общим эмиттером

Одноступенчатый усилитель с общим эмиттером показан ниже, а различные элементы схемы и их функции описаны ниже.

Цепь смещения

Цепи, такие как смещение, а также стабилизация, могут быть выполнены с сопротивлениями, такими как R1, R2 и RE

.

Входная емкость (Cin)

Входная емкость может быть обозначена как «Cin», которая используется для объединения сигнала в направлении базового вывода транзистора.

Если эта емкость не используется, то сопротивление источника сигнала будет приближаться к резистору «R2», чтобы изменить смещение.Этот конденсатор позволяет просто подавать сигнал переменного тока.

Конденсатор байпаса эмиттера (CE)

Шунтирующий конденсатор эмиттера можно подключить параллельно RE, чтобы получить полосу с низким реактивным сопротивлением по направлению к усиленному сигналу переменного тока. Если он не используется, то усиленный сигнал переменного тока будет проходить через RE, вызывая падение напряжения на нем, поэтому напряжение o / p может быть смещено.

Конденсатор связи (C)

Этот конденсатор связи в основном используется для объединения усиленного сигнала к устройству o / p, чтобы обеспечить подачу простого сигнала переменного тока.

рабочая

Как только слабый входной сигнал переменного тока подается на вывод базы транзистора, тогда небольшой ток базы будет подавать из-за этого действия транзистора высокий уровень переменного тока. ток будет протекать через нагрузку коллектора (RC), поэтому высокое напряжение может быть видно как на нагрузке коллектора, так и на выходе. Таким образом, слабый сигнал подается на вывод базы, который появляется в усиленной форме в цепи коллектора. Коэффициент усиления усилителя по напряжению, как и Av, представляет собой соотношение между усиленными входным и выходным напряжениями.

Частотная характеристика и полоса пропускания

Можно сделать вывод об усилении напряжения усилителя, таком как Av, для нескольких входных частот. Его характеристики могут быть нанесены на обе оси, как частота на оси X, тогда как усиление напряжения — на оси Y. График частотной характеристики может быть получен, который показан в характеристиках. Таким образом, мы можем заметить, что коэффициент усиления этого усилителя можно уменьшить на очень высоких и низких частотах, однако он остается стабильным в широком диапазоне средних частот.

Нижняя граничная частота fL может быть определена как частота ниже 1. Можно выбрать диапазон частот, при котором усиление усилителя будет вдвое больше, чем при средней частоте.

fL (верхняя граничная частота) может быть определена как когда частота находится в верхнем диапазоне, в котором усиление усилителя в 1 / √2 раза больше усиления средней частоты.

Полоса пропускания может быть определена как интервал частоты между нижними и верхними частотами среза.

BW = fU — fL

Экспериментальная теория усилителя с общим эмиттером

Основной задачей этого транзисторного усилителя CE NPN является исследование его работы.

Усилитель CE — одна из основных конфигураций транзисторного усилителя. В этом тесте учащийся разработает, а также изучит фундаментальный транзисторный усилитель NPN CE. Предположим, учащийся обладает некоторыми знаниями в области теории транзисторных усилителей, таких как использование эквивалентных схем переменного тока. Таким образом, учащийся должен разработать свой собственный процесс проведения эксперимента в лаборатории. После того, как предварительный анализ будет полностью завершен, он сможет проанализировать и обобщить результаты эксперимента в отчете.

Необходимые компоненты: транзисторы NPN — 2N3904 и 2N2222), VBE = 0,7 В, Beta = 100, r’e = 25 мВ / IE в анализе Pre-lab.

Предварительная лаборатория

В соответствии с принципиальной схемой рассчитайте параметры постоянного тока, такие как Ve, IE, VC, VB и VCE, приблизительным методом. Нарисуйте эквивалентную схему переменного тока и вычислите Av (усиление по напряжению), Zi (входное сопротивление) и Zo (выходное сопротивление). Также нарисуйте составные формы сигналов, которые можно прогнозировать в разных точках, таких как A, B, C, D и E.В точке «A», допустим, Vin, как пик 100 мВ, синусоида с частотой 5 кГц.

Для усилителя напряжения нарисуйте схему с входным сопротивлением, зависящим от источника напряжения и импедансом o / p

Измерьте значение входного импеданса, например, Zi, вставив тестовый резистор последовательно через входные сигналы к усилителю и измерьте, насколько сигнал генератора переменного тока действительно будет появляться на входе усилителя.

Чтобы определить выходное сопротивление, на мгновение выньте нагрузочный резистор и рассчитайте ненагруженное переменное напряжение.После этого вставьте обратно нагрузочный резистор, снова измерьте напряжение ac o / p. Эти измерения можно использовать для определения выходного сопротивления.

Эксперимент в лаборатории

Разработайте схему соответствующим образом и проверьте все вышеприведенные расчеты. Используйте связь по постоянному току, а также двойную трассировку осциллографа. После этого выньте на мгновение общий эмиттер и снова измерьте напряжение o / p. Оцените результаты, используя предварительные вычисления.

Преимущества

К преимуществам усилителя с обычным эмиттером можно отнести следующее.

• Усилитель с общим эмиттером имеет низкое входное сопротивление и представляет собой инвертирующий усилитель.
• Выходное сопротивление этого усилителя высокое
• Этот усилитель имеет самый высокий коэффициент усиления по мощности в сочетании со средним коэффициентом усиления по напряжению и току.
• Высокий коэффициент усиления по току усилителя с общим эмиттером

Недостатки

К недостаткам обычного эмиттерного усилителя можно отнести следующее.

• На высоких частотах усилитель с общим эмиттером не отвечает
• Коэффициент усиления по напряжению этого усилителя нестабильный
• В этих усилителях очень высокое выходное сопротивление
• В этих усилителях наблюдается высокая тепловая нестабильность
• Высокое выходное сопротивление

Приложения

Применения усилителя с общим эмиттером включают следующее.

• В усилителях напряжения низкой частоты используются усилители с общим эмиттером.
• Эти усилители обычно используются в радиочастотных цепях.
• Как правило, усилители используются в усилителях с низким уровнем шума
• Схема с общим эмиттером популярна, потому что она хорошо подходит для усиления напряжения, особенно на низких частотах.
• Усилители с общим эмиттером также используются в схемах радиочастотных приемопередатчиков.
• Конфигурация с общим эмиттером, обычно используемая в малошумящих усилителях.

В этой статье обсуждается работа схемы усилителя с общим эмиттером. Прочитав приведенную выше информацию, вы получите представление об этой концепции. Кроме того, любые вопросы относительно этого или если вы хотите реализовать электрические проекты, пожалуйста, не стесняйтесь комментировать в разделе ниже. Вот вам вопрос, какова функция усилителя с общим эмиттером?

Схемы усилителя

Усилитель — это устройство, которое позволяет входному сигналу управлять выходным сигналом.Выходной сигнал имеет некоторые или все характеристики входного сигнала, но обычно имеет большую величину, чем входной сигнал с точки зрения напряжения, тока или мощности. Усиление — основная функция всех усилителей. Из-за этого усиления можно ожидать, что выходной сигнал будет больше входного. Например, если у нас есть входной сигнал 1 вольт и выходной сигнал 10 вольт, то коэффициент усиления можно определить по формуле:

Коэффициент усиления по напряжению обычно используется для описания работы усилителя с малым коэффициентом усиления.В усилителе этого типа напряжение выходного сигнала больше, чем напряжение входного сигнала. С другой стороны, коэффициент усиления мощности обычно используется для описания работы усилителей больших сигналов. В случае усилителей усиления мощности коэффициент усиления зависит не от напряжения, а от ватт. Усилитель мощности — это усилитель, мощность выходного сигнала которого превышает мощность входного сигнала. Большинство усилителей мощности используются в качестве заключительного каскада усиления и управления выходным устройством. Выходным устройством может быть динамик в кабине экипажа или кабины, индикатор или антенна.Каким бы ни было устройство, сила, заставляющая его работать, исходит от последней ступени усиления. Драйверы для сервоприводов автопилота иногда содержатся в линейно заменяемых блоках (LRU), называемых усилителями автопилота. Эти блоки принимают команды слабого сигнала от системы управления полетом и усиливают сигналы до уровня, используемого для приведения в действие серводвигателей.

Классификация

Классификация схемы транзисторного усилителя определяется процентом времени, в течение которого ток проходит через выходную цепь, по отношению к входному сигналу.Существует четыре классификации операций: A, AB, B и C. Каждый класс операций имеет определенное применение и характеристики. Ни один отдельный класс усилителей не считается лучшим. Наилучшее использование усилителя — это вопрос правильного выбора для конкретной желаемой операции.

Класс A

В режиме работы класса A ток в транзисторе протекает на 100 процентов или 360 ° входного сигнала. [Рисунок 12-238] Рисунок 12-238. Упрощенная схема усилителя класса А.

Работа класса A является наименее эффективным классом работы, но обеспечивает наилучшую точность воспроизведения. Верность просто означает, что выходной сигнал является хорошим воспроизведением входного сигнала во всех отношениях, кроме амплитуды, которая усиливается. В некоторых случаях может наблюдаться сдвиг фазы между входным и выходным сигналами. Обычно разность фаз составляет 180 °. Если выходной сигнал не является хорошим воспроизведением входного сигнала, то говорят, что сигнал искажен.Искажение — это любое нежелательное изменение сигнала от входа к выходу.

Эффективность усилителя — это количество мощности, подаваемой на выход, по сравнению с мощностью, подаваемой в схему. Каждое устройство в цепи потребляет электроэнергию для своей работы. Если усилитель работает с входным сигналом на 360 °, то он потребляет больше энергии, чем если бы он использовал только 180 ° входного сигнала. Чем больше мощности потребляет усилитель, тем меньше выходной сигнал.Обычно усилитель класса A используется там, где эффективность не имеет большого значения и требуется точность воспроизведения.

Класс AB

При работе класса AB ток транзистора проходит более 50 процентов, но менее 100 процентов входного сигнала. [Рисунок 12-239] Рисунок 12-239. Упрощенная схема усилителя класса AB.

В отличие от усилителя класса A выходной сигнал искажен. Часть выходной цепи кажется усеченной.Это происходит из-за отсутствия тока через транзистор в этот момент работы. Когда эмиттер в этом случае становится достаточно положительным, транзистор не может проводить, потому что переход база-эмиттер больше не смещен в прямом направлении. Входной сигнал, выходящий за пределы этой точки, больше не дает выхода, и выходной сигнал остается на уровне. Усилитель класса AB имеет лучшую эффективность и более низкую точность воспроизведения, чем усилитель класса A. Эти усилители используются, когда точное воспроизведение входного сигнала не требуется, но на выходе должны быть доступны как положительная, так и отрицательная части входных сигналов.

Класс B

При работе класса B ток транзистора проходит только на 50 процентов входного сигнала. [Рисунок 12-240] Рисунок 12-240. Упрощенная схема усилителя класса B.

На этом рисунке смещение база-эмиттер не позволяет транзистору проводить, когда входной сигнал больше нуля. В этом случае воспроизводится только отрицательная часть входного сигнала. В отличие от выпрямителя, усилитель класса B не только воспроизводит половину входного сигнала, но и усиливает его.Усилители класса B вдвое эффективнее усилителя класса A, поскольку усилительное устройство использует мощность только для половины входного сигнала.

Класс C

При работе класса C ток транзистора протекает менее чем на 50 процентов входного сигнала. [Рисунок 12-241] Рисунок 12-241. Упрощенная схема усилителя класса C.

Этот класс работы наиболее эффективен. Поскольку транзистор не проводит ток, за исключением небольшой части входного сигнала, это самый эффективный класс усилителей.Искажения усилителя класса C больше (плохая точность воспроизведения), чем у усилителей классов A, AB и B, потому что на выходе воспроизводится небольшая часть входного сигнала. Усилители класса C используются, когда выходной сигнал используется только в течение небольшого промежутка времени.

Методы сопряжения

Связь используется для передачи сигнала от одного каскада усилителя к другому. Независимо от того, является ли усилитель одноступенчатым или одним из нескольких каскадов, должен быть способ входа и выхода сигнала из схемы.Связь — это процесс передачи энергии между цепями. Есть несколько способов сделать этот перенос, и подробное обсуждение этих методов выходит за рамки этого текста. Однако ниже перечислены четыре метода с кратким описанием их работы.

Прямое соединение

Прямое соединение — это соединение выхода одного каскада напрямую со входом следующего каскада. Прямая связь обеспечивает хорошую частотную характеристику, поскольку не используются частотно-чувствительные компоненты, такие как конденсаторы и катушки индуктивности.Однако этот метод используется не очень часто из-за сложных требований к источникам питания и проблем согласования импеданса.

RC-соединение

RC-соединение — наиболее распространенный метод связи, в котором используются конденсатор связи и резисторы для формирования сигнала. [Рисунок 12-242] В этой схеме R1 действует как нагрузочный резистор для Q1 и формирует выходной сигнал для этого каскада. Конденсатор C1 блокирует сигнал смещения постоянного тока и пропускает выходной сигнал переменного тока. Затем R2 становится нагрузкой, через которую проходит сигнал переменного тока, который поступает на базу Q2.Такая компоновка позволяет блокировать напряжение смещения каждой ступени, в то время как сигнал переменного тока передается на следующую ступень.

Рисунок 12-242. Упрощенная схема RC-связи.

Импедансная муфта

Импедансная муфта использует катушку в качестве нагрузки для первой ступени, но в остальном работает как RC-связь. [Рисунок 12-243] Рисунок 12-243. Упрощенная схема импедансной связи.

Этот метод аналогичен методу RC-соединения. Разница в том, что R1 заменен индуктором L1 в качестве выходной нагрузки.Количество сигнала, создаваемого выходной нагрузкой, зависит от индуктивного сопротивления катушки. Чтобы индуктивное реактивное сопротивление было высоким, индуктивность должна быть большой; частота должна быть высокой или и тем, и другим. Следовательно, индукторы нагрузки должны иметь относительно большую индуктивность и быть наиболее эффективными на высоких частотах.

Трансформаторная муфта

Трансформаторная муфта использует трансформатор для передачи сигнала от одного каскада к другому. [Рисунок 12-244] Рисунок 12-244.Упрощенная схема трансформаторной связи.

Трансформатор T1 передает сигнал с первой ступени на вторую ступень. Первичная катушка T1 действует как нагрузка для выхода первой ступени, а вторичная катушка действует как развивающий импеданс для второй ступени Q2. Трансформаторная связь очень эффективна, и трансформатор может помочь в согласовании импеданса.

Обратная связь

Обратная связь возникает, когда небольшая часть выходного сигнала отправляется обратно на входной сигнал в усилитель.В усилителях есть два типа обратной связи:

1. Положительная (регенеративная)
2. Отрицательная (дегенеративная)

Основное различие между этими двумя сигналами заключается в том, добавляет ли сигнал обратной связи к входному сигналу или если сигнал обратной связи уменьшает входной сигнал. сигнал.

Когда обратная связь положительная, сигнал, возвращаемый на вход, находится в фазе с входным сигналом и, таким образом, конструктивно мешает. Рисунок 12-245 иллюстрирует эту концепцию, примененную в усиленной схеме, посредством блок-схемы.Обратите внимание, что сигнал обратной связи совпадает по фазе с входным сигналом, который восстанавливает входной сигнал. В результате получается выходной сигнал с большей амплитудой, чем был бы без конструктивной положительной обратной связи. Такой тип положительной обратной связи вызывает визг аудиосистемы.

Рисунок 12-245. Обратная связь.

На рисунке 12-245 также показано с помощью блок-схемы, как возникает отрицательная или дегенеративная обратная связь. В этом случае сигнал обратной связи не совпадает по фазе с входным сигналом.Это вызывает деструктивные помехи и ухудшает входной сигнал. Результатом является более низкая амплитуда выходного сигнала, чем это было бы без обратной связи.

Операционные усилители (OP AMP)

Операционный усилитель (OP AMP) разработан для использования с другими компонентами схемы и выполняет либо вычислительные функции, либо фильтрацию. [Рис. 12-246] Операционные усилители обычно представляют собой усилители с высоким коэффициентом усиления, причем величина усиления определяется величиной обратной связи.

Рисунок 12-246.Схематическое изображение операционного усилителя.

Операционные усилители изначально были разработаны для аналоговых компьютеров и использовались для выполнения математических функций. Сегодня многие устройства используют операционный усилитель для усилителей постоянного тока, усилителей переменного тока, компараторов, генераторов и цепей фильтров. Широкое распространение связано с тем, что OP AMP — универсальное устройство, небольшое и недорогое. Встроенный в интегрированный чип операционный усилитель используется в качестве основного строительного блока для более крупных схем.

У операционного усилителя есть два входа, инвертирующий (-) и неинвертирующий (+), и один выход. Полярность сигнала, подаваемого на инвертирующий вход (-), меняется на обратную на выходе. Сигнал, подаваемый на неинвертирующий (+) вход, сохраняет свою полярность на выходе. Чтобы классифицироваться как операционный усилитель, схема должна иметь определенные характеристики:

1. Очень высокий коэффициент усиления
2. Очень высокий входной импеданс
3. Очень высокий выходной импеданс

Этот тип схемы может состоять из дискретных компонентов, таких как как резисторы, так и транзисторы.Однако наиболее распространенная форма операционного усилителя — это интегральная схема. Эта интегральная схема или микросхема содержит различные каскады операционного усилителя и может рассматриваться как одноступенчатый.

Приложения

Количество приложений для OP AMP слишком велико, чтобы подробно описывать его в этом тексте. Однако технический специалист иногда встречает эти устройства в современных самолетах и ​​должен уметь распознавать их общее назначение в цепи.Вот некоторые из основных приложений:

1. Детекторы включения / выключения
2. Прямоугольные цепи
3. Неинвертирующий усилитель
4. Инвертирующий усилитель
5. Полупериодный выпрямитель

Flight Mechanic рекомендует

Common Emitter (CE) Усилитель | Рабочая точка

Рабочая точка усилителя с общим эмиттером

Изучая характеристики транзистора, мы обнаружили, что усиление с помощью транзисторного усилителя является наиболее линейным, когда транзистор работает в своей активной области.Следовательно, рабочая точка должна быть подходящим образом размещена в середине активной области путем подходящего выбора схемы смещения, связанной с внешней энергией.

Описание схемы усилителя с общим эмиттером (CE)

На рисунке 1 показана базовая схема усилителя CE, использующего смещение транзистора NPN через резистор R _b . Здесь конденсатор C _b1 действует как разделительный конденсатор для передачи входного сигнала на контакты база-эмиттер транзистора.Один конец входного напряжения V _и находится на потенциале земли. Vcc — это напряжение питания коллектора, которое выполняет дополнительную функцию по обеспечению тока смещения I _B . В условиях нулевого сигнала C _b1 действует как разомкнутая цепь, поскольку реактивное сопротивление конденсатора бесконечно при нулевой частоте (постоянный ток).

Таким образом, конденсатор C _bl действует как блокирующий конденсатор. Обычно C _b1 выбирается настолько большим, что на самой низкой частоте сигнала его реактивное сопротивление достаточно мало, чтобы его можно было рассматривать как короткое замыкание.Таким образом, конденсатор C _b1 блокирует постоянное напряжение, но пропускает переменный ток. напряжение сигнала. Точно так же конденсатор C _b2 выполняет те же две функции. Таким образом, C _b2 работает как конденсатор связи и питает усиленный переменный ток. сигнал, составляющий выходное напряжение V ₀ на RL. Одновременно C _b2 блокирует постоянный ток. Напряжение. Таким образом, усиленный выход переменного тока напряжение может подаваться на вход следующего каскада усилителя, не влияя на смещение следующего каскада.

Линии нагрузки постоянного и переменного тока | Усилитель с общим эмиттером (CE)

Для заданных характеристик коллектора и смещения транзистора выбор подходящей рабочей точки включает выбор подходящих значений R _c и Vcc.

Ток коллектора Ic является функцией V _CE и тока смещения базы I _B и математически может быть выражен как

… .. (1)

Уравнение 1 представляет статическую выходную характеристику CE-транзистора для базового тока I _B .

О применении закона напряжения Кирхгофа (KVL) к коллекторной цепи, включая только R _C . (без учета C _b2 и R _L ) Получаем,

… .. (2)

Уравнение 2 представляет собой прямую, имеющую точку пересечения Vcc на оси напряжения и точку пересечения

на оси тока. Наклон этой линии равен. Эта линия называется линией нагрузки и представляет динамическую характеристику устройства. Рабочая точка нулевого сигнала должна быть подходящим образом расположена на этой линии нагрузки.Это, в свою очередь, зависит от значения If R _L . Если R _L можно не учитывать, а затем для большого симметричного входного сигнала (в данном случае базового тока) рабочая точка P ₁ должна быть расположена в центре линии нагрузки постоянного тока. Vc и Ic — напряжение коллектора при нулевом сигнале и ток коллектора соответственно в рабочей точке. Затем при подаче изменяющегося во времени сигнала базовый ток изменяется симметрично по обе стороны от I _B1 , рабочая точка перемещается вдоль линии нагрузки постоянного тока симметрично относительно рабочей точки нулевого сигнала P ₁ и мгновенного напряжения коллектора и коллектора. ток изменяются приблизительно симметрично относительно значений нулевого сигнала Vc и Ic соответственно.

Если

, то через рабочую точку нулевого сигнала P ₁ мы проводим переменный ток. Линия нагрузки для сопротивления нагрузки R _L ’= R _L || R _c , как показано на рисунке 3. При подаче изменяющегося во времени входного сигнала (базовый ток) рабочая точка перемещается симметрично относительно P ₁ вдоль переменного тока. нагрузка линии. Из рис. 2 видно, что максимальный размах входного сигнала относительно нулевой точки сигнала P ₁ составляет примерно 40 мкА.При большем размахе входного сигнала, скажем, 60 мкА, во время отрицательного отклонения, превышающего 40 мкА, ток коллектора становится равным нулю.

Таким образом, эта рабочая точка без сигнала P ₁ работает удовлетворительно, если размах входного сигнала не превышает 40 мкА. Для большего размаха входного сигнала, скажем 60 мкА, необходимо выбрать более подходящую рабочую точку покоя. Чтобы избежать отключения во время области низкого тока цикла, рабочая точка покоя должна располагаться при более высоком токе на линии нагрузки постоянного тока.Этот выбор сделан методом проб и ошибок. Таким образом, предположим, что мы выбрали P ₂ в качестве рабочей точки покоя, как показано на рис. 2. Это обеспечивает максимальный размах входного сигнала 60 мкА без отсечки в области низкого тока и без нелинейности в области сильного тока.

Цепь фиксированного смещения:

Усилитель

на рис. 1 использует фиксированное смещение. В этой схеме рабочая точка P ₂ при нулевом сигнале может быть установлена ​​путем выбора сопротивления R _b таким образом, чтобы базовый ток I _B был равен току I _B2 , соответствующему рабочей точке P _{при нулевом сигнале. 2} .

Таким образом,

… .. (3)

Но напряжение V _BE через смещенный вперед эмиттерный переход J _E очень мало, всего около 0,2 В (0,6 В) в транзисторе Ge (Si). Таким образом, V _CC >> V _BE . Следовательно, пренебрегая V _BE , уравнение 3 дает

……. (4)

Таким образом, ток смещения I _B является постоянным, и схема составляет фиксированную цепь смещения.

Осциллограммы выходного напряжения и тока

Пусть

и P ₁ будет рабочей точкой нулевого сигнала на d.c. Линия нагрузки для тока смещения базы I _B = 40 мкА, как показано на рис. 3. Пусть синусоидальный сигнал переменного тока. На входе подается базовый ток амплитудой 40 мкА. Этот сигнал накладывается на базовый ток смещения I _B1 (= 40 мкА). Поскольку базовый ток изменяется со временем, ток коллектора и напряжение коллектора также изменяются со временем, как показано на рис. 3. Это переменный ток. ток коллектора образует усиленную версию входного базового тока.

Видно, что при правильно выбранной рабочей точке нулевого сигнала выходной сигнал не искажается.Если рабочая точка P ₁ находится на I _B 20 мкА, то при токе входного сигнала с амплитудой 40 мкА возникает отрицательное ограничение пикового тока коллектора i _C и аналогичное ограничение напряжения коллектора v _C приводит к искажению. аналогично, если точка P ₁ расположена, скажем, на I _B = 80 мкА, то снова с током входного сигнала с амплитудой 40 мкА возникает положительное ограничение пикового тока коллектора и соответствующее искажение напряжения коллектора V _C .

На рис. 3 мы использовали постоянный ток. нагрузка линии. Если

, мы должны использовать переменный ток. нагрузка линии. В этом случае рабочая точка нулевого сигнала P ₁ должна быть выбрана в середине диапазона переменного тока. нагрузка линии.

Причины смещения рабочей точки нулевого сигнала (покоя)

Мы убедились, что правильный выбор точки покоя жизненно важен для линейного усиления. Но рабочая точка покоя может сместиться по следующим причинам.

• Замена при замене транзистора
• Температурные вариации

Давайте рассмотрим эти аспекты.

1. Замена транзистора Дискретные транзисторы одной номенклатуры, произведенные одной фирмой, имеют сильно различающиеся значения параметров устройства, в том числе. Следовательно, когда транзистор в данной схеме заменяется другим того же типа, характеристики транзистора несколько изменяются, и рабочая точка покоя смещается.
2. Температурные вариации . Повышение температуры вызывает три эффекта:

• увеличение I _CBO (или I _CO ).Таким образом, I _CBO удваивается на каждые 10 ° C повышения температуры
• В _BE снижается со скоростью 2,5 мВ / градус повышения температуры
• увеличивается с повышением температуры.

Здесь, помимо колебаний температуры окружающей среды, необходимо учитывать также внутренние причины. Таким образом, любое увеличение I _C вызывает повышение температуры коллекторного перехода J _C , что, в свою очередь, вызывает повышение I _CO . это повышение I _CO вызывает дальнейшее повышение I _C .это в совокупном процессе и может повредить устройство, если не будут приняты соответствующие средства для отвода тепла от устройства. Даже когда не происходит повреждения устройства, происходит значительный сдвиг рабочей точки покоя, т.е. происходит тепловой пробой.

Таким образом, рабочая точка P может сместиться от середины активной области к насыщению. Мы знаем, что:

. Тогда, даже если мы предположим температурную инвариантность, для I _B = 0 с повышением температуры выходные характеристики CE-транзистора повышаются из-за повышения I _CBO .При ненулевом значении I _B кривые I _C по сравнению с V _CE также сдвигаются вверх на ту же величину. Следовательно, рабочая точка перемещается вверх.

Увеличение

с повышением температуры вызывает дальнейшее движение вверх неподвижной рабочей точки.

Средства достижения стабильности рабочих точек

Стабильность рабочей точки может быть достигнута следующими способами:

1. При использовании методов стабилизации : использование надлежащей схемы смещения, которая позволяет такое изменение тока смещения базы I _B , чтобы поддерживать I _C почти постоянным, несмотря на изменение I _CO , V _BE и..
2. Используя Методы компенсации: Использование компенсационных элементов, таких как диод, транзистор, термистор и т. Д., Это устройство создает компенсирующие напряжение и токи и, таким образом, поддерживает стабильную рабочую точку.

Для поддержания постоянной температуры окружающей среды и температуры перехода используются дополнительные средства. Таким образом, для поддержания постоянной температуры окружающей среды или корпуса можно использовать камеру кондиционирования или термостата (где это возможно). Радиатор и воздушный поток могут использоваться для отвода тепла от транзистора.

Мы здесь лишь кратко рассмотрим метод смещения для стабилизации рабочей точки.

Желаемые характеристики методов смещения: Схема смещения, используемая в транзисторе, должна быть такой, как:

1. Для удобной установки действующей в середине активной области характеристик.
2. Сделать рабочую точку независимой от параметров транзистора.
3. Для стабилизации тока коллектора от колебаний температуры.

Различные методы смещения: Возможны различные методы смещения:

1. Две батареи смещения
2. Фиксированное смещение
3. Смещение коллектор-база
4. Фиксированное смещение с резистором эмиттерной цепи
5. Самосмещение

Помимо этого метода, самосмещение является наиболее эффективным и удобным и поэтому используется почти всегда. Поэтому мы беремся здесь только за изучение этого метода смещения.

Самостоятельное смещение (смещение эмиттера)

На рисунке 4 показана схема усилителя CE с использованием самосмещения или эмиттерного смещения.Этот метод смещения является наиболее популярным, поскольку он обеспечивает отличную стабильность рабочей точки. Постоянный ток составляющая тока через резистор R _e , вызванная постоянным током. падение напряжения V _E при полярности, показанной на рисунке 4. Это падение напряжения вызывает обратное смещение на эмиттерном переходе J _E . но комбинация R ₁ — R ₂ через источник питания V _CC создает положительный постоянный ток. напряжение _В, В у основания относительно эмиттера.Тогда чистое прямое смещение на эмиттерном переходе J _E будет равно (V _b — V _e )

.

Действие стабилизации цепи самосмещения Любое повышение температуры T вызывает повышение I _CBO и, следовательно, повышение I _C .