Переходы сети через ноль на операционных усилителях: Операционные усилители — принцип действия и параметры.

Операционные усилители. Виды и работа. Питание и особенности

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

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

Обозначение на схемах

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

Принцип действия
Существуют два правила, помогающие понять принцип действия операционного усилителя:
  1. Выход операционного усилителя стремится к нулевой разности напряжений на входах.
  2. Входы усилителя не расходуют ток.

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

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

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

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

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

Питание операционного усилителя

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

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

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

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

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

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

Разновидности

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

Инвертирующий усилитель

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

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

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

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

Неинвертирующие операционные усилители

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

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

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

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

Схема вычитания

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

Такую схему усилителя еще называют схемой вычитания.

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

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

Схема сложения

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

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

Схема интегратора

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

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

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

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

Схема дифференциатора

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

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

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

Аналоговый компаратор

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

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

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

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

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

Аналоговый компаратор с гистерезисом

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

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

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

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

Напряжения рассчитываются по следующим зависимостям:

Повторители напряжения

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

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

Похожие темы:

Диапазоны входных и выходных рабочих напряжений ОУ. Устраняем путаницу

1 июня 2018

Статья является частью руководства, посвященного практическим аспектам и особенностям проектирования электроники с использованием операционных усилителей (ОУ) – от выбора типа ОУ до тайных приемов опытного разработчика и хитростей отладки. Руководство написано Брюсом Трампом, инженером-разработчиком с почти тридцатилетним стажем, успевшим до Texas Instruments поработать в легендарной компании Burr-Brown. В настоящее время Трамп является ведущим блогером информационного ресурса Texas Instruments “E2E” по аналоговой тематике и готовит к печати книгу об операционных усилителях.

Мы будем публиковать перевод руководства Трампа на нашем сайте регулярно, дважды в месяц.

Подписаться на получение уведомлений о публикации новых глав

У разработчиков зачастую возникают вопросы по поводу допустимых значений питающих напряжений, диапазонов входных и выходных напряжений операционных усилителей (ОУ). Я попытаюсь прояснить ситуацию, чтобы устранить часто возникающую путаницу.

Во-первых, у обычного ОУ нет вывода земли. Стандартный операционный усилитель «не знает», какой потенциал считать нулевым. Таким образом, ОУ не различает, работает он с биполярным питанием (dual supply, ±) или с однополярным (single power supply). Схема будет прекрасно функционировать, пока значения питающих, а также входных и выходных напряжений будут находиться в рамках допустимых диапазонов.

Есть три наиболее важных диапазона рабочих напряжений:

  • Диапазон питающих напряжений (supply-voltage range) определяется как полное напряжение между выводами питания. Например, при заявленном диапазоне ±15 В полный размах напряжения составит 30 В. Диапазон рабочих напряжений питания для ОУ может быть обозначен как 6…36 В. Тогда минимальный размах напряжений составляет ±3 или +6 В. Максимальный размах будет ±18 или +36 В. Диапазон напряжений питания может составлять и вовсе 6/+30 В. И – да, несимметричное питание также может использоваться, если учесть замечания следующих пунктов.
  • Входное синфазное напряжение (common-mode voltage range, СМ) обычно указывается относительно значений рабочих напряжений питания, как показано на рисунке 1. В этом случае в документации используется формульная запись, например, для гипотетического ОУ с синфазным напряжением на 2 В больше отрицательного напряжения питания и на 2,5 В меньше положительного напряжения будет использована примерно такая запись: от (V-)+2 В до (V+)-2,5 В.
  • Диапазон выходного напряжения (output-voltage range) или размах выходного напряжения (output-swing capability) так же, как и в предыдущем случае, указывается относительно значений питающих напряжений. В приведенном примере – от (V-)+1 В до (V+)-1,5 В.

На рисунках 1, 2 ,3 представлена буферная схема повторителя напряжения с коэффициентом усиления G = 1. Ключевая особенность схемы заключается в том, что выходное напряжение усилителя на рисунке 1 будет на 2 В больше, чем значение отрицательного напряжения питания, и на 2,5 В меньше, чем значение положительного напряжения питания. Так получается из-за ограниченного значения входного синфазного напряжения CM. Вам потребуется изменить коэффициент усиления, чтобы расширить диапазон выходных напряжений до максимума.

Схема на рисунке 1 является типовой для ОУ с биполярным питанием. Однако использовать однополярное питание также возможно, если не выходить за границы разрешенных диапазонов напряжений.

Рис. 1. Диапазоны входных и выходных напряжений типового ОУ с биполярным питанием (dual supply)

На рисунке 2 представлен так называемый ОУ с однополярным питанием (single-supply op amp). Для него допустимое синфазное напряжение может быть равно размаху напряжения питания, а зачастую даже выходит за его границы. Это позволяет использовать такой ОУ в широком перечне схем, которые работают с близкими к нулю потенциалами. ОУ, который не заявлен как усилитель с однополярным питанием, на самом деле также способен работать в однополярной конфигурации в некоторых схемах, однако реальный однополярный усилитель оказывается более универсальным.

Рис. 2. Диапазоны входных и выходных напряжений типового ОУ с однополярным питанием (single-supply op amp)

В буферной схеме с коэффициентом усиления G = 1 такой ОУ обеспечивает потенциал выхода на 0,5 В выше уровня отрицательного напряжения питания за счет ограничения выходного диапазона и на 2,2 В ниже значения положительного напряжения питания за счет ограничения входного синфазного напряжения.

На рисунке 3 показан rail-to-rail ОУ. Вход rail-to-rail способен работать со входными напряжениями, равными или даже превосходящими уровни питающих напряжений. Выход типа rail-to-rail подразумевает, что выходные напряжения ОУ максимально близки к значениям напряжений питания, и обычно отличаются от них всего на 10…100 мВ. Некоторые ОУ обозначают только как усилители с выходом типа «rail-to-rail» и не упоминают о входных характеристиках, показанных на рисунке 3. Технологию «Rail-to-rail» чаще всего применяют для ОУ с однополярным питанием 5 В и ниже, чтобы максимально эффективно использовать ограниченный диапазон питающих напряжений.

Рис. 3. Диапазоны входных и выходных напряжений типового rail-to-rail ОУ

Усилители rail-to-rail весьма привлекательны благодаря менее жестким ограничениям диапазонов используемых напряжений, однако они не всегда являются оптимальным выбором. Как правило, приходится искать компромиссы с учетом значений других параметров. Именно для этого и нужны разработчики аналоговых схем.

Оригинал статьи

Список опубликованных глав

    1. Диапазоны входных и выходных рабочих напряжений ОУ. Устраняем путаницу
    2. Что нужно знать о входах rail-to-rail
    3. Работа с напряжениями близкими к земле: случай однополярного питания
    4. Напряжение смещения и коэффициент усиления с разомкнутым контуром обратной связи — двоюродные братья
    5. SPICE-моделирование напряжения смещения: как определить чувствительность схемы к напряжению смещения
    6. Где выводы подстройки? Некоторые особенности выводов коррекции напряжения смещения
    7. Входной импеданс против входного тока смещения
    8. Входной ток смещения КМОП- и JFET-усилителей
    9. Температурная зависимость входного тока смещения и случайный вопрос на засыпку
    10. Использование входных резисторов для устранения входного тока смещения. Действительно ли они нужны?
    11. Использование входных резисторов для устранения входного тока смещения. Действительно ли они нужны?
    12. Почему в схемах с ОУ возникают колебания: интуитивный взгляд на две наиболее частые причины
    13. Приручаем нестабильный ОУ
    14. Приручаем колебания: проблемы с емкостной нагрузкой
    15. SPICE-моделирование устойчивости ОУ
    16. Входная емкость: синфазная? дифференциальная? или…?
    17. Операционные усилители: с внутренней компенсацией и декомпенсированные
    18. Инвертирующий усилитель с G = -0,1: является ли он неустойчивым?
    19. Моделирование полосы усиления: базовая модель ОУ
    20. Ограничение скорости нарастания выходного сигнала ОУ
    21. Время установления: взгляд на форму сигнала
    22. Шум резисторов: обзор основных понятий
    23. Шумы операционного усилителя: неинвертирующая схема
    24. Шумы ОУ: как насчет резисторов обратной связи?
    25. 1/f-шум: фликкер-шум
    26. ОУ, стабилизированные прерыванием: действительно ли они шумные?
    27. Развязывающие конденсаторы: они нужны, но зачем?
    28. Неиспользуемые операционные усилители: что с ними делать?
    29. Защита входов от перенапряжений
    30. Могут ли дифференциальные ограничительные диоды на входе ОУ влиять на его работу?
    31. ОУ в режиме компаратора: допустимо ли это?

Перевел Вячеслав Гавриков по заказу АО КОМПЭЛ

•••

Наши информационные каналы

Цифровое моделирование аналоговых гитарных эффектов дисторшн / Хабр

Введение

Звучание рок музыки, в частности направлений hard rock и heavy metal, во многом базируются на специально искаженном гитарном звуке, для получения которого используются электронные устройства «дисторшн», ламповые усилители в «перегруженном» режиме, компьютеры с соответствующим программным обеспечением обеспечением и цифровые процессоры, все чаще использующие алгоритмы нейронных сетей.

Набирать популярность искаженный звук электрогитар начал примерно с 1960-х годов. С тех времен считается, что звук перегруженных ламповых усилителей с выходом на мощные специальные гитарные колонки с большими специальными динамиками является эталоном в рок музыке. Но ламповые усилители были относительно дорогие и неудобные в эксплуатации. Поэтому разрабатывались полупроводниковые устройства дисторшн. В то время электрические принципиальные схемы устройств дисторшн были относительно простые и звучание сигнала с их выхода лишь отдаленно напоминало звучание перегруженного лампового усилителя. Тем не менее оно все же несколько походило на «звук лампы» и это давало мощный стимул разработчикам аналоговых полупроводниковых схем дисторшн продолжать свои исследования, усложнять схемы и предлагать новые схемные решения. Расцвет аналоговых полупроводниковых дисторшн пришёлся примерно на 1995-2010 года. Наиболее популярны были электрические принципиальные схемы наподобие приведенных на рисунке ниже.

Примерные прототипы схем дисторшн на диодах

В дальнейшем схемы дисторшн несколько усложнились. Для смягчения ограничения сигнала и большей похожести на плавное ограничение в усилительных лампах увеличилось количество диодов и их число часто было разным для положительной и отрицательной полуволн сигнала.

Примерные прототипы дисторшн с несимметричным ограничением сигнала

Производились не совсем успешные (но и не провальные) попытки эмуляции лампового дисторшн на полевых транзисторах как на схеме ниже.

Примерная электрическая принципиальная схема (прототип) дсторшн на полевых транзисторах

На вышеописанном этапе прогресс в электрических принципиальных схемах дисторшн для электрогитар значительно замедлился. К сожалению, инженерам по электронике не удалось разработать высокоточных симуляторов ламп и ламповых усилителей на транзисторах, диодах и операционных усилителях. Вероятно, наиболее заметной вершиной в этом направлении является прибор SansAmp GT2 Tech 21 NYC. Схема этого устройства содержит входной ФВЧ, несколько ОУ, фильтр типа эквалайзера и выходные каскады. Основная идея SansAmp это перегруз без диодов в ООС ОУ и без шунтирующих диодов, но прямо внутри операционных усилителей, возможно, на полевых транзисторах внутри ОУ. 100% достоверную схему этого устройства в интернет найти затруднительно. И главное, для данной схемы перегруз ОУ и выходной сигнал критически сильно зависят от типа применяемых ОУ. Фактически радиолюбителям не удалось полностью достичь качества звука оригинального SansAmp и спаять полный аналог по звуку. Вероятно это произошло из-за отсутствия в свободной продаже именно тех самых старинных ОУ на полевых транзисторах, примененных в оригинальном SansAmp.

Примерная схема (прототип) по мотивам дисторшн SansAmp GT2
Незавершенность аналоговой эпохи и перспективные идеи для цифрового моделирования схем дисторшн

Цифровое программное моделирование существующих гитарных усилителей и эффектов получило весьма совершенное решение в виде процессоров на нейронных сетях (DSP). Все значимые и легендарные гитарные усилители, а также гитарные колонки и микрофоны получили хорошие адекватные модели, достойно противостоящие оригиналам при слепом тестовом прослушивании. Генерируемый DSP звук искаженных электрогитар сейчас трудно отличить от звука реальных ламповых усилителей. Однако, вероятно, цифровые процессоры с программной обработкой сигналов рановато отправили на «пенсию» много разработчиков полупроводниковых дисторшн-устройств и множество интересных со схемотехнической точки зрения проектов остались незавершенными.

Но творческая инженерная мысль желает двигается дальше. Дело в том, что разработать что-то принципиально новое по звучанию или значительно улучшить звук существующих гитарных усилителей с помощью нейронных сетей представляется проблематичным, так как нейронная сеть нуждается в обучающей последовательности сигналов, а значит необходимо эти сигналы создать каким-то прототипом из сигнала неискаженного звука электрогитары.

Радиолюбители пытаются изобрести подобные прототипы дисторшн со звуком интереснее, чем у стандартных брендовых ламповых гитарных усилителей. Спрос есть, ведь, как правило, гитаристы рок групп хотят оригинального мощного звука. Для новых разработок в области обработки сигналов электрогитар в настоящее время имеются хорошие условия. Многие значимые мощные системы цифрового моделирования аналоговых полупроводниковых устройств бесплатны. Имеются большие архивы со схемами дисторшн, ламповых гитарных усилителей, отзывы радиолюбителей, спаявших эти схемы, образцы звучания различных схем. Все это, вероятно, позволяет проанализировать и переосмыслить опыт аналоговой эпохи и на этой основе придумать, быстро смоделировать в цифре и услышать как будет звучать новый гитарный эффект.

Интересное, но малоизвестное, не до конца исследованное направление это многополосный и многокаскадный дисторш. Аналоговых реализаций очень мало ввиду сложности изготовления и настройки. Есть «софтовые» (т.е. программные) реализации. Они, как правило, не являются моделями аналоговых прототипов, а представляют собой упрощенные программные реализации алгоритмов цифровой обработки сигналов (ЦОС или DSP). Звучание таких реализаций не очень убедительно. Они производят недостаточно «жирные» искажения сигнала электрогитары и это больше похоже на мягкий «овердрайв». Но сама по себе идея красивая.

Активно изучается схема дисторшн на диодах с плавающим смещением, имитирующим сеточный ток перегруженных ламп выходного каскада гитарного усилителя. Его выходной звук напоминает перегруз ламп, а в некоторых аспектах даже может конкурировать с перегруженными ламповыми выходными каскадами гитарных усилителей. Достойная идея.

Оригинальные идеи принципов функционирования дисторшн возможно находятся на форумах радиолюбителей и «самодельщиков» электронных устройств. За 2020..2021 года удалось найти более 700 постов. Часто обсуждение велось на высоком профессиональном уровне с сэмплами, моделями схем на LTSpice, Microcap, Native Instrumets, TINA TI, VST и реальными осциллограммами с реальных перегруженных каскадов ламповых гитарных усилителей.

Цифровое моделирование схем дисторшн как творческий процесс

Неплохой системой моделирования считается бесплатная TINA TI (Texas Instrumets). Главное окно этой программы представляет собой виртуальное монтажное поле. Разработчик собирает схему из виртуальных резисторов (сопротивлений), конденсаторов, трансформаторов, дросселей, диодов, транзисторов, ламп, операционных усилителей, источников питания, генераторов сигналов и других элементов. На вход виртуальной схемы возможно подавать сигнал, записанный в обычный wav файл, например, сигнал электрогитары, записанный через звуковую карту компьютера. С выхода виртуальной схемы обработанный сигнал выводится в wav файл, на виртуальный осциллограф или сразу на звуковую карту и может быть прослушан через наушники или колонки. Несколько виртуальных осциллографов и вольтметров могут быть подключены во все узлы схемы и разработчик имеет возможность легко настроить схему по своим представлениям, выставляя требуемые напряжения путем изменения номиналов виртуальных резисторов (сопротивлений) и других элементов схемы.

Цифровая модель простейшего гитарного дисторшн в TINA TI

От разработчика требуется сама новая идея обработки сигнала, т.е. творческая идея. Реализация этой идеи в виде виртуальной схемы и ее испытания на реальных гитарных сигналах осуществляется через сборку схемы в TINA TI из готовых виртуальных элементов без низкоуровневого программирования алгоритмов цифровой обработки сигналов. Удачная виртуальная схема, вероятно, будет представлять коммерческую ценность при трансформации ее в загружаемую в аппаратный цифровой гитарный процессор программу DSP, VST модуль или при изготовлении ее в виде реального аналогового прибора для продвижения по обычным каналам продажи электромузыкального оборудования.

ТЕМА 2.2 ОПЕРАЦИОННЫЕ УСИЛИТЕЛИ

ТЕМА 2.2 ОПЕРАЦИОННЫЕ УСИЛИТЕЛИ

Лекция 31 Основные схемы на операционных усилителях

(Занятие 2.2.1).

Вопросы:

1.Общие сведения об операционных усилителях.

2. Инвертирующий усилитель.

3. Неинвертирующий усилитель.

4. Усилитель переменного тока.

5. Повторитель.

Вопрос 2. Инвертирующий усилитель

Рассмотрим схему на рис. 2.1.


Рисунок 2.1 — Инвертирующий усилитель.

 

Проанализировать ее будет нетрудно, если вспомнить сформулированные выше правила:

1. Потенциал точки В равен потенциалу земли, следовательно, согласно правилу I, потенциал точки А также равен потенциалу земли.

2. Это означает, что: а) падение напряжения на резисторе R2 равно Uвых, б) падение напряжения не резисторе R1 равно Uвх.

3. Воспользовавшись теперь правилом II, получим Uвых/R2 = — Uвх/R1 или коэффициент усиления по напряжению = Uвых/Uвх = — R2/R1. Позже вы узнаете, что чаще всего точку В лучше заземлять не непосредственно, а через резистор. Однако сейчас это не имеет для вас значения.

Итак, анализ схемы на ОУ оказался даже чересчур простым. Он, правда, не позволяет судить о том, что на самом деле происходит в схеме. Для того чтобы понять, как работает обратная связь, представим себе, что на вход подан некоторый уровень напряжения, скажем 1 В.

Для конкретизации допустим, что резистор R1 имеет сопротивление 10 кОм, а резистор R2 — 100 кОм. Теперь представим себе, что напряжение на выходе решило выйти из повиновения и стало равно 0 В.

Что произойдет? Резисторы R1 и R2 образуют делитель напряжения, с помощью которого потенциал инвертирующего входа поддерживается равным 0,91 В. Операционный усилитель фиксирует рассогласование по входам, и напряжение на его выходе начинает уменьшаться. Изменение продолжается до тех пор, пока выходное напряжение не достигнет значения —10 В, в этот момент потенциалы входов ОУ станут одинаковыми и равными потенциалу земли. Аналогично, если напряжение на выходе начнет уменьшаться и дальше и станет более отрицательным, чем —10 В, то потенциал на инвертирующем входе станет ниже потенциала земли, в результате выходное напряжение начнет расти.

Как определить входной импеданс рассматриваемой схемы? Оказывается, просто. Потенциал точки А всегда равен 0 В (так называемое мнимое заземление, или квази нуль сигнала). Следовательно, Zвх = R1. Пока вы еще не знаете, как подсчитать выходной импеданс; для этой схемы он равен нескольким долям ома.

Следует отметить, что полученные результаты справедливы и для сигналов постоянного тока — схема представляет собой усилитель постоянного тока. Поэтому, если источник сигнала смещен относительно земли (источником является, например, коллектор предыдущего каскада), у вас может возникнуть желание использовать для связи каскадов конденсатор (иногда такой конденсатор называют блокирующим, так как он блокирует сигнал постоянного тока, а передает сигнал переменного тока). Немного позже (когда речь пойдет об отклонениях характеристик ОУ от идеальных), вы узнаете, что в тех случаях, когда интерес представляют только сигналы переменного тока, вполне допустимо использовать блокирующие конденсаторы.

Схема, которую мы рассматриваем, называется инвертирующим усилителем. Недостаток этой схемы состоит в том, что она обладает малым входным импедансом, особенно для усилителей с большим коэффициентом усиления по напряжению (при замкнутой цепи ОС), в которых резистор R1, как правило, бывает небольшим. Этот недостаток устраняет схема, представленная на рис. 3.1.

 

Вопрос 5. Повторитель

На рис. 5.1 представлен повторитель, подобный эмиттерному, на основе операционного усилителя. Он представляет собой не что иное, как неинвертирующий усилитель, в котором сопротивление резистора R1 равно бесконечности, а сопротивление резистора R2 — нулю (коэффициент усиления = 1).


 

Рисунок 5.1 — Повторитель

 

Существуют специальные операционные усилители, предназначенные для использования только в качестве повторителей, они обладают улучшенными характеристиками (в основном более высоким быстродействием), примером такого операционного усилителя является схема типа LM310 или ОРАб33, а также схемы упрощенного типа, например схема типа TL068 (она выпускается в транзисторном корпусе с тремя выводами).

Усилитель с единичным коэффициентом усиления называют иногда буфером, так как он обладает изолирующими свойствами (большим входным импедансом и малым выходным).

 

 

Вопрос 1. Интеграторы.

На основе операционных усилителей можно строить почти идеальные интеграторы, на которые не распространяется ограничение Uвых << Uвх. На рис. 1.1 показана такая схема.


 

Рисунок. 1.1 — Интегратор.

Входной ток Uвх/R протекает через конденсатор С. В связи с тем, что инвертирующий вход имеет потенциальное заземление, выходное напряжение определяется следующим образом:

 или

Безусловно, входным сигналом может быть и ток, в этом случае резистор R не нужен. Представленной здесь схеме присущ один недостаток, связанный с тем, что выходное напряжение имеет тенденцию к дрейфу, обусловленному сдвигами ОУ и током смещения (обратной связи по постоянному току, которая нарушает правило 3, здесь нет). Это нежелательное явление можно ослабить, если использовать ОУ на полевых транзисторах, отрегулировать входное напряжение сдвига ОУ и выбрать большие величины для R и С. Кроме того, на практике часто прибегают к периодическому сбросу в нуль интегратора с помощью подключенного к конденсатору переключателя (обычно на полевом транзисторе), поэтому играет роль только кратковременный дрейф. В качестве примера рассмотрим интегратор, в котором использован ОУ на полевых транзисторах типа LF411 (ток смещения составляет 25 пА), настроенный на нуль (напряжение сдвига составляет не более 0,2 мВ).

Резистор и конденсатор выбраны так: R = 10 МОм и С = 10 мкФ; для такой схемы дрейф не превышает 0,005 В за 1000 с. Если остаточный дрейф по-прежнему слишком велик для конкретного случая использования интегратора, то к конденсатору С следует подключить большой резистор R2, который обеспечит стабильное смещение за счет обратной связи по постоянному току. Такое подключение приведет к ослаблению интегрирующих свойств на очень низкой частоте: f < 1/R2С.

На рис.1.2 показаны интеграторы, в которых использованы переключатели для сброса на полевых транзисторах и резистор стабилизации смещения.


 

Рисунок 1.2. — Интеграторы на основе ОУ с переключателями для сброса.

 

В схемах такого типа может потребоваться резистор обратной связи с очень большим сопротивлением. На рис. 1.3 показан прием, с помощью которого большое эффективное значение сопротивления обратной связи создается за счет резисторов с относительно небольшими сопротивлениями.


Рисунок 1.3 —  Интеграторы на основе ОУ, у  которого большое эффективное значение сопротивления обратной связи создается за счет резисторов с относительно небольшими сопротивлениями.

Представленная цепь обратной связи работает как один резистор с сопротивлением 10 МОм в стандартной схеме инвертирующего усилителя с коэффициентом усиления по напряжению, равным — 100. Достоинство этой схемы состоит в том, что она позволяет использовать удобные сопротивления резисторов и не создает опасности из-за влияния паразитной емкости, которую всегда нужно учитывать при работе с большими резисторами.

Например, если схема, показанная на рис. 1.3, подключена к источнику с большим импедансом (скажем, на вход поступает ток от фотодиода и входной резистор опущен), то выходной сдвиг будет в 100 раз превышать Uсдв. Если в той же схеме есть резистор обратной связи величиной 10 МОм, то выходное напряжение равно Uсдв (сдвигом, обусловленным входным током, можно пренебречь).

 

Вопрос 2. Дифференциаторы.

 

Дифференциаторы подобны интеграторам, в них только меняются местами резистор R и конденсатор С (рис. 2.1).


Рисунок 2.1 —  Дифференциатор

 

Инвертирующий вход ОУ заземлен, поэтому изменение входного напряжения с некоторой скоростью вызывает появление тока

I = C(dUвх/dt),

тогда  выходного напряжения Uвх = — RC(dUвх/dt).

Дифференциаторы имеют стабилизированное смещение, неприятности создают обычно шумы и нестабильность работы на высоких частотах, что связано с большим усилением ОУ и внутренними фазовыми сдвигами. В связи с этим следует ослаблять дифференцирующие свойства схемы на некоторой максимальной частоте. Обычно для этого используют метод, который показан на рис. 2.2.


Рисунок 2.2 —  Дифференциатор с ослаблением дифференцирующих свойств схемы на некоторой максимальной частоте.

Компоненты R1 и С2, с помощью которых создается спад, выбирают с учетом уровня шума и ширины полосы пропускания ОУ. На высоких частотах благодаря резистору R1 и конденсатору С2 схема начинает работать как интегратор.

 

Вопрос 3. Типы фильтров.

 

Предположим, что требуется фильтр нижних частот с плоской характеристикой в полосе пропускания и резким переходом к полосе подавления. Окончательный же наклон характеристики в полосе задерживания всегда будет 6n дБ/октава, где n — число «полюсов». На каждый полюс необходим один конденсатор (или катушка индуктивности), поэтому требования к окончательной скорости спада частотной характеристики фильтра, грубо говоря, определяют его сложность.

Теперь предположим, что вы решили использовать 6-полюсный фильтр нижних частот. Вам гарантирован окончательный спад характеристики на высоких частотах 36 дБ/октава. В свою очередь теперь можно оптимизировать схему фильтра в смысле обеспечения максимально плоской характеристики в полосе пропускания за счет уменьшения крутизны перехода от полосы пропускания к полосе задерживания. С другой стороны, допуская некоторую неравномерность характеристики в полосе пропускания, можно добиться более крутого перехода от полосы пропускания к полосе задерживания. Третий критерий, который может оказаться важным, описывает способность фильтра пропускать сигналы со спектром, лежащим в полосе пропускания, без искажений их формы, вызываемых фазовыми сдвигами. Можно также интересоваться временем нарастания, выбросом и временем установления.

Известны методы проектирования фильтров, пригодные для оптимизации любой из этих характеристик или их комбинаций. Действительно разумный выбор фильтра происходит не так, как описано выше; как правило, сначала задаются требуемая равномерность характеристики в полосе пропускания и необходимое затухание на некоторой частоте вне полосы пропускания и другие параметры. После этого выбирается наиболее подходящая схема с количеством полюсов, достаточным для того, чтобы удовлетворялись все эти требования. Будут рассмотрены три наиболее популярных типа фильтров, а именно фильтр Баттерворта (максимально плоская характеристика в полосе пропускания), фильтр Чебышева (наиболее крутой переход от полосы пропускания к полосе подавления) и фильтр Бесселя (максимально плоская характеристика времени запаздывания). Любой из этих типов фильтров можно реализовать с помощью различных схем фильтров; некоторые из них мы обсудим позже. Все они равным образом годятся для построения фильтров нижних и верхних частот и полосовых фильтров.

3.1 Фильтры Баттерворта и Чебышева.

Фильтр Баттерворта обеспечивает наиболее плоскую характеристику в полосе пропускания, что достигается ценой плавности характеристики в переходной области, т. е. между полосами пропускания и задерживания. Как будет показано дальше, у него также плохая фазочастотная характеристика. Его амплитудно-частотная характеристика задается следующей формулой:

,

где n определяет порядок фильтра (число полюсов). Увеличение числа полюсов дает возможность сделать более плоским участок характеристики в полосе пропускания и увеличить крутизну спада от полосы пропускания к полосе подавления, как это показано на рис. 3.1.


 

Рисунок 3.1 — Нормированные характеристики фильтров нижних частот Баттерворта. Обратите внимание на увеличение крутизны спада характеристики с увеличением порядка фильтра.

 

Выбирая фильтр Баттерворта, мы ради максимально плоской характеристики поступаемся всем остальным. Его характеристика идет горизонтально, начиная от нулевой частоты, перегиб ее начинается на частоте среза fc— эта частота обычно соответствует точке —3 дБ.

В большинстве применений самым существенным обстоятельством является то, что неравномерность характеристики в полосе пропускания не должна превышать некоторой определенной величины, скажем 1 дБ. Фильтр Чебышева отвечает этому требованию, при этом допускается некоторая неравномерность характеристики во всей полосе пропускания, но при этом сильно увеличивается острота ее излома. Для фильтра Чебышева задают число полюсов и неравномерность в полосе пропускания. Допуская увеличение неравномерности в полосе пропускания, получаем более острый излом.

Амплитудно-частотная характеристика этого фильтра задается следующим соотношением:


,

 

где Cn — полином Чебышева первого рода степени n, а ε — константа, определяющая неравномерность характеристики в полосе пропускания. Фильтр Чебышева, как и фильтр Баттерворта имеет фазочастотные характеристики, далекие от идеальных. На рис. 5.11 представлены для сравнения характеристики 6-полюсных фильтров нижних частот Чебышева и Баттерворта.

Как легко заметить, и тот, и другой намного лучше 6-полюсного RC-фильтра. На самом деле фильтр Баттерворта с максимально плоской характеристикой в полосе пропускания не столь привлекателен, как это может показаться, поскольку в любом случае приходится мириться с некоторой неравномерностью в полосе пропускания (для фильтра Баттерворта это будет постепенное понижение характеристики при приближении к частоте fс, а для фильтра Чебышева — пульсации, распределенные по всей полосе пропускания).

Кроме того, активные фильтры, построенные из элементов, номиналы которых имеют некоторый допуск, будут обладать характеристикой, отличающейся от расчетной, а это значит, что в действительности на характеристике фильтра Баттерворта всегда будет иметь место некоторая неравномерность в полосе пропускания. На рис. 3.2 проиллюстрировано влияние наиболее нежелательных отклонений значений емкости конденсатора и сопротивления, резистора на характеристику фильтра.

 


 

Рисунок 3.2Сравнение характеристик некоторых обычно применяемых 6-полюсных фильтров нижних частот. Характеристики одних и тех же фильтров изображены и в логарифмическом (вверху), и в линейном (внизу) масштабе. 1 — фильтр Бесселя; 2 — фильтр Баттерворта; 3 — фильтр Чебышева (пульсации 0,5 дБ).

 

В свете вышеизложенного весьма рациональной структурой является фильтр Чебышева. Иногда его называют равноволновым фильтром, так как его характеристика в области перехода имеет большую крутизну за счет того, что по полосе пропускания распределено несколько равновеликих пульсаций, число которых возрастает вместе с порядком фильтра. Даже при сравнительно малых пульсациях (порядка 0,1 дБ) фильтр Чебышева обеспечивает намного большую крутизну характеристики в переходной области, чем фильтр Баттерворта. Чтобы выразить эту разницу количественно, предположим, что требуется фильтр с неравномерностью характеристики в полосе пропускания не более 0,1 дБ и затуханием 20 дБ на частоте, отличающейся на 25 % от граничной частоты полосы пропускания. Расчет показывает, что в этом случае требуется 19-полюсный фильтр Баттерворта или всего лишь 8-полюсный фильтр Чебышева.

Мысль о том, что можно мириться с пульсациями характеристики в полосе пропускания ради увеличения крутизны переходного участка, доводится до своего логического завершения в идее так называемого эллиптического фильтра (или фильтра Кауэра), в котором допускаются пульсации характеристики как в полосе пропускания, так и в полосе задерживания ради обеспечения крутизны переходного участка даже большей, чем у характеристики фильтра Чебышева. С помощью ЭВМ можно сконструировать эллиптические фильтры так же просто, как и классические фильтры Чебышева и Баттерворта.

На рис. 3.3 представлено графическое задание амплитудно-частотной характеристики фильтра. В этом случае (фильтр нижних частот) определяются допустимый диапазон коэффициента передачи фильтра (т. е. неравномерность) в полосе пропускания, минимальная частота, на которой характеристика покидает полосу пропускания, максимальная частота, где характеристика переходит в полосу задерживания, и минимальное затухание в полосе задерживания.


 

Рисунок 3.3 — Задание параметров частотной характеристики фильтра.

 

Фильтры Бесселя. Как было установлено ранее, амплитудно-частотная характеристика фильтра не дает о нем полной информации. Фильтр с плоской амплитудно-частотной характеристикой может иметь большие сдвиги фаз. В результате этого форма сигнала, спектр которого лежит в полосе пропускания, будет искажена при прохождении через фильтр. В ситуации, при которой форма сигнала имеет первостепенное значение, желательно иметь в распоряжении линейно-фазовый фильтр (фильтр с постоянным временем запаздывания). Предъявление к фильтру требования обеспечения линейного изменения сдвига фазы в зависимости от частоты эквивалентно требованию постоянства времени запаздывания для сигнала, спектр которого расположен в полосе пропускания, т. е. отсутствия искажений формы сигнала. Фильтр Бесселя (также называемый фильтром Томсона) имеет наиболее плоский участок кривой времени запаздывания в полосе пропускания, подобно тому как фильтр Баттерворта имеет наиболее плоскую амплитудно-частотную характеристику. Чтобы понять, какое улучшение во временной области дает фильтр Бесселя, посмотрите на рис. 3.4, где изображены нормированные по частоте графики времени запаздывания для 6-полюсных фильтров нижних частот Бесселя и Баттерворта.


 

Рисунок 3.4 — Сравнение временных запаздываний для 6-полюсных фильтров нижних частот Бесселя (1) и Баттерворта (2). Фильтр Бесселя благодаря своим превосходным свойствам во временной области дает наименьшее искажение формы сигнала.

 

Плохая характеристика времени запаздывания фильтра Баттерворта обуславливает появление эффектов типа выброса при прохождении через фильтр импульсных сигналов. С другой же стороны, за постоянство времен запаздывания у фильтра Бесселя приходится расплачиваться тем, что его амплитудно-частотная характеристика имеет еще более пологий переходной участок между полосами пропускания и задерживания, чем даже у характеристики фильтра Баттерворта.

Существует много различных способов проектирования фильтров, в которых делаются попытки улучшить рабочие параметры фильтра Бесселя во временной области, частично жертвуя постоянством времени запаздывания ради уменьшения времени нарастания и улучшения амплитудно-частотной характеристики. Фильтр Гаусса имеет почти столь же хорошие фазочастотные характеристики, как и фильтр Бесселя, но при улучшенной переходной характеристике. Другой интересный класс представляют собой фильтры, позволяющие добиться одинаковых по величине пульсаций кривой времени запаздывания в полосе пропускания (аналогично пульсациям амплитудно-частотной характеристики фильтра Чебышева) и обеспечивающие примерно одинаковое запаздывание для сигналов со спектром вплоть до полосы задерживания. Еще один подход к созданию фильтров с постоянным временем запаздывания — это применение всепропускающих фильтров, называемых иначе корректорами во временной области. Эти фильтры обладают постоянной амплитудно-частотной характеристикой, а сдвиг фазы может меняться согласно конкретным требованиям. Таким образом, их можно применять для выравнивания времени запаздывания любых фильтров, в частности фильтров Баттерворта и Чебышева.

Сравнение фильтров. Несмотря на ранее высказанные замечания о переходной характеристике фильтров Бесселя, он все же обладает очень хорошими свойствами во временной области по сравнению с фильтрами Баттерворта и Чебышева (рис. 3.5).

 

 

Рисунок 3.5 — Сравнение переходных процессов 6-полюсных фильтров нижних частот. Кривые нормированы приведением значения ослабления 3 дБ к частоте 1 Гц. 1 — фильтр Бесселя; 2 — фильтр Баттерворта; 3 — фильтр Чебышева (пульсации 0,5 дБ).

 

Сам фильтр Чебышева при его весьма подходящей амплитудно-частотной характеристике имеет наихудшие параметры во временной области из всех этих трех типов фильтров. Фильтр Баттерворта дает компромисс между частотами и временными характеристиками. По этим данным можно сделать вывод, что в тех случаях, когда важны параметры фильтра во временной области, желательно применять фильтр Бесселя.

 

Вопрос 2. Трансформаторы.

Никогда не стройте прибора, работающего от сети переменного тока без трансформатора. Так поступать — это играть с огнем. Бестрансформаторные источники питания, предпочитаемые некоторыми потребителями электронной аппаратуры (радиоприемники, телевизоры и т. д.) за их дешевизну, ставят схему под высокое напряжение по отношению к внешнему заземлению (водопроводные трубы и т. п.). Этого не должно быть в приборах, предназначенных для связи с каким-либо другим оборудованием, и вообще этого следует избегать. Будьте крайне осторожны, работая с подобным оборудованием: даже простое подключение щупа осциллографа к шасси может дать очень неприятный эффект.

Выбор трансформатора — более сложное дело, чем можно было бы ожидать. Одна из причин заключается в том, что изготовители долго раскачивались с выпуском трансформаторов на те значения напряжения и тока, которые подходят для транзисторных схем (каталоги забиты трансформаторами, разработанными еще для электронных ламп), и нужный вам трансформатор часто приходится мотать самому, чего вам совсем не хочется. Отличается от прочих фирма Signal Transformer Company, предлагающая большой выбор трансформаторов и быстро их поставляющая. Не проглядите возможность получить трансформаторы, сделанные на заказ, если вам их требуется больше нескольких штук.

Даже если считать, что у вас есть такой трансформатор, какой вы хотите, все равно еще надо решить, какие величины напряжения и тока будут для вас наилучшими. Чем меньше входное напряжение стабилизатора, тем меньше рассеяние мощности на проходном транзисторе. Но надо быть абсолютно уверенным в том, что входное напряжение стабилизатора не упадет ниже необходимого минимума — обычно от 2 до 3 В над уровнем стабилизированного напряжения, — иначе можно получить провалы стабилизированного уровня с пульсациями на удвоенной частоте сети. Здесь сказываются пульсации нестабилизированного напряжения, поскольку существует минимум входного напряжения для стабилизатора, превышающий некоторое критическое напряжение.

Рассеяние мощности на транзисторе определяется средним значением входного напряжения стабилизатора. Для примера: в стабилизаторе на +5 В можно иметь входное напряжение +10 В при минимуме пульсации, которая сама по себе может легко достигать 1–2 В. Зная напряжение во вторичной обмотке, можно получить довольно точную оценку напряжения постоянного тока, снимаемого с выпрямительного моста: на вершине пульсации это пик выпрямленного напряжения, приблизительно в 1,4 раза больший среднеквадратичного значения напряжения вторичной обмотки, за вычетом падения напряжения на двух диодах. Однако нужно провести и практические измерения, если вы стараетесь построить стабилизатор с минимальным падением напряжения на нем, так как истинное значение выходного напряжения нестабилизированного источника питания зависит также от параметров трансформатора, которые трудно учесть заранее: сопротивление обмотки и магнитная проницаемость сердечника, которые влияют на напряжение под нагрузкой. Удостоверьтесь, что измерения производятся в наихудших условиях: полная нагрузка и минимальное напряжение питающей сети. Помните, что большие конденсаторы фильтра имеют очень большой разброс: от —30 до +100 %. Есть смысл применять трансформаторы с набором входных клемм на первичной обмотке, если они доступны, для окончательной регулировки выходного напряжения. Трансформаторы серий Triad F-90X и Stancor ТР обладают в этом смысле большой гибкостью.

Еще одно замечание о трансформаторах: иногда расчет тока делается для эффективного тока вторичной обмотки, в частности для трансформаторов для работы с омической нагрузкой (например, для трансформаторов накала). Так как схема выпрямителя проводит ток в течение только малой части цикла (в то время, когда конденсатор действительно заряжается), эффективное значение тока и рассеиваемая мощность (I2R) могут превзойти допустимое значение тока нагрузки, соответствующее расчетному среднеэффективному значению. Ситуация усугубится, если увеличить емкость конденсатора для сглаживания пульсаций до стабилизатора, — это просто потребует большей мощности трансформатора. В этом отношении лучше двухполупериодный выпрямитель, поскольку он использует большую часть периода напряжения переменного тока.

 

ТЕМА 2.2 ОПЕРАЦИОННЫЕ УСИЛИТЕЛИ

Скорость нарастания

Наряду со снижением полосы пропускания усилителя частотная коррекция дает еще один нежелательный эффект: скорость нарастания выходного напряжения ограничивается при этом довольно малой величиной. Максимальное значение скорости нарастания r определяется в основном скоростью заряда корректирующего конденсатора:

Максимальный выходной ток дифференциального каскада (см. рис. 10) равен току источника в цепи эмиттеров транзисторов Т1 и Т2. Принимая его равным 20 мкА, найдем для емкости корректирующего конденсатора Ск=30 пФ:

макс = 0,67 В/мкс.

Вследствие ограниченного значения этой величины, при быстрых изменениях выходного напряжения возникают характерные искажения сигнала, которые не могут быть устранены путем введения отрицательной обратной связи. Их называют динамическими искажениями. Если входной сигнал усилителя — синусоида, то, чем больше ее амплитуда, тем при меньшей частоте появляются динамические искажения.

Компенсация емкостной нагрузки

Если операционный усилитель имеет емкостную нагрузку, то последняя вместе с выходным сопротивлением усилителя образует инерционное звено, которое дает дополнительный фазовый сдвиг выходного напряжения. Все это уменьшает запас по фазе, и схема усилителя может самовозбудиться уже при незначительной величине нагрузочной емкости. Порой достаточно коснуться выхода усилителя щупом осциллографа, чтобы усилитель начал самовозбуждаться. Для устранения этого явления в цепь обратной связи включается дополнительный конденсатор Сф (рис. 17). В этом случае обратная связь представляет собой интегродифференцирующее фазо-опережающее звено, создающее в окрестности частоты среза положительный фазовый сдвиг, компенсирующий запаздывание, вносимое емкостью нагрузки.

Рис. 17. Компенсация емкостной нагрузки

Параметры операционных усилителей

Параметры, описывающие качество ОУ, можно разделить на три группы: точностные, динамические и эксплуатационные.

К точностным параметрам относятся: дифференциальный коэффициент усиления по напряжению KU, коэффициент ослабления синфазного сигнала КОСС, напряжение смещения нуля Uсм, входной ток Iвх, разность входных токов по инвертирующему и неинвертирующему входам Iр, коэффициент влияния источников питания Kв.ип и коэффициенты температурных дрейфов перечисленных параметров. Действие точностных параметров проявляется в том, что при постоянных напряжениях на входах выходное напряжение ОУ отличается от расчетного, определяемого выражением (4). Для сопоставления погрешности приводят ко входу ОУ.

Определим погрешность ОУ, вносимую конечным значением дифференциального коэффициента усиления. Пусть на вход неинвертирующего усилителя с коэффициентом передачи звена обратной связи  подано постоянное напряжение Uвх. Выходное напряжение схемы при бесконечно большом KU определится соотношением:

Uвых = Uвх/         (16)

При конечном KU выходное напряжение будет отличаться на величину Uвых:

Uвых+Uвых = UвхKU/(1+KU)         (17)

Вычтя из (17) (16), получим:

Uвых = -Uвх /(1+KU)         (18)

Как следует из (16), соответствующее отклонение, приведенное ко входу, с точностью до величин второго порядка малости:

Uвх=Uвых,

откуда находим окончательно относительную погрешность, приведенную ко входу:

(19)

Из последнего выражения следует, что погрешность преобразования входного сигнала схемой на ОУ обратно пропорциональна коэффициенту петлевого усиления. Для гармонических сигналов можно получить аналогичное соотношение:

.

(20)

Погрешность, обусловленная синфазным входным напряжением ОУ, может быть определена следующим образом. Выходное напряжение усилителя является функцией как дифференциального Uд=Up-Un, так и синфазного Uc=(Up+Un)/2 входных напряжений:

Uвых=Uвых(Uд,Uс).

Приращение этого напряжение определяется соотношением:

, или

Uвых =KUUд +KсUс ,         (21)

где Kс — коэффициент усиления синфазного сигнала. При Uвых = 0 из (21) следует:

Коэффициент ослабления синфазного сигнала показывает, какое значение дифференциального входного напряжения Uд следует приложить ко входу усилителя, чтобы скомпенсировать усиление входного синфазного сигнала.

Найдем погрешность, обусловленную смещением нуля усилителя. Смещение нуля ОУ проявляется в наличии постоянного напряжения на выходе усилителя при отсутствии входного напряжения. Обычно определяют смещение нуля, приведенное ко входу, т.е. смещение выходного напряжения, умноженное на коэффициент передачи цепи обратной связи . Смещение нуля является результатом действия двух факторов: собственно напряжением смещения Uсм, и постоянными входными токами усилителя I +вх и Iвх (см. рис. 11). Величина Uсм определяется в основном разбросом напряжений эмиттерно-базовых переходов входных транзисторов дифференциального каскада в усилителях на биполярных транзисторах или напряжений затвор-исток в ОУ с полевыми транзисторами на входах. Эта величина составляет 0,1 — 5 мВ для усилителей общего назначения с биполярными и 0,5 — 20 мВ с полевыми транзисторами на входе. Путем лазерной подгонки удается уменьшить смещение нуля до 10 мкВ (МАХ400М) у первого типа усилителей и до 100 мкВ (ОРА627В) у второго. Дальнейшее снижение смещения нуля достигается применением схем автоматической компенсации смещения нуля. Например, ОУ с прерыванием имеют типичное напряжение смещения нуля менее 1 мкВ (ICL7650S, MAX430). Снизить Uсм можно подстройкой внешним резистором, для подключения которого некоторые операционные усилители (например, 140УД7, 140УД8) имеют специальные выводы.

Постоянные входные токи, протекая по резисторам цепей обратной связи и источников сигналов создают разность падений напряжения U. Например, в дифференциальной схеме включения ОУ (рис. 4) эта разность определяется выражением:

U = I +вх(R3||R4) — I вх(R1||R2).

Обозначим I +вх =Iвх + Iр /2; I вх =Iвх — Iр /2. Тогда

U = Iвх [(R3||R4)-(R1||R2)] + Iр[(R3||R4)+(R1||R2)]/2.         (22)

Величину Iвх называют в технических характеристиках ОУ входным током, а Iр — разностью входных токов. Анализ выражения (22) показывает, что составляющая U, вызванная входным током, может быть устранена правильным выбором соотношения резисторов, другую же составляющую U, обусловленную разностью входных токов, можно только уменьшить, выбирая номиналы резисторов по возможности минимальными.

Пример 2. Для снижения смещения нуля инвертирующего усилителя, имеющего существенные входные токи, следует между неинвертирующим входом и общей точкой схемы включить компенсирующий резистор Rк (рис. 18). Сопротивление этого резистора определяется соотношением: Rк = R1R2 /(R1 + R2).

Рис. 18. Включение компенсирующего резистора

На точность преобразования постоянного входного сигнала существенное влияние оказывают температурные дрейфы напряжения смещения Uсм/T и входного тока Iвх/Т. Особенно существенное влияние может оказать дрейф прогрева, который проявляется при быстром изменении температуры в первое время после включения питания. При этом приращение Uсм может быть существенно больше значения, получаемого при медленном изменении температуры. Это явление связано с возникновением термического градиента внутри подложки микросхемы. Наибольшее влияние разницы температур проявляется в парных транзисторах дифференциального усилительного каскада, где она нарушает баланс дрейфов их эмиттерно-базовых напряжений. Длительность процесса установления температуры может достигать несколько десятков секунд.

Коэффициент влияния источников питания обычно определяют как приведенное ко входу ОУ статическое (т.е. очень медленное) изменение выходного напряжения Uвых, обусловленное изменением одного из источников питания на 1 вольт. Обычно имеет размерность децибел или мкВ/В. С ростом частоты пульсаций напряжения питания коэффициент влияния источников питания увеличивается, поэтому для ослабления паразитных каналов прохождения сигналов по цепям питания между выводами питания ОУ и общей точкой включают конденсаторы.

Аналоговый ввод/вывод ПЛК — Control Engineering Russia

Обычно понятие «программируемый логический контроллер» (ПЛК, Programmable logic controllers, PLC) подразумевает блочно-модульную систему универсального назначения, построенную на основе микропроцессора. Как правило, ПЛК содержит центральный процессор, преобразователь напряжения, различную периферию для работы с коммуникационными и беспроводными интерфейсами, а также входы и выходы для взаимодействия с внешними устройствами. Обобщенная структурная схема ПЛК показана на рис. 1.

Рис. 1. Обобщенная структурная схема ПЛК (PLC)

Все имеющиеся на борту контроллера входы и выходы можно разделить на три класса: аналоговые, дискретные и специальные. Аналоговые входы ПЛК служат для ввода непрерывного сигнала с датчиков и других внешних устройств. Аналоговые сигналы делятся на два типа: сигналы по току (4–20 мА) и сигналы по напряжению (от 0–10 В). Аналоговые выходы ПЛК, в свою очередь, служат для плавного управления устройствами. Разделение у аналоговых выходов такое же, как и у входов (по току и по напряжению). Примеры использования аналоговых входов/выходов приведены на рис. 2.

Рис. 2. Применение аналоговых входов и выходов ПЛК

 

Аналоговые входы

Согласно ГОСТ IEC 61131-2-2012, аналоговый вход (analogue input) — это устройство, преобразующее непрерывный сигнал в дискретное мультибитовое двоичное число для работы в системе программируемых контроллеров.

Для аналоговых входов самыми распространенными являются стандартные диапазоны постоянного напряжения: –10…+10 и 0…+10 В. Для токовых входов диапазоны составляют 0–20 и 4–20 мА (табл. 1).

Таблица 1. Номинальные значения и пределы импеданса для аналоговых входов

Диапазон сигнала

Пределы для импеданса входов

±10 В

 10 кОм

0–10 В

 10 кОм

1–5 В

 5 кОм

4–20 мА

 300 Ом

0–20 мА

 300 Ом

В общем случае измерительный тракт системы обработки аналоговых сигналов состоит из нескольких звеньев (рис. 3): входной сигнал, получаемый с датчика (или датчиков), поступает на усилитель через мультиплексор или напрямую. Главная задача усилителя в данной схеме — нормирование/усиление сигнала до оптимального для АЦП уровня. В свою очередь, АЦП производит оцифровку сигнала в соответствии с уровнем напряжения источника опорного напряжения (ИОН), затем сигнал поступает на центральный процессор, где проходит цифровую обработку.

Рис. 3. Обобщенная структурная схема аналогового входа ПЛК

Однако в зависимости от конкретных задач возможны различные варианты реализации измерительного тракта:

  • с независимыми предварительными усилителями и АЦП, одновременно конвертирующими входные сигналы в цифровое представление;
  • с мультиплексором в качестве первой ступени, за которым в тракте перед АЦП стоит общий усилитель;
  • с отдельными каналами, в каждом из которых стоит усилитель, а перед АЦП включен мультиплексор.

Мультиплексоры в тракте служат для выборки одного из нескольких входных каналов. Мультиплексор, соответствующий требованиям по защите от высоковольтных электростатических разрядов (вплоть до ±35 кВ) или защищенный от скачков напряжения на входах, способен устранить необходимость использования внешних схем, таких как делители напряжения и оптоэлектронные реле. При этом важно иметь низкие согласованные сопротивления открытого канала (RON), поскольку они позволяют обеспечить малые искажения сигналов, улучшив тем самым надежность системы, а также низкие токи утечки, критичные для минимизации ошибок измерения напряжений. К мультиплексорам, применимым в подобных трактах, можно отнести MUX508, MUX36D04, MUX36D08 и MUX36S08 производства Texas Instruments. Данные устройства способны работать с напряжениями 10–36 В (рис. 4).

Рис. 4. Пример подключения мультиплексора к АЦП

Уровень выходного сигнала с датчика может быть очень низким или очень высоким, что для максимизации динамического входного диапазона АЦП требует добавления усилителей или аттенюаторов соответственно. Эти предварительные каскады обычно реализуют на усилителях с программируемым коэффициентом усиления или на дискретных операционных усилителях и прецизионных резистивных делителях. АЦП и усилитель работают в тандеме, чтобы обеспечить наилучшее отношение сигнал/шум (SNR) при заданных ограничениях по стоимости, размерам и потребляемой мощности. Компания Texas Instruments предлагает широкий спектр усилителей с программируемым коэффициентом усиления (PGA281, PGA112), инструментальных усилителей (INA188, INA826), а также операционных усилителей семейства OPA (OPA320, OPA2196, OPA2320, OPA196, OPA191). Пример подключения PGA281 приведен на рис. 5.

Рис. 5. Пример подключения усилителя PGA281 к АЦП

Реализация аналоговых входов по описанным выше схемам достаточно сложна с практической точки зрения, а необходимость использования множества компонентов увеличивает габариты конечного решения. Альтернативой в этом случае может послужить АЦП с интегрированными каскадами предварительной обработки.

Ведущие производители АЦП выпускают специализированные преобразователи для применения в аналоговых модулях ПЛК. Такие преобразователи, как правило, представляют собой многоканальные системы сбора данных на кристалле и содержат множество функциональных модулей: источники тока, программируемые усилители, входы/выходы общего назначения, источники опорного напряжения, блоки достоверности данных и т. д. Примером таких преобразователей являются ADS124S06 и ADS124S08, не так давно выпущенные компанией Texas instruments.

ADS124S06 и ADS124S08 — это высокоточные сигма-дельта АЦП с разрядностью 24 бит и низким энергопотреблением (рис. 6).

Рис. 6. Структурная схема ADS124S08

Данные АЦП имеют в своем составе шесть (ADS124S06) и двенадцать (ADS124S08) мультиплексированных каналов, устройства выборки и хранения, программируемые усилители, цифровые фильтры, а также устройства мониторинга различных системных параметров, в том числе и температурный датчик.

Благодаря встроенным усилителям PGA, ADS124S06 и ADS124S08 не нуждаются во внешних схемах усиления. Усилитель PGA позволяет выбирать усиление в пределах 1–128.

На кристалле данных АЦП расположен ИОН — прецизионный блок с низким дрейфом, откалиброванный производителем до 2,5 В. На соответствующем контакте Vref внутренний ИОН может быть подавлен внешним (внешний ИОН может быть в диапазоне 2,3 В — Vref). Кроме того, ADS124S06 и ADS124S08 оснащены настраиваемыми цифровыми фильтрами с низкой задержкой преобразования и частотой 50 или 60 Гц для работы в промышленных средах с высоким уровнем шума, что в совокупности с ранее описанными особенностями делает их прекрасным решением для применения в ПЛК. Обобщенные характеристики этих АЦП приведены в таблице 2.

Таблица 2. Характеристики ADS124S06 и ADS124S08

Характеристика

ADS124S06

ADS124S08

Разрядность АЦП

24 бит

24 бит

Количество измерительных каналов

6

12

Частота захвата сигнала

4 кГц

4 кГц

Тип аналого-цифрового преобразователя

сигма-дельта

сигма-дельта

Цифровой интерфейс

SPI

SPI

Потребляемая мощность

1,75 мВт

1,75 мВт

Конфигурация источника опорного напряжения

внешний, встроенный

внешний, встроенный

Диапазон питающих напряжений цифровой части

2,7–3,6 В

2,7–3,6 В

Диапазон рабочих температур

–50…+125 °C

–50…+125 °C

Для примера реализации аналоговых входов на базе ADS124S08 компания Texas Instruments выпустила опорный дизайн TIDA-01434.

 

TIDA-01434

TIDA-01434 — это полнофункциональный законченный модуль аналоговых входов ПЛК (рис. 7), который удовлетворяет современным требованиям эффективности и плотности каналов при небольших габаритах печатной платы, а также обладает низким энергопотреблением и широким диапазоном рабочих температур. Конструкция данного модуля использует конвертер DC/DC в режиме Charge Pump, а переход из одноканального режима в многоканальный легко осуществляется без изменения параметров питания.

Рис. 7. Внешний вид модуля TIDA-01434

Особенности модуля:

  • Наличие изолированного источника питания и высокоточного сигма-дельта аналого-цифрового преобразователя;
  • наличие биполярного аналогового источника питания с Inverting Charge Pump;
  • отсутствие необходимости подключения дополнительных цепей обвязки;
  • отсутствие катушек индуктивности на борту, благодаря чему высота модуля составляет всего 3,5 мм;
  • возможность внешнего подключения.

Обобщенные характеристики модуля отображены в таблице 3.

Таблица 3. Характеристики модуля TIDA-01434

Параметр

Величина

Источник питания входного сигнала

Общая шина питания

Напряжение питания

3–5,5 В

Ток потребления

17 мА

Выходное напряжение

3,3 В; –2,5 В; 2,5 В

КПД

≈ 12%

Рабочая температура

–40…+124 °C

Размеры

35×35×3,65 мм

В конструкции современных модулей управления аналоговыми сигналами к АЦП, как правило, для повышения производительности добавляется LDO-регулятор. На модуле TIDA-01434 для этих целей предусмотрен специально выделенный LDO-регулятор LM27762 с высоким коэффициентом подавления нестабильности питания (PSRR). Также LM27762 осуществляет функцию формирования биполярного сигнала на АЦП.

При работе с модулем TIDA-01434 нет необходимости включения в цепь дополнительных компонентов, в частности не нужно добавлять фильтры типа RC или LC для фильтрации импульсов с источника питания; это стало возможным благодаря применению в схеме цифрового изолятора ISOW7841.

TIDA-01434 предназначен для работы в качестве одно- или много­канального аналогового входа с биполярными входными сигналами и применяется в большинстве случаев для построения решений на базе ПЛК, но не ограничивается только этим. Модуль подходит как для систем типа «канал-канал» (channel-to-channel), так и для входов с групповой изоляцией. В системе channel-to-channel каждый канал входного сигнала имеет собственную «землю» — такая топология позволяет работать с входными сигналами с большей разницей потенциалов. При использовании топологии групповой изоляции величины допустимых напряжений ограничены. В данном случае предпочтительно использовать топологию типа channel-to-channel.

Модуль TIDA-01434, помимо упомянутых ранее АЦП ADS124S08 и преобразователя LM27762 типа Charge Pump, имеет на борту линейный регулятор TPS7A87, источник опорного напряжения и тока REF6225, цифровой изолятор ISOW7841 и ISO7741, а также неинвертирующие буферы SN74AHC1G04 и SN74AHC1G125 (рис. 8).

Рис. 8. Блок-схема TIDA-01434

Для удобства отладки и оценки возможностей модуля можно использовать отладочную плату на базе контроллера MSP430FR5969 (рис. 9).

Рис. 9. Внешний вид отладочной платы MSPEXP430FR5969

 

Аналоговые выходы

В соответствии с ГОСТ IEC 61131–2-2012 аналоговый выход (analogue output) — это устройство, которое преобразовывает мультибитовое двоичное число из системы программируемых контроллеров в непрерывный сигнал. Номинальные значения и пределы импеданса для аналоговых выходов отображены в таблице 4.

Таблица 4. Номинальные значения и пределы импеданса для аналоговых выходов

Диапазон сигнала

Пределы для импеданса вводов

±10 В

1000 Ом

0–10 В

1000 Ом

1–5 В

500 Ом

4–20 мА

600 Ом

0–20 мА

600 Ом

В общем случае тракт генерации выходных аналоговых сигналов включает ряд звеньев (рис. 10): цифровые данные, поступающие от центрального процессора, могут быть преобразованы в аналоговое напряжение или ток, например, с помощью ЦАП и схем последующей обработки выходного сигнала. Дальнейшая обработка обеспечивает необходимую подстройку выходного сигнала, в том числе калибровку смещения, опорного напряжения и усиления.

Рис. 10. Обобщенная структурная схема аналогового выхода ПЛК

ЦАП, применяемые в программируемых логических контроллерах, должны соответствовать строгим электротехническим требованиям как по точности (погрешность на выходе не более 0,1%), так и по защитным характеристикам (4-й уровень защиты согласно ГОСТ 30804.4.2-2013), а также удовлетворять параметрам подачи аналоговых сигналов (коммутировать 4–20 мА и 0–10 В), работать со стандартным в этой сфере диапазоном напряжений (12–32 В) и иметь рассеиваемую мощность не более 1 Вт.

Одним из таких ЦАПов является DAC8775 от компании Texas Instruments (рис. 11).

Рис. 11. Структурная схема DAC8775

DAC8775 — это первый в отрасли ЦАП с выходом 4–20 мА и интегрированным преобразователем напряжения, имеет полную нескорректированную ошибку в 0,1% и способен работать в расширенном промышленном диапазоне температур –40…+125 °C. При работе с напряжением 12 В DAC8775 имеет потребляемую мощность всего 780 мВт. Кроме того, данный ЦАП динамически регулирует величину напряжения питания в соответствии с током нагрузки, подключенной к выходу 4–20 мА. В результате система имеет хорошо управляемые тепловые характеристики, позволяющие разместить большее количество каналов в меньшем форм-факторе. Более подробные характеристики DAC8775 приведены в таблице 5.

Таблица 5. Характеристики DAC8775

Параметр

Величина

Разрешение преобразователя

16

Количество каналов

4

Время стабилизации

10 мкс

Скорость преобразования

33 кГц

Интерфейс обмена данными

SPI

Тип выхода

Выходной усилитель тока, выходной усилитель напряжения

Отклонение коэффициента усиления от идеального значения

±0,1%

Опорное напряжение

5 В

Конфигурация источника опорного напряжения

Внешний, встроенный

Напряжение питания

12–36 В

Потребляемая мощность

780 мВт

Рабочая температура

–40…+125 °C

Корпус

QFN-72, VQFN-72

На базе данного цифро-аналогового преобразователя компанией Texas Instruments был выпущен модуль TIPD215.

 

TIPD215

TIPD215 представляет собой аналоговый 4-канальный модуль (рис. 12) на базе DAC8775 с интегрированным преобразователем LM5166, благодаря которому общая рассеиваемая мощность (при задействовании всех четырех каналов, по 20мА на канал) составляет менее 1 Вт.

Рис. 12. Внешний вид модуля TIPD215

Модуль TIPD215 работает с входным напряжением в диапазоне 12,5–40 В и генерирует на выходе четыре независимых источника, которые можно использовать для контроля за подключенной периферией (рис. 13).

Рис. 13. Схема включения модуля TIPD215

К особенностям модуля TIPD215 стоит отнести:

  • четыре канала для управления аналоговыми выходами;
  • коммутируемый ток: 4–20 мА на канал;
  • выходное напряжение: ±10 В;
  • диапазон входных напряжений: 12,5–40 В;
  • менее 1 Вт рассеиваемой мощности;
  • адаптивное управление питанием токовых выходов.

Построенный на базе DAC8775 модуль обладает высокими параметрами надежности: встроенные в DAC8775 средства диагностики способны находить обрывы и короткие замыкания нагрузки, вести мониторинг температуры кристалла, вычислять циклические суммы, с помощью сторожевого таймера контролировать зависание шины SPI и проверять соответствие границ напряжения питания заданным значениям. Кроме того, разработчикам предоставляется возможность программировать способы реакции устройства на аварийные ситуации, что, в свою очередь, значительно упрощает процесс выявления неполадок системы на ранних стадиях и помогает обеспечить высокую надежность ее функционирования.

Также модуль TIPD215 обладает высоким КПД и малым временем отклика. В устройство заложены инновационные возможности самообучения, позволяющие вычислять импеданс нагрузки токовой петли 4–20 мА и динамически снижать напряжение источника питания, благодаря чему уменьшается время установления и достигается эффективный баланс между КПД и скоростью отклика.

Для обеспечения генерации биполярного напряжения в цепь DAC8775 включена индуктивность величиной 100 мкГн. Данная индуктивность рассчитана на коммутацию максимально возможного значения тока 500 мA и может быть уменьшена до 80 мкГн, однако в таком случае это снизит эффективность конвертера и увеличит пульсации на выходе.

 

Другие решения Texas Instruments, используемые для реализации аналоговых входов и выходов

Компания Texas Instruments предоставляет разработчикам широкий перечень всевозможных решений для упрощения процесса реализации аналоговых входов и выходов (табл. 6).

Таблица 6. Решения от Texas Instruments для реализации аналоговых входов и выходов

Наименование

Описание

TIPD216

4-канальный драйвер выхода на базе цифро-аналогового преобразователя DAC8775

TIDA-03031

Оценочная плата на базе электронного предохранителя TPS2660 и 25-Вт резервного источника питания

TIDA-00233

Решение для защиты входов ПЛК (10 А, 24 В)

TIDA-00401

10-Вт изолированный источник питания с широким диапазоном входных напряжений (15–36 В)

TIDA-00118

Тестовая плата для 16-разрядного модуля аналогового выхода ПЛК

PMP10189

Преобразователь напряжения на базе микросхем LM5017, TPS62160, TLV62080 и TPS62160

TIDA-01438

Модуль защиты от электростатических импульсов, построенный на базе TVS-диодов

TIDA-00689

Низкопрофильный и малогабаритный изолированный источник питания

TIDA-00688

Изолированный источник питания. Имеет изолированные выходы ±15 В и 5 В в форм-факторе с высотой 2,2 мм

TIDA-00237

Изолированный источник питания мощностью 1 Вт с диапазоном входного напряжения 12–36 В

TIDA-00400

Изолированный источник питания с 3 выходами: ±15 В/30 мА и +5 В/40 мА

PMP8871

Обратноходовой преобразователь с выходным напряжением 5 В, 1 А

TIDEP-0086

Оценочный модуль для работы с Ethernet-интерфейсом

TIDEP0033

Оценочный модуль для работы с SPI-интерфейсом

TIDA-00204

Оценочный модуль для работы с гигабитным Ethernet

TIDA-00230

Модуль для настройки и логирования NFC (два порта FRAM: NFC<->FRAM<->Serial)

TIDA-00560

Проект 16-канального статусного LED-драйвера, предназначенный для индикации статуса нескольких аналоговых и цифровых входных и выходных каналов

TIDA-01333

8-канальный модуль аналогового ввода на базе АЦП ADS8681

TIDA-00550

Проект модуля с двумя изолированными универсальными аналоговыми входными каналами на базе АЦП ADS1262

TIDA-00164

8-канальный модуль аналогового ввода на базе 16-битного АЦП ADS8688

TIDA-00764

8-канальный модуль аналогового ввода на базе 16-битного АЦП ADS8681

TIPD195

Референс-дизайн 3-контактного ПЛК

TIPD169

16-битная система сбора данных (DAQ) с частотой выборки 1 MSPS и несбалансированным мультиплексированным входом

TIPD166

8-канальный модуль аналогового ввода на базе 16-битного АЦП ADS8688

TIPD164

Модуль аналогового ввода для промышленного оборудования и температурных датчиков

TIPD151

Базовый проект 16-битной 4-канальной мультиплексированной системы сбора данных с частотой выборок 400 KSPS, высоковольтными входами и низким уровнем искажений

TIDEP0032

Мулитипротокольный промышленный Ethernet-детектор W/PRU-ICSS

TIDEP0028

Платформа разработчика Ethernet PowerLink

TMDSICE3359

Отладочная платформа для индустриальных систем на базе процессора Sitara AM335x и с возможностью работы с PROFIBUS

TIDEP0029

Сертифицированное устройство для работы с Profinet IRT V2.3 с 1-ГГц процессором

TIDEP0010

Платформа разработки связи по Sercos III на базе AM335x

TIDEP0003

Решение является платформой для создания и разработки ETHERNET/IP-коммуникаций

TIDEP0079

Проект EtherCAT на базе Sitara AM57x и PRU-ICSS с передачей в определенных временных интервалах

TIDA-00231

Адаптивный источник питания для ПЛК с аналоговым защищенным выходом на базе DAC8760 и LM5017

TIPD155

2-канальный модуль с аналоговыми выходами по напряжению и току на базе АЦП DAC8563 и драйвера XTR300

 

Заключение

В создании автоматизированных систем на базе ПЛК правильное построение аналоговых входов и выходов является одной из главных задач: от разработчика требуется следование ГОСТ IEC 61131-2-2012, точное выполнение приведенных спецификаций токов и напряжений, а также обеспечение необходимого уровня защиты с соблюдением стоимостных и габаритных характеристик конечного продукта. Компания Texas Instruments предоставляет специалистам весь необходимый перечень компонентов и модулей для простого и быстрого выполнения данной задачи.

Facebook

Twitter

Вконтакте

Google+

Литература
  1. ГОСТ IEC 61131-2-2012 «Контроллеры программируемые. Часть 2. Требования к оборудованию и испытания».
  2. Isolated, Transformerless, Bipolar Supply for 24-Bit ADCs Reference Design. www.ti.com/tool/TIDA-01434
  3. Less Than 1-W, Quad-Channel, Analog Output Module With Adaptive Power Management Reference Design. www.ti.com/tool/TIPD215
  4. Лившиц Ю. Е., Лакин В. И., Монич Ю. И. Программируемые логические контроллеры для управления технологическими процессами. Минск, БНТУ, 2014.

Операционный усилитель. Руководство по применению. Глава 21-31 Deneb-80

Приветствую!

Продолжаем знакомиться ближе с операционным усилителем.

Оригинал на английском языке в формате pdf

  A compendium of blog posts on op amp design topics by Bruce Trump (17,1 MiB, 647 hits)

<< Предыдущие главы 1-10 | 11-20

  • ГЛАВА 21 – Время установления: взгляд на форму сигнала

Время установления (Settling time) – это время, необходимое операционному усилителю, чтобы отреагировать на прямоугольный импульс входного напряжения, а затем достичь дифференциального сигнала ошибки, который бы соответствовал конечному значению выходного напряжения. Эта характеристика важна для многих приложений. Таких, например, в которых быстроменяющиеся сигналы с выхода ОУ оцифровываются аналого-цифровым преобразователем (АЦП). Но давайте заглянем за пределы сухих определений и сосредоточимся на характере изменения формы сигналов.

В главе 20 мы рассмотрели, как ОУ переходит из состояния ограничения скорости нарастания в область малых сигналов (рисунок 52). При этом можно заметить, что чем больше коэффициент усиления, тем более плавно выходной сигнал приближается к конечному значению.

Читать полностью …


  • ГЛАВА 22 – Шум резисторов: обзор основных понятий

Общий уровень шума усилителя сильно зависит от шума Джонсона, сопротивления источника питания и резисторов обратной связи. Почти каждый знает, что резисторы имеют собственный шум, но некоторые детали этого явления могут быть не вполне ясными. Давайте рассмотрим эту тему в рамках подготовки к будущему обсуждению шумов в схемах усилителей.

Шумовая модель резистора (модель Тевенина) состоит из бесшумного резистора, включенного последовательно с источником шумового напряжения (рисунок 55).

Читать полностью …


  • ГЛАВА 23 – Шумы операционного усилителя: неинвертирующая схема

Давайте рассмотрим некоторые базовые основы шумов усилителя с учетом особенностей, выявленных в предыдущей части. Неинвертирующая схема усилителя является наиболее распространенной для малошумящих приложений, поэтому я сосредоточусь именно на ней.

Модель источника входного сигнала на рисунке 58 представлена в виде источника шумового напряжения с последовательным сопротивлением RS. Известно, что сопротивление RS обладает собственным шумом, пропорциональным корню сопротивления (прямая линия на рисунке 59). Цель малошумящего усилителя состоит в том, чтобы добавлять как можно меньше дополнительного шума к уже имеющемуся шуму источника сигнала.

Читать полностью …


  • ГЛАВА 24 – Шумы ОУ: как насчет резисторов обратной связи?

В предыдущей главе я исследовал шум неинвертирующего усилителя, но не поднял вопроса о вкладе компонентов цепи обратной связи в общий шум схемы. Итак, как насчет шумов от R1 и R2 на рисунке 60?

Общий шум на инвертирующем входе включает тепловой шум резисторов обратной связи и шумовой ток ОУ, взаимодействующий с R1 и R2. Вы можете рассчитать выходной сигнал, вызываемый этими источниками шума, используя базовые соотношения операционного усилителя:

  • напряжение теплового шума R1 усиливается с коэффициентом усиления -R2/R1;
  • напряжение теплового шума R2 поступает напрямую на выход;
  • шумовой ток инвертирующего входа, протекая через R2, формирует на выходе шум, равный IN ⋅ R2.

Эти источники шума не коррелированы, поэтому при расчете общего шума необходимо суммировать квадраты шумовых составляющих (формула 2). Существует более наглядный и интуитивно понятный способ оценить влияние этих источников шума. Было бы гораздо удобнее работать с источниками шума, если бы все они были подключены к неинвертирующему входу. Для этого можно разделить значение общего шума на выходе на значение коэффициента усиления. Этот способ приведения ко входу позволяет легко сравнивать влияние источников шума со входным сигналом.

Читать полностью …


  • ГЛАВА 25 – 1/f-шум: фликкер-шум

Низкочастотный 1/f-шум – довольно загадочное явление, его также называют фликкер-шумом (flicker-noise). На осциллографе с высоким разрешением развертки он имеет вид медленно меняющегося сигнала, на который накладывается более высокочастотный шум (рисунок 61). Еще одно название этого шума – розовый шум – также предполагает наличие значительных низкочастотных составляющих. Кажется, что фликкер-шум присутствует во всех физических системах и во всех естественных науках. Например, погодные/климатические модели имеют 1/f-компонент. Рассуждать о причинах его наличия в полупроводниках – слишком глубокая тема для данного руководства.

Читать полностью …


  • ГЛАВА 26 – ОУ, стабилизированные прерыванием: действительно ли они шумные?

Операционные усилители, стабилизированные прерыванием (Chopper op amps) отличаются очень малым значением напряжения смещения, что значительно уменьшает низкочастотный 1/f-шум. Как это происходит?

На рисунке 63 показан входной каскад операционного усилителя, стабилизированного прерыванием. Этот каскад построен на базе усилителя тока, управляемого напряжением. Входное дифференциальное напряжение на его входе преобразуется в дифференциальный выходной ток. Стабилизация прерыванием осуществляется с помощью коммутирующих переключателей, которые синхронно меняют полярность подключения на входах и выходах. Поскольку дифференциальные входы и выходы переключаются одновременно, то на выходном конденсаторе C1 присутствует сигнал постоянной полярности.

Читать полностью …


  • ГЛАВА 27 – Развязывающие конденсаторы: они нужны, но зачем?

Всем известно, что операционные усилители должны иметь развязывающие конденсаторы по цепям питания, расположенные рядом с выводами микросхемы. Но почему, например, какой-то усилитель вдруг оказывается более склонным к самовозбуждению без надлежащей развязки? Ответы на эти вопросы расширят ваш кругозор и облегчат понимание ситуации.

Коэффициент подавления шумов напряжения питания (Power supply rejection) характеризует способность операционного усилителя подавлять колебания и пульсации, возникающие на выводах питания. Например, на рисунке 65 показано, что коэффициент подавления шумов очень высок на низкой частоте, но с увеличением частоты уменьшается. Таким образом, на высоких частотах наблюдается более слабое подавление возникающих помех.

Читать полностью …


  • ГЛАВА 28 – Неиспользуемые операционные усилители: что с ними делать?

Когда я говорю о неиспользуемых операционных усилителях, я не имею в виду микросхемы, лежащие у вас на полке (для их хранения следует использовать антистатические пакеты). Что делать с теми ОУ, которые находятся на печатной плате? Например, неиспользуемым может оказаться один из усилителей в микросхеме, содержащей четыре или два интегральных ОУ.

В таких случаях лучшим вариантом будет подключение неиспользованных ОУ по схеме с обратной связью (рисунок 67). Схема буфера с единичным усилением является очевидным выбором, поскольку она не требует дополнительных компонентов (рисунок 67б). Оставшийся вход следует подключить к напряжению в пределах допустимого входного диапазона. Не стоит оставлять входы неподключенными. Также следует избегать подключений, которые могут вызвать перегруз входа или выхода либо перевести усилитель в неопределенное состояние с высоким уровнем шумов (рисунок 67а).

Читать полностью …


ГЛАВА 29 – Защита входов от перенапряжений

При проектировании операционного усилителя разработчики часто задаются вопросом, как будут подключаться входы ОУ, будут ли обращаться с ними с осторожностью или есть вероятность того, что их могут небрежно подключить напрямую к сети переменного тока? Мы все хотим сделать свое оборудование надежным, способным выдерживать самое жесткое обращение, поэтому в этом разделе я объясню, как входы ОУ защищают от электрических перенапряжений (Electrical over-stress, EOS).

OPA320 – типичный представитель операционных усилителей. В перечне его предельных рабочих параметров приводятся значения максимального напряжения питания, максимального входного напряжения и тока (см. таблица, рисунок 68). В примечании указано, что если вы ограничиваете входной ток, то вам не нужно ограничивать входное напряжение. Внутренние ограничительные диоды выдерживают ток до ±10 мА. Однако ограничение тока при высоковольтных перегрузках может потребовать использования значительного последовательного входного сопротивления, которое приведет к увеличению шума, уменьшению полосы пропускания и, возможно, созданию других ошибок.

 

Ограничительные диоды начинают включаться, когда значение входного напряжения превышает значение напряжения питания примерно на 0,6 В. Многие устройства обычно выдерживают более высокое значение тока, но прямое падение напряжения при этом резко возрастает, увеличивая вероятность повреждения.

Вы можете значительно повысить устойчивость ОУ к высоким входным токам и увеличить уровень защиты путем добавления внешних диодов. Обычные сигнальные диоды, например, популярные 1N4148, как правило, имеют более низкое значение прямого падения напряжения, чем встроенные защитные диоды.

В стендовых тестах я обнаружил, что у всех диодов 1N4148 падение напряжения как минимум на 100 мВ меньше, чем у встроенных  диодов в рассматриваемых нами усилителях. При параллельном подключении внешних диодов большая часть тока будет течь именно через них.

Диоды Шоттки имеют еще меньшее прямое падение напряжения и могут обеспечить более высокую защиту. Однако у них, как правило, есть общий недостаток, который заключается в высоких значениях тока утечки. При комнатной температуре величина утечки достигает единиц микроампер или даже больше. При этом с ростом температуры это значение увеличивается.

Читать полностью …


ГЛАВА 30 – Могут ли дифференциальные ограничительные диоды на входе ОУ влиять на его работу?

В следующей части я буду писать об использовании операционных усилителей в качестве компараторов. В ней мы рассмотрим влияние встроенных ограничительных диодов на работу таких компараторов. Сейчас же я задаю вопрос: могут ли эти диоды влиять на штатную работу ОУ? Напряжение между входами ОУ должно быть практически равным нулю, не так ли? Таким образом, эти диоды никогда не будут пропускать ток при нормальной работе ОУ…или все таки будут?

А сейчас давайте поговорим о дифференциальных ограничительных диодах, которые могут присутствовать в некоторых ОУ (рисунок 70).

Изменения в поведении ОУ зачастую можно заметить в базовых неинвертирующих схемах, в том числе — при работе простого буферного повторителя G = 1. Рассмотрим воздействие ступенчатого импульса напряжения. Выход не может сразу же отреагировать на появление сигнала на входе. Если напряжение импульса больше 0,7 В, то D1 откроется, а сигнал на неинвертирующем входе будет искажен. В течение этого периода, пока операционный усилитель формирует напряжение на выходе, на входе будет наблюдаться бросок тока высокого значения (рисунок 71). В конце концов, когда сигнал на выходе «догонит» сигнал на входе, все снова придет в норму.

Читать полностью …


ГЛАВА 31 – ОУ в режиме компаратора: допустимо ли это?

Многие разработчики (и я тоже) иногда используют операционные усилители в качестве компараторов. Обычно так происходит, когда нужен только один простой компаратор, и у вас остался «запасной» операционный усилитель в микросхеме, содержащей четыре ОУ в одном корпусе. Фазовая компенсация, необходимая для устойчивой работы операционного усилителя, приводит к тому, что из ОУ может получиться только очень медленный компаратор. Однако если требования по быстродействию являются скромными, то ОУ может быть достаточно. Иногда возникают вопросы по такому режиму использованию ОУ. В то время как некоторые операционные усилители работают нормально, другие работают не так, как ожидалось. Давайте разберемся, почему так происходит.

Многие операционные усилители имеют защитные ограничительные диоды, подключенные между входами. Чаще всего используют параллельное включение двух разнонаправленных диодов. Они защищают переход «база-эмиттер» входных транзисторов от обратного пробоя. Для многих ИС пробой перехода «база-эмиттер» начинается при подаче дифференциального входного напряжения около 6 В. Это приводит к повреждению транзисторов или нарушению их работы. На рисунке 73 защиту входного каскада из NPN-транзисторов обеспечивают диоды D1 и D2.

В большинстве схем с операционными усилителями входное напряжение близко к нулю, и защитные диоды никогда не включаются. Но очевидно, что эти диоды могут стать проблемой при работе ОУ в режиме компаратора. Мы имеем ограниченный дифференциальный диапазон напряжения (около 0,7 В), при превышении которого один вход будет перетягивать другой, подтягивая его напряжение. Это не исключает возможность работы ОУ в качестве компаратора, но здесь требуется выполнение ряда условий. Эти условия в некоторых схемах могут быть абсолютно неприемлемыми.

Проблема заключается в том, что TI и другие производители операционных усилителей не всегда сообщают о наличии защитных диодов в документации. Даже когда информация о них присутствует, все равно нет четкого предупреждения о возможных проблемах. Наверное, следовало бы прямо говорить: «Будьте осторожны при использовании данного ОУ в качестве компаратора!». На самом деле авторы документации часто предполагают, что операционный усилитель будет использоваться только по прямому назначению. Мы провели встречу с нашей командой разработчиков и решили, что в будущем будем сообщать пользователям о потенциальных проблемах более четко. Но как быть с уже существующими ОУ? Ниже приведены некоторые рекомендации, которые могут помочь.

В большинстве случаев операционные усилители со входными NPN-транзисторами имеют защитные диоды. Примерами могут служить OP07OPA227OPA277 и многие другие. Исключением является старый усилитель μA741. У него, кроме входных NPN-транзисторов, имеются дополнительные последовательно включенные PNP-транзисторы, которые обеспечивают встроенную защиту для NPN (рисунок 74).

Читать полностью …


<< Предыдущие главы 1-10 | 11-20

Оставить сообщение:

[contact-form-7 id=”3550″ title=”Контактная форма 1″]

См. также:

Схема детектора перехода через ноль

с использованием операционного усилителя или октопары

Схема детектора перехода через ноль является полезным применением операционного усилителя в качестве компаратора. Он используется для отслеживания изменения формы синусоидального сигнала с положительного на отрицательный или наоборот, когда он пересекает нулевое напряжение. Его также можно использовать в качестве генератора прямоугольных импульсов. Детектор перехода через ноль имеет множество применений, таких как генератор меток времени, фазометр, счетчик частоты и т. д. Детектор перехода через ноль может быть сконструирован разными способами, например, с использованием транзистора, операционного усилителя или ИС оптопары.В этой статье мы будем использовать операционный усилитель для создания схемы детектора перехода через ноль , и, как упоминалось ранее, операционный усилитель будет работать здесь как компаратор.

 

Идеальная форма сигнала для детектора пересечения нуля приведена ниже:

На приведенном выше сигнале видно, что всякий раз, когда синусоида пересекает ноль, выходной сигнал операционного усилителя будет сдвигаться либо с отрицательного на положительный, либо с положительного на отрицательный. Он смещается от отрицательного к положительному, когда синусоида переходит от положительного к отрицательному, и наоборот.Вот как детектор пересечения нуля определяет каждый раз, когда сигнал пересекает ноль. Как вы можете заметить, форма выходного сигнала представляет собой прямоугольную волну, поэтому детектор пересечения нуля также называется схемой генератора прямоугольной волны.

Чтобы узнать больше об операционных усилителях, ознакомьтесь с другими схемами операционных усилителей.

 

Материал, необходимый для демонстрации схемы детектора пересечения нуля
  • ИС операционного усилителя (LM741)
  • Трансформатор (230–12 В)
  • Питание 9 В
  • Резистор (10 кОм – 3 шт.)
  • Макет
  • Соединительные провода
  • Осциллограф

 

Схема детектора пересечения нуля

230v Питание подается на трансформатор 12-0-12В, а его фазный выход подключен к 2 -й пин операционного усилителя, а нейтраль замкнута на землю аккумулятора.Положительная клемма батареи подключена к 7 -му -му контакту (Vcc) операционного усилителя.

 

Работа цепи детектора пересечения нуля

В цепи детектора перехода через ноль неинвертирующий вывод операционного усилителя соединен с землей в качестве опорного напряжения, а вход синусоидального сигнала (Vin) подается на инвертирующий вывод операционного усилителя, как вы можете смотрите на схеме. Затем это входное напряжение сравнивается с опорным напряжением.Здесь можно использовать любую микросхему операционного усилителя общего назначения, мы использовали микросхему операционного усилителя LM741.

 

Теперь, когда вы рассматриваете положительных полупериода синусоидального входа. Мы знаем, что, когда напряжение на неинвертирующем конце меньше, чем напряжение на инвертирующем конце, выход операционного усилителя низкий или имеет отрицательное насыщение. Следовательно, мы получим отрицательную форму волны напряжения.

 

Затем в отрицательном полупериоде синусоиды напряжение на неинвертирующем конце (опорное напряжение) становится больше, чем напряжение на инвертирующем конце (входное напряжение), поэтому выход операционного усилителя становится высоким или положительное насыщение.Следовательно, мы получим положительную форму волны напряжения, как вы можете видеть на изображении ниже:

.

 

Таким образом, ясно, что эта схема может обнаруживать пересечение нуля формы сигнала, переключая свой выход с отрицательного на положительный или с отрицательного на положительный.

 

Детектор пересечения нуля с использованием оптопары

Как мы уже упоминали, существует много способов спроектировать детектор пересечения нуля . Здесь, в приведенной ниже схеме, мы используем оптопару для того же.Наблюдая за формой выходного сигнала, вы можете видеть, что выходной сигнал становится ВЫСОКИМ только тогда, когда входная волна переменного тока каждый раз пересекает ноль.

 

Ниже приведена форма выходного сигнала схемы детектора перехода через ноль с использованием оптопары:

 

Выходной импульс пересечения нуля становится ВЫСОКИМ при 0⁰, 180⁰ и 360⁰ или, можно сказать, после каждых 180⁰.

Цепь детектора пересечения нуля — схема

В этой статье мы подробно обсудим детектор перехода через ноль с двумя разными схемами.В начальных параграфах руководства вы изучите детектор пересечения нуля с использованием операционного усилителя, разработанного с использованием популярной микросхемы 741. У нас есть аккуратная принципиальная схема детектора пересечения нуля, и мы объяснили его принцип работы и теорию за кулисами простыми для понимания словами. Ближе к середине этого урока вы узнаете о двух приложениях детектора пересечения нуля: генераторе маркеров времени и фазометре. Ближе к концу статьи мы нарисовали еще одну принципиальную схему детектора пересечения нуля, разработанную с использованием IC 311 и транзистора.

Детектор пересечения нуля с использованием микросхемы 741

 Схема детектора пересечения нуля является важным применением схемы компаратора на операционных усилителях . Его также можно назвать преобразователем синусоидальной волны в прямоугольную. Любой из инвертирующих или неинвертирующих компараторов может использоваться в качестве детектора пересечения нуля. Единственным изменением, которое необходимо внести, является опорное напряжение, с которым сравнивается входное напряжение, которое должно быть равно нулю (Vref = 0 В). Входная синусоида задается как Vin.Они показаны на принципиальной схеме, а также на входных и выходных сигналах инвертирующего компаратора с опорным напряжением 0 В.

Детектор пересечения нуля на микросхеме операционного усилителя UA741

Как показано на осциллограмме, при опорном напряжении 0 В, когда входная синусоида проходит через ноль и идет в положительном направлении, выходное напряжение Vout достигает отрицательного насыщения. Точно так же, когда входное напряжение проходит через ноль и движется в отрицательном направлении, выходное напряжение достигает положительного насыщения.Диоды D1 и D2 также называются фиксирующими диодами. Они используются для защиты операционного усилителя от повреждения из-за увеличения входного напряжения. Они фиксируют дифференциальные входные напряжения до +0,7 В или -0,7 В.

В некоторых приложениях входное напряжение может быть низкочастотным. Это означает, что форма сигнала меняется медленно. Это вызывает временную задержку перехода входного напряжения через нулевой уровень. Это приводит к дополнительной задержке переключения выходного напряжения между верхним и нижним уровнями насыщения.В то же время входные шумы в операционном усилителе могут вызвать переключение выходного напряжения между уровнями насыщения. Таким образом, пересечение нуля обнаруживается для шумовых напряжений в дополнение к входному напряжению. Эти трудности можно устранить, используя схему регенеративной обратной связи с положительной обратной связью , которая вызывает более быстрое изменение выходного напряжения, тем самым устраняя возможность любого ложного пересечения нуля из-за шумовых напряжений на входе операционного усилителя.

Детектор пересечения нуля, использующий 741IC-Waveforms

Детектор пересечения нуля в качестве генератора маркеров времени

Для входной синусоидальной волны выходной сигнал детектора пересечения нуля представляет собой прямоугольную волну, которая затем проходит через последовательную RC-цепь.Это показано на рисунке ниже.

Детектор пересечения нуля с использованием генератора временных маркеров

Если постоянная времени RC очень мала по сравнению с периодом T входной синусоидальной волны, то напряжение на R цепи RC-цепи, называемой Vr, будет серией положительных и отрицательных импульсов. Если напряжение Vr подается на схему ограничителя с помощью диода D, напряжение нагрузки Vload будет иметь только положительные импульсы и отсекать отрицательные импульсы. Таким образом, детектор пересечения нуля, вход которого представляет собой знаковую волну, был преобразован в последовательность положительных импульсов с интервалом T путем добавления RC-цепи и схемы ограничения.

Генератор маркера времени

Детектор пересечения нуля в качестве фазометра

Детектор пересечения нуля можно использовать для измерения фазового угла между двумя напряжениями. Работа будет такой же, как описано в приведенной выше схеме. Получают последовательность импульсов в положительном и отрицательном циклах и измеряют временной интервал между импульсом напряжения синусоидальной волны и импульсом напряжения второй синусоидальной волны. Этот интервал времени пропорционален разности фаз между двумя входными синусоидальными напряжениями.Диапазон использования фазометра для измерения от 0° до 360°.

Детектор пересечения нуля с использованием IC 311 и транзистора

Детектор пересечения нуля, использующий 8-контактный DIP-модуль 311 IC, показан на рисунке ниже. Выход микросхемы операционного усилителя 311 подключен к NPN-транзистору с открытым коллектором. К выходу транзистора подключен нагрузочный резистор сопротивлением 20 кОм.

Детектор пересечения нуля с использованием ИС 311 и транзистора

При положительном входном сигнале, то есть при входной синусоиде выше 0 вольт, выход операционного усилителя переводит транзистор в состояние ВЫКЛ, а выход транзистора переходит в ВЫСОКИЙ уровень.Низкое состояние соответствует -10 вольт в цепи, а ВЫСОКОЕ состояние соответствует -10 вольт в цепи.

Выход транзистора показывает, больше или меньше 0 вольт на входе. Короче говоря, если входной сигнал представляет собой положительное напряжение, выход транзистора будет НИЗКИМ. Если входной сигнал представляет собой отрицательное напряжение, выход транзистора будет ВЫСОКИМ.

Схемы обнаружения перехода через ноль Примеры, приложения и моделирование

Схема обнаружения перехода через ноль состоит из двух основных электронных компонентов.Один — это операционный усилитель, а второй — пассивные электронные компоненты, такие как резисторы, конденсаторы. Он обнаруживает контрольную точку нулевого напряжения сигнала переменного тока или синусоиду, которая является точкой пересечения нуля сигнала переменного тока. Операционный усилитель (ОУ) является основным активным компонентом этой схемы. Мы используем операционный усилитель в качестве компаратора для сравнения опорных сигналов нулевого напряжения с сигналом переменного тока.

Операционный усилитель в качестве компаратора для схем пересечения нуля

Теперь мы начнем с введения операционного усилителя.Как мы используем его в качестве компаратора? Потому что это основной компонент схемы детектора пересечения нуля. Мы не можем понять его работу, не имея полного контроля над операционным усилителем.

Операционный усилитель Введение

Операционный усилитель или сокращенно операционный усилитель — это рабочая лошадка всех схем аналоговой электроники. Это разновидность усилителя. Потому что любой усилитель представляет собой электронную схему, которая усиливает входной сигнал до более высоких или более низких значений. Точно так же операционный усилитель также может выполнять усиление. Но мы также можем использовать его для других целей, т.е.е. как компаратор, сумматор напряжения, дифференциатор, интегратор, фильтры и контрольно-измерительные приборы.

Как это работает?

Он имеет два входных контакта, то есть инвертирующий вход, неинвертирующий вход и один выходной контакт. Выводы источника питания определяют диапазон рабочего напряжения, например, Vss+ и Vss-. Мы можем добиться высокого коэффициента усиления с помощью схемы резистивной сети с обратной связью. Но в этом руководстве по ZCD мы рассмотрим его работу в качестве компаратора.

Операционный усилитель в качестве компаратора

Схема компаратора аналогична традиционному усилителю.Но он сравнивает инвертирующие и неинвертирующие входные сигналы и выдает цифровой выходной сигнал. Когда мы используем операционный усилитель в качестве компаратора, он обеспечивает выходной сигнал в цифровой форме. Выход будет либо цифровым высоким, либо цифровым низким. Выходной сигнал зависит от того, какой входной сигнал имеет высокий уровень.

Теперь давайте рассмотрим пример. Как показано на этой диаграмме, если напряжение на неинвертирующем входе больше, чем на инвертирующем входе, на выходе компаратора будет высокий цифровой уровень.

Аналогично, если величина напряжения на неинвертирующем входном контакте меньше, чем на инвертирующем контакте, на выходе будет цифровой низкий уровень, как показано на этой принципиальной схеме.

Примеры детектора пересечения нуля с использованием операционного усилителя

В предыдущем разделе мы рассмотрели работу операционного усилителя в качестве компаратора. Мы применим эти концепции для разработки схем детекторов пересечения нуля с использованием операционных усилителей. Мы также называем их схемами преобразования синусоидальной волны в прямоугольную.

Схема детектора пересечения нуля похожа на компаратор, но один из входных контактов соединяется с клеммой заземления. Мы обеспечиваем опорное нулевое напряжение на один из входных контактов.Потому что мы хотим найти нулевые пересечения синусоиды. Всякий раз, когда синусоида совершает переход от нулевого опорного напряжения, мы получаем цифровой высокий выходной сигнал. Следовательно, ZCD обнаруживает точку нулевого напряжения сигнала переменного тока. В зависимости от того, какой входной контакт мы соединяем с опорным нулевым напряжением, мы классифицируем его на два типа.

Инвертирующий ZCD Пример

В инвертирующем типе ZCD, схема обнаружения пересечения нуля, мы подключаем опорное нулевое напряжение к неинвертирующему входному контакту, как показано на этой схеме.Эта схема представляет собой схему детектора пересечения нуля с использованием операционного усилителя LM741. В этой конфигурации мы подаем напряжение сигнала на инвертирующий вывод и опорный сигнал нулевого напряжения на неинвертирующий вход. Транзистор 2N2222 NPN переводит уровень напряжения в цифровой сигнал.

Диаграмма результатов моделирования представляет собой выходной сигнал с вывода транзистора.

  • Во время положительного полупериода синусоиды Vin -> Vin + (то есть заземление), поэтому выход будет равен -15 вольт, но транзистор останется закрытым, и мы получим цифровой сигнал высокого уровня на транзисторе. коллекторный терминал.
  • Аналогично, после перехода с положительного цикла на отрицательный, нулевое опорное напряжение Vin+ станет больше, чем сигнал отрицательного напряжения, на выходе компаратора станет +15 вольт. Но он включит транзистор. На выходе мы получим цифровой низкий сигнал.

Неинвертирующий тип ZCD Пример

Работа этого типа точно такая же, за исключением соединения входных контактов с входными сигналами Vin+ и Vin-. В неинвертирующем детекторе перехода через нуль входное напряжение подается на неинвертирующую клемму, а инвертирующая клемма заземляется, чтобы сделать опорное напряжение равным нулю.Это принципиальная схема неинвертирующего ZCD:

  • Снова выясняем условия для Vin- опорное равно нулю вольт
  • когда Vin+ меньше нулевого опорного напряжения Vin- имеем выходное напряжение равное +15 вольт . Благодаря транзистору мы получаем цифровой сигнал низкого или нулевого напряжения на выходной клемме коллектора. Транзистор включается и замыкает клемму коллектора на землю.
  •  Во время положительного полупериода Vin+ на выходе будет высокий цифровой уровень.Из-за того, что Vin+ становится больше нуля опорного напряжения Vin-. На выходе получаем -15 вольт, а транзистор остается выключенным.

Детектор перехода через нуль с импульсным выходом

Как видно из приведенных выше результатов моделирования, оба выходных сигнала совершают переход либо от цифрового высокого к низкому, либо от низкого к высокому всякий раз, когда синусоида проходит нулевое опорное напряжение. Но после этого цифровой уровень либо остается цифровым высоким, либо цифровым низким. Теперь, что, если вы хотите получить импульс только в течение короткого времени, когда синусоида переходит от положительного цикла к отрицательному или от отрицательного цикла к положительному циклу? Эта схема обеспечивает выходной импульс только при переходе цикла.

  • Мостовая схема преобразует отрицательный полупериод в положительный полупериод.
  • Транзистор и резистивная цепь используются в качестве детектора положительного фронта. Он изменяет выход операционного усилителя на пульсирующий выход.

Выходная схема

Единственная разница между предыдущими примерами и этим примером заключается в схеме обнаружения фронта. В качестве компаратора мы используем операционный усилитель LM358. Когда мы хотим использовать детектор пересечения нуля с любым микроконтроллером, квадратный вывод нам не подходит.Этот импульсный выход показывает изменение синусоидальной волны от положительного к отрицательному циклу и наоборот.

Обнаружение пересечения нуля с помощью оптопары

Эта схема обеспечивает импульсный выходной сигнал на каждом опорном нулевом напряжении синусоидальной волны. Оптопара 4N25 остается включенной в течение обоих положительных циклов. Потому что в мостовой схеме отрицательный цикл преобразуется в положительный.

  • Когда оптопара включена, выходной сигнал будет равен нулю, поскольку выходным сигналом будет заземление.
  • При переходе синусоиды через ноль оптопара отключается и на выходе появляется импульс величиной Vcc.

Где использовать обнаружение пересечения нуля?

Мы обычно используем эти схемы с микроконтроллером в проектах силовой электроники. В этом списке приведены некоторые примеры практических проектов.

Интегральные схемы или ИС также доступны на рынке со встроенными функциями пересечения нуля.

Приложения

Обнаружение пересечения нуля используется во многих приложениях:

  • Регулируемые выпрямители напряжения
  • Резонансные источники питания
  • Регулятор скорости асинхронного двигателя и устройства плавного пуска
  • Контроллеры переменного тока
для обнаружения пересечения нуля, если вы немного разбираетесь в операционных усилителях.

Схемы нелинейных операционных усилителей

Помимо очевидных приложений усиления, операционный усилитель также можно использовать для множества других приложений и схем. В этом уроке мы узнаем о нескольких часто используемых схемах нелинейных операционных усилителей. В схемах нелинейных операционных усилителей входные/выходные характеристики нелинейны, т.е. не являются прямой линией.

 

Введение

Операционные усилители наряду с линейными схемами также широко используются для настройки нелинейных схем, т.е.е. схемы, выход которых демонстрирует нелинейное изменение по отношению к изменению входа. Эти схемы широко известны как переключающие схемы, выход которых переключается между положительным и отрицательным уровнями напряжения насыщения. Наиболее часто используемыми конфигурациями схем являются детекторы пересечения нуля, триггер Шмитта, нестабильные и моностабильные мультивибраторы.

НАВЕРХ

Детектор пересечения нуля

Детектор пересечения нуля представляет собой простейшую схему коммутации операционных усилителей.В этой конфигурации входной сигнал подается на одну из входных клемм, а другой вход подключен к земле. Эта схема не нуждается в обратной связи.

НАВЕРХ

Неинвертирующий детектор пересечения нуля

Если источник входного сигнала подключен к неинвертирующей входной клемме операционного усилителя, а инвертирующая входная клемма заземлена, схема называется неинвертирующим детектором пересечения нуля. Схема цепи показана на рисунке ниже.

Неинвертирующий детектор пересечения нуля

Когда входной сигнал находится выше уровня земли, выходной сигнал схемы насыщается при его положительном экстремуме. Когда вход опускается ниже уровня земли, выходное напряжение схемы немедленно переключается на отрицательный уровень насыщения. Каждый раз, когда входной сигнал пересекает нулевой уровень напряжения, выход переключается между одним уровнем насыщения и другим. Поскольку выход вышеуказанной схемы переходит в положительное насыщение, когда приложенное входное напряжение положительно, схема классифицируется как неинвертирующий детектор пересечения нуля.Формы входных и выходных сигналов типичного неинвертирующего детектора пересечения нуля показаны на рисунке выше. Независимо от формы входной волны, выход всегда представляет собой прямоугольную волну.

НАВЕРХ

Инвертирующий детектор пересечения нуля

Если входной сигнал подается на инвертирующую входную клемму операционного усилителя, а неинвертирующая входная клемма подключена к земле, схема называется инвертирующим детектором пересечения нуля.Схема показана на рисунке ниже.

Инвертирующий детектор пересечения нуля

Когда вход находится выше уровня земли, выход насыщается при отрицательном экстремальном напряжении. Когда входное напряжение падает ниже уровня земли, выход немедленно переключается на положительное напряжение насыщения. Поскольку выход насыщается при отрицательном напряжении, когда вход положительный, эта схема называется инвертирующим детектором пересечения нуля. Формы входного и выходного сигналов инвертирующего детектора пересечения нуля показаны на рисунке выше.

НАВЕРХ

Схема триггера Шмитта

Цепь детектора пересечения нуля с обратной связью, обычно положительной, представляет собой триггер Шмитта. Схема триггера Шмитта имеет заранее заданные верхний и нижний уровни входного напряжения, которые вызывают переключение выхода с одного уровня насыщения на другой.

Схема типичного триггера Шмитта показана на рисунке выше. Входное напряжение V в подается на инвертирующий вход, а часть выходного напряжения подключается в качестве обратной связи к неинвертирующему входу через сеть делителя потенциала.Входное напряжение V в запускает выходное напряжение V вых для перехода от одного уровня насыщения к другому каждый раз, когда входное напряжение превышает определенный заранее заданный уровень напряжения. Эти уровни напряжения называются верхним пороговым напряжением (V UT ) и нижним пороговым напряжением (V LT ).

Входные и выходные сигналы триггера Шмитта

Входные и выходные сигналы схемы триггера Шмитта показаны на рисунке выше.Можно видеть, что пока входное напряжение V в меньше, чем верхнее пороговое напряжение V UT , выходное напряжение насыщается в своем положительном экстремуме +V sat . Когда входное напряжение выходит за пределы V UT , выход немедленно переключается на отрицательный уровень насыщения -V sat .

Верхние и нижние точки срабатывания (пороговые напряжения) могут быть математически получены с использованием соотношения

 В UT = [R 2 .(+V sat )]/(R 1 +R 2 ) и V LT = R 2 .(-V sat )/(R 1 3 9 0332 +R 2 9039

Если R 2 /(R 1 +R 2 ) = β, то V UT = β (+V sat ) и V LT ) 7 β 0 0 sat )

Приведенные выше уравнения показывают, что при правильном выборе номиналов резисторов R 1 и R 2 верхний и нижний пороговые уровни можно регулировать и точно контролировать.

НАВЕРХ

Нестабильный мультивибратор с операционным усилителем

Схема нестабильного мультивибратора на операционном усилителе создается путем добавления внешних компонентов к детектору пересечения нуля или схеме триггера Шмитта. Нестабильный мультивибратор представляет собой нелинейную конфигурацию схемы с использованием операционного усилителя (выход изменяется нелинейно по отношению к входу), который генерирует прямоугольные волны без какого-либо внешнего запуска. Эта схема не имеет стабильного выходного состояния, только два квазисостояния.Выход непрерывно колеблется между этими двумя квазистабильными состояниями. Нестабильный мультивибратор в основном представляет собой осциллятор, поскольку для его запуска не требуется внешнего импульса. По этой причине схему часто называют автономным генератором. Однако в схеме используется источник питания постоянного тока для операционного усилителя. Нестабильный мультивибратор может быть сконфигурирован для создания прямоугольных сигналов требуемой частоты, амплитуды и рабочего цикла.

Принципиальная схема нестабильного мультивибратора с использованием операционного усилителя показана на рисунке ниже.Схема представляет собой схему триггера Шмитта с обратной связью и входным конденсатором на инвертирующем входе.

Когда выход схемы нестабильного мультивибратора находится на положительном уровне насыщения, ток течет через резистор обратной связи R1 в конденсатор C. Это заряжает конденсатор с положительной верхней пластиной. Конденсатор заряжается до тех пор, пока его напряжение не достигнет верхнего напряжения срабатывания триггера Шмитта. В этот момент выход схемы немедленно переключается на отрицательный уровень насыщения.В конденсатор теперь не поступает ток, и, таким образом, конденсатор начинает разряжаться. Разрядка конденсатора продолжается до тех пор, пока напряжение на конденсаторе не достигнет нижнего напряжения срабатывания триггера Шмитта. Выход переключается на положительный уровень насыщения, и цикл повторяется.

Можно отметить, что схема представляет собой генератор прямоугольных импульсов, выходной сигнал которого колеблется между положительным и отрицательным уровнями напряжения насыщения операционного усилителя. Частота выходного сигнала прямоугольной формы зависит от емкости C и сопротивления резистора обратной связи R1.

Осциллограммы выходного напряжения и напряжения на конденсаторе нестабильного мультивибратора показаны на рисунке ниже.

Формы выходного напряжения и напряжения конденсатора

Та же конфигурация схемы может быть использована для генерации прямоугольных сигналов регулируемой частоты в диапазоне путем последовательного включения потенциометра между R 2 и R 3 . Регулируя значение сопротивления потенциометра, можно изменять частоту выходного прямоугольного сигнала.

НАВЕРХ

Моностабильный мультивибратор на операционном усилителе

Моностабильный мультивибратор, как следует из названия, представляет собой схему с одним стабильным выходным состоянием.Его нормальное выходное напряжение может быть высоким или низким, и он остается в этом состоянии до срабатывания. При подаче запускающего импульса выход переключается в противоположное состояние на время, которое зависит от RC-компонентов цепи.

Схема типичного моностабильного мультивибратора на операционном усилителе показана на рисунке выше. Инвертирующий вход операционного усилителя заземлен через резистор R 3 , а неинвертирующий вход смещен положительно резисторами R 1 и R 2.  Это приводит к тому, что выход обычно находится на положительном уровне насыщения, а конденсатор C 2  заряжается с указанной полярностью.

Когда входной импульс V в подается на конденсатор C 1 , вход дифференцируется с помощью C 1 и резистора R 3 для создания положительных и отрицательных выбросов на инвертирующем входе операционного усилителя. Отрицательный выброс отсекается на уровне -0,7 В диодом D1, так что отрицательный выброс не влияет на схему.Положительный выброс повышает напряжение инвертирующего входного вывода выше напряжения смещения неинвертирующего входного вывода. Следовательно, выход операционного усилителя переключается на отрицательный уровень насыщения. Продолжительность всплеска очень короткая, и инвертирующее входное напряжение быстро возвращается к нулю. Однако, когда выход достигает отрицательного насыщения, конденсатор C 2 управляет неинвертирующим входным напряжением. Это удерживает неинвертирующий входной терминал ниже уровня земли после исчезновения всплеска, таким образом сохраняя выходной сигнал на отрицательном уровне насыщения.

Входные и выходные сигналы моностабильного мультивибратора

Когда выход находится на отрицательном уровне насыщения, конденсатор C 2 начинает разряжаться через резисторы R 1 и R 2 , постепенно повышая неинвертирующее входное напряжение до земли уровень. Когда неинвертирующее входное напряжение поднимается немного выше уровня земли, выход операционного усилителя немедленно переключается на положительный уровень насыщения, и схема возвращается в исходное состояние.Ширина импульса выходной волны зависит от емкости C 2 и напряжения смещения V R2 , а также от сопротивлений R 1 и R 2 .

Входной и выходной сигналы моностабильного мультивибратора показаны на рисунке выше.

НАВЕРХ

Предыдущий — Операционный усилитель как дифференциатор

Схема детектора перехода через нуль и ее применение

 Детектор пересечения нуля или ZCD — это один из типов компараторов напряжения, используемый для обнаружения перехода синусоидального сигнала от положительного к отрицательному, который совпадает, когда i/p пересекает условие нулевого напряжения.В этой статье мы обсудим схему детектора пересечения нуля с двумя разными схемами, принципами работы, теорией и приложениями. Детектор пересечения нуля применяется в качестве измерителя фазы и генератора маркеров времени.


Цепь детектора пересечения нуля

Детектор пересечения нуля представляет собой компаратор напряжения, который изменяет выходной сигнал между +Vsat и –Vsat, когда i/p пересекает нулевой эталонный уровень напряжения. Проще говоря, компаратор представляет собой базовый операционный усилитель, используемый для одновременного сравнения двух напряжений и изменения o/p в соответствии со сравнением.Точно так же мы можем сказать, что ZCD является компаратором.

Цепь детектора пересечения нуля

Цепь детектора пересечения нуля используется для переключения каскада o/p всякий раз, когда i/p пересекает эталонный i/p, и он подключен к клемме GND. O/p компаратора может управлять различными выходами, такими как светодиодный индикатор, реле и управляющий вентиль.

741 Детектор перехода через ноль на базе ИС

Схема детектора пересечения нуля является основным применением схемы компаратора.Его также можно назвать преобразователем синусоидального сигнала в прямоугольный. Для этого любой из инвертирующих/неинвертирующих компараторов можно использовать в качестве детектора пересечения нуля.

Единственным изменением, которое необходимо внести, является Vref (опорное напряжение), с которым сравнивается напряжение i/p, должно быть установлено нулевым опорным напряжением (Vref = 0 В). Синусоидальная волна i/p задается как Vin. Они показаны на следующей принципиальной схеме инвертирующего компаратора, а также на формах сигналов i/p и o/p с опорным напряжением 0 В.

ZCD как генератор метки времени

Как показано на приведенной ниже форме сигнала для опорного напряжения (Vref), когда входная синусоида пропускает нулевое напряжение и идет в положительном направлении. Напряжение o/p приводит к отрицательному насыщению. Таким же образом, когда Vin проходит через ноль и движется в отрицательном направлении, Vout приводится к положительному насыщению. Диоды в приведенной выше схеме называются фиксирующими диодами. Эти диоды используются для защиты операционного усилителя от повреждений из-за увеличения Vin.

В некоторых конкретных приложениях Vin может быть низкочастотным сигналом, который вызывает прерывание во времени пересечения Vin через нулевой уровень. Кроме того, это вызывает задержку переключения Vout между двумя уровнями насыщения (верхним и нижним). В то же время шумы i/p в микросхеме могут вызвать переключение Vout между уровнями насыщения. Таким образом, переходы через нуль идентифицируются для шумовых напряжений в дополнение к Vin. Эти проблемы могут быть устранены путем использования переформирующей цепи обратной связи с положительной обратной связью, которая заставляет Vout переключаться быстрее.Таким образом, исключается возможность какого-либо ложного пересечения нуля из-за шумовых напряжений на входе ОУ.

741 Детектор пересечения нуля на основе ИС Форма сигнала

Работу детектора пересечения нуля можно легко предположить, если вы знаете, как работает базовый компаратор на операционных усилителях. В этом детекторе мы устанавливаем одно из значений i/ps равным нулю, то есть Vref = OV. o/p определяется как –Vsat, когда сигнал i/p проходит через направление от 0 до +ve. Точно так же, когда сигнал i/p проходит через ноль в направлении –ve, o/p переключается на +Vsat.

Применение детектора пересечения нуля

Цепи детектора пересечения нуля

можно использовать для проверки состояния операционного усилителя. А также используется как частотомер и для коммутации в схемах силовой электроники.

ZCD как фазометр

ZCD можно использовать для измерения фазового угла между двумя напряжениями. Последовательность импульсов в циклах +ve и -ve получают для измерения напряжения между временным интервалом импульса синусоидального напряжения и второй синусоидой.Этот интервал времени связан с разностью фаз между двумя синусоидальными напряжениями i/p. Диапазон использования фазомера составляет от 0° до 360°.

ZCD как генератор маркеров времени

Для синусоидальной волны i/p выход детектора пересечения нуля представляет собой прямоугольную волну, далее она будет проходить через последовательную RC-цепь. Это показано на следующем рисунке.

741 Детектор пересечения нуля на основе ИС

Если постоянная времени RC очень мала по сравнению с периодом «T» синусоидальной волны i/p, то напряжение на R RC-цепи n/w, называемое Vr, будет рядом +ve и -ve импульсы.Если напряжение «Vr» подается на схему ограничителя с использованием диода D, напряжение нагрузки VL будет иметь только положительные импульсы и отсекать отрицательные импульсы. Таким образом, детектор пересечения нуля (ZCD), чей i/p представляет собой синусоидальную волну, был заменен на последовательность положительных импульсов с интервалом «T» путем добавления сетевого RC и схемы ограничения.

Таким образом, это все о работе схемы детектора пересечения нуля и ее применении. Мы надеемся, что вы лучше поняли эту концепцию. Кроме того, если у вас есть какие-либо сомнения относительно этой концепции или проектов в области электротехники и электроники, пожалуйста, дайте свои ценные предложения, оставив комментарий в разделе комментариев ниже.Вот вопрос к вам, какова функция детектора пересечения нуля?

Детектор пересечения нуля. Часть Сборника схем операционных усилителей в Словаре электронных и технических терминов.

Общие технические условия
«А» «Б» «С», «Д», «Э», «Ф», «Г», «ЧАС», «Я», «Дж», «К», «Л», «М»,
«Н», «О», «П» «К», «Р», «С», «Т», «У», «В», «В», «ИКС», «Ю», «З»

Детектор пересечения нуля

Детектор пересечения нуля представляет собой схему, которая генерирует выходной сигнал, когда входной сигнал пересекает контрольную точку, в данном случае ноль вольт или землю.Детектор пересечения нуля также называется пороговым детектором, но с порогом, фиксированным на нуле вольт. Обычно детекторы перехода через нуль разрабатываются с использованием компараторов или операционных усилителей. Компаратор или компаратор напряжения предварительно разработан для работы в качестве детектора пересечения нуля или компаратора, использующего порог заземления. Использование операционного усилителя в качестве порогового детектора требует немного больше работы. На странице компаратора напряжения есть еще одна эталонная конструкция детектора пересечения нуля, в которой используется компаратор, а не операционный усилитель.

На этой принципиальной схеме представлена ​​общая конфигурация детектора пересечения нуля. Но это лишь одна из большого количества возможных конфигураций детектора пересечения нуля, выполненных с использованием операционного усилителя. В этой схеме используется LM741 только потому, что он так широко используется и является обычным операционным усилителем.


Детектор пересечения нуля
741 Опции упаковки

Операционный усилитель 741 доступен в тех же комплектациях, что и многие другие операционные усилители.Корпуса для сквозных отверстий могут быть пластиковыми DIP-пакетами или керамическим DIP-пакетами [для военных и космических приложений], в то время как версии для поверхностного монтажа будут в корпусе SOIC. Кроме того, LM741 мог быть в круглом металлическом корпусе TO-99.

741 Смещение Нуль

Операционный усилитель 741 имеет два контакта, которые используются для обнуления выходного напряжения или обнуления выходного сигнала путем регулировки входных токов. Узнайте больше о регулировке смещения нуля. Поскольку LM741 [uA741] очень распространен, усилитель используется в нескольких других схемах, которые представлены справа.

Неиспользуемые входы операционного усилителя

Операционный усилитель 741 используется в схеме для представления практически любого операционного усилителя. Однако, если используются другие устройства, в том числе двойные или счетверенные пакеты. Неиспользуемые устройства в упаковке должны быть привязаны, чтобы они не колебались. Выход неиспользуемого операционного усилителя следует привязать к минусовому входу, а плюсовой оставить открытым или неподключенным.

Переключающий диод

В схеме используется диод 1N914, хотя в некоторых примечаниях по применению упоминается диод 1N4148.Во многих других схемах, перечисленных на сайте, используется диод 1N914, поэтому он повторно используется здесь по этой причине. В основном оба диода эквивалентны и могут использоваться взаимозаменяемо, хотя в некоторых технических описаниях диоды классифицируются как переключающие диоды, в то время как другие могут классифицировать их как быстродействующие диоды. Стандартная схема для 1N914 представляет собой стеклянный диод в детализации корпуса DO-35 [пакет SOD27]. Таким образом, любой переключающий диод будет работать в этой схеме, просто часто используется 1N914.

Детекторы пересечения нуля

— эффективно защищают чувствительное электронное оборудование

Как системы управления питанием выдерживают высокие пусковые токи? Это кажется трудной задачей.Тем не менее, именно здесь пригодятся детекторы пересечения нуля (ZCD).

При обнаружении пересечения нуля переход формы сигнала будет происходить плавно. Поэтому схема детектора пересечения важна для систем, требующих временного интервала.

Мы подробно расскажем о том, как работают детекторы пересечения нуля. Кроме того, мы объясним простые методы создания схемы детектора пересечения. Таким образом, читайте дальше для понимания.

1. Принцип работы детекторов пересечения нуля

Детектор перехода через нуль работает в цепи систем управления электроэнергией.Это облегчает преобразование формы выходного сигнала компаратора. Это происходит, когда сигнал переменного тока достигает нулевого опорного напряжения. Следовательно, устройство запаздывает во времени. Цель состоит в том, чтобы защитить схему от высоких токов входного сигнала.

2. Описание схемы базовых детекторов перехода через нуль

Во-первых, вот схема детектора пересечения нуля.

Рис. 1. Принципиальная схема детектора пересечения нуля.

На приведенной выше иллюстрации последовательной цепи показана простая схема детектора пересечения. Во время сборки подключите входной сигнал к инвертирующей клемме операционного усилителя. Для неинвертирующего терминала заземлите его через входные резисторы.

Устройство определяет, когда входной сигнал отличается от опорного напряжения. Вы должны установить опорное напряжение равным 0. Поэтому каждый раз, когда это происходит, уровень насыщения выходных сигналов будет смещаться.

Рис. 2: Печатная плата

Подайте входной сигнал на неинвертирующую клемму операционного усилителя.В этом случае опорный уровень напряжения равен нулю. Система сравнивает синусоиду на входе операционного усилителя с опорным напряжением.

Каждый раз фаза синусоиды будет смещаться с отрицательной на положительную и наоборот.

Рассмотрим каждый вероятный сценарий входного сигнала.

Возьмем, к примеру, случай, когда на вход подается положительный синусоидальный сигнал. Компаратор сравнивает входной сигнал с опорным уровнем напряжения.Следовательно, уравнение этого сценария:  

В Выход = В Задание – В Входной сигнал

Следовательно, учитывая, что у вас опорное напряжение 0 В, мы можем приравнять V Reference к нулю. Таким образом, уравнение изменится на:  

В Выход = 0 – В Входной сигнал

Следовательно, напряжение выходного сигнала будет иметь отрицательное насыщение. Проверьте это окончательное уравнение: 

.

В Выход = – В Входной сигнал

Таким образом, положительный импульс дает отрицательную форму выходного сигнала.

С другой стороны, рассмотрим сценарий с отрицательным синусоидальным сигналом. Опять же, компаратор сравнивает входной сигнал с опорным уровнем напряжения.

Следовательно, уравнение снова будет иметь вид V Выход = V Ссылка – V Входной сигнал.

Когда мы заменим = V Ссылка в уравнении с нулем, мы получим,

В Выход = 0 – (В Входной сигнал )

Таким образом, В Выход = + В Входной сигнал

В этом случае выходной сигнал будет иметь положительное насыщение.

Таким образом, детектор пересечения нуля эффективно преобразует входной сигнал в выходной сигнал противоположного знака. Если входной сигнал отрицательный, перекрестная схема преобразует его в положительный и наоборот.

3. Как сделать схему детектора пересечения нуля?

Рисунок 3: Синусоидальные волны

Вы можете легко разработать детектор пересечения нуля. Кроме того, вы можете использовать эту схему для широкого спектра приложений.

Вот компоненты, которые вам понадобятся для этой схемы: 

Стабилитрон A 6 В

Два резистора по 100 кОм

IC 741 Компаратор

Вы должны убедиться, что вы подключаете вход переменного тока от мостового выпрямителя.Также в этой схеме IC 741 работает как компаратор. Вы должны обеспечить напряжение питания 12В.

Также убедитесь, что неинвертирующий контакт подключен к диоду 1N4148. С другой стороны, вы должны подключить инвертирующий контакт к выбранному входному сигналу.

Обратите внимание, что выходной сигнал вашей схемы будет обратным входному сигналу. Таким образом, схема следует принципам обычных детекторов пересечения нуля.

Когда на входном контакте есть положительный ток, устройство обнаружит это.Изменение формы выходного сигнала произойдет, когда опорное напряжение равно нулю. Обратное произойдет при подключении встречного тока. В этом случае результат будет положительным.

4. Применение детектора пересечения нуля

Существует широкий спектр применений схем детекторов пересечения нуля. Вы найдете их в электронном устройстве, таком как частотомер. Кроме того, вы также найдете их в силовых электронных схемах.

Рисунок 4: 3D-иллюстрация электронных компонентов

Вот некоторые из типичных применений перекрестной цепи: 

ZCD в качестве фазометра

При наличии двух напряжений можно использовать ZCD в качестве фазометра для определения фазового угла.ZCD сначала получит последовательные импульсы в положительном и отрицательном циклах. Затем он будет измерять напряжение временного интервала первого импульса напряжения синусоидальной волны. Процесс повторится для другого импульса напряжения синусоидальной волны.

Таким образом, интервал времени даст разность фаз между напряжениями входного сигнала. Вы можете использовать фазометр для синусоидальных волн от нуля до 360 градусов.

ZCD в качестве генератора маркеров времени

Рассмотрим принципиальную схему компаратора детектора пересечения нуля на рисунке 1.Если входной контакт представляет собой синусоидальную волну, выходной сигнал будет генератором прямоугольной волны. Таким образом, он создаст последовательную цепь.

Также рассмотрим сценарий, когда постоянная времени относительно мала по сравнению с периодом. В таком случае напряжение на резисторах может быть положительным импульсом. Также это может быть отрицательный импульс. Подайте напряжение на цепь ограничителя через диод. Он дает напряжение нагрузки только с положительными импульсами. Следовательно, у вас будет преобразование синусоидальной волны детектора пересечения нуля в положительные импульсы.Предпосылкой этого результата является сетевая схема и схема клипера.

Детектор пересечения нуля с использованием IC 311 и транзистора

Рисунок 5: Волновая графика

Вы также можете использовать детектор пересечения нуля в схеме компаратора операционного усилителя. Мы проиллюстрировали это прямое приложение на рисунке 1. Когда вы используете его таким образом, это будет преобразователь прямоугольных сигналов.

Кроме того, в этой схеме можно использовать как инвертирующий, так и неинвертирующий компаратор в качестве детектора перехода через ноль.Тем не менее, вы должны убедиться, что вы установили опорное напряжение равным нулю.

Принцип работы этой схемы также аналогичен другим приложениям детектора пересечения нуля.

Таким образом, когда положительное входное напряжение пересекает ноль, выходной сигнал будет в отрицательном насыщении. С другой стороны, когда входное напряжение отрицательное, выходной сигнал будет иметь положительное насыщение.

Таким образом, отрицательные циклы на входе волны будут давать положительные формы волны.Точно так же положительные циклы на входе волны будут создавать отрицательные формы волны.

Детектор перехода через нуль с оптопарой

Еще один способ использования детектора перехода через ноль — в процессе проектирования оптопары. Вот иллюстрация оптопары аналоговой конструкции.

Рис. 6. Иллюстрация оптопары

Глядя на выходной сигнал схемы, он меняется в зависимости от входа. Например, когда входной сигнал достигает 0, выходной сигнал будет повышаться.Это происходит каждый раз, когда входной сигнал достигает этой точки, как показано в приведенных выше примерах.

Заключение

В двух словах, детекторы пересечения нуля необходимы в системах управления питанием. Без них можно было бы управлять циклическими цепями переменного тока.

У нас есть другие сведения о других типах цепей. Посетите наш сайт для получения дополнительной информации о цепях. Кроме того, не стесняйтесь обращаться к нам в случае возникновения каких-либо вопросов.

.

0 comments on “Переходы сети через ноль на операционных усилителях: Операционные усилители — принцип действия и параметры.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *