Существует распространённое заблуждение, что в компьютере очень неблагоприятный электрический фон, который и не позволяет ему хорошо звучать. Измерения профессиональных карт это опровергают — при наличии качественного блока питания и нормальной материнской платы спектры сигналов идеально чистые.

Гораздо более грамотным объяснением является используемая элементная база. Компьютерные инженеры слабо подкованы в аудиотехнике, поэтому зачастую используют типовые схемы включения и самые доступные компоненты. Тогда как адепты от электроники щепетильно высчитывают режимы работы каждого каскада и их согласованность между собой, используя ровно такое количество и качество компонентов, которое не повредит общим характеристикам изделия.

Значит ли это, что звуковую карту нельзя улучшить без полной переделки? Отнюдь! Получить ощутимое улучшение качества можно и с минимальными затратами. В этой статье я хочу конгламерировать опыт множества людей, подкрепив его теоретическими изысканиями.

Тракт воспроизведения в современных звуковых картах построен следующим образом: PCM-кодированный звуковой поток (например с Audio CD) поступает на ЦАП, где преобразовывается цифровым фильтром в меньшую разрядность, но значительно большую частоту (до 33 МГц), затем фильтруется цифровыми алгоритмами для отсечения составляющих выше половины частоты дискретизации исходных данных (как того требует теорема Котельникова), после чего преобразовывается в аналоговый сигнал дельта-сигма конвертерами. Для чего все эти сложности — тема отдельная, однако на выходе ЦАП мы получаем некий аналоговый сигнал со спектром, на порядки шире звукового диапазона. Ультразвуковые составляющие затем отфильтровываются аналоговым усилителем на операционных усилителях, которые не должны ухудшать паспортные характеристики ЦАП. А вот тут-то есть загвоздки. Операционные усилители в массовых звуковых картах не удовлетворяют даже элементарным требованиям в данной области применения!

Простейший пример: для полноценной работы фильтра низких частот после ЦАП, полоса усиления ОУ должна превышать частоту среза хотя бы в 100 раз. Аналоговый фильтр, чтобы не вносить дополнительных искажений АЧХ и ФЧХ в звуковой диапазон, обычно ограничивается вторым порядком и настраивается на частоту не менее 50 кГц. Если же он, по совместительству, является и усилителем напряжения до стандартной в аудиотехнике величины 2 В, то требования к полосе усиления необходимо увеличить ещё минимум в два раза. Итого получаем цифру 10 Мгц как минимально-допустимую. Тогда как у большинства из встречающихся на звуковых платах ОУ полоса усиления даже в идеальных условиях меньше.

Исключением здесь выглядит NJM4580, который используется на таких известных звуковых картах, как Terrateс Aureon Sky/Space, Audiotrak Prodigy 7.1, M-Audio Revolution 5.1, ESI Juli@ и Maya 44. Только вот у этого операционного усилителя далеко не идеальные характеристики по искажениям…

Как я уже упоминал, искажения ОУ при заданном коэффициенте усиления (обычно 1 или 2), должны быть ниже, чем искажения ЦАП. Причём заметно ниже в звуковом диапазоне, и очень желательно, не принципиально выше в сверхзвуковом, в связи со спецификой дельта-сигма преобразователей. Наведённый ими ультразвуковой шум, умноженный и обогащенный искажениями усилителя, обязательно увеличит интермодуляционные искажения в звуковой области. Кроме того, специфика музыкального сигнала требует, чтобы уровень искажений мало зависел от амплитуды сигнала, а возможность подключения наушников непосредственно к звуковой карте требует ещё и слабой зависимости искажений от сопротивления нагрузки. Тут ещё следует делать поправку на максимальное усиление ОУ: чем оно выше, тем глубже получается обратная связь и тем меньше уровень искажений в стационарных условиях, в которых обычно проводятся измерения. Однако лучше будет звучать тот усилитель, который обеспечивает заданный уровень искажений при меньшей глубине обратной связи, т.е. имеющий меньший коэффициенте усиления.

Удовлетворить всем этим требования способен редкий ОУ. Давайте рассмотрим кандидатов, проходящих по первому критерию — полосе усиления. Первым по алфавиту идёт Analog Devices. Воспользуемся очень удобным параметрическим поиском по следующим параметрам:
Vcc-Vee 24 Вольта. В звуковых картах ОУ чаще всего питаются прямиком от блока питания.
Amplifiers Per Package 2. Нам нужно заменить штатные без переделки платы.
V or I Feedback Voltage, по той же причине.
Отсортируем список по Small Signal Bandwidth. Этот параметр не всегда равен частоте единичного усиления, но за неимением в поиске другого…

Парад открывает малоизвестный в аудиофильских кругах AD8019.
До 92 дБ и 80 МГц усиления.
Уровень гармоник ниже -85 дБ даже при нагрузке 10 Ом и коэффициенте усиления 10, причем очень слабо зависят от амплитуды напряжения и тока, а также частоты.
Очень ровная фаза в широком диапазоне частот.
Учитывая его малошумность, выглядит очень заманчивым вариантом, с двумя оговорками: очень слабое подавления пульсаций питания и только SOIC исполнение.

Вторым по списку следует как раз хорошо известный и получающий самые лестные отзывы AD8066.
До 114 дБ и до 65 МГц усиления.
Очень удобно, что искажения приведены и для двукратного усиления: уровень гармоник значительно ниже -95 дБ при нагрузке более 150 Ом.
Амплитуда тока на выходе до 30 мА, что может быть не достаточно для части низкоомных наушников. Хорошее подавление пульсаций.
Универсальный и очень качественный по звуку операционный усилитель. Для звуковых карт это один из главных кандидатов в любом включении.
Доступен как в SOIC, так и в MSOP корпусе.

AD8022
Усиление до 72 дБ и до 100 МГц!
При КУ=1 на нагрузке 500 Ом уровень гармоник не превышает -110 дБ!
Сверхмалошумящий, плюс имеет вдвое большую нагрузочную способность, чем AD8066 и по всем признакам, должен звучать как минимум не хуже его. Единственное «но» — посредственное подавление пульсаций напряжения.
Доступен как в SOIC, так и в MSOP корпусе.

AD828
Компенсирован для КУ=2 (-1) и более!
Усиление до 80 дБ и до 100 МГц!
Способен обеспечить 2 В амплитуды даже на нагрузке 10 Ом! Без искажений выдаёт в нагрузку до 50 мА тока.
Уровень гармоник при КУ=2 плавно стремится к -100 дБ, что также можно считать великолепным результатом.
Малошумен и обладает хорошим подавлением пульсаций.
Обилие восклицательных знаков должно к чему-то обязывать. И правда, по отзывам, ОУ звучит замечательно, но далеко не во всех схемах стабилен, поэтому может быть разумным не уповать на везение и присмотреться к другим ОУ.
Доступен в SOIC и DIP корпусах.

AD8034
Усиление до 96 дБ и до 40 МГц.
На нагрузке 1 кОм уровень гармоник находится ниже -100 дБ, однако уже на 500 Ом подскакивает до -85. Причем третья гармоника по уровне заметно больше второй, что не есть хорошо.
Остальные параметры весьма приличные, архитектурно чип является родственником AD8066 и, скорее всего, характер звука будет схожий.
Доступен в SOIC корпусе.

AD8397
Усиление до 96 дБ и до 35 МГц.
Уровень гармоник при КУ=2 и нагрузке 25 Ом ниже -100 дБ! Зависимость искажений от частоты и амплитуды сигнала очень слабая.
В придачу ко всему, усилитель сверхмалошумящий.
Но без ложки дёгтя, как всегда, не обошлось — подавление питания оставляет желать лучшего.
Доступен в SOIC корпусе с металлическим «брюшком» для улучшения теплоотвода.

AD826
Усиление до 77 дБ и до 50 МГц.
Фактически является скомпенсированным для единичного усиления AD828, со всеми его достоинствами, но значительно более стабильный! Небольшая потеря в уровне подавления пульсаций питания компенсируется способностью легко выносить ёмкостную нагрузку.
Доступен в DIP и SOIC исполнениях.

AD827 фактически является клоном предыдущего, с ослабленным выходным каскадом и в другом корпусе. При этом стоит в полтора раза больше 🙂

Широкоизвестный в узких кругах AD8620 на фоне уже рассмотренных моделей блещет не особо: огромный коэффициент усиления (более 105 дБ) при полосе до 25 МГц, искажения менее 0.001%, но резко растут с уменьшением сопротивления нагрузки. Его звучанием многие довольны, только вот для наушников обязательно будет нужен дополнительный усилитель тока (буфер).
Неприлично высокая цена объясняется его превосходными характеристиками по постоянному току (что для звука совершенно не актуально) и их температурным постоянством, а также потрясающе низкой чувствительностью к ёмкостной нагрузке, отличным подавлением пульсаций и непревзойдённой стабильностью в любых включениях.
Доступен только в SOIC корпусе.

Новинка! AD8599
Сверхмалошумящий с усилением до 10 МГц и 116 дБ. Искажения менее 0.0005% на нагрузке 2 кОм, но возрастают до 0.002% при 600 Ом. Зато очень либерально относится к ёмкостной нагрузке, имеет отличное подавление питания и выходной ток до 50 мА.
Доступен только в SOIC корпусе.

AD823
Усиление до 95 дБ и до 9 МГц.
Искажения ниже -100 дБ, но при выходных токах более 20 мА лавинообразно растут. Соответственно, на нагрузке 32 Ома отдаваемая без искажений мощность составит всего 6 мВт, что явно не достаточно для комфортного прослушивания.
По всем остальным параметрам, кроме подавления пульсаций питания, ОУ очень хорош, его звук хвалят за мягкость.
Доступен в DIP и SOIC исполнениях.

AD746
Компенсирован для КУ=2 (-1) и более!
Имеет большой коэффициент усиления (до 118 дБ), но полоса усиления лишь 10 Мгц, т.е. в наши требования он уже вписывается со скрипом.
Искажения в звуковом диапазоне не превышают -110 дБ, ОУ обладает неплохим подавлением пульсаций, работоспособен при низкоомной нагрузке (при токах менее 20 мА), однако сам производитель почему-то рекомендует его максимум для 14-битных ЦАПов. Скорее всего это относится к стадии I/U преобразования, которое в большинстве звуковых карт уже встроено в ЦАП, посему данный ОУ как минимум достоин рассмотрения.
Характер вносимых искажений близок к пресловутому звучанию Burr-Brown.
Доступен в DIP и SOIC исполнениях.

AD712
Компенсированная для единичного усиления версия предыдущего усилителя.

AD8676
Усиление до 72 дБ, полоса до 10 МГц.
Сверхмалошумящий, имеет отличное подавление пульсаций, но очень слабый выход (до +-20 мА тока). Данных об искажениях не приводится.
Доступен как в SOIC, так и в MSOP корпусе.

AD8672
Выглядит «ускоренной» версией предыдущего. Огромаднейший коэффициент усиления (135 дБ), полоса усиления до 10 МГц. Искажения крайне низки, но выходной каскад не справляется с большой амплитудой сигнала при низкоомной нагрузке.
Доступен как в SOIC, так и в MSOP корпусе.

OP275
Весьма популярный в аудиофильских кругах продукт. Усиление до 104 дБ, полоса до 9 МГц, хорошее подавление пульсаций, искажения ниже 0.001% в широком диапазоне выходных напряжений при сопротивлении нагрузки выше 100 Ом. Однако с ним есть сложность: при неинвертирующем включении необходимо подбирать сопротивление резисторов обратной связи пропорционально выходному сопротивлению предыдущего каскада (в нашем случае ЦАП, а для них выходное сопротивление не афишируется), чтобы избежать значительного роста искажений на частотах выше 1 кГц. Проблема неактуально, если ОУ применяется в инвертирующем включении или как дифференциальный сумматор.
Доступен в DIP и SOIC исполнениях.

OP285
Копия предыдущего, что-то вроде отборных зёрен (селекция по напряжению смещения), за счет чего и стОит гораздо дороже. Доступен только в SOIC корпусе.

AD8512
Усиление до 100 дБ, полоса до 8 МГц.
Хороший выходной ток (до 70 мА), отличное подавление пульсаций, малошумящий, искажения на высокоомной нагрузке ниже 0.0001%. Однако насколько они увеличатся при подключении наушников — не известно. По отзывам, звучит немного грубее AD823, с меньшей натуральностью высоких частот, но лучшей проработкой баса.
Доступен как в SOIC, так и в MSOP корпусе.

Необходимо заметить, что производитель предлагает всем желающим ознакомиться со своей продукцией бесплатно, осуществляя рассылку ограниченного количества (по две штуки не более трёх наименований) микросхем средствами TNT International. Доставка в Москву занимает около месяца.

Ещё один известнейший производитель продукции с музыкальным уклоном — National Semiconductor. Компания также предлагает бесплатные образцы продукции для ознакомления, но берёт деньги за доставку (около 20 долларов).

LM4562
Усиление до 140 дБ, полоса до 30 МГц.
Сверхмалошумящий, с невероятно низким заявленным уровнем искажений. Нагрузку в 600 Ом переносит без увеличения искажений, выходной ток до 20 мА, отличное подавление пульсаций. По отзывам, звучит фантастически, без малейших признаков окрашивания. Звук стерилен до такой степени, что некоторые предпочитают другие ОУ. Однако независимые тесты показали, что ему свойственна проблема, описанная выше для OP275. Впрочем, если ОУ используется в качестве сумматора после ЦАП с дифференциальными выходами, звучание получается ощутимо лучше, чем с OPA2132/4.
Доступен в DIP и SOIC исполнениях.

Практически идентичными параметрами обладают LME49720 и LME49860. Последний отличается способностью работать при напряжении питания 44 В, в отличие от 34 В у двух предыдущих.

LM6172

Усиление до 86 дБ, полоса до 100 МГц!
Малошумящий, искажения ниже -100 дБ на нагрузке 100 Ом, до 50 мА выходного тока. Мечта аудиофила, если бы не склонность к самовозбуждению — усилитель далеко не всегда стабилен. Однако когда разводка платы подходящая, его звуком довольны все.
Доступен в DIP и SOIC исполнениях.

LM6152

Ничем не примечательный ОУ, не обращайте внимания.

LM7372

Усиление до 85 дБ, полоса до 120 МГц!
Выходной ток до 150 мА, уровень гармоник в 100 дБ, вроде всем хорош… но при сопростивлении нагрузки ниже 150 Ом искажения начинают резко расти, преодолевая в итоге планку -80 дБ.
Компенсирован для КУ=2 (-1) и более!
Доступен в SOIC корпусе.

LM833

Усиление до 115 дБ и до 10 МГц.
Малошумящий, хорошее подавление пульсаций, но слабый выходной каскад. Искажения превышают 0.001% уже при нагрузке 1 кОм.
Очень старый ОУ. Отзывы о звучании противоречивы.

Linear Technology не столь известна, как Analog Devices или National Semiconductor, но выпускает продукцию не менее интересную с точки зрения звука и, что немаловажно, также предлагает бесплатные образцы продукции для ознакомления.

Воспользуемся параметрическим поиском по следующим критериям:
Channels = 2
GBW >= 10
Type != CFA
Vs Max > 12
Av Min Stable = 1

В получившемся списке оказались несколько позиций, несовместимых по цоколёвке или назначению, их я пропущу.

LT1208 DIP, SOIC

Усиление 77 дБ до 8 кГц, полоса 45 Мгц, нарастание до 400 В/мкс, хорошее подавление и выходной ток, стабилен с ёмкостной нагрузкой, но overshoot более 20%. Искажения менее -0.002% в звуковом диапазоне, далее резкий рост.

LT1211 SOIC

LT1213 SOIC

LT1215 SOIC

Семейство из трёх ОУ с низкими входными токами и разным быстродействием (от 14 МГц и 7 В/мкс до 23 МГц и 50 В/мкс).
Усиление до 130 дБ, отличное подавление, искажения 0,0007% до 4 кГц, далее рост как у LT1208.
Рекомендуются производителем для I/U. LT1213 отличается повышенным overshoot, а LT1215 повышенными смещениями.

LT1352 DIP, SOIC

Искажения больше 0.002%

LT1355 DIP, SOIC

LT1358 DIP, SOIC

LT1361 DIP, SOIC

LT1364 DIP, SOIC

Семейство из четырёх ОУ с малым (LT1355 и LT1358) и очень малым (LT1361 и LT1364) временем установки, различающихся быстродействием (от 12 МГц и 400 В/мкс до 70 МГц и 1000 В/мкс).
Неплохое подавление, повышенная стабильность при ёмкостной нагрузке, искажения в неинвертирущем включении порядка 0,0007% до 2 кГц.
Звучание LT1364 хвалят.

LT1469 DIP, SOIC

Экстремально низкий уровень искажений на высокоомной нагрузке и отличное подавление, усиление более 110 дБ, полоса до 45 МГц, нарастание до 22 В/мкс.
Малый выходной ток и небольшая индифферентность к ёмкостной нагрузке. Превосходный вариант для I/U.

LT1498 DIP, SOIC

LT1630 DIP, SOIC

LT1632 DIP, SOIC

LT1678 SOIC

Малошумящий, с огромным усилением, отличным подавлением, малым overshoot. Но искажения резко растут уже с 1 кГц.

Среди операционных усилителей с низкими входными токами обнаруживаются несколько потенциально интересных микросхемы.

LT1057 DIP, SOIC
SR=14 В/мкс, GBW=5 МГц, Av=110 дБ, нулевой overshoot, неплохое подавление

LT1457 DIP, SOIC
практически по всем параметрам повторяет предыдущий, но SR=4 и GBW=1.7

LT1169 DIP, SOIC
SR=4.2, GBW=5.3, Av=133, THD<0.0004% на частотах ниже 1 кГц и плавный рост. малошумящий, неплохое подавление, минимальный overshoot, растущий только при ёмкости нагрузки больше 100 пФ, входная ёмкость менее 2 пФ

LT1113 DIP, SOIC
практически по всем параметрам повторяет предыдущий, но SR=3.9, GBW=5.6 и Cin>14 пФ

В ассортименте Texas Instruments также очень много интересной продукции, они тоже рассылают бесплатные образцы, причем в количестве от 5 до 10 штук 8 разных позиций, а доставка через FedEx занимает менее недели. В пятницу заказал — в понедельник получил 🙂

THS4012 MSOP, SOIC

THS4032 MSOP, SOIC

THS4042 MSOP, SOIC

THS4052 MSOP, SOIC

THS4062 MSOP, SOIC

THS4082 MSOP, SOIC

THS6042 MSOP, SOIC

THS6062 MSOP, SOIC

THS6072 MSOP, SOIC

OPA2211 MSOP, SOIC

OPA2132 DIP, SOIC

OPA2134 DIP, SOIC

Будьте внимательны при выборе микросхемы, предварительно удостоверьтесь, какой тип корпуса подходит к вашей карте.
Операционные усилители от NJR, устанавливаемые на подавляющее большинство звуковых карт, встречаются в следующем исполнении:
SSOP8 длина корпуса 4.4 мм, ширина 3.5 мм, шаг выводов 0.65 мм, длина выводов 1 мм
DMP8 длина корпуса 5 мм, ширина 5 мм, шаг выводов 1.27 мм, длина выводов менее 1 мм
EMP8 длина корпуса 4 мм, ширина 5 мм, шаг выводов 1.27 мм, длина выводов 1 мм
DIP очень крупный корпус, выводы загнуты вниз (вставляется в «кроватку» или впаивается в отверстия на плате)
Операционные усилители от Analog Devices имеют следующие габариты корпуса:
SOIC_N (R8) длина корпуса 4 мм, ширина 5 мм, шаг выводов 1.27 мм, длина выводов более 1 мм
MSOP (RM8) длина корпуса 3 мм, ширина 3 мм, шаг выводов 0.65 мм, длина выводов менее 1 мм

Статья дорабатывается по мере возможности. Замечания/предложения приветствуются в ветках по доработке звуковых карт на форумах Overclockers и iXBT:
https://forums.overclockers.ru/viewtopic.php?t=126233&sid=e3d390de8f35f94aee743f57c8696953
http://forum.ixbt.com/topic.cgi?id=12:22570

Другие полезные материалы по теме:
http://www.sg-acoustics.ch/analogue_audio/ic_opamps/index.html
http://audioportal.su/forums/showthread.php?t=7276
http://musatoffcv.narod.ru/Docs/FiltersOpAmp.htm
http://musatoffcv.narod.ru/Docs/OA_For_WT192X.htm
http://musatoffcv.narod.ru/Docs/DescNoLinerOfOpAmp.htm

Схемы включения операционных усилителей | HomeElectronics

Прошлая статья открыла цикл статей про строительные кирпичики современной аналоговой электроники – операционные усилители. Было дано определение ОУ и некоторые параметры, также приведена классификация операционных усилителей. Данная статья раскроет такое понятие как идеальный операционный усилитель, и будут приведены основные схемы включения операционного усилителя.

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

Идеальный операционный усилитель и его свойства

Так как наш мир не является идеальным, так и идеальных операционных усилителей не существует. Однако параметры современных ОУ находятся на достаточно высоком уровне, поэтому анализ схем с идеальными ОУ даёт результаты, очень близкие к реальным усилителям.

Для понимания работы схем с операционными усилителями вводится ряд допущений, которые приводят реальные операционные усилители к идеальным усилителям. Таких допущений всего пять:

1. Ток, протекающий через входы ОУ, принимается равным нулю.
2. Коэффициент усиления ОУ принимается бесконечно большим, то есть выходное напряжение усилителя может достичь любых значений, однако в реальность ограничено напряжением питания.
3. Разность напряжений между входами идеального ОУ равна нулю, то есть если один из выводов соединён с землёй, то и второй вывод имеет такой же потенциал. Отсюда также следует, что входное сопротивление идеального усилителя бесконечно.
4. Выходное сопротивление идеального ОУ равно нулю.
5. Амплитудно-частотная характеристика идеального ОУ является плоской, то есть коэффициент усиления не зависит от частоты входного сигнала.

Близость параметров реального операционного усилителя к идеальным определяет точность, с которой может работать данный ОУ, а также выяснить ценность конкретного операционного усилителя, быстро и правильно сделать выбор подходящего ОУ.

Исходя из вышеописанных допущений, появляется возможность проанализировать и вывести соотношения для основных схем включения операционного усилителя.

Основные схемы включения операционного усилителя

Как указывалось в предыдущей статье, операционные усилители работают только с обратными связями, от вида которой зависит, работает ли операционный усилитель в линейном режиме или в режиме насыщения. Обратная связь с выхода ОУ на его инвертирующий вход обычно приводит к работе ОУ в линейном режиме, а обратная связь с выхода ОУ на его неинвертирующий вход или работа без обратной связи приводит к насыщению усилителя.

Неинвертирующий усилитель

Неинвертирующий усилитель характеризуется тем, что входной сигнал поступает на неинвертирующий вход операционного усилителя. Данная схема включения изображена ниже

Работа данной схемы объясняется следующим образом, с учётом характеристик идеального ОУ. Сигнала поступает на усилитель с бесконечным входным сопротивлением, а напряжение на неинвертирующем входе имеет такое же значение, как и на инвертирующем входе. Ток на выходе операционного усилителя создает на резисторе R2 напряжение, равное входному напряжению.

Таким образом, основные параметры данной схемы описываются следующим соотношением

Отсюда выводится соотношение для коэффициента усиления неинвертирующего усилителя

Таким образом, можно сделать вывод, что на коэффициент усиления влияют только номиналы пассивных компонентов.

Необходимо отметить особый случай, когда сопротивление резистора R2 намного больше R1 (R2 >> R1), тогда коэффициент усиления будет стремиться к единице. В этом случае схема неинвертирующего усилителя превращается в аналоговый буфер или операционный повторитель с единичным коэффициентом передачи, очень большим входным сопротивлением и практически нулевым выходным сопротивлением. Что обеспечивает эффективную развязку входа и выхода.

Инвертирующий усилитель

Инвертирующий усилитель характеризуется тем, что неинвертирующий вход операционного усилителя заземлён (то есть подключен к общему выводу питания). В идеальном ОУ разность напряжений между входами усилителя равна нулю. Поэтому цепь обратной связи должна обеспечивать напряжение на инвертирующем входе также равное нулю. Схема инвертирующего усилителя изображена ниже

Работа схемы объясняется следующим образом. Ток протекающий через инвертирующий вывод в идеальном ОУ равен нулю, поэтому токи протекающие через резисторы R1 и R2 равны между собой и противоположны по направлению, тогда основное соотношение будет иметь вид

Тогда коэффициент усиление данной схемы будет равен

Знак минус в данной формуле указывает на то, что сигнал на выходе схемы инвертирован по отношению к входному сигналу.

Интегратор

Интегратор позволяет реализовать схему, в которой изменение выходного напряжения пропорционально входному сигналу. Схема простейшего интегратора на ОУ показана ниже

Данная схема реализует операцию интегрирования над входным сигналом. Я уже рассматривал схемы интегрирования различных сигналов при помощи интегрирующих RC и RL цепочек. Интегратор реализует аналогичное изменение входного сигнала, однако он имеет ряд преимуществ по сравнению с интегрирующими цепочками. Во-первых, RC и RL цепочки значительно ослабляют входной сигнал, а во-вторых, имеют высокое выходное сопротивление.

Таким образом, основные расчётные соотношения интегратора аналогичны интегрирующим RC и RL цепочкам, а выходное напряжение составит

Интеграторы нашли широкое применение во многих аналоговых устройствах, таких как активные фильтры и системы автоматического регулирования

Дифференциатор

Дифференциатор по своему действию противоположен работе интегратора, то есть выходной сигнал пропорционален скорости изменения входного сигнала. Схема простейшего дифференциатора показана ниже

Дифференциатор реализует операцию дифференцирование над входным сигналом и аналогичен действию дифференцирующих RC и RL цепочек, кроме того имеет лучшие параметры по сравнению с RC и RL цепочками: практически не ослабляет входной сигнал и обладает значительно меньшим выходным сопротивлением. Основные расчётные соотношения и реакция на различные импульсы аналогична дифференцирующим цепочкам.

Выходное напряжение составит

Логарифмирующий преобразователь

Одной из схем на операционном усилителе, которые нашли применение, является логарифмирующий преобразователь. В данном схеме используется свойство диода или биполярного транзистора. Схема простейшего логарифмического преобразователя представлена ниже

Данная схема находит применение, прежде всего в качестве компрессора сигналов для увеличения динамического диапазона, а так же для выполнения математических функций.

Рассмотрим принцип работы логарифмического преобразователя. Как известно ток, протекающий через диод, описывается следующим выражением

где I_O – обратный ток диода,
е – число е, основание натурального логарифма, e ≈ 2,72,
q – заряд электрона,
U – напряжение на диоде,
k – постоянная Больцмана,
T – температура в градусах Кельвина.

При расчётах можно принимать I_O ≈ 10-9 А, kT/q = 25 мВ. Таким образом, входной ток данной схемы составит

тогда выходное напряжение

Простейший логарифмический преобразователь практически не используется, так как имеет ряд серьёзных недостатков:

1. Высокая чувствительность к температуре.
2. Диод не обеспечивает достаточной точности преобразования, так как зависимость между падением напряжения и током диода не совсем логарифмическая.

Вследствие этого вместо диодов применяют транзисторы в диодном включении или с заземлённой базой.

Экспоненциальный преобразователь

Схема экспоненциального преобразователь получается из логарифмического преобразователя путём перемены места диода и резистора в схеме. А работа такой схемы так же как и логарифмического преобразователя основана на логарифмической зависимости между падение напряжения на диоде и током протекающим через диод. Схема экспоненциального преобразователя показана ниже

Работа схемы описывается известными выражениями

Таким образом, выходное напряжение составит

Также как и логарифмический преобразователь, простейший экспоненциальный преобразователь с диодом на входе применяют редко, вследствие вышеописанных причин, поэтому вместо диодов на входе используют биполярные транзисторы в диодном включении или с общей базой.

Схемы включения операционных усилителей, описанные выше, не являются исчерпывающими, а лишь только призваны дать основные понятия. Более подробно схемы включения операционных усилителей я рассмотрю в следующих статьях. Всем удачи.

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

«Операционный» усилитель

Добавлено 18 ноября 2018 в 18:44

Сохранить или поделиться

Задолго для появления цифровых электронных технологий были созданы компьютеры с электронным выполнением вычислений, использующие напряжения и токи для представления числовых величин . Это было особенно полезно для моделирования физических процессов. Например, изменяющееся напряжение может представлять скорость или силу в физической системе. Благодаря использованию резистивных делителей напряжения и усилителей напряжения, математические операции деления и умножения на этих сигналах могут быть легко выполнены.

Реактивные свойства конденсаторов и катушек индуктивности хорошо подходят для моделирования переменных, связанных с функциями математического анализа. Помните, как ток через конденсатор был функцией скорости изменения напряжения, и как эта скорость изменения была обозначена в математическом анализе как производная? Ну, если напряжение на конденсаторе представляло скорость объекта, то ток через конденсатор представлял бы силу, необходимую для ускорения или замедления этого объекта, а емкость конденсатора представляла бы массу этого объекта:

\[i_C = C {dv \over dt}\]

где

• i_C – мгновенный ток через конденсатор;
• C – емкость в фарадах;
• dv/dt – скорость изменения напряжения во времени.

\[F = m {dv \over dt}\]

где

• F – сила, прикладываемая к объекту;
• m – масса объекта;
• dv/dt – скорость изменения скорости во времени.

Это аналоговое электронное вычисление производной математического анализа известно как дифференцирование, и это естественная функция тока конденсатора по отношению к приложенному напряжению. Обратите внимание, что данная схема для выполнения этой относительно сложной математической функции не требует «программирования», как это делал бы цифровой компьютер.

Электронные схемы очень просты и недороги для создания по сравнению со сложными физическими системами, поэтому подобный аналоговый электронный симулятор широко использовался в исследованиях и разработках механических систем. Однако для реалистичного моделирования в этих ранних компьютерах были нужны схемы усилителей высокой точности и простой настройки.

В ходе аналогового компьютерного проектирования было обнаружено, что дифференциальные усилители с чрезвычайно высоким коэффициентом усиления по напряжению удовлетворяют этим требованиям к точности и настройки лучше, чем несимметричные усилители с заданными коэффициентами усиления. Используя простые компоненты, подключенные к входам и выходу дифференциального усилителя с высоким коэффициентом усиления, из общей схемы могут быть получены практически любой коэффициент усиления и любая функция без регулировки или изменения внутренней схемы самого усилителя. Эти дифференциальные усилители с высоким коэффициентом усиления стали известны как операционные усилители, или ОУ, из-за своего использования в математических операциях аналоговых компьютеров.

Современные операционные усилители, такие как популярная модель 741, представляют собой высокопроизводительные, недорогие интегральные микросхемы. Их входные импедансы довольно высоки, входы потребляют токи в диапазоне половины микроампера (максимум) для 741 и намного меньше для операционных усилителей, использующих на входе полевые транзисторы. Выходной импеданс обычно довольно низок, около 75 Ом для модели 741, и многие модели имеют встроенную защиту от короткого замыкания на выходе, что означает, что их выходы могут быть напрямую закорочены на землю без причинения вреда внутренней схеме. Из-за прямой связи между внутренними транзисторными каскадами операционные усилители могут усиливать сигналы постоянного напряжения так же хорошо, как и переменного (до определенных максимальных пределов времени нарастания напряжения). Если не требуется высокая мощность, создание сравнимой схемы на дискретных транзисторах будет стоить гораздо больше денег и времени, чтобы соответствовать такой же производительности. По этим причинам операционные усилители используются в большинстве приложений везде, кроме устаревших усилителей сигналов на дискретных транзисторах.

На следующем рисунке показана распиновка микросхем одиночных операционных усилителей (включая 741), когда они помещаются в 8-выводный DIP корпус.

Некоторые модели операционных усилителей поставляются двумя в одном корпусе; например, популярные модели TL082 и 1458. Они называются «двойными» и обычно размещаются в 8-выводном DIP корпусе со следующей распиновкой:

Операционные усилители также доступны в корпусах с четырьмя усилителями, как правило, это 14-выводные DIP корпуса. К сожалению, назначение выводов у этих «четверных» операционных усилителей не является стандартным, как у одиночных и «двойных». Поэтому подробности необходимо искать в технических описаниях от производителя.

Коэффициенты усиления по напряжению реальных операционных усилителей составляют 200000 или более, что делает их практически бесполезными в качестве самостоятельных дифференциальных усилителей. Для операционного усилителя с коэффициентом усиления по напряжения (A_V) 200000 и максимальным колебанием выходного напряжения +15В/-15В всё, что требуется, чтобы довести его до насыщения или отсечки, – это дифференциальное напряжения 75 мкВ (микровольт)! Прежде чем мы рассмотрим, как используются внешние компоненты, чтобы снизить коэффициент усиления до приемлемого уровня, давайте рассмотрим применения «голого» операционного усилителя самого по себе.

Одно из приложений называется компаратором. Для всех практических приложений можно сказать, что выход операционного усилителя будет полностью насыщен положительно, если вход (+) более положителен, чем вход (-), и будет полностью насыщен отрицательно, если вход (+) менее положителен, чем вход (-). Другими словами, чрезвычайно высокий коэффициент усиления операционного усилителя делает его полезным как устройство для сравнения двух напряжений и изменения состояний выходного напряжения, когда один входной сигнал превышает другой входной сигнал по мгновенной амплитуде.

В приведенной выше схеме у нас есть операционный усилитель, подключенный как компаратор, сравнивающий входное напряжение с опорным напряжением, установленным потенциометром (R1). Если V_вх падает ниже напряжения, установленного R1, выход операционного усилителя насыщается до +V, из-за чего загорается светодиод. В противном случае, если V_вх выше опорного напряжения, светодиод остается выключенным. Если V_вх – это напряжение сигнала, создаваемое измерительным прибором, данная схема компаратора может функционировать как «низкоуровневая» авария с точкой срабатывания, установленной R1. Вместо светодиода выходной сигнал операционного усилителя может приводить в действие реле, транзистор, SCR тиристор или любое другое устройство, способное переключать питание на нагрузку, например, соленоидный клапан для принятия мер в случае низкоуровневой аварии.

Еще одно приложение для показанной схемы компаратора представляет собой преобразователь прямоугольного сигнала. Предположим, что входное напряжение, подаваемое на инвертирующий (-) вход, представляет собой переменный синусоидальный сигнал, а не неизменное постоянное напряжение. В этом случае выходное напряжение будет переходить между противоположными состояниями насыщения, когда входное напряжение было равно опорному напряжению, выдаваемому потенциометром. Результатом будет прямоугольный сигнал:

Подстройка потенциометра приведет к изменению опорного напряжения, подаваемого на неинвертирующий (+) вход, что может изменить точку, в которой синусоида будет пересекать опорное напряжение, изменяя соотношение включен/выключен, или коэффициент заполнения, или скважность прямоугольного сигнала:

Должно быть, очевидно, что входное переменное напряжение не обязательно должно быть синусоидой, в частности, для этой схемы для выполнения той же функции. Входное напряжение может быть треугольной формы, пилообразной формы или любой другой формы, которая плавно переходит от положительной полярности к отрицательной и обратно к положительной. Такая схема компаратора очень полезна для создания прямоугольных сигналов для изменяющегося коэффициента заполнения. Этот метод иногда упоминается как широтно-импульсная модуляция, или ШИМ (RWM), (изменение или модулирование сигнала в соответствии с управляющим сигналом, в данном случае с сигналом, создаваемым потенциометром).

Другим применением компаратора является драйвер столбчатого (полоскового) индикатора. Если бы у нас было несколько операционных усилителей, подключенных в качестве компараторов, каждый со своим опорным напряжением, подключенным к инвертирующему входу, но каждый из этих компараторов контролировал бы один и тот же сигнал напряжения на своем неинвертирующем входе, мы могли бы построить индикатор в виде столбчатого индикатора (барграфа), который мы можем часто увидеть на лицевой панели радиоприемников и графических эквалайзеров. По мере увеличения напряжения сигнала (представляющего уровень радиосигнала или аудиосигнала) каждый компаратор будет «включаться» последовательно и подавать питание на соответствующий светодиод. При каждом переключении компаратора на «включен» на разных уровнях аудиосигнала, количество подсвеченных светодиодов будет указывать, насколько большим был уровень сигнала.

В схеме, показанной выше, светодиод LED1 будет загораться первым, когда входное напряжение будет увеличиваться в положительном направлении. По мере того, как входное напряжение продолжает увеличиваться, другие светодиоды будут загораться последовательно, пока не зажгутся все.

Эта же технология используется в некоторых аналого-цифровых преобразователях, а именно в АЦП прямого преобразования, чтобы преобразовать уровень аналогового сигнала в последовательность напряжений «вкл/выкл», представляющую цифровое число.

Резюме

• Фигура треугольника является обобщенным обозначением схемы усилителя, широкий конец обозначает входную сторону, а противоположная вершина обозначает выход.
• Если не указано иное, все напряжения на схеме усилителя имеют общую точку земли, обычно подключенную к одному из выводов источника питания. Таким образом, мы можем говорить о том, что определенная величина напряжения подана на один провод, при этом понимая, что напряжение всегда измеряется между двумя точками.
• Дифференциальный усилитель усиливает разность напряжений между двумя сигнальными входами. В такой схеме один вход склонен управлять выходным напряжением в той же полярности, что и входной сигнал, в то время как другой вход действует противоположным способом. Следовательно, первый вход называется неинвертирующим (+) входом, а второй – инвертирующим (-) входом.
• Операционным усилителем (или ОУ) является дифференциальный усилитель с чрезвычайно высоким коэффициентом усиления (A_V = 200000 и более). Его название происходит от первоначального использования в аналоговых компьютерных схемах (выполнение математических операций).
• Операционные усилители обычно имеют высокие входные импедансы и довольно низкий выходной импеданс.
• Иногда операционные усилители используются в качестве компараторов сигналов, работающих в режиме полных отсечки и насыщения, в зависимости от того, какой вход (инвертирующий или неинвертирующий) имеет наибольшее напряжение. Компараторы полезны для обнаружения условий сигналов «больше чем» (сигналы сравниваются друг с другом).
• Одно из применений компараторов называется широтно-импульсным модулятором, который выполняет сравнение синусоидального сигнала переменного напряжения с опорным постоянным напряжением. Поскольку постоянное опорное напряжение подстраивается, выходной сигнал компаратора меняет свой коэффициент заполнения (или другой параметр, характеризующий время положительного напряжения относительно всей продолжительности периода – скважность). Таким образом, элементы управления опорного постоянного напряжения управляют или модулируют ширину импульса выходного напряжения.

Оригинал статьи:

Теги

Сохранить или поделиться