Операционные усилители схемы включения: Операционный усилитель? Это очень просто!

Калейдоскоп схем на операционных усилителях

Операционные усилители

Калейдоскоп схем на операционных усилителях



Подразделы: 4.09 4.10

Мы предоставляем читателю право самостоятельно проанализировать работу приведенных ниже схем.

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

Рис. 4.14.

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

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

Рис. 4.15.

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

Рис. 4.16.

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

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

Рис. 4.17.

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

Рис. 4.18.

Суммирующий усилитель. Схема, показанная на рис. 4.19, представляет собой один из вариантов инвертирующего усилителя. Точка

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

Рис. 4.19.

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

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

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

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

Рис. 4.21.

Рис. 4.22.

Источник питания. Операционный усилитель может работать как усилитель в стабилизаторе напряжения с обратной связью (рис. 4.23). Операционный усилитель сравнивает выходное напряжение с эталонным напряжением стабилитрона и соответственно управляет составным транзистором Дарлингтона, выполняющим функции «проходного транзистора». Эта схема обеспечивает стабилизированное напряжение 10 В при протекании через нагрузку тока до 1 А. Некоторые замечания по этой схеме:

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

Рис. 4.23.

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


Подразделы: 4.09 4.10

Подробный анализ работы операционных усилителей


Операционные усилители. Основные параметры. Основные схемы включения операционных усилителей.

ОУназывают дифференциальный усилитель постоянного тока с большим коэффициентом усиления, предназначенный для выполнения различных операций над аналоговыми величинами при работе в схемах с отрицательной обратной связью.

На рисунке дано схемное обозначение операционного усилителя. Входной каскад его выполняется в виде дифференциального усилителя, так что ОУ имеет два входа

Неинвертирующий вход на схему ОУ обозначается знаком “+”, а инвертирующий знаком “-”. Чтобы обеспечить возможность работы операционного усилителя, как с положительными так и с отрицательными входными сигналами используется двухполярное питающее напряжение.

Операционные усилители характеризуются усилительными, входными, выходными, энергетическими, дрейфовыми, частотными и скоростными параметрами.

Важнейшими характеристиками ОУ являются амплитудные (передаточные) характеристики. Их представляют в виде двух кривых, относящихся к инвентирующему и неинвентирующему входам. Характеристики снимают при подаче сигнала на один из входов при нулевом сигнале на другом. Каждая из кривых состоит из горизонтальных и наклонных участков.

Горизонтальные участки кривых соответствуют режиму полностью открытого либо закрытого транзистора выходного каскада ОУ. При изменении напряжения входного сигнала на этих участках выходное напряжение усилителя остается без изменения и определяется напряжениями ±Uвых.мах, близких к напряжению питания ОУ. Наклонному (линейному) участку кривых соответствует пропорциональная зависимость выходного напряжения от входного. Угол наклона участка определяется коэффициентом усиления ОУ.

К=DUвых/DUвх

Значение К зависит от типа ОУ и может составлять от нескольких сотен до сотен тысяч и более. Большие значения К позволяют при охвате таких усилителей глубокой отрицательной обратной связью получать схемы со свойствами, которые зависят только от параметров цепи отрицательной обратной связи.

Кривые на рисунке проходят через нуль. Состояние, когда Uвых=0, при Uвх=0, называется балансом ОУ. Однако для реальных ОУ, условие баланса не выполняется. При Uвх=0 выходное напряжение ОУ может быть больше или меньше “0”. На рисунке пунктирными линиями показан возможный вид передаточной характеристики реальных ОУ при входном сигнале, подаваемом на неинвертирующий вход. Напряжение Uсмо при котором Uвых=0, называется входным напряжением смещения нуля. Оно определяет значение напряжения, которое необходимо подать на вход ОУ для его балансировки.

Важное значение имеют выходные параметры ОУ. Ими являются выходное сопротивление, а также максимальное выходное напряжение и ток. ОУ должен обладать малым выходным сопротивлением для обеспечения высоких значений напряжения на выходе при малых сопротивлениях нагрузки. Малое выходное сопротивление (десятки и сотни Ом) достигается применением на выходе ОУ эмиттерного повторителя. Максимальный выходной ток ограничивается допустимым коллекторным током выходного каскада ОУ. Энергетические параметры ОУ оценивают максимальными потребляемыми токами от обоих источников питания и соответственно суммарной потребляемой мощностью.

Рассмотрим некоторые схемы включения ОУ. Если в качестве цепи ООС использовать простейший делитель напряжения и производить операцию вычитания напряжений с помощью дифференциальных входов ОУ, то получится схема неинвентирующего усилителя. Коэффициент обратной связи К=R1/(R1+Ro). При допущении идеальности ОУ коэффициент усиления определяется выражением Ku=A=Uвых/Uвх=1/K=1+Ro/R1;

Инвентирующий усилитель, изменяющий знак выходного сигнала относительно входного, создается введением по инвентирующему входу ОУ с помощью резистора Ro параллельной отрицательной обратной связи по напряжению. Неинвертирующий вход связывается с общей точкой схемы. Входной сигнал подается через резистор R1 на инвентирующий вход ОУ. Показатели схемы можно определить, воспользовавшись уравнением токов для узла 1. Если принять
RвхОУ=¥ и Iоу=0, то Iвх=Iос, откуда (Uвх-Uо)/R1=-(Uвых-Uо)/Rо.

При Коу®¥ напряжение на входе ОУ Uо=Uвыхоу®0, в связи с чем полученное выражение принимает вид

Uвх/R1=-Uвых/Rо

Следовательно, коэффициент усиления по напряжению инвертирующего усилителя определяется параметрами только пассивной части схемы

К=-Ro/R1.

Неинвертирующий и инвертирующий усилители широко используются в качестве высокостабильных усилителей различного назначения.

Операционный усилитель — это… Что такое Операционный усилитель?

Разные операционные усилители в различных корпусах, в том числе несколько в одном корпусе

Операционный усилитель (ОУ, OpAmp) — усилитель постоянного тока с дифференциальным входом и, как правило, единственным выходом, имеющий высокий коэффициент усиления. ОУ почти всегда используются в схемах с глубокой отрицательной обратной связью, которая, благодаря высокому коэффициенту усиления ОУ, полностью определяет коэффициент передачи полученной схемы.

В настоящее время ОУ получили широкое применение как в виде отдельных чипов, так и в виде функциональных блоков в составе более сложных интегральных схем. Такая популярность обусловлена тем, что ОУ является универсальным блоком с характеристиками, близкими к идеальным, на основе которого можно построить множество различных электронных узлов.

История

Операционный усилитель изначально был спроектирован для выполнения математических операций (отсюда его название), путём использования напряжения как аналоговой величины. Такой подход лежит в основе аналоговых компьютеров, в которых ОУ использовались для моделирования базовых математических операций (сложение, вычитание, интегрирование, дифференцирование и т. д.). Однако идеальный ОУ является многофункциональным схемотехническим решением, он имеет множество применений помимо математических операций. Реальные ОУ, основанные на транзисторах, электронных лампах или других активных компонентах, выполненные в виде дискретных или интегральных схем, являются приближением к идеальным.

Ламповый операционный усилитель K2-W.

Первые промышленные ламповые ОУ (1940-е гг.) выполнялись на паре двойных триодов, в том числе в виде отдельных конструктивных сборок в корпусах с октальным цоколем. В 1963 Роберт Видлар, инженер Fairchild Semiconductor, спроектировал первый интегральный ОУ — μA702. При цене в 300 долларов прибор, содержавший 9 транзисторов использовался только в военных применениях. Первый доступный интегральный ОУ, μA709, также спроектированный Видларом, был выпущен в 1965; вскоре после выпуска его цена упала ниже 10 долларов, что было всё ещё слишком дорого для бытового применения, но вполне доступно для массовой промышленной автоматики и т. п. гражданских задач.

В 1967 National Semiconductor, куда перешёл работать Видлар, выпустила LM101, а в 1968 Fairchild выпустило практически идентичный μA741 — первый ОУ со встроенной частотной коррекцией. ОУ LM101/μA741 был более стабилен и прост в использовании, чем предшественники. Многие производители до сих пор выпускают версии этого классического чипа (их можно узнать по числу «741» в наименовании). Позднее были разработаны ОУ и на другой элементной базе: на полевых транзисторах с p-n переходом (конец 1970х) и с изолированным затвором (начало 1980х), что позволило существенно улучшить ряд характеристик. Многие из более современных ОУ могут быть установлены в схемы, спроектированные для 741 без каких-либо доработок, при этом характеристики схемы только улучшатся.

Применение ОУ в электронике чрезвычайно широко — операционный усилитель, вероятно, наиболее часто встречающийся элемент в аналоговой схемотехнике. Добавление лишь нескольких внешних компонентов делает из ОУ конкретную схему аналоговой обработки сигналов. Многие стандартные ОУ сто́ят всего несколько центов в крупных партиях (1000шт), но усилители с нестандартными характеристиками (в интегральном или дискретном исполнении) могут стоить $100 и выше.

Обозначения

Обозначение операционного усилителя на схемах

На рисунке показано схематичное изображение операционного усилителя. Выводы имеют следующее значение:

Указанные пять выводов присутствуют в любом ОУ, они необходимы для его функционирования. Однако, существуют операционные усилители, не имеющие неинвертиующего входа[1]. В частности, такие ОУ находят применение в аналоговых вычислительных машинах (АВМ). ОУ, применяемые в АВМ, принято делить на 5 классов, из которых ОУ первого и второго класса имеют только один вход. Операционные усилители первого класса — усилители высокой точности (УВТ) с одним входом. Они предназначены для работы в составе интеграторов, сумматоров, устройств слежения-хранения, электронных коэффициентов. Высокий коэффициент усиления, предельно малые значения смещения нуля, входного тока и дрейфа нуля, высокое быстродействие обеспечивают снижение погрешности, вносимой усилителем, ниже 0,01 %. Операционные усилители второго класса — усилители средней точности (УСТ) также с одним входом, обладающие меньшим коэффициентом усиления и большими значениями смещения и дрейфа нуля. Эти ОУ предназначены для применения в составе электронных устройств установки коэффициентов, инверторов, электронных переключателей, в функциональных преобразователях, множительных устройствах. Помимо этого, некоторые ОУ могут иметь дополнительные выводы (предназначенные, например, для установки тока покоя, частотной коррекции, балансировки или других функций).

Выводы питания (VS+ и VS−) могут быть обозначены по-разному (см. выводы питания интегральных схем). Часто выводы питания не рисуют на схеме, чтобы не загромождать её несущественными деталями, при этом способ подключения этих выводов явно не указывается или считается очевидным (особенно часто это происходит при изображении одного усилителя из микросхемы с четырьмя усилителями с общими выводами питания). При обозначении ОУ на схемах можно менять местами инвертирующий и неинвертирующий входы, если это удобно; выводы питания, как правило, всегда располагают единственным способом (положительный вверху).

Основы функционирования

ОУ 741 в корпусе TO-5

Питание

В общем случае ОУ использует двуполярное питание, то есть источник питания имеет три вывода с потенциалами:

  • U+ (к нему подключается VS+)
  • 0
  • U (к нему подключается VS-)

Вывод источника питания с нулевым потенциалом непосредственно к ОУ обычно не подключается, но, как правило, является сигнальной землёй и используется для создания обратной связи. Часто вместо двуполярного используется более простое однополярное, а общая точка создаётся искусственно или совмещается с отрицательной шиной питания.

ОУ способны работать в широком диапазоне напряжений источников питания, типичное значение для ОУ общего применения от ±1,5 В до ±15 В при двуполярном питании (то есть U+ = 1,5…15 В, U = -15…-1,5 В, допускается значительный перекос).

Простейшее включение ОУ

Рассмотрим работу ОУ как отдельного дифференциального усилителя, то есть без включения в рассмотрение каких-либо внешних компонентов. В этом случае ОУ ведёт себя как обычный усилитель с дифференциальным входом, то есть поведение ОУ описывается следующим образом:

((1))

здесь

  • Vout: напряжение на выходе
  • V+: напряжение на неинвертирующем входе
  • V: напряжение на инвертирующем входе
  • Gopenloop: коэффициент усиления с разомкнутой петлёй обратной связи

Все напряжения считаются относительно общей точки схемы. Рассматриваемый способ включения ОУ (без обратной связи) практически не используется[2] вследствие присущих ему серьёзных недостатков:

  • Коэффициент усиления с разомкнутой петлёй обратной связи Gopenloop нормируется в очень широких пределах и может изменяться в тысячи раз (зависит сильнее всего от частоты сигнала и температуры).
  • Коэффициент усиления очень велик (типичное значение 106 на постоянном токе) и не поддаётся регулировке.
  • Точка отсчёта входного и выходного напряжений не поддаются регулировке.

Идеальный операционный усилитель

Для того, чтобы рассматривать функционирование ОУ в режиме с обратной связью, необходимо вначале ввести понятие идеального операционного усилителя. Идеальный ОУ является физической абстракцией, то есть не может реально существовать, однако позволяет существенно упростить рассмотрение работы схем на ОУ благодаря использованию простых математических моделей.

Идеальный ОУ описывается формулой (1) и обладает следующими характеристиками:

  1. Бесконечно большой коэффициент усиления с разомкнутой петлей обратной связи Gopenloop.[3]
  2. Бесконечно большое входное сопротивление входов V и V+. Другими словами, ток, протекающий через эти входы, равен нулю.
  3. Нулевое выходное сопротивление выхода ОУ.
  4. Способность выставить на выходе любое значение напряжения.
  5. Бесконечно большая скорость нарастания напряжения на выходе ОУ.
  6. Полоса пропускания: от постоянного тока до бесконечности.

Пункты 5 и 6 в действительности следуют из формулы (1), поскольку в неё не входят временны́е задержки и фазовые сдвиги. Из перечисленных условий следует важнейшее свойство идеального ОУ, упрощающее рассмотрение схем с его использованием:

Идеальный ОУ, охваченный отрицательной обратной связью, поддерживает одинаковое напряжение на своих входах [4][5]

Другими словами, при указанных условиях всегда выполняется равенство:

(2)

Не следует думать, что ОУ выравнивает напряжения на своих входах, подавая напряжение на входы «изнутри». На самом деле ОУ выставляет на выходе такое напряжение, которое через обратную связь подействует на входы таким образом, что разность входных напряжений уменьшится до нуля.

Легко убедиться в справедливости равенства (2). Допустим, (2) нарушено — имеет место небольшая разность напряжений. Тогда входное дифференциальное напряжение, усиленное в ОУ, вызвало бы (вследствие бесконечного коэффициента усиления) бесконечно большое выходное напряжение, которое, в соответствии с определением ООС, ещё уменьшило бы разность входных напряжений. И так до тех пор, пока равенство (2) не будет выполнено. Заметим, что выходное напряжение может быть любым — оно определяется видом обратной связи и входным напряжением.

Простейший неинвертирующий усилитель на ОУ

Из рассмотрения принципа работы идеального ОУ следует очень простая методика проектирования схем:

Пусть необходимо построить цепь на ОУ с требуемыми свойствами. Требуемые свойства заключаются прежде всего в заданном состоянии выхода (выходное напряжение, выходной ток и т. д.), которое, возможно, зависит от какого-либо входного воздействия. Для создания схемы нужно подключить к ОУ такую обратную связь, чтобы при требуемом выходном состоянии достигалось равенство напряжений на входах ОУ (инвертирующем и неинвертирующем), а обратная связь была бы отрицательной.

Таким образом, требуемое состояние системы будет устойчивым состоянием равновесия, и система будет в нем находиться неограниченно долго[6]. Пользуясь этим упрощённым подходом, несложно получить простейшую схему усилителя.

Обозначение операционного усилителя на схемах, неинвертирующая схема включения

От усилителя требуется наличие на выходе напряжения, превышающего входное в K раз. В соответствии с приведённой выше методикой подадим на неинвертирующий вход ОУ сам входной сигнал, а на инвертирующий — выходной сигнал, поделённый в K раз резистивным делителем напряжения.

Пусть, K — коэффициент деления напряжения резистивным делителем R1R2:

K = R1 / (R1 + R2)

тогда для неидеального ОУ (с конечным коэффициентом усиления Gopenloop) имеем:

V+ = Vin
V = K Vout
Vout = Gopenloop(VinK Vout)

Решая данную систему относительно Vout / Vin, получаем:

Vout/Vin = Gopenloop/(1 + Gopenloop K)

то есть получен усилитель, коэффициент усиления которого зависит от усиления ОУ и номиналов резисторов. Если же ОУ имеет очень большой коэффициент усиления Gopenloop (много больший, чем 1/K), то коэффициент Gopenloop в выражении сокращается и получаем более простое выражение:

Vout/Vin = 1/K = 1 + (R2/R1)

Таким образом, коэффициент передачи усилителя, построенного на ОУ с достаточно большим усилением, практически зависит только от параметров обратной связи. Это полезное свойство позволяет проектировать системы с очень стабильным коэффициентом передачи, необходимые, например, при измерениях и обработке сигналов.

Отличия реальных ОУ от идеального

Параметры ОУ, характеризующие его неидеальность, можно разбить на группы:

Параметры по постоянному току

  • Ограниченное усиление: коэффициент Gopenloop не бесконечен (типичное значение 105 ÷ 106 на постоянном токе). Этот эффект заметно проявляется только в случаях, когда коэффициент передачи каскада с ОУ отличается от параметра Gopenloop в небольшое число раз (усиление каскада отличается от Gopenloop на 1÷2 порядка или еще меньше).
  • Ненулевой входной ток (или, что почти то же самое, ограниченное входное сопротивление): типичные значения входного тока составляют 10−9 ÷ 10−12 А. Это накладывает ограничения на максимальное значение сопротивлений в цепи обратной связи, а также на возможности согласования по напряжению с источником сигнала. Некоторые ОУ имеют на входе дополнительные цепи для защиты входа от чрезмерного напряжения — эти цепи могут значительно ухудшить входное сопротивление. Поэтому некоторые ОУ выпускаются в защищенной и незащищенной версии.
  • Ненулевое выходное сопротивление. Данное ограничение не имеет большого значения, так как наличие обратной связи эффективно уменьшает выходное сопротивление каскада на ОУ (практически до сколь угодно малых значений).
  • Ненулевое напряжение смещения: требование о равенстве входных напряжений в активном состоянии для реальных ОУ выполняется не совсем точно — ОУ стремится поддерживать между своими входами не точно ноль вольт, а некоторое небольшое напряжение (напряжение смещения). Другими словами, реальный ОУ ведет себя как идеальный ОУ, у которого внутри последовательно с одним из входов включен генератор напряжения с ЭДС Uсм. Напряжение смещения — очень важный параметр, он ограничивает точность ОУ, например, при сравнении двух напряжений. Типичные значения Uсм составляют 10−3 ÷ 10−6 В.
  • Ненулевое усиление синфазного сигнала. Идеальный ОУ усиливает только разницу входных напряжений, сами же напряжения значения не имеют. В реальных ОУ значение входного синфазного напряжения оказывает некоторое влияние на выходное напряжение. Данный эффект определяется параметром коэффициент ослабления синфазного сигнала (КОСС, англ. common-mode rejection ratio, CMRR), который показывает, во сколько раз приращение напряжения на выходе меньше, чем вызвавшее его приращение синфазного напряжения на входе ОУ. Типичные значения: 104 ÷ 106.

Параметры по переменному току

  • Ограниченная полоса пропускания. Любой усилитель имеет конечную полосу пропускания, но фактор полосы не особенно значим для ОУ, поскольку они имеют внутреннюю частотную коррекцию для увеличения запаса по фазе.
  • Ненулевая входная ёмкость. Образует паразитный фильтр нижних частот.
  • Ненулевая задержка сигнала. Данный параметр, косвенно связанный с ограничением полосы пропускания, может ухудшить действие ООС при повышении рабочих частот.
  • Ненулевое время восстановления после насыщения .

Нелинейные эффекты

  • Насыщение — ограничение диапазона возможных значений выходного напряжения. Обычно выходное напряжение не может выйти за пределы напряжения питания. Насыщение имеет место в случае, когда выходное напряжение «должно быть» больше максимального или меньше минимального выходного напряжения. ОУ не может выйти за пределы, и выступающие части выходного сигнала «срезаются» (то есть ограничиваются).

В моменты насыщения усилитель не действует в соответствии с формулой (1), что вызывает отказ в работе ООС и появлению разности напряжений на его входах, что обычно является признаком неисправности схемы (и это легко обнаруживаемый наладчиком признак проблем). Исключение — работа ОУ в режиме компаратора.

  • Искажение входного П-образного сигнала при ограниченной скорости нарастания выходного сигнала ОУ. Ограниченная скорость нарастания. Выходное напряжение ОУ не может измениться мгновенно. Скорость изменения выходного напряжения измеряется в вольтах за микросекунду, типичные значения 1÷100 В/мкс. Параметр обусловлен временем, необходимым для перезаряда внутренних ёмкостей.

Ограничения тока и напряжения

  • Ограниченное выходное напряжение. У любого ОУ потенциал на выходе не может быть выше, чем потенциал положительной шины питания и не может быть ниже, чем потенциал отрицательной шины питания (в случае, если нагрузка отсутствует, или является резистивной и не содержит источник тока). Другими словами, выходное напряжение не может выйти за пределы питающего напряжения. Например, для ОУ opa277[1] выходное напряжение находится в пределах от VS−+0,5 В до VS+-2 В при сопротивлении нагрузки 10 кОм. Ширина этих «мертвых зон» выходного напряжения, которых выход ОУ не может достичь, зависит от ряда условий (сопротивление нагрузки, направление выходного тока и др.). Существуют ОУ, у которых мертвые зоны минимальны, например, по 50 мВ до шин питания при нагрузке 10 кОм для opa340[2], эта особенность ОУ называется «rail-to-rail» (от шины до шины).
  • Ограниченный выходной ток. Большинство ОУ широкого применения имеют встроенную защиту от превышения выходного тока — типичное значение максимального тока 25 мА. Защита предотвращает перегрев и выход ОУ из строя.
Мощные ОУ, такие как К157УД1, могут иметь крепление для радиатора.
  • Ограниченная выходная мощность. Большинство ОУ предназначено для применений, не требовательных к мощности: сопротивление нагрузки не должно быть менее 2 кОм.

Классификация ОУ

По типу элементной базы

[7]

По области применения

Выпускаемые промышленностью операционные усилители постоянно совершенствуются, параметры ОУ приближаются к идеальным. Однако улучшить все параметры одновременно технически невозможно или нецелесообразно из-за дороговизны полученного чипа. Для того, чтобы расширить область применения ОУ, выпускаются различные их типы, в каждом из которых один или несколько параметров являются выдающимися, а остальные на обычном уровне (или даже чуть хуже). Это оправдано, так как в зависимости от сферы применения от ОУ требуется высокое значение того или иного параметра, но не всех сразу. Отсюда вытекает классификация ОУ по областям применения.

  • Индустриальный стандарт. Так называют широко применяемые, очень дешевые ОУ общего применения со средними характеристиками. Пример «классических» ОУ: с биполярным входом — LM324, с полевым входом — TL084.
  • Прецизионные ОУ имеют очень малые напряжения смещения, применяются в точных измерительных схемах. Обычно ОУ на биполярных транзисторах по этому показателю несколько лучше, чем на полевых. Также от прецизионных ОУ требуется долговременная стабильность параметров. Исключительно малыми смещениями обладают стабилизированные прерыванием ОУ. Примеры: AD707, AD708, с напряжением смещения 30 мкВ, а также новейшие AD8551 с типичным напряжением смещения 1 мкВ.
  • С малым входным током (электрометрические) ОУ. Все ОУ, имеющие полевые транзисторы на входе, обладают малым входным током. Но среди них существуют специальные ОУ с исключительно малым входным током. Чтобы полностью реализовать их преимущества, при проектировании устройств с их использованием необходимо даже учитывать утечку тока по печатной плате. Пример: AD549 с входным током 6·10−14 А.
  • Микромощные и программируемые ОУ потребляют малый ток на собственное питание. Такие ОУ не могут быть быстродействующими, так как малый потребляемый ток и высокое быстродействие — взаимоисключающие требования. Программируемыми называются ОУ, для которых все внутренние токи покоя можно задать с помощью внешнего тока, подаваемого на специальный вывод ОУ.
  • Мощные (сильноточные) ОУ могут отдавать большой ток в нагрузку, то есть допустимое сопротивление нагрузки меньше стандартных 2 кОм, и может составлять до 50 Ом.
  • Низковольтные ОУ работоспособны при напряжении питания 3 В и даже ниже. Как правило, они имеют rail-to-rail выход.
  • Высоковольтные ОУ. Все напряжения для них (питания, синфазное входное, максимальное выходное) значительно больше, чем для ОУ широкого применения.
  • Быстродействующие ОУ имеют высокую скорость нарастания и частоту единичного усиления. Такие ОУ не могут быть микромощными, и как правило выполнены на биполярных транзисторах.
  • Малошумящие ОУ.
  • Звуковые ОУ. Имеют минимально возможный коэффициент гармоник (THD).
  • Для однополярного питания. CMOS ОУ обеспечивают выходное напряжение, практически равное напряжению питания (rail-to-rail, R2R), биполярные ОУ — примерно на 1.2 В меньше, что существенно при небольших значениях Ucc.
  • Специализированные ОУ. Обычно разработаны для конкретных задач (подключение фотодатчика, магнитной головки, и др.). Могут содержать в себе готовые цепи ООС или отдельные необходимые для этого прецизионные резисторы.

Возможны также комбинации данных категорий, например, прецизионный быстродействующий ОУ.

Другие классификации

По входным сигналам:

  • Обычный двухвходовый ОУ;
  • ОУ с тремя входами [8]: третий вход, имеющий коэффициент передачи +1 (для чего используется внутренняя ООС), используется для расширения возможностей ОУ, например, смещение по напряжению выходных сигналов относительно входных, или возможность построения каскада с высоким выходным сопротивлением синфазному сигналу, что напоминает трансформатор с двумя обмотками, однако каскад на AD8132 передаёт и постоянный ток, что трансформатор не может.

По выходным сигналам:

  • Обычный ОУ с одним выходом;
  • ОУ с дифференциальным выходом [9]

Использование ОУ в схемотехнике

Использование ОУ как схемотехнического элемента гораздо проще и понятнее, чем оперирование отдельными элементами, его составляющими (транзисторов, резисторов и т. д.). При проектировании устройств на первом (приближённом) этапе операционные усилители можно считать идеальными. Далее для каждого ОУ определяются требования, которые накладывает на него схема, и подбирается ОУ, удовлетворяющий этим требованиям. Если получается, что требования к ОУ слишком жёсткие, то можно частично перепроектировать схему для обхода данной проблемы.

Принципиальная схема операционного усилителя

Схемы на операционных усилителях

Операционные усилители являются основным элементом для дифференциаторов.

Области применения

См. также

Примечания

  1. http://cxem.net/beginner/beginner96.php
  2. Единственным исключением является простейший аналоговый компаратор
  3. Казалось бы, это бессмысленное допущение, поскольку при этом на выходе было бы бесконечное напряжение всегда, за исключением редкого случая, когда напряжения на входах V и V+ равны. В действительности выходное напряжение даже в теоретической модели всегда ограничено из-за использования отрицательной обратной связи.
  4. Путём изменения выходного напряжения
  5. Если система (ОУ с ОС) устойчива
  6. Это очень упрощённый подход, в действительности необходимо учитывать другие возможные состояния равновесия, а также ряд других факторов.
  7. По типу элементной базы, используемой для построения входных цепей (моста)
  8. AD8132 — ОУ, имеющий третий вход с усилением +1
  9. AD8132 — ОУ с дифференциальным выходом

Ссылки

Операционный усилитель, принцип работы для чайников!

Приветствую вас дорогие друзья! Вот наконец добрался я  до своего компьютера,  приготовил себе чайку с печеньками  и понеслась…

Для тех кто впервые на моем блоге и не совсем понимает что здесь происходит спешу напомнить, меня зовут Владимир Васильев и на этих страницах я делюсь со своими читателями сакральными знаниями из области электроники и не только электроники. Так что может быть и вы здесь найдете  для себя что-то полезное, по крайней мере я на это надеюсь.  Обязательно подпишитесь, тогда вы ничего не пропустите.

А сегодня речь пойдет о таком электронном устройстве как операционный усилитель.  Эти усилители   применяются повсеместно, везде где требуется усилить сигнал по мощности найдется работенка для операционника.

Особенно распространено применение  операционных усилителей в аудиотехнике. Каждый аудиофилл стремится усилить звучание своих музыкальных колонок и поэтому старается прикрутить усилитель по мощнее. Вот здесь мы и сталкиваемся с операционными усилителями,  ведь многие аудиосистемы просто нашпигованы ими.  Благодаря  свойству операционного усилителя усиливать сигнал по мощности мы ощущаем более мощное давление на свои барабанные перепонки когда слушаем композиции на своих аудио колонках. Вот так вот в быту мы оцениваем  качество работы операционного усилителя  на слух.

В  этой статье на слух мы оценивать ничего не будем но постараемся рассмотреть все детально и  разложим все по полочкам чтобы стало понятно даже самому самоварному чайнику .


[contents]


Что такое операционный усилитель ?

Операционные усилители представляют собой микросхемы которые могут выглядеть по-разному.

Например на этой картинке изображены два операционных усилителя российского производства. Слева операционный усилитель К544УД2АР в  пластмассовом DIP корпусе а справа изображен операционник в металлическом  корпусе.

По началу, до знакомства с операционниками,     микросхемы в таких металлических корпусах я постоянно путал с транзисторами.  Думал что это такие хитромудрые  многоэмиттерные транзисторы 🙂

Условное графическое обозначение (УГО)

Условное обозначение операционного усилителя выглядит следующим образом.

Итак  операционный усилитель (ОУ) имеет два входа и один выход. Также имеются выводы для подключения питания но на условных графических обозначениях их обычно не указывают.

Для такого усилителя есть два правила которые помогут понять принцип работы:

 

  1. Выход операционника стремится к тому, чтобы разность напряжений на его входах была равна нулю
  2. Входы операционного усилителя ток не потребляют

Вход 1  обозначается знаком «+»  и называется неинвертирующим а вход 2 обозначается как «-» и является инвертирующим.

Входы операционника обладают высоким входным сопротивлением или иначе говорят высоким импедансом.

Это говорит о том, что  входы операционного усилителя ток почти не потребляют (буквально какие-то наноамперы). Усилитель просто оценивает величину напряжений на входах и в зависимости от этого выдает сигнал на выходе усиливая его.

Коэффициент усиления операционного усилителя имеет просто огромное значение,  может достигать миллиона, а это очень большое значение!  Значит это то, что если мы ко входу приложим небольшое напряжение, хотябы 1 мВ, то на выходе  получим сразу максимум,  напряжение почти равное напряжению источника питания ОУ. Из-за этого свойства операционники практически никогда не используют без обратной связи (ОС). Действительно какой смысл во входном сигнале если на выходе мы всегда получим максимальное напряжение, но об этом поговорим чуть позже.

Входы ОУ работают так, что если величина на неинвертирующем входе окажется больше чем на инвертирующем, то на выходе будет  максимальное положительное значение +15В. Если на инвертирующем входе величина напряжения  окажется более положительной то  на выходе будем наблюдать максимум отрицательной величины, где-то -15В.

Действительно операционный усилитель может выдавать значения напряжений как положительной так и отрицательной полярности. У новичка может возникнуть вопрос о том как же такое возможно? Но такое действительно возможно и это связано с применением источника питания с расщепленным  напряжением, так называемым двуполярным питанием. Давайте рассмотрим питание операционника чуток подробнее.

Правильное питание ОУ

Наверное не будет секретом, что для того, чтобы операционник работал, его нужно запитать, т.е. подключить его к источнику питания. Но есть интересный момент, как мы убедились чуток ранее операционный усилитель может выдавать на выход напряжения как положительной так и отрицательной полярности. Как такое может быть?

А такое быть может! Это связано с применением двуполярного источника питания, конечно возможно использование и однополярного источника но в этом случае возможности операционного усилителя будут ограничены.

Вообще в работе с источниками питания многое зависит от того что мы взяли за точку отсчета т.е. за 0 (ноль). Давайте с этим разберемся.

Пример на батарейках

 Обычно примеры проще всего приводить на пальцах но  в электронике думаю подойдут и пальчиковые батарейки 🙂

Допустим у нас есть обычная пальчиковая батарейка (батарейка типа АА). У нее есть два полюса плюсовой и минусовой. Когда минусовой полюс мы принимаем за ноль, считаем нулевой точкой отсчета то соответственно плюсовой полюс батарейки будет у нас показывать + 5В (значение с плюсом).

Это мы можем увидеть с помощью мультиметра (кстати статья про мультиметры в помощь), достаточно подключить   минусовой черный щуп к минусу батарейки а красный щуп к плюсу и вуаля. Здесь все просто и логично.

Теперь немножко усложним задачу и возьмем точно такую же вторую батарейку. Подключим батарейки последовательно и  рассмотрим как меняются показания измерительных приборов (мультиметров или вольтметров) в зависимости от различных точек приложения щупов.

Если мы за ноль приняли минусовой полюс крайней батарейки  а измеряющий щуп подключим к плюсу батарейки то  мультиметр нам покажет значение в +10 В.

Если за точку отсчета будет принят положительный полюс батарейки а измеряющий щуп был подключен к минусу то любой вольтметр нам покажет -10 В.

Но если за точку отсчета будет принята точка между двумя батарейками то в результате мы сможем плучить простой источник двуполярного питания. И вы можете в этом убедиться, мультиметр нам подтвердит что так оно и есть. У нас в наличии   будет напряжение как положительной полярности +5В так и  напряжение отрицательной полярности -5В.

Схемы источников двуполярного питания

Примеры на батарейках я привел для примера, чтобы было более понятно. Теперь давайте рассмотрим несколько примеров  простых схем источников расщепленного питания которые можно применять в своих радиолюбительских конструкциях.

Схема с трансформатором,  с отводом от «средней» точки

И первая схема источника питания для ОУ перед вами. Она достаточно простая но я немножко поясню принцип ее работы.

Схема питается от привычной нам домашней  сети  поэтому нет ничего удивительного что на первичную обмотку трансформатора приходит переменный ток в 220В. Затем трансформатор преобразует переменный ток 220В в такой же переменный но уже в 30В. Вот такую  вот нам захотелось произвести трансформацию.

Да на вторичной обмотке будет переменное напряжение в 30В но обратите внимание на отвод от средней точки вторичной обмотки. На вторичной обмотке сделано ответвление, причем количество витков до этого ответвления равно числу витков после ответвления.

Благодаря этому ответвлению мы можем получить на выходе вторичной обмотки переменное напряжение как в 30 В так и переменку в 15В. Это знание мы берем на вооружение.

Далее нам нужно переменку выпрямить и превратить в постоянку поэтому диодный мост нам в помощь. Диодный мост с этой задачей справился и на выходе мы получили не очень стабильную постоянку в 30В. Это напряжение будет нам показывать мультиметр если  мы подключим шупы к выходу диодного моста, но нам нужно помнить про ответвление на вторичной обмотке.

Это ответвление мы ведем далее и подключаем между электролитическими конденсаторами и затем между следующией парой высокочастотных кондерчиков. Чего мы этим добились?

Мы добились нулевой точки отсчета между полюсами потенциалов положительной и отрицательной полярности. В результате на выходе мы имеем достаточно стабильное  напряжение как +15В так и -15В. Эту схему конечно можно еще более улучшить если добавить стабилитроны или интегральные стабилизаторы но тем не менее приведенная схема уже вполне может справиться с задачей питания операционных усилителей.

Схема с двумя диодными мостами

Эта схема на мой взгляд проще, проще в том ключе, что нет необходимости искать трансформатор с ответвлением от середины или формировать вторичную обмотку самостоятельно. Но здесь придется раскошелиться на второй диодный мост.

Диодные мосты включены так, что положительный потенциал формируется с катодов диодиков первого моста, а отрицательный потенциал выходит с анодов диодов второго моста.  Здесь нулевая точка отсчета выводится между  двумя мостами. Упомяну также, что здесь используются разделительные конденсаторы, они оберегают один диодный мост от воздействий со стороны второго.

Эта схема также легко подвергается различным улучшениям, но самое главное она решает основную задачу — с помощью нее можно запитать операционный усилитель.

Обратная связь ОУ

Как я уже упоминал операционные усилители почти всегда используют с обратной связью (ОС). Но что представляет собой обратная связь и для чего она нужна? Попробуем с этим разобраться.

С обратной связью мы сталкиваемся постоянно: когда хотим налить в кружку чая или даже сходить в туалет по малой нужде 🙂 Когда человек управляет автомобилем или велосипедом то здесь также работает обратная связь. Ведь для того, чтобы ехать легко и непринужденно  мы вынуждены постоянно контролировать управление в зависимости от различных факторов: ситуации на дороге, технического состояния средства передвижения и так далее.

Если на дороге стало скользко ? Ага мы среагировали, сделали коррекцию и дальше двигаемся более осторожно.

В операционном усилителе все происходит подобным образом.

Без обратной связи при подаче на вход определенного сигнала на выходе мы всегда получим одно и тоже значение напряжения. Оно будет близко напряжению питания (так как коэффициент усиления очень большой). Мы не контролируем выходной сигнал. Но если часть сигнала с выхода мы отправим обратно на вход то что это даст?

Мы сможем контролировать выходное напряжение. Это управление будет на столько эффективным, что можно просто забыть про коэффициент усиления, операционник  станет послушным и предсказуемым потому что его поведение будет зависеть лишь от обратной связи. Далее я расскажу как можно эффективно управлять выходным сигналом  и как его контролировать, но для этого нам нужно знать некоторые детали.

Положительная обратная связь,  отрицательная обратная связь

Да, в  операционных усилителях применяют обратную связь и очень широко. Но обратная связь   может быть как положительной так и отрицательной. Надо бы разобраться в чем суть.

Положительная обратная связь это когда часть выходного сигнала поступает обратно на вход причем она (часть выходного) суммируется с входным.

Положительная обратная связь в операционниках применяется не так широко как отрицательная. Более того положительная обратная связь чаще бывает нежелательным побочным явлением некоторых схем и положительной связи стараются избегать.  Она является нежелательной потому, что эта связь может усиливать искажения в схеме и в итоге привести к нестабильности.

С другой стороны положительная обратная связь не уменьшает коэффициент усиления операционного усилителя что бывает полезно. А нестабильность также находит свое применение в компараторах, которые  используют в АЦП (Аналого-цифровых преобразователях).

Отрицательная обратная связь это такая связь когда часть выходного сигнала поступает обратно на вход но при этом она вычитается из входного

А вот отрицательная обратная связь просто создана для операционных усилителей. Несмотря на то, что она способствует некоторому ослаблению коэффициента усиления, она приносит в схему стабильность и управляемость.  В результате схема становится независимой от коэффициента усиления, ее свойства полностью управляются отрицательной обратной связью.

При использовании отрицательной обратной связи операционный усилитель приобретает одно очень полезное свойство. Операционник контролирует состояния своих входов и стремится к тому, потенциалы на его входах были равны. ОУ подстраивает свое выходное напряжение так, чтобы результирующий входной потенциал (разность Вх.1 и Вх.2) был нулевым.

Подавляющая часть схем на операционниках строится с применением отрицательной обратной связи! Так что для того чтобы разобраться как работает отрицательная связь нам нужно рассмотреть схемы включения ОУ.

Схемы включения операционных усилителей

Схемы включения операционных усилителей могут быть весьма разнообразны поэтому мне врятля удастся  рассказать о каждой но  я постараюсь рассмотреть основные.

Компаратор на ОУ

Формулы для  компараторной схемы будут следующие:

Т.е. в результате будет напряжение соответствующее логической единице.

Т.е. в результате будет напряжение соответствующее логическому нулю.

Схема компаратора обладает высоким входным сопротивлением (импедансом) и низким выходным.

Рассмотрим для начала вот такую схему включения  операционника  в режиме компаратора.  Эта схема включения лишена обратной связи.  Такие схемы применяются в цифровой схемотехнике когда нужно оценить сигналы на входе, выяснить какой больше  и выдать результат в цифровой форме. В итоге на выходе будет логическая 1 или логический ноль (к примеру 5В это 1 а 0В это ноль).

Допустим  напряжение стабилизации стабилитрона  5В,  на вход один мы приложили 3В а к входу 2 мы приложили 1В. Далее в компараторе происходит следующее, напряжение на прямом входе 1  используется как есть (просто потому что это неинвертирующий вход) а напряжение на инверсном входе 2 инвертируется. В результате где было 3В так и остается 3В а где был 1В будет -1В.

В результате 3В-1В =2В, но благодаря коэффициенту усиления операционника на выход пойдет напряжение равное напряжению источника питания, т.е. порядка 15В. Но стабилитрон отработает и на выход пойдет 5В что соответствует логической единице.

Теперь представили, что на вход 2 мы кинули 3В а на вход 1 приложили 1В. Операционник все это прожует, прямой вход оставит без изменений, а инверсный (инвертирующий)  изменит на противоположный  из 3В сделает -3В.

В результате 1В-3В=-2В, но согласно логике работы на выход пойдет минус источника питания т.е. -15В. Но у нас стоит стабилитрон и он это не пропустит и на выходе у нас будет величина близкая нулю. Это и будет логический ноль для цифровой схемы.

Триггер Шмитта на ОУ

Чуть ранее мы рассматривали такую схему включения ОУ как компаратор. В компараторе сравниваются два напряжения на входе и выдается результат на выходе. Но чтобы сравнивать входное напряжение с нулем нужно воспользоваться схемой представленной чуть выше.

Здесь сигнал подается на инвертирующий вход а прямой вход посажен на землю, на ноль.

Если на входе у нас напряжение больше нуля то на выходе будем иметь  -15В. Если напряжение меньше нуля то на выходе будет+15В.

Но что случится если мы захотим подать напряжение равное нулю? Такое напряжение никогда не получится сделать, ведь идеального нуля не бывает и сигнал на входе хоть на доли микровольт но обязательно будет меняться в ту или другую сторону.  В результате на выходе будут полный хаос, выходное напряжение будет многократно скакать  максимума до минимума что на практике совершенно не удобно.

Для избавления от подобного хаоса вводит гистерезист — это некий зазор в пределах которого сигнал на выходе не будет меняться.

Этот зазор позволяет реализовать данная схема посредством положительной обратной связи.

Представим, что на вход мы подали 5В , на выходе в первое мгновение получится сигнал напряжением в -15В. Далее начинает отрабатывать положительная обратная связь.  Обратная связь образует делитель напряжения в результате чего на прямом входе операционника появится напряжение -1,36В.

На инверсном входе у нас сигнал более положительный поэтому  операционный усилитель отработает следующим образом.  Внутри него сигнал в 5В инвертируется и становится -5В, далее два сигнала складываются и получается отрицательное значение. Отрицательное значение благодаря коэффициенту усиления станет -15В. Сигнал на выходе не изменится пока сигнал на входе не опустится менее -1,36В.

Пусть сигнал на входе изменился и стал -2В. В нутрях это -2В инвертируется и станет +2В, а -1,36В как был так и останется. Далее все это складывается и получается положительное значение которое на выходе превратится в +15В.  На прямом входе значение -1,36В благодаря обратной связи превратится в +1,36В. Теперь чтобы изменить значение на выходе на противоположное нужно подать сигнал более 1,36В.

Таким образом у нас появилась зона с нулевой чувствительностью с диапазоном от -1,36В до +1,36В. Такая зона нечувствительности носит название гистерезис.

Повторитель

Наиболее простой обладатель отрицательной обратной связи это повторитель.

Повторитель выдает на выходе то напряжение, которое было подано на его вход. Казалось бы для чего  это нужно ведь от этого ничего не меняется. Но в этом есть смысл, ведь вспомним свойство операционника, он обладает высоким входным сопротивлением и низким выходным. В схемах повторители выступают в роли буфера, который оберегает от перегрузок хилые выходы.

Чтобы понять как он работает отмотаете чуток назад, там где мы обсуждали отрицательную обратную связь. Там я упоминал, что в случае с отрицательной обратной связью операционник всеми возможными способами стремится к равному потенциалу по своим входам.  Для этого он подстраивает напряжение на своем выходе так, чтобы разность потенциалов на его входах равнялась нулю.

Так допустим на входе у нас 1В. Чтобы потенциалы на входах были раны на инвертирующем входе должен быть также 1В. На то  он и повторитель.

Неинвертирующий усилитель

Схема неинвертирующего усилителя очень похожа на схему повторителя, только здесь обратная связь представлена делителем напряжения и посажена на землю.

Посмотрим как все это работает. Допустим на вход подано 5В, резистор R1 = 10Ом, резистор R2 = 10Ом. Чтобы напряжение на входах были равны, операционник вынужден поднять напряжение на выходе так, чтобы потенциал на инверсном входе сравнялся с прямым. В данном случае делитель напряжения делит пополам, получается, что напряжение на выходе должно быть  в два раза больше напряжения на входе.

Вообще чтобы применять эту схему включения даже не нужно  ничего ворошить в голове, достаточно воспользоваться формулой, где достаточно узнать коэффициент К.

Инвертирующий усилитель

И сейчас мы рассмотрим работу такой схемы включения как инвертирующий усилитель.  Для инвертирующего усилителя  есть такие формулы:

Инвертирующий усилитель позволяет усиливать сигнал одновременно инвертируя (меняя знак ) его . Причем коэффициент усиления мы можем задать любой. Этот коэффициент усиления мы формируем посредством отрицательной обратной связи, которая представляет собой делитель напряжения.

Теперь попробуем его в работе, допустим на входе у нас сигнал в 1В, резистор R2 = 100Ом, резистор R1 = 10Ом. Сигнал со входа идет через R1, затем R2  и на выход.  Допустим сигнал на выходе невероятным образом стал 0В. Рассчитаем делитель напряжения.

1В/110=Х/100, отсюда Х = 0,91В

Получается что в точке А потенциал равен 0,91В,  но это противоречит правилу операционного усилителя. Ведь операционник стремится уравнять потенциалы на своих входах. Поэтому потенциал в точке А будет равен нулю и равен потенциалу в точке B.

Как сделать так чтобы на входе был 1В а в точке А  был 0В?

Для этого нужно уменьшать напряжение на выходе.  И в результате мы получаем

 

К сожалению инвертирующий усилитель обладает одним явным недостатком — низким входным сопротивлением, которое равняется резистору R1.

Сумматор инвертирующий

 

А эта схема включения позволяет складывать множество входных напряжений. Причем напряжения могут быть как положительными так и отрицательными. По истине на операционниках можно строить аналоговые компьютеры. Так чтож давайте разбираться.

Основой сумматора служит все тот же инвертирующий усилитель только с одним отличием, вместо одного входа он может иметь этих входов сколько угодно. Вспомним формулку и инвертирующего усилка.Потенциал точки Х будет равен нулю поэтому сумма токов входящих с каждого входа будет выглядеть вот так:Если нашей целью является чистое сложение входных напряжений то все резисторы в этой схеме выбираются одного номинала.  Это приводит также что коэффициент усиления для каждого входа будет равен 1. Тогда формула для инвертирующего усилителя принимает вид: 

Ну чтож, я думаю что с работой сумматора и других схем включения на операционниках разобраться не трудно. Достаточно немножко попрактиковаться и попробовать собрать эти схемы и посмотреть что происходит с входными и выходными сигналами.

А я на этом пожалуй остановлюсь ведь в работе с операционными усилителями применяются очень много различных схем включения, это различные преобразователи ток-напряжение,  сумматоры, интеграторы и логарифмирующие усилители и все их рассматривать можно очень долго.

Если вас заинтересовали другие схемы включения и хотите с ними разобраться то советую полистать книжку П.Хоровица и У.Хилла,  все обязательно встанет на свои места.

А на этом я буду завершать, тем более статья получилась достаточно объемной и  после написания ее нужно чутка подшлифовать и навести марафет.

Друзья, не забывайте подписываться на обновления блога, ведь чем больше читателей подписано на обновления тем больше я понимаю что  делаю что-то важное и полезное и это чертовски мотивирует на новые статьи и материалы.

Кстати друзья, у меня возникла одна классная идея и мне очень важно слышать ваше мнение. Я подумываю выпустить обучающий материал   по операционным усилителям, этот материал будет в виде обычной pdf книжки или видеокурса, еще не решил. Мне кажется что несмотря на большое обилие информации в интернете и в литературе все=таки не хватает наглядной практической информации, такой, которую сможет понять каждый.

Так вот, напишите пожалуйста в комментариях какую информацию вы хотели бы видеть в этом обучающем материале чтобы я мог выдавать не просто полезную информацию а информацию которая действительно востребована.

А на этом у меня все, поэтому я желаю вам удачи, успехов и прекрасного настроения, даже не смотря на то что за окном зима!

С н/п Владимир Васильев.

P.S. Друзья, обязательно подписывайтесь на обновления! Подписавшись вы будете получать новые материалы себе прямо на почту! И кстати каждый подписавшийся получит полезный подарок!

Схемы на основе операционного усилителя

Блог о электронике

Что то часто мне стали задавать вопросы по аналоговой электронике. Никак сессия студентов за яцы взяла? 😉 Ладно, давно пора двинуть небольшой ликбезик. В частности по работе операционных усилителей. Что это, с чем это едят и как это обсчитывать.

Что это
Операционный усилитель это усилок с двумя входами, невье… гхм… большим коэфициентом усиления сигнала и одним выходом. Т.е. у нас Uвых= K*Uвх а К в идеале равно бесконечности. На практике, конечно, там числа поскромней. Скажем 1000000. Но даже такие числа взрывают мозг при попытке их применить напрямую. Поэтому, как в детском саду, одна елочка, две, три, много елочек — у нас тут много усиления 😉 И баста.

А входа два. И один из них прямой, а другой инверсный.

Более того, входы высокоомные. Т.е. их входное сопротивление равно бесконечности в идеальном случае и ОЧЕНЬ много в реальном. Счет там идет на сотни МегаОм, а то и на гигаомы. Т.е. оно замеряет напряжение на входе, но на него влияет минимально. И можно считать, что ток в ОУ не течет.

Напряжение на выходе в таком случае обсчитывается как:

Очевидно, что если на прямом входе напряжение больше чем на инверсном, то на выходе плюс бесконечность. А в обратном случае будет минус бесконечность.

Разумеется в реальной схеме плюс и минус бесконечности не будет, а их замещать будет максимально высокое и максимально низкое напряжение питания усилителя. И у нас получится:

Компаратор
Устройство позволяющее сравнивать два аналоговых сигнала и выносить вердикт — какой из сигналов больше. Уже интересно. Применений ему можно придумать массу. Кстати, тот же компаратор встроен в большую часть микроконтроллеров и как им пользоваться я показывал на примере AVR в статьях про использование аналогового компаратора и про создание на его базе АЦП. Также компаратор замечательно используется для создания всяких ШИМ сигналов.

Но одним компаратором дело не ограничивается, ведь если ввести обратную связь, то из ОУ можно сделать очень многое.

Обратная связь
Если мы сигнал возьмем со выхода и отправим прямиком на вход, то возникнет обратная связь.

Положительная обратная связь
Возьмем и загоним в прямой вход сигнал сразу с выхода.

Что получим? А ничего интересного, процесс пойдет по следующей цепочке событий.

В общем, выход мгновенно свалится в бесконечные минуса, а в реале ляжет на шину отрицательного питания и усе. Поэтому такое включение применяется крайне редко. Например в триггере Шмитта для обеспечения гистерезиса.

Триггер Шмитта
Представим себе компаратор включенный по такой вот схеме и запитанный от +/- 15 вольт:

  • Напряжение U1 больше нуля — на выходе -15 вольт
  • Напряжение U1 меньше нуля — на выходе +15 вольт

А что будет если напряжение будет равно нулю? По идее на выходе должен быть ноль. Но в реальности напряжение НИКОГДА не будет равно нулю. Ведь даже если на один электрон заряд правого перевесит заряд левого, то уже этого достаточно, чтобы на бесконечном усилении вкатить потенциал на выход. И на выходе начнется форменный ад — скачки сигнала то туда, то сюда со скоростью случайных возмущений, наводящихся на входы компаратора.

Для решения этой проблемы вводят гистерезис. Т.е. своего рода зазор между переключениями из одного состояния в другое. Для этого вводят положительную обратную связь, вот так:

Считаем, что на инверсном входе в этот момент +10 вольт. На выходе с ОУ минус 15 вольт. На прямом входе уже не ноль, а небольшая часть выходного напряжения с делителя. Примерно -1.4 вольта Теперь, пока напряжение на инверсном входе не снизится ниже -1.4 вольта выход ОУ не сменит своего напряжения. А как только напряжение станет ниже -1.4, то выход ОУ резко перебросится в +15 и на прямом входе будет уже смещение в +1.4 вольта.

И для того, чтобы сменить напряжение на выходе компаратора сигналу U1 надо будет увеличиться на целых 2.8 вольта, чтобы добраться до верхней планки в +1.4.

Возникает своеобразный зазор где нет чувствительности, между 1.4 и -1.4 вольтами. Ширина зазора регулируется соотношениями резисторов в R1 и R2. Пороговое напряжение высчитывается как Uout/(R1+R2) * R1 Скажем 1 к 100 даст уже +/-0.14 вольт.

Но все же ОУ чаще используют в режиме с отрицательной обратной связью.

Отрицательная обратная связь
Окей, воткнем по другому:

В случае отрицательной обратной связи у ОУ появляется интересное свойство. Он всегда будет пытаться так подогнать свое выходное напряжение, чтобы напряжения на входах были равны, в результате давая нулевую разность.
Пока я в великой книге от товарищей Хоровица и Хилла это не прочитал никак не мог вьехать в работу ОУ. А оказалось все просто.

Повторитель
И получился у нас повторитель. Т.е. на входе U1, на инверсном входе Uout = U1. Ну и получается, что Uout = U1.

Спрашивается нафига нам такое счастье? Можно же было напрямую кинуть провод и не нужен будет никакой ОУ!

Можно, но далеко не всегда. Представим себе такую ситуацию, есть датчик выполненный в виде резистивного делителя:

Нижнее сопротивление меняет свое значение, меняется расклад напряжений выхода с делителя. А нам надо снять с него показания вольтметром. Но у вольтметра есть свое внутреннее сопротивление, пусть большое, но оно будет менять показания с датчика. Более того, если мы не хотим вольтметр, а хотим чтобы лампочка меняла яркость? Лампочку то сюда никак не подключить уже! Поэтому выход буфферизируем операционным усилителем. Его то входное сопротивление огромно и влиять он будет минимально, а выход может обеспечить вполне ощутимый ток (десятки миллиампер, а то и сотни), чего вполне хватит для работы лампочки.
В общем, применений для повторителя найти можно. Особенно в прецезионных аналоговых схемах. Или там где схемотехника одного каскада может влиять на работу другого, чтобы разделить их.

Усилитель
А теперь сделаем финт ушами — возьмем нашу обратную связь и через делитель напряжения подсадим на землю:

Теперь на инверсный вход подается половина выходного напряжения. А усилителю то по прежнему надо уравнять напряжения на своих входах. Что ему придется сделать? Правильно — поднять напряжение на своем выходе вдвое выше прежнего, чтобы компенсировать возникший делитель.

Теперь будет U1 на прямом. На инверсном Uout/2 = U1 или Uout = 2*U1.

Поставим делитель с другим соотношением — ситуация изменится в том же ключе. Чтобы тебе не вертеть в уме формулу делителя напряжения я ее сразу и дам:

Мнемонически запоминается что на что делится очень просто:

Таким образом, можно очень легко умножать аналоговые значения на числа больше 1. А как быть с числами меньше единицы?

Инвертирующий усилитель
Тут поможет только инверсный усилитель. Разница лишь в том, что мы берем и прямой вход коротим на землю.

При этом получается, что входной сигнал идет по цепи резисторов R2, R1 в Uout. При этом прямой вход усилителя засажен на нуль. Вспоминаем повадки ОУ — он постарается любыми правдами и неправдами сделать так, чтобы на его инверсном входе образовалось напряжение равное прямому входу. Т.е. нуль. Единственный вариант это сделать — опустить выходное напряжение ниже нуля настолько, чтобы в точке 1 возник нуль.

Итак. Представим, что Uout=0. Пока равно нулю. А напряжение на входе, например, 10 вольт относительно Uout. Делитель из R1 и R2 поделит его пополам. Таким образом, в точке 1 пять вольт.

Пять вольт не равно нулю и ОУ опускает свой выход до тех пор, пока в точке 1 не будет нуля. Для этого на выходе должно стать (-10) вольт. При этом относительно входа разность будет 20 вольт, а делитель обеспечит нам ровно 0 в точке 1. Получили инвертор.

Но можно же и другие резисторы подобрать, чтобы наш делитель выдавал другие коэффициенты!
В общем, формула коэффициента усиления для такого усилка будет следующей:

Ну и мнемоническая картинка для быстрого запоминания ху из ху.

Вычитающая схема
Однако никто же не мешает подать на прямой вход не ноль, а любое другое напряжение. И тогда усилитель будет пытаться приравнять свой инверсный вход уже к нему. Получается вычитающая схема:

Допустим U2 и U1 будет по 10 вольт. Тогда на 2й точке будет 5 вольт. А выход должен будет стать таким, чтобы на 1й точке стало тоже 5 вольт. То есть нулем. Вот и получается, что 10 вольт минус 10 вольт равняется нуль. Все верно 🙂

Если U1 станет 20 вольт, то выход должен будет опуститься до -10 вольт.
Сами посчитайте — разница между U1 и Uout станет 30 вольт. Ток через резистор R4 будет при этом (U1-Uout)/(R3+R4) = 30/20000 = 0.0015А, а падение напряжения на резисторе R4 составит R4*I4 = 10000*0.0015 = 15 вольт. Вычтем падение в 15 вольт из входных 20 и получим 5 вольт.

Таким образом, наш ОУ прорешал арифметическую задачку из 10 вычел 20, получив -10 вольт.

Более того, в задачке есть коэффициенты, определяемые резисторами. Просто у меня, для простоты, резисторы выбраны одинакового номинала и поэтому все коэффициенты равны единице. А на самом деле, если взять произвольные резисторы, то зависимость выхода от входа будет такой:

Мнемотехника для запоминания формулы расчета коэффициентов такова:
Прям по схеме. Числитель у дроби вверху поэтому складываем верхние резисторы в цепи протекания тока и множим на нижний. Знаменатель внизу, поэтому складываем нижние резисторы и множим на верхний.

Если же вводные резисторы (R4 и R5) равны друг другу. И резистор обратной связи и резистор на землю (R3 и R6) тоже равны друг другу. То формула упрощается до

Таким образом, на одном усилке можно два сигнала сначала вычесть, а потом умножить на константу. Этим, кстати, я воспользовался в схеме реобаса, чтобы привести милливольтный сигнал с датчика температуры к вменяемому виду.

Раз можно вычитать, то можно и суммировать

Тут все просто. Т.к. точка 1 у нас постоянно приводится к 0, то можно считать, что втекающие в нее токи всегда равны U/R, а входящие в узел номер 1 токи суммируются. Соотношение входного резистора и резистора в обратной связи определяет вес входящего тока.

Ветвей может быть сколько угодно, я же нарисовал всего две.

Резисторы на входе (R1, R2) определяют величину тока, а значит общий вес входящего сигнала. Если сделать все резисторы равными, как у меня, то вес будет одинаковым, а коэффициент умножения каждого слагаемого будет равен 1. И Uout = -1(U1+U2)

Сумматор неинвертирующий
Тут все чуток посложней, но похоже.

Причем резисторы в обратной связи должны быть такими, чтобы соблюдалось уравнение R3/R4 = K1+K2

В общем, на операционных усилителях можно творить любую математку, складывать, умножать, делить, считать производные и интегралы. Причем практически мгновенно. На ОУ делают аналоговые вычислительные машины. Одну такую я даже видел на пятом этаже ЮУрГУ — дура размером в пол комнаты. Несколько металлических шкафов. Программа набирается соединением разных блоков проводочками 🙂

Продолжение следует, когда-нибудь 🙂

192 thoughts on “Операционный усилитель”

> с двумя входами. Невье… гхм… большим
А не лучше ли запятую вместо точки?
> Поэтому такое включение не применяется. ОУ сконструирован для отрицательной обратной связи.
Ну ПОС тоже применяют, получая триггер Шмитта. В том же реобасе используется. Так что можно было и его описать)

О, точняк. Про него я чето запамятовал.

Моар спеллчека.
> Например в Триггере Шмидта
1) «Триггер» с малой буквы
2) Согласно вики — таки Шмитта.

Да ну? Я иначе как Шмидт его ни разу не видел.

Шмидт и Шмитт это разные люди 🙂
Один летчиком был, именем другого триггер назван.
Шмидт — это который лейтинант («Дети лейтинанта Шмидта» все помнят),
а триггер он Шмитта.

Неплохо бы написать мануал по выбору усилка. А то их всяких разных уж больно много развелось…

А что там много параметров? Для повседневных нужд тока частота, питающее напряжение, райл2райл или нет. КОрпус еще. Ну а для прецезионных затрахов там свои приколы и я их сам не знаю. Т.к. с аналоговой точной техникой дело имел мало да и не нужно оно особо в быту.

ещё полоса пропускания для переменных сигналов.
в своё время для космических систем в одном месте не нашлось ничего лучше, чем 744уд2 именно по этому параметру, так до сих пор и живём )

Стоило бы чуть-чуть коснуться практики применения ОУ с однополярным питанием (подозреваю что начинающим будет трудновато адаптировать твои рассуждения самостоятельно).
Ещё: привести вариант какой-нить простой схемы (например, http://easyelectronics.ru/img/starters/OPAMPS/5_noinvert.GIF), но добавить конденсатор с намёком что по переменному току сопротивление цепочки будет другое (более того, будет меняться с изменением частоты), а значит можно строить усилители с нелинейной АЧХ.
Ну, и grammar nazi тут подсказывает что «буфер» пришеццо с одной «ф». Тебе прям по всем статьям надо пройтись поиском-заменой, а то режет очень 🙂

Во, как справочник самое то! А то иногда приходится выводить эти формулы по ходу составления схемы, отвлекаясь от обдумывания более важных вещей. Давно хотел себе оформить это в виде листа, прилепленного на стенку 🙂

Я как справочник юзаю статью из Википедии (Применение операционных усилителей). Там базовые схемы и формулы есть.

Да, про вики я забыл. Там иногда тоже нужные вещи пишут

Обратная связь это когда сигнал с выхода поступает опять на вход, но не наоборот!

Странно как…
Столько картинок и ни одного канализационно-водопроводного аналога… 🙂

А если серьёзно — правильно делаешь, что пишешь про аналог. Хоть миром и правит цифрровая электроника, но без аналога у неё будут большие проблемы в «общении» с этим самым миром.

Еще я что-то не заметил (может плохо смотрел) схемы для измерения тока (падение на шунтирующем резисторе) или хотя-бы её описания.

З.Ы. Есть у меня хорошая (на мой взгляд) книжка — «Что нужно знать цифровому разработчику об аналоговой электронике» (авт. Бонни Бэйкер). Довольно хорошо написана (правда местами скучно..). Посмотри на досуге — может добавишь в раздел «книги».

Да будет продолжение где наброшу практики. Вроде того же виртуального нуля, способов питания, ограничений всяких. Применение и так далее.

Книга, кстати, очень удобная. Мне ее подарили на TI Technology day. Просто, доступно, с примерами.

>>Если мы сигнал возьмем со входа и отправим прямиком на выход, то возникнет обратная связь.
Перепутал местами.

>>Uout = -1(R3*U1/R9 + R3*U2/R8)
Индексы не соответствуют картинке!

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

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

Идеальный операционный усилитель и его свойства

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

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

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

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

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

Основные схемы включения операционного усилителя

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

Неинвертирующий усилитель

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


Схема включения неинвертирующего усилителя.

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

Таким образом, основные параметры данной схемы описываются следующим соотношением

Отсюда выводится соотношение для коэффициента усиления неинвертирующего усилителя

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

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

Инвертирующий усилитель

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


Схема инвертирующего усилителя.

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


Тогда коэффициент усиление данной схемы будет равен

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

Интегратор

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


Интегратор на операционном усилителе.

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

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

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

Дифференциатор

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


Дифференциатор на операционном усилителе.

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

Выходное напряжение составит

Логарифмирующий преобразователь

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


Логарифмирующий преобразователь.

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

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

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

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

тогда выходное напряжение

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

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

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

Экспоненциальный преобразователь

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


Экспоненциальный преобразователь.

Работа схемы описывается известными выражениями

Таким образом, выходное напряжение составит

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

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

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

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

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

Идеальный операционный усилитель и его свойства

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

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

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

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

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

Основные схемы включения операционного усилителя

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

Неинвертирующий усилитель

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


Схема включения неинвертирующего усилителя.

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

Таким образом, основные параметры данной схемы описываются следующим соотношением

Отсюда выводится соотношение для коэффициента усиления неинвертирующего усилителя

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

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

Инвертирующий усилитель

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


Схема инвертирующего усилителя.

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


Тогда коэффициент усиление данной схемы будет равен

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

Интегратор

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


Интегратор на операционном усилителе.

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

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

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

Дифференциатор

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


Дифференциатор на операционном усилителе.

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

Выходное напряжение составит

Логарифмирующий преобразователь

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


Логарифмирующий преобразователь.

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

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

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

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

тогда выходное напряжение

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

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

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

Экспоненциальный преобразователь

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


Экспоненциальный преобразователь.

Работа схемы описывается известными выражениями

Таким образом, выходное напряжение составит

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

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

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

Основные схемы включения операционных усилителей

Т.О. Князькова Т.В. Авдеева

«Исследование аналоговых устройств на базе операционных усилителей в среде Multisim»

Методические указания по выполнению лабораторной работы «Исследование аналоговых устройств на базе операционных усилителей в среде Multisim» по дисциплине «Электротехника и электроника»

(С) 2014 МГТУ им. Н.Э. Баумана

Рецензент: старший научный сотрудник, к.ф.м.н. Андрей Викторович Журавлев

Князькова Т.О. Авдеева Т.В.

«Исследование аналоговых устройств на базе операционных усилителей в среде Multisim» по дисциплине «Электротехника и электроника». Электронное учебное издание. — М., МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2014, 26с.

Издание содержит, введение, где представлены основные теоретические сведения, необходимые для изучения работы аналоговых устройств на базе операционных усилителей: инвертирующий усилитель, сумматор, интегратор, дифференциатор и избирательный усилитель. Приведены указания по работе в программе Multisim, порядок выполнения лабораторной работы, методика работы с частотным анализатором.

Целью лабораторной работы является освоение студентами раздела «аналоговые устройства на базе операционных усилителей» и получения навыка проведения эксперимента в среде Multisim.

Особое внимание уделено исследованию операционных усилителей в качестве инвертирующих сумматоров, интеграторов, дифференциаторов и избирательных усилителей в среде Multisim. Определение их параметров и характеристик с помощью Боде-плоттера. При выполнении лабораторной работы студенты проводят самостоятельную сборку схем и снятие параметров в среде Multisim, проводят обработку результатов, проводят сравнительный анализ полученных результатов.

Для студентов МГТУ им. Н.Э. Баумана факультетов: МТ, СМ, РК, ИБМ.

Рекомендовано Учебно-методической комиссией НУК «Фундаментальные науки» МГТУ им. Н.Э. Баумана

«Исследование аналоговых устройств на базе операционных усилителей в среде Multisim»

(С) 2014 МГТУ им. Н.Э. Баумана

1.Теоретическое введение……………………………………………………………3

1.1 Параметры ОУ………………………………………………………………….4

1.2 Характеристики усилителей…………………………………………………..5

1.3 Основные схемы включения операционных усилителей…………………6

1.3.1 Неинвертирующий усилитель…………………………………..6

1.3.2 Инвертирующий усилитель……………………………………..7

1.3.3 Дифференциальное включение ОУ…………………………….7

1.3.4 Сумматор…………………………………………………………..8

1.3.5 Дифференциатор…………………………………………………..8

1.3.6 Интегратор…………………………………………………………9

1.3.7 Избирательный усилитель …………………………………………..9

2. Методические указания по работе в среде Multisim…………………………..10

2.1 Настройка параметров приборов…………………………………………13

2.2 Снятие ЛАЧХ и ЛФЧХ усилителя с помощью Боде-плоттера……….14

3. экспериментальная часть………………………………………………………..15

3.1 Используемые приборы и устройства……………………………………15

4. Порядок выполнения лабораторной работы………………………………….17

4.1. Исследование инвертирующего усилителя……………………………..17

4.2 Исследование сумматора……………………………………………………18

4.3 Исследование интегратора…………………………………………………19

4.4 Исследование дифференцирующего усилителя…………………………20

4.5 Исследование избирательного усилителя………………………………..21

5. Содержание отчёта…………………………………………………………………22

6. Список литературы………………………………………………………………..23

Приложение 1 Варианты заданий…………………………………………………..23

Приложение 2 Образец титульного листа………………………………………….24

Оглавление……………………………………………………………………………..25

«Исследование аналоговых устройств на базе операционных усилителей в среде Multisim»

Цель работы: Исследование операционных усилителей в качестве инвертирующих сумматоров, интеграторов, дифференциаторов и избирательных усилителей в среде Multisim. Определение их параметров и характеристик с помощью Боде-плоттера.

После выполнения лабораторной работы студенты будут знать:


Теоретическое введение

 

Операционный усилитель (ОУ) – это линейный преобразователь, дифференциальный усилитель постоянного тока с очень большим коэффициентом усиления, предназначенный для работы с «глубокой» отрицательной обратной связью (ООС) рис.1.

Активный фильтр комплексное устройство, состоящее из ОУ и внешних элементов, образующих цепь обратной связи, предназначено для выполнения некоторых математических операций над аналоговыми электрическими величинами (как, например, суммирование, интегрирование, дифференцирование, умножение на постоянные коэффициенты и др.).

Собственно операционный усилитель без цепи обратной связи не применяют. ОУ используют также в качестве прецизионных усилителей, активных фильтров, повторителей напряжения, компараторов, на их основе строятся избирательные и полосовые усилители, генераторы синусоидальных сигналов, генераторы сигналов различной формы сигналов, регуляторы и стабилизаторы напряжения и т.д.

 

 

Рис.1. Структурная схема ОУ с ООС

 

Операционный усилитель основной элемент электронных устройств. Обозначения ОУ на схемах, показаны на рис.2 .

 

 

Рис.2. Обозначения ОУ

 

Операционный усилитель имеет три основных вывода: два на входе и один на выходе. Входы : инвертирующий (обозначается «-« или кружок) и неинвертирующий (обозначается «+»).

 

Параметры ОУ

Параметры ОУ можно варьировать при помощи обратных связей, построив на их основе усилители с заданными значениями коэффициента усиления, входного и выходного сопротивлений. Отрицательная обратная связь (ООС) обеспечивает устойчивость устройств, подается она с выхода ОУ на инвертирующий вход рис.1. Для снижения дрейфа нуля, устойчивости параметров и увеличения линейного участка передаточной характеристики ОУ, его в основном применяют с «глубокой» отрицательной обратной связью. С помощью подбора глубины обратной связи можно реализовать аналоговые устройства с параметрами в широком диапазоне, воспроизведение частотных характеристик с заданными свойствами, независимость устройства от нагрузки, совмещение усилительных свойств с фильтрующими в пределах полосы пропускания. ОУ дает возможность использовать резисторы и конденсаторы небольших номиналов даже на очень низких частотах.

Основной параметр любого усилителя — коэффициент усиления. Коэффициент усиления ОУ уменьшается пропорционально глубине обратной связи:

Кос – коэффициент усиления с учётом отрицательной обратной связи;

β или γ – коэффициент передачи обратной связи;

К — коэффициент усиления ОУ.

Проанализируем формулу (1):

если , то

если , то — «глубокая» ООС

При «глубокой» отрицательной обратной связи коэффициент усиления не зависит от коэффициента усиления операционного усилителя, а зависит только от соотношения параметров звена обратной связи .

Идеальный операционный усилитель имеет параметры:

неопределенно большой дифференциальный коэффициент усиления К→∞;

входное сопротивление Rвх →∞;

выходное сопротивление Rвых→0;

полностью симметричен;

имеет неограниченную полосу пропускания.

 

Характеристики усилителей

Важной характеристикой усилителей и активных фильтров, являются амплитудно-частотная характеристика (АЧХ), представляющая собой зависимость коэффициента усиления от частоты .

Так как звено обратной связи, образовано включенными R и C элементами, то между входным и выходным напряжениями возникнет сдвиг фаз. Эту зависимость отражает фазо-частотная характеристика ФЧХ .

Логарифмические амплитудно- и фазо-частотные характеристики (ЛАЧХ) и (ЛФЧХ) являются удобным средством анализа устойчивости линейных систем и служат для расчета корректирующих цепей.

Амплитудно-частотные характеристики строятся в логарифмическом масштабе. По оси ординат откладывают коэффициент усиления, выраженное в децибелах, по оси абсцисс откладывают частоту или отношение частот сигналов, в логарифмическом масштабе. Логарифмический масштаб удобен для графического представления частотных характеристик.

• дБ – децибела — специальная единица, определяемая отношением амплитуд двух сигналов. K(дБ) = 20lgK

• Интервал частот, отличающихся в 10 раз называют декадой.

20lg10 = 20 дБ наклон характеристики +20 дБ/дeк

 

Реальный ОУ имеет: коэффициент усиления К от 103 до 106, частоту единичного усиления fед (частота при которой коэффициент усиления ОУ равен единице К=1) обычно составляет 0,5 – 10 МГц.

Зная частоту единичного усиления fед и коэффициент усиления реального ОУ можно легко определить частоту среза по амплитудно-частотной характеристике или ЛАЧХ рис 3.

 

 

Рис. 3. ЛАЧХ ОУ

 

На верхних частотах ОУ, начиная с частоты среза fс (точка излома ЛАЧХ ОУ), коэффициент усиления снижается из-за инерционности, и скорость спада АЧХ составляет -20 дБ/дек до частоты единичного усиления, рис 3.

 

 

Инвертирующий усилитель

Коэффициент усиления: Kuoc = — R2/R1

Знак минус указывает на то, что входное и выходное напряжения находятся в противофазе.

 

Сумматор

Сумматор на основе ОУ с частотно независимыми элементами.

 

Напряжение на выходе усилительной схемы равно напряжениям на входных элементах с весовыми коэффициентами, равными коэффициенту усиления для рассматриваемого входа:

 

Использование реактивных элементов позволяет реализовать аналоговые операции дифференцирования и интегрирования.

 

1.3.5 Дифференциатор.

 

, откуда ,

т.е. выходное напряжение является дифференциалом входного напряжения с весовым коэффициентом RC.

 

Интегратор

В случае, когда к инвертирующему входу подключен резистор, а в цепь обратной отрицательной связи установлен конденсатор, схема с операционным усилителем выполняет функцию интегратора:

,

т.е. выходное напряжение является интегралом от входного напряжения.

Пример. Если на входном резисторе напряжение изменить скачком от 0 до U0, то на выходе ОУ напряжение будет изменяться по закону , т.е. расти пропорционально времени. Это соответствует случаю зарядки конденсатора С постоянным током I1=U1/R.

 

Избирательный усилитель.

Квазирезонансная частота определяется по формуле:

Коэффициент усиления , если С1=С2, тогда

2. Методические указания по работе в среде Multisim

 

Сборка схемы в среде Multisim. На рис.4 один рабочее окно в среде Multisim. Панель интрументов, располагается справа.

 

 

Рис.4. Рабочее окно в среде Multisim и панель инструментов

 

На рабочем поле необходимо разместить элементы схемы. Для этого на верхней панели инструментов слева нажмём кнопку «Place Basic» рис. 5. На ней изображён резистор. Обозначение резисторов на схеме в Multisim отличается от принятого ГОСТом. Появится окно «Select a Component», где из списка «Family» надо выбрать «Resistor» рис. 5. Под строкой «Component» появятся номинальные значения сопротивлений, выбрать нужное нажатием левой кнопки мыши или же непосредственным введением в графу «Component» необходимого значения с клавиатуры.

В поле «Symbol» можно увидеть, как будет выглядеть выбранный элемент на рабочем поле. После выбора номинального значения, нажать кнопку «OK» и, поместить элемент на поле схемы нажатием левой кнопки мыши. Далее можно продолжать размещение необходимых элементов или нажать кнопку «Close», чтобы закрыть окно «Select a Component».

 

Рис.5. Выбор резистора

 

Аналогично расположить в поле конденсаторы. Только в списке «Family» выбирается конденсатор «Capacitor» рис.6.

 

 

Рис.6. Выбор конденсатора

 

Размещённые на поле элементы необходимо соединить проводами. Для этого наводится курсор на клемму-вывод одного из элементов, нажать левую кнопку мыши. Появится провод, обозначенный пунктиром, подвести провод к клемме второго элемента и снова нажать левой кнопкой мыши и соединить элементы. Проводу так же можно придавать промежуточные изгибы, обозначая их кликом мыши и двигая по стрелке рис.7.

 

 

Рис.7. Соединение элементов

 

Поместить на рабочее поле ОУ. Для этого выбрать на верхней панели инструментов «Analog» рис. 8. В списке «Family» выбрать элемент «Analog_Virtual». В списке «Component» — элемент «OPAMP_3T_VIRTUAL» рис.9. Разместить ОУ на рабочем поле.

 

 

Рис.8. ОУ на панели Multisim

 

 

Рис.9. Выбор ОУ

 

Соединяются все размещённые элементы по схеме. Схему необходимо заземлить. Для этого на панели инструментов выбирается «Place Source». В списке «Family» открывшегося окна выбирают тип элемента «Power Souces», в списке «Component» — элемент земля «GND».

Для подключения частотного анализатора выбирается на правой инструментальной панели «Bode Plotter» рис.4, и размешается на рабочем поле нажатием левой кнопки мыши. Приборы подсоединяются к схеме, как показано на рис.7.

Запустить схему нажатием «Simulation switch» рис.10.

 

Рис.10. «Simulation switch» включение схемы

 

Экспериментальная часть

3.1 Используемые приборы и устройства:

 

  1. операционный усилитель

 

 

  1. резисторы

 

 

  1. конденсатор

 

  1. осциллограф Экран осциллографа

 

 

 

 

  1. Боде-плоттер Экран Боде-плоттера

 

 

  1. Вольтметр (DC)- постоянного напряжения, (АС)- переменного напряжения

 

  1. генератор переменных сигналов экран генератора

 

Исследование сумматора

Собрать схему сумматора рис. 3.2. Параметры ОУ установить как в пункте 4.1

 

 

Рис. 4.2 Сумматор

 

Установить R1=R2= 100 Ом, R3 согласно варианту в приложении.

Определить коэффициент передачи усилителя при Е2=10 мВ, Е1= 0 и Е2=0 мВ, Е1=20 мВ, измеряя выходное напряжение с помощью вольтметра. Записать результаты в таблицу 4.2 в колонку «Кус эксперимент».

Написать формулу для выходного напряжения, при произвольном Е1.

Рассчитать теоретический Кус и записать в таблицу 4.2. Сравнить экспериментальный и теоретический Кус.

Задаться Е1 согласно варианту, Е2=10 мВ и снять показания вольтметра.

Рассчитать Uвых по полученной формуле и сравнить с показанием вольтметра. Сделать вывод. Определить какой сумматор исследовали.

 

Таблица 4.2

Е2,мВ Е1, мВ Uвых, мВ Кус эксперимент Кус теоретический
     
     
       

 

Исследование интегратора

Собрать схему интегратора рис. 4.3 и ОУ установить как в пункте 4.1.

 

 

Рис.4.3 Интегратор

 

Установить параметры генератора: кликнуть левой мышкой на генератор, появится окно с параметрами, установить прямоугольную форму сигнала, частоту 5кГц, заполнение 50%, амплитуду сигнала 1 мВ, смещение 0.

Установить емкость конденсатора С1=10 пФ, R2=10 МОм, сопротивление резистора R1 согласно варианту в приложении.

Включить схему.

Определить максимальный коэффициент усиления с помощью Боде-плоттера, по уровню 3дб определить коэффициент усиления на нижней и верхней частоте, рассчитать полосу пропускания, выходное напряжение, т.е. показание вольтметра. Результаты измерений и вид ЛАЧХ занести в таблицу 4.1. Сделать вывод.

 

Содержание отчёта

1. Титульный лист (приложение 3)

2. Название и схемы исследуемых устройств.

3. Выполненные задания Таблица 3.1 и 3.2.

 

Список литературы

 

1. Прянишников В.А. Электроника, полный курс лекций, 5-е издание. СПб.: КОРОНА принт, М.: Бином- пресс, 2006.

2. Марченко А. Л. Основы электроники. Учебное пособие для вузов. М.: ДМК Пресс, 2009, 296 c.

3. Князькова Т.О. Конспект лекций http://hoster.bmstu.ru/-moodle, 2012г.

5. Марченко А.Л., Освальд С.В. Лабораторный практикум по электротехнике и электронике в среде Multisim. Учебное пособие для вузов. М.: изд-во ДМК Пресс, 2010, 448с.

 

Приложение 1 Варианты заданий

Вариант инвертирующий сумматор интегратор дифференциатор избирательный
R2 кОм R3 кОм E1 мВ R1 кОм R2 кОм R2 кОм С12 нФ
5.5 5.5 15.3 1.3 1.3
15.7 1.7 1.7
6.5 6.5
16.3 2.3 2.3
7.5 7.5 16.7 2.7 2.7
8.5 8.5 17.3 3.3 3.3
17.7 3.7 3.7
9.5 9.5
18.3 4.3 4.3
10.5 10.5 18.7 4.7 4.7
11.5 11.5 19.3 5.3 5.3
19.7 5.7 5.7
12.5 12.5
20.3 1.2 1.2
13.5 13.5 20.7 1.5 1.5
2.2 2.2
14.5 14.5 21.5 2.5 2.5
3.2 3.2
15.5 15.5 22.5 3.5 3.5
4.2 4.2
16.5 16.5 4.5 4.5
5.5 5.5

 

Приложение 2

Вопросы для самоконтроля

 

  1. Что такое операционный усилитель?
  2. Для чего включают обратные связи в ОУ?
  3. Основные статические параметры ОУ?
  4. Каким параметром определяется полоса пропускания ОУ?
  5. Основные характеристики ОУ?
  6. Как влияет ООС на полосу пропускания ОУ?
  7. На какой из входов ОУ подается отрицательная обратная связь?
  8. Какая отрицательная обратная связь используется в схемах с ОУ?
  9. Основные параметры цепи обратной связи?
  10. Как определить коэффициент усиления с помощью частотного анализатора?
  11. Что такое глубокая отрицательная обратная связь?
  12. Как задать полосу пропускания инвертирующего усилителя?
  13. Что такое интегратор? Схема. Основные свойства.
  14. Что такое дифференциатор? Схема. Основные свойства.
  15. Что такое сумматор? Схема. Основные свойства.
  16. Что такое избирательный усилитель? Схема. Основные свойства.
  17. Что такое ЛАЧХ и ЛФЧХ?
  18. Как можно задать коэффициент усиления инвертирующего усилителя?
  19. Как можно с помощью частотного анализатора определить полосу пропускания инвертирующего усилителя?

 

 

Приложение 3 Образец титульного листа

 

Московский государственный технический университет

Имени Н. Э. Баумана

 

Кафедра «Электротехника и промышленная электроника»

 

 

Лабораторная работа

по курсу « Электротехника и электроника »

на тему «Исследование налоговых устройств на базе операционных усилителей»

 

Вариант №

 

 

Выполнил: студент _________________

группа _________________

 

Проверил: преподаватель____________

 

Дата сдачи работы на проверку _____

 

Оценка_________________________

Москва _________201__

Т.О. Князькова Т.В. Авдеева

 

«Исследование аналоговых устройств на базе операционных усилителей в среде Multisim»

Электронное учебное издание

 

Методические указания по выполнению лабораторной работы «Исследование аналоговых устройств на базе операционных усилителей в среде Multisim» по дисциплине «Электротехника и электроника»

 

Москва

 

(С) 2014 МГТУ им. Н.Э. Баумана

УДК 621.38

Рецензент: старший научный сотрудник, к.ф.м.н. Андрей Викторович Журавлев

Князькова Т.О. Авдеева Т.В.

«Исследование аналоговых устройств на базе операционных усилителей в среде Multisim» по дисциплине «Электротехника и электроника». Электронное учебное издание. — М., МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2014, 26с.

Издание содержит, введение, где представлены основные теоретические сведения, необходимые для изучения работы аналоговых устройств на базе операционных усилителей: инвертирующий усилитель, сумматор, интегратор, дифференциатор и избирательный усилитель. Приведены указания по работе в программе Multisim, порядок выполнения лабораторной работы, методика работы с частотным анализатором.

Целью лабораторной работы является освоение студентами раздела «аналоговые устройства на базе операционных усилителей» и получения навыка проведения эксперимента в среде Multisim.

Особое внимание уделено исследованию операционных усилителей в качестве инвертирующих сумматоров, интеграторов, дифференциаторов и избирательных усилителей в среде Multisim. Определение их параметров и характеристик с помощью Боде-плоттера. При выполнении лабораторной работы студенты проводят самостоятельную сборку схем и снятие параметров в среде Multisim, проводят обработку результатов, проводят сравнительный анализ полученных результатов.

Для студентов МГТУ им. Н.Э. Баумана факультетов: МТ, СМ, РК, ИБМ.

Рекомендовано Учебно-методической комиссией НУК «Фундаментальные науки» МГТУ им. Н.Э. Баумана

Электронное учебное издание

Князькова Татьяна Олеговна

Авдеева Татьяна Викторовна

 

«Исследование аналоговых устройств на базе операционных усилителей в среде Multisim»

 

(С) 2014 МГТУ им. Н.Э. Баумана

Оглавление

1.Теоретическое введение……………………………………………………………3

1.1 Параметры ОУ………………………………………………………………….4

1.2 Характеристики усилителей…………………………………………………..5

1.3 Основные схемы включения операционных усилителей…………………6

1.3.1 Неинвертирующий усилитель…………………………………..6

1.3.2 Инвертирующий усилитель……………………………………..7

1.3.3 Дифференциальное включение ОУ…………………………….7

1.3.4 Сумматор…………………………………………………………..8

1.3.5 Дифференциатор…………………………………………………..8

1.3.6 Интегратор…………………………………………………………9

1.3.7 Избирательный усилитель …………………………………………..9

2. Методические указания по работе в среде Multisim…………………………..10

2.1 Настройка параметров приборов…………………………………………13

2.2 Снятие ЛАЧХ и ЛФЧХ усилителя с помощью Боде-плоттера……….14

3. экспериментальная часть………………………………………………………..15

3.1 Используемые приборы и устройства……………………………………15

4. Порядок выполнения лабораторной работы………………………………….17

4.1. Исследование инвертирующего усилителя……………………………..17

4.2 Исследование сумматора……………………………………………………18

4.3 Исследование интегратора…………………………………………………19

4.4 Исследование дифференцирующего усилителя…………………………20

4.5 Исследование избирательного усилителя………………………………..21

5. Содержание отчёта…………………………………………………………………22

6. Список литературы………………………………………………………………..23

Приложение 1 Варианты заданий…………………………………………………..23

Приложение 2 Образец титульного листа………………………………………….24

Оглавление……………………………………………………………………………..25

 

 

Лабораторная работа

«Исследование аналоговых устройств на базе операционных усилителей в среде Multisim»

Цель работы: Исследование операционных усилителей в качестве инвертирующих сумматоров, интеграторов, дифференциаторов и избирательных усилителей в среде Multisim. Определение их параметров и характеристик с помощью Боде-плоттера.

После выполнения лабораторной работы студенты будут знать:

  1. характеристики и параметры аналоговых устройств на базе операционного усилителя с различными цепями отрицательной обратной связи.
  2. методику исследования аналоговых устройств с помощью частотного анализатора.
  3. Схемотехнику построения аналоговых устройств на базе операционного усилителя с различными цепями отрицательной обратной связи.

 

Теоретическое введение

 

Операционный усилитель (ОУ) – это линейный преобразователь, дифференциальный усилитель постоянного тока с очень большим коэффициентом усиления, предназначенный для работы с «глубокой» отрицательной обратной связью (ООС) рис.1.

Активный фильтр комплексное устройство, состоящее из ОУ и внешних элементов, образующих цепь обратной связи, предназначено для выполнения некоторых математических операций над аналоговыми электрическими величинами (как, например, суммирование, интегрирование, дифференцирование, умножение на постоянные коэффициенты и др.).

Собственно операционный усилитель без цепи обратной связи не применяют. ОУ используют также в качестве прецизионных усилителей, активных фильтров, повторителей напряжения, компараторов, на их основе строятся избирательные и полосовые усилители, генераторы синусоидальных сигналов, генераторы сигналов различной формы сигналов, регуляторы и стабилизаторы напряжения и т.д.

 

 

Рис.1. Структурная схема ОУ с ООС

 

Операционный усилитель основной элемент электронных устройств. Обозначения ОУ на схемах, показаны на рис.2 .

 

 

Рис.2. Обозначения ОУ

 

Операционный усилитель имеет три основных вывода: два на входе и один на выходе. Входы : инвертирующий (обозначается «-« или кружок) и неинвертирующий (обозначается «+»).

 

Параметры ОУ

Параметры ОУ можно варьировать при помощи обратных связей, построив на их основе усилители с заданными значениями коэффициента усиления, входного и выходного сопротивлений. Отрицательная обратная связь (ООС) обеспечивает устойчивость устройств, подается она с выхода ОУ на инвертирующий вход рис.1. Для снижения дрейфа нуля, устойчивости параметров и увеличения линейного участка передаточной характеристики ОУ, его в основном применяют с «глубокой» отрицательной обратной связью. С помощью подбора глубины обратной связи можно реализовать аналоговые устройства с параметрами в широком диапазоне, воспроизведение частотных характеристик с заданными свойствами, независимость устройства от нагрузки, совмещение усилительных свойств с фильтрующими в пределах полосы пропускания. ОУ дает возможность использовать резисторы и конденсаторы небольших номиналов даже на очень низких частотах.

Основной параметр любого усилителя — коэффициент усиления. Коэффициент усиления ОУ уменьшается пропорционально глубине обратной связи:

Кос – коэффициент усиления с учётом отрицательной обратной связи;

β или γ – коэффициент передачи обратной связи;

К — коэффициент усиления ОУ.

Проанализируем формулу (1):

если , то

если , то — «глубокая» ООС

При «глубокой» отрицательной обратной связи коэффициент усиления не зависит от коэффициента усиления операционного усилителя, а зависит только от соотношения параметров звена обратной связи .

Идеальный операционный усилитель имеет параметры:

неопределенно большой дифференциальный коэффициент усиления К→∞;

входное сопротивление Rвх →∞;

выходное сопротивление Rвых→0;

полностью симметричен;

имеет неограниченную полосу пропускания.

 

Характеристики усилителей

Важной характеристикой усилителей и активных фильтров, являются амплитудно-частотная характеристика (АЧХ), представляющая собой зависимость коэффициента усиления от частоты .

Так как звено обратной связи, образовано включенными R и C элементами, то между входным и выходным напряжениями возникнет сдвиг фаз. Эту зависимость отражает фазо-частотная характеристика ФЧХ .

Логарифмические амплитудно- и фазо-частотные характеристики (ЛАЧХ) и (ЛФЧХ) являются удобным средством анализа устойчивости линейных систем и служат для расчета корректирующих цепей.

Амплитудно-частотные характеристики строятся в логарифмическом масштабе. По оси ординат откладывают коэффициент усиления, выраженное в децибелах, по оси абсцисс откладывают частоту или отношение частот сигналов, в логарифмическом масштабе. Логарифмический масштаб удобен для графического представления частотных характеристик.

• дБ – децибела — специальная единица, определяемая отношением амплитуд двух сигналов. K(дБ) = 20lgK

• Интервал частот, отличающихся в 10 раз называют декадой.

20lg10 = 20 дБ наклон характеристики +20 дБ/дeк

 

Реальный ОУ имеет: коэффициент усиления К от 103 до 106, частоту единичного усиления fед (частота при которой коэффициент усиления ОУ равен единице К=1) обычно составляет 0,5 – 10 МГц.

Зная частоту единичного усиления fед и коэффициент усиления реального ОУ можно легко определить частоту среза по амплитудно-частотной характеристике или ЛАЧХ рис 3.

 

 

Рис. 3. ЛАЧХ ОУ

 

На верхних частотах ОУ, начиная с частоты среза fс (точка излома ЛАЧХ ОУ), коэффициент усиления снижается из-за инерционности, и скорость спада АЧХ составляет -20 дБ/дек до частоты единичного усиления, рис 3.

 

 

Основные схемы включения операционных усилителей

 

1.3.1 Неинвертирующий усилитель.

Инвертирующий усилитель

Коэффициент усиления: Kuoc = — R2/R1

Знак минус указывает на то, что входное и выходное напряжения находятся в противофазе.

 


Читайте также:

что это такое, принцип работы, схемы включения

В радиоэлектронике и микросхемотехнике широкое распространение получил операционный усилитель (ОУ). Он обладает отличными техническими характеристиками (ТХ) по усилению сигналов. Чтобы понять сферы применения ОУ, нужно узнать его принцип действия, схему подключения и основные ТХ.

Что такое операционный усилитель

ОУ — интегральная микросхема (ИМС), основным предназначением которой является усиление значения постоянного тока. Она имеет только один выход, который называется дифференциальным. Этот выход обладает высоким коэффициентом, усиливающим сигнал (Kу). ОУ в основном применяются при построении схем с отрицательной обратной связью (ООС), которая при основной ТХ по усилению и определяет Kу исходной схемы. ОУ применяются не только в виде отдельных ИМС, но и в разных блоках сложных устройств.

У ОУ 2 входа и 1 выход, а также есть выводы для подключения источника питания (ИП). Принцип действия операционного усилителя прост. Существует 2 правила, взятых за основу. Правила описывают простые процессы работы ИМС, происходящие в ОУ, и как работает ИМС, понятно даже чайникам. На выходе разность напряжений (U) равна 0, а входы ОУ почти не потребляют ток (I). Один вход называется неинвертирующим (V+), а другой является инвертирующим (V-). Кроме того, входы ОУ обладают высоким сопротивлением (R) и практически не потребляют I.

Чип сравнивает значения U на входах и выдает сигнал, предварительно усиливая его. Kу ОУ имеет высокое значение, достигающее 1000000. Если произойдет подача низкого U на вход, то на выходе возможно получить величину, равную U источника питания (Uип). Если U на входе V+ больше, чем на V-, то на выходе получится максимальное положительное значение. При запитывании положительным U инвертирующего входа на выходе будет максимальная величина отрицательного напряжения.

Основным требованием для работы ОУ является применение двухполярного ИП. Возможно применение однополярного ИП, но при этом возможности ОУ сильно ограничиваются. Если использовать батарейку и принять за 0 ее плюсовую сторону, то при измерении значений получится 1,5 В. Если взять 2 батарейки и соединить их последовательно, то произойдет сложение U, т.е. прибор покажет 3 В.

Если принять за ноль минусовой вывод батарейки, то прибор покажет 3 В. В другом случае, если принять за 0 плюсовой вывод, то получается -3 В. При использовании в качестве нуля точки между двумя батарейками получится примитивный двухполярный ИП. Проверить исправность ОУ можно только при подключении его в схему.

Виды и обозначения на схеме

С развитием электросхемотехники операционные усилители постоянно совершенствуются и появляются новые модели.

Классификация по сферам применения:

  1. Индустриальные — дешевый вариант.
  2. Презиционные (точная измерительная аппаратура).
  3. Электрометрические (малое значение Iвх).
  4. Микромощные (потребление малого I питания).
  5. Программируемые (токи задаются при помощи I внешнего).
  6. Мощные или сильноточные (отдача большего значения I потребителю).
  7. Низковольтные (работают при U<3 В).
  8. Высоковольтные (рассчитаны на высокие значения U).
  9. Быстродействующие (высокая скорость нарастания и частота усиления).
  10. С низким уровнем шума.
  11. Звуковой тип (низкий коэффициент гармоник).
  12. Для двухполярного и однополярного типа электрического питания.
  13. Разностные (способны измерять низкие U при высоких помехах). Применяются в шунтах.
  14. Усилительные каскады готового типа.
  15. Специализированные.

По входным сигналам ОУ делятся на 2 типа:

  1. С 2 входами.
  2. С 3 входами. 3 вход применяется для расширения функциональных возможностей. Обладает внутренней ООС.

Схема операционного усилителя достаточно сложная, и не имеет смысла его изготавливать, а радиолюбителю нужно только знать правильную схему включения операционного усилителя, но для этого следует понимать расшифровку его выводов.

Основные обозначения выводов ИМС:

  1. V+ — неинвертирующий вход.
  2. V- — инвертирующий вход.
  3. Vout — выход.Vs+ (Vdd, Vcc, Vcc+) — плюсовая клемма ИП.
  4. Vs- (Vss, Vee, Vcc-) — минус ИП.

Практически в любом ОУ присутствуют 5 выводов. Однако в некоторых разновидностях может отсутствовать V-. Существуют модели, которые обладают дополнительными выводами, которые расширяют возможности ОУ.

Выводы для питания необязательно обозначать, т.к. это увеличивает читабельность схемы. Вывод питания от положительной клеммы или полюса ИП располагают вверху схемы.

Основные характеристики

ОУ, как и другие радиодетали, имеют ТХ, которые можно разделить на типы:

  1. Усилительные.
  2. Входные.
  3. Выходные.
  4. Энергетические.
  5. Дрейфовые.
  6. Частотные.
  7. Быстродействие.

Коэффициент усиления является основной характеристикой ОУ. Он характеризуется отношением выходного сигнала ко входному. Его еще называют амплитудной, или передаточной ТХ, которая представлена в виде графиков зависимости. К входным относятся все величины для входа ОУ: Rвх, токи смещения (Iсм) и сдвига (Iвх), дрейф и максимальное входное дифференциальное U (Uдифмакс).
Iсм служит для работы ОУ на входах. Iвх нужен для функционирования входного каскада ОУ. Iвх сдвига — разность Iсм для 2 входных полупроводников ОУ.

Во время построения схем нужно учитывать эти I при подключении резисторов. Если Iвх не учитывать, то это может привести к созданию дифференциального U, которое приведет к некорректной работе ОУ.
Uдифмакс — U, которое подается между входами ОУ. Его величина характеризует исключение повреждения полупроводников каскада дифференциального исполнения.

Для надежной защиты между входами ОУ подключаются встречно-параллельно 2 диода и стабилитрона. Дифференциальное входное R характеризуется R между двумя входами, а синфазное входное R — величина между 2 входами ОУ, которые объединены, и массой (земля). К выходным параметрам ОУ относятся выходное R (Rвых), максимальное выходное U и I. Параметр Rвых должен быть меньшим по значению для обеспечения лучших характеристик усиления.

Для достижения маленького Rвых нужно применять эмиттерный повторитель. Iвых изменяется при помощи коллекторного I. Энергетические ТХ оцениваются максимальной мощностью, которую потребляет ОУ. Причина некорректной работы ОУ — разброс ТХ полупроводников дифференциального усилительного каскада, зависящего от температурных показателей (температурный дрейф). Частотные параметры ОУ являются основными. Они способствуют усилению гармонических и импульсных сигналов (быстродействие).

В ИМС ОУ общего и специального вида включается конденсатор, предотвращающий генерацию высокочастотных сигналов. На частотах с низким значением схемы обладают большим коэффициентом Kу без обратной связи (ОС). При ОС используется неинвертирующее включение. Кроме того, в некоторых случаях, например при изготовлении инвертирующего усилителя, ОС не используется. Кроме того, у ОУ есть динамические характеристики:

  1. Скорость нарастания Uвых (СН Uвых).
  2. Время установления Uвых (реакция ОУ при скачке U).

Где применяются

Существует 2 вида схем ОУ, которые различаются способом подключения. Главный недостаток ОУ — непостоянство Kу, зависящего от режима функционирования. Основные сферы применения — усилители: инвертирующий (ИУ) и неинвертирующий (НИУ). В схеме НИУ Kу по U задается резисторами (сигнал нужно подавать на вход). ОУ содержит ООС последовательного типа. Эта связь выполнена на одном из резисторов. Она подается только на V-.

В ИУ происходит сдвиг сигналов по фазе. Для изменения знака выходного отрицательного напряжения необходима параллельная ОС по U. Вход, который является неинвертирующим, нужно заземлить. Входной сигнал через резистор подается на инвертирующий вход. Если неинвертирующий вход уходит на землю, то разность U между входами ОУ равна 0.

Можно выделить устройства, в которых применяются ОУ:

  1. Предусилители.
  2. Усилители звуковых и видеочастотных сигналов.
  3. Компараторы U.
  4. Дифусилители.
  5. Диференциаторы.
  6. Интеграторы.
  7. Фильтрующие элементы.
  8. Выпрямители (повышенная точность выходных параметров).
  9. Стабилизаторы U и I.
  10. Вычислители аналогового типа.
  11. АЦП (аналого-цифровые преобразователи).
  12. ЦАП (цифро-аналоговые преобразователи).
  13. Устройства для генерации различных сигналов.
  14. Компьютерная техника.

Операционные усилители и их применение получили широкое распространение в различной аппаратуре.

Схема компаратора операционных усилителей

» Electronics Notes

Схема компаратора очень полезна для сравнения двух напряжений и определения большего или меньшего значения — ее можно использовать для обнаружения превышения определенного значения напряжения.


Учебное пособие по операционному усилителю Включает:
Введение Сводка по цепям Инвертирующий усилитель Суммирующий усилитель Неинвертирующий усилитель Усилитель с переменным усилением Активный фильтр верхних частот Активный фильтр низких частот Полосовой фильтр Режекторный фильтр компаратор триггер Шмитта Мультивибратор Бистабильный Интегратор Дифференциатор Генератор моста Вина Генератор фазового сдвига


Схемы, которые сравнивают два напряжения и дают цифровой выходной сигнал, зависящий от сравнения двух напряжений, часто используются при проектировании электронных схем.

Для схемы компаратора необходим усилитель с высоким коэффициентом усиления, чтобы даже небольшие изменения на входе приводили к надежному переключению выходного уровня.

Операционные усилители используются во многих электронных схемах, но специальные микросхемы компараторов обеспечивают гораздо лучшие характеристики.

Применение компаратора

Существует очень много применений схем компараторов в разработке электронных схем.

Часто бывает необходимо определить определенное напряжение и переключить цепь в соответствии с обнаруженным напряжением.

Одним из примеров может быть использование в цепи измерения температуры. Это может привести к переменному напряжению, зависящему от температуры. Может возникнуть необходимость включить нагрев, когда температура упадет ниже заданной точки, и это может быть достигнуто с помощью компаратора, определяющего, когда напряжение, пропорциональное температуре, падает ниже определенного значения.

Для этих и многих других целей можно использовать схему, известную как компаратор.

Что такое компаратор?

Как следует из названия компаратора, эти электронные компоненты и схемы используются для сравнения двух напряжений.

Когда одно больше другого, выход схемы компаратора находится в одном состоянии, а когда входные условия меняются местами, выход компаратора переключается в другое состояние.

Основной компаратор состоит из усилителя с высоким коэффициентом усиления, который имеет дифференциальный вход — один инвертирующий вход и один неинвертирующий вход.

С точки зрения работы компаратор переключается между высоким и низким уровнем в зависимости от состояния входов. Если неинвертирующий вход выше инвертирующего, то выход высокий.Если неинвертирующий вход ниже инвертирующего, то выход высокий.

Краткое описание работы компаратора

Компараторы и операционные усилители

В то время как операционный усилитель легко использовать в качестве компаратора, особенно когда его может быть легко использовать, если микросхема, содержащая несколько операционных усилителей, имеет один запасной. Однако не всегда целесообразно применять этот подход. Операционный усилитель может не всегда работать правильно или не обеспечивать оптимальную производительность. Тем не менее, когда приложение не требовательно, всегда возникает соблазн использовать эти электронные компоненты, потому что они могут быть уже доступны.

Производительность чипов компараторов и операционных усилителей сильно различается по ряду аспектов:

  • Защелка операционного усилителя:   При некоторых условиях, особенно когда операционный усилитель работает с большой нагрузкой, он может зафиксироваться, т. е. даже при изменении входа выход остается прежним. Компараторы предназначены для работы в этом режиме и никогда не должны запираться.

    Это одна из ключевых областей, где использование компаратора вместо операционного усилителя может быть явным преимуществом.

  • Работа в разомкнутом контуре:   Операционные усилители предназначены для использования в режиме замкнутого контура, и их схема оптимизирована для такого сценария. Их работа не характерна в режиме разомкнутого контура.

  • Цифровые и аналоговые:   Операционные усилители являются важными аналоговыми компонентами, и их внутренние схемы предназначены для работы в этой области. Компараторы предназначены для работы в качестве логической функции, т.е.е. в цифровом режиме.

    Это означает, что операционные усилители работают лучше всего, когда они работают в аналоговом режиме, когда выход не попадает на рельсы, тогда как компараторы не так хороши в линейном режиме и гораздо лучше работают с логическими уровнями.

  • Выходные каскады:   Выходные каскады операционных усилителей и компараторов сильно различаются. Обычно операционные усилители имеют линейный выход, часто работающий в режиме дополнительной симметрии, чтобы обеспечить оптимальные линейные характеристики для выхода.

    Компараторы

    часто имеют выход с открытым коллектором, подходящий для подключения к цифровым интерфейсам. Они предназначены для взаимодействия с логической схемой, предоставляя логический вход для сравнения аналоговых напряжений.

    Сравнение выходной схемы операционного усилителя и компаратора
  • Время отклика:   Компараторы оптимизированы для обеспечения очень быстрого отклика и времени переключения. Скорость нарастания высокая и обеспечивает оптимальную производительность.

    Операционные усилители не оптимизированы для этих характеристик.Они, как правило, представляют собой гораздо более медленные электронные компоненты, оптимизированные для линейной работы, а не для скорости.

  • Выходное напряжение и напряжение насыщения:   Компараторы обычно способны работать в небольших пределах от напряжения на шине. Это требуется для хорошей коммутации логических цепей. Операционные усилители не смогут жёстко гнать по рельсам, так как имеют определённое напряжение насыщения — это может привести к плохому переключению логических цепей.

Принимая во внимание эти факторы, всегда предпочтительнее использовать компараторную микросхему, где предусмотрен этот тип работы.

Компаратор операционного усилителя

В качестве компаратора можно использовать операционный усилитель, поскольку он удовлетворяет основным требованиям для этой функции.

Во время работы операционный усилитель входит в положительное или отрицательное насыщение в зависимости от входного напряжения. Поскольку коэффициент усиления операционного усилителя обычно превышает 100 000, выходной сигнал достигает насыщения, когда входные сигналы разнятся на доли милливольта.

Хотя операционные усилители широко используются в качестве компараторов, специальные микросхемы компараторов намного лучше.

Эти специальные микросхемы компараторов обеспечивают очень быстрое время переключения, намного превышающее время переключения, предлагаемое большинством операционных усилителей, предназначенных для более линейных приложений. Типичные скорости нарастания находятся в районе нескольких тысяч вольт в микросекунду, хотя чаще приводятся цифры задержки распространения.

Типичная схема компаратора будет иметь один из входов, удерживаемых на заданном напряжении. Часто это может быть потенциальный делитель от источника питания или опорного источника. Другой вход поступает в точку, которую нужно воспринять.

Схема компаратора базового операционного усилителя

На этой схеме напряжение переключения генерируется делителем потенциала, состоящим из резисторов R1 и R2. Это устанавливает напряжение на одном входе компаратора — в данном случае на инвертирующем входе. Неинвертирующий вход этой схемы подключен к точке, требующей измерения. Когда напряжение в этой точке поднимается выше опорного напряжения, выход компаратора становится высоким, а когда оно падает ниже опорного напряжения, выход становится низким.

Обычно компаратор питается от тех же шин напряжения, что и система. Для логики 5 В компаратор обычно питается от шины 5 В.

Примечания к компаратору операционных усилителей

p>Есть несколько моментов, которые следует помнить при использовании схем компаратора. Существуют некоторые различия между обычными схемами операционного усилителя и схемами компаратора, которые необходимо учитывать при проектировании любой электронной схемы.
  • Убедитесь, что дифференциальный вход не превышает:   Поскольку обратной связи нет, два входа схемы будут иметь разные напряжения.Соответственно, необходимо следить за тем, чтобы не превышался максимальный дифференциальный вход. Все возможности состояния схемы должны быть учтены на этапе проектирования электронной схемы.
  • Изменение входного тока:   Опять же из-за отсутствия обратной связи изменится нагрузка, подаваемая компаратором на источник. В частности, при изменении схемы будет небольшое увеличение входного тока. Для большинства схем это не будет проблемой, но если импеданс источника высок, это может привести к некоторым необычным откликам.Это следует учитывать при проектировании электронной схемы.
  • Шум входного сигнала:   Основная проблема с этой схемой заключается в том, что при новой точке переключения даже небольшое количество шума вызовет переключение выхода вперед и назад. Таким образом, вблизи точки переключения может быть несколько переходов на выходе, и это может вызвать проблемы в другом месте всей схемы. Решением этой проблемы является использование триггера Шмитта.
  • Если требуется функция компаратора, лучше всего использовать чип компаратора:   Если требуется функция компаратора, всегда предпочтительнее использовать чип компаратора, если это вообще возможно.Если один из этих электронных компонентов недоступен и необходимо использовать операционный усилитель, будьте осторожны, чтобы не перегрузить вход, чтобы не произошло защелкивание.

Использование микросхемы компаратора

Когда есть необходимость в схеме компаратора, всегда лучше выбрать определенную микросхему компаратора в качестве основы схемы.

Микросхемы компараторов

намного лучше справляются с переключением между двумя значениями и часто могут иметь выходные каскады, которые могут легче взаимодействовать с логикой, чем аналоговые операционные усилители.

С точки зрения работы основной схемы, основное отличие заключается в том, что большинство компараторов имеют выход с открытым коллектором и требуют внешнего подтягивающего резистора или другой схемы.

Операционные усилители очень дешевы и широко доступны. Компараторы не так дешевы и не так свободно доступны, поскольку эти электронные компоненты, как правило, используются немного меньше и могут быть немного дороже, но не намного. Проблем с их использованием быть не должно.

Дополнительные схемы и схемы:
Основы операционных усилителей Схемы операционных усилителей Цепи питания Транзисторная конструкция Транзистор Дарлингтона Транзисторные схемы схемы полевых транзисторов Символы цепи
    Вернитесь в меню проектирования схем .. .

Операционные усилители: руководство для начинающих | ОРЕЛ

Мы все живем в мире, окруженном чудесами усилителей. Если вы когда-нибудь были на концерте и слышали громкий электрический визг гитары, разносящийся по стадиону, то это усилитель. Или динамики, льющие музыку через ваше радио ленивым воскресным днем, снова усилители. В этом мире усиления цель проста — повысить электрический ток и напряжение на ступеньку выше.Но все ли усилители созданы одинаковыми или используются для одних и тех же целей? Точно нет. Мы здесь, чтобы узнать о таинственном черном ящике семейства усилителей и о том, как он играет гораздо большую роль, чем просто звук. Это операционный усилитель, и он здесь, чтобы усилить вас!

Обзор усилителей

Прежде чем углубляться в тонкости операционных усилителей, давайте сначала поймем, что усилители как общая категория компонентов делают для мира электроники. Вы когда-нибудь брали в руки слуховой аппарат? Они прекрасный пример.Слуховые аппараты используют микрофон для улавливания звуков из внешней среды, которые затем преобразуются в электрический сигнал. Внутри этого слухового аппарата есть усилитель, который принимает этот сигнал, усиливает его, чтобы сделать его громче, и отправляет его на динамик, расположенный внутри вашего слухового прохода. Это не магия, просто инженерия!

Усилители делают слуховые аппараты возможными. (Источник изображения)

Весь этот процесс приема входного сигнала, его усиления и отправки его дальше в качестве выходного сигнала является сутью схем усилителя.Усиление, которое усилитель производит для данного сигнала, измеряется усилением или коэффициентом усиления. Это просто разница в напряжении между входным сигналом и выходным сигналом. Например, если вы начинаете с 1 вольта на входе и получаете 5 вольт на выходе, то вы получаете усиление 5. Для усиления, связанного со звуком, это усиление измеряется в децибелах (дБ).

Так что же делает операционный усилитель особенным?

Хотя все усилители могут иметь одинаковое общее назначение, когда вам нужен идеальный усилитель, вам следует использовать операционный усилитель.В аналоговой электронике ничто не может сравниться с идеальными характеристиками усилителя, как это устройство. Прелесть операционного усилителя в том, что вы можете смешивать и сочетать активные части, такие как транзисторы, с пассивными компонентами, такими как резисторы, конденсаторы и т. д., чтобы получить некоторые полезные характеристики усиления, например:

  • Высокий коэффициент усиления . Одной из наиболее известных особенностей операционных усилителей является их очень высокий коэффициент усиления, который может составлять от 10 000 до 100 000! Конечно, этот уровень усиления, используемый в усилителе с разомкнутым контуром, немного бесполезен и излишен, поэтому вы будете добавлять источники обратной связи для управления уровнями усиления и искажениями.
  • Высокое входное сопротивление . Другим ключевым свойством является высокий импеданс, и современные операционные усилители поставляются с входным импедансом, который практически бесконечен и составляет 0,25 МОм или даже сотни миллионов Ом.
  • Низкое выходное сопротивление . В идеальном усилителе вы получите нулевое выходное сопротивление, а операционный усилитель — единственный физический компонент, который приближается к этому. Вы обнаружите, что большинство операционных усилителей на основе интегральных схем имеют выходное сопротивление менее сотой доли ома.
  • Ограниченная пропускная способность . Операционные усилители также имеют ограниченную полосу пропускания, что может сыграть вам на руку. Многие ИС операционных усилителей, используемые в аудиоприложениях, получают полное усиление только в небольшой полосе пропускания. Но в других схемах вы захотите уменьшить это усиление, и именно здесь вам пригодится ограниченная полоса пропускания.

Внутренняя работа операционного усилителя

Самое замечательное в операционных усилителях то, что они используются не только для усиления звука, как традиционные усилители.Вы также увидите, что они используются для:

  • Предварительные усилители и буферы аудио- и видеочастот
  • Регуляторы напряжения и тока
  • Аналоговые калькуляторы
  • Прецизионные пиковые детекторы
  • Аналого-цифровые и цифро-аналоговые преобразователи
  • И многое другое!

Независимо от своего конкретного назначения, операционный усилитель всегда стремится обеспечить выходное напряжение, повышающее или понижающее входное напряжение, пока они не сравняются. Но как это сделать? Давайте взглянем на типичный символ схемы операционного усилителя, чтобы объяснить, как он работает.Вот что вам нужно знать:

Идеальный символ схемы операционного усилителя сам по себе без обратной связи.

Входные сигналы

Имеются два входных сигнала: инвертирующий вход, отмеченный отрицательным (-) символом, и неинвертирующий вход, обозначенный положительным (+) символом. Когда у вас есть положительный сигнал на вашем инвертирующем входе, вы получите усиленный выход, который является обратным или противоположным этому сигналу. Поэтому, если на вход поступает положительный сигнал, ваш выход будет отрицательным.Неинвертирующий вход работает наоборот. Если вы посылаете положительный сигнал на неинвертирующий вход, то вы получите выходной сигнал, который соответствует входному сигналу, только усиленному.

Тип используемого входа напрямую влияет на выходные сигналы в схеме операционного усилителя. (Источник изображения)

Выходные сигналы

На другой стороне условного обозначения этого операционного усилителя находится выход. Этот выход принимает разницу между вашими инвертирующими и неинвертирующими входными сигналами для создания усиленного выходного сигнала до тех пор, пока входные напряжения не сравняются.Вот почему операционный усилитель обычно называют дифференциальным усилителем, потому что он обеспечивает выходной результат, основанный на разнице между двумя входными сигналами.

Силовые сигналы

Вам необходимо включить питание вашего устройства. Вверху и внизу символа операционного усилителя у вас есть V + и V-, которые обозначают положительные и отрицательные стороны подключения питания постоянного тока. Эти шины питания часто не отображаются на принципиальных схемах, так как предполагается, что они всегда будут подключены. Видите вы их или нет, но вы обнаружите, что операционные усилители подключены к шине питания +5-15 В и -5-15 В, и все они основаны на спецификациях чипа операционного усилителя, который вы планируете использовать.

Наиболее распространенные схемы операционных усилителей

Операционные усилители

имеют чрезвычайно высокий коэффициент усиления, который вы не сможете изменить. Вот почему вы будете добавлять обратную связь в свою схему операционного усилителя с добавлением резисторов, конденсаторов или катушек индуктивности для управления усилением и получения различных результатов от вашей схемы. Это добавление контуров обратной связи также позволяет вам легко создавать варианты схемы операционного усилителя, чтобы получить совершенно разные результаты. Вот наиболее распространенные схемы, которые вы будете строить, когда начнете:

.
  • Триггер Шмитта на ОУ .Эта конфигурация схемы обеспечивает невосприимчивость к шуму и различным уровням переключения, которые зависят от того, находится ли ваша схема операционного усилителя в состоянии высокого или низкого напряжения.
  • Суммирующий усилитель на операционных усилителях . Эта конфигурация схемы идеально подходит для суммирования аудиовходов, и вы обнаружите, что она часто используется в аудиомикшерах.
  • Компаратор операционных усилителей . Это конфигурация выбора, когда вам нужно обеспечить высокий или низкий сигнал в зависимости от состояния ваших двух входов.
  • Инвертирующий усилитель на ОУ . Эта схема является наиболее распространенной конфигурацией операционного усилителя и хорошо известна тем, что обеспечивает усиление, а также используется в качестве усилителя виртуального заземления.
  • Неинвертирующий усилитель на операционном усилителе . Эта конфигурация схемы обеспечивает высокий коэффициент усиления и высокое входное сопротивление и используется во многих входных каскадах усилителей.

Инвертирующая и неинвертирующая схемы операционных усилителей, расположенные рядом. (Источник изображения)

Покупка операционных усилителей

Вы найдете множество различных корпусов операционных усилителей от вашего любимого поставщика запчастей.Большинство из них классифицируются по многим значениям, в том числе:

  • Номинальная скорость нарастания
  • Количество каналов
  • Максимальное входное напряжение смещения
  • Максимальное напряжение питания
  • Тип упаковки
  • Номинальное усиление полосы пропускания

Наиболее распространенные номинальные полосы пропускания операционных усилителей, которые вы найдете, составляют 1 МГц, 1,3 МГц и 4 МГц. Вы также найдете количество каналов от 1 до 8, причем наиболее распространенные операционные усилители имеют 1, 2 или 4 канала.

Самый известный операционный усилитель, с которым вы столкнетесь, — это 741, который поставляется в корпусе mini-DIP с 8 выводами. Этот операционный усилитель состоит из 20 транзисторов и 11 резисторов и является предпочтительной конфигурацией операционного усилителя с 1968 года. Кроме того, он является самым дешевым из всех, его стоимость составляет менее доллара.

ИС операционного усилителя UA741, готовая к установке на макетную плату или пайке!

Вы также увидите микросхемы операционных усилителей, доступные в корпусах SOIC, что позволяет легко добавлять их в схему, не занимая слишком много места.Однако чаще операционные усилители будут доступны в виде корпусов DIP с восемью, четырнадцатью или шестнадцатью контактами. Этот пакет позволяет легко припаять их вручную к вашему следующему прототипу или быстро вставить в макетную плату.

Воодушевление

Вот и все, что вам может понадобиться знать об операционных усилителях, если вы новичок в разработке электроники! Эта ИС является предпочтительным компонентом, когда вам нужен высокопроизводительный усилитель, обеспечивающий высокий коэффициент усиления, высокое входное сопротивление и низкое выходное сопротивление.И, имея возможность заменять различные компоненты обратной связи, такие как резисторы, конденсаторы и катушки индуктивности, вы можете собрать массу различных вариантов для создания собственного мультивибратора, аналого-цифрового преобразователя или схемы точного таймера.

У вас есть желание разработать собственную схему операционного усилителя? Попробуйте Autodesk EAGLE бесплатно уже сегодня!

Операционные усилители и компараторы

  • Изучив этот раздел, вы должны уметь:
  • Опишите, как операционные усилители можно использовать в качестве компараторов.
  •   • Использование и ограничения.
  • Понимание гистерезиса применительно к компараторам.
  •   • Скорость переключения.
  •   • Влияние шума на переключение.
  • Опишите работу триггерного компаратора Шмитта.
  •   • Эффект положительной обратной связи.
  •   • Контроль гистерезиса.
  • Понимание типичных технологий, используемых в микросхемах специализированных компараторов.
  •   • Гистерезис и опорное напряжение.
  •   • Низкая мощность v скорость переключения.
  •   • Типичные приложения сравнения.

Использование коэффициента усиления разомкнутого контура операционного усилителя

Выход операционного усилителя может колебаться в положительном и отрицательном направлении до максимального напряжения, близкого к потенциалу шины питания. Например, максимальное выходное напряжение популярного операционного усилителя 741 при подключении к источнику питания ±18 В составляет ±15 В.

Поскольку коэффициент усиления разомкнутого контура операционного усилителя чрезвычайно высок (обычно от 10 000 до одного миллиона), это означает, что без отрицательной обратной связи любой вход, который создает разницу в напряжении между двумя входными контактами, превышающую ± 150 мкВ, может быть усилен, например, 100 000 или более раз и довести вывод до насыщения; тогда выход будет казаться «застрявшим» либо на максимальном, либо на минимальном значении.

Использование максимального коэффициента усиления разомкнутого контура таким образом может быть полезно либо при работе с очень малыми (и низкочастотными или постоянными) входными сигналами в приборостроении или медицинских приложениях, либо при сравнении двух напряжений с использованием операционного усилителя в качестве компаратора.В этом режиме выход переходит либо на максимально высокий, либо на минимально низкий уровень, в зависимости от того, является ли один вход всего на несколько микровольт выше или ниже, чем опорное напряжение, подаваемое на другой вход.

Операционный усилитель в качестве компаратора

Рис. 6.6.1 Использование операционного усилителя в качестве компаратора

Базовые типы операционных усилителей, такие как 741, будут адекватно работать в качестве компараторов в простых схемах, таких как переключатель с регулируемой температурой, который требуется для включения или выключения цепи, когда входное напряжение от датчика температуры выше или ниже заданного опорного значения. ценность.

На рис. 6.6.1 на неинвертирующий вход подается опорное напряжение, а на инвертирующий вход подается переменное напряжение. Всякий раз, когда напряжение, подаваемое на контакт 2, выше, чем опорное напряжение на контакте 3, выходное напряжение будет низким, лишь немного выше, чем -Vs, а если на контакте 2 напряжение ниже, чем на контакте 3, выходное напряжение будет высоким. , чуть меньше +Vs.

Тем не менее, стандартные операционные усилители предназначены для маломощных усилителей, и если они входят в насыщение, а затем выходят из него, требуется некоторое время для восстановления выходного напряжения и для того, чтобы операционный усилитель снова начал работать в линейном режиме.

Операционные усилители, разработанные как усилители, не особенно подходят для использования в качестве компараторов, особенно там, где входные сигналы быстро меняются в таких приложениях, как датчики уровня звука или аналого-цифровые преобразователи. Еще одна проблема, связанная с базовым устройством компаратора, показанным на рис. 6.6.1, которая решается операционными усилителями, специально разработанными как компараторы, а не как усилители, — это шум. Если во входном сигнале присутствует значительный уровень шума, особенно когда напряжение входного сигнала близко к уровню опорного напряжения, высокочастотные колебания напряжения, вызванные случайным характером шума, будут повышать и понижать напряжение входного сигнала. опорное напряжение в быстрой последовательности, в результате чего выходной сигнал на мгновение колеблется между максимальным и минимальным уровнями напряжения.Однако во многих специализированных компараторах эта проблема решается применением гистерезиса.

Гистерезис

В компараторах и переключающих схемах это относится к свойству выхода переключаться в высокое или низкое состояние при различных входных значениях. Если компаратор переключал свой выход при одном уровне входного напряжения, как описано в предыдущем абзаце, или если разница между двумя уровнями, обеспечиваемая гистерезисом компаратора, недостаточно велика, переключение с одного из двух выходных условий на другое может быть очень неуверенным.Гистерезис может быть применен к компаратору операционного усилителя и отрегулирован для подходящего гистерезисного зазора с помощью положительной обратной связи в схеме, называемой триггером Шмитта.

Триггер Шмитта

Рис. 6.6.2 Триггер Шмитта операционного усилителя

Схема триггера Шмитта, показанная на рис. 6.6.2, представляет собой инвертирующий компаратор на основе счетверенной ИС компаратора LM339 от Texas Instruments, опорное значение которого подается на неинвертирующий вход с помощью делителя потенциала R1 и R2.Это устанавливает опорное напряжение на уровне половины однополярного источника питания 5 В.

R3 — это подтягивающий резистор, который используется в LM339, поскольку этот компаратор имеет выход с открытым коллектором, то есть выходной каскад, в котором коллектор не имеет внутреннего нагрузочного резистора, подключенного к источнику питания. Причина этого в том, что он позволяет выходу иметь более широкий диапазон напряжений постоянного тока, а не просто возможность варьироваться между питанием и землей.

Положительный отзыв

Резистор R4, подключенный между выходом и контактом 5 (неинвертирующий вход), обеспечивает положительную обратную связь для ускорения переключения выхода следующим образом.Предположим, что напряжение V в на контакте 4 повышается до опорного напряжения V ref на контакте 5, а выход на контакте 2 высокий. Как только V в немного выше, чем V ref , выходной сигнал начнет падать до 0 В. Часть этого падения напряжения подается через резистор R4 на контакт 5 и, таким образом, начинает уменьшать V ref , увеличивая разницу между V ref и V ref . Это приводит к более быстрому падению выходного напряжения, и, поскольку это падение постоянно передается обратно на V ref , падение выходного напряжения ускоряется, вызывая очень быстрое падение до нуля вольт.Аналогичное действие происходит, когда высокое напряжение на контакте 4 падает до более низкого значения, чем на контакте 5, что обеспечивает очень быстрое переключение выхода.

Однако происходит другое действие; в предыдущем абзаце было упомянуто, что падение выходного напряжения возвращается через R4 и вызывает падение V ref , и аналогичным образом повышение выходного напряжения вызовет рост V ref , изменяя опорную точку V . ref в зависимости от того, высокое или низкое выходное напряжение.Разница между верхним и нижним значениями V ref называется гистерезисом схемы и является важным свойством триггера Шмитта.

Управление гистерезисом

Рис. 6.6.3 Влияние R4 на гистерезис

V ref управляет точкой, в которой выходной сигнал микросхемы LM339 изменяется с низкого на высокий или с высокого на низкий. Изменение значения V ref в зависимости от того, является ли выход низким или высоким, вносит некоторый гистерезис (разница между двумя точками переключения) в работу схемы.

V ref изначально управляется выбором значений делителя потенциала R1 и R2. Поскольку эти резисторы имеют одинаковые значения 10K, V ref должен быть на половине напряжения питания (т.е. 2,5 В). Однако наличие резистора обратной связи R4 вносит гистерезис, изменяя значение V ref в зависимости от того, находится ли выход в низком или высоком состоянии, как показано на рис. 6.6.3a и рис. 6.6.3b.

На рис. 6.6.3a показано, что при низком уровне выходного сигнала контакт 2 LM339 находится на уровне 0 В, а R4 эффективно подключен между V ref на контакте 5 LM339 и 0 В, эффективно соединяя R4 параллельно с R2, уменьшая V исх. до 2.175В.

Однако на рис. 6.6.3b показано, что, когда на выходе высокий уровень, R4 подключает V ref на контакте 5 LM339 к +5 В и, таким образом, изменяет V ref на 2,82 В, поскольку R4 теперь фактически параллельно с Р1.

Путем выбора подходящего значения для R4 величину гистерезиса (изменение V ref ) можно варьировать, чтобы приспособиться к различным ожидаемым уровням шума.

Специальные микросхемы компараторов

Для высокоскоростных сравнений доступны многие специализированные операционные усилители-компараторы, которые изменяют свое выходное состояние менее чем за 1 мкс.Однако, как и в случае с большинством электронных схем, чем быстрее изменяются выходные сигналы, тем больше потребляется энергии. Доступны компараторы с различными скоростями и различными показателями энергопотребления, так что можно использовать идеальную ИС для данного приложения, в зависимости от того, что важнее: энергопотребление или скорость.

Используя методы, аналогичные описанным выше, доступны быстродействующие интегральные схемы компараторов со встроенным гистерезисом, такие как LTC1541 от Linear Technology, который имеет встроенное свойство гистерезиса ±2.25 мВ, чтобы учесть шум на входном сигнале.

Также доступны микросхемы компараторов

с переменным гистерезисом для работы с разным уровнем шума и встроенным прецизионным опорным напряжением. Некоторые компараторы, такие как LMP7300 от Texas Instruments, также могут работать при очень низких однократных напряжениях питания и при очень малых токах. Это делает их идеальными для таких приложений, как детекторы низкого заряда батареи в портативном оборудовании.

К началу страницы

Операционные усилители — HomoFaciens



Новости Проект Технологии РобоСпатиум Делать вклад Предметный указатель Скачать Ответы Игры Советы по покупкам Контакт


<<< Переключатель         Делитель напряжения >>>

Видео про ОУ


Интегральные схемы

Как объяснялось в главе об усилительных схемах, сложно построить схемы с высоким коэффициентом усиления.Чтобы свести к минимуму искажения, вызванные электронными схемами, необходимо учитывать множество факторов, таких как температурный дрейф, перекрестные искажения или линейность. Для создания одного или нескольких предусилителей и силовой цепи требуется несколько компонентов. Сегодня легче интегрировать большое количество транзисторов, конденсаторов или резисторов в небольшой чип, чем собирать схему вручную с использованием дискретных электронных компонентов. Усилительные схемы с различными свойствами доступны в виде дешевых и миниатюрных микросхем.Особая группа усилительных схем называется операционными усилителями или сокращенно ОУ . На приведенном ниже рисунке из Википедии показана диаграмма уровня компонентов обычного операционного усилителя 741.
Рисунок 1:

Вам понадобится большая плата, чтобы построить эту схему с использованием дискретных компонентов…

Функциональность

Рисунок 2:
На рисунке показана схема условного обозначения операционного усилителя.Функционал пинов:
V S+ — положительный источник питания
V S- — отрицательный источник питания
В + — неинвертирующий вход
В — инвертирующий вход
V out — output

Операционный усилитель усиливает падение напряжения между V + и V , которое называется дифференциальным входным напряжением . Операционные усилители часто используются с симметричным биполярным источником питания, поэтому опорный потенциал (земля) составляет половину общего напряжения между отрицательным и положительным напряжением питания.Хотя разность потенциалов на двух входных клеммах равна нулю (например, они укорочены), результирующее выходное напряжение идеального операционного усилителя также равно нулю вольт, что иногда называют виртуальной землей , что означает, что выходная клемма операционного усилителя при постоянном опорном потенциале, без прямого подключения к опорному потенциалу.
Реальным устройствам обычно требуется дифференциальное постоянное напряжение между входными клещами, чтобы на выходе было нулевое напряжение. Этот параметр называется входным напряжением смещения (V или ) и обычно составляет около 0.1 мВ.

Рисунок 3:
Коэффициент усиления операционных усилителей на интегральных схемах обычно составляет 100 000 или более, поэтому падение напряжения всего на +0,1 В между двумя входными зажимами приведет к выходному напряжению +10 000 В. Как упоминалось в главе про усилительные схемы, падение напряжения на выходе не может превышать значение напряжения питания, поэтому выходной сигнал отсекается. Ситуации, в которых выходное напряжение равно или превышает напряжение питания, называются насыщением усилителя.Синусоидальная кривая с пиковым напряжением всего 1 мВ между входными клещами становится прямоугольным сигналом на выходных клещах.

Отрицательный отзыв

Рисунок 4:
Если вы хотите усилить синусоидальный сигнал, операционный усилитель с коэффициентом усиления более 100 000 практически бесполезен. Подавая часть выходного напряжения на инвертирующий вход, общий коэффициент усиления схемы можно уменьшить.
На чертеже источник сигнала подключен между землей и неинвертирующим входом ОУ.R1 и R2 образуют делитель напряжения между выходом операционного усилителя и землей. Инвертирующий вход подключается между R1 и R2. Примем следующие значения: Коэффициент усиления ОУ 100000, R1 = 1кОм, R2 = 10кОм. V S- подключается к -12В, V S+ к +12В.

При подаче 0 В на неинвертирующий вход ситуация проста: выходное напряжение равно 0 В, результирующее падение напряжения на резисторе R1, поэтому на инвертирующем входе 0 В.
Что произойдет, если входное напряжение на неинвертирующем входе подскочит до 0.1В? Результирующее дифференциальное входное напряжение теперь равно 0,1 В, коэффициент усиления равен 100 000, следовательно, выходное напряжение поднимется до 10 000 В, но оно ограничено на уровне +12 В. Теперь, когда к делителю напряжения подключено 12 В, результирующее падение напряжения на R1 составляет U из * R1 / (R1 + R2) = +1,097 В. Теперь дифференциальное входное напряжение становится равным 0,10 В — 1,09 В = -0,99 В, из-за чего выходное напряжение подскочит до -12 В, что приведет к падению напряжения -1,09 В на инвертирующем входе. Конечно, напряжение не начинает прыгать между положительным и отрицательным напряжением питания.Только помните, что дифференциальное входное напряжение уменьшается с помощью делителя напряжения . В состоянии равновесия соотношение между выходным напряжением операционного усилителя и результирующим дифференциальным входным напряжением составляет:
(1) V из = (V + — V ) * β
и
(2) В = В из * R1 / (R1 + R2)
Подставив уравнение (2) в (1), получим:
V из = (V + — (V из * R1 / (R1 + R2))) * β
Решение уравнения для V из :


Где находится:
В + — Падение напряжения между неинвертирующим входом и землей (= входное напряжение)
В — Падение напряжения R 1
V out — Выходное напряжение операционного усилителя
R1, R2 — Резисторы делителя напряжения
β — коэффициент усиления по напряжению операционного усилителя

. Для очень высоких значений β уравнение можно упростить до:


Коэффициент усиления по напряжению V out / V + ОУ с отрицательной обратной связью составляет:

[7.2]    


Добавление отрицательной обратной связи через делитель напряжения снижает коэффициент усиления операционного усилителя. Общий коэффициент усиления V из / V + называется коэффициентом усиления с обратной связью (A CL ) из-за обратной связи, обеспечиваемой резисторами делителя напряжения. Без контура обратной связи общий коэффициент усиления операционного усилителя называется коэффициентом усиления без обратной связи (A OL ) .

Компаратор

Рисунок 5:
Без отрицательной обратной связи операционный усилитель действует как компаратор.На чертеже инвертирующий вход соединен с землей, следовательно, выход будет максимально положительным, если напряжение, приложенное к неинвертирующему входу, будет положительным. Если входное напряжение становится отрицательным, выходное напряжение будет максимально отрицательным. Выход операционного усилителя может быть либо V S-, либо V S+ , поэтому он указывает, больше или меньше входное напряжение 0 В.
Рисунок 6:
Подключив инвертирующий вход к делителю напряжения, можно «сравнить» напряжение неинвертирующего входа с любым уровнем напряжения между V S- и V S+ .
При подключении неинвертирующего входа к делителю напряжения выходной сигнал V S+ , если напряжение на инвертирующем входе меньше, чем на неинвертирующем входе, соответственно становится V S- , если оно поднимается выше этого значения. Теперь выходной сигнал инвертируется.
Рисунок 7:
Помимо отрицательной обратной связи, описанной выше, мы также можем применить к операционному усилителю положительную обратную связь . Давайте подробнее рассмотрим поведение цепи обратной связи на чертеже, предполагая сопротивление 1 кОм для R1, 10 кОм для R2, ​​положительное напряжение питания +12 В и отрицательное напряжение питания -12 В:
При подключении схемы к источнику напряжения U i и V и, следовательно, выходное напряжение равно нулю, но небольшое случайное изменение V + вызывает отклонение выходного напряжения либо до максимального, либо до минимального значения. .Предположим, что выходное напряжение имеет максимальное значение, а входное напряжение равно +0,1 В. С обратной связью через делитель напряжения получаем:
(3) В + = U i + (V из — U i ) * R1 / (R1 + R2) = 1,18 В
Когда входное напряжение уменьшается до 0 В, мы получаем (помните, что выходное напряжение все еще +12 В):
. В + = 0 В + (12 В — 0 В) * 1000 Ом / (1000 Ом + 10000 Ом) = 1,09 В
Даже при входном напряжении -0.1В получаем:
В + = -0,1 В + (12 В + 0,1 В) * 1000 Ом / (1000 Ом + 10000 Ом) = 1,00 В
Операционный усилитель наклонится к минимальному напряжению питания, как только V + упадет немного ниже 0В. Вставка V + = 0 и решение уравнения (3) для U i дает нам:

[7.3]    


Где находится:
U и — Входное напряжение цепи
V out — Выходное напряжение ОУ
R1, R2 — Резисторы делителя напряжения

. Чтобы операционный усилитель переключился с +12В на -12В, входное напряжение схемы должно упасть чуть ниже -1.2В.
Теперь, когда выходное напряжение равно -12 В, давайте увеличим входное напряжение до 0 В:
. В + = 0 В + (-12 В — 0 В) * 1000 Ом / (1000 Ом + 10000 Ом) = -1,09 В
Выходное напряжение операционного усилителя при входном уровне 0В теперь составляет -12В! Входное напряжение схемы должно подняться выше
-(-12В) * R1/R2 = +1,2В
чтобы заставить операционный усилитель переключиться обратно на выходное напряжение +12 В.
Рисунок 8:
Входной (синий) и соответствующий выходной (красный) сигнал триггера Шмитта:
На обычном компараторе операционный усилитель переключается в одной и той же точке переднего и заднего фронта входного сигнала.Выходной сигнал операционного усилителя начнет колебаться, когда входной сигнал близок к порогу, всякий раз, когда входное напряжение пересекает порог из-за шума.
На триггере Шмитта ситуация иная:
Выходной сигнал низкий, в то время как входной сигнал ниже определенного порога, и высокий, если он выше другого (более высокого) порога. Выходной сигнал сохраняет свое значение, пока сигнал находится между двумя разными входными уровнями.

Рисунок 9:
Двойное пороговое действие называется гистерезисом . Выходное напряжение триггера Шмитта зависит не только от текущего входного напряжения, но и от того, что было в прошлом. Например, выходное напряжение при входном сигнале 0,1 В может быть либо +12 В, либо -12 В. Это +12 В, если входной сигнал был выше +1,2 В, а теперь падает до +0,1 В. Наоборот, выходной сигнал равен -12 В, если входной сигнал был ниже -1,2 В в прошлом и теперь повышается до 0.1В.

Одиночное напряжение питания Триггер Шмитта

Рисунок 10:
На этой схеме показан триггер Шмитта с одним напряжением питания. Половина напряжения питания подается на инвертирующий вход с помощью делителя напряжения, состоящего из двух одинаковых резисторов (R3 и R4).

Сумеречный выключатель

Рисунок 11:
Всего одна практичная схема с триггером Шмитта с одним питанием:
Входное напряжение обеспечивается делителем напряжения с одним постоянным резистором (R3) и одним PNP-фототранзистором.Если фототранзистор подвергается воздействию света, сопротивление уменьшается, следовательно, входное напряжение также уменьшается. При достижении нижнего порога выходное напряжение триггера Шмитта падает до 0 В, поэтому устройство (например, лампа), подключенное к выходному зажиму, выключается, пока светит солнце. R4 — потенциометр, работающий как делитель напряжения на инвертирующем входе ОУ, которым можно регулировать порог, чтобы свет выключался в сумерках, а не при ярком солнечном свете.

Сравнение идеального операционного усилителя с LM324N

Свойство Идеальный операционный усилитель LM324N
Усиление без обратной связи Бесконечный примерно 100000
Диапазон выходного напряжения Бесконечный ±1.5В — ±16В
Входной ток 0 40-260 нА
Максимальный выходной ток Бесконечный 20-45 мА

<<< Переключатель         Делитель напряжения >>>


Новости Проект Технологии РобоСпатиум Делать вклад Предметный указатель Архивы Скачать Ответы Игры Ссылки Советы по покупкам Контакт Выходные данные



Операционные усилители

Операционные усилители

Операционные усилители

 

Операционные усилители — это универсальные ИС, содержащие примерно сотню транзисторов, которые могут выполнять различные математические функции.По этой причине они являются строительные блоки многих схем обработки сигналов. Имеют два входа, инвертирующий (-) и неинвертирующий (+). Источник положительного напряжения и отрицательный источник напряжения или земля подключены непосредственно к операционному усилителю, хотя эти редко изображаются на принципиальных схемах. Есть один выход, т. почти всегда подключен к инвертирующему входу с отрицательной обратной связью.

Операционные усилители имеют почти бесконечный коэффициент усиления, высокое входное сопротивление и низкий выходной сигнал. импеданс.Из-за этого они служат многим полезным целям в аналоговых схемах. Некоторые из этих свойств обсуждаются в контексте следующего Примеры.

Все примеры цепей можно проанализировать, соблюдая следующие правила. простые правила.

  1. Выход делает все необходимое для создания разницы напряжений на входах равны нулю.
  2. Входы не потребляют ток.
  3. Выходное напряжение не зависит от выходного тока.
Несмотря на то, что внутри операционного усилителя происходит много всего, эти правила описывают его поведение интегральной схемы «черного ящика». Идеальные операционные усилители моделируются с помощью бесконечный коэффициент усиления и бесконечный импеданс — реальные операционные усилители только приближаются к этим свойства модели. Аналогично, хотя наша модель предполагает бесконечный коэффициент усиления по напряжению, предельная величина выходного напряжения примерно на 1,4 В ниже, чем величина напряжения питания (это связано с падением напряжения на диоде в ОУ). Что-нибудь из этого эффекты должны быть наблюдаемы, если мы применим вход прямоугольной волны.На подъеме и падающие переходы меандра напряжение меняется бесконечно быстры, и хотя они и быстры, операционные усилители не могут меняться мгновенно — там на выходе должен быть слегка невертикальный наклон. Это может быть измеряется скоростью нарастания (с — изменение напряжения над изменением время).

Инвертирующий усилитель — Эта конфигурация копирует инвертированную и масштабированную версию входного сигнала. к его выходу.При этом схема изолирует схему, которая производит входная ссылка из схемы, которая использует выход в силу нашего соотношения импеданса операционного усилителя.

Неинвертирующий усилитель — Мы можем добиться усиления без инверсии, если перенастроим цепь немного.

Установив R 2 на ноль (короткое замыкание) и R 1 на бесконечность (разомкнутая цепь на землю), мы получаем неинвертирующий, единичный коэффициент усиления усилитель — повторитель с единичным коэффициентом усиления .Это важное использование операционные усилители. Высокое входное сопротивление усилителя практически не потребляет ток и поэтому действует как буфер импеданса. Например, можно было бы использовать делитель напряжения для ступенчатого изменения напряжения, используемого для снижения резистивной нагрузки не беспокоясь об импедансе, нагружающем делитель. Операционный усилитель позволяет отслеживать входное напряжение без значительного тока.

Интегрирующие и дифференциальные усилители — Используя емкость, операционный усилитель может вычислять интегральные и дифференциальные входного напряжения.В первом примере мы видим, что выходное напряжение является интегралом входного напряжения.

А при переключении конденсатора и резистора выходное напряжение равно производная входного напряжения по времени.

Сумматор — Эта схема производит и выводит равный отрицательная взвешенная сумма соответствующих входов. Можно представить, что с входных сопротивлений, мы могли бы построить форму цифро-аналогового преобразователя с в котором входные «биты» усиливаются на величину, пропорциональную их положению в бинарном слове.

Компаратор — Эта установка используется для определения того, какой входной сигнал больше. Когда входы равны, выхода нет. Когда инвертирование вход больше, операционный усилитель становится насыщенным, а выходное напряжение равно источник положительного напряжения. Когда инвертирующий вход больше, выход напряжение равно отрицательному напряжению питания. Есть ТТЛ-компараторы. которые можно было бы рекомендовать для этой цели, но мощный операционный усилитель может сделать это в крайнем случае.

схем операционных усилителей в Proteus

В этой главе мы имеем дело с операционными усилителями (ОУ) в Proteus. Предыдущая глава была посвящена транзисторным схемам в Proteus . Итак, давайте начнем изучать операционные усилители в Proteus.

Схемы операционных усилителей в Proteus              

Операционные усилители широко применяются в аналоговых схемах. В режиме разомкнутого контура он работает как компаратор и выдает дискретные выходные сигналы, т.е.e, +V sat и -V sat , , тогда как в замкнутом контуре он работает как усилитель, и выходной сигнал колеблется между +V sat и –V sat . Максимум V cc не одинаков для всех ОУ. Разработчик должен обратиться к таблице данных конкретной ИС операционного усилителя для получения абсолютных максимальных или минимальных значений.

 

операционных усилителей в Proteus

Доступно

операционных усилителей в различных корпусах ИС.Например: — 741 имеет один операционный усилитель, а LM 324, LM 339 — по 4 операционных усилителя. Рабочая частота, скорость нарастания и диапазоны напряжения являются ключевыми параметрами для выбора правильного операционного усилителя. Здесь представлены некоторые основные режимы работы и схемы применения.

741 Описание операционного усилителя в Proteus

Операционный усилитель в качестве компаратора

Основное применение операционного усилителя — использование его в качестве компаратора напряжения. Это работа операционного усилителя без обратной связи.Напряжение на неинвертирующих и инвертирующих клеммах (штырьках), т. е. V+ и V-, сравнивается, и если V+ > V- , то выход равен +V sat , а если V+ < V- , то выход равен – В сб .

 

Операционный усилитель в качестве компаратора

Схема выше представляет собой компаратор напряжения. Напряжения на V+ и V- контролируются потенциометрами POT1 и POT2. +V sat — это 5 В, а –V sat — это GND в этой цепи. Когда V+ > V- выход = 1.49 В, что соответствует низкому логическому уровню. Когда V+ < V-, выход = 4 В, что соответствует высокому логическому уровню.

Моделирование операционного усилителя в качестве компаратора

Операционный усилитель в качестве неинвертирующего усилителя

В этой схеме операционный усилитель работает в замкнутом контуре. Вход подается на неинвертирующую клемму, а выход возвращается на инвертирующую клемму в виде обратной связи по напряжению. Полярность выходного напряжения такая же, как и входного. Ниже приведены принципиальные схемы для одинарного и двойного питания.

Операционный усилитель как неинвертирующий усилитель

Выход изменяется в зависимости от коэффициента усиления схемы усилителя до V sat . Таким образом, выбор диапазона напряжения питания важен для получения желаемых выходных напряжений. Но неинвертирующая конфигурация не может давать усиление меньше или равное единице. Выход операционного усилителя соответствует уравнению

.

 

Выходное уравнение неинвертирующего усилителя

Моделирование операционного усилителя в качестве неинвертирующего усилителя

Операционный усилитель в качестве инвертирующего усилителя

В этой схеме операционный усилитель работает в замкнутом контуре.Вход подается на инвертирующую клемму, а выход возвращается на инвертирующую клемму как шунтирующая обратная связь по напряжению. Полярность выходного напряжения противоположна входному. Ниже приведена принципиальная схема инвертирующего усилителя с двумя вариантами питания.

 

Операционный усилитель в качестве инвертирующего усилителя

Конфигурация инвертирующего усилителя может дать единичный коэффициент усиления, т. е. В вых = -В вх . Выход изменяется в зависимости от коэффициента усиления схемы усилителя между +V sat и -V sat .Таким образом, выбор диапазона напряжения питания важен для получения желаемых выходных напряжений. Выход операционного усилителя соответствует уравнению

.

Выходное уравнение инвертирующего усилителя

Моделирование операционного усилителя в качестве инвертирующего усилителя

 

Операционный усилитель в качестве дифференциального усилителя/вычитателя

В этой цепи усиливается разница напряжений между V+ и V-. Он аналогичен режиму компаратора, и, кроме того, операционный усилитель работает в замкнутом контуре, что позволяет управлять коэффициентом усиления схемы по напряжению.

Операционный усилитель в качестве дифференциального усилителя

Выходной сигнал варьируется в зависимости от коэффициента усиления схемы усилителя между +V sat и -V sat . Его можно использовать как аналоговый вычитатель. Если V out =V a +V b -V c -V d является желаемым выходом, то подключите V c , V d , V d и V a , V b к клемме V+. Выход операционного усилителя следует уравнению,

Выходное уравнение дифференциального усилителя

Моделирование операционного усилителя в качестве дифференциального усилителя

 

Операционный усилитель в качестве суммирующего усилителя/сумматора

В эту цепь добавляются напряжения от различных источников, отнесенные к общей земле.Коэффициент усиления на выходе можно контролировать, выбирая соответствующие значения сопротивления. Если R 1 =R 2 =R 3 =R=2*R , то выведите V out =V a +V b +V c 90. Изменяя значение R f , можно управлять усилением схемы.

Операционный усилитель в качестве суммирующего усилителя

Неинвертирующий суммирующий усилитель. Если общий узел резисторов подключен к клемме V, то он называется инвертирующим суммирующим усилителем.Выход инвертирующего усилителя для вышеупомянутых номиналов резисторов: V out =-(V a +V b +V c ). Выход неинвертирующего суммирующего усилителя соответствует уравнению

.

Выходное уравнение суммирующего усилителя

Моделирование операционного усилителя в качестве суммирующего усилителя

 

Операционный усилитель в качестве оконного детектора напряжения

Эта схема используется для обнаружения поступления определенного диапазона напряжения (напряжений) от размаха входного сигнала.В этой схеме используются два операционных усилителя в режиме компаратора. Нижний компаратор отслеживает минимальное значение желаемого диапазона, а верхний компаратор отслеживает максимальное значение желаемого диапазона. POT Upper и POT Lower — это предустановки для минимального и максимального значений.

Операционный усилитель в качестве детектора напряжения в окне

  1. Как и на изображении выше, когда входное напряжение меньше минимального значения, выход нижнего и верхнего компаратора низкий. Напряжения на катодах диода И-затвора являются высокими и низкими, поэтому выходной сигнал низкий.

Операционный усилитель в качестве детектора напряжения в окне

  1. Когда входное напряжение находится в пределах заданного диапазона, выходной сигнал LC имеет высокий уровень, а UC низкий.

Напряжения на катодах диода AND Gate имеют высокое и высокое значение, поэтому на выходе высокое значение.

Операционный усилитель в качестве детектора напряжения в окне

  • Когда входное напряжение выше максимального заданного значения, выход LC имеет высокий уровень, а UC — высокий уровень. Напряжения на катодах диода И-затвора — низкий и высокий, поэтому выходной сигнал — низкий.

Детектор оконного напряжения с двойным источником питания

Таким образом, эта схема ведет себя как оконный детектор напряжения. Эта схема может использоваться с двойным источником питания, а также с отрицательным входным напряжением.

Операционный усилитель в качестве детектора пересечения нуля

Сигналы синусоидального напряжения часто преобразуются в прямоугольные волны с помощью детекторов пересечения нуля. В этой схеме операционный усилитель работает в режиме компаратора без обратной связи. Напряжение питания может быть одинарным или двойным.Эта схема обычно используется для запуска процесса после перехода через ноль, такого как включение нагрузки или генерация запускающего импульса через микроконтроллер путем запуска таймеров или подсчета циклов или частоты сигнала переменного напряжения и т. д.

Когда входной сигнал подключен к V+, а V- заземлен, когда входное напряжение превышает напряжение земли, т. е. когда вход положительный, выход операционного усилителя равен +V sat , а выход равен –V совпало с , в то время как вход отрицательный.

Операционный усилитель как неинвертирующий детектор пересечения нуля

В качестве альтернативы, когда входной сигнал подключен к V-, а V+ заземлен, по мере того, как входное напряжение поднимается выше напряжения земли, т. е. когда вход положительный, выход операционного усилителя равен -V sat , а выход равно +V sat , в то время как вход отрицательный. Эта разница используется, когда входной сигнал поступает от вторичной обмотки трансформатора, а выходной сигнал прямоугольной формы должен использоваться для некоторых других приложений.

Операционный усилитель как инвертирующий детектор пересечения нуля

Однако между входным сигналом и схемой операционного усилителя должны быть установлены подходящие фильтрующие схемы, чтобы устранить гармоники.

ШИМ-широтно-импульсная модуляция

Комбинация нестабильного мультивибратора, интегратора и компаратора дает схему ШИМ. Но если частота работы должна быть переменной, то это становится затруднительным, так как в дополнение к ручке рабочего цикла необходимо изменить ручки регулировки частоты и резисторы интегратора, чтобы они соответствовали входной частоте.

Операционный усилитель как контроллер рабочего цикла

Чтобы упростить это требование, генератор, управляемый напряжением, используется, как указано выше. Это предусмотрено производителем в техпаспорте LM 324 IC. Внеся некоторые изменения и добавив несколько компонентов, мы можем разработать схему ШИМ для управления скоростью двигателя или яркостью света и т. д.

Моделирование операционного усилителя в качестве контроллера рабочего цикла

Прямоугольная волна, частоту которой можно настроить с помощью регулятора частоты, преобразуется в треугольную волну.Ручка регулировки рабочего цикла используется для изменения рабочего цикла (красная линия на треугольной форме волны на изображении выше).

Когда мгновенное напряжение треугольной волны меньше постоянного напряжения ручки рабочего цикла, выход находится в состоянии High и наоборот. Это можно изменить, поменяв местами входы V+ и V- выходного каскада операционного усилителя.

Моделирование – ШИМ

Почему вам следует выбрать компаратор, а не операционный усилитель?

Существует много причин, по которым вам не следует использовать операционный усилитель в качестве компаратора , что также является причиной существования специализированных ИС компараторов.В этой статье мы более подробно рассмотрим эти причины, а также практически продемонстрируем различия между операционным усилителем и компаратором , сравнив их друг с другом.

 

Причины использования операционных усилителей в качестве компараторов

В целом, операционные усилители и компараторы относятся к одному семейству дифференциальных усилителей с высоким коэффициентом усиления и имеют много общих свойств — дифференциальный вход и несимметричный выход, который создает напряжение в ответ на разницу во входном напряжении.Даже схематический символ для двух частей одинаков, как показано на рисунке ниже.

РИС. 1. СХЕМАТИЧЕСКИЕ СИМВОЛЫ ОУ И КОМПАРАТОРА

Одна из наиболее распространенных причин использования операционных усилителей в качестве компараторов заключается в том, что операционные усилители доступны в корпусах, содержащих два или даже четыре операционных усилителя. В подобных случаях один или несколько операционных усилителей могут остаться неиспользованными, и вместо использования компаратора в другом месте схемы можно использовать один из операционных усилителей. По большей части это нормально, но вскоре может привести к проблемам, если четко не понять различия в том, как работают компараторы и операционные усилители.

 

Заглянуть внутрь операционных усилителей и компараторов

Первым шагом к пониманию различий между операционными усилителями и компараторами будет рассмотрение внутренней схемы. Здесь показаны внутренние схемы операционного усилителя LM358 и компаратора LM393. Поскольку обе части популярны и легко доступны, они также используются в практических демонстрациях.

РИС. 2 ВНУТРЕННЯЯ СХЕМА LM358 И LM393

На первый взгляд, входные каскады выглядят примерно одинаково (за исключением дополнительных диодов на компараторе), с той лишь разницей, что выходные каскады.

 

Цифровые и аналоговые выходы:

Самое большое отличие состоит в том, что выход компаратора представляет собой открытый коллектор, а выход операционного усилителя представляет собой комплементарную пару NPN-PNP. Это уже указывает на самую большую разницу между ними — один из них предназначен для обеспечения цифровых выходов, а другой — аналоговых.

 

Поскольку компаратор по существу представляет собой 1-разрядный аналого-цифровой преобразователь, цифровой выход предназначен для взаимодействия с широким спектром логических семейств, каждое из которых имеет разные верхний и нижний пороги.Выход с открытым коллектором может быть частью более сложной схемы сдвига уровня, чтобы гарантировать, что цифровой вход приводится к правильному уровню. Еще одна цифровая хитрость заключается в том, чтобы « провод-ИЛИ » несколько выходов — соединение их вместе с одним подтягивающим резистором, когда на любом из выходов компараторов низкий уровень, общий выход низкий. Это полезно при обнаружении неисправностей и оконных компараторах, где выходы нескольких компараторов связаны вместе. Это было бы невозможно с дополнительным выходным каскадом.Еще один забавный анекдот заключается в том, что если ОУ можно использовать в качестве компаратора, то компаратор нельзя использовать в качестве ОУ — выходной каскад просто не рассчитан на работу при напряжении между шинами питания.

 

Однако выход операционного усилителя более сложен, поскольку он предназначен для точного воспроизведения аналоговых сигналов с очень низким уровнем искажений.

 

Еще один момент, который следует отметить, это то, что выходные транзисторы операционного усилителя не являются силовыми транзисторами и, следовательно, не предназначены для работы в режиме насыщения на одной из шин, как компаратор.Чтобы выход оставался насыщенным, операционный усилитель может потреблять больше тока, чем обычно, что приводит к нагреву. Вывод выходных транзисторов из состояния насыщения также может занять больше времени из-за накопления заряда в базе.

 

Выходы компаратора

, однако, рассчитаны на чистое насыщение до рельсов, а иногда даже имеют схемы антинасыщения. Это может показаться нелогичным, но для мощных транзисторов с довольно большой емкостью база-эмиттер выход из состояния насыщения может занять некоторое время.По этой причине в некоторых компараторах используются схемы, в которых выходные транзисторы работают близко к насыщению, поэтому им не нужно время, чтобы переключиться на другую шину. Хорошим примером этого является LM311.

 

Компенсационный конденсатор (Cc):

Вторым большим отличием двух схем является наличие «C C » в схеме операционного усилителя. Это компенсационный конденсатор , который сглаживает коэффициент усиления ОУ на высоких частотах.Это необходимое дополнение к операционному усилителю, где важна стабильность постоянного тока — на выходе не должно быть колебаний. Этот конденсатор также является основной причиной относительной «медлительности» операционного усилителя — компенсационный конденсатор ограничивает скорость нарастания выходного сигнала. Это означает, что операционному усилителю требуется конечное время для перемещения его выхода между шинами питания. Это (в сочетании с проблемами насыщения) может привести к значительной задержке времени отклика операционного усилителя, используемого в качестве компаратора.

 

С другой стороны, компаратор не имеет таких ограничений.Любая небольшая разница на входе вызывает резкое и быстрое качание выхода на шины питания, что хорошо в цифровых системах, где скорость высоко ценится.

 

Перевернутые входные контакты:

Третье и менее заметное отличие заключается в том, что инвертирующие и неинвертирующие входы в схемах операционного усилителя и компаратора меняются местами (относительно токовых зеркал, которые действуют как активные нагрузки для входных транзисторов). Это связано с тем, что компаратор спроектирован так, чтобы быть стабильным в конфигурации без обратной связи (или с положительной обратной связью), а операционный усилитель рассчитан на некоторую форму отрицательной обратной связи.

 

Ограничения по входу и выходу для операционных усилителей и компараторов

Различия во внутренних схемах операционных усилителей и компараторов представляют собой «микроскопические» различия. Существуют и другие «макроскопические» различия, которые проявляются в виде диапазона входного напряжения, на который рассчитан каждый тип устройства.

 

Это во многом связано с типом обратной связи, для работы с которым предназначены операционный усилитель и компаратор.

 

В случае компаратора, который может работать без обратной связи или с положительной обратной связью, выход должен быстро реагировать, если один из входов выше или ниже другого, путем насыщения на одной из шин, что представляет собой цифровой 0 или 1.

 

С другой стороны, операционный усилитель, предназначенный для использования с внешней сетью с отрицательной обратной связью, пытается сохранить одинаковыми оба входа, изменяя выход и надеясь, что внешняя сеть сведет входной дифференциал к нулю.

 

Очевидным выводом из этого является то, что компараторы имеют гораздо больший диапазон входного синфазного (и дифференциального) напряжения, чем операционные усилители.

 

Это особенно верно при напряжениях вблизи шин питания, почти все операционные усилители работают с входами (и выходами) в пределах нескольких вольт или более от шин питания (существуют операционные усилители с шинами ввода и вывода, но они приходят со своими проблемами), и любой выход за эти пределы обычно приводит к нежелательному поведению:

 

1. Старые типы операционных усилителей страдали от проблемы, называемой « инверсия фазы », когда выведение входного сигнала за пределы синфазного диапазона приводило к реверсированию фазы на выходе — в основном, инвертированию выходного сигнала.

 

2. Входное смещение и входной ток смещения не являются постоянными в диапазоне входного напряжения. Это проблема, которая проявляется, особенно в операционных усилителях RRIO. Перенапряжение на входе иногда может активировать защитные диоды фиксации, которые шунтируют ток на любую из шин питания.Некоторые операционные усилители даже имеют пару встречно-параллельных диодов на двух входах , любая большая разница сразу же рассматривается как уменьшение входного импеданса. Это может быть или не быть проблемой, в зависимости от ввода. При использовании в линейном режиме эти диоды не представляют проблемы, поскольку отрицательная обратная связь пытается удерживать входной дифференциал равным нулю. Но при использовании без обратной связи с большими перепадами входного напряжения эти диоды могут перейти в проводимость, уменьшая входное сопротивление и вызывая чрезмерный нагрев и, в конечном итоге, разрушение микросхемы.

 

Операционный усилитель LM358 и компаратор LM393 — практический пример

Лучший способ сравнить время переключения операционного усилителя и компаратора — создать простую схему компаратора.

 

Здесь операционный усилитель LM358 настроен как компаратор, а LM393 также настроен как компаратор. Вход представляет собой сигнал прямоугольной формы от таймера A CMOS 555, который обеспечивает быстрые фронты. Все микросхемы питаются от источника питания 5В.

 

Для первой демонстрации LM358 и LM393 настроены как неинвертирующие компараторы , что означает, что выход становится высоким, когда напряжение на неинвертирующем входе превышает напряжение на инвертирующем входе.Здесь инвертирующий вход удерживается на уровне 2,5 В, что составляет половину напряжения питания.

РИС. 3. ВЫХОДНЫЕ ФОРМЫ

Здесь розовый сигнал — это вход, желтый сигнал — это выход LM393, а синий сигнал — это выход LM358.

 

Отчетливо видно, что выход операционного усилителя имеет все описанные выше характеристики: время отклика большое, передний и задний фронты ограничены по скорости нарастания, а выходное напряжение не достигает положительного напряжения питания.

0 comments on “Операционные усилители схемы включения: Операционный усилитель? Это очень просто!

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.