Site Loader

Содержание

Простейший ОУ на дискретных элементах / Хабр

Операционные усилители на дискретных элементах выпускают для высококачественной аудиотехники. Выглядят они так — плата или «бутерброд» из двух плат и две гребёнки для впаивания вместо интегрального восьмивыводного сдвоенного ОУ со стандартной цоколёвкой. Улучшается ли после замены звук, неизвестно. Но если ОУ на дискретных элементах сильно упростить и превратить в развёрнутый макет, учебное пособие получится отличное.

В этой схеме все транзисторы структуры NPN — 2N2222 или 2N3403, структуры PNP — 2N2907 или 2N3906:

Результат сборки схемы на макетке показан на КДПВ.

В отличие от интегрального ОУ, здесь можно увидеть без микроскопа все транзисторы и назвать их функции. Q1 и Q2 — токовое зеркало, стремящееся равномерно распределить токи между транзисторами дифференциальной пары Q3 и Q4. Ну а Q5 и Q6 — ещё одно токовое зеркало, стремящееся привести суммарный ток через оба транзистора дифференциальной пары к току через резистор Rprg.

В исходном состоянии к входам усилителя подключены переменные резисторы — один к неинвертирующему, второй к инвертирующему. Соединив выход усилителя с входом вольтметра, попробуйте регулировать переменными резисторами напряжения на входах усилителя, и вы обнаружите, что изменение напряжения на первом входе действительно приводит к изменению напряжения на выходе в том же направлении, а изменение напряжения на втором входе — к противоположному результату. Выставьте на обоих входах одинаковые напряжения, затем слегка поменяйте любое из них, и обратите внимание, как резко от этого изменится выходное напряжение.

Убедившись, что схема работает, попробуйте подключить устройство по какой-нибудь стандартной схеме включения ОУ. Начнём с повторителя напряжения, для этого необходимо соединить выход с инвертирующим входом, а на неинвертирующий вход подать регулируемое напряжение:

На макетке это будет выглядеть так:

Сравнив напряжения на входе и выходе схемы, вы обнаружите, что они отличаются друг от друга не более, чем на несколько десятков милливольт. Эта схема хороша, если усиление требуется не по напряжению, а по мощности. Для усиления же по напряжению нужно задать его коэффициент, добавив в цепь обратной связи два резистора. От соотношения их сопротивлений и зависит коэффициент усиления по напряжению, если они равны, этот коэффициент равен двум:

На макетке:

Конечно, чуда не произойдёт, и заставить выходное напряжение превысить напряжение питания вы не сможете. Но даже в том диапазоне, в котором эта схема действительно усиливает напряжение в два раза, вы обнаружите неточность в несколько десятков милливольт. Выбрать разумный компромисс между точностью и потребляемой мощностью можно подбором «программирующего» резистора в диапазоне от 10 кОм до 1 МОм. Меньше 10 кОм ставить резистор нельзя, поскольку транзисторы токового зеркала могут выйти из строя от перегрева.

У некоторых интегральных ОУ выводы для такого «программирования» выведены наружу. Но обычно этого не сделано, и в этом случае сопротивление встроенного «программирующего» резистора такое, какое счёл оптимальным разработчик.

Исключив переменный резистор, добавив конденсаторы на вход и выход, и выставив добавочными резисторами желаемый коэффициент усиления, можно получить усилитель для наушников.

принцип работы, схемы и т.д.

Операционный усилитель — это усилитель постоянного тока с высоким коэффициентом усиления, который может быть очень большим, вплоть до миллионов. Часто встречается коэффициент усиления в 200 000. Операционные усилители способны усиливать сигналы переменного тока, также как сигналы постоянного тока, они чаще используются в измерительном оборудовании для усиления сигналов постоянного тока.

Название «операционный» усилитель происходит от того, что выполняемые операционным усилителем функции представляют собой математические операции. Например, устройство для извлечение квадратного корня является контрольно-измерительным устройством, в котором используется операционный усилитель для определения квадратного корня сигналов для обеспечения контроля изменения величины потока жидкой или газообразной среды.

Операционный усилитель
Обратите внимание на основы электричества и на приборы электроники.

Операционные усилители не обладают бесконечными входными сопротивлениями и нулевыми выходными сопротивлениями. Хотя возможно входное сопротивление в несколько триллионов Ом, и выходные сопротивления близкие к нулю. В результате выходные сигналы от таких операционных усилителей могут очень точно регулироваться. По этой причине операционные усилители считаются точными усилителями.

Высокая степень точности, обеспечиваемая операционными усилителями, возможна благодаря применению технологии интегральных схем. Хотя в принципе возможно изготовить операционный усилитель из дискретных компонентов, соединенных вместе на монтажной плате, однако практически все операционные усилители в настоящее время выполнены в виде интегральных схем.

Кристалл интегральной схемы операционного усилителя содержит все транзисторы и другие элементы, необходимые для усиления сигнала. Стандартный кристалл выполнен из, на нем может располагаться порядка 30 транзисторов и других элементов.

Кристалл с интегральной схемой операционного усилителя

При использовании операционных усилителей в различных типах схем они могут выполнять различные операции, необходимые в контрольно-измерительном оборудовании. Например, они могут суммировать сигналы, вычитать сигналы, находить среднюю величину сигнала и выполнять даже более сложные функции.

Схемы операционного усилителя

Все операционные усилители имеют два входа. Минус на схеме обозначает один вход, плюс — другой. Условное обозначение операционного усилителя можно узнать на схеме по знакам плюс и минус на вертикальной стороне треугольника. Это отличительные черты условного обозначения операционного усилителя. Если вы встретите на схеме подобный символ, но без знаков плюс и минус, то элемент, обозначенный таким образом, может представлять собой усилитель, но это не операционный усилитель.

Схема операционного усилителя

Выход операционного усилителя представлен на вершине треугольника, противолежащей стороне, где находятся входные зажимы. Соединения с источником питания обычно обозначаются линиями на противоположных сторонах треугольника. Большинство операционных усилителей рассчитаны на работу от биполярного источника напряжения, имеющего положительное и отрицательное напряжения. В целом, операционные усилители могут работать в пределах напряжения от +-1 В до +-40 В. Наиболее распространенное напряжение питания для них 15 В.

Схема соединения операционного усилителя с источником питания

Выход биполярного источника напряжения измеряется относительно нуля вольт, не всегда относительно земли шасси. Для указания точки отсчета используется стрелка с не закрашенной треугольной головкой. Такая стрелка показывает общую точку в схеме, называемую «общей точкой сигналов». Входной и выходной сигналы операционного усилителя также измеряются относительно общей точки сигналов. Соединения общих точек сигналов не всегда отображаются на принципиальных схемах с операционными усилителями.

Схема обозначения общей точки сигналов

Корпусы операционных усилителей

Операционные усилители размещаются в контейнерах, называемых корпусами. Четыре наиболее распространенных типов корпусов это: ТО-5 (корпус транзисторного типа), DIP (плоский корпус с двухрядным расположением выводов), мини — DIP и плоский корпус с планарными выводами.

Операционный усилитель в корпусе ТО-5 (небольшой, металлический, круглой формы)Операционный усилитель в DIP- корпусе (самый большой из представленных)Операционный усилитель в мини DIP-корпусе (самый маленький из представленных)Операционный усилитель в плоском корпусе с боковыми выводами

Штырьки корпуса операционного усилителя используются в качестве выводов, с их помощью операционный усилитель соединяется с остальной схемой. Операционные усилители либо непосредственно припаиваются к монтажной плате, либо вставляются в колодку, которая припаяна к плате. Если операционный усилитель вставлен в колодку, его легко можно извлечь при помощи специального пинцета, предназначенного для этих целей.

Опр. Опера. Ус.

Основные параметры ОУ

Интегральный ОУ имеет следующие основные параметры:

   1. Коэффициент усиления напряжения KyU˜ отношение изменения выходного напряжения к вызвавшему его изменению входного напряжения. В общем случае коэффициент напряжения ОУ, не охваченного обратной связью, равен произведению KyU всех его каскадов. В настоящее время K

y некоторых усилителей по постоянному току превышает 3.106. Однако значение его уменьшается с ростом частоты входного сигнала, при этом суммарная АЧХ имеет столько изломов, сколько усилительных каскадов в ОУ. Каждый каскад на высоких частотах вносит фазовый сдвиг, который влияет на устойчивую работу ОУ, охваченного отрицательной обратной связью (ООС). Устойчивой работы усилительных каскадов ОУ добиваются введением частотной коррекции внешних нагрузочных RC˜ цепей. Для стабилизации двухкаскадного усилителя обычно требуется одна цепь, трехкаскадного ˜ две. Многие ОУ последних выпусков не требуют внешних цепей коррекции, так как в их схему уже введены необходимые элементы.

   2. Частота единичного усиления fI˜ значение частоты входного сигнала, при котором значение коэффициента усиления напряжения ОУ падает до единицы. Этот параметр определяет максимально реализуемую полосу усиления ОУ. Выходное напряжение на этой частоте ниже, чем для постоянного тока в 30 раз.

   3. Максимальное выходное напряжение UВЫХ макс ˜ максимальное значение выходного напряжения, при котором искажения не превышают заданного значения. В отечественной практике этот измеряется относительно нулевого потенциала как в положительную, так и в отрицательную сторону ↑↓U ВЫХ макс . В зарубежных каталогах приводят значение максимального диапазона выходных напряжений, который равен 2U

ВЫХ . Выходное напряжение измеряется при определенном сопротивлении нагрузки. При уменьшении сопротивления нагрузки величина UВЫХ макс уменьшается.

   4. Скорость нарастания выходного напряжения VUвых ˜ отношение изменения UВЫХ от 10 до 90% от своего номинального значения ко времени, за которое произошло это изменение. Параметр характеризует скорость отклика ОУ на ступенчатое изменение сигнала на входе; при измерении ОУ охвачен ООС с общим коэффициентом усиления от 1 до 10.

   5. Напряжение смещения UСМ ˜ значение напряжения, которое необходимо подать на вход ОУ, чтобы на выходе напряжение было равно 0. Операционный усилитель реализуется в виде микросхемы со значительным числом транзисторов, характеристики которых имеют разброс по параметрам, что приводит к появлению постоянного напряжения на выходе в отсутствие сигнала на входе. Параметр U

СМ помогает разработчикам рассчитывать схемы устройств, подбирать номиналы компенсационных резисторов.

   6. Входные токи IВХ ˜ токи, протекающие через входные контакты ОУ. Эти токи обусловлены базовыми токами входных биполярных транзисторов и токами утечки затворов для ОУ с полевыми транзисторами на входе. Входные токи, проходя через внутреннее сопротивление источника сигнала, создают падение напряжений, которые могут вызывать появление напряжения на выходе в отсутствие сигнала на входе.

   7. Разность входных токов ↑↓IВХ. Входные токи могут отличаться друг от друга на 10 … 20%. Зная разность входных токов, можно легко подобрать номинал балансировочного резистора. Все параметры ОУ изменяют свое значение ˜ дрейфуют с изменением температуры. Особенно важными дрейфами являются:

   8. Дрейф напряжения смещения ↑↓UСМ.
9. Дрейф разности входных токов ↑↓IВХ.

   10. Максимальное входное напряжение UВХ ˜ напряжение, прикладываемое между входными выводами ОУ, превышение которого ведет к выходу параметров за установленные границы или к разрушению прибора. В таблицах приводятся значения ↑↓UВХ, в зарубежной литературе абсолютные значения диапазона.

   11. Максимальное синфазное входное напряжение. UВХ СФ ˜ наибольшее значение напряжения прикладываемого одновременно к обоим входным выводам ОУ относительно нулевого потенциала, превышение которого нарушает работоспособность прибора. В отечественной документации приводят модуль величины U ВХ СФ, а в зарубежной диапазон.

   12. Коэффициент ослабления синфазного сигнала КОССФ ˜ отношение коэффициента усиления напряжения, приложенного между входами ОУ, к коэффициенту усиления общего для обоих входов напряжения.

   13. Выходной ток IВЫХ ˜ максимальное значение выходного тока ОУ, при котором гарантируется работоспособность прибора. Это значение определяет минимальное сопротивление нагрузки. Очень важно при расчете комплексного сопротивления нагрузки учитывать, что при переходных процессах включения (выключения) ОУ значение емкостной или индуктивной составляющей сопротивления нагрузки резко изменяются и при неправильном подборе нагрузки схема может выйти из строя.

   Часто вместо значения IВЫХ в документации приводят минимальное значение сопротивления нагрузки RH. Большая часть ОУ, разработанных в последнее время, имеют каскад, ограничивающий величину выходного тока при внезапном замыкании выходного контакта на шину источника питания или нулевой потенциал. Предельный выходной ток при этом ˜ ток короткого замыкания IКЗ равен 25 мА.

   Конструкторы и технологи микросхем ОУ постоянно ищут способы улучшения основных параметров приборов: увеличение KyU, fI, VUвых и др. Применяя схемотехнические решения и вводя новые технологические приемы, стараются снизить значение «паразитных» параметров UСМ, IВХ, ↑↓IВХ и их дрейфов, а также мощность, потребляемую прибором. Как правило достичь максимальных значений для всех параметров невозможно. Достижение максимального значения одного параметра часто осуществляется за счет ухудшения другого. Так, увеличение коэффициента усиления по напряжению влечет за собой снижение частотных свойств, и наоборот.

Примеры программирования микроконтроллеров, создание схем на микроконтроллерах, микроконтроллеры для начинающих

Новостная лента

Microchip расширяет экосистему Arduino-совместимой отладочной платформы chipKIT

Компания Microchip сообщила о расширении экосистемы отладочной платформы chipKIT. В состав Arduino-совместимой платформы chipKIT вошла высокоинтегрированная отладочная плата с Wi-Fi модулем и плата расширения для управления электродвигателями, разработанные компанией Digilent. Подробнее >>>

Источник: http://www.rlocman.ru

Просмотров: 28590

Дата добавления: 02.10.2014

MicroView — супер миниатюрная Arduino-совместимая отладочная плата с OLED дисплеем

На портале Kickstarter представлен проект супер миниатюрной отладочной платформы Arduino, выполненной в форм-факторе 16-выводного корпуса DIP и имеющей встроенный OLED дисплей с разрешением 64×48 точек. Несмотря на то, что отладочная плата является полностью завершенным решением, она может устанавливаться на макетную плату или непосредственно впаиваться в печатную плату для расширения функционала и управления внешней периферией. Подробнее >>>

Источник: http://www.rlocman.ru

Просмотров: 27934

Дата добавления: 17.04.2014

Размеры самого миниатюрного в мире ARM-микроконтроллера Freescale сократила еще на 15%

Freescale Semiconductor совершила новый технологический прорыв, добавив к семейству Kinetis самый миниатюрный и энергоэффективный в мире 32-разрядный микроконтроллер Kinetis KL03 с архитектурой ARM. Основанный на микроконтроллере предыдущего поколения Kinetis KL02, новый прибор получил дополнительную периферию, стал намного проще в использовании, и при этом сократился в размерах до 1.6 × 2.0 мм. Подробнее >>>

Источник: http://www.rlocman.ru

Просмотров: 1871

Дата добавления: 17.04.2014

Как вырастить микросхему с помощью белка

Без кремния немыслимо производство полупроводников, где он буквально нарасхват. При этом, естественно, большое значение имеют чистота вещества и строение кристаллов кремниевых соединений. Исследователи из Университета Лидса (Великобритания) предлагают способ выращивания таких кристаллов с помощью молекулярной биологии. По их мнению, это позволит создавать электронные микросхемы более высокого качества. Подробнее >>>

Источник: http://www.newscientist.com/

Просмотров: 3019

Дата добавления: 06.03.2014

Открытие нового раздела на сайте MCULAB.RU

На нашем сайте открыт новый раздел. Раздел посвящён моделированию различных схем по сопряжению микроконтроллеров и датчиков. Освещается схемотехника подключения к МК внешних устройств. В данной области до сих пор отсутствует систематизация, поэтому сделана попытка создать банк типовых решений, который в дальнейшем может дополняться, уточняться, расширяться. Подробнее >>>

Источник: /

Просмотров: 129718

Дата добавления: 04.02.2014

На сайте представлены примеры программирования, которые будут полезны как для опытного разработчика схем на микроконтроллерах, так и для новичка. Особо рассматривается программирование микроконтроллеров для начинающих пользователей. Программные примеры программирования разбиты на различные разделы. Основную массу составляют примеры программирования микроконтроллеров avr и микроконтроллеров microchip. Пользователю предлагается познакомиться с различными примерами программирования и различными средами программирования: MicroLab, AVRStudio, MikroC, FloweCode. Представлены схемы на микроконтроллерах ведущих производителей: PIC и AVR. Рассматривается огромное количество схем для начинающих разработчиков. Если Вы начинающий радиолюбитель, то для Вас мы приготовили раздел микроконтроллеры для начинающих.

Современные микроконтроллеры относятся к классу микропроцессорных устройств. В основе принципа действия таких элементов лежит исполнение последовательного потока команд, называемого программой. Микроконтроллер получает программные команды в виде отдельных машинных кодов. Известно, что для создания и отладки программ, машинные коды подходят плохо, так как трудно воспринимаются человеком. Этот факт привел к появлению различных языков программирования и огромного количества различных компиляторов.

В основе языков программирования микроконтроллеров лежат классические языки для компьютеров. Единственным отличием становится ориентированность на работу со встроенными периферийными устройствами. Архитектура микроконтроллеров требует, например, наличия битово-ориентированных команд. Последние выполняют работу с отдельными линиями портов ввода/вывода или флагами регистров. Подобные команды отсутствуют в большинстве крупных архитектур. Например, ядро ARM, активно применяемое в микроконтроллерах, не содержит битовых команд, вследствие чего разработчикам пришлось создавать специальные методы битового доступа.

Популярное в разделе «MikroC»

Популярное в разделе «FloweCode»

Популярное в разделе «MicroLab»

Популярное в разделе «AVR Studio»

Популярное в разделе «Теоретические основы эл-ки»

Популярное в разделе «Основы МП техники»

Популярное в разделе «Аналоговый и цифровой сигнал»

Популярное в разделе «Цифровая схемотехника»

Примеры программирования микроконтроллеров будут представлены на хорошо всем известном языке Си. А перед тем как постигать азы программирования микроконтроллеров и схемотехнику устройств на микроконтроллерах, авторам предлагается ещё раз вспомнить основы микропроцессорной техники, основы электроники, полупроводниковую электронику, аналоговую и цифровую схемотехнику, а так же азы аналогового и цифрового представления сигнала. Для тех, кому хочется получить новые знания в области современного программирования, можно будет познакомиться с графическим языком программирования LabView.

Выбор языка программирования зависит от множества факторов. В первую очередь, типо решаемых задач и необходимым качеством кода. Если Вы ведёте разработку малых по объёму и несложных программ, то можно использовать практически любой язык. Для компактного кода подойдет Ассемблер, а если ставятся серьезные задачи, то альтернативы С/С++ практически нет. Также необходимо учитывать доступность компилятора. В итоге самым универсальным решением можно назвать связку Ассемблера и C/C++. Для простого освоения языков, можно воспользоваться примерами программ для микроконтроллера. Использование примеров программирования упростит и ускорит процесс освоения программирования микроконтроллеров.

Схемы на микроконтроллерах позволят начинающим разработчикам освоить тонкости проектирования, моделирования и программирования микроконтроллеров.

Руководство по идентификации комплекта деталей для начинающих

Избранное Любимый 7

Транзисторы и операционные усилители

Транзисторы — 2N3904 NPN и 2N3906 PNP

Дальний родственник диода, транзистор тоже полупроводниковый прибор.

Транзистор — ПНП (2N3906)

В наличии COM-00522

Это очень распространенные высококачественные транзисторы BJT, PNP производства ST Micro.**Данные: **[2N3906](http://www.sparkfun.com/d…

Хотя вы, вероятно, их не видели, транзисторы были почти в каждом электрическом устройстве, которое вы когда-либо использовали. Включенные транзисторы представляют собой оба типа транзисторов с биполярным переходом (BJT), NPN и PNP, и являются одними из наиболее распространенных транзисторов.

Внутренняя принципиальная схема взята из таблицы данных 2N3904 и 2N3906 .

Транзисторы можно рассматривать как электронные переключатели.У них три вывода: коллектор, эмиттер и база. База действует как элемент управления выключателем; независимо от того, подключен ли он к высокому или низкому уровню, контролируется, может ли ток течь от коллектора к эмиттеру. Для диода NPN ток будет течь от С к Е, если базу подтянуть к высокому (относительно эмиттера), и наоборот, на транзисторе PNP базу надо подтянуть к низкому к эмиттеру для тока, протекающего от C к E.

Чтобы узнать больше о диодах, ознакомьтесь с нашим руководством по диодам.

Транзисторы

1 июля 2014 г.

Ускоренный курс биполярных транзисторов. Узнайте, как работают транзисторы и в каких схемах мы их используем.


Операционные усилители — 358

Операционные усилители… в зависимости от того, насколько вы любите проектирование аналоговых схем, эти интегральные схемы вызывают в воображении либо болезненные воспоминания об идеальной теории усилителей, либо восхитительные воспоминания об их схемотехнике.К счастью, существует лотов информации, которая поможет вам получить именно то, что вы хотите от операционного усилителя. Операционные усилители представляют собой специально дифференциальные усилители напряжения, они принимают два входа напряжения и усиливают разницу в любом месте от 10 до 1000 раз больше. У них миллионы приложений; в зависимости от окружающих их компонентов их можно использовать для сравнения, инвертирования, сложения, интегрирования или выполнения всевозможных других функций над сигналами.

AS358 и LM358 — хорошие примеры действительно стандартных операционных усилителей.В комплект будет включен один из 358 операционных усилителей.

Операционный усилитель (сквозное отверстие) — LM358

На пенсии COM-09456

LM358 — отличный, простой в использовании двухканальный операционный усилитель. У операционных усилителей так много [применений](http://en.wikipedia.org/wiki/Operati…

Пенсионер

Он двухканальный, то есть внутри него два операционных усилителя.Каждый усилитель имеет инвертирующий и неинвертирующий вход, а также один выход. И оба усилителя используют один источник питания.

Схема подключения взята из техпаспорта

Для получения дополнительной информации об операционных усилителях ознакомьтесь с нашим руководством.



← Предыдущая страница
Регуляторы напряжения

Ошибка 404 — Страница не найдена

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

Типовой операционный усилитель-TINA и ресурсы TINACloud

Типовой операционный усилитель

Большинство операционных усилителей спроектированы и изготовлены в соответствии с блок-схемой, показанной на рисунке 8.

Рисунок 8 – Типовая конфигурация операционного усилителя

Дифференциальный усилитель и каскад усиления по напряжению являются единственными каскадами, обеспечивающими усиление по напряжению. Дифференциальный усилитель также обеспечивает CMRR, который так важен для операционного усилителя. Выход дифференциального усилителя часто подключают к эмиттерному повторителю с большим эмиттерным резистором, чтобы обеспечить высокоимпедансную нагрузку дифференциального усилителя и получить высокий коэффициент усиления. Помните, что усилитель с общим эмиттером с высоким коэффициентом усиления имеет гораздо более низкий входной импеданс, чем усилитель CE со средним коэффициентом усиления.Затем это позволяет использовать усилитель CE с высоким коэффициентом усиления для обеспечения дополнительного усиления. Линейные операционные усилители имеют прямую связь для обеспечения коэффициента усиления ac . Это также устраняет необходимость в разделительном конденсаторе, который слишком велик для размещения на микросхеме. Сдвиги уровня необходимы, чтобы гарантировать, что выходной сигнал не имеет какого-либо смещения dc . Операционные усилители могут быть очень точно смоделированы путем моделирования схемы. Мы продемонстрируем это с помощью онлайн-моделирования схемы TINACloud.

3.1 Упаковка

Схемы операционных усилителей упакованы в стандартные корпуса интегральных схем, включая банки, двухрядные корпуса (DIP) и плоские упаковки. Каждый из этих пакетов имеет как минимум восемь контактов или соединений. Они показаны на рисунках 9, 10 и 11.

 

Рисунок 9 – Подключение операционного усилителя к корпусу банки (вид сверху)

Рисунок 10 – Подключение операционного усилителя 14-контактный DIP (вид сверху)

Рисунок 11 — соединение OP-AMP для 10-контактных плоских пакетов (вид сверху)

При построении цепи важно правильно идентифицировать различные приводы (они обычно без номера).На рисунках показано расположение штифта 1. В упаковке для банки , показанной на рис. 9, штифт 1 обозначен как первый штифт слева от язычка, а штыри нумеруются последовательно против часовой стрелки, если смотреть сверху. В двухрядном корпусе , показанном на рис. 10, в верхней части корпуса имеется углубление для размещения контакта 1, а контакты пронумерованы слева вниз и справа вверх. Обратите внимание, что более одного операционного усилителя (обычно 2 или 4) упакованы в один DIP.

В плоской упаковке на рис. 11 контакт 1 обозначен точкой, а контакты пронумерованы, как в DIP.

3.2 Требования к питанию

Для многих операционных усилителей требуется как отрицательный, так и положительный источник напряжения. Типичные источники напряжения находятся в диапазоне от ±5 В до ±25 В. На рис. 12 показаны типичные подключения источника питания к операционному усилителю.

Максимальный размах выходного напряжения ограничен постоянным напряжением , подаваемым на операционный усилитель. Некоторые операционные усилители могут работать от одного источника напряжения. Спецификации производителя определяют пределы работы в тех случаях, когда операционный усилитель использует только один источник питания.

Рисунок 12 – Подключение источника питания

Максимальный размах выходного напряжения ограничен постоянным напряжением , подаваемым на операционный усилитель. Некоторые операционные усилители могут работать от одного источника напряжения. Спецификации производителя определяют пределы работы в тех случаях, когда операционный усилитель использует только один источник питания.

3.3 Операционный усилитель 741

Операционный усилитель µA741 представлен в эквивалентной схеме на рис. 13.Он производится с 1966 года большинством производителей интегральных схем, и, хотя с момента его появления было много достижений, 741 по-прежнему широко используется.

Рис. 13. Операционный усилитель 741

Операционный усилитель 741 имеет внутреннюю компенсацию , которая относится к RC-цепочке, вызывающей падение высокочастотной амплитудной характеристики. Поскольку усилитель имеет высокий коэффициент усиления (порядка от 10 4 до 10 5 на низких частотах) и поскольку паразитные емкости в транзисторах допускают паразитную обратную связь , операционный усилитель стал бы нестабильным и колебался бы, если бы он не был для внутренней компенсации.Два каскадных дифференциальных усилителя управляют дополнительным симметричным усилителем мощности через другой усилитель напряжения.

Операционный усилитель 741 состоит из трех каскадов: входного дифференциального усилителя, промежуточного несимметричного усилителя с высоким коэффициентом усиления и выходного буферного усилителя. Другая схема, важная для его работы, — это переключатель уровня для смещения уровня сигнала dc , чтобы выходной сигнал мог колебаться как в положительную, так и в отрицательную сторону, схемы смещения для подачи опорных токов на различные усилители и схемы, защищающие операционный усилитель. от коротких замыканий на выходе.741 имеет внутреннюю компенсацию с помощью встроенной цепи конденсатор-резистор.

Операционный усилитель дополнительно улучшен за счет добавления дополнительных каскадов усиления, изоляции входных цепей и добавления дополнительных эмиттерных повторителей на выходе для снижения выходного импеданса. Другие улучшения приводят к увеличению CMRR, более высокому входному импедансу, более широкой частотной характеристике, уменьшенному выходному импедансу и увеличению мощности.

Цепи смещения

В операционном усилителе 741 на рис. 13 можно увидеть несколько постоянных источников.Транзисторы Q 8 и Q 9 — это текущий источник для I EE дифференциального усилителя, образованный Q 1 , Q 2 , Q 3 и Q 4 . Транзисторы Q 5 , Q 6 и Q 7 являются активными нагрузками, заменяющими резисторы R C дифференциальных усилителей.Транзисторы Q 10 , Q 11 и Q 12 образуют цепь смещения для источников тока дифференциального усилителя. Транзисторы Q 10 и Q 11 образуют источник тока Видлара для этой цепи смещения, а другие транзисторы действуют как токовое зеркало.

Защита от короткого замыкания

Схема 741 включает ряд транзисторов, которые обычно отключаются и проводят ток только в том случае, если на выходе присутствует большой ток.Затем смещение на выходных транзисторах изменяется, чтобы уменьшить этот ток до приемлемого уровня. В цепи рисунка 13 эта защитная сеть короткого замыкания состоит из транзисторов Q 15 и Q 22 R 11.

Этап ввода

входной этап Операционный усилитель 741 необходим для обеспечения усиления по напряжению, смещения уровня и выходного сигнала однотактного дифференциального усилителя. Сложность схемы вызывает большую ошибку напряжения смещения.В отличие от этого, стандартный дифференциальный усилитель с резисторной нагрузкой вызывает меньшую ошибку напряжения смещения. Однако стандартный усилитель имеет ограниченный коэффициент усиления, что означает, что для достижения желаемого усиления потребуется больше каскадов. Дифференциальные усилители с резисторной нагрузкой используются в операционных усилителях, которые имеют меньший дрейф напряжения, чем 741.

BJT, используемые во входном каскаде, требуют больших токов смещения, что создает проблемы тока смещения. Чтобы уменьшить погрешность тока смещения, в других типах операционных усилителей во входном каскаде используются полевые МОП-транзисторы.

Входной этап 741 — это дифференциальный усилитель с активной нагрузкой, образованной транзисторами Q 5 , Q 6 , и Q 7 и резисторы R 1 5 , R 2 и R 3 . Эта схема обеспечивает нагрузку с высоким сопротивлением и преобразует сигнал из дифференциального в несимметричный без ухудшения усиления или коэффициента подавления синфазного сигнала. Несимметричный выход берется с коллектора Q 6 .Сдвиг уровня входного каскада состоит из боковых транзисторов pnp , Q 3 и Q 4 , которые соединены по схеме с общей базой.

Использование боковых транзисторов Q 3 и Q 4 дает дополнительное преимущество. Они помогают защитить входные транзисторы Q 1 и Q 2 от пробоя перехода эмиттер-база. Переход эмиттер-база транзистора npn выйдет из строя, когда обратное смещение превысит примерно 7 В.Боковой пробой транзистора не происходит до тех пор, пока обратное смещение не превысит примерно 50 В. Поскольку транзисторы включены последовательно с Q 1 и Q 2 , напряжение пробоя входной цепи увеличивается.

Промежуточный каскад

Промежуточные каскады в большинстве операционных усилителей обеспечивают высокий коэффициент усиления за счет нескольких усилителей. В 741 несимметричный выход первого каскада подключен к базе Q 16 , которая имеет конфигурацию эмиттерного повторителя.Это обеспечивает высокий входной импеданс входного каскада, что минимизирует нагрузку. Промежуточный каскад также состоит из транзисторов Q 16 и Q 17 , и резисторов R 8 и R 9 . Выход промежуточного каскада берется с коллектора Q 17 и подается на Q 14 через фазовращатель. Конденсатор в 741 используется для частотной компенсации, которая обсуждается в последующих главах этого текста.

Выходной каскад

Выходной каскад операционного усилителя необходим для обеспечения высокого коэффициента усиления по току при низком выходном импедансе. В большинстве операционных усилителей используется выходной каскад с дополнительной симметрией для повышения эффективности без ущерба для коэффициента усиления по току. Максимально достижимая эффективность усилителя класса B с комплементарной симметрией составляет 78%. Несимметричный выходной усилитель имеет максимальный КПД всего 25%. Некоторые операционные усилители используют комплементарную симметрию пары Дарлингтона для увеличения их выходной мощности.Выходной каскад комплементарной симметрии в 741 состоит из Q 14 и Q 20 .

Небольшие резисторы R 6 и R 7 обеспечивают ограничение тока на выходе. Пара Дарлингтона, Q 18 и Q 19 , используется вместо диода в выходном каскаде с комплементарной симметрией с диодной компенсацией, как описано в главе 8. Расположение пары Дарлингтона предпочтительнее двух транзисторов. подключен как диод, так как он может быть изготовлен на меньшей площади.Источник тока, заменяющий резистор смещения в схеме комплементарной симметрии, реализован одной частью транзистора Q 13 . Транзисторы Q 22 , Q 23 и Q 24 являются частью устройства сдвига уровня, которое обеспечивает центрирование выходного напряжения вокруг нулевой оси.

CURRENT – 3. Типовой операционный усилительНАЗАД- 2. Регуляторы уровняСЛЕДУЮЩИЙ- 4. Спецификации производителей

Полное руководство по операционным усилителям. Часть 1

Это первая часть из трех частей «Полного руководства по операционным усилителям».В этой статье мы узнаем, как работают операционные усилители и как с их помощью создавать схемы. В этой серии есть еще две статьи, так что обязательно ознакомьтесь с ними после этой:

Название op-amp , или операционный усилитель, было придумано на ранних этапах использования для аналоговой математики, такой как интегрирование и дифференцирование. Первые операционные усилители были лампового типа. Первыми операционными усилителями на ИС были µA709 и LM101, но они быстро превратились в другие операционные усилители из-за их огромной полезности и популярности.

Одним из самых известных из них был операционный усилитель LM741. Вы все еще видите много схем, использующих этот операционный усилитель. К счастью, производители сохранили расположение выводов неизменным для постоянно растущего и улучшающегося ассортимента операционных усилителей.

Поскольку компоненты внешней обратной связи в значительной степени определяют поведение схем операционных усилителей, обычно их можно заменить другими операционными усилителями. Если только это не критическое приложение, такое как сверхвысокочастотная характеристика или очень низкий уровень шума или смещения.

Выше показаны некоторые корпуса, в которых доступны операционные усилители.Одна интегральная микросхема может иметь один, два или четыре отдельных операционных усилителя.

Как работают операционные усилители

Ниже показана внутренняя блок-схема простого операционного усилителя (без источника питания).

Есть два входных контакта и один выходной контакт. Вход -ve называется инвертирующим входом , а вход +ve называется неинвертирующим входом . Входы подключены к дифференциальному усилителю, за которым следуют дополнительные каскады дифференциального усиления.

В дифференциальном усилителе мы находим так называемую длиннохвостую пару.Транзисторы Q1 и Q2 представляют собой пару очень близко согласованных полевых транзисторов или биполярных транзисторов. Они подключены к -ve через транзистор Q3, который сконфигурирован как источник постоянного тока.

Любая разница в напряжении между входами +ve и -ve приведет к пропорциональному колебанию коллекторов или стоков Q1 и Q2. Это называется усилением операционного усилителя без обратной связи. Любая разница в необработанных усилениях Q1 и Q2 приведет к большому нежелательному колебанию выхода. Все это можно взять под наш контроль и сделать предсказуемым, добавив несколько компонентов, обеспечивающих отрицательную обратную связь между входом и выходом.

После дифференциального усиления каскад со сдвигом уровня центрирует колебания выходного напряжения около 0 В, поскольку все каскады связаны по постоянному току. Наконец, выходной усилитель с низким импедансом управляет нагрузкой и предотвращает влияние любых изменений на выходе на входы.

Пример проекта

Ниже показана схема инвертирующего усилителя с коэффициентом усиления 100, использующая операционный усилитель LM741. В инвертирующем усилителе сигнал на выходе не совпадает по фазе с входным на 180 градусов.

Источник питания показан как +15 В и -15 В, но операционный усилитель будет работать с очень малыми источниками питания, например, +/- 9 В, ограничивая размах выходного сигнала.

Если бы мы удалили резистор R2 в приведенной выше схеме, у нас не было бы обратной связи. Это называется разомкнутой петлей, и усиление теперь будет функцией максимального усиления операционного усилителя, которое составляет 100 дБ. Но усиление начинает быстро падать при увеличении частоты на входе:

При частоте 10 Гц усиление начинает быстро падать со скоростью 20 дБ за декаду.

Заменив R2, теперь у нас отрицательный отзыв. К сожалению, это снижает выигрыш:

Обратите внимание, где сейчас начинается спад — около 37 кГц. Это было бы нормально для звуковых целей. Если бы мы хотели продвинуть его немного дальше, нам пришлось бы увеличить обратную связь и уменьшить усиление. Если усиление становится слишком низким, нам, возможно, придется добавить вторую ступень усиления.

Важные характеристики операционных усилителей

Общее гармоническое искажение (THD): Шум, создаваемый самим операционным усилителем.Обычно выражается в дБ.

Напряжение смещения: Напряжение постоянного тока, которое при подаче между входными контактами вызывает нулевое выходное постоянное напряжение. Если бы оба входа были заземлены, выходное напряжение операционного усилителя не было бы равно нулю.

Скорость нарастания: Время, необходимое для изменения выхода для данного входа. Задается как В/мс.

Эквивалентное входное шумовое напряжение: Шумовые характеристики операционного усилителя. Идеальный источник напряжения помещается последовательно с входными контактами, которые представляют внутренний шум.

Коэффициент подавления синфазного сигнала: Способность операционного усилителя подавлять сигналы, поступающие на оба входа одновременно. Особенно важно для применения в дифференциальных усилителях.

Надеюсь, эта статья помогла вам понять, как работают операционные усилители, как их выбрать и как собрать схему с операционным усилителем. В следующей статье мы рассмотрим практические примеры применения некоторых линейных схем. Вот следующая статья из серии: Полное руководство по операционным усилителям. Часть 2. Линейные приложения.


Введение в характеристики идеальных схем операционных усилителей

Введение

Операционный усилитель (сокращенно операционный усилитель) представляет собой устройство усиления напряжения, предназначенное для использования с такими компонентами, как конденсаторы и резисторы, между входными и выходными клеммами, или представляет собой просто линейную интегральную схему (ИС) с несколькими клеммами. В электронике коэффициент усиления по напряжению без обратной связи реального операционного усилителя очень велик, что можно увидеть в дифференциальном усилителе с бесконечным коэффициентом усиления без обратной связи, бесконечным входным сопротивлением и нулевым выходным сопротивлением.Кроме того, он имеет положительные и отрицательные входы, которые позволяют схемам, использующим обратную связь, выполнять широкий спектр функций. А между тем, его можно еще больше упростить до модели идеального операционного усилителя, называемой идеальным операционным усилителем (также называемым идеальным операционным усилителем ).

1 Характеристики идеального операционного усилителя

При анализе различных прикладных схем операционных усилителей интегральный операционный усилитель часто рассматривается как идеальный операционный усилитель.Так называемый идеальный ОУ должен идеализировать различные технические показатели ОУ и должен обладать следующими характеристиками.

1.1 Бесконечное входное сопротивление

Входная клемма идеального операционного усилителя не пропускает ток. В электронике операционные усилители представляют собой устройства усиления напряжения. Они усиливают напряжение, подаваемое на операционный усилитель, и выдают тот же сигнал, что и на выходе, с гораздо большим коэффициентом усиления. Чтобы операционный усилитель мог принимать сигнал напряжения в качестве входного сигнала, сигнал напряжения должен быть пропущен через операционный усилитель.Если вы знаете концепцию делителя напряжения, напряжение падает в основном на компонентах с высоким импедансом, пропорционально закону Ома по формуле V=IR. Таким образом, чем больше сопротивление (или импеданс) устройства, тем больше падение напряжения на этом устройстве. Чтобы убедиться, что сигнал напряжения полностью падает на операционном усилителе, он должен иметь очень высокий входной импеданс, чтобы на нем полностью падало напряжение. Если бы он имел низкий входной импеданс, напряжение на нем могло бы не падать, и он не принимал бы сигнал.Вот почему операционные усилители должны иметь высокое входное сопротивление.
Также легко уменьшить входной импеданс (поставить резистор параллельно) или увеличить импеданс источника (поставить резистор последовательно).

Рис. 1. Символ идеального операционного усилителя и кривая передаточной характеристики

1.2 Нулевой выходной импеданс

Выход идеального операционного усилителя является идеальным источником напряжения, как бы ни изменялся ток, текущий на нагрузку усилителя, выходное напряжение усилителя всегда имеет определенное значение, то есть выходное сопротивление равно нулю.На практике нулевой выходной импеданс на самом деле отличается от бесконечного входного импеданса, но в течение очень долгого времени к бесконечному входному импедансу приближались только с компромиссами в напряжении смещения и шуме.

1.3 Бесконечное усиление без обратной связи

В разомкнутом состоянии дифференциальный сигнал на входе имеет бесконечный коэффициент усиления по напряжению. Эта особенность делает операционный усилитель очень подходящим для практических приложений с верхней конфигурацией отрицательной обратной связи.

1.4 Бесконечный коэффициент подавления синфазного сигнала

Идеальный операционный усилитель может реагировать только на разницу между напряжениями на обоих концах V+ и V-. Кроме того, одна и та же часть двух входных сигналов (например, синфазный сигнал) будет полностью игнорироваться. Более того, высокий CMRR требуется, когда дифференциальный сигнал должен быть усилен при наличии возможно большого синфазного входа, такого как сильные электромагнитные помехи (EMI). Примером может служить передача звука по симметричной линии при звукоусилении или записи.

1,5 Бесконечная пропускная способность

Идеальный операционный усилитель будет усиливать входной сигнал любой частоты с одинаковым дифференциальным усилением, которое не изменится при изменении частоты сигнала.

2 предположения об идеальном операционном усилителе

Операционный усилитель можно рассматривать как источник тока, управляемый напряжением, или как интегральную схему, которая может усиливать слабые электрические сигналы. Исходя из этого, для идеального операционного усилителя, какова связь между ним и этими электрическими сигналами?
Сначала предположим, что ток, поступающий на вход операционного усилителя, равен нулю.Это предположение почти полностью верно для операционных усилителей на полевых транзисторах, поскольку входной ток для операционных усилителей на полевых транзисторах меньше 1 пА. А вот для сдвоенных быстродействующих ОУ это допущение не всегда верно, поскольку входной ток у него иногда может достигать десятков микроампер.
Во-вторых, предположим, что коэффициент усиления операционного усилителя бесконечен, поэтому операционный усилитель может изменять выходное напряжение до любого значения в соответствии с входными требованиями. Это означает, что выходное напряжение операционного усилителя может достигать любого значения. Фактически, когда выходное напряжение близко к напряжению источника питания, операционный усилитель насыщается.Может быть, эта гипотеза и существует, но нуждается в практических ограничениях. Например, на более высоких частотах вступают в действие внутренние переходные конденсаторы транзистора, что снижает выходную мощность и, следовательно, коэффициент усиления усилителя. Реактивное сопротивление конденсатора уменьшается с увеличением частоты, минуя большую часть выхода. Операционный усилитель находится в состоянии насыщения.

Рис. 2. Насыщение операционного усилителя

Например, согласно техническому описанию LM741, коэффициент усиления по напряжению большого сигнала составляет 200 В/мВ.Это означает, что прирост без обратной связи составляет 200 000. Если вы используете операционный усилитель в режиме разомкнутого контура (т. е. без отрицательной обратной связи), даже микровольты входного напряжения (входное напряжение смещения LM741 составляет 3 мВ) приведет к насыщению выхода.
В большинстве схем усилителя операционный усилитель настроен на использование отрицательной обратной связи, которая значительно снижает коэффициент усиления по напряжению (т. е. коэффициент усиления с обратной связью). В генераторах и триггерах Шмита операционный усилитель настроен на использование положительной обратной связи. Схема компаратора является примером схемы, в которой используется коэффициент усиления операционного усилителя без обратной связи.Его выход всегда будет при насыщении либо положительном, либо отрицательном насыщении. В схеме интегратора коэффициент усиления по постоянному току должен быть ограничен добавлением резистора обратной связи параллельно конденсатору, иначе выходной сигнал будет насыщен.
Даже в схемах усилителя амплитуда входного сигнала и усиление по напряжению схемы должны быть сбалансированы так, чтобы выходное напряжение не превышало напряжение источника питания. Например, для неинвертирующего усилителя с коэффициентом усиления по напряжению 100 максимально допустимое входное напряжение будет 150 мВ, если напряжение VCC равно 15 Вольт.Если вы подаете сигнал 200 мВ, выход операционного усилителя перейдет в состояние насыщения, так как требуемое выходное напряжение будет 20 вольт, что превышает VCC 15 вольт.
В-третьих, предположение о бесконечном усилении также означает, что входной сигнал должен быть равен нулю. Коэффициент усиления операционного усилителя будет управлять выходным напряжением до тех пор, пока напряжение (напряжение ошибки) между двумя входными клеммами не станет равным нулю. Напряжение между двумя входными клеммами равно нулю. Нулевое напряжение между двумя входными клеммами означает, что если одна входная клемма подключена к источнику жесткого напряжения, например к земле, другая входная клемма также будет иметь такой же потенциал.Кроме того, поскольку ток, протекающий через входную клемму, равен нулю, входное сопротивление операционного усилителя бесконечно.
В-четвертых, конечно же, выходное сопротивление идеального ОУ равно нулю. Идеальный операционный усилитель может управлять любой нагрузкой без падения напряжения благодаря своему выходному импедансу. При малых токах выходное сопротивление большинства операционных усилителей находится в диапазоне нескольких десятых долей Ома, поэтому в большинстве случаев это предположение верно.

3 Рабочие характеристики идеальных операционных усилителей

3.1 Работа в линейной области

Когда идеальный операционный усилитель работает в линейной области, выходное и входное напряжение демонстрируют линейную зависимость. Где u0 — выходное напряжение интегрального ОУ; u+ и u- — напряжения на неинвертирующем входе и на инвертирующем входе соответственно. Auo — увеличение дифференциального напряжения без обратной связи. Согласно характеристикам идеального операционного усилителя, две важные характеристики идеального операционного усилителя в линейной области.
1) Нулевое дифференциальное входное напряжение
Поскольку коэффициент увеличения дифференциального напряжения без обратной связи идеального операционного усилителя равен бесконечности, а выходное напряжение имеет определенное значение, значения напряжения на неинвертирующем входе и на инвертирующем входе примерно равны.Так же, как короткое замыкание между входом и выходом, но это фальшивка. Поскольку это эквивалентное короткое замыкание, а не настоящее короткое замыкание, это явление называется «виртуальное короткое замыкание».
2) Нулевой входной ток
Поскольку входное сопротивление без обратной связи идеального операционного усилителя бесконечно, ни на одном из входов операционного усилителя ток не течет. В это время ток на неинвертирующем входе и на инвертирующем входе равен нулю. Вроде разъединение, но равноценное разъединение, поэтому это явление называется «виртуальный разрыв».Виртуальное короткое замыкание и виртуальный разрыв — две важные концепции для анализа идеального операционного усилителя, работающего в линейной области.
На самом деле идеальный операционный усилитель имеет характеристики «виртуального короткого замыкания» и «виртуального разрыва». Эти две характеристики очень полезны для анализа схем линейных усилителей. Необходимым условием виртуального шорта является отрицательная обратная связь. Когда вводится отрицательная обратная связь, в это время, если напряжение на прямой клемме немного выше, чем напряжение на обратной клемме, выходная клемма будет выдавать высокое напряжение, эквивалентное напряжению источника питания после усиления операционного усилителя.Фактически время отклика операционного усилителя изменяется от исходного состояния выхода до состояния высокого уровня (золотое правило анализа аналоговых схем: изменение сигнала — это процесс непрерывного изменения). Из-за сопротивления обратной связи изменения обратного конца неизбежно повлияют на его напряжение, когда напряжение обратного конца бесконечно близко к напряжению переднего конца, схема достигает сбалансированного состояния. Выходное напряжение больше не меняется, то есть напряжение на переднем и заднем концах всегда близко.(Примечание: метод анализа остается тем же при снижении напряжения.)

3.2 Работа в нелинейной области

Когда операционный усилитель работает в нелинейной области, выходное напряжение больше не увеличивается линейно с входным напряжением, а достигает насыщения. Идеальный операционный усилитель также имеет две важные характеристики при работе в нелинейной области.
1) Когда u+ ≠ u-, выходное напряжение идеального операционного усилителя достигает значения насыщения.
Когда u+ > u-, операционный усилитель работает в области положительного насыщения с положительным выходным напряжением.
Когда u+ < u-, операционный усилитель работает в области отрицательного насыщения с отрицательным выходным напряжением.
Идеальный операционный усилитель работает в нелинейной области, u+ ≠ u-, «виртуального короткого замыкания» нет.
2) Входной ток равен нулю.
Хотя входное напряжение u+ ≠ u- указано выше, входной ток считается равным нулю.

4 Анализ характеристик идеального операционного усилителя

Что касается операционного усилителя, то описание, наверное, такое: трехвыводной элемент (структура схемы с двухтактным входом, однотактным выходом), идеальный транзистор, усилитель постоянного тока с высоким коэффициентом усиления.
(1) Высокое входное сопротивление
В этой ситуации ток, поступающий на входную клемму, близок к 0, ток источника сигнала почти не используется, что близко к характеристике управления напряжением. Отсюда и виртуальный перерыв.
(2) Более низкое выходное сопротивление
Обладает характеристиками адаптации к любой нагрузке. И импеданс последующей цепи нагрузки не повлияет на выходное напряжение.
(3) Бесконечное усиление напряжения
(4) При определенных условиях напряжения питания усилитель может работать только в режиме обратной связи (отрицательная обратная связь), а фактическое усиление ограничено.Поскольку сами операционные усилители не имеют соединения 0 В, но их конструкция предполагает, что типичные сигналы будут ближе к центру их положительных и отрицательных источников питания. Таким образом, если ваше входное напряжение находится в одном крайнем положении или направляет выходное напряжение к одному источнику питания, скорее всего, оно не будет работать должным образом. Работа в режиме без обратной связи похожа на работу компаратора, а выходной сигнал имеет высокий или низкий уровень.
В режиме обратной связи (ограниченное усиление) усилитель случайным образом сравнивает потенциалы двух входных клемм.Выходной каскад производит немедленную корректировку, когда они не равны. Таким образом, конечной целью усиления является уравнивание потенциалов двух входных клемм. И виртуальный шорт является производным от этого.

5 предустановок сбалансированного сопротивления

5.1 Роль сбалансированного сопротивления

1) Обычно требуется подходящее сопротивление, чтобы обеспечить согласование входного импеданса.
2) Чтобы уменьшить дисбаланс входного тока, сопротивление в фазе должно быть равно параллельному значению двух резисторов на обратном конце.На практике из-за замкнутого контура, особенно в условиях глубокой отрицательной обратной связи, рассогласование на выходе неочевидно. И нет необходимости в фазном заземляющем резисторе, когда несоосность не является основной проблемой. Потому что сбалансированный резистор является отправной точкой для идеального операционного усилителя. Сопротивление заземления в фазе полезно для биполярных операционных усилителей и не имеет значения для операционных усилителей МОП-типа.
3) Входное оконечное сопротивление заземления: необходимо для согласования импеданса и настройки высоких частот.
4) Ток смещения и ток смещения.
Для операционных усилителей с током смещения, превышающим ток смещения, согласование входного сопротивления может быть уменьшено, а прецизионные схемы могут компенсировать ток смещения до минимума. Если ток смещения и ток смещения одинаковы, согласующее сопротивление увеличит ошибку.
5) Набор для тока смещения на входе, целью которого является выравнивание импеданса инвертирующего и неинвертирующего входов, чтобы два входа с одинаковыми токами смещения считались имеющими одинаковые падения напряжения, тем самым можно противодействовать сделанный.

5.2 Входной балансировочный резистор Пояснение

Операционный усилитель подключен к инвертирующему усилителю:
Установите входное сопротивление для R1, сопротивление обратной связи для Rfi,
Предположим, что неинвертирующий конец не подключен к симметричному резистору, а заземлен напрямую.
Установите входной ток смещения для операционного усилителя IB (одинаковое напряжение на инвертирующем и неинвертирующем концах).
Ток, протекающий через R1 и Rf, представлен I1 и If.
Напряжение инвертирования V-, коэффициент усиления операционного усилителя A.
Используйте KCL на инвертирующем конце (установите входной сигнал на 0).
Где (0-V-)/R1- (A+1)V- /Rf=IB

Из приведенного выше уравнения следует, что V-=-(IB×R1×Rf/(Rf+(A+1)R1))

В это время выходное напряжение операционного усилителя составляет Vo=A×(IB×R1×Rf/(Rf+(A+1)R1))<

Приведенная выше формула может быть аппроксимирована как Vo=IB×((A×R1)/Rf)

Если синфазная клемма проходит через резистор R2 на землю и R2=R1/Rf, то напряжение на синфазной клемме составляет В+=-IB×R2

KCL применяется к перевернутой клемме, где (0-V-)/R1+(A×(V+-V-)-V-)/Rf=IB

>В это время выходное напряжение операционного усилителя Vo=0.

6 уравнений идеального операционного усилителя

Понимание основных условий идеального операционного усилителя и его сочетание с методом напряжения узла по закону тока Кирхгофа (KCL) и теоремой суперпозиции узла является эффективным методом анализа идеальной схемы операционного усилителя.
Как показано ниже, найдите выходное напряжение uo
1) Уравнение на основе KCL
Из концепции виртуального разрыва i+=i-=0, затем i1=i2, i3=i4, поэтому

(а)

На основе виртуального разрыва, u+=u-, затем

(б)

2) Метод узлового напряжения
Перечислите уравнения узлового напряжения для узла 1 и узла 2 и получите

(в)

Примечание. Поскольку выходной ток операционного усилителя неизвестен в 1) и 2), невозможно перечислить уравнение KCL или уравнение напряжения узла на выходе операционного усилителя.Кроме того, выход операционного усилителя uo in 2) следует рассматривать как независимый источник напряжения.
3) Теорема суперпозиции
При наличии нескольких входных сигналов выбор теоремы суперпозиции для решения может упростить процесс анализа и расчета. Размер выходного сигнала uo можно рассматривать как суперпозицию выходного сигнала, полученного при независимом действии u1 и u2. Когда u1 действует один, клемма u2 заземлена, а выход операционного усилителя равен:

.

(г)

Следовательно, конечный выход операционного усилителя:

(д)

7 Несколько общих схем операционных усилителей

Схема неинвертирующего усилителя
Неинвертирующий усилитель представляет собой схему схемы операционного усилителя, которая вырабатывает усиленный выходной сигнал.Он обеспечивает высокий входной импеданс наряду со всеми преимуществами, полученными от использования операционного усилителя.

Рис. 3. Схема неинвертирующего усилителя

Схема инвертирующего усилителя
Инвертирующий усилитель (также известный как инвертирующий операционный усилитель или инвертирующий операционный усилитель) представляет собой тип схемы операционного усилителя, который выдает выходной сигнал, сдвинутый по фазе по отношению к его входному сигналу на 180 градусов. относительно входного сигнала. На следующем рисунке показаны два внешних резистора для создания цепи обратной связи и замыкания цепи на усилителе.

Рис. 4. Цепь инвертирующего усилителя

Операционный усилитель в качестве сумматора
Сумматорную схему можно создать, подключив дополнительные входы к инвертирующему операционному усилителю. Принципиальная схема суммирующего усилителя показана на следующем рисунке.

Рис. 5. Операционный усилитель как сумматор

Дифференциальный усилитель
Дифференциальный усилитель представляет собой аналоговую схему с двумя входами и одним выходом, в которой выход идеально пропорционален разнице между двумя напряжениями.Это очень полезная схема на операционном усилителе, и при добавлении дополнительных резисторов параллельно входным резисторам, как показано ниже.

Рисунок 6. Дифференциальный усилитель

Композитный усилитель
Композитный усилитель называется комбинацией нескольких операционных усилителей, соединенных каскадом с контуром отрицательной обратной связи по всей сети.

Рисунок 7. Композитный усилитель

Сопротивление в цепи обычно выбирается на уровне кОм, соотношение сопротивления влияет на усиление и смещение, кроме того, ток питания, частотная характеристика и емкостная нагрузка операционного усилителя определяют их конкретные значения в цепях .Если он используется в высокочастотной цепи, сопротивление необходимо уменьшить, чтобы получить лучшую высокочастотную характеристику, но это увеличит входной ток смещения, тем самым увеличив ток источника питания.

8 Разница между идеальным операционным усилителем и практическим операционным усилителем

Идеальные операционные усилители не потребляют энергии, имеют бесконечный входной импеданс, неограниченную полосу усиления и скорость нарастания, не имеют входного тока смещения и входного смещения. Они имеют неограниченную совместимость по напряжению.
Практические операционные усилители потребляют некоторую мощность, имеют очень высокий входной импеданс, имеют ограниченную полосу усиления и ограниченную скорость нарастания, имеют некоторый входной ток смещения и входное напряжение смещения.Соответствие напряжения ограничивается шиной питания, а часто даже меньше.
Тем не менее практичные операционные усилители очень полезны, потому что большинство перечисленных выше ограничений намного лучше, чем то, что нужно вашей схеме.
Для идеального усилителя он вообще не потребляет ток со своего входа. Предполагая двухвходовой усилитель, ток сигнала в обоих входных пробниках равен нулю. Другими словами, входное сопротивление должно быть бесконечным. Выход должен работать как выход идеального источника напряжения.Это означает, что потенциал между выходом и землей должен быть A(v2−v1), независимо от того, какой ток будет потреблять нагрузка, подключенная к выходу. Другими словами, выходное сопротивление должно быть равно нулю.
Для реального усилителя входное сопротивление должно быть как можно больше, а выходное сопротивление должно быть как можно меньше.
На самом деле, в реальной жизни операционный усилитель не может работать при нулевом токе.

9 Артикул

Обзор основ электронных операционных усилителей
Обзор основ неинвертирующих и инвертирующих усилителей
Основные проблемы Анализ основ операционных усилителей

об.III — Полупроводники — Операционные усилители

Глава 8: ОПЕРАЦИОННЫЕ УСИЛИТЕЛИ

Задолго до появления цифровых электронных технологий компьютеры были создан для электронного выполнения вычислений с использованием напряжений и токи для представления числовых величин. Это было особенно полезно для моделирования физических процессов. Переменное напряжение, для Например, может представлять скорость или силу в физической системе. Благодаря использованию резистивных делителей напряжения и усилителей напряжения, математические операции деления и умножения могут быть легко выполняется на этих сигналах.

Реактивные свойства конденсаторов и катушек индуктивности хорошо поддаются к моделированию переменных, связанных функциями исчисления. Запомнить как ток через конденсатор зависит от напряжения скорость изменения, и как эта скорость изменения была обозначена в исчислении как производное ? Хорошо, если бы напряжение на конденсаторе было сделано для представления скорости объекта, тока через конденсатор будет представлять силу, необходимую для ускорения или замедления этот объект, емкость конденсатора, представляющая объект масса:

Это аналоговое электронное вычисление производной функции исчисления технически известно как дифференцирование , и это естественная функция тока конденсатора по отношению к приложенное к нему напряжение.Обратите внимание, что эта схема не требует «программирование» для выполнения этой относительно сложной математической функции как цифровой компьютер.

Электронные схемы очень просты и недороги в создании по сравнению с сложные физические системы, поэтому такое аналоговое электронное моделирование широко использовался в исследованиях и разработках механических систем. Однако для реалистичного моделирования схемы усилителя высокой точности Эти ранние компьютеры нуждались в легкой конфигурируемости.

В ходе проектирования аналоговых компьютеров было обнаружено, что дифференциальные усилители с чрезвычайно высоким коэффициентом усиления по напряжению удовлетворяли этим требованиям точность и конфигурируемость лучше, чем у несимметричных усилителей с специально разработанные выигрыши. Использование простых компонентов, подключенных к входам и выход дифференциального усилителя с высоким коэффициентом усиления, практически любой коэффициент усиления и любая функция может быть получена из схемы в целом без настройка или модификация внутренней схемы самого усилителя.Эти дифференциальные усилители с высоким коэффициентом усиления стали известны как операционные усилители или операционные усилители из-за их применения в математических операциях аналоговых компьютеров .

Современные операционные усилители, такие как популярная модель 741, обладают высокими характеристиками, недорогие интегральные схемы. Их входные сопротивления довольно высоки, входы потребляют токи в диапазоне полмикроампер (максимум) для 741 и гораздо меньше для операционных усилителей, использующих полевой вход транзисторы.Выходное сопротивление обычно довольно низкое, около 75 Ом для модель 741 и многие модели имеют встроенный выход короткого замыкания защита, что означает, что их выходы могут быть напрямую закорочены на землю не причиняя вреда внутренней схеме. С прямым соединением между внутренними транзисторными каскадами операционных усилителей они могут усиливать сигналы постоянного тока точно так же, как и переменный ток (до определенных пределов максимального времени нарастания напряжения). Это будет стоить гораздо больше денег и времени, чтобы разработать сопоставимый схема усилителя на дискретном транзисторе для соответствия таким характеристикам, если не требуется высокая мощность.По этим причинам операционные усилители имеют почти устаревшие усилители сигналов на дискретных транзисторах во многих Приложения.

На следующей диаграмме показаны выводы для одиночных операционных усилителей (включая 741), размещенных в 8-контактной DIP-схеме ( D ual I nline P ackage) интегральной схемы:

Некоторые модели операционных усилителей поставляются по две в упаковке, в том числе популярные модели TL082 и 1458. Они называются «двойными» блоками и обычно также размещен в 8-контактном DIP-корпусе со следующим контактом соединения:

Операционные усилители также доступны по четыре штуки в упаковке, обычно в 14-контактные DIP-устройства.К сожалению, назначение контактов не такое стандарт для этих «четверных» операционных усилителей, как и для «двойных» или одиночных. единицы. Подробную информацию см. в технических описаниях производителя.

Практические коэффициенты усиления по напряжению операционного усилителя находятся в диапазоне 200 000 и более, что делает их практически бесполезными в качестве аналога дифференциальный усилитель сами по себе. Для операционного усилителя с коэффициентом усиления по напряжению (A V ) 200 000 и максимальный размах выходного напряжения +15В/-15В, достаточно дифференциального входного напряжения 75 мкВ (микровольты), чтобы довести его до насыщения или отсечки! Прежде чем мы посмотрим как внешние компоненты используются для снижения усиления до разумный уровень, давайте исследовать приложения для «голого» ОУ сам по себе.

Одно приложение называется компаратором . Для всех практических целей, мы можем сказать, что выход операционного усилителя будет насыщен полностью положительный, если вход (+) более положителен, чем вход (-), и насыщенный полностью отрицательный, если (+) вход менее положительный, чем (-) Вход. Другими словами, чрезвычайно высокий коэффициент усиления по напряжению операционного усилителя делает полезно как устройство для сравнения двух напряжений и изменения выходного напряжения состояния, когда один вход превышает другой по величине.

В приведенной выше схеме у нас есть операционный усилитель, подключенный в качестве компаратора, сравнение входного напряжения с опорным напряжением, установленным потенциометр (R 1 ). Если V в падает ниже напряжения, установленного R 1 , выход операционного усилителя насыщается до +V, тем самым зажигая светодиод. В противном случае, если V в выше опорного напряжения, светодиод останется выключенным. Если V в представляет собой сигнал напряжения, создаваемый измерительным прибором, этот компаратор цепь может функционировать как аварийный сигнал «низкого уровня» с точкой срабатывания, установленной параметром R 1 .Вместо светодиода выход операционного усилителя может управлять реле. транзистор, тринистор или любое другое устройство, способное переключать питание на нагрузки, такой как электромагнитный клапан, для принятия мер в случае низкого тревога.

Еще одно применение для показанной схемы компаратора — прямоугольный импульс. преобразователь. Предположим, что входное напряжение, подаваемое на инвертирующий (-) вход был синусоидой переменного тока, а не стабильным напряжением постоянного тока. В этом случае выходное напряжение будет переходить между противоположными состояниями насыщение всякий раз, когда входное напряжение было равно опорному напряжению производится потенциометром.Результатом будет прямоугольная волна:

Регулировка настройки потенциометра изменит задание напряжение, подаваемое на неинвертирующий (+) вход, который изменил бы точки пересечения синусоиды, изменение времени включения/выключения или рабочий цикл прямоугольной волны:

Должно быть очевидно, что входное напряжение переменного тока не должно быть синусоидальная волна, в частности, для этой схемы, чтобы выполнять ту же функцию.Входное напряжение может быть треугольной, пилообразной или любой другой формой. своего рода волна, которая плавно нарастала от положительного к отрицательному, а затем к положительному опять таки. Такая схема компаратора очень полезна для создания прямоугольные волны различной скважности. Эта техника иногда называется широтно-импульсной модуляцией или ШИМ (изменение или модуляция формы сигнала в соответствии с управляющим сигналом, в данном случае сигналом, создаваемым потенциометром).

Другое применение компаратора — драйвер гистограммы.Если мы имел несколько операционных усилителей, подключенных в качестве компараторов, каждый со своим собственным опорное напряжение подключено к инвертирующему входу, но каждый отслеживая один и тот же сигнал напряжения на их неинвертирующих входах, мы можно построить измеритель в виде гистограммы, подобный тому, что обычно можно увидеть на лицо стерео тюнеров и графических эквалайзеров. По напряжению сигнала (представляющий силу радиосигнала или уровень звука) увеличился, каждый компаратор последовательно «включался» и посылал питание на свой соответствующий светодиод. Каждый компаратор включается в разное время. уровень звука, количество горящих светодиодов указывает, насколько сильный сигнал был.

В показанной выше схеме первым загорится светодиод 1 . вверх по мере увеличения входного напряжения в положительном направлении. В качестве ввода напряжение продолжало расти, другие светодиоды загорались в последовательность, пока все не были освещены.

Та же самая технология используется в некоторых аналого-цифровых преобразователях сигналов, а именно во флэш-преобразователе , для преобразования величины аналогового сигнала в последовательность включенных/выключенных напряжений, представляющих цифровое число.

  • ОБЗОР:
  • Треугольная форма является общим символом схемы усилителя, широкий конец обозначает вход, а узкий конец обозначает выход.
  • Если не указано иное, все напряжения в цепях усилителя относятся к общему заземлению точка, обычно подключаемая к одной клемме источника питания. Этот Таким образом, мы можем говорить об определенном напряжении, находящемся «на» одном провод, понимая, что напряжение всегда измеряется между двумя точками.
  • Дифференциальный усилитель — усилитель напряжения Разность между двумя сигнальными входами. В такой схеме один вход имеет тенденцию управлять выходное напряжение той же полярности входного сигнала, в то время как другой ввод делает прямо противоположное. Следовательно, первый вход называется неинвертирующим входом (+), а второй называется инвертирующим входом (-).
  • Операционный усилитель (или сокращенно операционный усилитель ) представляет собой дифференциальный усилитель с чрезвычайно высоким коэффициентом усиления по напряжению (А В = 200 000 или более).Его название происходит от его первоначального использования в аналоговых компьютерных схемах (выполнение математических операций ).
  • Операционные усилители
  • обычно имеют очень высокий входной импеданс и довольно низкий выходной импеданс.
  • Иногда в качестве компараторов сигналов используются операционные усилители , работающие в режиме полной отсечки или насыщения в зависимости от того, какой вход (инвертирующий или неинвертирующий) имеет наибольшее напряжение. Компараторы полезны в обнаружение условий сигнала «больше чем» (сравнение одного с другим).
  • Одно приложение компаратора называется широтно-импульсным модулятором , и производится путем сравнения синусоидального сигнала переменного тока с эталонным постоянным током. Напряжение. Когда опорное напряжение постоянного тока регулируется, прямоугольная выход компаратора изменяет свой рабочий цикл (положительный по сравнению с отрицательное время). Таким образом, опорное напряжение постоянного тока управляет или модулирует ширину импульса выходного напряжения.

Соберите самодельный операционный усилитель и узнайте, как он работает

Одна из наших любимых интегральных схем — невероятный операционный усилитель.Использование их в определенном смысле требует определенного уровня понимания. Но сколько людей понимают, как они работают внутренне? Мицуру Ямада делится своим проектом по электронике в надежде вдохновить других. Создав самодельный операционный усилитель OPM_01, Yamada помогает научить, как работают эти замечательные устройства.

Вы можете узнать имя Ямады. Ранее мы уже публиковали некоторые из его работ, вдохновленных ретро. Как скромно признает Ямада, конструкция схемы не уникальна.

«Я думал, что добился этой конфигурации схемы благодаря своей изобретательности, но когда я снова поискал в сети, я нашел несколько опубликованных похожих схем.Я предполагаю, что ограничение в пять транзисторов означает, что любой может найти одно и то же решение», — Мицуру Ямада

Однако учтите, что многие студенты начинают изучение операционных усилителей с ua741. Этот относительно простой операционный усилитель содержит почти 20 транзисторов. Напротив, в конструкции OPM-01 всего 5 транзисторов!Использования всего пяти транзисторов NPN и PNP общего назначения достаточно, чтобы составить дифференциальный вход, коэффициент усиления и выходные каскады функционального операционного усилителя.

alexxlab

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.