Резонансные усилители на оу: 10 схем на (почти) все случаи жизни / Habr

10 схем на (почти) все случаи жизни / Habr

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

Таким образом, напряжение на выходе операционного усилителя равно

Отсюда делаем вывод, что для корректной работы напряжения смещения должно быть больше максимального входного напряжения с учетом подаваемого на вход напряжения смещения.
Промоделируем схему инвертирующего усилителя со следующими параметрами:
Результаты моделирования приведены на рисунке ниже (картинка кликабельна)

Как видим, мы получили усиленный в 10 раз инвертированный сигнал, при этом сигнал проинвертировался, однако, не залез в отрицательную область.

6. Инвертирующий сумматор

Операционный усилитель можно использовать для суммирования различных сигналов. С помощью резисторов можно задавать «вес» каждого из сигнала в общей сумме. Схема инвертирующего сумматора приведена на рисунке ниже.
Расчет инвертирующего сумматора очень прост и основывается на принципе суперпозиции: суммарный выходной сигнал равен сумме отдельных составляющих:

Рассчитаем и произведем моделирование инвертирующего сумматора со следующими параметрами:
Для обеспечения требуемых «весов» , и выберем следущие номиналы резисторов из ряда Е96:

Результат моделирования приведен на рисунке ниже (картинка кликабельна).

Видим, что выходной сигнал проинвертирован и усилен в соответствии с выражением, приведенным выше. Однако стоит всегда помнить, что приведенное выше выражение верно для постоянных напряжений (либо же мгновенных значений переменного сигнала). Если же сдвинуть сигналы по фазе или если они будут обладать разной частотой, то результат будет совершенно другим. Аналитически его можно рассчитать, воспользовавшись формулами преобразования тригонометрических выражений (в случае, если мы имеем дело с синусоидальными сигналами). В качестве примера на рисунке ниже приведен результат моделирования инвертирующего сумматора для случая сдвинутых по фазе входных сигналов (изображение кликабельно).

Как видим, итоговый сигнал не превышает по амплитуде сигнал , а также имеет в начальной части артефакты, вызванные постепенным появлениями сигналов на входах.

Необходимо также помнить, что инвертирующий сумматор – по сути все тот же инвертирующий усилитель, и его входное сопротивление определяется величиной резистора в цепи обратной связи, поэтому его надо аккуратно применять в случаях, если источник сигнала имеет большое выходное сопротивление.

7. Дифференциальный усилитель

Дифференциальный усилитель предназначен для усиления разности сигналов, поступающих на его входы. Такое включение усилителей широко используется, например, для усиления сигнала с резистора-шунта-датчика тока. Что немаловажно, операционный усилитель в таком включении помимо, собственно, усиления сигнала, давит синфазную помеху.

Схема дифференциального усилителя приведена на рисунке.

Для дифференциального усилителя можно записать следующие выражения:

Решая эту систему уравнений, получаем

Если мы примем, что

то д

Операционные усилители (на основе простейших примеров): часть 2 / Хабр

Вместо скучного вступления

В прошлый раз я пытался вкратце объяснить основные принципы работы операционных усилителей. Но я просто не могу отказать в просьбе о продолжении темы. На этот раз схемы немного сложнее, но постараюсь не растягивать нудные математические выводы.

Интеграторы и дифференциаторы

Представьте, что Вам приходится считать интеграл напряжения. Страшно, не правда ли? И кому это вообще надо?
Так вот, для этих целей как раз и нужен интегратор.
В общем случае (для идеального операционника) рассматривается этот вариант:

Далее, настоятельно рекомендую немного поднапрячься и вспомнить немного курс физики и высшей математики. Хотя, это и не совсем обязательно.

Помните формулу заряда конденсатора?

Учитывая, что заряд будет изменяться по времени, можем смело предположить:

Далее… Неинвертирующий вход подключен на «землю». Напряжение на конденсаторе равняется противоположному напряжению на выходе, другими словами
. Это значит, что

Далее, решая и интегрируя, получаем (почти) финальную формулу:

Это, так сказать, в общем виде. В итоге, хочу обратить внимание на то, что напряжение на выходе играет существенную роль для каждого момента времени t. Его мы возьмем как свободный элемент:

Логично предположить, что интеграция идет по времени от t0 до t1

Вот Вам задачка. Конденсатор разряжен. Выходное напряжение равно нулю. Схема выключена. Конденсатор имеет емкость 1мкФ. Резистор 30кОм. Входное напряжение сначала равно -2В, затем 2В. Полярность меняется каждую секунду. Иными словами, на вход мы подали генератор импульсов.

Итак, решаем. Собираем быстренько схему в Протеусе. Рисуем график. Заносим в качестве функций входное и выходное напряжения. Нажимаем «Симулировать график». Получаем:

Вышел «пилообразный» сигнал. Обращаем внимание, что конденсатор влияет на резкость спада. Он должен колебаться в разумных пределах, чтоб успевать заряжаться/разряжаться, и чтоб не разряжаться/разряжаться* слишком быстро. Кстати, логично будет предположить, что сигнал усиливается в пределах питания нашего ОУ.

Далее, перейдем к дифференциаторам.

Тут не сложнее, чем в интеграторах.

Дифференциатор:

А вот и формула аналогового вычисления:

И снова скучные формулы…

Ток через конденсатор равен

Раз операционный усилитель близок к идеальному, то можно предположить, что ток через конденсатор равен току через резистор.
, а значит, если подставить значение тока, то получаем:

Как и в предыдущем примере, рассмотрим более практический пример. Конденсатор емкостью 50мкФ. Резистор 30кОм. На вход подаем «пилу». (Честно говоря, в протеусе не получилось сделать пилу стандартными средствами, пришлось прибегнуть к инструменту Pwlin.

Как результат, получаем график:

Подведем итоги.
Интегратор. «Прямоугольник» -> «Пила»
Дифференциатор. «Пила» -> «Прямоугольник»

P.S. Дифференциаторы и интеграторы будут рассмотрены позже в совершенно ином обличии.

Компараторы

Компаратор — это такое устройство, которое сравнивает два входных напряжения. Состояние на выходе меняется скачкообразно в зависимости от того, какое напряжение больше. Тут нет ничего особенного, просто приведу пример. На первый вход подаем постоянное напряжение, равное 3В. На второй вход — синусоидальный сигнал с амплитудой 4В. Снимаем напряжение с выхода.

График содержит исчерпывающую информацию, которая не нуждается в комментариях:

Логарифмический и экспоненциальный усилители

Для получения логарифмической характеристики необходим элемент ею обладающий. Для таких целей вполне подходит диод или транзистор. Дабы не усложнять, далее будем использовать диод.
Для начала, как обычно, приведу схему…

… и формулу:

Обращаем внимание, что е — это заряд электрона, Т — температура в Кельвинах и k — постоянная Больцмана.
Снова придется вспомнить курс физики. Ток через полупроводниковый диод можно описать как:
(изображение сделал немного больше, т.к. степень у формулы получалась «криво»)
Тут U — напряжение на диоде. I0 — ток утечки при малом обратном смещении. Прологарифмируем и получим:

Отсюда получаем напряжение на диоде (которое идентично напряжению на выходе):

Стоит сделать заметку, что при температуре 20 градусов Цельсия:

Проверим, как работает эта схема графически. Запустим протеус. Настроим входной сигнал:

Ток на диоде будет изменятся следующим образом:

Напряжение на выходе изменяется по логарифмическому закону:

Следующий пункт — экспоненциальный усилитель я оставлю без комментариев. Надеюсь, тут все будет понятно.

Вместо заключения

В этой части я старался свести математические выводы к минимуму, а сделать упор на практическое применение. Надеюсь, Вам понравилось 🙂

*UPD.: Время заряда/разряда конденсатора определяется как: , где — это время переходного процесса. Для RC-цепи справедлива формула . За время Т конденсатор будет полностью заряжен/разряжен на 99%. Иногда для расчетов используют время 3

6. Резонансный усилитель

6.1. Транзисторный резонансный усилитель

Схема резонансного усилителя показана
на рис. 6.1.

Рис. 6.1

Для реализации усилителя выберем
транзистор КТ315А при напряжении источника
питания
В
и резонансной частоте контуракГц.

Расчет начинается с выбора постоянной
составляющей тока коллектора
в рабочей точке. Для маломощного усилителя
его значение обычно составляет несколько
мА. Выберем значениемА. Постоянное
напряжение на эмиттере целесообразно
выбрать равным половине напряжения
питания.

Примем
В,
тогда для сопротивленияполучим

97

Выходные вольтамперные характеристики
(ВАХ) биполярного транзистора КТ315А
показаны на рис. 6.2, на которых отмечена
рабочая точка (РТ) с координатами
В,мА,
которой соответствует постоянная
составляющая тока базымА.

Рис. 6.2

98

Проведем расчет делителя напряжения
питания цепи базы
так же, как для усилителя с
резистивно-емкостными связями. Примем
коэффициент нестабильности,
тогда

кОм.

Входные вольтамперные характеристики
транзистора показаны на рис.6.3. В рабочей
точке напряжение между базой и эмиттером
равно
В,
тогда напряжение на базе транзистораравно

В.

Рис. 6.3

Определим сопротивление
по формуле

кОм

99

По ВАХ на рис. 6.2 и 6.3 определим
-параметры
транзистора (этот расчет проводился
для усилителя с резистивно-емкостными
связями), в результате получимОм,,иСим.

Выходная емкость транзистора равна

,

— емкость коллектора, равная 6 пФ, тогда
приполучимпФ.

Свойства усилителя определяются
коэффициентами включения в контур
транзистора ()
и нагрузки (),
на практике их значения лежат в пределах
от 0,1 до 0,5. Примем.
Тогда выходная емкость транзистора,
подключаемая к емкости контура, равна

пФ.

Емкость контура
выбирается из условия

,

тогда можно принять
пФ.
При резонансной частоте=100
кГц индуктивность контураравна

мГн,

тогда

мГн
имГн.

Известно, что в диапазоне частот 0,1-1
МГц добротность
колебательного контура лежит в пределах
от 20 до 100. Выберем.
Тогда резонансное сопротивлениеконтура равно

кОм,

100

а сопротивление
потерь контура соответственно

Ом.

Выходное сопротивление транзистора
равно

кОм.

Пусть сопротивление нагрузки усилителя
равно
кОм
и коэффициент ее включения равен.
Эквивалентное резонансное сопротивление
параллельного колебательного контура
с учетом шунтирующего действия транзистора
и нагрузки определяется из соотношения

тогда
кОм
и эквивалентная добротностьконтура (усилителя) равна

.

Определим полосу пропускания
усилителя (эквивалентного контура)

кГц.

Коэффициент усиления определяется
выражением

,

где
— внутреннее сопротивление источника
входного сигнала, аи- сопротивление тела полупроводника
базы и эмиттера соответственно. Из
справочника по транзисторамОм
иОм,
тогда еслиОм,
то

101

Если при рассмотренном оценочном
расчете получены неудовлетворительные
результаты, необходимо изменить выбранные
значения параметров усилителя, например,
тип транзистора или значения коэффициентов
включения.

Блокировочная емкость в цепи эмиттера
должна удовлетворять неравенству [7]

,

тогда для
кГц
можно принять

мкФ.

Для разделительных конденсаторов
аналогично

мкФ,

нФ.

Схемотехническая модель разработанного
резонансного усилителя показана на
рис. 6.4, номиналы элементов выбраны по
расчетным значениям без учета стандартного
ряда (приложение 2). На рис. 6.5 приведены
АЧХ и ФЧХ усилителя, максимальный
коэффициент усиления
равен 60,5, а полоса пропускания 2,7 кГц,
что согласуется с расчетными значениями.

Как видно по АЧХ, на частоте 111,7 кГц
имеется резонанс в последовательном
контуре
,
расчетное значение этой резонансной
частоты равно

кГц.

102

Рис. 6.4

Рис. 6.5

103

Временные диаграммы входного сигнала
с амплитудой 10 мВ (вверху) и выходного
напряжения (внизу) на резонансной частоте
100 кГц показаны на рис. 6.6.

Рис. 6.6

Как видно, за счет инерционности
колебательного контура наблюдается
плавное нарастание амплитуды выходного
напряжения до стационарного значения
(повторите материал по переходным
процессам в цепях второго порядка).
Постоянная времениусилителя равна

мкс,

что вполне согласуется с нижней кривой
на рис. 6.4 (получите формулу и проведите
расчет самостоятельно).

104

6.2. Резонансный усилитель на ОУ

Схема резонансного
усилителя на базе ОУ в инвертирующем
включении показана на рис. 6.8.

Рис. 6.7

Комплексный коэффициент усиления равен

,

где

.

В результате получим для комплексного
коэффициента усиления

,

для АЧХ

105

и ФЧХ

.

Полученная АЧХ резонансного усилителя
при
кОм,кОм,мГн
инФ
(резонансная частота равна 159,2 кГц)
приведена на рис. 6.8.

Рис. 6.8

Максимум АЧХ равен

.

На рис. 6.9 показана схемотехническая
модель усилителя на базе ОУ OPA847 при
указанных выше параметрах (низкочастотные
ОУ не могут использоваться на резонансной
частоте контура). На рис. 6.10 приведены
результаты моделирования АЧХ (вверху)
и ФЧХ (внизу) спроектированного усилителя.
Как видно, они соответствуют расчетным
характеристикам.

106

Рис. 6.9

Рис. 6.10

107

7. ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ СИГНАЛОВ

7.1. Линейные преобразования

При аналоговой обработке сигналов
проводятся различные преобразования.
Наиболее эффективны технические решения
на базе ОУ.

На рис. 7.1а приведена схема арифметического
сумматора двух входных напряжений,

,

где

,.

На рис. 7.1б представлена схема вычитателя

,

где

,.

Получите эти соотношения самостоятельно.

Рис. 7.1

108

Как видно, коэффициенты усиления в
каналах сумматора могут подбираться
произвольно. У вычитателя на рис. 7.1б
такая возможность отсутствует и условие
обеспечить невозможно. Этого недостатка
лишена схема вычитателя на рис. 7.2.

Рис. 7.2

Для идеального ОУ на рис. 7.2 получим

,

.

В результате получим

,

где

,.

109

Расчет начинается с выбора ОУ и
сопротивления в цени обратной связи
,
а затем при заданных коэффициентахинаходятся необходимые значения остальных
сопротивлений.

7.2. Интегрирование и дифференцирование

При аналоговой обработке сигналов
возникает необходимость в реализации
операций их интегрирования и
дифференцирования.

Для идеального интегрирующегоустройства в соответствии со свойствами
преобразования Лапласа операторный
коэффициент передачи равен

,

— множитель, тогда, полагая,
получим выражение для комплексного
коэффициента передачи

,
(7. 1)

который стремится к бесконечности при
.

Дляидеального
дифференцирующегоустройства
аналогично для операторного коэффициента
передачи аналогично получим

,

и при
для комплексного коэффициента передачи
можно записать

,
(7.2)

Как видно, и в этом случае АЧХ стремится
к бесконечности, но только на высоких
частотах.

Очевидно, что такие устройства физически
нереализуемо. На рис. 7.3 показаны АЧХ
идеального интегрирующего (символ 1) и
дифференцирующего (символ 2) устройств.

110

Рис. 7.3

На рис. 7.4а. показана простейшая
интегрирующая цепь, а на рис. 7.4б –дифференцирующая цепь.

Рис. 7.4

Для интегрирующей цепи на рис. 7.3а по
закону Ома можно записать

,

тогда по второму закону Кирхгофа

.

При
приближенно получим

,

111

тогда для выходного напряжения можно
записать

.
(7.3)

Таким образом, больших величинах
выходное напряжение приближенно
пропорционально интегралу от входного.

Комплексный коэффициент передачи цепи
на рис. 7.3а равен

,

тогда на высоких частотах (при
)
рассматриваемая цепь является приближенно
интегрирующей. Ее АЧХ показана пунктиром
на рис. 7.3 (отмечена символом 1).

Аналогично для дифференцирующей цепи
на рис. 7.3б по закону Ома получим

,

,

тогда по второму закону Кирхгофа

.

При
приближенно получим

,

тогда после дифференцирования правой
и левой частей

.

112

Как видно при малых величинах
выходное напряжение приближенно
пропорционально производной от входного.

Комплексный коэффициент передачи цепи
на рис. 7.3б равен

,

тогда
на низких частотах (при)
рассматриваемая цепь является приближенно
дифференцирующей. Ее АЧХ также показана
пунктиром на рис. 7.3 (отмечена символом
2).

Проведем схемотехническое моделирование
интегрирующей цепи на рис. 7.4а, модель
показана на рис. 7.5, а на рис. 7.6 показаны
результаты Рис. 7.5

моделирования.

Рис. 7.6

113

Пунктиром на рис. 7.6 изображено входное
напряжение (последовательность
прямоугольных импульсов с амплитудой
5 В и периодом 1 мс, длительность импульса
0,5 мс), а сплошной линией – выходное
напряжение.

При идеальном интегрировании симметричных
знакопеременных прямоугольных импульсов
результатом является линейнорастущее и падающее выходное напряжение
(пилообразные импульсы). На рис. 7.6
выходное напряжение имеет экспоненциальную
форму, что свидетельствует о приближенном
функционировании интегрирующей цепи
на рис. 7.4а.

Аналогично самостоятельно проанализируйте
дифференцирующую цепь на рис. 7.4б.

Значительно точнее работают интегрирующие
и дифференцирующие устройства на базе
ОУ, простейшие схемы которых показаны
на рис. 7.7а и рис. 7.7б соответственно.

Рис. 7.7

Для идеального ОУ в
линейном режиме операторная эквивалентная
схема интегратора (рис. 7.7а) показана
на рис. 7.8.

Операторный коэффициент передачи цепи
на рис. 7.8 равен

,

114

тогда для изображения выходного
напряжения получим

,

а для оригиналов соответственно

.
(7.4)

Рис. 7.8

Таким образом, согласно (7.4), рассматриваемый
интегратор точновыполняет операцию
интегрирования при любых значенияхдо тех пор, пока идеальный ОУ остается
в линейном режиме (пока выходное
напряжение не выходит за рамки напряжений
питания ОУ).

На рис. 7.9 показана модель интегратора,
а на рис. 7.10 – входной сигнал (вверху) и
выходное напряжение (внизу).

Рис. 7.9

115

Рис. 7.10

Как видно на рис 7.10, выходное напряжение
изменяется практически линейно, что
соответствует результату интегрирования
знакопеременного входного напряжения.

Величина
выбирается исходя из свойств входного
сигнала и необходимого уровня выходного
напряжения.

Рассмотрим дифференциатор (рис.7.7б),
операторная эквивалентная схема которого
показана на рис. 7.11.

Рис. 7.11

116

Для операторного выходного напряжения
получим

,

тогда

(7.5)

(проведите расчет самостоятельно).

Как и интегратор, рассматриваемый
дифференциатор точновыполняет
операцию дифференцирования при любых
значенияхдо тех пор, пока идеальный ОУ остается
в линейном режиме (пока выходное
напряжение не выходит за рамки напряжений
питания ОУ).

Модель дифференциатора для идеального
ОУ (level=1) показана на рис. 7.12. На рис. 7.13
приведены временные диаграммы входного
(вверху) и выходного (внизу) напряжений.
Как видно, устройство выполняет идеальноедифференцирование.

Рис. 7.12

7.3. Нелинейные преобразования

В электронике широко используются
различные варианты нелинейных
преобразований сигналов.

Формирование выходного сигнала в виде
модуля или квадрата входного напряжения
широко применяется в выпря-

117

мителях блоков питания и детекторах
сигналов в приемных и измерительных
устройствах.

Рис. 7.13

Логарифмическое и экспоненциальное
преобразования позволяют конструировать
устройства сжатия (компандеры) и
расширения (экспандеры) динамического
диапазона, характеристики преобразования
икоторых показаны на рис. 7.14а и рис. 7.14б
соответственно. Как видно из графика
на рис. 7.14а, при изменении переменнойот 2 до 100 (в 50 раз) результат логарифмического
преобразования изменяется от 0,69 до 4,6
(только в 6,64 раз). Аналогично для экспоненты
(рис. 7.14б) при измененииот 1 до 5 (в 5 раз) результат преобразования
меняется от 2.72 до 148,4 (в 54,6 раза).

Те же преобразования можно использовать
для реализации операций умножения или
деления сигналов (логарифм произведения
равен сумме логарифмов сомножителей)

118

Рис. 7.14

Простейшая схема логарифмического
усилителя на базе ОУ показана на рис.
7.14.

Рис. 7.14

Работа устройства основана на свойствах
вольтамперной характеристики
полупроводникового диода [7], определяемой
выражением

,
(7.6)

где
— обратный ток насыщения диода, а- параметр модели, зависящий от типа
диода. В схеме на рис. 7.14 при идеальном
ОУ напряжениеитогда

119

и в результате получим

(7.7)

при
.
Зависимостьпри,,
ипоказана на рис. 7.15.

Рис. 7.15

Как видно из (7.7),
логарифмический усилитель на рис. 7.14
является инвертирующим и входное
напряжение смещено на величину.
На практике усилитель на рис. 7.14
применяется дляотрицательных входных
напряжений. Модель логарифмического
усилителя показана на рис. 7.16.

Рис. 7.16

120

На рис. 7.17 приведена передаточная
характеристика логарифмического
усилителя как зависимость
.
Как видно, она хорошо согласуется с
кривой на рис. 7.15.

Рис. 7.17

Простейшая схема
потенцирующего усилителя показана на
рис. 7.18.

Рис. 7.18

121

Его расчет проводится аналогично
предыдущему с учетом (7.6), тогда

и в результате

.
(7.8)

Как видно, экспоненциальное преобразование
является инвертирующим и смещенным по
оси ординат (постройте график
самостоятельно).

Схемотехническая модель потенцирующего
усилителя показана на рис. 7.19, а
передаточная характеристика
– на рис. 7.20.

Рис. 7.19

Преобразования (7.7) и (7.8) являются взаимно
обратными. Если подставить (7.7) в качестве
входного напряжения в (7.8), то получим
тождество
.

Проведите моделирование каскадно
соединенных логарифмического и
потенцирующего усилителей, получите
их общую передаточную характеристику.

122

Рис. 7.20

Примерами электронных устройств,
реализующих математические нелинейные
операции, являются, например, умножители,
формирователи модуля или квадрата
входного напряжения.

Умножители двух входных напряжений
реализуются либо на транзисторах, либо
на основе аналоговых интегральных схем
перемножителей напряжений, например,
140МА1. Если оба входа умножителя объединить
в один, то получим устройство возведения
сигнала в квадрат (квадратор).

Схемотехническая модель устройства
формирования модулявходного
напряжения показана на рис. 7.21. Его
передаточная характеристика (входное
напряжение подается в узел 4, а выходное
снимается с узла 8) приведена на рис.
7.22. Это устройство реализуетдвухполупериодное выпрямлениевходного напряжения, часто используемое
в приборах для измерения переменных
сигналов.

При положительных входных напряжениях
диод D1 открыт, аD2
– закрыт, положительный сигнал через
ОУX1 подается на
неинвертирующий вход ОУX2
и с положительным значением выдается
на его выход (узел 8). При отрицательных

123

входных напряжениях D1
закрыт, аD2 – открыт,
отрицательное напряжение с выхода ОУX1 через диодD2
поступает на инвертирующий вход ОУX2
и с положительным значением выдается
на его выход.Проведите расчет (для
идеальных ОУ) и моделирование устройства
самостоятельно, подайте на вход переменное
напряжение, исследуйте полученные
временные диаграммы.

Рис. 7.21

Рис. 7.22

124

7.4. Компараторы

Аналоговый компаратор сравнивает
входное напряжение
с опорными формирует на выходе положительное
постоянное напряжение, если,
или отрицательное в противном случае.
Возможны и другие уровни выходного
напряжения, например, положительное
(близкое к напряжению питания) и близкое
к нулю. Как видно, выходной сигнал
компаратора принимает толькодвазначения, соответствующие логическим
решениям: неравенствовыполняется (ДА) или не выполняется
(НЕТ). С этой точки зрения компаратор
является одним из вариантов устройств
преобразования аналоговых сигналов в
дискретные (цифровые).

В простейшем случае компаратор
реализуется на базе ОУ, его модель
показана на рис. 7.23 при гармоническом
входном сигнале с амплитудой несколько
вольт и частотой 100 Гц. Проведите
моделирование самостоятельно, исследуйте
влияние частоты сигнала на выходное
напряжение.

Рис. 7.23

Компаратор на базе ОУ обладает низкой
скоростью срабатывания при изменении
полярности входного сигнала. Значительно
лучшими характеристиками обладают
специализированные интегральные схемы
компараторов, например, К544СА3.

125

12.9. Избирательные усилители

Избирательными
называются усилители, обладающие
способностью выделять полезный сигнал,
соответствующий заданной частоте или
полосе частот, из всей совокупности
сигналов, поступивших на вход усилителя.

В
зависимости от назначения избирательные
усилители можно разделить на следующие
группы: 1) узкополосные RC-усилители,
предназначенные для работы в области
звуковых и дозвуковых частот; 2) резонансные
LC-усилители,
которые делятся на усилители напряжения,
работающие в режиме класса А,
и усилители мощности, работающие в
режиме класса В,
предназначенные для усиления мощности
высокочастотного сигнала.

Для обеспечения избирательности схемы
и получения амплитудно-частотной
характеристики вида рис. 12.119а или рис.
12.119б частотно-зависимые пассивные
четырехполюсники включаются в цепи
обратной связи усилителя.

Пассивные
RC-цепи,
например, двойной Т-образный
мост (рис. 12.111), должны быть включены в
цепь отрицательной обратной связи
достаточно широкополосного усилителя,
причем частота настройки
этой цепи (рис. 12.111) должна лежать в
середине полосы пропускания этого
усилителя. На рис. 12.120 показана структурная
схема и АЧХ избирательного усилителя
с цепью отрицательной обратной связи,
которая представляет собой двойнойТ-образный
мост.

На
частоте
отрицательная обратная связь практически
отсутствует, и коэффициент усиления
будет наибольшим. Эквивалентная
добротность избирательной схемызависит, во-первых, от значения коэффициента
усиления усилителя,
так как, чем больше,
тем круче АЧХ усилителя, и, во-вторых,
от добротностицепи отрицательной обратной связи.

Количественно
эту зависимость можно выразить формулой
где– добротность пассивнойRC-цепи.
Отсюда следует, что за счет достаточно
большого коэффициента усиления модно
добиться весьма высокой добротности,
т.е. узкой полосы пропускания избирательного
RC-усилителя.

При
построении схемы избирательного
усилителя с использованием двойного
Т-образного
моста необходимо обеспечит симметрию
характеристик моста, так как возможная
несимметрия характеристик приводит к
самовозбуждению избирательного
усилителя. Практически условия работы
моста считаются идеальными, если для
входного и выходного сопротивления
моста выполняются соотношения:
,,
а на частоте настройки

.

Если
при сравнении сопротивлений
ис сопротивлениямиисхемы усилителя оказывается, что они
различаются менее чем на два порядка,
необходимо создать дополнительные
условия, обеспечивающие симметричность
характеристик моста. В частности, если
схема моста симметрична (),
то.

Так
как практически трудно выполнить условия
симметрии характеристик моста из-за
разброса реальных значений сопротивлений
и емкостей моста, то необходимо оценить
отклонения реальной частоты настройки
моста
от расчетной частоты:

,

где
– номинальные (расчетные) значения
резисторов и конденсаторов;– разбросы номинальных значений.

Соответственно
коэффициент передачи моста на частоте
настройки не равен нулю и определяется
по формуле:

.

Следовательно,
значение добротности

будет отличаться от расчетного и возможно
самовозбуждение усилителя. Поэтому
необходимо вводить в схему подстроечные
элементы.

В
последнем случае схема имеет пониженный
уровень шумов.

Для
построения заградительных схем с АЧХ
вида рис. 12.119б с использованием двойного
Т-образного
моста применяются ОУ в режиме повторителя.
На рис. 12.122 приведена простая схема,
которая может быть использована в
качестве фильтра – «пробки» для очистки
сигнала от монохроматической помехи.
Добротность схемы зависит от точности
согласования номиналов элементов, а
так же от уровня сигналов обратной
связи, подаваемого в центральную точку
0.

Если
собрать фильтр по схеме рис. 12.123, то
добротность схемы можно плавно
регулировать, так как на вход повторителя
DА2
поступает лишь часть выходного сигнала
(при левом положении движка добротность

,
а при правом — максимальна, для стандартных
ОУ
).

Пассивные
RC-цепи
для получения резонансных характеристик
типа рис. 12.119а должны быть включены в
цепь положительной обратной связи по
структурной схеме рис. 12.124.

При
этом коэффициент петлевого усиления
должен быть меньше единицы, что необходимо
для обеспечения устойчивой работы
схемы, отсутствия в ней автоколебаний.

На
частоте настройки глубина положительной
обратной связи наибольшая и, следовательно,
усиление резонансного усилителя
максимально. На частотах, далеких от
,
глубина положительной обратной связи
будет невелика, и усиление резонансного
усилителя уменьшается. Эквивалентную
добротность такого избирательного
усилителя можно оценить по формуле:,
где– критический коэффициент усиления,
при котором усилитель возбуждается;– разница между критическим и фактическим
коэффициентом возбуждения;– коэффициент передачи цепи максимального
типа на частоте настройки.

Как
видно из формулы, величина
зависит от.
Под действием различных факторов
величинаможет изменяться. Если для получения
больших значенийона выбрана слишком близко к,
то вероятно самовозбуждение усилителя.
Поэтому, как правило, значенияограничены величинами 510.

Для
получения заданного значения точности
величины
коэффициент усиления широкополосного
усилителя должен быть реализован с
точностью:.

Тогда
точность поддержания значения
должна быть больше необходимой точностиво столько раз, во сколько добротностьбольше добротности.

На
рис. 12.125а показана схема избирательного
усилителя с мостом Вина. При подаче на
вход усилителя несинусоидального
напряжения
частотына выходе получаем синусоидальный
сигнал (рис. 12.125б). На рис. 12.125в приведена
АЧХ схемы.

Коэффициент
передачи схемы для частот, отличных от
,
определяется сопротивлениямиипо формуле:,
причем, чем выше коэффициент усиления,
тем уже усиливаемая область частот
(полоса пропускания) и выше отношение.
Но значениядолжны выбиратьсядля исключения самовозбуждения схемы.

Избирательный
неинвертирующий усилитель на ОУ с
полосовым фильтром в цепи отрицательной
обратной связи усиливает сигналы всех
частот, за исключением определенного
интервала.

Сигнал
отрицательной обратной связи подают
через резистор
и полосовой фильтр,
коэффициент передачи которого на частотеравен,
следовательно, каскад на частотеусиливает входной сигнал в3
раза. При настройке относительно частоты
коэффициент передачиRC-цепи
уменьшается, соответственно уменьшается
глубина отрицательной обратной связи
и увеличивается коэффициент усиления
схемы.

Фазопереворачивающие
цепи (рис. 12.108) так же могут быть
использованы для построения избирательных
схем. Необходимыми условиями при этом
являются: наличие усилительного фазового
сдвига 180⁰,
вносимого усилителем, и отсутствие
самовозбуждения схемы. Для обеспечения
названных условий усилитель должен
быть инвертирующим и обеспечивать
коэффициент передачи на частоте избирания
.

Резонансные
усилители напряжения используются в
качестве усилителей высокой частоты,
к которым предъявляются следующие
основные требования: возможно больший
коэффициент усиления по напряжению;
высокая добротность АЧХ на частоте
полезного сигнала.

Для
выделения полезного сигнала высокой
частоты в резонансном усилителе
используются резонансные свойства
параллельного колебательного контура,
включенного в цепь нагрузки.

Включение колебательного контура в
цепь нагрузки бывает трансформаторным,
автотрансформаторным, емкостным и через
разделительный конденсатор.

Схема резонансного усилителя с
трансформаторным включением приведена
на рис. 12.127. Выходной цепи этой схемы на
резонансной частоте контура соответствует
эквивалентная схема, представленная
на рис. 12.128

В эквивалентной схеме контур представлен
как параллельное соединение индуктивности
,
емкостии эквивалентного сопротивления контура
на резонансной частоте.
Приведенное сопротивление нагрузки.
Из эквивалентной схемы следует, что при
работе в схеме усилителя контур
шунтируется сопротивлениямии,
вносимыми в цепь контура транзистором
и нагрузкой. При этом сопротивление
контура на резонансной частоте изменяется
и становится равным значению,
которое определяется по формуле.
За счет внесения в цепь контура емкости
транзистора изменяется и емкость контура.
Следовательно, при резонансной частоте
контурарезонансная частота усилителябудет отличаться от нее.
Добротность АЧХ усилителятакже будет отличаться от добротности
контура,
не шунтированного дополнительными
элементами. Так как сопротивлениеявляется активной величиной и включается
в коллекторную цепь схемы каскада с
общим эмиттером, то коэффициент усиления
по напряжению на резонансной частоте
можно определить по формуле.
Трансформаторное включение контура в
цепь нагрузки позволяет уменьшить
влияние нагрузки на.
Влиянием нагрузки можно пренебречь,
если выбрать коэффициент трансформациииз условия.
Полагая, что это условие выполняется,
если,
можно найти коэффициент трансформации.

При больших значениях
,
когда выполняется условие,
связь контура с нагрузкой может
осуществляться через разделительный
конденсаторбольшой емкости (рис. 12.129).

равно
,
где- коэффициент включения контура к
транзистору. Влияние нагрузки в этих
схемах уменьшается при неполном включении
контура в цепь нагрузки, так как при
этом сопротивление, вносимое в контур,
равно,
где- коэффициент включения контура к
нагрузке.

В некоторых случаях для уменьшения
влияния параметров транзистора на
характеристики контура используют
схему каскада с общей базой. Тогда в
контур даже при его полном включении в
цепь транзистора вносятся емкость
и сопротивление,
оказывающие меньшее влияние на
характеристики контура, чем параметрыикаскада с общим эмиттером.

При построении транзисторных резонансных
усилителей необходимо учитывать наличие
внутренней обратной связи, которая
проявляется в том, что часть коллекторного
тока транзистора ответвляется во входную
цепь. Если усилительная схема каскада
с общим эмиттером работает от источника
тока, то внутренняя обратная связь
является положительной и параллельной
по току. Если усилительная схема каскада
с общим эмиттером работает от источника
ЭДС, то внутренняя обратная связь
является отрицательной и последовательной
по току. Внутренняя обратная связь
приводит к самовозбуждению резонансных
усилителей. Так как расстроенный контур
представляет собой реактивное
сопротивление, то условия самовозбуждения
в усилителе могут выполняться и при
положительной, и при отрицательной
обратных связях.

Для повышения устойчивости резонансных
усилителей можно использовать схему
каскада с общей базой, в которой внутренняя
обратная связь проявляется слабее, чем
в схеме каскада с общим эмиттером. Однако
по сравнению со схемой с общим эмиттером
схема с общей базой имеет малое входное
сопротивление и меньший коэффициент
усиления по мощности. Эти свойства
ограничивают применение каскада с общей
базой в схемах резонансных усилителей.

Повысить устойчивость резонансных
усилителей можно нейтрализацией
внутренней обратной связи на частотах,
близких к резонансной, с помощью RC-цепей
коррекции. ЭлементыRC-цепи
коррекции подбирают таким образом,
чтобы в требуемом диапазоне частот
сигнал, поступающий с выхода усилителя
на его вход через цепь коррекции, был
равен по величине и противоположен по
фазе сигналу, поступающему на вход
усилителя по цепи внутренней обратной
связи.

При построении резонансных усилителей
мощности необходимо обеспечить высокие
значения коэффициента полезного действия
и выходной мощности, передаваемой в
нагрузку. Для этого используется весь
диапазон рабочих напряжений и токов
усилительного элемента, работающего в
режиме резонансного усилителя мощности,
как правило, с отсечкой тока в режиме
класса В. Резонансный контур,
включенный в выходную цепь усилителя,
настроен на частоту полезного сигнала.
Возникающие при отсечке тока высшие
гармоники отфильтровываются контуром,
и в нагрузку поступает только полезный
сигнал с минимальными нелинейными
искажениями. Степень фильтрации высших
гармоник зависит от добротности контура.
Для получения максимальной мощности
нагрузка усилителя должна быть согласована
с контуром. Способы согласования могут
быть различными и зависят от требуемой
мощности.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Бессонов, Лев Алексеевич. Теоретические
основы электротехники: Электрические
цепи: Учеб. для вузов / Бессонов, Лев
Алексеевич. — 11-е изд., испр. и доп. — М.:
Гардарики, 2006. — 701c.: ил. — ISBN 5-8297-0159-6.

2. Ланских, А. М. Основы аналоговой
схемотехники: конспект лекций : учеб.
пособие: дисциплина «Схемотехника»,
специальность 0719, 2 курс / Ланских, А. М.,
Ланских, Ю. В., Ланских, В. Г.; ВятГУ, ФАВТ,
каф. АТ. — Киров, 2008 (электронный вариант)

3. Лачин, Вячеслав Иванович. Электроника:
учеб. пособие / Лачин, Вячеслав Иванович,
Савелов, Николай Семенович. — 6-е изд.,
перераб. и доп. — Ростов н/Д: Феникс, 2007

4. Прянишников, Виктор Алексеевич.
Электроника: полный курс лекций /
Прянишников, Виктор Алексеевич. — 5-е
изд. — СПб. ; М.: КОРОНА принт: Бином-Пресс,
2006. — 416c.: ил. — (Учебник для высших и средних
учебных заведений). — Библиогр.: с. 415. —
ISBN 5-7931-0018-0.

5. Ланских, А. М. Общая электротехника и
электроника: программа, метод. указания
и задания по контрольной работе:
дисциплина «Общая электротехника и
электроника»: специальность 220201 2, 3
курс з/о. Ч. 2: Электроника / Ланских, А.
М.; ВятГУ, ФАВТ, каф. АТ. — Киров, 2010
.(электронный)

6.
Ланских, А. М. Общая электротехника и
электроника: программа, метод. указания
и задания по контрольной работе:
дисциплина «Общая электротехника и
электроника»: специальность 220201 2, 3
курс з/о. Ч. 1: Общая электротехника /
Ланских, А. М.; ВятГУ, ФАВТ, каф. АТ. — Киров,
2010 .(электронный)

7.
Ланских, А. М. Операционный усилитель и
его применение в линейных и нелинейных
схемах: лаб. практикум: дисциплина «Общая
электротехника и электроника»:
специальность 220201 2 курс, д/о, 3 курс з/о
/ Ланских, А. М.; ВятГУ, ФАВТ, каф. АТ. —
Киров, 2010 .(электронный)

8.
Ланских, А. М. Расчет схем на диодах:
метод. указания и задания по самостоят.
работе: дисциплины «Электротехника
и электроника», «Общая электротехника
и электроника»: специальность 220201 2
курс д/о, 3 курс з/о, специальность 230201 2
курс, д/о / Ланских, А. М.; ВятГУ, ФАВТ, каф.
АТ. — Киров, 2010 .(электронный)

9.
Ланских, А. М.
Частотные и временные характеристики
пассивных линейных четырехполюсников:
метод. указания к практич. и лаб. занятиям:
дисциплины «Электротехника и
электроника», «Общая электротехника
и электроника»: специальность 220201,
230201 2 курс, д/о / Ланских, А. М.; ВятГУ, ФАВТ,
каф. АТ. — Киров, 2010 .(электронный)

10.
Ланских, А.М. Исследование полупроводниковых
приборов: лаб. практикум: дисциплины
«Электротехника и электроника»
«Общая электротехника и электроника»:
специальности 210100 и 071900 II курс, д/о /
Ланских, А.М., 2007. — 52c

Учебное издание

Ланских Анна
Михайловна

ЭЛЕКТРОТЕХНИКА И
ЭЛЕКТРОНИКА

Подписано
в печать хх.хх.12. Печать цифровая. Бумага
для офисной техники.

Усл.
печ. л. Х,хх. Тираж хх экз. Заказ ххх.

«Вятский
государственный университет» ПРИП
ФГБОУ ВПО «ВятГУ» 610000, Киров, ул. Московская,
36 Тел.: (8332) 64-23-56, http://vyatsu.ru

426

Резонансный усилитель в линейном режиме — Студопедия

Резонансный усилитель. Параллельный колебательный контур, АЧХ, ФЧХ, режим работы.

Объектом исследования является резонансный усилитель.

Цель работы: Исследование характеристик резонансного усилителя, работающего в линейном и в нелинейном режимах. Сравнение параметров усилителя с параллельным колебательным контуром.

В работе используются следующие приборы:

· Генератор типа

· Осциллограф типа

· Учебный стенд

Содержание

1. Перечень сокращений, условных обозначений, символов, единиц и терминов

2. Краткая теория. Основные понятия

2.1 Резонансный усилитель в линейном режиме

2.2 Резонансный усилитель в нелинейном режиме

3. Параллельный колебательный контур

4. Экспериментальная часть

5. Расчетная часть

6. Заключение

7. Список используемой литературы

Перечень сокращений, условных обозначений, символов, единиц и терминов.

АЧХ – амплитудно- частотная характеристика

ОЭ – общий эмитер

ПКК – параллельный колебательный контур

РУ – резонансный усилитель

ФЧХ – фазо-частотная характеристика

С – емкость конденсатора

G – проводимость нагрузки

Ku(ιω) – коэффициент передачи по напряжению

L – индуктивность, катушка индуктивности.

R – сопротивление, резистор

Rвх – сопротивление входа

Rн – сопротивление нагрузки

Rэкв – эквивалентное сопротивление при ω=ω₀

S – крутизна характеристики транзистора в рабочей точке

U – напряжение

Z – комплексное эквивалентное сопротивление

Y – комплексная проводимость

h₂₂ – внутренняя проводимость транзистора

ω₀ — собственная частота контура

ω – циклическая частота

ξ – обобщенная расстройка

f – частота

Q – добротность

Θ – угол отсечки

η – коэффициент полезного действия

P – мощность

I – ток

Краткая теория

Основные понятия

Резонансный усилитель в линейном режиме

При усилении радиочастотных колебаний в качестве сопротивления нагрузки транзистора можно использовать параллельный колебательный контур, настроенный в резонанс с частотой усиливаемых колебаний. Такой усилитель называется резонансный.

Резонансный усилитель имеет ряд преимуществ по равнению с резисторным:

— входная ёмкость, ёмкость соединительных проводов и выходная ёмкость компенсируются настройкой контура в резонанс, поэтому сопротивление нагрузки, равное эквивалентному сопротивлению контура, может быть большим и обеспечивает и обеспечивает большое усиление (резисторный усилитель вследствие шунтирующего влияния ёмкостей на очень высоких частотах не даёт усиления).
— на сопротивлении нагрузки нет падения постоянного напряжения, поэтому сопротивление нагрузки можно выбирать очень большим.

На рис.1 приведена принципиальная схема резонансного усилителя с ОЭ. Эту схему можно заменить эквивалентной – рис.2.

Операционные усилители с однополярным питанием: примеры применения

11 февраля

Бонни Бейкер (Microchip Technology)

Ведущий инженер Microchip рассказывает о схемах базовых функциональных узлов на операционных усилителях (ОУ), типовых схемах систем управления на их базе и типичных ошибках при проектировании устройств на ОУ.

Операционный усилитель (ОУ) представляет собой основной после транзистора функциональный элемент для построения аналоговых схем. С помощью ОУ легко реализуются такие базовые функции как усиление сигнала, изоляция нагрузки, инвертирование сигнала, смещение уровня, сложение и/или вычитание сигналов. Также на базе ОУ можно реализовать и более сложные схемы, такие как инструментальные усилители, преобразователи тока в напряжение и фильтры. Независимо от сложности схемы собственно операционного усилителя, знание основных принципов его работы позволит сэкономить много времени на начальных этапах проектирования.

В курсе изучения операционных усилителей дается множество важной и полезной информации. Однако при этом часто упускают из виду вопросы, касающиеся практического применения ОУ. Так, при проектировании схем с операционными усилителями разработчики постоянно забывают о такой «мелочи» как блокировочные конденсаторы по питанию. С теоретической точки зрения эти компоненты не нужны. В то же время при отсутствии блокировочного конденсатора схема усилителя может возбудиться и в ней возникнут колебания, чего в теории быть не должно. Если же при проектировании схемы использовались только готовые решения из книг, эта проблема может оказаться трудноразрешимой.

Данное руководство состоит из трех частей. В первой части рассматриваются схемы базовых функциональных узлов на ОУ вместе с уравнениями для их расчета. Эти схемы были выбраны с учетом их применимости во встраиваемых системах.

Во второй части руководства рассматриваются более сложные аналоговые схемы для встраиваемых систем управления, построенные с использованием базовых функциональных узлов.

В третьей части руководства приведены наиболее распространенные ошибки, которые допускаются при проектировании схем на ОУ с однополярным питанием. Данный перечень ошибок – результат многолетней работы множества разработчиков по поиску неисправностей в аналоговых схемах. Большей части этих ошибок можно избежать, если применить рекомендации, приведенные в данной статье.

Основные принципы работы операционных усилителей

Операционный усилитель – это такой же «кирпичик» для построения аналоговых схем, как логический элемент – для цифровых. При помощи операционных усилителей мы можем кардинально изменять аналоговые сигналы, подобно тому как с помощью инверторов и логических элементов И/ИЛИ мы изменяем цифровые сигналы. В этой части мы рассмотрим такие базовые функциональные узлы на ОУ как повторитель напряжения, неинвертирующий и инвертирующий усилители, расщепитель питания (формирователь искусственной средней точки), дифференциальный и суммирующий усилители, а также преобразователь тока в напряжение.

Повторитель напряжения

Начнем с самой простой схемы – схемы буферного усилителя (рисунок 1). Буферный усилитель применяется для управления большими нагрузками для согласования входных/выходных сопротивлений или для развязки силовых цепей и чувствительных прецизионных схем.

Рис. 1. Буферный усилитель (повторитель напряжения)

Буферный усилитель, показанный на рисунке 1, может быть реализован на любом ОУ с однополярным питанием, устойчиво работающем при единичном коэффициенте усиления. В этой схеме, как и во всех схемах с ОУ, должен присутствовать блокировочный конденсатор по питанию. Для усилителей с однополярным питанием, работающих в полосе частот от нуля до единиц мегагерц, как правило, достаточно конденсатора емкостью 1 мкФ. Если полоса частот усилителя составляет десятки мегагерц, может потребоваться конденсатор меньшей емкости. В этом случае обычно используют конденсатор емкостью 0,1 мкФ. При отсутствии блокировочного конденсатора или при неправильном выборе его емкости операционный усилитель может самовозбудиться.

Коэффициент усиления схемы, приведенной на рисунке 1, равен +1 В/В. Обратите внимание, что хотя усиление всей схемы положительно, цепь обратной связи с выхода усилителя подключена к инвертирующему входу. Полагать, будто бы схема на ОУ, имеющая положительное усиление, требует наличия положительной обратной связи – очень распространенное заблуждение. Если мы охватим ОУ положительной обратной связью, то на выходе усилителя, скорее всего, установится уровень одной из шин питания.

Данная схема обеспечивает хорошую линейность в пределах всей полосы пропускания усилителя. Однако существуют и определенные ограничения – уровень синфазного сигнала на входе и размах выходного сигнала не должны выходить за определенные границы. Указанные ограничения обсуждаются в разделе «Подводные камни проектирования схем с ОУ».

Если эта схема предназначена для управления мощной нагрузкой, то примененный ОУ должен обеспечивать необходимый уровень выходного тока. Также данная схема может применяться для управления емкостной нагрузкой. Следует отметить, что далеко не каждый ОУ способен сохранять устойчивость при работе на емкостную нагрузку. Если усилитель рассчитан на управление емкостной нагрузкой, то в его документации это будет явно указано. С другой стороны, если ОУ не может работать на емкостную нагрузку, то в его документации это, как правило, особо не оговаривается.

Кроме того, буферный усилитель используется для решения задачи согласования входного и выходного сопротивлений. Это может потребоваться в том случае, если источник аналогового сигнала имеет достаточно высокое выходное сопротивление по сравнению со входным сопротивлением схемы. При прямом подключении источника к схеме уровень сигнала уменьшится из-за падения напряжения на делителе, образованном выходным сопротивлением источника и выходным сопротивлением схемы. Буферный усилитель прекрасно решает эту проблему. Входное сопротивление неинвертирующего входа КМОП ОУ может достигать значения 10¹³ Ом. В то же время выходное сопротивление буферного усилителя обычно не превышает 10 Ом.

Еще один вариант использования буферного усилителя – изоляция чувствительной прецизионной схемы от источника тепла, как показано на рисунке 2. Представьте, что схема, к которой подключен буферный усилитель, усиливает сигнал величиной 100 мкВ.

Рис. 2. Развязка нагрузки с использованием буферного усилителя

Усиление подобных сигналов – непростая задача, независимо от требуемой точности. При таких прецизионных измерениях из-за изменения выходного тока схемы усилителя может легко возникнуть погрешность. Увеличение тока нагрузки вызывает саморазогрев кристалла, что в свою очередь приводит к росту напряжения смещения. В таких ситуациях для управления мощной нагрузкой лучше использовать отдельный аналоговый буфер, а входным каскадам оставить только прецизионные измерения.

Усиление аналоговых сигналов

Буфер позволяет решить многие проблемы, связанные с передачей аналогового сигнала, однако на практике часто возникает необходимость усиления сигнала. Для этого можно использовать усилители двух типов. В усилителе первого типа, схема которого приведена на рисунке 3, сигнал не инвертируется. Этот вариант усилителя очень удобен для схем с однополярным питанием, в которых отрицательные сигналы, как правило, отсутствуют.

Рис. 3. Неинвертирующий усилитель на ОУ

Примечание. Когда в данной публикации говорится об однополярном питании, то подразумевается, что отрицательный вывод питания операционного усилителя соединен с общим проводом, а положительный вывод питания подключен к линии +5 В. Все рассуждения в этой статье можно экстраполировать и на другие значения напряжения питания, если напряжение однополярного источника превышает 5 В или же если используется двуполярное питание.

В данном случае входной сигнал подается на высокоимпедансный неинвертирующий вход операционного усилителя. Выходное напряжение данной схемы определяется по формуле 1:

$$V_{OUT}=\left(1+\frac{R_{2}}{R_{1}} \right)\times V_{IN}\qquad{\mathrm{(}}{1}{\mathrm{)}}$$

В схемах с однополярным питанием значение сопротивления резистора R₂, как правило, берется не менее 2 кОм. Сопротивление резистора R₁ выбирается исходя из требуемого значения коэффициента усиления с учетом уровня шумов операционного усилителя и входного напряжения смещения, указанных в технической документации на ОУ. Стоит отметить, что данная схема имеет некоторые ограничения, касающиеся величины входного и выходного сигналов. Так, напряжение на неинвертирующем входе ОУ не должно превышать максимально допустимого для данного ОУ значения синфазного напряжения. Размах выходного сигнала ОУ также ограничен; допустимый диапазон указывается в технической документации на усилитель. Как правило, большая часть ошибок возникает из-за ограничения слишком большого выходного сигнала усилителя, а не из-за слабого сигнала на входе. При возникновении ограничения выходного сигнала коэффициент усиления схемы следует уменьшить.

Схема инвертирующего усилителя приведена на рисунке 4. Эта схема усиливает и инвертирует сигнал, поданный на входной резистор (R₁). Выходное напряжение этой схемы определяется по формуле 2:

$$V_{OUT}=-\left(\frac{R_{2}}{R_{1}} \right)\times V_{IN}+\left(1+\frac{R_{2}}{R_{1}} \right)\times V_{BIAS}\qquad{\mathrm{(}}{2}{\mathrm{)}}$$

Рис. 4. Инвертирующий усилитель на ОУ

Сопротивления резисторов R₁ и R₂ выбираются из тех же соображений, что и для схемы неинвертирующего усилителя, приведенной на рисунке 3.

При использовании этой схемы в условиях однополярного питания легко допустить ошибку. Пусть, к примеру, R₂ равен 10 кОм, R₁ равен 1 кОм, V_BIAS равно 0 В, а напряжение на входном резисторе R₁ равно 100 мВ. В этом случае выходное напряжение, казалось бы, должно быть равно -1 В. Однако это значение выходит за границы диапазона выходного напряжения ОУ, поэтому на выходе ОУ установится минимально возможное положительное напряжение.

Для решения этой проблемы следует добавить в схему источник напряжения смещения V_BIAS. Вернемся к предыдущему примеру. Если бы мы подали на вход V_BIAS напряжение 225 мВ, то выходной сигнал оказался бы смещен на 2,475 В. Соответственно, вместо отрицательного напряжения на выходе ОУ было бы напряжение 2,475 В – 1 В = 1,475 В. Как правило, схемы рассчитывают таким образом, чтобы среднее значение выходного напряжения ОУ было равно половине напряжения питания V_DD/2.

Схемы с однополярным питанием и расщепители питания

Как было показано на примере схемы инвертирующего усилителя (рисунок 4), при однополярном питании часто требуется смещать уровень сигнала, чтобы он оставался в пределах диапазона, определенного потенциалами выводов питания. Такое смещение можно обеспечить с использованием одного ОУ и нескольких пассивных элементов, как показано на рисунке 5. Во многих случаях эту схему можно реализовать на обычном буферном усилителе без конденсаторов частотной коррекции. В других ситуациях, например, при использовании этой схемы в качестве источника опорного напряжения аналого-цифрового преобразователя (АЦП), ее нагрузка будет динамически изменяться. В подобных приложениях напряжение смещения должно оставаться неизменным, иначе может возникнуть ошибка преобразования.

Рис. 5. Расщепитель питания на одном операционном усилителе. Данная схема особенно полезна при однополярном питании

Неизменное напряжение смещения можно легко сформировать, используя делитель напряжения (R₃ и R₄) или источник опорного напряжения с последующей буферизацией посредством ОУ. Выходное напряжение схемы, приведенной на рисунке 5, определяется по формуле 3:

$$V_{OUT}=V_{DD}\times \left(\frac{R_{4}}{R_{3}+R_{4}} \right)\qquad{\mathrm{(}}{3}{\mathrm{)}}$$

Схема, представленная на рисунке 5, имеет дополнительную цепь коррекции, обеспечивающую работу на большую емкостную нагрузку C₁. Такая большая емкость используется потому, что имеет очень маленькое сопротивление переменному току по входу опорного напряжения АЦП. Этот конденсатор сглаживает кратковременные скачки тока, которые обязательно присутствуют на входе опорного напряжения АЦП.

Дифференциальный (разностный) усилитель

Дифференциальный усилитель представляет собой сочетание неинвертирующего и инвертирующего усилителей (рисунки 3 и 4). Схема дифференциального усилителя приведена на рисунке 6.

Рис. 6. Дифференциальный усилитель на ОУ

Выходное напряжение этой схемы определяется по формуле 4:

$$V_{OUT}=\left(V_{1}-V_{2} \right)\times \left(\frac{R_{2}}{R_{1}} \right)+V_{REF}\qquad{\mathrm{(}}{4}{\mathrm{)}}$$

Данная схема будет усиливать разность двух сигналов с хорошей точностью с условием, что выходное сопротивлении источников этих сигналов мало. Если выходные сопротивления этих источников окажутся большими по сравнению с сопротивлением R₁, то уровень сигнала на входах ОУ снизится из-за влияния делителя напряжения, созданного выходным сопротивлением источника и входными резисторами дифференциального усилителя. Помимо этого, погрешности могут создавать различные значения выходных сопротивлений источников сигналов. Коэффициент усиления данной схемы может превышать или равняться единице.

Суммирующий усилитель

Суммирующие усилители (рисунок 7) используются, когда необходимо объединить несколько сигналов путем их сложения или вычитания. Дифференциальный усилитель, обрабатывающий только два сигнала, представляет собой частный случай суммирующего усилителя.

Рис. 7. Суммирующий усилитель на ОУ

Выходное напряжение этой схемы определяется по формуле 5:

$$V_{OUT}=\left(V_{1}+V_{2}-V_{3}-V_{4} \right)\times \left(\frac{R_{2}}{R_{1}} \right)\qquad{\mathrm{(}}{5}{\mathrm{)}}$$

На инвертирующий и неинвертирующий входы ОУ в этой схеме можно подавать любое равное количество сигналов через резисторы с одинаковым сопротивлением.

Преобразователь тока в напряжение

Операционный усилитель может применяться для преобразования токового сигнала от датчика, такого как фотодиод, в напряжение. Для этого в цепь обратной связи включается единственный резистор и (опционально) конденсатор, как показано на рисунке 8.

Свет, попадая на фотодиод, вызывает протекание через него обратного тока. При использовании операционного усилителя, изготовленного по технологии КМОП, который обладает высоким входным сопротивлением, весь ток фотодиода (I_D1) будет течь по цепи с наименьшим сопротивлением – через резистор обратной связи R₂. А благодаря очень малому входному току смещения КМОП-усилителей (обычно менее 200 пА), обусловленная им погрешность также будет невелика. Неинвертирующий вход операционного усилителя подключен к общему проводу, то есть все сигналы в схеме отсчитываются относительно общего провода. Обе схемы будут работать только в том случае, если ОУ допускает подачу на свои входы нулевого синфазного напряжения.

На рисунке 8 приведены две схемы. Верхняя схема обеспечивает измерение освещенности с высокой точностью. В ней напряжение на фотодиоде близко к нулю и равно напряжению смещения операционного усилителя. При такой конфигурации основным источником тока, протекающего через резистор R₂, является воздействие света на фотодиод.

Рис. 8. Преобразователь тока в напряжение на ОУ и одном резисторе: схема (а) измерения освещенности обеспечивает повышенную точность, а схема (б) обладает повышенным быстродействием

Схема измерения освещенности, изображенная в нижней части рисунка 8, обеспечивает более высокое быстродействие. Это достигается путем смещения фотодиода в обратном направлении, в результате чего уменьшается его паразитная емкость. Недостатком данной схемы является увеличенная погрешность по постоянному току из-за большого обратного тока фотодиода.

Применение базовых схем

Инструментальный усилитель

Инструментальные усилители находят применение в самых разных областях: от медицинского оборудования до промышленных контроллеров. Инструментальный усилитель аналогичен дифференциальному усилителю в том смысле, что он тоже вычитает один аналоговый сигнал из другого, однако его входной каскад построен совершенно иначе. Классическая схема инструментального усилителя на трех ОУ приведена на рисунке 9.

Рис. 9. Инструментальный усилитель на трех ОУ

В этой схеме оба входных сигнала поступают на высокоомные неинвертирующие входы операционных усилителей. Поэтому, в отличие от дифференциального усилителя, данную схему можно использовать в случае, если выходные сопротивления источников сигналов велики и/или различаются. Коэффициент усиления входного каскада определяется сопротивлением резистора R_G.

Второй каскад представляет собой обычный дифференциальный усилитель. Этот каскад подавляет синфазное напряжение входных сигналов и вычитает один сигнал из другого. Выходные сопротивления источников сигналов, поступающих на вход дифференциального усилителя, малы, имеют одинаковое значение и их легко контролировать.

Напряжение смещения дифференциального каскада измерительного усилителя можно изменять в широких пределах. В схемах с однополярным питанием напряжение смещения обычно выбирается равным половине напряжения питания. Для формирования напряжения смещения можно использовать расщепитель питания, схема которого приведена на рисунке 5. Выходное напряжение инструментального усилителя определяется по формуле 6:

$$V_{OUT}=\left(V_{1}-V_{2} \right)\times \left(1+\frac{2R_{2}}{R_{G}} \right)\times \left(\frac{R_{4}}{R_{3}} \right)+V_{REF}\qquad{\mathrm{(}}{6}{\mathrm{)}}$$

Другая схема инструментального усилителя показана на рисунке 10. В этой схеме оба ОУ служат для изоляции нагрузки и усиления сигнала. Кроме того, второй ОУ работает как дифференциальный усилитель.

Рис. 10. Инструментальный усилитель на двух ОУ. Эта схема лучше всего подходит, если нужно обеспечить высокий коэффициент усиления (более 3 В/В)

На первый ОУ можно подать напряжение смещения. Как правило, в схемах с однополярным питанием напряжение смещения выбирают равным половине напряжения питания. Выходное напряжение этой схемы определяется по формуле 7:

$$V_{OUT}=\left(V_{1}-V_{2} \right)\times \left(1+\frac{R_{1}}{R_{2}}+\frac{2R_{1}}{R_{G}} \right)+V_{REF}\qquad{\mathrm{(}}{7}{\mathrm{)}}$$

Плавающий источник тока

Плавающий источник тока может пригодиться для задания тока, протекающего через элемент с изменяющимся сопротивлением, например, резистивного термодатчика (RTD). Схема, приведенная на рисунке 11, представляет собой источник тока величиной 1 мА для RTD-датчика, хотя можно установить и любое другое значение тока.

Рис. 11. Плавающий источник тока, построенный на двух ОУ и прецизионном источнике опорного напряжения

В этой схеме из-за наличия резистора R1 напряжение V_REF уменьшается на величину V_R1. Соответственно, напряжение на неинвертирующем входе верхнего в схеме ОУ равно V_REF – V_R1. Это напряжение после усиления в два раза дает на выходе ОУ напряжение, равное 2 × (V_REF – V_R1). При этом выходное напряжение нижнего ОУ  схемы составляет V_REF – 2 × V_R1. Вычитая выходное напряжение верхнего ОУ из напряжения на неинвертирующем входе нижнего ОУ, получаем:

2(V_REF – V_R1) – (V_REF – 2V_R1), что равно V_REF.

Величина тока, формируемого данной схемой, определяется по формуле 8:

$$I_{OUT}=\frac{V_{REF}}{R_{L}}\qquad{\mathrm{(}}{8}{\mathrm{)}}$$

Фильтры

На входе любого АЦП крайне желательно наличие полосового или низкочастотного фильтра, позволяющего удалить нежелательные составляющие сигнала. Фильтр нижних частот, схема которого приведена на рисунке 12, имеет два полюса, которые можно сконфигурировать таким образом, чтобы получить фильтр Баттерворта. Фильтры Баттерворта имеют плоскую АЧХ в полосе пропускания и хорошие характеристики в целом.

Рис. 12. Активные фильтры нижних частот с двумя полюсами легко реализовать на одном операционном усилителе

С другой стороны, на переходной характеристике фильтра этого типа присутствует небольшой выброс, а также звон. Это может быть проблемой, а может и не быть – все зависит от требований конкретного приложения. Коэффициент усиления этого фильтра определяется сопротивлением резисторов R₃ и R₄.

Обратите внимание на сходство уравнений для вычисления коэффициента усиления данного фильтра и неинвертирующего усилителя, показанного на рисунке 3.

Фильтры этого типа также называют антиалиасинговыми, если они используются для устранения составляющих сигнала, частота которых превышает половину частоты Найквиста конкретной дискретной системы. Таким образом, из спектра сигнала удаляются высокочастотные помехи, которые в противном случае наложились бы на полезный сигнал.

Коэффициент усиления по постоянному току схемы, приведенной на рисунке 12, определяется по формуле 9:

$$\frac{V_{OUT}}{V_{IN}}=\left(1+\frac{R_{4}}{R_{3}} \right)\qquad{\mathrm{(}}{9}{\mathrm{)}}$$

Полосовой фильтр, схема которого приведена на рисунке 13, имеет частотную характеристику с одним нулем и двумя полюсами и предназначен для обработки речевых сигналов. Фильтр высоких частот первого порядка реализован на конденсаторе C₁ и резисторах R₁ и R₂, соединенных параллельно. Обратите внимание, что резисторы R₁ и R₂ также образуют делитель, формирующий на неинвертирующих входах операционных усилителей напряжение смещения. Это обеспечивает работу обеих ОУ в линейной области. На втором операционном усилителе U2 и компонентах R₃, R₄, C₃ и C₄ реализован фильтр низких частот второго порядка.

Рис. 13. Полосовой фильтр можно реализовать на двух ОУ: первый ОУ будет работать как фильтр верхних частот, а второй – как фильтр нижних частот

Этот фильтр подавляет высокочастотные помехи, которые в противном случае могли бы наложиться на полезный сигнал при аналого-цифровом преобразовании. Выходное напряжение данной схемы определяется по формуле 10:

$$V_{OUT}=V_{IN}\times \left(\frac{R_{3}}{R_{4}} \right)\times \left(\frac{R_{2}}{R_{1}+R_{2}} \right)\qquad{\mathrm{(}}{10}{\mathrm{)}}$$

Для получения дополнительной информации о фильтрах нижних частот ознакомьтесь с руководством по применению AN699 «Anti-Aliasing Analog Filters for Data Acquisitions Systems» («Антиалиасинговые аналоговые фильтры для систем сбора данных»).

Соединяем все вместе

Схема, приведенная на рисунке 14, реализует законченное устройство измерения температуры с однополярным питанием. В этой схеме применены четыре операционных усилителя и 12-разрядный аналого-цифровой преобразователь. В качестве датчика температуры используется RTD-датчик, который требует возбуждения током. Этот ток формируется плавающим источником тока, схема которого была приведена на рисунке 11. Усилительный каскад и антиалиасинговый фильтр реализованы по схеме, приведенной на рисунке 13.

Рис. 14. Законченная схема с однополярным питанием для измерения температуры

Сигнал с RTD-датчика поступает на усилительный каскад, который представляет собой комбинацию инвертирующего и неинвертируюшего усилителей.

С выхода этого усилительного каскада сигнал поступает на фильтр нижних частот второго порядка с коэффициентом усиления 6 В/В. Такое усиление было выбрано в соответствии со входным диапазоном аналого-цифрового преобразователя. Полагая, что частота дискретизации АЦП, также известная как частота Найквиста, равна 75 кГц, частота среза антиалиасингового фильтра (U4) была задана равной 10 кГц. Такой полосы пропускания фильтра достаточно для эффективного подавления составляющих сигнала с частотами, меньшими чем половина частоты Найквиста. В качестве аналого-цифрового преобразователя используется 12-битный АЦП последовательного приближения, выход которого подключен к микроконтроллеру PIC12C509.

Подводные камни проектирования схем с ОУ

В этой части руководства перечислены типичные проблемы, связанные с работой операционных усилителей, установленных на печатную плату. Эти проблемы разбиты на четыре категории:

• общие советы;
• входные каскады;
• ширина полосы пропускания ОУ;
• ОУ класса «rail-to-rail» при однополярном питании.

Общие советы

• Соблюдайте осторожность при выборе напряжений, подаваемых на выводы питания ОУ. Не превышайте значений, указанных в спецификации на операционный усилитель, и, в то же время, не делайте их слишком маленькими. Высокие значения напряжений приведут к повреждению компонента, а низкие не смогут обеспечить требуемое смещение транзисторов на кристалле ОУ, необходимое для нормальной работы усилителя.
• Убедитесь, что отрицательный вывод питания (обычно – земля) действительно подключен к шине с низким потенциалом. Кроме того, убедитесь, что источник положительного напряжения действительно обеспечивает требуемое напряжение относительно отрицательного вывода питания ОУ. Для проверки подключите вольтметр между отрицательным и положительным выводами питания ОУ.
• Тщательно проверьте земляную шину, особенно при наличии на плате цифровых узлов. Хорошо продумайте трассировку земляной шины. Если схема содержит много цифровых цепей, подумайте над использованием отдельных слоев земли и питания. Очень сложно, а зачастую просто невозможно убрать из аналогового сигнала помехи, вызванные работой цифровых компонентов.
• Развязывайте цепи питания операционных усилителей с помощью блокировочных конденсаторов, располагая их как можно ближе к ОУ. Для КМОП-усилителей обычно рекомендуется использовать конденсаторы емкостью 0,1 мкФ. Также выполните развязку самого источника питания с помощью конденсатора емкостью 10 мкФ.
• Используйте короткие проводники на входах ОУ. Если вы применяете для макетирования беспаечные макетные платы, то имейте в виду, что они могут стать причиной появления в схеме паразитных шумов и колебаний. Можно надеяться, что эти проблемы не возникнут при реализации схемы на печатной плате.
• Операционные усилители чувствительны к статическому электричеству. Если микросхема будет повреждена, то ОУ либо просто перестанет работать, либо возникнут непонятные погрешности (например, изменится напряжение смещения или входной ток смещения), которые со временем будут только увеличиваться.

Входные каскады

• Учитывайте диапазон входных напряжений вашего ОУ. Если напряжение на любом из входов усилителя выйдет за допустимые пределы, то на выходе, скорее всего, установится напряжение одной из шин питания.
• Если ваша схема имеет большой коэффициент усиления, не забывайте о напряжении смещения ОУ. Это напряжение усиливается вместе с полезным сигналом и может «забить» полезный сигнал на выходе усилителя.
• Не используйте ОУ со входами типа «rail-to-rail», если в этом нет прямой необходимости. Заметим, что такие ОУ обычно требуются только для буферных усилителей и, в некоторых случаях, для реализации инструментальных усилителей. Если схема имеет усиление, то ограничение выходного сигнала в любом случае наступит до возникновения проблем со входом.

Ширина полосы пропускания ОУ

• Учитывайте ширину полосы пропускания ОУ. Если у вас реализован усилитель с коэффициентом усиления 10, а величина выходного сигнала переменного тока намного меньше ожидаемой, то вам, возможно, следует подыскать усилитель с более широкой полосой пропускания.
• Для обеспечения устойчивости ОУ обычно достаточно установить конденсатор параллельно резистору в цепи обратной связи усилителя. Но это помогает не всегда. Если усилитель теряет устойчивость, быстрый ее расчет укажет проблему и, возможно, подскажет пути ее решения.

ОУ класса «rail-to-rail» при однополярном питании

• Операционный усилитель способен отдавать в нагрузку ограниченный ток.
• Емкостная нагрузка опасна для ОУ. Убедитесь, что используемый усилитель рассчитан на нагрузки, имеющиеся в вашей схеме.
• Большая редкость, когда операционный усилитель с однополярным питанием действительно обеспечивает полный размах выходного напряжения. На практике предельные значения выходного напряжения большинства таких усилителей отличаются от напряжения каждой из шин питания на 50…200 мВ. Проверьте это по технической документации на ваш усилитель.

Литература

1. Sergio Franco, “Design with Operational Amplifiers and Analog Integrated Circuits”, McGrawHill, 2001
2. Thomas Frederiksen, “Intuitive Operational Amplifiers: From Electron to Op Amp”, McGraw Hill, 1988
3. Jim Williams, “Analog Circuit Design”, Butterworth-Heinemann, 1991
4. Bonnie Baker, “AN699 – Anti-aliasing Analog Filters for Data Acquisition Systems”, Microchip Technology Inc., DS00699, 1999
5. Bonnie Baker, “AN722 – Operational Amplifier Topologies and DC Specifications”, Microchip Technology Inc., DS00722, 1999
6. Bonnie Baker, “AN723 – Operational Amplifier AC Specifications and Applications”, Microchip Technology Inc., DS00723, 2000

Оригинал статьи

Перевел Андрей Евстифеев по заказу АО КОМПЭЛ

•••

Наши информационные каналы

Операционный усилитель

: работа и его типы

Основы операционного усилителя (ОУ)

Операционный усилитель (операционный усилитель) — это устройство, которое обладает линейными характеристиками. Он хорош для обработки сигналов, а также используется для усиления сигналов напряжения. Это базовый дифференциальный усилитель, состоящий из трех клемм. Среди этих трех клемм два используются для входа, а один — для выхода.Первая клемма на входе известна как инвертирующая, она обозначена знаком минус. Второй вывод на входе представляет собой неинвертирующий и представлен знаком плюса.

Сокращенно обозначают операционные усилители. Он способен выполнять основные математические операции, такие как сложение, вычитание, умножение и деление. Одиночный выходной терминал может принимать и принимать как сигналы тока, так и сигналы напряжения. Этот тип усилителя также может использоваться как хороший вариант для фильтрации сигналов.

Что такое операционный усилитель (операционный усилитель)?

Базовое устройство, состоящее из трех клемм, две клеммы из которых представляют вход, а одна — выход, определяется как базовый операционный усилитель. Сигнал, генерируемый на выходе, является результатом умножения двух факторов: один — это входной сигнал, который применяется, а другой — коэффициент усиления усилителя. Эти усилители связаны с такими компонентами, как резисторы и конденсаторы, так что эффективность усиления может быть повышена.Эти операционные усилители также имеют разные функции и работают с различными характеристиками.

Символ операционного усилителя

B Схема блокировки и работа операционного усилителя

Базовый операционный усилитель можно разделить на четыре основных блока. Это

1. Входной каскад
2. Каскад усиления
3. Сдвиг фазового уровня
4. Выходной каскад

Начальный входной каскад состоит из базового дифференциального усилителя, который может работать в дифференциальном режиме.Так же на входе присутствуют инвертирующие и неинвертирующие клеммы. Когда сигнал переменного тока подается на неинвертирующий вывод, сигнал, генерируемый на выходе этого каскада, будет иметь такую ​​же полярность. Но сигнал, подаваемый на инвертирующий терминал, дает выходной сигнал с фазовым сдвигом около 180 градусов.

Блок-схема операционного усилителя

Следовательно, это делает усилитель с двумя входами и одним выходом. Затем результат первого этапа передается на промежуточный этап.На этой ступени усилителя вводится необходимый коэффициент усиления напряжения.

Как и на этом этапе присутствует прямая связь. Это означает, что выход промежуточного каскада имеет значение напряжения, которое должно быть выше потенциала земли. Следовательно, это открывает путь к понижению напряжения постоянного тока до нуля. По этой причине введена третья ступень с переключателем уровня.

На этом этапе присутствует цепь транзистора эмиттерного повторителя вместе с источником тока, который поддерживается на постоянном уровне.Кроме того, выходной сигнал каскада сдвига уровня подается на конечный каскад, в котором имеется усилитель двухтактного типа, который увеличивает размах напряжения, генерируемого на выходе.

Таким образом, четыре каскада описывают базовую структуру операционного усилителя.

Характеристики операционного усилителя (ОУ)

Некоторые характеристики операционного усилителя следующие:

1. Значение входного импеданса высокое.
2. Значение импеданса на выходе низкое.
3. Диапазон частот усиливающих сигналов от нуля Гц до 1 мегагерц.
4. Величина смещенных напряжений и токов низкие.
5. Повышение напряжения высокое.

Идеальный операционный усилитель

Идеальный операционный усилитель практически невозможен. Характеристики идеального операционного усилителя:

1. В идеальном операционном усилителе отсутствует базовое напряжение смещения.
2. Коэффициент усиления разомкнутого контура в этом идеальном случае бесконечен.
3. Импеданс на входе бесконечен. Поэтому в идеальном состоянии он действует как вольтметр.
4. Импеданс на выходе равен нулю. Этот тип идеального операционного усилителя обладает характеристиками источника напряжения на идеальной стадии.
5. В идеальном операционном усилителе отсутствует уровень шума.
6. Значение полосы пропускания находится в бесконечном диапазоне.

Вот чем характеристики идеального операционного усилителя отличаются от практического операционного усилителя.

Типы операционных усилителей

Операционные усилители классифицируются по коэффициенту усиления. Это

1). Усилители с низким коэффициентом усиления

Усилители с низким коэффициентом усиления известны как усилители с низким коэффициентом усиления. Они используются в качестве буферов и для согласования импеданса.

2). Усилители со средним коэффициентом усиления

Если интенсивность усиления усилителей имеет среднее значение, то эти усилители определяются как усилители со средним коэффициентом усиления.Он имеет огромное применение в области медицины. Они используются для записи кривых ЭКГ и для определения значений мышечных потенциалов.

3). Усилители с высоким коэффициентом усиления

Поскольку усиление усилителей велико, они используются для записи конфиденциальных данных, например, во время записи информации о сигналах от мозга, которые используются этими усилителями.

Использование операционных усилителей

Существуют различные применения операционных усилителей.

1. Может использоваться для усиления сигналов напряжения.
2. Его можно использовать как инвертирующий усилитель, подключив вывод неинвертирующего на входе к земле.
3. Его также можно использовать как неинвертирующий усилитель, внеся необходимые изменения в схему.
4. Изменения входного напряжения могут повлиять на выходное напряжение. Это заставляет операционный усилитель использовать его в качестве повторителя напряжения.
5. Наиболее важным и часто используемым операционным усилителем является компаратор.Он имеет возможность сравнивать сигналы.
6. Эти компараторы используются для выполнения различных цифровых логических операций. Потому что в этом случае напряжение на выходе ограничено.

Выше приведены некоторые варианты использования операционных усилителей. Сигнал, подаваемый на вход, проходит различные стадии между ними, прежде чем достигнет выхода. Каждый этап имеет свой уровень детализации. Наконец, полученный выходной сигнал представляет собой четко определенный усиленный сигнал.Теперь вы можете описать, подходят ли эти операционные усилители для усиления сигналов мощности?

Примечания к операционным усилителям звука

После того, как я сделал несколько простых усилителей для наушников на базе OPA132 / 134
семейства операционных усилителей, я решил попробовать другие, чтобы увидеть, как
они повлияли бы на звук.

Хотя сегодня на рынке представлены сотни семейств операционных усилителей,
не все подходят для усилителей для наушников своими руками. Мы можем устранить власть
операционные усилители, сверхвысокоскоростные операционные усилители, операционные усилители высокого напряжения, низкочастотные
операционные усилители и операционные усилители общего назначения с низкими характеристиками.Аудио требует довольно
высокая скорость нарастания для поддержания низкого уровня искажений, плоская частотная характеристика от
От 20 Гц до 20000 Гц и приличный выходной ток, если чип должен управлять
наушники напрямую. Требование низкого напряжения питания является плюсом для
портативные приложения. Мы также игнорируем операционные усилители, стабилизированные прерывателем, и КМОП.
поскольку они обычно не подходят для звука. Это устраняет подавляющее большинство
операционных усилителей на рынке.

Эта статья документирует мой процесс тестирования и результаты для многих
качественные операционные усилители, плюс немного мармеладов:

мармелад прил./ jel-ee-be / 1. Электронного
запчасти: дешевые, универсальные, доступны от нескольких производителей. Купи их
сумкой и используйте их горсткой. Уничижительный.

Метод испытаний

Первый тест — это тест ограничения, чтобы определить минимум полезных
напряжение при заданном выходном напряжении и нагрузке. Лишь несколько таблиц дают
у вас достаточно информации, чтобы получить этот номер без тестирования. Чтобы
Сделайте тест, я пропускаю тон 1 кГц через усилитель, пока он управляет
Фактическая нагрузка 33 Ом с установленной громкостью 0.Выход 5 В. Затем я
повторите тест для 2,0 В на нагрузке 330 Ом. Усилитель питается от
переменный настольный блок питания, который я запускаю при довольно высоком напряжении
а затем я уменьшаю его до тех пор, пока не замечаю отсечение, наблюдая появление гармоник
на анализаторе спектра.

Я выбрал эти тестовые напряжения примерно на 6 дБ выше, чем «достаточно громко».
с моими тестовыми наушниками, серия Grado SR (числа 33 Ом)
и Sennheiser HD-580/600 (числа 330 Ом). Я решил проверить в
эти напряжения выше, чем необходимо, чтобы учесть пики в
тихая запись и время от времени «рок-аут».Но будьте осторожны
что требования к напряжению не всегда снижаются из-за сопротивления наушников
идет вниз. Например, AKG K501 120 Ом и 64 Ом
HD-570 требует примерно такого же напряжения, как и Sennheiser 300 Ом.
HD-580. Эти телефоны с более низким импедансом будут иметь более высокие точки отсечения
чем HD-580s, потому что более низкий импеданс означает, что операционный усилитель должен
обеспечить больший ток при этих напряжениях.

Второй тест — это тест на прослушивание. Я ищу более-менее объективный
такие вещи, как воспринимаемый уровень искажений и звуковая подпись.Я также даю
вы мое субъективное оценочное суждение об общем опыте. я пробую
проясните, каковы объективные аспекты звука, а какие
это только мое мнение.

Тестовая система

Чаще всего использую штатный проигрыватель компакт-дисков Music Hall CD25 и Sennheiser.
Наушники HD-570. Я выбрал этот плеер для тестов, потому что он
лучший из тех, что у меня есть, поэтому я даю операционному усилителю лучший шанс звучать хорошо.
С другой стороны, кучи были выбраны, потому что они
немного с хорошей стороны, поэтому они весьма показательны.Кроме того, они только
64 Ом, но они требуют необычно высокого напряжения. Это делает их
хороший тест наихудшего случая для обнаружения звуковых слабостей. Когда я смотрю
чтобы проверить детализацию, точность и приятность, я переключаюсь на свой Sennheiser
HD-600 с обновленным кабелем Cardas.

Тестовый усилитель является близким вариантом
Карманный усилитель CMoy на профессиональном
Печатная плата. Основное различие между ним и стандартным CMoy состоит в том, что я буферизирую виртуальную землю с помощью
BUF634, и я использую большие входные и направляющие конденсаторы, чем изначально
указано.(0,22 мкФ и 470 мкФ соответственно.) Я использую
Адаптеры Brown Dog для адаптации микросхем, которые я не могу
получить в двух версиях DIP-8 для работы с платой.

(Вы можете узнать этот усилитель как предшественник
MINT усилитель)

Я использую этот дизайн, а не другой усилитель для динамического телефона, потому что он
почти самая простая конструкция усилителя для наушников, которая могла бы работать,
при этом тестируемые чипы не выглядят слишком плохо и не замаскированы
слабые стороны.

Регулируемым настольным источником является B + K Precision 1710. Это позволяет мне
с хорошей точностью набрать любое напряжение от 0 до 30В. Я проверил его
качество напряжения, и он тише некоторых линейных источников питания, которые я использовал.

Манекен представляет собой коробку проекта со стерео
пары силовых резисторов 33 Ом и 330 Ом, переключатель для выбора
между ними и выходящий кабель наушников.

Перевод результатов теста прослушивания на другие усилители

Хотя я предпочитаю более сложные конструкции усилителей, которые я слушаю
удовольствие, я поддерживаю выбор тестировать чипы, заставляя их ездить
наушники напрямую.Это дает максимально ясную картину
звук операционного усилителя, так как в усилителе так мало компонентов, которые можно было бы испортить
со звуком.

При переводе этих результатов в звук, который вы получите
микросхему в другом усилителе, придется настраивать на любой
компоненты усилителя, которые изменяют звуковую сигнатуру. Например,
буферы вывода BUF634, используемые в MINT
и усилители для наушников PIMETA добавляют
характерное для Burr-Brown непринужденное качество звука, поэтому чип
это слишком агрессивно с вашими наушниками, когда в усилителе CMoy может
звучит довольно приятно в ПИМЕТЕ.Для PPA,
из-за прозрачности усилителя операционные усилители показывают все, что я слышу
в этих тестах на основе CMoy, плюс любые небольшие неисправности чипа, которые я
не слышно в этом более завуалированном CMoy усилителе. Если я скажу чип немного
резкий в CMoy, он, вероятно, не будет слышен в PPA.

Если у вас есть усилитель, отличный от тех, о которых я говорю на этом сайте,
пожалуйста, не пишите мне с вопросом, как я думаю, что чип будет звучать в этом
усилитель мощности. Если я не буду говорить об этом здесь, у меня, вероятно, нет
опыт или заинтересованность в конструктивном разговоре об этом с вами.Вы
Лучше искать или размещать на Headwize или Head-Fi, спрашивая других
которые рассказывают о своем опыте. Если это не удается, попробуйте некоторые из
чипы, которые я рассматриваю здесь, и вижу, как то, что я сообщаю, совпадает с тем, что
ты слышишь. Вы, вероятно, сможете использовать этот опыт, чтобы изменить мои отчеты
результаты, чтобы сопоставить другие чипы с тем, что вы услышите.

Перевод результатов теста клиппирования на другие усилители

Эти номера ограничения применимы только к схемам, в которых операционный усилитель
управляет наушниками напрямую.Если операционный усилитель управляет чем-то другим
в вашем приложении вам нужно будет провести собственные тесты отсечения, чтобы получить
полезные числа. Например, в усилителе для наушников с выходным буфером
в ограничении звука усилителя, скорее всего, будет преобладать
ограничение выходного каскада, а не операционного усилителя.

Условные обозначения

Там, где ниже приведены напряжения питания, я говорю о
межфазное напряжение. То есть, когда я говорю «10 В», я имею в виду, что V + равно 10 В.
выше V-, я не использую источник питания +/- 10 В.

Где я даю напряжения сигналов, я имею в виду среднеквадратичные значения, если я специально не
указывают, что я говорю о размахе напряжения (p-p).

Все цены на операционные усилители указаны для единичных количеств в долларах США от
Digi-Key. Я не обещаю держать эти цены
обновлены, поэтому просто используйте их в качестве руководства.

Отзывы об операционных усилителях

сначала сортируются по компаниям, которые их производят.
(Если теперь он общий, используется имя первоначального создателя, но
название обзора содержит «(различные поставщики)», чтобы отличить его.)
Чипы Burr-Brown отделены от чипов TI по ​​историческим причинам.
Внутри каждой группы производителей чипы отсортированы по номеру детали.
Эта сортировка учитывает нумерацию деталей производителя микросхем.
схема. Например, рассмотрим Burr-Brown OPA2107: это всего лишь
доступен как двойной, но если бы была одноканальная версия,
он будет называться OPA107, так что он выше OPA132.

Аналоговые устройства AD744

Analog Devices AD823

По техническим характеристикам этот чип находится где-то между OPA134 / 132 и
OPA604, за одним заметным исключением: он допускает однополярное питание.
работа до 3В. Это также конструкция «rail-to-rail», что в идеале
означает, что у него нет требований к запасу между поставками
напряжение и выходное напряжение.На практике загрузка вывода и другие
вещи означают, что практичный чип не может пойти по рельсам. Этот чип делает
во всяком случае, намного лучше, чем любой из вышеперечисленных чипов. Это делает
AD823 идеально подходит для усилителей с батарейным питанием.

В звуковом отношении этот чип немного более эффективен, чем OPA134 / 132.
в области басов, и более детально. С агрессивным звучанием
наушники, этот чип, вероятно, будет звучать слишком агрессивно, если только другие
части системы компенсируют это.

Основным недостатком этой микросхемы является то, что она имеет гораздо меньшую
выходной ток больше обычного: 15 мА для AD823 vs.около 40 мА для
большинство операционных усилителей. Хотя немногим наушникам на самом деле требуется более 15 мА
постоянный ток, все наушники работают лучше, если
«резерв» тока намного превышает их номинальные требования. Я подозреваю это
зависит от того, насколько сильно вы напрягаете усилитель, что влияет на его
производительность. Этот чип будет адекватно работать даже с низким импедансом.
наушники, но неоптимально. Выходной ток не учитывается при
все, конечно, в буферных усилителях для наушников.

Итог: Серьезно рассмотрите этот чип над OPA132 / 134.Особенно учтите, что вам не нравится непринужденный Burr-Brown.
звук и не прочь потратить немного больше на чип.

Дополнительная информация:

www.head-fi.org/forums/showthread.php?s=&threadid=703

Аналоговые устройства AD825

Analog Devices AD843

Когда я проходил этот тест, я надеялся найти чип, который свергнет
OPA627 стоит дорого и требует много
напряжения.627 также имеет характерно мягкий Burr-Brown.
звук, что не всегда хорошо. Чипы Analog Devices имеют тенденцию
быть немного резче и агрессивнее, что может помочь сбалансировать некоторые
системы. Мне нужен был чип, который отвечал всем этим критериям, пока
сохраняя невероятный уровень разрешения и четкости OPA627. В
AD843 не полностью соответствует этим критериям, но очень близок.

Что дает этот чип: Во-первых, AD843 определенно дешевле. подобно
627, более дешевая модель подходит для аудио, поэтому пара 843 примерно
половина стоимости пары 627s.Во-вторых, у этого чипа есть аналоговый
хватка и воодушевление.

Обратной стороной является то, что AD843 требует большего напряжения, чем OPA627.
И, как и у 627, звук очень быстро становится неприятным при запуске.
вырезка.

AD843, кажется, торгует плавностью на разрешение по сравнению с
OPA627. В некоторых случаях может быть предпочтительнее более подробный OPA627,
а в других случаях может оказаться полезным более плавный AD843. Я разрываюсь на чем
чтобы понять эту разницу. OPA627 не слишком показателен,
и AD843 не слишком плавный.Детали OPA627 кажутся подлинными;
это не зернистость или переоценка реальных деталей. Я не против того, как
AD843 игнорирует эти детали, но в то же время меня не возмущает
OPA627 за их представление. OPA627 может быть точным до неисправности, если
в вашей записи есть неприятные детали, которые другой операционный усилитель
игнорировать или преуменьшать значение. Если у вас есть некорректные записи, вы можете предпочесть
приятная ложь, сказанная AD843.

Итог: Это серьезный соперник Burr-Brown OPA627 за звание «лучшего операционного усилителя, который я когда-либо слышал».я
рассматривайте эти две фишки как примерно равные; они оба в одном аудио
класс, но у каждой микросхемы есть сильные стороны, которых не хватает другой. Вкус и система
совпадение будет важнейшим фактором при выборе одного из них.

Аналоговые устройства AD845

Это очень интересная микросхема. С точки зрения звука это можно назвать
более плавный, менее детальный AD843. Это почти как трубка,
при сохранении привязки аналоговых устройств. Сравните звук Burr-Brown
расслабленный … мягкий … медленный. Чип имеет намного большее разрешение
по сравнению с меньшими чипами, такими как OPA132 / 134 и
AD823, но он не совсем соответствует high-end
микросхемы вроде AD843 и OPA627.

По напряжению это довольно прожорливая микросхема.Указано только для запуска
до 9,5 В, но мне удалось снизить его. В предыдущем
тест на прослушивание, я смог понизить его примерно до 5 В. Я думаю что
здесь происходит то, что этот чип имеет допустимые искажения
при обрезке, поэтому небольшая обрезка переносится лучше, чем с другими
чипсы.

Эта микросхема также не очень хороша, когда дело касается потребления тока. Каждый
Чип потребляет около 10 мА в состоянии покоя, что, конечно, будет расти в нормальном режиме.
работы, а для стерео нужны две микросхемы.Небеса помогут тебе
используйте чип в усилителе Hansen с батарейным питанием или CHA47, где вам нужно
четыре фишки!

Итог: Если вы создаете настенный усилитель и хотите
резкий звук и хотите либо сэкономить, либо сгладить некоторые
Деталь относительно AD843, это хорошая микросхема. Однако я думаю, что ты
Вместо этого следует сделать небольшой шаг к 843. Это было бы хорошо
в высококачественном усилителе с батарейным питанием, где качество звука важнее
чем время автономной работы, но до 843 уже слишком много.

Аналоговые устройства AD8065

Эта микросхема является хорошей альтернативой AD823 и AD8610 в усилителях с батарейным питанием.Он потребляет больше тока
чем любой из них, но он работает на более низкое напряжение, поэтому может длиться
почти столько же на комплекте батарей в некоторых конфигурациях. Как вы можете
по номерам вырезок видно, что микросхема движется по рельсам в
Тест 330 Ом: 2 В среднеквадратического значения составляет 5,656 В. Ты не можешь поправиться
чем это.

Этот чип как бы разделяет разницу между звуком AD8610
и звук Burr-Brown: не агрессивный, но и не расслабленный.
Это немного завуалировано, что вполне ожидаемо, учитывая цену чипа.

Эта микросхема встречается редко, поскольку рассчитана только на питание 24 В.
(Абсолютный максимум 26,4 В.) Еще одна странность в том, что он доступен только
в версиях SOIC, поэтому вам необходимо установить его на адаптер Brown Dog, чтобы использовать
это в усилителях, которые используют микросхемы DIP.

Итог: Это может быть идеальный чип для вас, если вы
работает усилитель с батарейным питанием, и AD8610 слишком агрессивен и
OPA227 тоже непринужденный.

Аналоговые устройства AD8397 / AD45048

(Согласно хорошо размещенным источникам, AD8397 и AD45048
одинаковые микросхемы, характерные для разных рынков. Этот тест
было сделано с AD45048.)

Аналоговые устройства AD8512

Эта микросхема очень похожа на AD823. Главный
отличия в том, что он имеет более высокий выходной ток и меньшее питание
текущий. Качество звука аналогично, хотя там, где я бы назвал AD823
агрессивный, я бы назвал 8512 немного резким. Звук никем не противный
Значит, просто не так благозвучно, как другие чипы, которые я здесь рассмотрел.

Итог: Этот чип лучше всего подходит для экономии заряда батареи.
самое главное, а низкий выходной ток 823 — это
проблема. Если вы можете выдержать более высокий ток питания или более высокое напряжение
требований, есть чипы с лучшим звучанием.

Аналоговые устройства AD8610 / AD8620

Это, пожалуй, лучшая микросхема для усилителей с батарейным питанием,
период. Его допуск по напряжению — один из самых низких среди всех чипов.
Я упоминаю здесь, у него хорошие выходные токи, среди них
самый низкий ток питания из всех рассмотренных здесь микросхем, и, прежде всего, это звучит
хороший.

Как это звучит? Итак, возьмите AD823 и удалите часть
агрессивная резкость. Добавьте немного деталей и плавности от AD843.
Это 8610. Это не гладкий чип, просто не резкий. Это не
самый подробный чип, но и не сильно завуалированный.

Эта микросхема встречается редко, поскольку рассчитана только на питание 26 В.
(Абсолютный максимум 27,3 В.) Еще одна странность в том, что он доступен только
в версиях SOIC, поэтому вам необходимо установить его на адаптер Brown Dog, чтобы использовать
это в усилителях, которые используют микросхемы DIP.

Итог: Это претендент на мою любимую фишку из всех
время, особенно в усилителях с батарейным питанием. В паре с агрессивным
или очень показательная система, эта фишка может быть неприятной. Этот чип находится на
это лучшее дополнение к гладкой, непринужденной системе.

Аналоговые устройства OP275

Бурр-коричневый OPA2107

Бурр-коричневый OPA132

Это хорошее семейство операционных усилителей. Звук имеет типичный Burr-Brown
непринужденная природа. На нижнем конце немного толстоватый. Это не
потрясающе звучащий чип, но он помогает устранить недостатки во многих
бюджетные аудиосистемы, особенно портативные.

Digi-Key имеет только двойные версии (2132) в DIP-корпусах,
и есть две оценки, различающиеся по тому, есть ли «пятерка»
в названии детали. Мне не удалось найти корпус, в котором 2132PA
работает хуже по усилению звука, чем 2132P.Взглянув на
в таблице данных, похоже, что преимущества не-A класса находятся в
Спецификации DC, которые, конечно, не так уж и важны для звука.

Итог: Очень хороший чип для начала. Действительно, вы можете
будь так доволен этим, что перестанешь смотреть на другие фишки!

Бурр-коричневый OPA134

Это версия аудиосистемы семейства OPA132. (Это
«аудиосорт» в коммерческом, а не в аудиофильском смысле. Читать:
«более низкое качество». Digi-Key имеет только двойную версию (2134) в DIP
пакеты.

OPA134 требует немного больше напряжения, чем OPA132.Этот
не имеет значения в цепях с большим напряжением, но в батарее
система 132 может окупить себя, позволяя вам работать дольше
батарея.

В ходе более ранних испытаний я обнаружил, что 134 более вероятен, чем 132
стать нестабильным в маргинальных цепях. Иногда повышение предложения
напряжение было всем, что требовалось для стабилизации 134, а в других случаях только
замена 132 решила бы проблему. Если вы создаете свой собственный
схема с нуля, и у вас нет большого опыта, дополнительные расходы на
132 может окупиться с большей вероятностью успеха.

Итог: Если ваша схема надежная и у вас достаточно
высокое напряжение питания, 134 лучше, чем 132, потому что он дешевле
и они кажутся мне идентичными. 132 лучше для более маргинальных
настройки.

Бурр-коричневый OPA227

Это семейство операционных усилителей звучит очень похоже на семейства OPA132 и OPA134. В
основное отличие в том, что 227 не такая толстая на нижнем торце, как
132. 227 будет работать при немного более низком напряжении питания, чем
132 семья.

Digi-Key имеет двойные версии только в DIP-корпусах. «А»
версии подходят для аудио, так как версия, отличная от A, просто имеет
лучше спецификации DC, что бесполезно для аудио.

Итог: Это хорошая альтернатива OPA132. это
возможно даже значительное обновление.

Бурр-коричневый OPA228

Как OPA637 соответствует OPA627,
поэтому OPA228 соответствует OPA227.

Будучи более быстрым чипом (33 МГц против 8 МГц), в некоторых
моих усилителей, вероятно, из-за незначительных проблем с схемой. Я получил это
время от времени колеблются прямо, а иногда я просто получаю своего рода
«Гранж» в звуке.

Когда мне удалось избежать нестабильности, это звучало немного более аналитически.
чем OPA132. Для сравнения, 132 звучал более «живо».Этот
разница чисто субъективная, поэтому некоторые люди могут предпочесть
разница.

Итог: Я не в восторге от этого чипа для аудио. Если твой
аудио вкусы такие же, как у меня, OPA227 вам понравится. Этот
чип будет работать даже на более низком напряжении, так что, возможно, это хороший
Идея для усилителей с батарейным питанием, которым нужны наушники,
довольно высокие напряжения.

Бурр-коричневый OPA602

Бурр-коричневый OPA604

Характеристики этого чипа очень похожи на OPA132 / 134
семья: некоторые характеристики немного лучше, некоторые — немного хуже. Словно
OPA134, этот продается специально для аудио. Это было использовано
в некоторых популярных аудиоустройствах, особенно в нижнем диапазоне
аудиофильский диапазон.

Для усилителя для наушников наиболее существенным отличием в спецификациях является то, что
604-м для хорошего звучания требуется большее напряжение, чем для OPA134 / 132. Если
вы собираетесь использовать батарейный блок питания, вы должны использовать два 9V
батарейки или минимум 8 ячеек для AA или аналогичные.

У этого чипа проблема с генерацией, несомненно, потому что это
«быстрый» операционный усилитель: 20 МГц по сравнению с 8 МГц в семействе OPA134 / 132. В одном из
мои усилители типа Hansen, настроенные с OPA2604AP, я смог сделать это
колеблются, подавая на него напряжение питания выше 18 В.В других усилителях
Я смог подать ему до 34 В постоянного тока, не вызывая колебаний. В моем
основной тестовый усилитель, проблем с колебаниями у меня не было. Трудно приколоть
вниз виноват в этой проблеме. Единственный твердый урок, который у меня есть
Из этого удалось сделать вывод, что этот чип просто сложнее
использовать, чем семейство OPA134 / 132.

По звуку семейство OPA604 практически идентично OPA134 / 132. я
слышал небольшие различия, но я был в полной растерянности, пытаясь
чтобы выразить эти различия словами.Из-за преимуществ более низкого
напряжение питания и работа без колебаний, OPA134 / 132 по-прежнему
более желательны фишки для усилителей для наушников.

Итог: Используйте это, только если вы не можете найти OPA134 / 132.

Бурр-коричневый OPA627

Первое, на что обратил внимание, это чистота звука. С участием
эта микросхема в тестовом усилителе, я слышал известные проблемы в low-end
портативный источник более четко, чем с моей ссылкой для этого теста,
OPA134PA. 627 также, кажется, лучше справляется с записями в помещении.
ambience: раскрывает детали акустического пространства, которое OPA132 / 134
чипы будут скрываться, делая их по сравнению с ними «плоскими». Но эти
две микросхемы больше похожи, чем разные.Оба имеют характерные
непринужденный и мрачный звук Burr-Brown, и оба очень терпимые, стабильные
чипсы.

Единственное отличие состоит в том, что семейство OPA132 / 134 будет
работают значительно ниже 9 В, тогда как производительность 627 падает с обрыва
ниже точек отсечения, которые я даю выше. Кажется, есть немного
сверхнизкое звучание басов с 627. Кажется, что это не слишком
мощность », чем устранение более тяжелой тупости 132/134 —
627, кажется, имеет более истинный, более изысканный бас.

За все время тестирования я не смог различить
OPA627AP и OPA627BP. В даташите сказано, что отличия
между классами есть в спецификациях DC, так что это неудивительно.

Итог: Звуковые различия между OPA627 / 637 и
OPA132 / 134 относятся к категории «последних 5%», а не обеспечивают
кардинально другой звук. Если вам нравится звук Бёрра-Брауна и вы можете
стоят в 14 раз больше, чем за OPA2134PA, пара OPA627AP
разумное вложение.Я не вижу причин доплачивать за оценку B
в звуковом приложении.

Бурр-коричневый OPA637

OPA637 — это просто «некомпенсированная» версия OPA627.
Это означает, что у него более высокая пропускная способность, но она не будет стабильной при низкой
уровни усиления. В даташите сказано, что он минимально стабилен при усилении
5, но, как и у всех чипов, чем выше коэффициент усиления, тем стабильнее
становится. Стоимость и характеристики напряжения такие же, как у 627.

Более высокая пропускная способность 637 приводит к несколько более живому
звук, чем у 627.В нем все еще есть непринужденный стиль Burr-Brown.
характерный, хотя. Учитывая выбор между этими двумя чипами, я использую
637, когда я могу жить в пределах его требований к прибыли, но я счастливо падаю
в противном случае вернемся к 627.

National Semiconductor LF355

Еще один чипсы из мармелада. Полное семейство — LF355-LF357. В частности,
они очень похожи на TL071. Связанный чип
LF351, снятый с производства National, но выбранный производителями дженериков
такие чипы, как ST и Fairchild.

Обратите внимание, что этот чип не любит работать с низким импедансом.

National Semiconductor LM6171

Digi-Key поддерживает одноканальную версию LM6171BIN, а LM6172IN
двойная версия в DIP-корпусе.

Это очень быстродействующий операционный усилитель с биполярными входными транзисторами.
В переводе это означает, что этим операционным усилителем сложно пользоваться.Однако у него есть
образцовое качество звука по такой низкой цене, так опытный
строители должны хотя бы рассмотреть возможность его использования. Если вы решите дать
это выстрел, вы должны спроектировать усилитель вокруг чипа: вы не можете просто
вставьте микросхему в существующую схему и ожидайте, что она заработает. (Для информации о
что необходимо для работы этого чипа, см. сопутствующую статью,
«Работа с необычными операционными усилителями».)

Я сделал еще один тестовый усилитель в соответствии с принципами из этой статьи.
для того, чтобы протестировать этот чип. Чтобы убедиться, что необходим дизайн
изменения не повлияли на звук, я попробовал некоторые другие фишки в
Это.Это поднимает важный момент: изменения, необходимые для изготовления чипов
работа LM6171 в усилителе CMoy не препятствует появлению менее требовательных микросхем.
за работой. Если вы думаете, что когда-нибудь захотите попробовать такой чип,
вы можете внести изменения в дизайн с самого начала, чтобы вы могли свободно использовать
практически любая фишка в усилке.

В звуковом отношении этот чип значительно более показателен, чем
OPA132 / 134, и бас тоже стал более впечатляющим.

При высоком напряжении питания (15В) разница между LM6172
а OPA134PA тонкий, но настоящий.При более низких напряжениях питания
LM6172 может значительно затмить серию OPA132 / 134. Номера вырезок
выше не рассказывать всю историю; когда этот чип зажимается, он делает это в
очень мягкий, округлый, вместо резких стрижек, которые вы получаете с другими
чипсы. Это означает, что вы можете часто запускать микросхему на более низкое напряжение, чем у меня.
тесты показывают, принимая легкую форму искажения.

Итог: Эта микросхема не для шинников, но она дешевая,
он очень хорошо работает при низких напряжениях, а при более высоких напряжениях все еще
затмевает многие другие чипы в своем ценовом классе.Требуется больше внешних
компоненты для достижения этой производительности.

Signetics NE5532 (разные производители)

Другой чип мармелада, но с биполярным входом, поэтому требует большего ухода
в приложении.Наверное, лучше, чем TL072 по аудио.

Texas Instruments TL07 x (разные поставщики)

Это чип Jellybean, который был популярен для аудио еще в
80-е гг. Откройте старый проигрыватель компакт-дисков или предусилитель, и вы увидите красивый
хороший шанс найти TL072.

071 — одиночная версия, а 072 — двойная. А также есть
буква или три там, что указывает на допуск детали и
иногда код вариации. При повышении уровня качества они:
C, AC, BC. (Я игнорирую специальные промышленные и mil-spec
оценок.) Я не слышу разницы между оценками, поэтому ставьте C
сорт.Цена указана за версию TI, так как они изобрели чип.

Это семейство микросхем не так хорошо, как семейство OPA132 / 4. В
Указанные выше номера вырезок являются здесь информативными: это один из немногих
микросхемы, которые я тестировал, которые требуют большего напряжения питания на 33 Ом
чем на тесте 330 Ом. Итог, эта фишка не нравится
управлять низкими сопротивлениями. Я слышал, что члены этого семейства операционных усилителей искажают
даже при полном рабочем напряжении микросхемы 30В. Я не говорю о
мелкие проблемы здесь — я говорю о хрустящих, некрасивых, очевидных
искажение.Поэтому рекомендую использовать этот чип только под принуждением,
и то, только если вы готовы дать ему достаточно большое количество
вольтаж.

Итог: Этот чип очень распространен и дешев, но также
по звуку уступает всем другим протестированным чипам. Используйте его, только если вы
не могу найти ничего лучше.

Texas Instruments TL08 x (разные поставщики)

Это младшая версия TL07 x . Я не слышу
разница между ними, но поскольку TL07 x имеет ту же цену
вы могли бы также получить это.Как я уже сказал выше, эти фишки классические
звуковые мармеладки, в основном полезные, когда чип не должен управлять
низкоомная нагрузка.

Единственная причина, по которой я потрудился рассмотреть здесь 082, заключается в том, что вы
можете получить их в Radio Shack. Если вам понадобится операционный усилитель в аварийной ситуации,
приятно знать, что вы можете заплатить умеренно непристойную сумму в 1,99 доллара
каждый, чтобы получить пригодный для использования чип, не дожидаясь заказа по почте.

История изменений статьи

2004.08.15

Переписал вступительный материал, описывая новый
методика испытаний.

Повторно выполнил все тесты клиппирования с новой целью.
метод.

Добавлены обзоры скелетов AD744, AD825, LF355, OP275,
OPA2017 и OPA602.

Добавлены краткие обзоры AD8512 и NE5532.

Добавлены полные обзоры AD8610 и AD8065.

Разделить все обзоры на похожие чипы (132/134,
227/228, 627/637 и др.) В отдельные обзоры для наглядности.

Исправлены все URL-адреса Headwize.

2002.08.17

Добавлена ​​информация об OPA637 в обзор OPA627.

2002.05.17

Добавлены обзоры AD843 и AD845.

2002.05.06

Небольшие улучшения. Большой добавляет предупреждение
о проблеме выходного тока AD823.

2002.03.21

В обзоре OPA627 добавлены результаты оценок A и B.

2002.03.17

Добавлены обзоры OPA227 и OPA228.

2002.02.18

Добавлен обзор OPA627.

2002.02.11

Закончил первоначальный обзор LM617x. И, подкрасил
остальная часть статьи какая-то.

2002.01.28

Изготовлены два новых усилителя типа CMoy исключительно для этой цели.
протестировать и повторно протестировать все протестированные на них чипы, затем обновить
статья с выводами. Также добавлена ​​информация об условиях тестирования и
немного отполировал исходный текст статьи.

Добавлена ​​информация о TL071ACN, TL072ACN и TL072BCP.

Добавлена ​​информация о Burr-Brown OPA604AP и OPA2604AP.

Добавлена ​​информация по Analog Devices AD823AN.

2002.01.13

Начиная с текста из раздела «Несколько слов о
Операционные усилители »в учебнике CMoy, создали
оригинальная версия этой статьи. Первоначальная версия охватывает все
Семейства OPA2132 / 2134 и TL082CP. (И, конечно, обобщает
для расширенных семей этих операционных усилителей, пока у меня не будет возможности попробовать
более широкий выбор фишек в каждой строке.)

Авторские права на эту статью принадлежат © 2002-2016
Уоррен Янг, все права защищены.

Неинвертирующий суммирующий усилитель — Справка разработчика

Переключить навигацию

• Инструменты разработки
  • Какие инструменты мне нужны?
  • Программные инструменты
    • Начните здесь
    • MPLAB® X IDE
      • Начните здесь
      • Установка
      • Введение в среду разработки MPLAB X
      • Переход на MPLAB X IDE
        • Переход с MPLAB IDE v8
        • Переход с Atmel Studio
      • Конфигурация
      • Плагины
      • Пользовательский интерфейс
      • Проектов
      • Файлы
      • Редактор
        • Редактор
        • Интерфейс и ярлыки
        • Основные задачи
        • Внешний вид
        • Динамическая обратная связь
        • Навигация
        • Поиск, замена и рефакторинг
        • Инструменты повышения производительности
          • Инструменты повышения производительности
          • Автоматическое форматирование кода
          • Список задач
          • Сравнение файлов (diff)
          • Создать документацию
      • Управление окнами
      • Сочетания клавиш
      • Отладка
      • Контроль версий
      • Автоматика
        • Язык управления стимулами (SCL)

        Отладчик командной строки

        • (MDB)
        • IDE Scripting с Groovy
      • Устранение неполадок
      • Работа вне MPLAB X IDE
      • Другие ресурсы
    • Улучшенная версия MPLAB Xpress
    • MPLAB Xpress
    • MPLAB IPE
    • Программирование на C
    • Компиляторы MPLAB® XC
      • Начните здесь
      • Компилятор MPLAB® XC8
      • Компилятор MPLAB XC16
      • Компилятор MPLAB XC32
      • Компилятор MPLAB XC32 ++

      Кодовое покрытие

      • MPLAB
    • Компилятор IAR C / C ++
    • Конфигуратор кода MPLAB (MCC)
    • MPLAB Harmony версии 2
    • MPLAB Harmony версии 3
    • Atmel® Studio IDE
    • Atmel START (ASF4)
    • Advanced Software Framework v3 (ASF3);
      • Начните здесь
      • ASF3 Учебники
        • ASF Audio Sine Tone Учебное пособие

        Интерфейсный ЖК-дисплей

        • с SAM L22 MCU Учебное пособие
    • Блоки устройств MPLAB® для Simulink®
    • Утилиты

    Инструменты проектирования

    • FPGA
    • Аналоговый симулятор MPLAB® Mindi ™
  • Аппаратные средства
    • Начните здесь
    • Сравнение аппаратных средств
    • Средства отладки и память устройства
    • Исполнительный отладчик
    • Демо-платы и стартовые наборы

    Внутрисхемный эмулятор

    • MPLAB® REAL ICE ™

    Эмулятор

    • SAM-ICE JTAG

    Внутрисхемный эмулятор

    • Atmel® ICE
    • Power Debugger
    • MPLAB® ICD 3 Внутрисхемный отладчик
    • MPLAB® ICD 4 внутрисхемный отладчик
    • PICkit ™ 3 Внутрисхемный отладчик
    • MPLAB® PICkit ™ 4 Внутрисхемный отладчик
    • MPLAB® Snap
    • MPLAB PM3 Универсальный программатор устройств
    • Принадлежности
      • Заголовки эмуляции и пакеты расширения эмуляции
      • Пакеты расширения процессора и заголовки отладки
        • Начните здесь
        • PEPs и обзор заголовков отладки
        • Требуемый список заголовков отладки
          • Таблица обязательных отладочных заголовков
          • AC162050, AC162058
          • AC162052, AC162055, AC162056, AC162057
          • AC162053, AC162054
          • AC162059, AC162070, AC162096
          • AC162060
          • AC162061
          • AC162066
          • AC162083
          • AC244023, AC244024
          • AC244028
          • AC244045
          • AC244051, AC244052, AC244061
          • AC244062
        • Необязательный список заголовков отладки
          • Дополнительный список заголовков отладки — устройства PIC12 / 16
          • Необязательный список заголовков отладки — устройства PIC18
          • Необязательный список заголовков отладки — устройства PIC24
        • Целевые следы заголовка отладки
        • Подключения заголовка отладки
    • SEGGER J-Link

    Решения для сетевых инструментов

    • K2L
    • Рекомендации по проектированию средств разработки

    Ограничения отладки

    • — микроконтроллеры PIC
    • Инженерно-технические примечания (ETN) [[li]] Встроенные платформы chipKIT ™

• Функции
  • Интеграция встроенного программного обеспечения
    • Начните здесь
    • Программирование на C
    • MPASM ™ Программирование на языке ассемблера
    • MPLAB® Harmony v3
      • Начните здесь
      • Библиотеки MPLAB® Harmony
      • MPLAB® Harmony Configurator (MHC)
      • Проекты и учебные пособия MPLAB Harmony
        • Периферийные библиотеки на SAM L10
          
          • Начало работы с Периферийными библиотеками Harmony v3
          • Периферийные библиотеки с низким энергопотреблением на SAM L10
        • Периферийные библиотеки на SAM C2x
          • Начало работы с периферийными библиотеками Harmony v3
          • Приложение с низким энергопотреблением с периферийными библиотеками Harmony v3
        • Периферийные библиотеки на SAM D21
        • Периферийные библиотеки на SAM D5x / E5x
          • Начало работы с периферийными библиотеками Harmony v3
          • Приложение с низким энергопотреблением с периферийными библиотеками Harmony v3

.