Как работает операционный усилитель: 10 схем на (почти) все случаи жизни / Хабр

Содержание

10 схем на (почти) все случаи жизни / Хабр

Всем привет!

В последнее время я по большей части ушел в цифровую и, отчасти, в силовую электронику и схемы на операционных усилителях использую нечасто. В связи с этим, повинуясь неуклонному закону полураспада памяти, мои знания об операционных усилителях стали постепенно тускнеть, и каждый раз, когда все-таки надо было использовать ту или иную схему с их участием, мне приходилось гуглить ее расчет или искать его в книгах. Это оказалось не очень удобно, поэтому я решил написать своего рода шпаргалку, в которой отразил наиболее часто используемые схемы на операционных усилителях, приведя их расчет, а также результаты моделирования в LTSpice.

Введение

В рамках данной статьи будет рассмотрено десять широко используемых схем на операционных усилителя. При написании данной статьи я исходил из того, что читатель знает, что такое операционный усилитель и хотя бы в общих чертах представляет, как он работает. Также предполагается, что ему известны базовые вещи теории электрических цепей, такие как закон Ома или расчет делителя напряжения.

Не следует воспринимать эту статью как законченное руководство по применению операционных усилителей в любых ситуациях. Для большого количества задач, действительно, этих схем может быть достаточно, однако в сложных проектах всегда может потребоваться что-то нестандартное.

1. Неинвертирующий усилитель

Неинвертирующий усилитель – наверное, наиболее часто встречающаяся схема включения операционного усилителя, она приведена на рисунке ниже.
В этой схеме усиливаемый сигнал подается на неинвертирующий вход операционного усилителя, а сигнал с выхода через делитель напряжения попадает на инвертирующий вход.
Расчет этой схемы прост, он строится исходя из того, что операционный усилитель, охваченный петлей обратной связи, отрабатывает входное воздействие таким образом, чтобы напряжение на инвертирующем входе было равно напряжению на неинвертирующем:

Из этой формулы легко получается коэффициент усиления неинвертирующего усилителя:

Рассчитаем и промоделируем неинвертирующий усилитель со следующими параметрами:

  • Операционный усилитель LT1803
  • Коэффициент усиления
  • Частота входного сигнала
  • Амплитуда входного сигнала
  • Постоянная составляющая входного сигнала

Выберем из ряда Е96 и . Тогда коэффициент усиления будет равен

Результат моделирования данной схемы приведен на рисунке (картинка кликабельна):


Давайте теперь рассмотрим граничные случаи этого усилителя. Допустим, величина сопротивления резистора . При этом мы получим, что коэффициент усиления будет стремиться к бесконечности. На самом деле, конечно, это хоть и очень большая, но все-таки конечная величина, она обычно приводится в документации на микросхему конкретного операционного усилителя. С другой стороны, величина выходного напряжения реального операционного усилителя даже при бесконечно большом коэффициенте усиления не может быть бесконечно большой: она ограничена напряжением питания микросхемы. На практике она зачастую даже несколько меньше, за исключением некоторых типов усилителей, которые отмечены как rail-to-rail. Но в любом случае не рекомендуется загонять операционные усилители в предельные состояния: это приводит к насыщению их внутренних выходных каскадов, нелинейным искажениям и перегрузкам микросхемы. Поэтому данный предельный случай не несет какой-то практической пользы.

Гораздо больший интерес представляет собой другой предельный случай, когда величина сопротивления . Его мы рассмотрим в следующем разделе.

2. Повторитель

Как уже говорилось ранее, включение операционного усилителя по схеме повторителя – это предельный случай неинвертирующего усилителя, когда один из резисторов имеет нулевое сопротивление. Схема повторителя приведена на рисунке ниже.
Как видно из формулы, приведенной в прошлом разделе, коэффициент передачи для повторителя равен единице, то есть выходной сигнал в точности повторяет входной. Зачем же вообще нужен операционный усилитель в таком случае? Он выступает в роли буфера, обладая высоким входным сопротивлением и маленьким выходным. Когда это бывает нужно? Допустим, мы имеем какой-то источник сигнала с большим выходным сопротивлением и хотим этот сигнал без искажения передать на относительно низкоомную разгрузку. Если мы это сделаем напрямую, без каких бы то ни было буферов, то неизбежно потеряем какую-то часть сигнала.

Убедимся в этом с помощью моделирования схемы со следующими основными параметрами:

  • Выходное сопротивление источника сигнала 10 кОм
  • Сопротивление нагрузки 1 кОм
  • Частота входного сигнала
  • Амплитуда входного сигнала
  • Постоянная составляющая входного сигнала

Моделирования будем проводить для двух случаев: в первом случае пусть источник сигнала работает на нагрузку через повторитель, а во втором случае — напрямую.
Результаты моделирования приведены на рисунке ниже (картинка кликабельна): на верхней осциллограмме выходной и входной сигналы в точности совпадают друг с другом, тогда как на нижней сигнал на выходе в несколько раз меньше по амплитуде относительно сигнала на входе.

Вместо повторителя на операционном усилителе можно также использовать и эмиттерный повторитель на транзисторе, не забывая, однако, про присущие ему ограничения.

3. Инвертирующий усилитель (классическая схема)

В схеме инвертирующего усилителя входной сигнал подается на инвертирующий вывод микросхемы, на него же заведена и обратная связь. Неинвертирующий вход при этом подключается к земле (иногда к источнику смещения). Типовая схема инвертирующего усилителя приведена на рисунке ниже.
Для входной цепи инвертирующего усилителя можно записать следующее выражение:

Где — напряжение на инвертирующем входе операционного усилителя.
Поскольку операционный усилитель, охваченный петлей обратной связи, стремится выровнять напряжения на своих входах, то , и при заземленном неинвертирующем входе получаем

Отсюда коэффициент усиления инвертирующего усилителя равен

По инвертирующему усилителю можно сделать следующие выводы:

  1. Инвертирующий усилитель инвертирует сигнал. Это значит, что необходимо применение двухполярного питания.
  2. Величина модуля коэффициента усиления инвертирующего усилителя равна отношению резисторов цепи обратной связи. При равенстве номиналов двух резисторов коэффициент усиления равен -1, т.е. инвертирующий усилитель работает просто как инвертор сигнала.
  3. Величина входного сопротивления инвертирующего усилителя равна величине резистора R1. Это важно, потому что при маленьких значениях R1 может сильно нагружаться предыдущий каскад.

Для примера рассчитаем инвертирующий усилитель со следующими параметрами:

  • Операционный усилитель LT1803
  • Коэффициент усиления
  • Частота входного сигнала
  • Амплитуда входного сигнала
  • Постоянная составляющая входного сигнала

В качестве резисторов в цепи обратной связи выберем резисторы номиналами и : их отношение как раз равно десяти.
Результаты моделирования усилителя приведены на рисунке (картинка кликабельна).


Как видим, выходной сигнал в 10 раз больше по амплитуде, чем входной, и при этом проинвертирован.

Входное сопротивление данной схемы равно . А что будет, если источник сигнала будет иметь значительное выходное сопротивление, допустим, эти же 10 кОм? Результат моделирования этого случая представлен на рисунке ниже (картинка кликабельна).


Амплитуда выходного сигнала просела в два раза по сравнению с предыдущим случаем! Очевидно, что это все из-за того, что выходное сопротивление генератора в этом случае равно входному сопротивлению инвертирующего усилителя. Таким образом, стоит всегда помнить про эту особенность инвертирующего усилителя. Как же быть, если все-таки требуется обеспечить работу источника сигнала с высоким выходным сопротивлением на инвертирующий усилитель? В теории надо увеличивать сопротивление R1. Однако одновременно с эти будет расти и сопротивление R2. Если мы хотим обеспечить входное сопротивление схемы в 500 кОм при коэффициенте усиления 10, резистор R2 должен иметь сопротивление в 5 МОм! Такие большие номиналы сопротивлений применять не рекомендуется: схема будет очень чувствительной к наводкам, пыли и флюсу на печатной плате. Есть ли какие-то выходы из этой ситуации? На самом деле да. Можно, например, использовать буфер-повторитель, который мы рассмотрели в прошлом разделе. А можно еще применить схему с Т-образным мостом в обратной связи, про нее поговорим в следующем разделе.

4. Инвертирующий усилитель с Т-образным мостом в цепи ОС

Схема инвертирующего усилителя с Т-образным мостом в цепи обратной связи приведена на рисунке ниже.
Коэффициент усиления этой схемы равен

Рассчитаем усилитель со следующими параметрами:
Расчет показывает, что следящие номиналы резисторов должны сформировать усилитель с Т-образным мостом, отвечающий заявленным требованиям:

Результаты моделирования схемы усилителя приведены на рисунке ниже (картинка кликабельна).


Попробуем теперь подключить источник с выходным сопротивлением 10 кОм, как мы это сделали в предыдущем разделе. Получим такую картинку (кликабельно):


Выходной сигнал практически не изменился по амплитуде по сравнению с предыдущим моделированием, и это ни в какое сравнение не идет с тем, насколько он проседал в схеме простого инвертирующего усилителя без Т-моста. Кроме того, как мы видим, эта схема позволяет обойтись без мегаомных резисторов даже при больших коэффициентах усиления и значительном входном сопротивлении.

5. Инвертирующий усилитель в схемах с однополярным питанием

Схемы с однополярным питанием распространены гораздо больше, чем схемы с двухполярным. Вместе с тем, как мы выяснили в прошлых двух разделах, при использовании схемы инвертирующего усилителя у нас меняется знак выходного напряжения, что влечет за собой обязательное применение двухполярного источника питания. Можно ли как-то обойти это ограничение и использовать инвертирующий усилитель в схемах с однополярным питанием? На самом деле можно, для этого надо на неинвертирующий вход усилителя подать напряжение смещения как показано на рисунке ниже
Примечание

Позиционные обозначения R1 и R2 показаны условно. Они одни и те же для разных резисторов на схеме, что, конечно, невозможно для реальной схемы, однако допускается на рисунке для подчеркивания того, что эти резисторы имеют одинаковые номиналы.

Расчет этой схемы строится все на том же принципе равенства напряжений на инвертирующем и неинвертирующем входах усилителя. Ток через цепочку резисторов R1-R2 инвертирующего плеча равен.

Отсюда напряжения на инвертирующем входе равно

Напряжение на неинвертирующем входе равно

Исходя из принципа равенства напряжения на инвертирующем и неинвертирующем входах получаем

Операционные усилители (на основе простейших примеров): часть 1 / Habr

В курсе электроники есть много важных тем. Сегодня мы попытаемся разобраться с операционными усилителями.
Начнем сначала. Операционный усилитель — это такая «штука», которая позволяет всячески оперировать аналоговыми сигналами. Самые простейшие и основные — это усиление, ослабление, сложение, вычитание и много других (например, дифференцирование или логарифмирование). Абсолютное большинство операций на операционных усилителях (далее ОУ) выполняются с помощью положительных и отрицательных обратных связей.
В данной статье будем рассматривать некий «идеал» ОУ, т.к. переходить на конкретную модель не имеет смысла. Под идеалом подразумевается, что входное сопротивление будет стремиться к бесконечности (следовательно, входной ток будет стремиться к нулю), а выходное сопротивление — наоборот, будет стремиться к нулю (это означает, что нагрузка не должна влиять на выходное напряжение). Также, любой идеальный ОУ должен усиливать сигналы любых частот. Ну, и самое важное, коэффициент усиления при отсутствующей обратной связи должен также стремиться к бесконечности.

Ближе к делу

Операционный усилитель на схемах очень часто обозначается равносторонним треугольничком. Слева расположены входы, которые обозначены «-» и «+», справа — выход. Напряжение можно подавать на любой из входов, один из которых меняет полярность напряжения (поэтому его назвали инвертирующим), другой — не меняет (логично предположить, что он называется неинвертирующий). Питание ОУ, чаще всего, двуполярное. Обычно, положительное и отрицательное напряжение питания имеет одинаковое значение (но разный знак!).
В простейшем случае можно подключить источники напряжения прямо ко входам ОУ. И тогда напряжение на выходе будет расчитываться по формуле:
, где — напряжение на неинвертирующем входе, — напряжение на инвертирующем входе, — напряжение на выходе и — коэффициент усиления без обратной связи.
Посмотрим на идеальный ОУ с точки зрения Proteus.

Предлагаю «поиграть» с ним. На неинвертирующий вход подали напряжение в 1В. На инвертирующий 3В. Используем «идеальный» ОУ. Итак, получаем: . Но тут у нас есть ограничитель, т.к. мы не сможем усилить сигнал выше нашего напряжения питания. Таким образом, на выходе все равно получим -15В. Итог:

Изменим коэффициент усиления (чтобы Вы мне поверили). Пусть параметр Voltage Gain станет равным двум. Та же задача наглядно решается.

Реальное применение ОУ на примере инвертирующего и неинвертирующего усилителей

Есть два таких основных правила:
I. Выход операционного усилителя стремится к тому, чтобы дифференциальное напряжение (разность между напряжением на инвертирующем и неинвертирующем входах) было равно нулю.
II. Входы ОУ не потребляют тока.
Первое правило реализуется за счет обратной связи. Т.е. напряжение передается с выхода на вход таким образом, что разность потенциалов становится равной нулю.
Это, так сказать, «священные каноны» в теме ОУ.
А теперь, конкретнее. Инвертирующий усилитель выглядит именно так (обращаем внимание на то, как расположены входы):

Исходя из первого «канона» получаем пропорцию:
, и немного «поколдовав» с формулой выводим значение для коэффициента усиления инвертирующего ОУ:

Приведенный выше скрин в комментариях не нуждается. Просто сами все подставьте и проверьте.

Следующий этап — неинвертирующий усилитель.

Тут все также просто. Напряжение подается непосредственно на неинвертирующий вход. На инвертирующий вход подводится обратная связь. Напряжение на инвертирующем входе будет:
, но применяя первое правило, можно утверждать, что


И снова «грандиозные» познания в области высшей математики позволяют перейти к формуле:

Приведу исчерпывающий скрин, который можете перепроверить, если хотите:

Пара интересных схем

Напоследок, приведу парочку интересных схем, чтобы у Вас не сложилось впечатления, что операционные усилители могут только усиливать напряжение.

Повторитель напряжения (буферный усилитель). Принцип действия такой же, как и у транзисторного повторителя. Используется в цепях с большой нагрузкой. Также, с его помощью можно решить задачку с согласованием импедансов, если в схеме есть нежелательные делители напряжения. Схема проста до гениальности:

Суммирующий усилитель. Его можно использовать, если требуется сложить (отнять) несколько сигналов. Для наглядности — схема (снова обращаем внимание на расположение входов):


Также, обращаем внимание на то, что R1 = R2 = R3 = R4, а R5 = R6. Формула расчета в данном случае будет: (знакомо, не так ли?)

Таким образом, видим, что значения напряжений, которые подаются на неинвертирующий вход «обретают» знак плюс. На инвертирующий — минус.

Заключение

Схемы на операционных усилителях чрезвычайно разнообразны. В более сложных случаях Вы можете встретить схемы активных фильтров, АЦП и устройств выборки хранения, усилители мощности, преобразователи тока в напряжение и многие многие другие схемы.

Список источников

Краткий список источников, который поможет Вам быстрее освоится как в ОУ, так и в электронике в целом:
Википедия
П. Хоровиц, У. Хилл. «Искусство схемотехники»
Б. Бейкер. «Что нужно знать цифровому разработчику об аналоговой электронике»
Конспект лекций по электронике (желательно, собственный)
UPD.: Спасибо НЛО за приглашение

Операционные усилители. Виды и принцип действия

Автор Исхаков Максим На чтение 4 мин. Просмотров 158 Опубликовано Обновлено

Стоит сказать, что ток выходя из операционного усилителя не расходует электричество. Два входа обозначены разными знаками и оказывают высокое сопротивление, благодаря этому можно использовать большое количество электричества в начале усилителя, где и случается оценка напряжения, от этого зависит какой сигнал устройство выдаст, выходя из усилителя. Важную роль играет усилительный коэффициент, он может достигать миллиона.

Насколько большим будет напряжение, зависит от того сколько его было получено, чем его больше на входе, тем больше будет отдано, и наоборот. От источника питания зависят значения полюсов.

Питание операционного усилителя

На примере батарейки рассмотрим принцип питания системы, она имеет два значения, в качестве точки отсчета возьмем отрицательный, тогда позитивный будет давать 1,5 В. Если подключить два последовательных элемента, то можно заметить такое: за нулевую точку возьмем негативный полюс батареи снизу и измерим положительную сторону батареи снизу, результат будет +10 В.

Для создания биполярного окружения можно за нулевую точку взять место между двумя батареями, тогда ток между полюсами будет равен и составит +5 и -5. Радиолюбители предпочитают схемы простой конструкции, подача питания в них происходит от сети, при этом ток понижается до 30 В. Обычно системы делают так, чтобы место в центре имело обмотку, обмотка обеспечит усилителю +15 и -15 В.

Разновидности

Операционные усилители можно поделить на несколько типов.

Инвертирующий усилитель

Это базовая схема, ее особенность заключается в том, что она имеет помимо основных частей еще и фазу, значения которой также нужно учитывать. Амплитуда и коэффициент в такой схеме на выходе превосходит вход ровно в два раза. Такие усилители обрели популярность благодаря своей простоте. k=-(R2)/(R1) – формула необходимая для расчета напряжения. Исходя из этого, заметно, что сопротивление не влияет на полученный ток, оно служит своеобразной защитой.

Неинвертирующие усилители

Эта схема довольно похожа на первую, но ее отличие в прямом сигнале, что сохраняет важность фазы. Коэффициент разницы сигнала также составляет два. Ток выходя из усилителя лишь изменяет амплитуду. Такая схема также довольно простая и популярная, она имеет сопротивление. Для нее используется формула k=1+(R2/R1). И исходя из этого, можно заметить, что усиление меньше единицы быть не может.

Схема вычитания

Такая схема может создать неодинаковые по значениям сигналы, их можно усиливать. Эта схема имеет еще одно название – дифференциальная. Она состоит из усложненной конструкции и к ней применяется формула Uab=(R3/R1)*(Ua-Ub).

Схема сложения

Эта схема противоположная предыдущей схеме, она может обрабатывать сразу несколько входящих сигналов, по похожему методу работают звуковые микшеры. С этой схемой можно суммировать сигналы за формулой U=-R((U1/R1)+(U2/R2)+(U3/R3)+(Un/Rn).

Схема интегратора

Если добавить в простую схему обратную связь и конденсатор (не обязательно) получится интегратор. Такая схема похожа по устройству на первую рассмотренную схему, но при добавлении обратной связи вся система начинает зависеть от входящего сигнала. Такой усилитель отличается переходами сигналов с одной формы в другую. Также, интегратор может быть фильтром для пониженных частот.

Схема дифференциатора

Эта схема равна обратной интегратора. От количества входящего тока зависит усиление, такая характеристика способствует использованию устройств с подобной системой для фильтрации повышенных частот.

Аналоговый компаратор

Компаратор способен переводить частоты, сторона перевода зависит от уровня напряжения. Компаратор используется в аналоговых системах. Схема не подразумевает наличие обратной связи, из-за этого она имеет высокое сопротивление. На позитивный полюс поступает сигнал, а на негативный энергия. Так как, обратная связь отсутствует, усиление может длиться и достигать бесконечного числа. Такая система может сбоить в случаях, когда значения на полюсах приближаются к равным.

 

На видео: Как работает операционный усилитель.

Особенности применения ОУ при однополярном питании

Тенденции применения электронных компонентов направлены на снижение энергопотребления и стоимости, поэтому в современных изделиях используется однополярное питание, и с каждым годом значения питающих напряжений уменьшаются. В статье рассмотрены основные проблемы, с которыми сталкивается разработчик при использовании операционных усилителей в схемах с однополярным питанием.

Хотя симметричное двуполярное питание является оптимальным для операционных усилителей (ОУ), во многих случаях (жесткие требования к потреблению электроэнергии) необходимо или желательно использовать однополярное электропитание. Например, бортовая сеть в автомобильном и морском оборудовании — однополярная. Да и в оборудовании, где ранее традиционно использовалось двуполярное питание, все чаще применяется встроенный однополярный источник электроэнергии с питающим напряжением 5 или 12 В постоянного тока. Системы с однополярным электропитанием для обработки аналоговых сигналов имеют общие для таких решений дополнительные свойства, вызванные необходимостью использования компонентов для смещения аналогового сигнала на каждой стадии обработки. Если смещение аналогового сигнала не продумано, а тем более не выполнено, то возникает множество проблем, в том числе — нестабильность работы операционных усилителей.

 

Проблемы, возникающие при смещении с помощью резисторов

Применение ОУ с однополярным питанием связано с проблемами, которые обычно не встречаются при использовании двуполярного питания. Главная из них возникает тогда, когда входной сигнал является двуполярным относительно общего уровня («земли»). В системе с однополярным питанием этот уровень совпадает с уровнем отрицательного источника питания в традиционных решениях. Поэтому в этом случае нулевой уровень входного сигнала не может соответствовать «земле» и должен находиться между «землей» и уровнем питающего напряжения. Основное преимущество систем с двуполярным питанием состоит в том, что их общее соединение («земля») является устойчивым, низкоомным нулевым уровнем для входного сигнала. При этом положительное и отрицательное напряжения питания могут быть несимметричными. При однополярном питании с помощью схем смещения создается уровень нулевого сигнала, обычно лежащий в середине диапазона питающего напряжения.

Чтобы использовать усилитель эффективно, то есть получить с его выхода максимальный сигнал без ограничения, входной сигнал должен быть смещен на середину выходного диапазона, или, что одно и то же, на уровень половины питающего напряжения. Наиболее эффективный способ — использование линейного стабилизатора, как показано на рисунке 6. Однако наиболее популярная схема смещения — резистивный делитель напряжения питания. Хотя этот способ наиболее прост, при его использовании возникает ряд проблем.

Используя рисунок 1, рассмотрим некоторые из них. На этом рисунке изображена классическая схема неинвертирующего усилителя переменного тока. Входной сигнал с помощью емкостной связи подается на вход усилителя. Средний уровень входного сигнала смещен на величину VS/2 с помощью резисторного делителя RA—RB. В полосе пропускания данный усилитель имеет коэффициент усиления КУ = 1 + R2/R1. Паразитное усиление постоянного сигнала сведено к единице с помощью емкостной обратной связи цепочкой R1C1, соединенной с нулевым уровнем («землей»). Поэтому уровень постоянной составляющей равен напряжению смещения. Этим самым мы избегаем возникновения искажений из-за усиления напряжения смещения. Обратная связь обеспечивает коэффициент усиления, равный 1 + R2/R1 для высокочастотных сигналов и равный единице — для постоянной составляющей и низкочастотных сигналов с частотами подавления f = 1/(2πR1C1) и f = 1/[2π(R1 + R2)C1], а также вносит фазовый сдвиг во входную и выходную цепи.

Эта схема имеет серьезные ограни чения применения. Во-первых, невозможно использовать такое важное свойство операционных усилителей, как подавление синфазного сигнала. Поскольку любое изменение питающего напряжения моментально отразится на напряжении смещения, равном VS/2, установленным резисторным делителем, любой шум, присутствующий в шине питания, будет усилен наряду с сигналом (за исключением самых низких частот). Так, при КУ = 100 пульсации напряжением 20 мВ от электросети могут быть усилены до напряжения более 1 В (в зависимости от параметров компонентов схемы).

Еще хуже, что при мощной нагрузке усилитель становится нестабильным в работе. Плохие стабилизация и фильтрация в источнике питания приводят к тому, что на шинах питания появляется значительный уровень сигнала. При работе усилителя, включенного по неинвертирующей схеме, этот сигнал поступает на вход усилителя через схему смещения, как было рассмотрено ранее, и усилитель самовозбуждается.

Оптимизация расположения компонентов на печатной плате, установка большого количества блокирующих конденсаторов, правильная разводка заземляющих шин и соединение их в одной точке, соответствующее проектирование шин питания уменьшают наводки и повышают стабильность схемы, но не исключают рассмотренных проблем. Поэтому далее будет предложено несколько решений, помогающих избежать трудностей в использовании усилителей при включении по схеме с однополярным электропитанием.

 

Развязка схемы смещения

Чтобы снизить влияние нестабильности напряжения питания, можно зашунтировать схему смещения по переменному току и добавить отдельный резистор для входного сигнала, как показано на рисунке 2. Конденсатор C2 обеспечивает фильтрацию пульсаций шины питания, тем самым восстанавливая способность ОУ ослаблять синфазные сигналы и влияние напряжения питания. Резистор RIN, который заменяет в этой схеме входное сопротивление RA/2 для сигналов переменного тока, обеспечивает передачу постоянного смещения на неинвертирующий вход усилителя.

Сопротивления резисторов RA и RB должно быть минимальными, насколько это позволяют ограничения по энергопотреблению. В данном случае выбрано значение 100 кОм, чтобы уменьшить потребляемый ток в схемах с батарейным питанием. Выбор величины шунтирующего конденсатора также требует внимания. С делителем напряжения RA/RB (100 кОм/100 кОм) и С2 = 0,1 мкФ частота среза по уровню –3 дБ фильтра высоких частот (ФВЧ), образованного параллельно соединенными резисторами RA и RB и конденсатором С2, равна 1/[2π(RA/2)C2] = 32 Гц. Хотя это усовершенствование схемы, приведенной на рисунке 1, позволило подавить синфазные помехи с частотами выше 32 Гц, более низкочастотные сигналы сохранили обратную связь по шине питания усилителя. Поэтому при реализации такой схемы необходимо использовать конденсаторы большой емкости.

На практике емкость конденсатора C2 требуется увеличить до таких значений, при которых резисторный делитель схемы смещения эффективно шунтировался бы для всех частот в полосе пропускания усилителя. Хорошим правилом для расчета частоты среза ФВЧ, образованного RA, RB и C2, является выбор значения, равного 1/10 от наименьшего из значений частот среза RC-цепочек RINCIN и R1C1.

Коэффициент усиления по постоянному току остается равным единице. Даже в этом случае должны учитываться входные токи. RIN с последовательно соединенным делителем напряжения RA/RB значительно повышают входное сопротивление на неинвертирующем входе операционного усилителя. Поддержание смещения выходного сигнала на уровне половины напряжения питания при использовании обычных усилителей с обратной связью по напряжению, которые имеют симметричные сбалансированные входы, достигается правильным выбором величины резистора обратной связи R2.

В зависимости от напряжения питания значения резисторов, которые обеспечивают разумный компромисс между увеличением тока потребления или увеличением зависимости параметров усилителя от изменений входного тока, должны быть порядка 100 кОм для питающего напряжения 12…15 В, снижены до 42 кОм для питания 5 В и до 27 кОм — для 3,3 В.

В высокочастотных усилителях (особенно с обратной связью по току) следует использовать низкоомный делитель и резистор обратной связи, для того чтобы сохранить широкую полосу пропускания при наличии паразитной емкости. Для операционных усилителей, таких как AD811, разработанных для обработки видеосигналов, оптимально подходит значение резистора R2, равное около 1 кОм. Поэтому схемы с такими ОУ требуют использования намного меньших значений резисторов RA и RB в делителе напряжения (и большую емкость шунтирующего конденсатора C2).

Из-за малого входного тока необходимость согласования резисторов на входах современных усилителей с полевыми транзисторами во входных каскадах не так важна, если усилитель не будет работать в широком температурном диапазоне. Иначе такое согласование необходимо.

Схема на рисунке 3 показывает, как реализуется смещение и шунтирование цепи смещения для инвертирующего усилителя.

Смещение с помощью резисторного делителя дешево и обеспечивает постоянный средний уровень выходного сигнала, равный половине величины напряжения питания, но подавление синфазного сигнала операционным усилителем зависит от постоянной времени RC-цепочки, образованной делителем RA/RB и конденсатором C2. Необходимо использовать в качестве С2 конденсатор такой емкости, которая обеспечивает по крайней мере в 10 раз большее значение постоянной времени RC-цепи RA/RB – C2, чем у RINCIN и R1C1. Это гарантирует достаточное подавление синфазного сигнала. С резисторами RA и RB, равными 100 кОм, величина конденсатора C2 может оставаться довольно небольшой, если не требуется работа усилителя на очень низких частотах.

 

Смещение при помощи стабилитрона

Более эффективный способ обеспечить необходимое смещение при однополярном питании — это использование стабилитрона, как показано на рисунке 4. В этой схеме резистор RZ обеспечивает необходимый рабочий ток стабилитрона. Конденсатор CN шунтирует вход операционного усилителя от шума стабилитрона.

Стабилитрон должен иметь напряжение стабилизации, близкое к половине напряжения питания. Резистор RZ должен обеспечивать достаточно большой ток, позволяющий стабилитрону работать в устойчивом режиме и, тем самым, обеспечивать минимальную погрешность стабилизации. С другой стороны, важно минимизировать энергопотребление (и тепловые потери). Поскольку входной ток операционного усилителя незначителен, то наиболее оптимален выбор стабилитрона малой мощности. Стабилитрон мощностью 250 мВт является оптимальным, но и наиболее распространенные 500-мВт стабилитроны также приемлемы. Оптимальный рабочий ток — около 0,5 мА для 250-мВт и около 5 мА — для 500-мВт стабилитронов.

Схема на рисунке 4 обеспечивает низкоомный опорный уровень и устраняет влияние нестабильности питающего напряжения на вход усилителя. Преимущества существенны, но стоимость и энергопотребление увеличиваются, да и средний уровень напряжения на выходе усилителя будет соответствовать выходному напряжению стабилитрона и может отличаться от VS/2. Если это отличие окажется существенным, то при больших выходных сигналах будет происходить асимметричное ограничение. Входные токи смещения также должны быть согласованы. Резисторы RIN и R2 должны быть равными, чтобы при прохождении через них входного тока разница падения напряжения на них не приводила к появлению ошибки смещения.

Рисунок 5 показывает схему инвертирующего усилителя со смещением уровня входного сигнала стабилитроном.

В таблице 1 перечислены стабилитроны нескольких типов, которые могут быть выбраны в зависимости от напряжения питания для обеспечения необходимого смещения. Значение RZ в таблице выбрано исходя из обеспечения стабилитронов током 5 или 0,5 мА для схем, показанных на рисунках 4 и 5. Для уменьшения шума (ошибки стабилизации) может быть выбран и больший ток; его максимальную величину следует выяснить в техническом описании стабилитрона.

 

Смещение с помощью линейного стабилизатора

Для операционных усилителей с однополярным питанием 3,3 В требуется смещение напряжения 1,65 В. Однако напряжение стабилизации выпускаемых стабилитронов — не ниже 2,4 В. Хотя существуют источники опорного напряжения AD589 и AD1580 с напряжением 1,225 В, которые могут использоваться подобно стабилитронам, но они не обеспечивают смещение на половину напряжения питания. Самый простой способ обеспечить смещение входного сигнала на произвольную величину — это использовать линейный стабилизатор напряжения, например ADP667 или ADP3367, как показано на рисунке 6. Выходное напряжение линейного стабилизатора может быть установлено в пределах от 1,3 В до 16 В, и это обеспечит низкоомное смещение для операционного усилителя с однополярным напряжением питания от 2,6 В до 16,5 В.

 

Связь по постоянному току при однополярном питании

Пока была обсуждена только связь операционного усилителя по переменному току. Хотя при использовании входных и выходных конденсаторов связи большой емкости усилитель может работать с сигналами с частотами значительно ниже 1 Гц, в некоторых случаях требуется истинная связь по постоянному току. Схемные решения, которые обеспечивают низкоомное постоянное напряжение смещения, типа стабилитронов и линейных стабилизаторов, обсуждаемых выше, могут использоваться, чтобы создавать напряжение «среднего уровня».

Альтернативно схеме смещения, построенной на резистивном делителе, показанной на рисунках 1 и 3, для создания низкоомной искусственной «земли» может использоваться буферный операционный усилитель, как показано на рисунке 7. Если для питания используется низковольтная батарея, скажем 3,3 В, ОУ должен иметь возможность работать с сигналами, равными размаху напряжения питания — rail-to-rail. Кроме того, ОУ также должен быть способен обеспечить большой положительный или отрицательный выходной ток. Конденсатор C2 шунтирует делитель напряжения, чтобы уменьшить шумы резисторов. На эту схему не влияет нестабильность электропитания, потому что общий уровень («земля») всегда находится на уровне половины напряжения питания.

 

Проблемы задержки включения

В заключение необходимо рассмотреть еще одну проблему — время включения усилителя. Оно приблизительно будет зависеть от постоянной времени RC-цепочки, используемой в самом низкочастотном фильтре.

В пассивных схемах смещения, рассмотренных здесь, требуется, чтобы постоянная времени RC цепочки, состоящей из параллельно соединенных резисторов RA и RB и С2, была в 10 раз больше, чем постоянные времени входной и выходной цепей. Длительная постоянная времени помогает удерживать схему смещения во «включающемся» состоянии по отношению к входным и выходным цепям усилителя, обеспечивая постепенное нарастание среднего уровня выходного сигнала от 0 В до половины напряжения питания без скачков до уровня напряжения питания. Главное требование, чтобы частота среза схемы смещения на уровне 3 дБ была меньше в десять раз, чем наименьшая из частот среза R1C1 и RLOAD/COUT. Например, в схеме на рисунке 2 для полосы пропускания начиная с 10 Гц и коэффициента усиления, равного 10, емкость конденсатора C2 должна быть равна 3 мкФ, что обеспечит частоту среза по уровню 3 дБ, равную 1 Гц.

С резисторами RA и RB = 100 кОм сопротивление в RC-цепочке (параллельное соединение) будет равно 50 кОм, и при C2 = 3 мкФ постоянная времени будет равна 0,15 с. Таким образом, средний уровень выходного сигнала усилителя достигнет величины половины напряжения питания приблизительно за 0,2…0,3 с… Между тем, входные и выходные RC-цепи установятся в десять раз быстрее.

В устройствах, где время включения может оказаться чрезмерно длительным, предпочтительнее использовать схемы смещения на стабилитронах или линейных стабилизаторах.

как работает, на операционном усилителе, микросхема

Слово «компаратор» произошло от латинского «comparare» и в буквальном русском переводе означает «сравнивать». Он производится в разнообразных модификациях, которые востребованы современной электронной промышленностью. Самые простые конструкции для сравнения контролируемых данных обладают 2-мя входами аналогового типа и одним цифровым. Базу его функционирования обеспечивает дифференциальный каскад, имеющий мощные усилительные характеристики. Компаратор напряжения довольно востребованное устройство и используется в областях, связанных с измерениями либо которые используют превращение сигнала из аналогового в цифровой.

Что такое компаратор напряжения

Принцип функционирования компаратора напряжения (КН) можно сравнить с весами рычажного типа. Когда на одну чашу весов укладывается эталонная гиря, а на другую — измеряемый продукт. В то время, когда вес продукта будет одинаковым с массой контрольного веса, чаша с эталонным весом поднимается выше, после чего процесс взвешивания заканчивается.

Применение компараторов

В КН вместо гирь функционирует основное напряжение, а продукт заменяет входящий сигнал. Когда образуется логическая «1» на выходе компаратора, начинается процесс сопоставления значений напряжения. Для проверки такого прибора не потребуется выполнения трудозатратной схемы. Достаточно подключить выходной вольтметр, а на вводы — регулируемое напряжение. При смене входных параметров на вольтметре будет видима функциональность КН, параметры настройки задаются схемой.

Принцип работы компаратора

Самым простым прибором считается компаратор, который сопоставляет напряжение, поступающее на один из входов, с базовым показателем, присутствующим на ином входе. Примитивный компаратор напряжения на операционном усилителе (ОУ) — без обратной связи.

Принцип работы

КН выполнен в виде электронной схемы с 2-мя входящими напряжениями и может устанавливать большее значение. Просто выполнить модели КН из ОУ, так как полярность выходящей электроцепи операционного усилителя исходит от полярности разности показателей напряжения на 2-х входах.

Представим, что существует фотоэлемент, который производит 0.5 В под воздействием солнечного света, и необходимо применять данный фотоэлемент в роли измерителя для установления периода дневного освещения. В таких случаях лучший вариант — применять КН, чтобы сопоставить напряжение от фотоэлемента с контролируемым показателем 0.5 В.

В цепи КН, первоначальное опорное напряжение поступает на инвертирующем вводе (U -), после напряжение, которое будут сравнивать с опорным, поступает на неинвертирующий ввод. Выходное значение исключительно зависит от входного размера по отношению к опорному напряжению.

Схема компаратора

Схема компаратора:

  • Менее эталонного — отрицательный;
  • равноправный опорному — «0»;
  • более эталонного значения — положительный.

ОУ компаратора сравнивает один уровень аналогового напряжения с другим уровнем аналогового напряжения или каким-либо опорным напряжением, и выдает выходной сигнал на основе этого сравнения напряжения. Другими словами, компаратор напряжения ОУ сопоставляет данные 2-х входов и определяет наибольший, простота и эффективность этой схемы проверена на практике и реализована в многих бытовых приборах.

Положительная обратная связь

Компараторы напряжения либо используют положительную обратную связь, либо вообще не используют ее в режиме разомкнутого контура. Затем выходной сигнал КН подается полностью на его положительную шину питания + Ucc или на отрицательную шину питания —Ucc, при приложении переменного входного сигнала, который проходит некоторое предварительно установленное пороговое значение.

КН (-) обратной связью

Параметры прибора

На самом деле, прибор можно расценивать как простейший вольтметр. КН, подобно цифровому прибору, обладает рядом эксплуатационных качеств, подразделяемые на 2 разновидности: статические и динамические.

Параметры прибора

Первые обладают следующими характеристиками:

  • Максимальная чувствительность по отношению к пороговым размерам сигнала, которые КН устанавливает на входе и заменяет потенциал выхода устройства на логический «0» либо «1».
  • Размер смещения устанавливается передаточным фактором прибора в отношении установленного образцового положения.
  • Входной ток — предельное значение, способное протекать с использованием любого вывода, при этом, не нанеся повреждение прибору.
  • Выходной ток — размер тока, во время перехода измерителя в положение «1».
  • Разность токов — результат, определяемый при вычитании токовых данных.
  • Гистерезис — разница в уровнях входящего сигнала, которая приводит к изменению стабильного выходного состояния.
  • Коэффициент понижения сигнала рассчитывается по отношению к дифференциальному сигналу, которые приводят к смене варианта функционирования измерителя.
  • Наименьшая и наибольшая номинальная температура — интервал, в котором технологические характеристики прибора не будут изменяться.

Гистерезис компаратора

Обратите внимание! Все основные параметры КН изображаются в форме параметров переходного типа. Это диаграмма, где по оси Х обозначается время, а Y — напряжение в вольтах.

Как обозначается компаратор на схемах

На схемах компаратора и в электротехнических схемах графическое обозначение измерителя выполняется в форме треугольника, имеющего три выхода. Они обозначаются символами «+» и «-», соответствующих неинвертирующим/инвертирующим показателям, также представляется выходной маркирующий знак «Uout».

Обозначение на схемах

Когда (+) на входе микрочипа, степень сигнала станет больше, чем конкретно на инверсном ( — ), то на выводе будет образовываться устойчивое значение. Исходя из схемотехнической базы компаратора, это число имеет возможность принимать вариант логического «0» либо «1». В цифровых электронных устройствах за «12» принимается сигнал, степень напряжения которого имеет 5В, а за «0» установлено его отсутствие. Другими словами, положение выхода измерителя устанавливается как высокое либо низкое. Хотя обычно на практике за логический «0» принимают разность потенциалов до 2.7 В.

Где применяется компаратор напряжения

Часто КН применяют в градиентном реле — схема, которая реагирует на скорость изменения сигнала, например, фотореле. Такое устройство может использоваться в тех ситуациях, когда освещение меняется довольно стремительно. Например, в охранных установках либо датчиках контроля выпущенных изделий на конвейерах, где прибор станет реагировать на прерывание светового потока.

Еще одна часто используемая схема — датчик измерения температуры и изменения «аналогового» сигнала в «электронный». Оба измерителя преобразовывают амплитуду входящего сигнала в ширину выходящего импульса. Такое превращение довольно часто применяется в разнообразных цифровых схемах. Преимущественно, в измерительных устройствах, блоках питания импульсного типа, электронных усилителях.

Конструкция компаратора

КН нашли обширную область применения в радиоэлектронике разнообразной направленности. В магазинах радиотоваров можно увидеть огромное количество разнообразных микросхем. Но особенно часто применяемыми микросхемами у пользователей считаются:

  • LM No 339;
  • LM No 311;
  • MAX No 934;
  • К554СА3.

Они легкодоступны в торговой сети и имеют довольно бюджетную цену. Такие КН выделяются обширным спектром входных параметров. К выходу КН способна присоединяться разнообразная токовая нагрузка, как правило, не превосходящая 50.0 мА. Это могут быть микрореле, варистор, световой диод, оптрон либо абсолютно разные исполнительные модули, однако с предельными по току компонентами.

Фотореле контроля

Подобное реле выпускается методом навесного монтажа. Его применяют в охранных контролирующих системах либо для контролирования степени света. Входящее напряжение попадает на делитель R1 и фотодиод VD3. Их объединенная точка сочетания использует ограничивающие диоды VD1/ VD2, подключенные к входам DA1. В итоге входящая разность потенциалов КН будет отсутствовать, а следовательно, и восприимчивость измерителя станет максимальной.

Фотореле

Чтобы выходящий сигнал смог инвертироваться, потребуется обеспечить входную разницу в 1 мВ. По той причине, что к входу подсоединены С1 и сопротивление R1, размер U на нем станет увеличиваться с незначительной задержкой, равноправной периоду заряда С1.

Зарядный блок

Такой блок питания принимается функционировать непосредственно после сборки. Его базовые опции сводятся к установлению рабочего зарядного тока и порогов, по которым срабатывает КН. При подключении прибора зажигается световой диод, позиционирующий подачу напряжения. На протяжении процесса зарядки обязан непрерывно гореть алый световой диод, который погаснет после того, как аккумуляторная батарея будет полностью заряжена

Зарядный блок

Подводимое напряжение от питающего блока настраивается R2, а зарядный ток устанавливается с применением R4. Наладка выполняется с применением сопротивления на 160 Ом, подключающегося в параллель к контактам, которые держат батарейку. Транзистор VT1 размещается на радиаторе, взамен его можно применять КТ814Б. Подобную схему надо будет комплектовать на плате с размером не более 50×50 мм.

Кварцевый генератор

Этот генератор ортогональных импульсов выполняется с использованием российского компаратора K544C3, функционирующего на тактовой гармонике 32.768 Гц. Схема станет рабочей в спектре входящего напряжения 7-11В с частотой установленной кварцем ZQ1. Тем не менее, для эксплуатации такого девайса сверх 50.0 кГц потребуется понизить значение R5-R6.

Генератор

При замыкании другого вывода с 0-проводом КН становится подсоединённым по варианту с незакрытым коллектором, а R7 становится нагрузкой. Подстраивание частотности производится совместно, с применением C1. С применением R4 выполняется автозапуск генератора. Меняя значение R2, изменяется импульсная характеристика.

Дополнительная информация! Выбирая конденсаторы С1 или С2, генератор сможет применяться в виде бесконтактного жидкостного датчика. В роли детектора для этой цели потребуется применять микроконтроллер с ПО. Однако возможно использовать и ещё дополнительно компаратор, который станет фиксировать деформации напряжения.

Отсюда следует, что компаратор способен предназначать действия по уровням значений на собственных вводах. Когда они отличаются, то, исходя от дельты U, выход прибора меняет качественное положение. Именно такие их качества используют создатели, разрабатывая самые разные электроприборы с операционным усилителем.

Advanced Op Amp Tutorial

Учебное пособие по расширенному операционному усилителю


Эта статья будет
объяснить расширенное поведение операционного усилителя, включая открытый
усиление контура, усиление замкнутого контура, усиление контура, запас по фазе
и получить маржу. Он расширяет (часто неверный)
предположения об операционных усилителях, которые
точный на постоянном токе. Текст включает моделирование в
LTspice
® .Если вы новичок в
LTspice, уроки могут быть
найдено на этом сайте.

Операционные усилители (ОУ) — краеугольный камень
аналоговой электроники. На низких частотах
концепции того, как работает операционный усилитель, очень просты и
их схемы легко анализировать. Тем не менее
основы, которые преподаются только в большинстве средних школ
распространяются на производительность операционного усилителя при постоянном токе. На более высоком
частоты основы часто не применимы и
пытаясь проанализировать цепь переменного тока с правилами проектирования постоянного тока
часто приводит к путанице.

Эта статья потратит самое короткое время
глядя на характеристики постоянного тока операционных усилителей,
чтобы объяснить, как эти характеристики меняются с
возрастающая частота.

Идеальный операционный усилитель

Учебники учат, что идеальный операционный усилитель имеет
следующие характеристики:

Бесконечное входное сопротивление

Нулевой выходной импеданс

Входное напряжение смещения нулевого постоянного тока

Бесконечное усиление

Бесконечная пропускная способность

Хотя не все операционные усилители обладают высокой пропускной способностью, бесконечное
входной импеданс, нулевой выходной импеданс и нулевой постоянный ток
входное напряжение смещения, довольно легко найти
операционный усилитель, который приблизится к этим потребностям для
конкретное приложение схемы.Однако нет операционных усилителей
иметь бесконечное усиление или полосу пропускания и фактически усиление
спад на очень низких частотах, и это имеет
влияние на предположения об идеальной операции
amp

Операционный усилитель на DC

Простая схема операционного усилителя показана на фиг.1.
неинвертирующее усиление 10.

РИС.1

Версию LTspice этой схемы можно скачать
здесь: Non
Инвертирующий операционный усилитель.

Коэффициент усиления неинвертирующего операционного усилителя равен

.

На фиг.1 RF составляет 9 кОм, а RI — 1 кОм, поэтому, применяя 10 мВ
пиковое входное напряжение на неинвертирующей клемме
На фиг.1 показано 10-кратное напряжение, которое появляется на
выход, то есть 100 мВ

В качестве альтернативы, если 2 входных терминала регулируются
то же напряжение, это создает ток 10uA
через R2.Этот ток может исходить только от
выход (поскольку входные клеммы не
ток), что означает, что R1 должен развивать напряжение
90 мВ, что означает, что выходное напряжение будет на уровне 90 мВ.
+ 10 мВ = 100 мВ.

Глядя на эту схему с другой стороны, можно увидеть
потенциальный делитель от выхода обратно к
инвертирующий вход. Если схема регулирует, чтобы
2 входа одинаковы, тогда

так

Итак, есть несколько способов определить
усиление операционного усилителя.

Теперь всегда предполагается, что два входа
клеммы находятся под одинаковым напряжением (без учета постоянного
напряжение смещения). Фактически, напряжение на
входные клеммы состоят из двух компонентов: постоянного тока
напряжение смещения и гораздо меньший компонент, который
зависит от коэффициента усиления без обратной связи усилителя и
это второй компонент, который большинство людей игнорирует
что приводит к путанице при анализе ОУ
на ac.

Операционный усилитель на частотах переменного тока

РИС.2


В следующих
абзацы, для ясности предположим
что входное напряжение смещения усилителя равно
нуль.
Коэффициент усиления разомкнутого контура
усилитель равен выходному напряжению, деленному на
дифференциальное напряжение на двух входах (на фиг.
2 это напряжение на узле OUT, деленное на
напряжение Vdiff).Коэффициент усиления замкнутого контура равен
к напряжению на узле OUT, деленному на
напряжение на узле IN, как описано выше.
Независимо от конфигурации схемы, операционный усилитель
всегда работает при разомкнутом контуре, усиление . Как схема
дизайнеров, мы предпочитаем размещать компоненты вокруг
усилитель, чтобы дать нам определенный коэффициент усиления замкнутого контура ,
но усилитель всегда пытается усилить
напряжение Vdiff на его коэффициент усиления разомкнутого контура , чтобы дать
напряжение на узле OUT.

Другой способ взглянуть на это: для любого данного
напряжение на узле OUT будет очень маленькое
напряжение Vdiff на входных узлах,
величина равна V (OUT), деленному на открытую
петлевое усиление. В теории операционных усилителей, преподаваемой в школе,
коэффициент усиления разомкнутого контура предполагается бесконечным, поэтому
дифференциальное напряжение, тогда Vdiff бесконечно мало
(нуль). Пока коэффициент усиления разомкнутого контура
усилитель остается высоким, это напряжение намного меньше
чем входное напряжение и может быть проигнорировано.Однако,
если коэффициент усиления разомкнутого контура усилителя падает,
это напряжение начинает расти, и это
обсуждается ниже.

Предполагается, что коэффициент усиления разомкнутого контура бесконечен и
хотя на постоянном токе он очень высокий, но скоро спадет
после постоянного тока, и это влияет на характеристики переменного тока
операционный усилитель Характеристика разомкнутого контура LT1012
показан на фиг. 3a

.

РИС. 3a

График LTspice для этого показан на фиг. 3b с
сплошная зеленая линия, показывающая усиление, и пунктирная
зеленая линия, показывающая фазу.Схема LTspice
можно скачать здесь:
Операционный усилитель с открытым контуром
Характеристики

РИС. 3b

На частотах ниже примерно 0,3 Гц усиление разомкнутого контура
высокий около 126 дБ (около 2 миллионов). За пределами
0,3 Гц, усиление разомкнутого контура начинает катиться с 20 дБ
за десятилетие увеличения частоты означает, что
коэффициент усиления разомкнутого контура уменьшается в 10 раз на каждые
десятикратное увеличение частоты.Этот откат
точно так же, как и простой RC-фильтр с вырезом
частота выключения при 0,3 Гц, где отклик затухает при
20 дБ на декаду выше частоты среза.

Если

затем для поддержания определенного выходного напряжения на уровне V (OUT),
если усиление разомкнутого контура начинает уменьшаться, вход
напряжение Vdiff должно увеличиться.

На низких частотах напряжение Vdiff на фиг.
быть маленьким из-за высокого усиления разомкнутого контура операционного
усилитель Однако на более высоких частотах (выше 0,3 Гц)
напряжение Vdiff становится все больше и больше по мере открытия
петлевое усиление становится все меньше и меньше.

На рис. 4а сигнал 10 мВ подается на схему в
РИС. 2 и на выходе появляется сигнал 100 мВ, поэтому
как и ожидалось, мы получили выигрыш в 10 раз.Со входом
частота 0,01 Гц дифференциальное напряжение, Vdiff,
измеренное на входе — 52 нВ. Мы можем видеть из
Рис. 3а показывает, что коэффициент усиления усилителя в разомкнутом контуре
0,01 Гц составляет примерно 126 дБ (2 миллиона), поэтому Vdiff
должно быть 100 мВ разделенное на 2 миллиона (50 нВ), что
является.

РИС. 4a

На фиг. 4b частота увеличена до 1 Гц и все
остальные параметры схемы остаются без изменений.Из фиг
3а, мы видим, что коэффициент усиления ОУ без обратной связи
составляет около 115 дБ (около 550 000). Это немного
легче увидеть на фиг. 3b. Дифференциальное напряжение,
Vdiff, измеренный на входе, теперь составляет 182 нВ. Этот
соответствует выходному напряжению (100 мВ), деленному на
усиление разомкнутого контура на 1 Гц (550 000). Обратите внимание также
что на фиг. 4а обе формы волны совпадают по фазе, тогда как
на фиг.4b есть фазовый сдвиг между входными
и выход.

РИС. 4b

На фиг. 4c частота увеличена до 100 Гц. В
усиление разомкнутого контура операционного усилителя на 100 Гц составляет 75 дБ
(5700). Дифференциальное напряжение, измеренное на
вход 17,5 мкВ, что соответствует выходу
напряжение (100 мВ), деленное на коэффициент усиления разомкнутого контура при
100 Гц (5700).Выходное напряжение тоже фазное.
смещен относительно входа.

РИС. 4c

Так же в завершение меняю резистор обратной связи
на фиг.2 от 9k до 99k дает усилителю коэффициент усиления
из 100. На фиг. 4d показано влияние на вывод и
дифференциальное напряжение.

РИС. 4d

Выпуск увеличился в 10 раз (т.к.
ожидается), но также и дифференциальное напряжение.Этот
следовало ожидать, поскольку коэффициент усиления разомкнутого контура операционного усилителя
остается неизменным на заданной частоте. Если
выходное напряжение увеличивается в 10 раз для
учитывая коэффициент усиления без обратной связи, это означает, что дифференциал
входное напряжение также должно увеличиться в
10. Это будет иметь важные последствия, и эти
будет объяснено позже.

Интересно отметить, что хотя LT1012
имеет очень низкое напряжение смещения, имитационная модель
имеет практически нулевое входное смещение постоянного тока
напряжение, которое значительно упрощает наш анализ.

Таким образом, видно, что дифференциальный вход
напряжение увеличивается с уменьшением коэффициента усиления разомкнутого контура и
выходной сигнал подвергается фазовому сдвигу выше 0,3 Гц, что
частота, с которой начинается усиление разомкнутого контура
спадать (частота обрыва).

Также следует отметить, что, как и простой RC
фильтра, фазовый сдвиг происходит на частотах около
частота прерывания.Для RC-фильтра единичного порядка
(тот, где коэффициент усиления падает до 20 дБ за десятилетие)
фазовый сдвиг может достигать только 90 градусов. Рис. 4c
показывает сдвиг фазы на 90 градусов, и если бы мы
увеличьте частоту выше 100 Гц, показанных на фиг.
4c, фазовый сдвиг останется на 90 градусов.

Из рис. 3 видно, что наклон открытого
коэффициент усиления контура изменяется выше 1 МГц и начинает уменьшаться при
более 20 дБ за десятилетие.Этот эффект похож на
второй RC-фильтр с частотой прерывания 1 МГц.
Этот второй RC-фильтр вводит еще 90
фазовый сдвиг на 180 градусов
сдвиг на частотах, значительно превышающих 1 МГц.

Важно помнить, что хотя Vdiff
фаза смещена относительно выхода, его
амплитуда очень мала по сравнению с входным
напряжение 10мВ.Напряжение на обеих входных клеммах
все еще составляет примерно 10 мВ, и пока Vdiff составляет
мало по сравнению с входным напряжением, нам не нужно
слишком беспокоиться о фазовом сдвиге.

Фазовый сдвиг

Коэффициент усиления без обратной связи LT1012 имеет частоту
реакция фильтра нижних частот одинарного порядка. А
аналогичный фильтр нижних частот (на этот раз с перерывом
частота 1 кГц) показана на фиг.5.

РИС. 5a

Моделирование этой схемы LTspice может быть
скачано здесь: Первый Орден
Фильтр низких частот.

Частотную характеристику этого фильтра можно увидеть на фиг.
5б. Частота прерывания возникает, когда выход
На 3 дБ ниже, чем вход, как показано сплошным
зеленая линия ниже и отсчитайте от левой оси.

РИС. 5b

Для фильтра нижних частот одинарного порядка фазовый сдвиг
при частоте разрыва 45 градусов, как представлено
по пунктирной зеленой линии выше и прочтите
правая ось. В качестве приближения для первого
фильтр нижних частот порядка, фазовый сдвиг в 10 раз меньше
чем частота разрывов составляет около 0 градусов и при
В 10 раз больше, чем частота обрыва, фаза
сдвиг составляет 90 градусов, что можно увидеть на фиг. 5b.

Математический вывод амплитуды и фазы
shift можно увидеть здесь:
Амплитуда и фазовый сдвиг фильтра низких частот

Фильтр нижних частот имеет отклик по фазе и отставанию .
Это означает, что выходное напряжение достигает пика после
входное напряжение, это можно увидеть на фиг. 4c.
выше, хотя это не сразу очевидно.В
напряжение на неинвертирующем входе является форсирующим
функция так находится в нулевой фазе. Сигнал проходит
через операционный усилитель и испытывает фазовую задержку и
это появляется на инвертирующем входе. Синий
форма волны на фиг. 4c измерена от не
инвертирующий терминал к инвертирующему терминалу и
четко опережает зеленый сигнал. Поэтому если
синяя форма волны была измерена от инвертирующего
терминал к неинвертирующему терминалу будет
отстает от зеленого сигнала.

На фиг.6 показан аналогичный двухполюсный фильтр с одним полюсом на
1 кГц и один на 100 кГц. Как видно на фиг.7.
что первый полюс вводит крен на 20 дБ
за декаду и в худшем случае сдвиг фазы на 90 градусов как
ожидается, и второй полюс вводит еще 20
дБ за декаду спада и еще одну фазу 90 градусов
сдвиг.

На первой частоте обрыва фазовый сдвиг будет
45 градусов, а во втором будет 135 градусов
(90 градусов + 45 градусов).

РИС.6

РИС.7

Некоторые усилители, в том числе LT1012, демонстрируют
характеристика разомкнутого контура с двумя частотами прерывания
(аналогично изображенному на фиг. 7).С LT1012
частота первого перерыва составляет 0,3 Гц, поэтому вводится 45
фазовый сдвиг на 0,3 Гц (и фаза на 90 градусов
сдвиг на частотах выше 3 Гц) и второй перерыв
частота составляет 1 МГц, при этом разомкнутый контур
характеристика будет иметь фазовый сдвиг 135 градусов.
Фазовый сдвиг разомкнутого контура будет стремиться к 180
градусов, когда частота приближается к 10 МГц.

Контурное усиление

Общая система обратной связи, как и у большинства операционных усилителей
схем, представленных на фиг.8.

РИС. 8

Входы «+» и «-» представляют собой неинвертирующие
и инвертирование входов в операционный усилитель. Блок усиления А 0
представляет коэффициент усиления без обратной связи усилителя и

β
— часть продукции, возвращаемой (через
резисторы обратной связи и входные).Видно, что

так

так

так

Если A 0 большой, то общий закрытый
петлевое усиление приближается к

поскольку

βA 0
больше по сравнению с «1» и A 0 на
числитель и знаменатель отменяют.Следовательно
коэффициент усиления системы приблизительно равен обратной величине
доля обратной связи (β).

Это можно увидеть на фиг. 1. Доля обратной связи равна
простой резистивный делитель

Таким образом, общий выигрыш составляет 10.

Теперь мы собираемся представить концепцию Loop.
Выручка
.Следует отметить, что усиление контура ,
усиление без обратной связи и усиление с обратной связью
являются 3 разными параметрами и не должны быть
смущенный. Петлевое усиление — это не то,
измеряется в бытовой электронике, но полезно
в объяснении того, как операционные усилители могут начать плохо себя вести в
высокие частоты.

Обращаясь к фиг.2, мы знаем, что коэффициент усиления без обратной связи
определяется как:

А коэффициент усиления замкнутого контура определяется как

Теперь мы собираемся определить усиление контура
как усиление разомкнутого контура, A 0 , умноженное на
доля обратной связи, β i.е. прирост идет вокруг
петля. Это легко изобразить на фиг.8.

Если коэффициент усиления контура равен βA 0 и мы
знать, что коэффициент усиления замкнутого контура приближается к 1 / β,
можно сказать, что петлевое усиление приближается к
Коэффициент усиления разомкнутого контура, деленный на усиление замкнутого контура (т. Е.
βA 0 равно A 0 , деленному на
1 / β), что равно

Другими словами, усиление контура является мерой того, насколько
большое входное напряжение V (IN) сравнивается с
дифференциальное напряжение, Vдифф.Однако это только
приближение.

Чтобы найти точное значение усиления контура, нам нужно
рассмотрите фиг. 8. На фиг. 8 Vin — βVout
фактически то же самое, что и Vdiff на фиг. 2 (
дифференциальное напряжение на 2 входах операционного усилителя).
Поскольку усиление контура — это доля обратной связи (β)
умноженное на коэффициент усиления разомкнутого контура (A 0 ), мы
Из Фиг.8 и Фиг.2 видно, что точно
значение коэффициента усиления контура — это напряжение на инвертирующем
клемма, , а не В (IN), деленная на
дифференциальное напряжение, Vдифф.

Как видно из графиков на фиг.4,
разница напряжений между инвертирующим терминалом
и неинвертирующий терминал становится больше, чем
частота увеличивается, подразумевая, что наше приближение
коэффициента усиления контура, равного V (IN) / Vdiff, составляет только
точен, когда Vdiff маленький.

Обычно мы не измеряем величину
входное напряжение и сравните его с дифференциальным
напряжение, так зачем это вообще нужно?

Что ж, мы можем видеть на фиг. 4a-d, что если напряжение
Vdiff мало по сравнению с V (IN), тогда он представляет
нет проблем, и их можно игнорировать.Из уравнения
выше это представляет высокое усиление контура .
Однако если Vdiff начинает становиться сопоставимым с
V (IN) (при уменьшении усиления контура) он начнет
мешают входному сигналу и больше не могут
игнорируется.

Мы уже видели на фиг. 3 и 5b, что если
операционный усилитель имеет ответ первого порядка (т. е. открытый
петлевое усиление падает на 20 дБ за декаду, а фаза
сдвиг не выше 90 градусов), что это не
проблема.Однако, если операционный усилитель имеет второй порядок
ответ, как показано на фиг. 7, тогда возможно, что
фаза Vdiff может быть близкой к 180 градусам не в фазе
с входом на высоких частотах. Опять же это
обычно не проблема, если Vdiff маленький по сравнению
с V (IN), но если Vdiff сопоставим по величине
с V (IN), то мы приближаемся к точке потенциального
колебание.

Другими словами, при нормальных обстоятельствах
обратное напряжение подается на инвертирующий вход
так противостоит входному сигналу.Однако если это
напряжение инвертируется через усилитель (на фиг.8
это блок A 0 ), обратная связь
сигнал появляется в фазе с входным сигналом и
есть потенциал для колебаний.

Нанесение коэффициента усиления с обратной связью на график, показанный на
На фиг.3 мы получаем график фиг.9 с закрытым
усиление контура показано красным.

РИС. 9a

Мы также можем видеть это в LTspice на фиг.9b

.

РИС. 9b

Усиление разомкнутого контура составляет примерно 125 дБ и составляет
представлен A 0 и замкнутым контуром
Коэффициент усиления равен 20 дБ и представлен как 1 / β.
как видно по красной линии на логарифмических графиках в
Фиг.9а и Фиг.9b.

Теперь, разница между двумя числами на
логарифмический график равен соотношению
два числа на линейном участке.

Мы уже установили, что коэффициент усиления контура
приблизительно равно коэффициенту усиления разомкнутого контура, деленному на
Коэффициент усиления замкнутого контура, поэтому в логарифмической шкале это
представлен разницей между
График усиления разомкнутого контура и график усиления замкнутого контура
(я.е. разрыв между кривой разомкнутого контура и
кривая замкнутого контура под ней), как показано на фиг.9а.

Таким образом, отношение усиления разомкнутого контура к усилению замкнутого контура
это

Таким образом, разрыв между кривой разомкнутого контура и
кривая замкнутого цикла

βA 0
который представляет усиление контура.βA 0
— контурное усиление системы.

Разъяснение маржи фазы и прибыли

На фиг.10 рассмотрим сигнал Va, приложенный к
вход усилителя, А 0 . Проходит
через усилитель, затем через обратную связь
сеть

β и возвращается на ступень дифференциального входа (Vb).В этот момент он инвертируется дифференциалом
этап. Если Va подвергается фазе 180 градусов
сдвиг при прохождении каскада усиления А 0
а затем инвертируется дифференциальным каскадом, он будет
теперь вернитесь в фазу с исходным сигналом.

РИС 10

Если на данной частоте амплитуда Vb равна
больше или равно амплитуде Va, то
есть вероятность, что система
колебаться.В этих условиях системе необходимо
нет внешнего напряжения на Vin, чтобы обеспечить устойчивое
напряжение при Va и Vb. Глядя на фиг.10, мы видим
что Vb равно Va x βA 0 , где βA 0

это коэффициент усиления контура системы, поэтому теперь мы можем
понять, почему петлевое усиление важно при определении
устойчивость системы обратной связи. Если βA 0

имеет фазовый сдвиг 180 градусов и величину
больше 1 цепь будет колебаться.

Это может быть
обратно к уравнению

Если
усиление контура,

βA 0
имеет фазовый сдвиг 180 градусов (т.е. отрицательный)
и уменьшился до единицы на определенной частоте,
знаменатель приведенного выше уравнения сводится к нулю
и схема будет колебаться на этой частоте.

За
усиление контура равное единице, усиление замкнутого контура
равно усилению разомкнутого контура, так как усиление контура
определяется усилением разомкнутого контура, деленным на замкнутый контур
Усиление. Видно, что устойчивость системы
таким образом, можно определить, посмотрев на точку, где
коэффициенты усиления разомкнутого контура и усиления замкнутого контура встречаются. Этот
где усиление контура равно единице.

На фиг.11а показан отклик разомкнутого контура пыльника.
amp, LT1226.Видно, что при разомкнутом контуре
усиление 20дБ имеем сдвиг фазы 180 градусов
(где пунктирная белая линия пересекает пунктирную
зеленая линия и отсчет от правой оси).
Это происходит на частоте 65 МГц. Так что потенциально может быть
проблема с использованием LT1226 с коэффициентом усиления менее
20 дБ. На фиг.11b показана схема — неинвертирующий
усиление 100 при входном напряжении 10 мВ. Это открытый
Схему проверки контура можно скачать здесь:
LT1226 Открытый цикл
Схема

РИС. 11a

РИС. 11b

Коэффициент усиления разомкнутого контура LT1226 впервые прервался
укажите на 6.5 кГц (где спад составляет 20 дБ на
декаду), а второй — около 30 МГц, где
наклон изменяется от 20 дБ за декаду до 40 дБ за
десятилетие. На частотах в 10 раз меньше 6,5 кГц
фазовый сдвиг приближается к нулю и на частотах
В 10 раз выше, чем 6.5 кГц, фазовый сдвиг приблизительно
до 90 градусов. На 6,5 МГц фазовый сдвиг 45
градусов.

На рис. 12 показан входной сигнал частотой 65 кГц (в 10 раз выше
чем частота отключения разомкнутого контура).Здесь мы можем увидеть
что дифференциальное напряжение между операционным усилителем
входы сдвинуты по фазе на 90 градусов относительно
выходному напряжению. Помните, что открыт
коэффициент усиления контура
равен V (OUT) / Vdiff, поэтому сравнение мы
на фиг.12 должны соответствовать фазе
сдвиг усиления разомкнутого контура. Действительно, на ФИГ. 11а показано
коэффициент усиления разомкнутого контура LT1226, и мы видим, что
на 65 кГц фазовый сдвиг действительно составляет 90 градусов.

Эту схему можно скачать здесь:
Не инвертирующий
LT1226 Схема

РИС 12

Мы видим, что напряжение Vdiff (65 мкВ) равно
мал по сравнению с входным сигналом 10 мВ, поэтому
выходной сигнал соответствует ожидаемой амплитуде (1 В),
для схемы с коэффициентом усиления 100.

Увеличение частоты в 1000 раз до
65 МГц, усиление разомкнутого контура составляет 21 дБ (около 11)
и фазовый сдвиг составляет 180 градусов, как показано на фиг. 11a.
Ввод сигнала 65 МГц дает результаты на фиг.
13

РИС 13

Теперь у нас есть фазовый сдвиг на 180 градусов Vdiff.
по отношению к выходу.Так почему схема
не колеблется? Чтобы цепь колебалась, нам нужно
фазовый сдвиг на 180 градусов вокруг контура, а также
как усиление. У нас есть фазовый сдвиг, но есть ли
достаточно усиления? Теперь нам нужно посмотреть на сигнал на
каждой из входных клемм, чтобы проверить, есть ли
достаточно усиления в петле. Пока мы рассмотрели
напряжение на 2 входах операционного усилителя (Vdiff),
потому что легче измерить Vdiff, скажем,
100 нВ вместо измерения входного напряжения 10 мВ
и напряжение на инвертирующем выводе, которое
(10 мВ — 100 нВ).Чтобы получить истинное представление о нестабильности, мы
приходится измерять напряжение на каждом входе.

РИС 14

На фиг.14 показано напряжение на инвертирующем выводе.
(V (n001)), вход и выход. Вход находится на
10 мВ, но выходное напряжение пострадало из-за
плохое усиление разомкнутого контура усилителя.На самом деле
измерение напряжения на выходном контакте и деление
это дифференциальным напряжением на входах, мы
должен все еще прийти к коэффициенту усиления разомкнутого контура
примерно 21 дБ. Следует отметить, что есть
выходное напряжение смещения 40 мВ , которое должно быть
удалено из показаний выходного напряжения перед
расчет выигрыша.

Глядя на напряжение на инвертирующем выводе, мы
видно, что это одна сотая напряжения на
выход, и он находится в фазе с выходом
вольтаж.Этого следовало ожидать, так как есть
резистивный делитель (дающий нулевой сдвиг фазы) от
выход обратно на инвертирующий терминал, состоящий из
резисторы R2 и R3 и дающие затухание 100
как показано на фиг. 11b.

Мы также видим, что напряжение на инвертирующем
клемма (V (n001)) существенно ниже, чем
входное напряжение, поэтому, хотя оно не в фазе с
вход на 180 градусов, не больше V (IN)
поэтому система не может колебаться.

Теперь мы можем уменьшить коэффициент усиления усилителя на
уменьшая, например, резистор обратной связи R2 в
РИС. 11b. При этом эффект ослабления
резисторов R2 и R3 становится меньше, поэтому напряжение больше
появляется на инвертирующем входе. Таким образом, теперь это может быть
видно, что на данной частоте, где напряжение на
инвертирующий терминал инвертирован относительно
напряжение на неинвертирующем выводе,
уменьшение усиления — не лучшая идея, так как это
увеличьте напряжение на инвертирующем выводе.В конечном итоге мы достигнем точки, когда напряжение
на инвертирующем терминале — 180 градусов вне
фазы и больше по амплитуде, чем напряжение при
неинвертирующий терминал. Теперь у нас есть условие
для колебания. Вот почему многие операционные усилители имеют
минимальная стабильность усиления. Если прирост уменьшается ниже
в этот момент операционный усилитель начнет колебаться. Этот
можно увидеть на фиг.15.

РИС 15

Здесь R2 был уменьшен до 1k, а R3 оставлен на уровне 100
Ом, и это вызвало повышение напряжения
на инвертирующем входе.Это напряжение выше в
амплитуды входного сигнала 10 мВ, поэтому мы можем
удалите входной сигнал 10 мВ, и схема отключится.
продолжают колебаться. Это можно увидеть на фиг.15.
(Входная частота фактически уменьшена до
1 Гц).

Выходное напряжение имеет размах амплитуды
1,049 В, а инвертирующий вход имеет амплитуду
94,67 мВ. Доля обратной связи составляет 100 / (100 + 1000) =
0.091. Если на неинвертирующей клемме 0 В, то
дифференциальное напряжение составляет 94,67 мВ. Мы можем работать
коэффициент усиления разомкнутого контура должен составлять 1,049 В / 94,67 мВ = 11,08.
Таким образом, доля обратной связи, умноженная на открытую
петлевое усиление составляет 0,091 x 11,29 = 1,01. Таким образом, мы имеем 180
фазовый сдвиг с коэффициентом усиления> 1, и эти
условия возможных колебаний.

Коэффициент усиления и запас по фазе являются мерой того, насколько близко к
точка колебания цепи.В другом
слова, как близко к сдвигу фазы 180 градусов или единице
усиление петлевое усиление. Это мера петли
усиление схемы, не усиление замкнутого контура
или усиление разомкнутого контура.


Запас по фазе

является мерой того, насколько близко коэффициент усиления контура к
имеющий сдвиг фазы на 180 градусов, когда усиление контура
это единство. Если

βA 0
имеет фазовый сдвиг на 180 градусов, когда он
величина единицы, схема имеет нулевые степени
запас по фазе и будет колебаться.Если усиление петли
имеет фазовый сдвиг 160 градусов, схема имеет
запас по фазе 20 градусов.


Маржа прироста

является мерой того, насколько ниже единиц
коэффициент усиления контура
усиления контура — это когда контур
усиление,

βA 0 , имеет фазовый сдвиг
180 градусов. Если коэффициент усиления контура имеет фазовый сдвиг
180 градусов и петлевое усиление 0.6, схема имеет
маржа прироста 0,4. Схема с петлевым усилением
0,8 имеет запас усиления 0,2 и, следовательно, ближе к
точка колебания.

LTspice — это
зарегистрированная торговая марка Linear Technology
Корпорация

Понимание определений параметров OP AMP Учебное пособие

Учебное пособие по определению параметров OP AMP

Операционные усилители — Введение:

  • Операционные усилители (или операционные усилители) состоят из дискретных компонентов.
  • Операционный усилитель представляет собой усилитель с высоким коэффициентом усиления (отрицательной обратной связью) с прямой связью.
  • Может усиливать сигналы с частотой от 0 Гц до 1 МГц.
  • Он используется для выполнения широкого спектра линейных функций, а также некоторых нелинейных функций.
  • Таким образом, она также называется базовой линейной интегральной схемой.

Это устройство названо операционным усилителем, потому что оно было первоначально разработано для выполнения математических операций, таких как сложение, вычитание, дифференцирование, интегрирование, умножение и т. Д. На аналоговом компьютере.

Основные характеристики операционного усилителя:

  1. Очень высокий коэффициент усиления по напряжению без обратной связи A O = 10 5 для постоянного тока и низкочастотный переменный ток, который уменьшается с увеличением частоты
  2. Очень высокий входной импеданс (R i = от 10 6 до 10 12 ), так что входное напряжение передается на операционный усилитель с небольшими потерями
  3. Очень низкий выходной импеданс (R O около 100 Ом), такой, что выходное напряжение (V O ) эффективно передается на любую нагрузку, превышающую несколько кОм.

Обозначение электрической схемы операционного усилителя:

Схема_схемы, схема, операционный усилитель

В основном операционный усилитель — это дифференциальный усилитель напряжения. Это означает, что он усиливает разницу между входными напряжениями V1 и V2. Здесь возможны 3 ситуации:

  • Если V2> V1 -> Vo положительно
  • Если V2 Vo отрицательное значение
  • Если V2 = V1, Vo = 0

Идеальный операционный усилитель:

Идеальный операционный усилитель — это устройство с дифференциальным входом и несимметричным выходом.Имеет следующие характеристики

  1. Бесконечное входное сопротивление [R i = Infinity]
  2. Нулевое выходное сопротивление [R O = 0]
  3. Бесконечное усиление напряжения [A В = бесконечность]
  4. Бесконечная пропускная способность [BW = Infinity]
  5. Бесконечный коэффициент подавления синфазного сигнала
  6. Бесконечная скорость нарастания
  7. Смещение нуля [например, V 1 = V 2 , V O = 0]
  8. Характеристики не меняются при изменении температуры

Параметры ОУ:

Входной ток смещения:

Введение в операционные усилители с LTSpice

Добавлено в избранное

Любимый

10

Введение

Если вы еще не ознакомились с руководством «Приступая к работе с LTSpice», вам обязательно следует подождать, поскольку крайне необходимо обновить качество звука.Для тех из вас, кто смотрел это и закончил — благослови вас. Я думал, что убью здесь двух зайцев и продолжу учебник по LTSpice введением в операционные усилители — или для краткости операционный усилитель. Мы рассмотрим здесь только основы — что такое операционные усилители, некоторые распространенные конфигурации и пару примеров — и закончим красивым, простым проектом, который, надеюсь, вдохновит вас немного больше на работу с аналоговыми схемами.

Для начала загрузите схемы, символы и модели, нажав кнопку ниже.

Введение в операционные усилители

Операционный усилитель — это устройство для усиления напряжения. С помощью некоторых внешних компонентов операционный усилитель, который представляет собой активный элемент схемы , может выполнять математические операции, такие как сложение, вычитание, умножение, деление, дифференцирование и интегрирование. Если мы посмотрим на общий корпус операционного усилителя (внутренности будут представлены в следующем учебнике), такой как вездесущий 741, мы заметим стандартный 8-контактный DIP (двухрядный корпус):

Фотография любезно предоставлена ​​Learning About Electronics

В основном нас интересуют пять контактов.Обозначение схемы операционного усилителя — треугольник с пятью контактами, показанный ниже.

Фотография предоставлена ​​Virtual Labs

Операционный усилитель имеет широкий спектр применения, и, в зависимости от того, как подключен каждый вывод, результирующая схема может быть одной из следующих (это далеко не полный список):

  • Компаратор
  • Инвертирующий усилитель , например суммирующий усилитель
  • A Неинвертирующий усилитель , например повторитель напряжения
  • Разностный усилитель
  • Дифференциатор или Интегратор
  • Фильтр
  • Пиковый детектор
  • Аналого-цифровой преобразователь
  • Осциллятор

В этом руководстве я покажу вам, как измерить типичные характеристики операционного усилителя, такие как усиление, пропускная способность, ошибка, скорость нарастания, потребление тока, размах выходного сигнала и другие характеристики, указанные в технических паспортах устройств.

Идеальный операционный усилитель

Операционный усилитель предназначен для обнаружения разницы в напряжении, подаваемом на вход (плюсовой (v2) и минусовой (v1) выводы или выводы 2 и 3 корпуса операционного усилителя). Разница также известна как дифференциальное входное напряжение . Таким образом, выходной сигнал представляет собой разницу, измеренную на входе, умноженную на некоторое значение A — коэффициент усиления без обратной связи . Операционный усилитель действует как источник напряжения, управляемый напряжением, который мы сейчас смоделируем.Мы смоделируем конфигурацию усилителя как с разомкнутым контуром, так и с замкнутым контуром .

Идеальный операционный усилитель имеет следующие характеристики:

  • Бесконечное усиление без обратной связи
  • Бесконечное входное сопротивление
  • Ноль выходное сопротивление
  • Ноль синфазное усиление = бесконечное синфазное отклонение
  • Бесконечная полоса пропускания
  • Ноль шум
  • Нулевой вход Смещение

Модель операционного усилителя любезно предоставлена ​​Википедией

Поскольку входное сопротивление (Rin) бесконечно, мы можем сделать вывод, что ток на выводах (+) (v2) и (-) (v1) равен нулю, используя законы Кирхгофа.Поскольку выходное сопротивление (Rout) равно нулю, потери напряжения на выходе отсутствуют. Источник напряжения в форме ромба на изображении выше известен как источник напряжения, зависящий от напряжения, и в этом случае напряжение представляет собой коэффициент усиления (G), умноженный на разность между входными клеммами (Vin). В текстах коэффициент усиления обычно обозначается буквой (A), поэтому уравнение для выхода имеет следующий вид:

Давайте смоделируем источник напряжения, управляемый напряжением, и посмотрим, сможем ли мы заставить его поведение имитировать идеальный операционный усилитель.

Обратная связь с усилителями

Операционные усилители

не предназначены для использования в качестве автономных устройств. Мы просто проверили уравнение Vout в видео об идеальном операционном усилителе, чтобы показать, почему его обычно называют источником напряжения, управляемым напряжением. Мы собираемся поговорить об усилении с обратной связью и с обратной связью и применении. Что такое обратная связь? Обратная связь возникает, когда выход системы возвращается в качестве входа (ов).Есть два типа обратной связи: положительная (восстанавливающая) и отрицательная (дегенеративная). Обратная связь применяется к системе для воздействия на одно или несколько из следующих свойств:

  • Снижение чувствительности усиления — значение усиления становится менее чувствительным к изменениям значений компонентов схемы, например к температурным воздействиям на транзисторы.
  • Уменьшите нелинейные искажения — выход пропорционален входу.
  • Снижает влияние шума — снижает количество нежелательных электрических помех на выходе.Эти помехи могут быть внешними или исходить от самих компонентов схемы.
  • Управляйте входным и выходным сопротивлениями — с соответствующей конфигурацией обратной связи можно управлять входным и выходным сопротивлениями.
  • Расширьте полосу пропускания усилителя. Здесь нам нужно знать о продукте «прирост-пропускная способность». Вы можете расширить полосу пропускания (до определенной степени), но за счет выигрыша. Произведение коэффициента усиления на полосу пропускания является постоянным и описывает поведение усиления операционного усилителя по отношению к частоте.

Краткое примечание о единицах

Когда мы говорили об усилении, мы берем отношение выхода к входу. Если и выход, и вход выражены в виде напряжения, то единицы измерения будут вольт / вольт. В анализе .ac усиление выражается в децибелах. Вот формула преобразования.

Фотография предоставлена ​​Planet Analog

Вся обратная связь имеет свою цену, и эта цена — выигрыш. Отрицательная обратная связь способствует приобретению более желаемых свойств; увеличение входного сопротивления также увеличивает полосу пропускания.

Коэффициент усиления с обратной связью

В отличие от усиления без обратной связи, усиление с обратной связью зависит от внешней схемы из-за обратной связи. Однако его можно обобщить.

Фотография предоставлена ​​https://paginas.fe.up.pt/~fff/eBook/MDA/Teo_realim.html

Инвертирующие усилители

Пример инвертирующей конфигурации состоит из одного операционного усилителя и двух резисторов R1 и R2. R2 подключен от выходной клеммы операционного усилителя к инвертирующей или отрицательной клемме операционного усилителя.R2 замыкает петлю вокруг операционного усилителя.

Одна вещь, не упомянутая в видео ниже, но считается подразумеваемой , ​​потому что мы все еще используем идеальный операционный усилитель, — это отсутствие тока через операционный усилитель. Весь ток (I1), протекающий через R1, также течет через R2. Также следует отметить, что если R1 и R2 равны по значению, то обычно используется эта схема convert -vout to + vout (изменяет фазу). Это известно как инвертор с единичным усилением.

Проект: Суммирующий усилитель

Типичным применением инвертирующего усилителя является суммирующий усилитель, также известный как микшер виртуальной земли, используемый при микшировании звука. У меня есть несколько операционных усилителей LM741, поэтому я пошел дальше и построил суммирующий усилитель. Сначала я смоделировал это в LTSpice.

Неинвертирующие усилители

Повторитель напряжения

Повторитель напряжения — хороший пример неинвертирующего усилителя.Свойство очень высокого входного импеданса является желательной особенностью неинвертирующей конфигурации. Повторитель напряжения можно использовать в качестве буферного усилителя с единичным усилением, подключенного от источника с высоким импедансом к источнику с низким импедансом — это помогает избежать воздействия нагрузки на схему управления.

Разностные усилители

Разностные усилители реагируют на разницу между двумя сигналами, подаваемыми на его вход, и отклоняют сигналы, общие для двух входов.

Разностный усилитель с одним операционным усилителем

Помните, что коэффициент усиления неинвертирующего усилителя положительный и определяется выражением:

и что коэффициент усиления инвертирующего усилителя отрицательный и определяется по формуле:

Комбинируя эти две топологии, мы приближаемся к возможности разработать схему, которая сможет получить разницу между двумя входными сигналами. Чтобы достичь этого, мы должны сначала убедиться, что величины усиления (думайте, что абсолютные значения всегда положительны) равны.Ослабив усиление положительного пути от (1+ R2 / R1) до (R2 / R1), мы сделали именно это.
Теперь у нас есть четыре резистора; нам нужно убедиться, что коэффициенты усиления равны, поэтому важно соотношение резисторов:

Проблема этой схемы в том, что для получения высокого усиления R1 должен быть относительно низким. Это вызывает падение входного сопротивления. Другая проблема в том, что изменить коэффициент усиления этого усилителя непросто. Обе эти проблемы решаются с помощью инструментального усилителя.Используя три операционных усилителя, мы можем получить точно настроенный дифференциальный усилитель. Поскольку при использовании одного операционного усилителя возникает проблема низкого входного сопротивления, мы можем добавить дополнительный повторитель напряжения или буфер на каждый вход. Еще более удивительно то, что буферы могут увеличивать усиление, облегчая нагрузку на дифференциальный усилитель на втором каскаде.

Инструментальный усилитель прекрасно сочетает в себе весь предыдущий материал: инвертирующие и неинвертирующие усилители в каскаде.

В этом руководстве мы не будем рассматривать интеграторы, дифференциаторы, генераторы или аналого-цифровые преобразователи.Как только мы начнем добавлять конденсаторы и катушки индуктивности, математика становится более специализированной и обобщенной с точки зрения импеданса, а не сопротивления. Это будет отдельный урок.

Тактико-технические характеристики

Если мы посмотрим на технический паспорт аудиоусилителя LM386, мы увидим массу параметров, которые помогают охарактеризовать операционный усилитель. Большинство из них можно проверить с помощью моделирования в LTSpice. Прежде чем мы дойдем до этого, давайте определим некоторые из этих характеристик.

Коэффициент подавления синфазного сигнала

Коэффициент подавления синфазного сигнала (CMRR) измеряет количество сигнала, общего для обоих входов, который не усиливается. Желательно, чтобы коэффициент усиления синфазного сигнала был очень низким, что соответствует очень высокому CMRR.

Коэффициент подавления синфазного сигнала — это отношение абсолютного значения дифференциального усиления к абсолютному значению синфазного усиления. Дифференциальное усиление обычно составляет половину внутреннего усиления МОП-транзистора, установленного производителем.Операционные усилители с высоким выходным сопротивлением будут иметь лучший CMRR.

Коэффициент отклонения блока питания

Коэффициент подавления помех от источника питания

или PSRR — это мера влияния пульсаций источника питания на выходное напряжение операционного усилителя. PSSR важен для устройств MOSFET, поскольку они обычно находятся на ИС со смешанными сигналами, где цифровое переключение в цепи вызывает повышенную пульсацию источника питания. Последнее, что вам нужно в своей конструкции, — это усилить эту пульсацию через операционный усилитель.

Вывод заключается в том, что для минимизации эффекта пульсации в источниках питания операционный усилитель должен иметь большой PSRR.Так что имейте это в виду при просмотре таблиц данных для любых предстоящих проектов.

Скорость нарастания

Скорость нарастания напряжения означает максимальную скорость изменения, возможную на выходе операционного усилителя. У большинства операционных усилителей скорость нарастания ограничена, и она рассчитывается путем взятия максимума производной по времени выходного напряжения операционного усилителя.

Суммарные гармонические искажения

Задача аудиоусилителя — принимать слабый сигнал и усиливать его, не внося никаких изменений, кроме усиления.Это сложная задача, поскольку нежелательные сигналы (например, пульсации) могут усиливаться вместе с полезным сигналом. Любое отклонение от линейности считается искажением. Гармонические искажения — это распространенная форма искажения в аудиоприложениях, когда пики выходного сигнала «срезаются». Чем ниже процентное значение, указанное для THD, тем лучше, но после определенного момента это становится практически незаметным для человеческого уха.

Усилитель звука LM386

Моделировать, проверять, строить — мой девиз.В этом случае с проектом мини-портативного гитарного усилителя я зашел слишком далеко. Я не мог найти модель, которую можно было бы импортировать в LTSpice, и начал с нуля. Ниже находится кнопка, с помощью которой вы можете загрузить файлы проекта для того, что я собираюсь вам показать. Я разработал операционный усилитель на основе LM386, но с полевыми МОП-транзисторами вместо BJT. На самом деле я получил этот дизайн, чтобы он немного превосходил ту часть, на которой я основывал свой дизайн, но он работает только от 2 до 6 вольт. Несмотря на то, что моя модель LM386 не совсем похожа на деталь, используемую в проекте, она по-прежнему удобна для изучения электрических характеристик операционных усилителей и более глубокого знакомства с LTSpice.

Проект: портативный мини-гитарный усилитель

Я встроил небольшой усилитель с батарейным питанием в корпус моей гитары, используя LM386 и минимум дополнительных деталей. Вся сборка стоила около 5 долларов, и на ее сборку ушло меньше часа. Схема, которую я взял прямо из раздела технических данных приложений (усиление 200):

Я изменил только выходной конденсатор. У меня не было под рукой конденсатора емкостью 250 мкФ, я заменил его на 470 мкФ. Я также добавил 1/4-дюймовую моно аудио розетку для гитарного кабеля и добавил светодиод состояния, чтобы я знал, когда я буду готов к игре.В моем футляре для гитары есть небольшой отсек для кабелей и медиаторов, поэтому я использовал это пространство, чтобы встроить усилитель.

Схема:

Примечание. J1 — это гнездовой монофонический аудиоразъем 1/4 дюйма.

Посмотрите это в действии:

Ресурсы и продолжение работы

Лаборатория виртуальных операционных усилителей:

Создатель музыки из космоса Рэй Уилсон создал это приложение для виртуального операционного усилителя MFOS, которое позволяет нам экспериментировать с операционными усилителями, просматривая выходной сигнал на смоделированном осциллографе.

Примечание: Если ссылка сообщает вам, что приложение Operational Amp Application не найдено, щелкните вкладку «Synth-DIY» вверху, и она должна обновиться соответствующим образом. Кроме того, вы можете выполнить поиск «MFOS In The Classroom» в меню слева и выбрать «Virtual Op Amp Lab».

Музыка из космоса

Вы когда-нибудь хотели заняться DIY-синтезаторами, но не знаете, с чего начать? Music From Outer Space — отличный ресурс, предлагающий сотни схем, разработанных Рэем Уилсоном.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *