Усилитель мощности схема на операционном усилителе: Операционные усилители в звукотехнике

Высококачественный усилитель 75 Вт с применением операционного усилителя

категория Схемы усилителей материалы в категории * Подкатегория Схемы усилителей на транзисторах

Автор статьи — М. Путырский. Статья опубликована в PЛ, N°9,2002 г.

На рис. 1 приведена обобщенная структурная схема усилителя мощности звуковой частоты (УМЗЧ). Данная схема построена на базе хорошо известного усилителя [1]. Автор предложил очень хороший УМЗЧ, но, на мой взгляд, принципиальная схема этого усилителя несколько громоздка и ее можно несколько упростить. Задача каждого разработчика состоит в правильном сочетании получения требуемых характеристик качества работы устройства и необходимых для их реализации затрат. Не нужно усложнять схему ради незначительного улучшения качества, что приводит к неоправданным затратам. Достоинством каждой схемы является ее простота.

Структурная схема усилителя

Принципиальная электрическая схема усилителя мощности звуковой частоты

Выходная мощность усилителя составляет не менее 75 Вт на нагрузке 4 Ом. Полоса воспроизводимых частот — 3 Гц..100 кГц.

Входной каскад усилителя мощности выполнен на операционном усилителе типа КР140УД1101. Этот операционный усилитель относится к быстродействующим. Частота единичного усиления составляет 15 МГц, скорость нарастания выходного напряжения — 50 В/ мкс. Это очень неплохой операционный усилитель и, главное, дешевый. Операционный усилитель включен в инвертирующем включении. Цепь отрицательной обратной связи, охватывающая весь усилитель и определяющая его коэффициент усиления, образуется с помощью резисторов R1, R4. Конденсатор С10 служит для формирования необходимой АЧХ усилителя. Для снижения статических ошибок необходимо выдерживать равенство суммарных сопротивлений, включаемых в цепях инвертирующего и неинвертирующего входов. Для этой цели неинвертирующий вход операционного усилителя посажен на землю через резистор R2.

Для точной установки нуля на выходе усилителя мощности используется цепь, образованная резисторами R6, R8. Для устранения высокочастотных наводок на вход усилителя конденсатор С1 совместно с резистором R1 образовывают ФНЧ. При инвертирующем включении ОУ рекомендуется использовать цепь R3C7, которая увеличивает скорость нарастания выходного напряжения до 150 В/мкс. Из-за ограниченной скорости отклика большого сигнала с ростом частоты снижается амплитуда неискаженного выходного сигнала, эта цепочка позволяет практически увеличить ее в три раза. Питание операционного усилителя осуществляется стабилизированным напряжением 15 В, которое стабилизируется с помощью стабилитронов VD1, VD2. Напряжение источника питания подается на стабилитроны через резисторы R14, R15, служащие для ограничения тока через стабилитрон.

Так как максимальная амплитуда выходного сигнала операционного усилителя ограничена напряжением его питания, а оконечный каскад усилителя мощности, как известно, не усиливает по напряжению, то максимальная амплитуда на выходе такого усилителя будет ограниченной, даже если оконечный каскад запитан в два раза большим напряжением. Для устранения этого недостатка перед оконечным каскадом необходимо использовать дополнительный каскад усиления по напряжению. В качестве такого каскада в данном усилителе используется абсолютно симметричный усилитель напряжения, верхнее плечо которого образовано транзисторами VT4, ѴТЗ, ѴТ5, нижнее -транзисторами ѴТ1, ѴТ2, ѴТ7.

Этот усилитель напряжения обладает высокой линейностью за счет симметричности структуры. Критерий выбора данных транзисторов — максимальная граничная частота единичного усиления. Дополнительно для транзисторов VT1, VT2…VT4 — малый коэффициент шума. Цепочки R12C13 и R10C12 предназначены для устранения возбуждения усилителя напряжения на высоких частотах. Диоды VD3, VD4, VD5 — для ускорения переходных процессов при выходе усилителя из перегрузки. Стабилитрон VD6 задерживает включение транзисторов VT5, VT7 на время зарядки накопительных конденсаторов, чтобы к моменту их включения напряжение питания операционного усилителя достигало режима его работы и они вошли в нормальный режим. Входной каскад и усилитель напряжения разделены через резистор R5. Цепь начального смещения на базы транзисторов оконечного каскада выполнена на транзисторе VT6.

Энергетическая эффективность усилителя в основном зависит от экономичности оконечного каскада, так как каскады предварительного усиления потребляют от источника питания незначительную энергию. Оконечный каскад выполнен на транзисторах: верхнее плечо — VT8, VT10, VT12 и нижнее — на VT9, VT11, VT13. Для уменьшения падения напряжения на р-п переходах транзисторов оконечного каскада при протекании больших токов транзисторы VT10 и VT12, VT11 и VT13 соединены в параллель. При этом ток коллектора каждого транзистора уменьшается вдвое. Каждый транзистор оконечного каскада охвачен отрицательными местными обратными связями, образованными резисторами R29, R30…R32. Так же весь оконечный каскад охвачен общей отрицательной обратной связью с помощью R25, С25.

Конденсаторы С18, С20 предотвращают появление динамической асимметрии выходного каскада. На выходе установлен дроссель L1 для исключения любых паразитных воздействий на выходной каскад.

Конструктивные особенности усилителя

Дроссель наматывается на каркас диаметром 12 мм в два слоя. Толщина провода — 1 мм, длинна намотки — 25 мм. На транзисторы VT8, VT9 следует повесить маленькие радиаторы. Транзисторы ѴТ10, Ѵ12 и ѴТ11, Ѵ13 вынесены из печатной платы на радиаторы. Транзи-стор ѴТ6, на котором выполнена цепь начального смещения рабочей точки, для лучшей термостабилизации вынесен из печатной платы и закреплен на одном из радиаторов оконечного каскада. Питание от источника питания подается на коллекторы выходных транзисторов оконечного каскада, от них на печатную плату усилителя мощности.

Ток покоя оконечного каскада следует устанавливать в пределах 75…95 мА, поскольку при меньшей величине ухудшаются частотные свойства мощных транзисторов. При первом запуске усилителя мощности рекомендуется включить в цепь коллекторов мощных транзисторов резисторы по 4 Ом 5 Вт, эти резисторы ограничат ток коллекторов и тем самым спасут транзисторы оконечного каскада в случае каких-либо неисправностей. Если при первом запуске ваш усилитель возбуждается, то следует проверить RC-цепи: R12C15, R10C14, R25C25 и конденсатор СЮ.

Данный усилитель обладает отличной переходной характеристикой, способен работать на низкоомную нагрузку порядка 2 Ом, хорошо отрабатывает скачок в виде ступеньки благодаря широкой полосе пропускания.

Следует отметить, что на пути прохождения НЧ сигнала в усилителе нет разделительных конденсаторов, не считая входного СЗ, ко* торый можно также исключить, что позволит без ослабления и внесения фазовых искажений усиливать НЧ сигнал. Таким образом, данный усилитель обладает идеальной фазочастотной характеристикой.

Экономичный усилитель мощности звуковых частот на LM358

Схема простого УНЧ с низким потреблением тока для приёмников, плееров и прочих
устройств с питанием от батареек или аккумулятора.
Режим класса С в действии.

Современная элементная база позволяет создавать электронные устройства с очень низким потреблением тока, будь то: миниатюрный приёмник,
плеер или какое-либо иное устройство, подразумевающее питание от гальванических или химических источников тока.

За счёт мобильности и отсутствия наводок, подобные источники зачастую имеют ряд преимуществ перед сетевыми, однако постоянная
необходимость замены батареек и зарядки аккумуляторов создаёт ряд неприятных проблем для человека, не обременённого хорошей памятью, рассеянного и
раздражительного.

Зачастую главным поедателем электрической энергии в устройстве выступает усилитель мощности звуковых частот (УМЗЧ), он же — усилитель
низких частот (УНЧ).

И если выходная мощность усилителя — это параметр небесполезный, т. е. параметр, описывающий качественные параметры
УНЧ, то ток покоя в режиме молчания — абсолютно паразитная величина, снижающая КПД как усилителя, так и всего устройства в целом.

Избавиться от этой паразитной величины довольно просто — достаточно ввести выходной каскад в режим класса C.
Данный режим имеет очень высокий КПД (около 90%), но зачастую сопровождается большими искажениями усиливаемого сигнала, т. к.
рабочая точка транзисторов находится за точкой отсечки полупроводника, а конкретно — на 0,6…0,7В ниже начала области относительной
линейности.

Однако если перед таким выходным каскадом поставить современный операционный усилитель с Ku ~ 100000 и охватить всё это хозяйство
100% обратной связью, то эта зона нелинейности снизится всё в те же 100000 раз и составит жалкие единицы микровольт.

Итак, поскольку мне (да думаю и многим другим) в радиолюбительской практике часто нужен достаточно качественный, но очень
небольшой и экономичный звуковой усилитель, работающий от батарейки системы «Крона», было решено остановиться на следующем
схемотехническом решении:

Рис.1 Схема экономичного усилителя мощности звуковых частот

Усилитель выполнен на распространённом операционном усилителе LM358, который в одном корпусе содержит два независимых маломощных
операционных усилителя с высоким коэффициентом усиления и частотной компенсацией. Отличается низким потреблением тока (~0,7мА) и
возможностью работать в схемах с однополярным питанием от 3 до 32 вольт.

Собственно говоря, именно эти 0,7 мА УНЧ и потребляет от батарейки в режиме молчания. А если сравнивать его с популярной микросхемой
усилителя мощности LM386 с током покоя 4…5 мА, то разница в 4мА для маломощной батарейки это, поверьте,
приличная величина, которая позволяет значительно продлить срок её службы.

На первой половинке LM358 (ОР.1.1) выполнен обычный неинвертирующий каскад усиления, входное сопротивление которого составляет
~ 100 кОм, а коэффициент усиления регулируется переменным резистором R3 в диапазоне от 2 до 200.

Выходные транзисторы, работающие в режиме класса C, охвачены со второй половиной LM358 100% ООС и образуют обычный повторитель
напряжения. Для получения максимальной выходной мощности важно, чтобы их коэффициент передачи тока был не менее 2000/Rн.

Следует отметить, что LM358 относится к редкому типу микросхем с несимметричным ограничением выходного сигнала при напряжении на выходе,
равном половине Еп. Поэтому для получения максимальной неискажённой выходной мощности в схему введён подстроечный резистор
R4.
Регулировкой этого подстроечника необходимо добиться одновременного начала ограничения обеих полуволн.
Лучше всего это сделать при помощи генератора и осциллографа, а при их отсутствии — посредством собственного слухового аппарата при
максимально громком воспроизведении какого либо музыкального, либо иного материала.

Так как усилитель используется мной в основном для экспериментальных целей и подразумевает работу совместно с наушниками, то я без
зазрения совести впаял в выходном каскаде маломощные транзисторы из имеющихся в наличии — КТ3102 и КТ3107. Усилитель, подключённый
к звуковому разъёму телефона, продемонстрировал отличное качество воспроизведения музыки при любых уровнях громкости, по крайней мере —
лучшее, чем сам телефон с подключёнными к нему напрямую наушниками.

При использовании транзисторов, указанных на схеме, выходная мощность усилителя при работе на 4…8 — омную нагрузку составит 500…600 мВт.

Схема универсального усилительного модуля » Паятель.Ру

Очень часто, при коммутации аудиосигналов приходится сталкиваться с тем. что уровень выходного сигнала какого-то источника звуковой частоты оказывается недостаточным для подачи его на вход усилителя, рекордера, компьютерной звуковой платы, или другого НЧ устройства. В таких случаях приходится второпях собирать простейшие усилительные каскады из того, что окажется под рукой, часто на транзисторах с недостаточными характеристиками по АЧХ, КНИ, шумам.

Наверное, лучше иметь в своем хозяйстве несколько готовых заранее сделанных универсальных усилительных модулей, с универсальным однополярным питанием и возможностью регулировки коэффициента усиления. На рисунке показана схема модуля предварительного стереоусилителя. обладающего следующими характеристиками:

1. Напряжение питания…………….+10…+15V.
2. Потребляемый ток не более……..10mA.
3. Частотный диапазон при неравномерности 3 dB……………………….. 10…30000 Гц.
4. Пределы регулировки коэффициента усиления…………………………….0.15 dB.
5. КНИ, не более………………………..0.05%.
6. Максимум входного сигнала……4V.

Усилитель сделан на малошумящем двойном операционном усилителе NJM4580L в корпусе с однорядным торцевым расположением выводов.

Каналы усиления сделаны по типовым схемам УНЧ на ОУ с однополярным питанием. Входные сигналы поступают на инвертирующие входы ОУ. Это снижает вероятность самовозбуждения от проникания сигнала с выхода на вход, при неудачном расположении кабелей. Коэффициент усиления устанавливается изменением глубины ООС с помощью подстроечных резисторов RP1 и RP2, которые изменяют сопротивление между инвертирующим входом и выходом ОУ.

Подвижные контакты подстроенных резисторов подключены к выходам ОУ, чтобы снизить величину наводок, поступающих в тракт НЧ с вашего тела через отвертку при регулировке усиления работающего усилителя.

Для того чтобы операционные усилители могли питаться от однополярного источника на их прямые входы подано напряжение смещения, равное половине напряжения питания Напряжение смещения задается отдельно для каждого ОУ резисторами R2 R3 и R9 R10, соответственно

Питается усилитель напряжением 8V через интегральный стабилизатор А2. Источником питания может служить нестабильный или стабилизированный источник постоянного тока напряжением 10-15V. С успехом можно использовать сетевые адаптеры напряжением 12-14V от различной компьютерной периферии и даже, от аккумуляторных инструментов. Например, у автора, усилитель неплохо работает от зарядного устройства для шуруповерта (14,6V). и от источника питания сканера (12.8V).

Если всегда будет использоваться один и тот же стабилизированный источник напряжением 8…12V, можно обойтись без А2.

Печатная плата модуля
Практически все детали расположены на одной печатной плате из фольгированного стеклотекстолита. Разъемы Х1, Х2, Х4, Х5 — разъемы-гнезда типа Азия от современной аудио-видеотехники. Х3 — разъем для подачи питания.

Тип разъема Х3 зависит от типа штекера источника, от которого предполагается питать усилитель. Можно использовать различные тройники-переходники, чтобы можно было подключаться к разным источниками. а так же, сделать разъем с крокодилами для внутрисхемного подключения.

В этом случае, сразу после Х3, между Х3 и входом А2 нужно включить любой диод (например, КД522). Диод нужен чтобы не допустить случайного. подключения источника в обратной полярности, так как это может легко вывести схему из строя

Все детали миниатюрные. Желательно чтобы конденсаторы С3 и С10 были на напряжение побольше (чем больше допустимое напряжение конденсатора, тем ниже ток утечки). Можно использовать другие операционные усилители, но это потребует изменения разводки платы.

Плата помещена в экранированный корпус, спаянный из консервной жести. В верхней крышке вырезаны отверстия под отвертку (для регулировки RP1, RP2). Можно использовать и пластмассовый корпус.

Простой аудио усилитель на операционном усилителе LM833

   Это схема простого аудио усилителя на основе операционного усилителя LM833. Она относится к разряду тех схем, которые можно собрать за час «на коленке». Однако, несмотря на свою простоту, схема вполне работоспособна и при должном качестве сборки может найти применение в качестве усилителя для наушников или предусилителя электрогитары. Или, на худой конец, вашего первого собранного устройства.

Рис. 1. Схема простого аудио усилителя на LM833.

   Усилитель работает от девяти вольтовой батарейки типа «крона». Основу усилителя составляет сдвоенный операционный аудио усилитель общего назначения — LM833. Задействованная часть микросхемы включена по схеме неинвертирующего усилителя, незадействованная — по схеме повторителя, то есть по сути «заглушена». Полоса пропускания схемы приблизительно от 0.5 Гц до 16 кГц. Коэффициент усиления от 1 до 100 в зависимости от значения переменного резистора. Номиналы всех компонентов понятны из схемы. 

   Операционный усилитель имеет однополярное питание 9 В. Идеальный операционный усилитель может давать на выходе напряжение в диапазоне от 0 до напряжения питания. В реальности так могут вести себя только операционные усилители типа Rail-to-rail, а операционные усилители общего назначения работают в диапазоне от минимального до максимального напряжения насыщения, которое обычно меньше напряжения питания на ~1 — 2 В. Для того чтобы усилить входной сигнал по максимуму и без искажений, мы должны сместить его в середину диапазона выходного напряжения оу — приблизительно в точку 4 В. Тогда выходному сигналу будет где «развернуться». 

Рис. 1. Усиление входного сигнала (красный) без смещения. Выходной сигнал (синий) «обрезается снизу».

Рис. 2. Слишком большое смещение. Выходной сигнал «обрезается сверху». Можно уменьшить усиление, тогда сигнал не будет искажаться.

Рис. 3. Оптимальное смещение и усиление. Сигнал не искажается.

   Схему смещения составляют компоненты R1, R4 и С3. Резисторы R1 и R4 образуют делитель напряжения, благодаря которому на неинвертирующем выводе операционного усилителя присутствует постоянное напряжение чуть меньше половины питания, а конденсатор C3 отсекает постоянную составляющую входного сигнала. Если вы посмотрите осциллографом напряжение в точке A, то увидите, что входной сигнал колеблется на «подставке» в 4 В. Это как раз то, что нам нужно. 

   Помимо смещения компоненты R1, R4 и С3 выполняют роль пассивного RC фильтра низкой частоты. Частота среза этого фильтра будет определяться формулой

f = 1/(2*Pi*R*C), [Гц]

   С — это емкость входного разделительно конденсатора C3, а R — это суммарное сопротивлении параллельно соединенных резисторов R1 и R4. Почему параллельных? Потому что для переменного сигнала источник питания представляет собой «закоротку». То есть он его как бы не «видит».
   Операционный усилитель имеет высокое входное сопротивление. Резисторы R1 и R4 будут уменьшать это сопротивление (потому что для переменного входного сигнала они включены параллельно входному сопротивлению усилителя) и, по сути, определять его значение.
   Для того чтобы не «загробить» входной аудио сигнал (по амплитуде и частоте), номиналы резисторов и конденсатора нужно взять достаточно большими — сотни кОм и единицы мкФ. Для номиналов указанных в схеме, частота среза фильтра составит ~0.6 Гц.

   Самая простая схема усилителя напряжения на оу — это схема неинвертирующего усилителя (на рисунке ниже она выделена серой рамкой). Для усиления входного сигнала мы можем использовать ее. Коэффициент усиления такой схемы равен отношению двух резисторов в цепи обратной связи. 

   Uout/Uin = 1 + R5/R6

Рис. 4 Схема неинвертирующего усилителя на оу.

   Однако, если мы подадим наш смещенный сигнал на вход обычного неинвертирующего усилителя, операционный усилитель даже при небольшом усилении «уйдет» в насыщение (то есть на выходе будет максимальное напряжение).
   Чтобы этого избежать, нужно «заставить» его усиливать только переменный сигнал. Этого можно добиться, если добавить в схему конденсатор — C7. По постоянному сигналу эта схема будет представлять собой повторитель (потому что конденсатор для постоянного сигнала равносилен обрыву), а по переменному неинвертирующий усилитель.

   Как можно догадаться, данный конденсатор будет оказывать влияние на полосу пропускания нашей схемы. А если точнее, то конденсатор C7 и резистор R6 образуют низкочастотный фильтр с частотой среза:

   F = 1/(2*Pi*R6 * C7) , [Гц]

   Емкость конденсатора C7 нужно взять достаточно большой (десятки мкФ), чтобы частота среза этого НЧ фильтра была маленькой (доли Гц).

   Схема неинвертирующего усилителя будет усиливать все частоты, которые пропускает операционный усилитель, и в том числе высокочастотный шум. Для аудио усилителя это нам совершенно не нужно. Чтобы ограничить полосу пропускания усилителя со стороны высоких частот, параллельно резистору R5 добавлен конденсатор C5. На низких частотах он не оказывает влияния на коэффициент усиления схемы, а на высоких, когда его сопротивление становится сравнимым с R5, коэффициент усиления схемы уменьшается. Конденсатор C5 вместе с резистором R5 образуют ВЧ фильтр, частота среза которого определяется формулой:

   F = 1/(2*Pi*R5* C5) , [Гц]

   Большой номинал этого конденсатора придаст звуку более басовое звучание (за счет подавления высоких частот), но может значительно уменьшить коэффициент усиления схемы. Поиграв с номиналом этого конденсатора, можно подобрать приемлимое частотное звучание усилителя.

   На выходе операционного усилителя мы получим усиленный входной сигнал на «подставке» 4 В. В отсутствии входного сигнала на выходе усилителя будет просто напряжение 4 В (потому что для постоянного сигнала схема будет работать как повторитель, а на входе у нас 4 В). Если подключить наушники напрямую к выходу, то в отсутствии входного сигнала через них потечет ток. Это нам совершенно не нужно, поэтому на выходе усилителя стоит разделительный конденсатор C4, который «отсекает» постоянную составляющую.

   Также на выходе усилителя стоит ВЧ фильтр на элементах R2 и C6. Во-первых R2 ограничивает выходной ток операционного усилителя в случае замыкания выхода на землю, а во-вторых фильтр корректирует выходной сигнал, то есть дополнительно «обрезает» высокие частоты.

   И последнее — это конденсаторы в цепи питания операционного усилителя (C1, C2). Это особенно актуально при запитывании схемы от сетевого адаптера.

   Конечно, это схема не является эталоном аудио звучания, и, возможно, не оправдает ваши ожидания по качеству звука. Однако, она позволяет начинающему электронщику познакомиться с основами и получить при этом конкретный практический результат. Такой опыт запоминается куда лучше, чем простое чтение учебника и зубрежка формул.
   В одном материале всего не объяснишь (да и всего я не знаю), но я постарался коснуться основных моментов схемы. С ними можно поэкспериментировать и посмотреть, как будет вести себя усилитель.

Как буферизовать выход операционного усилителя для получения более высокого тока, часть 2

Добавлено 8 октября 2019 в 06:52

Сохранить или поделиться

В данной статье мы рассмотрим два варианта базовой схемы на биполярных транзисторах для буферизации тока.

Вспомогательная информация

Предыдущая статья

Если выходной каскад вашего операционного усилителя не может справиться с давлением

Базовая схема буферизации на биполярном транзисторе, рассмотренная в предыдущей статье, отлично подходит для многих приложений, но у нее есть два ограничения, которые необходимо учитывать: во-первых, для высоких токов нагрузки может потребоваться слишком большой выходной ток операционного усилителя; во-вторых, она не совместима с отрицательными напряжениями нагрузки. Начнем с первой проблемы.

Как упоминалось в предыдущей статье, выходной ток, требуемый от операционного усилителя, будет приблизительно равен току нагрузки, деленному на коэффициент усиления по току транзистора (он же бета или h_FE). В некоторых ситуациях может быть проблематично добавить в ваш проект возможность получения большого выходного тока.

Например: вы используете компонент операционного усилителя, который включает в себя несколько усилителей в одном корпусе. Если у вас уже есть деталь с низким выходным током, которая подходит именно для вашей системы, и вы используете три из четырех усилителей в комплекте, вы можете решить использовать этот четвертый усилитель. Или, скажем, у вас есть операционный усилитель, встроенный в микроконтроллер, используемый на плате. Этот операционный усилитель вряд ли может предложить большой выходной ток, но вы не хотите добавлять внешнюю деталь просто потому, что вам нужно еще 20 или 30 мА от встроенного операционного усилителя. Решением таких ситуаций является дополнительное усиление по току с помощью биполярного транзистора. Первое, что нужно сделать, это просто найти транзистор с более высоким h_FE. Но если вам нужно гораздо большее усиление по току (потому что у вас слишком большой ток нагрузки, или ваш операционный усилитель настолько слаб, или и то, и другое), то настало время использовать пару Дарлингтона.

Пара Дарлингтона

Рисунок 1 – Схема для буферизации выходного тока операционного усилителя на паре Дарлингтона

Условное обозначение на схеме рассказывает большую часть истории. Пара Дарлингтона – это два биполярных транзистора с общим коллектором, объединенных в один корпус. В результате получается устройство, которое работает очень похоже на обычный биполярный транзистор, но с чрезвычайно высоким h_FE – общий коэффициент усиления по току приблизительно равен h_FE первого транзистора, умноженному на h_FE второго транзистора. В этот момент вы можете подумать: «У меня много транзисторов 2N2222, я просто подключу их в стиле Дарлингтона и скажу, что это круто». Ну, это не так просто. Взгляните на эквивалентную схему для транзистора Дарлингтона TIP142T от Fairchild:

Рисунок 2 – Эквивалентная схема транзистора Дарлингтона TIP142T от Fairchild

В дополнение к биполярным транзисторам у нас тут защитный диод и два резистора. Резисторы уменьшают время выключения, обеспечивая путь разряда для емкости перехода база-эмиттер правого транзистора, и они обеспечивают определенное состояние для базы правого транзистора, которая в противном случае висела бы в воздухе, когда пара Дарлингтона находится в режиме отсечки. Они также приводят к снижению h_FE, потому что часть тока базы идет в обход переходов база-эмиттер. Это уменьшение усиления на самом деле во многих ситуациях выгодно, потому что оно уменьшает влияние тока утечки – и дело в том, что вам на самом деле не нужен весь коэффициент усиления по току, который был бы примерно равен 10 000, если предположим, что каждый биполярный транзистор имеет h_FE = 100. Суть в том, что, вероятно, лучше купить устройство Дарлингтона, а не делать свое собственное из двух отдельных биполярных транзисторов.

Вот схема LTspice с парой Дарлингтона вместо одного биполярного транзистора.

Рисунок 3 – Схема для буферизации выходного тока операционного усилителя на паре Дарлингтона в LTspice

В LTspice по умолчанию нет устройств Дарлингтона, но вы можете зайти сюда, чтобы скачать файлы подсхем и условных обозначений для TIP142.

Вот график входного напряжения V_IN, выходного напряжения V_OUT и напряжения, приложенного к базе транзистора Дарлингтона (выходного напряжения ОУ), V_BASE.

Рисунок 4 – График входного напряжения схемы, выходного напряжения схемы и напряжения, приложенного к базе транзистора Дарлингтона (выходного напряжения ОУ)

Как и в схеме с одним биполярным транзистором, выходное напряжение повторяет входное напряжение (график входного напряжения V_IN скрыт под графиком выходного напряжения V_OUT). Обратите внимание, что напряжение на базе транзистора Дарлингтона V_BASE приблизительно на 1,3–1,4 В выше напряжения на нагрузке; это потому, что теперь у нас есть два падения напряжения база-эмиттер вместо одного. Таким образом, вы должны быть особенно осторожны, чтобы убедиться, что ваши напряжения питания транзистора Дарлингтона и операционного усилителя достаточно высоки, чтобы обеспечить весь диапазон напряжений нагрузки (более подробно об этом см. раздел «Просто, но без «защиты от дурака»» в конце предыдущей статьи).

Следующий график показывает ток нагрузки и ток, протекающий через базу транзистора Дарлингтона.

Рисунок 5 – График ток нагрузки и тока базы первого транзистора пары Дарлингтона

Таким образом, при токе нагрузки 360 мА ток базы составляет 169 мкА, что соответствует h_FE ≈ 2130. Техническое описание указывает, что коэффициент усиления по току должен быть около 1000; возможно, эта конкретная модель SPICE не так точна, как могла бы быть. В любом случае нам удалось значительно снизить выходной ток, требующийся от операционного усилителя.

Другой способ справиться с операционным усилителем, который не может обеспечить достаточный выходной ток, – это использовать MOSFET-транзистор вместо биполярного транзистора. Мы рассмотрим реализацию с MOSFET в следующей статье.

Идем ниже земли

Операционные усилители часто используются с отрицательными выходными напряжениями. Очевидным примером являются синусоидальные сигналы, которые можно найти в аудио, видео и радиочастотных приложениях. Когда операционный усилитель генерирует положительное выходное напряжение, выходной ток течет «из» операционного усилителя и через нагрузку «в» узел земли. Следовательно, когда выходной сигнал положительный, операционный усилитель «отдает» ток. При отрицательном выходном напряжении ток протекает «из» узла земли через нагрузку и «в» операционный усилитель, поэтому теперь операционный усилитель «принимает» ток. Таким образом, для поддержки сигналов, которые по напряжению находятся выше и ниже уровня земли, нам необходим буфер выходного тока, который может «принимать» и «отдавать» ток. Вуаля:

Рисунок 6 – Схема для буферизации выходного тока операционного усилителя на двухтактном усилителе на биполярных транзисторах

Общая идея та же: биполярные транзисторы обеспечивают способность пропускать более высокий ток, а схема обратной связи заставляет ОУ изменять свой выходной сигнал любым необходимым способом, чтобы гарантировать, что напряжение нагрузки V_вых равно V_вх. Разница заключается в добавлении PNP транзистора, который выполняет для отрицательных напряжений нагрузки то же самое, что NPN транзистор для положительных напряжений нагрузки. Другими словами, когда входное напряжение положительное, выходной сигнал операционного усилителя становится положительным, чтобы открыть NPN транзистор, и ток подается от NPN транзистора к нагрузке. Когда входное напряжение отрицательное, выходной сигнал операционного усилителя становится отрицательным, чтобы открыть PNP транзистор, и PNP транзистор принимает ток нагрузки. Вот схема LTspice:

Рисунок 7 – Схема для буферизации выходного тока операционного усилителя на двухтактном усилителе на биполярных транзисторах в LTspice

Обратите внимание, что я выбрал модель PNP транзистора, рекомендованную в качестве комплементарного транзистора в техническом описании для 2SCR293P:

Рисунок 8 – Рекомендация по выбору комплементарного транзистора для 2SCR293P

Вот график для входного напряжения V_IN и выходного напряжения V_OUT. Как обычно, график входного напряжения скрыт под графиком выходного напряжения.

Рисунок 9 – Графики входного и выходного напряжений для схемы буферизации выходного тока операционного усилителя на двухтактном усилителе на биполярных транзисторах

Следующая увеличенная диаграмма включает в себя график выходного напряжения операционного усилителя (V_BASE). Обратите внимание, что действие отрицательной обратной связи заставляет операционный усилитель автоматически обходить «мертвую зону», т. е. диапазон напряжений (примерно от –0,7 В до +0,7 В), в котором оба транзистора находятся в закрытом состоянии.

Рисунок 10 – Графики входного и выходного напряжений схемы и выходного напряжения операционного усилителя

Это аудиоусилитель?

В этот момент вам может быть интересно, можете ли вы использовать эту схему в качестве усилителя мощности для аудиосигналов. Вы, конечно, можете, но качество звука будет не лучшим. Фактически, конфигурация «NPN транзистор плюс PNP транзистор» в этой схеме упоминается как выходной каскад класса B, и объединение каскада класса B с операционным усилителем и некоторой отрицательной обратной связью дает усилитель мощности с минимальным кроссоверным искажением (каскад класса B сам по себе имеет серьезные проблемы с искажениями, создаваемыми большой мертвой зоной). Однако даже при отрицательной обратной связи качество звука всё еще несколько ухудшается из-за попеременного включения и выключения NPN и PNP транзисторов. Вот почему предпочтительной схемой для аудио является усилитель класса AB, в котором транзисторы смещены таким образом, что при небольших входных напряжениях (выше или ниже точки кроссовера) оба находятся в состоянии проводимости.

Заключение

Мы рассмотрели три простых недорогих схемы, которые могут значительно увеличить выходной ток операционного усилителя. Эти три конфигурации охватывают большинство ситуаций, в которых необходим усилитель с высоким выходным током – просто не забудьте перепроверить напряжение питания, ограничения по току и рассеиваемой мощности.

Оригинал статьи:

Теги

LTspiceБиполярный транзисторОУ (операционный усилитель)Пара ДарлингтонаСоставной транзистор ДарлингтонаУсилитель класса BУсилитель мощностиУсилитель с высоким выходным током

Сохранить или поделиться

Операционные усилители с однополярным питанием: примеры применения

11 февраля 2020

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

Калейдоскоп схем на операционных усилителях

Операционные усилители

Калейдоскоп схем на операционных усилителях

Подразделы: 4.09 4.10

Мы предоставляем читателю право самостоятельно проанализировать работу приведенных ниже схем.

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

Рис. 4.14.

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

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

Рис. 4.15.

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

Рис. 4.16.

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

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

Рис. 4.17.

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

Рис. 4.18.

Суммирующий усилитель. Схема, показанная на рис. 4.19, представляет собой один из вариантов инвертирующего усилителя. Точка X имеет потенциальный нуль, поэтому входной ток равен U₁/R + U₂/R + U₃/R, отсюда U_вых = — (U_l + U₂ + U₃). Обратите внимание, что входные сигналы могут быть как положительными, так и отрицательными. Кроме того, входные резисторы не обязательно должны быть одинаковыми; если они неодинаковы, то получим взвешенную сумму. Например, схема может иметь 4 входа, на каждом из которых напряжение равно + 1 В или О В; входы представляют двоичные значения: 1, 2, 4 и 8. Если использовать резисторы с сопротивлением 10, 5, 2,5 и 1,25 кОм. то снимаемое с выхода напряжение (в вольтах) будет пропорционально двоичному числу, которое задано на входе. Эту схему нетрудно расширить до нескольких цифр. Описанный метод представления чисел лежит в основе цифро-аналогового преобразования, правда, на входе преобразователя обычно используют другую схему (резистивную сетку R — 2R).

Рис. 4.19.

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

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

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

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

Рис. 4.21.

Рис. 4.22.

Источник питания. Операционный усилитель может работать как усилитель в стабилизаторе напряжения с обратной связью (рис. 4.23). Операционный усилитель сравнивает выходное напряжение с эталонным напряжением стабилитрона и соответственно управляет составным транзистором Дарлингтона, выполняющим функции «проходного транзистора». Эта схема обеспечивает стабилизированное напряжение 10 В при протекании через нагрузку тока до 1 А. Некоторые замечания по этой схеме:
1. Делитель, с которого снимается выходное напряжение, может быть выполнен в виде потенциометра, тогда выходное напряжение можно будет регулировать.
2. Для ослабления пульсаций на зенеровском диоде (стабилитроне) резистор с сопротивлением 10 кОм полезно заменить источником тока. Другой вариант состоит в том, чтобы смещение зенеровского диода задавать от выходного сигнала; в этом случае вы с пользой применяете стабилизатор, который построили. Замечание: если вы захотите воспользоваться этим трюком, то внимательно проанализируйте вашу схему и убедитесь в том, что она запускается, когда на нее подается питание.
3. Схема, подобная рассмотренной, может быть повреждена при возникновении короткого замыкания на выходе. Это связано с тем, что при этом ОУ стремится обеспечить протекание через составной транзистор очень большого тока. В стабилизированном источнике питания всегда следует предусматривать схему для ограничения «аварийного» тока (более подробно вы познакомитесь с этим вопросом в разд. 6.05).
4. Промышленность выпускает разнообразные стабилизаторы напряжения в интегральном исполнении, начиная от освященных временем интегральных схем типа 723 до недавно появившихся 3-выводных регулируемых стабилизаторов с внутренними средствами ограничения тока и ограничения по перегреву (см. табл. 6.8-6.10). Эти устройства, в которых имеются встроенные температурно-компенсированный источник эталонного напряжения и проходной транзистор, Так удобны в работе, что операционные усилители общего назначения теперь почти никогда не используются в стабилизатоpax напряжения. Исключением являются случаи, когда стабильное напряжение нужно сформировать внутри схемы. уже имеющей стабилизированный источник напряжения.

Рис. 4.23.

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

Подразделы: 4.09 4.10

Подробный анализ работы операционных усилителей

Усилитель мощности на базе операционного усилителя

Усилитель мощности на базе операционного усилителя

© Рохит Балкишан, март 2001 г.,
(под редакцией Рода Эллиотта)
Обновлено в марте 2021 г.

Введение

Это проект, внесенный Рохитом Балкишаном, который построил его и подумал, что это будет хороший простой проект для других. Это хороший экспериментальный проект, он обойдется недорого, и вы извлечете из него уроки.

Этот проект недавно был обновлен (март 2021 г.), он более надежен и работает на ОУ от регулируемого источника питания.

Описание

Усилитель основан на широко используемом дополнительном усилителе мощности класса AB с выходными транзисторами на составной паре. В системе используется четырехъядерный операционный усилитель TL074 для управления выходными транзисторами. Как видно из рисунка 1, A2 используется для установки усиления по напряжению усилителя. Предполагая, что коэффициент усиления по напряжению каскада с общим коллектором равен единице, общий коэффициент усиления по напряжению усилителя равен (R4 / R3) + 1, т.е.е. коэффициент усиления неинвертирующего операционного усилителя (в данном случае 16 или 24 дБ). Поскольку выходные транзисторы находятся в контуре обратной связи A2, A2 также линеаризует входную характеристику комплементарной пары Q1 / Q2 и Q3 / Q4. Это позволяет увеличить рассогласование между транзисторами NPN-PNP.

Питание до +/- 22 В подходит для силовых транзисторов и позволяет использовать тот же источник питания для питания регуляторов. Более низкие напряжения (как показано) будут
быть недостаточным для обеспечения регуляторов достаточным запасом входного напряжения.

Рисунок 1 — Схема усилителя мощности (Заменено — см. Рисунок 1A)

На следующем рисунке показана улучшенная схема, которая будет иметь большую стабильность смещения и улучшенные характеристики ограничения. На выходную мощность не сильно влияет (этот усилитель способен выдавать только около 18 Вт на 4 Ом или 9 Вт на 8 Ом). Мощность ограничивается операционным усилителем, а не силовым каскадом, так как операционный усилитель не должен работать с напряжением более ± 15 В. Обратите внимание, что изменение на рисунке 1A касается схемы смещения (подстроечный резистор R6 и R7).Модификация гарантирует, что C8 не может разряжаться во время положительных полупериодов, что возможно (но маловероятно) с исходной схемой.

Рисунок 1A — Улучшенная схема усилителя мощности

Смещение к Q1 и Q3 обеспечивается R6, R7 и диодами D1 и D2. Такое расположение смещает транзисторы чуть выше точки отсечки и снижает искажения кроссовера. R6 необходимо настроить на максимальное значение, которое устраняет искажения кроссовера. .D1 и D2 должны быть установлены таким образом, чтобы они контактировали с транзисторами драйвера — , а не , основной радиатор.

Чтобы настроить R6 без осциллографа, начните с R6, установленного на максимум, установите регулятор громкости R2 так, чтобы получить минимальный слышимый выход с подходящим источником входного сигнала (например, проигрыватель компакт-дисков, который дает 0,65 В на линейном выходе), и прислушайтесь «треск» в звуке, особенно тот, который, кажется, основан на низкочастотных звуках. Если слышен «треск», уменьшайте значение R6 очень маленькими шагами, пока треск (кроссоверное искажение) не станет неслышным (я чувствую, его невозможно устранить).

Поскольку выход операционного усилителя A2 подтягивается цепью смещения, конденсатор C5 должен быть подключен между выходом A2 и землей , чтобы предотвратить прерывание цепи в колебаниях. Значение C5 не критично, подойдет любое значение от 22 до 100 нФ. Операционный усилитель A1 представляет собой простой буфер, который изолирует входную цепь от силового каскада. C1 и R1 используются для установки нижней частоты 3 дБ примерно на 15 Гц и для получения входного импеданса около 100 кОм.Верхняя частота 3 дБ определяется R4 и C7, что в данном случае составляет примерно 30 кГц. На схеме показан только один канал стереоусилителя. Усилитель может использоваться для управления громкоговорителями с сопротивлением от 3 до 8 Ом, можно использовать громкоговорители с более высоким сопротивлением, но выходная мощность будет значительно меньше.

Коэффициент усиления по напряжению усилителя можно увеличить, увеличивая R4 или уменьшая R3, пока размах выходного сигнала поддерживается на уровне не более 3 В ниже шин питания.Это связано с тем, что максимальное выходное напряжение операционного усилителя всегда на 2-3 вольта меньше, чем напряжение на шинах питания, прежде чем оно сработает.

Коэффициент усиления по напряжению усилителя составляет 16 или 24 дБ (R3 = 10K и R4 = 150K). Также обратите внимание, что значения R3 и R4 не являются критическими в том, что касается их абсолютных значений, но что критично, так это их соотношение (Av = 1 + R4 / R3). Выберите C7, чтобы задать верхнюю частоту 3 дБ от 30 до 50 кГц. Я еще не измерял фактическую выходную мощность прототипа, который я построил, но, тем не менее, я использовал его в обычном режиме.

Могут использоваться любые транзисторы, удовлетворяющие следующим критериям:

Q1 / Q3: Vmax> = 40 В, Imax> = 1A, Pmax> = 5 Вт, hfe> = 25, Ft> = 50 кГц

Q2 / Q4: Vmax> = 40 В, Imax> = 5A, Pmax> = 40 Вт, hfe> = 20, Ft> = 50 кГц

Показанные транзисторы несколько дороги из-за того, что они являются ВЧ-транзисторами с Ft = 4 МГц, а также имеют более высокие значения напряжения / мощности, чем требуется, это потому, что изначально я намеревался создать усилитель, который может подавать +/- 33 В в Нагрузка 4 Ом, но из-за отсутствия четырехъядерного ОУ LM3580 я выбрал версию с меньшей мощностью, но транзисторы остались.Однако для этой современной конструкции вполне можно использовать более дешевые AF-транзисторы.

Вся схема вместе с блоком питания может быть легко собрана на универсальной плате Veroboard. Для получения высокопроизводительной системы можно использовать различные типы операционных усилителей и транзисторы вместо показанных здесь. Например, операционные усилители, такие как OP445 (высокая скорость / высокая скорость нарастания напряжения), LM3580 или LM3581 (высокое напряжение), могут использоваться в конструкции с более высокой стоимостью и лучшей производительностью, или почти любые операционные усилители общего назначения могут использоваться для получения приличной рабочей системы при высокой производительности. бюджетный.

Изменения в исходной схеме: …

1. Операционные усилители были изменены с LM348 на TL074. Эта ИС совместима по выводам с LM348, но имеет более высокую скорость нарастания (13 В / мкСм) по сравнению с
   к LM348 (0,5 В / мкСм). TL074 также имеет гораздо меньше искажений.
2. Источники питания операционных усилителей были отделены от источников питания силовых транзисторов, так что теперь операционные усилители питаются от стабилизированных источников питания ± 15 В.
   и силовые транзисторы питаются от обычных источников высокого тока (> = 5 ампер) от +/- 15 до +/- 18 вольт, которые могут регулироваться, а могут и не регулироваться.Этот
   было сделано так, что операционные усилители не подвержены влиянию переменного тока потребления (и сопутствующих падений напряжения), которые происходят в силовом каскаде.
   источников питания, особенно при работе на полной или близкой к ней мощности. Еще одна причина иметь отдельный источник питания для операционных усилителей — это использование с активными кроссоверами.
   используя аналогичные операционные усилители. В этом случае регулятор громкости R2 должен быть опущен и размещен перед кроссоверной сетью (неинвертирующий вход
   из A2 теперь напрямую связан с o / p из A1). Желательно через резистор 100 Ом . Или A1 также можно использовать аналогично A2.
   Все операционные усилители теперь будут питаться от регулируемых источников.
3. Транзисторы o / p теперь имеют конфигурацию «составная пара» вместо первоначальной конфигурации Дарлингтона. Это было сделано для уменьшения кроссовера.
   искажение до пренебрежимо малого уровня и делает смещение чрезвычайно простым (несмотря на очень элементарную схему смещения, производительность
   усилитель неплохой.Потенциал R6 50K не нуждался в какой-либо настройке для устранения искажений кроссовера после того, как я его построил).
4. Из-за высокой скорости нарастания TL074 конденсатор C5 должен иметь минимальное значение 22 нФ. Если после нескольких секунд включения усилитель перейдет в
   колебания или издает гудящий звук (при подключенных динамиках), или вы обнаружите, что питание транзистора питания падает (это может произойти даже без
   подключение динамиков), сопровождаемое легким нагревом транзисторов o / p, то виновником, безусловно, является операционный усилитель (A2).Для решения этой проблемы,
   просто увеличьте значение C5 и проверьте его снова. Убедитесь, что колебания / гудение не возникают даже при подключении / отключении аудиоисточника.
   на входе с включенным усилителем или когда громкость увеличена до максимума (все эти симптомы имеют одну общую причину — операционный усилитель (A2) « пинает »
   в высокочастотные колебания, колпачок на своем o / p гарантирует, что этого не произойдет). Выберите C5 как минимальное значение, которое останавливает это поведение.
   Предупреждение: такие колебания могут повредить твитеры — тестирование «живой» акустической системы не рекомендуется! Использование старого
   (желательно такой, который не вызовет слез в случае разрушения) рекомендуется громкоговоритель.
5. C8 добавлен. Без него положительный выходной ток усилителя сильно ограничен, поскольку операционный усилитель не может обеспечить ток базы в
   Q1, потому что он заблокирован диодами. C8 снимает это ограничение и позволяет операционному усилителю одинаково управлять Q1 и Q3.

Конденсатор 33 пФ (C7) на R4 устанавливает верхнюю частоту 3 дБ примерно на 30 кГц. Уменьшите это значение, если в усилителе не хватает высоких частот, или вообще не используйте его (не рекомендуется). Рекомендуется значение больше 10 пФ, поскольку любое меньшее значение вызовет утомление слушателя.Значение 12 пФ дает наилучшую высокочастотную характеристику, соответствующую верхней частоте -3 дБ около 63 кГц. Точно так же C1 можно увеличить, чтобы понизить нижнюю частоту -3 дБ.

Транзисторы Q2 и Q4 можно заменить на BD240 / MJ2955 и BD239 / 2N3055 соответственно. BD239 / 240 следует использовать только , если сопротивление нагрузки больше или равно 6 Ом. Для более низкого импеданса либо оставьте показанные транзисторы, либо используйте транзисторы с более высоким током (2N3055 / MJ2955 или аналогичные).Радиаторы не должны быть очень сложными (за исключением BD239 / 240), поскольку транзисторы имеют номинальную мощность, значительно превышающую требуемую. Несмотря на это, большой радиатор всегда лучше, чем меньший.

Из-за снижения напряжения питания операционных усилителей макс. Размах пикапа теперь будет около ± 12 В (размах), или мощность 18 Вт на нагрузке 4 Ом, или 9 Вт на нагрузке 8 Ом. Это очень скромное значение мощности, поэтому усилитель не будет очень громким. Чтобы получить систему, обеспечивающую заметную мощность, лучше использовать этот усилитель для би / триампинга с активными кроссоверами.Предполагая абсолютную максимальную мощность 20 Вт на 4 Ом, мы можем получить 40 Вт (60 Вт) при двухканальном (триамперном) усилении. Для стереосистемы это составляет 80 Вт (120 Вт) общей выходной мощности, что вполне достаточно для домашнего использования. Усилитель имеет довольно приличную частотную характеристику, а высокие частоты чрезвычайно четкие, поэтому рекомендуется использовать этот усилитель в системе с двойным / тройным усилением, а не отдельно. Для трехканальной системы (или двухканальной системы, в которой используется только высокочастотный динамик для средних и высоких частот), неполярный конденсатор 22 мкФ должен использоваться последовательно с выходом усилителя, питающего высокочастотный динамик.

Блок питания

Рисунок 2 — Блок питания

Производительность любой электронной системы в значительной степени зависит от источника питания, который она содержит, то есть от того, насколько хорошо он регулируется и насколько хорошо он подавляет гудение / пульсации. Для этого усилителя можно было использовать любую топологию с двойным питанием, но, безусловно, лучший источник питания — это старый добрый мостовой выпрямитель / конденсаторная система с фильтром. Этот тип прост в сборке, прост в использовании, недорог и может иметь очень хорошее регулирование и подавление пульсаций за счет правильного выбора трансформаторов и фильтрующих конденсаторов.

Схема выше содержит 2 отдельные цепи трансформатор / выпрямитель / фильтр. Такая компоновка требует, чтобы выходные напряжения верхнего трансформатора были очень близки друг к другу (конечно, допустимы некоторые вариации, если конечные напряжения постоянного тока находятся в пределах от 0,5 В до 1 В друг от друга). Верхняя цепь предназначена для силовых транзисторов (высокий ток), а нижняя — для операционных усилителей (низкий ток). Единственным строгим требованием здесь является то, что верхний трансформатор должен обеспечивать ток не менее 5 ампер на каждом полупериоде выхода (это необходимо для хорошего регулирования, особенно когда усилитель работает на максимальной или близкой к ней мощности).

Показано, что верхний номинал трансформатора выше, чем фактически требуется (достаточно даже 2–3 ампер), так что этот источник питания можно использовать для систем с двойным / тройным усилением. Верхний трансформатор может быть блоком 15–0–15 В с разделенным центральным ответвлением для получения двух выходов 0–15 В. Для трансформатора 15–0–15 В потребуется, чтобы диоды имели номинал, по крайней мере, в два раза превышающий текущий. Использование его в качестве сдвоенного блока 0-15 В требует несколько меньших затрат на диоды. Лучше было бы использовать мост от 10 до 35 А для верхнего трансформатора.

Конденсаторы должны быть рассчитаны на 3 300 мкФ / 50 В или выше (более высокое значение улучшит подавление пульсаций и регулирование). Из-за топологии усилителя класса AB, усилитель по своей природе невосприимчив (более или менее) к плохому регулированию питания, и, следовательно, простого источника питания, такого как этот, более чем достаточно для этого приложения. При сборке источника питания необходимо соблюдать осторожность, чтобы на входе не улавливалось сетевое жужжание, а во избежание риска поражения электрическим током необходимо использовать надлежащую изоляцию.Этот источник питания можно использовать для обоих каналов стереосистемы, даже если они двух / трехканальные. Шунтирование электролитов конденсаторами емкостью 100 нФ не обязательно, но рекомендуется.

Примечания редактора:

1 Предлагаемые диоды 1N4007 не имеют достаточно высокого номинального тока, и я предлагаю
диоды. Диоды для этой схемы в идеале должны быть рассчитаны на минимум 3А при непрерывном токе.

2 Дополнительные сведения о конструкции источников питания см. В статье «Проектирование источников питания».

Транзистор, идентификация выводов ИС и радиатор в сборе

На рисунках 3 и 4 показаны выводы транзистора и вывод ИМС соответственно. Как и в случае с любой другой системой питания, этот усилитель также выделяет некоторое количество тепла в своих выходных устройствах, и они должны быть снабжены соответствующими средствами для отвода выделяемого тепла. Транзисторы BD245 / 246 должны быть установлены на соответствующих радиаторах, таких как показанный на рисунке 5. Коллекторы транзисторов должны иметь надлежащий тепловой (НЕ электрический) контакт с радиаторами.Между коллектором и радиатором должен быть зажат слюдяной изолятор. Кроме того, пластиковая сквозная шайба должна быть вставлена ​​в транзистор и монтажные отверстия так, чтобы винт, используемый для крепления транзистора к радиатору, был электрически изолирован как от коллектора, так и от радиатора. Использование некоторого состава для радиатора (своего рода пасты) на поверхностях слюдяного изолятора улучшает передачу тепла от коллектора к радиатору.

На этом завершается описание всего проекта.Я надеюсь, что читатель найдет, что представленный материал поможет в понимании усилителей в частности и электроники в целом. Для справки использовались следующие книги / материалы:

1) Интегрированная электроника от Millman & Halkias, Tata McGraw-Hill (ISBN 0-07-Y85493-9)
2) Сборник данных National Semiconductor Opamp.

Список проектов

Основной указатель

Журнал изменений: страница создана, авторские права © Рохит Балкишан / Род Эллиотт 10 марта 2001 г. / март 2021 г. — добавлены Рис. 1A и текст.

Краткое описание операционного усилителя, основы операционных усилителей

Мы можем завершить наш раздел и взглянуть на операционные усилители со следующим кратким описанием различных типов схем операционных усилителей и их различных конфигураций, обсуждаемых в этом учебном разделе по операционным усилителям.

Общие условия эксплуатации усилителя

• • Операционный усилитель или Op-amp , как его чаще всего называют, может быть идеальным усилителем с бесконечным усилением и полосой пропускания при использовании в режиме разомкнутого контура с типичным коэффициентом усиления по постоянному току более 100 000 или 100 дБ. .
• • Базовая конструкция операционного усилителя представляет собой устройство с 3 контактами, с 2 входами и 1 выходом (исключая силовые соединения).
• • Операционный усилитель работает либо от двойного положительного (+ V), и от соответствующего отрицательного (-V) источника питания, либо они могут работать от одного источника постоянного напряжения.
• • Два основных закона, связанных с операционным усилителем, заключаются в том, что он имеет бесконечный входной импеданс (Z = ∞), в результате чего « Нет тока, протекающего ни на один из его двух входов », и нулевое входное напряжение смещения V1 = V2.
• • Операционный усилитель также имеет нулевое выходное сопротивление (Z = 0).
• • Операционные усилители определяют разницу между сигналами напряжения, приложенными к их двум входным клеммам, а затем умножают ее на некоторое заранее определенное усиление (A).
• • Это усиление (A) часто называют усилением без обратной связи усилителя.
• • Замыкание разомкнутого контура путем подключения резистивного или реактивного компонента между выходом и одной входной клеммой операционного усилителя значительно снижает и регулирует это усиление разомкнутого контура.
• • Операционные усилители могут быть подключены в двух основных конфигурациях: инвертирующий и неинвертирующий .

Две основные схемы операционных усилителей

• Для отрицательной обратной связи , когда напряжение обратной связи находится в «противофазе» по отношению к входу, общее усиление усилителя уменьшается.
• Для положительной обратной связи , когда напряжение обратной связи находится в «фазе» на входе, общее усиление усилителя увеличивается.
• При подключении выхода напрямую к отрицательной входной клемме достигается 100% -ная обратная связь, что приводит к цепи повторителя напряжения (буфер) с постоянным усилением, равным 1 (единица).
• Заменив постоянный резистор обратной связи (Rƒ) на потенциометр, схема будет иметь регулируемое усиление.

Коэффициент усиления операционного усилителя

• Коэффициент усиления разомкнутого контура, называемый произведением на коэффициент усиления на полосу пропускания, или (GBP), может быть очень высоким и является мерой того, насколько хорош усилитель.
• Очень высокое значение GBP делает схему операционного усилителя нестабильной, поскольку входной микровольтный сигнал заставляет выходное напряжение переходить в состояние насыщения.
• С помощью подходящего резистора обратной связи (Rƒ) можно точно регулировать общий коэффициент усиления усилителя.

Дифференциальные и суммирующие усилители

• Добавив дополнительные входные резисторы к инвертирующим или неинвертирующим входам , можно получить сумматоры напряжения или Summers .
• Операционные усилители с повторителем напряжения могут быть добавлены ко входам дифференциальных усилителей для создания инструментальных усилителей с высоким импедансом.
• Дифференциальный усилитель выдает выходной сигнал, пропорциональный разнице между двумя входными напряжениями.

Схемы операционных усилителей дифференциатора и интегратора

• Интегратор-усилитель выдает выходной сигнал, который является математической операцией интегрирования.
• Дифференцирующий усилитель выдает выходной сигнал, который является математической операцией дифференцирования.
• И интегратор, и дифференциальный усилитель имеют резистор и конденсатор, подключенные к операционному усилителю, и на них влияет постоянная времени RC.
• В своей базовой форме усилители-дифференциаторы страдают от нестабильности и шума, но могут быть добавлены дополнительные компоненты для уменьшения общего коэффициента усиления с обратной связью.

Основы работы усилителя

с 6 примерами схем

Операционные усилители, широко известные как операционные усилители, являются наиболее распространенным типом строительных блоков в аналоговой электронике.Операционные усилители используются для выполнения всех задач в области электроники — для создания усилителей мощности, чувствительных предусилителей, логарифмических усилителей, RC-генераторов, генерирующих синусоидальные, треугольные и прямоугольные сигналы, LC-генераторов, фильтров с большой крутизной кривой и многого другого.

СИМВОЛ OPAMP Пара с длинным хвостом — основа для операционного усилителя

Операционный усилитель имеет два входа: инвертирующий вывод (обозначен «-») и неинвертирующий вывод (обозначен «+»). И имеет единственный выход. Первый вход называется инвертирующим, потому что выходное напряжение обратно пропорционально напряжению, приложенному на инвертирующем входе, умноженному на коэффициент усиления схемы усилителя.Если мы подадим сигнал на неинвертирующий вход, мы получим тот же сигнал на выходе, умноженный на усиление.

Отрицательная обратная связь в операционном усилителе

В большинстве схем операционных усилителей используется отрицательная обратная связь, чтобы ограничить идеальный бесконечный коэффициент усиления операционного усилителя желаемым значением. При отрицательной обратной связи выходной сигнал, который сдвинут по фазе на 180 ° по отношению к входу, подается обратно на тот же вход, обычно с помощью некоторой сети делителей. Это напряжение обратной связи с выхода, которое всегда имеет обратную полярность, чем входное, «подтягивает» фактический вход и делает общее входное напряжение меньше, чем напряжение, которое было фактически приложено на входе.

Отрицательная обратная связь в операционном усилителе

Эта обратная связь позволяет точно контролировать усиление операционного усилителя, так что усиление схемы, использующей отрицательную обратную связь, определяется не коэффициентом усиления используемого устройства (операционного усилителя или транзистора), а самой обратной связью (при условии, что коэффициент усиления, определяемый обратной связью, равен значительно ниже, чем коэффициент усиления используемого устройства).

Параметры операционного усилителя

Идеальный операционный усилитель имеет бесконечное усиление без обратной связи (разомкнутый контур), нулевой шум, бесконечное входное сопротивление, нулевое выходное сопротивление, бесконечную скорость нарастания и бесконечную полосу пропускания.

Обычные операционные усилители, такие как легендарные LM741 или LM358, LM324 (LM358 в квадрате) и BA4558, имеют коэффициент усиления разомкнутого контура около 100000, полоса пропускания с единичным усилением около 1 МГц и входного сопротивления около 1 МОм.

Параметры шума сильно различаются от операционного усилителя к операционному усилителю. Типичные эквивалентные параметры входного шума с полосой пропускания 20 кГц, как и в аудиосхемах (напряжение шума зависит от полосы пропускания, чем выше ширина полосы, тем выше шум), ниже 7 мкВ (50 нВ / √Гц), LM741 имеет 2.9 мкВ (20 нВ / √Гц), BA4558 имеет 1,7 мкВ (12 нВ / √Гц) и даже 0,64 мкВ (4,5 нВ / √Гц) для μPC4570C.

ПРИМЕЧАНИЕ. Параметры шума могут быть измерены либо в мкВ в желаемой полосе пропускания, либо в нВ / √Гц, что представляет собой нановольт шума на входе, деленный на квадратный корень из ширины полосы.

Скорость нарастания — это скорость, с которой операционные усилители могут изменять свои выходные сигналы. Он измеряется в В / мкс или в том, насколько быстро может увеличиваться выходное напряжение за одну микросекунду. LM358 имеет скорость нарастания около 0,55 В / мкс.

Существует 3 основных конфигурации усилителя операционных усилителей с отрицательной обратной связью:

• Усилитель без обратной связи (компаратор / дифференциатор)
• Неинвертирующий усилитель. Буфер единичного усиления (повторитель напряжения)
• Инвертирующий усилитель

Усилитель без обратной связи

Этот тип усилителя является особенным, поскольку для ограничения усиления не используется отрицательная обратная связь. Сигнал может быть подан на любой вход, но другой вход должен быть заземлен.Если сигнал слабый, скажем, 10 мкВ, и наш операционный усилитель имеет коэффициент усиления без обратной связи 100 000, выходной сигнал будет 1 В.

Конфигурация операционного усилителя с разомкнутым контуром

Такое усиление редко требуется само по себе, оно также дает возможность возникновения паразитных колебаний. Если параметр усиления без обратной связи строго контролируется во время производства, операционные усилители одного и того же типа могут давать разное усиление без обратной связи. Усилитель без обратной связи может также использоваться в качестве аналогового компаратора.Фактически, компараторы — это в основном операционные усилители с другим названием.

Неинвертирующий усилитель

Неинвертирующий усилитель использует отрицательную обратную связь для уменьшения коэффициента усиления до необходимого значения. Таким образом, коэффициент усиления схемы определяется не коэффициентом усиления в разомкнутом контуре операционного усилителя, а набором резисторов обратной связи, что обеспечивает большую гибкость. Входной сигнал подается прямо на положительный вход усилителя, в результате чего входное сопротивление практически равно входному сопротивлению операционного усилителя на звуковых частотах.

Неинвертирующий усилитель

Отрицательная обратная связь и, следовательно, коэффициент усиления (Av) устанавливаются соотношением резисторов R1 и R2 и всегда больше или равны единице.

Формула усиления для неинвертирующего усилителя

Буфер единичного усиления (повторитель напряжения)

Буфер единичного усиления с использованием операционного усилителя

Частным случаем неинвертирующего усилителя является буфер единичного усиления, где вместо цепи обратной связи отрицательный вход подключается непосредственно к выходу.Это приводит к тому, что коэффициент усиления по напряжению равен единице (равен единице, A _v = 1). Эта конфигурация используется в активных звуковых фильтрах, операционных усилителях для наушников и везде, где требуется буферный каскад с высоким входным импедансом. Эту схему можно сравнить с конфигурацией усилителя на транзисторах с общим коллектором.

Инвертирующий усилитель

Инвертирующий усилитель отличается от неинвертирующего усилителя гораздо более низким входным импедансом (равным значению R1), а выходной сигнал в инвертирующем усилителе инвертируется по отношению к входному сигналу.Если сигнал 1 В постоянного тока подается на инвертирующий усилитель с коэффициентом усиления 10, мы получаем на выходе сигнал -10 В постоянного тока. Для сигналов переменного тока процесс аналогичен, но можно сказать, что сигнал сдвинулся на 180 °, как в усилителе с общим эмиттером.

Схема инвертирующего операционного усилителя

Отрицательная обратная связь и, следовательно, усиление (Av) устанавливаются соотношением резисторов R2 и R1. Инвертирующая конфигурация допускает усиление как выше, так и ниже единицы.

Формула усиления для инвертирующего усилителя

Как и в других схемах операционного усилителя, напряжения на обоих входах оказываются одинаковыми (из-за свойств операционного усилителя).Следовательно, если положительный вход заземлен, отрицательный вход также будет заземлен или на 0 вольт. Теперь напряжение обратной связи с выхода комбинируется с входным напряжением, и, поскольку эти напряжения имеют противоположную полярность, результирующее напряжение равно нулю вольт, что объясняет низкий входной импеданс.

Разница между неинвертирующим и инвертирующим усилителями

Разница между инвертирующим и неинвертирующим усилителями

В целом, как инвертирующие, так и неинвертирующие усилители могут обеспечить хорошие характеристики, единственная разница заключается во входном сопротивлении.Низкое входное сопротивление инвертирующего усилителя полезно там, где требуется заданное входное сопротивление, например, в системах, в которых используются линии передачи с заданным сопротивлением или LC-фильтры.

Неинвертирующий усилитель полезен там, где необходим высокий входной импеданс, например, в каскадах, следующих за активными фильтрами, генераторами, усилителями звука, усилителями постоянного тока, используемыми в вольтметрах и т. Д. Еще одним преимуществом инвертирующего усилителя является то, что коэффициент усиления может быть ниже. чем один, в отличие от неинвертирующего усилителя, у которого коэффициент усиления всегда больше единицы.

На всех схемах, представленных выше, показаны только резисторы обратной связи. Может возникнуть соблазн подумать, что это все, что вам нужно, чтобы операционный усилитель работал от одного источника питания, например, от одной батареи 9 В или 5 В от USB.

Операционный усилитель с однополярным питанием

Это не сработает, поскольку положительный (+) и отрицательный (-) входы никоим образом не смещены. Операционные усилители должны быть смещены так же, как транзисторы, когда они используют одинарный источник питания вместо двойного (также известного как биполярный) положительного и отрицательного источника питания (вот почему LM741 имеет V + и V-, а не только V + и GND).Чтобы смещать их должным образом, вам необходимо подключить резистор 100 кОм к источнику питания и еще 100 кОм к земле (если вы используете полевой транзистор или операционный усилитель с высоким входным сопротивлением, вы можете использовать два резистора 1 МОм). Если между выходом и входом подключен резистор, он будет смещать вход, поскольку напряжение постоянного тока на выходе операционного усилителя составляет примерно половину напряжения питания (4,5 В для источника питания 9 В), и это напряжение смещает усилитель.

Особым случаем является LM324, это операционный усилитель с однополярным питанием, что означает, что входы уже смещены и не нуждаются в каких-либо внешних резисторах, хотя в цепях переменного тока требуются конденсаторы, чтобы предотвратить присутствие этих напряжений смещения постоянного тока на входах. и выходы и в любом месте, где они не должны быть, а также там, где внешние резисторы обратной связи могут повлиять на смещение.

Неинвертирующий усилитель постоянного тока

Цель: Эту схему можно использовать для повышения селективности вашего мультиметра при измерении малых напряжений постоянного тока.

СХЕМА:

Схема неинвертирующего усилителя постоянного тока

НЕОБХОДИМЫЕ КОМПОНЕНТЫ:

Работа неинвертирующего усилителя постоянного тока:

В этой схеме используется операционный усилитель LM741 BJT, но использование TL081 и 2,2 МОм может улучшить входное сопротивление примерно с 100 кОм до 1 МОм. Он имеет регулируемое усиление, которое может быть установлено на 10, для облегчения считывания выходного напряжения (1 мВ дает 10 мВ вместо 11 мВ для усиления 11 с резисторами 10 кОм и 100 кОм).

R1 — это элемент управления нулевым смещением — это триммер, который должен быть установлен на значение, поэтому напряжение на инвертирующем и неинвертирующем входе должно быть одинаковым.

R2 и R3 устанавливают усиление, и его следует установить на 10, чтобы было легче считывать напряжение. Его легко можно поставить с двумя батареями на 9 В, что делает его портативным.

Инвертирующая цепь предусилителя звука

Цель: Эта схема может действовать как предусилитель звука, либо сама по себе, либо как часть большего звукового усилителя.

СХЕМА:

Инвертирующая схема предусилителя звука

НЕОБХОДИМЫЕ КОМПОНЕНТЫ:

Работа инвертирующего предварительного усилителя звука:

Эта схема имеет усиление звука 10 и входное сопротивление 10 кОм. Его можно использовать в качестве предусилителя звука, отдельно или как часть более крупного аудиоусилителя. Его также можно использовать для управления парой наушников 32 Ом на 5 мВт или парой наушников с высоким сопротивлением 200 Ом на 40 мВт при питании 9 В и управлении с достаточно сильным сигналом. Такая низкая выходная мощность обусловлена ​​тем, что максимальный выходной ток LM741 составляет 25 мА, что типично для большинства операционных усилителей.Операционные усилители большей мощности дадут гораздо более высокую выходную мощность.

R1 и R2 смещают положительный вход (большинство операционных усилителей не могут работать с одним источником питания без смещения), C1 заземляет положительный вход для сигналов переменного тока (в инвертирующей конфигурации возможный вход должен быть заземлен для сигнала).

R3 и R4 обеспечивают отрицательную обратную связь, ограничивая коэффициент усиления до 10, кроме обратной связи R4 обеспечивают смещение к отрицательному входу, а R3 устанавливает входное сопротивление усилителя.

C3 развязывает блок питания от шума и пульсаций, его следует размещать как можно ближе к микросхеме усилителя.C4 пропускает через него только сигнал переменного тока, предотвращая прохождение любого напряжения постоянного тока на выходе операционного усилителя в динамик.

Схема предусилителя электретного микрофона

Цель: Эту схему можно использовать для усиления очень слабого сигнала (<10 мВ) электретного микрофона перед выходом на выход динамика.

СХЕМА:

Схема предусилителя электретного микрофона

НЕОБХОДИМЫЕ КОМПОНЕНТЫ:

Работа цепи предусилителя электретного микрофона:

Коэффициент усиления по напряжению в этой цепи регулируется с помощью R4 от примерно 45 до 1.Вы можете заменить R4 резистором с заданным значением, если вы знаете требуемое усиление, но оно должно быть меньше 220 кОм.

R1 смещает электретный микрофон (M, из-за природы электретных микрофонов на них необходимо подавать питание, так как внутри них находится полевой транзистор).

C1 предотвращает влияние напряжения смещения постоянного тока из-за низкого сопротивления микрофона, в то время как R2 и R3 смещают положительный вход операционного усилителя. C3 фильтрует и развязывает источник напряжения и предотвращает паразитные колебания, R4 обеспечивает смещение на отрицательном входе, в то время как R4 и R5 вместе устанавливают отрицательную обратную связь и, следовательно, усиление.

C2 предотвращает влияние R5 на смещение постоянного тока, поскольку его низкое сопротивление снижает отрицательное входное смещение с половины напряжения питания до долей вольта. C4 блокирует постоянное напряжение на выходе усилителя и пропускает только усиленный микрофонный сигнал переменного тока.

Цепь усилителя мощности звука класса AB

Цель: Эта простая схема представляет собой законченный аудиоусилитель, который может дать серьезную выходную мощность.

СХЕМА:

Полная схема усилителя мощности звука класса AB

НЕОБХОДИМЫЕ КОМПОНЕНТЫ:

Рабочий усилитель мощности класса AB Схема:

В этой схеме используется двойной операционный усилитель, первая секция — это предусилитель с коэффициентом усиления около 200, вторая используется как драйвер с единичным усилением, который управляет силовыми транзисторами Q1 и Q2.

Очень сильная отрицательная обратная связь гарантирует, что звук не будет искажен.

R1 — регулятор громкости, R2 и R3 смещают положительный вход первого операционного усилителя.R4 и R5 устанавливают усиление предусилителя, при этом R4 также смещает отрицательный вход, C2 блокирует постоянный ток, в противном случае напряжение смещения постоянного тока будет уменьшено R4 и R5, действующими как делитель напряжения, и усилитель не будет работать. C3 и C4 развязывают питание от шума и гула 50 Гц. C5 блокирует постоянный ток и пропускает только усиленный аудиосигнал переменного тока на динамик.

Используемые транзисторы в зависимости от требуемой выходной мощности:

• 2N3904 и 2N3906 для 50 мВт при 4 Ом и 100 мВт при 8 Ом (питание 5–9 В),
• BD139 и BD140 для 4 Вт при 4 Ом и 7 Вт при 8 Ом (12 В)
• TIP120, TIP125 до 20 Вт при 4 Ом и 12 Вт при 8 Ом (12 В, больше при 24 В)

Активный фильтр нижних частот, 3000 Гц для радиосвязи:

Цель: Эта схема действует как фильтр нижних частот 3000 Гц и усилитель.

СХЕМА:

Активный фильтр нижних частот, 3000 Гц для радиосвязи

НЕОБХОДИМЫЕ КОМПОНЕНТЫ:

Работа усилителя с активным фильтром нижних частот 3000 Гц:

Первый операционный усилитель формирует активный фильтр Саллена-Ки с гораздо большей производительностью, чем простой RC-фильтр (5 дБ / 1 кГц против 1.Спад на 6 дБ / кГц выше макс. частота). Второй операционный усилитель обеспечивает усиление около 11 и может использоваться для подключения пары наушников (с сопротивлением более 10 Ом) или другого каскада звукового усилителя. После каскада активного фильтра необходим усилитель, потому что, если на фильтр будет загружена нагрузка с низким импедансом, характеристики фильтра значительно ухудшатся.

R1, R2, C1 и C3- устанавливает отрицательную обратную связь, частоту среза и добротность (насколько резкий фильтр) фильтра.C2 предотвращает попадание постоянного напряжения на вход.

R3 и R4 смещают положительный вход фильтра, отрицательный вход смещается от выхода фильтра (выход имеет половину напряжения питания, что идеально для смещения входа).

R5 и R6 обеспечивают отрицательную обратную связь и устанавливают коэффициент усиления (), C4 блокирует поток постоянного тока через R6, который изменил бы отрицательное входное смещение. Положительный вход не имеет резисторов смещения, потому что он смещен выходом первого операционного усилителя (выход операционного усилителя обычно имеет половину напряжения питания, как раз то, что нам нужно для смещения входа).

C5 разъединяет источник питания и предотвращает паразитные колебания, тогда как C6 позволяет отфильтрованному усиленному входному сигналу на выход, одновременно предотвращая любое смещение постоянного тока.

Осциллятор релаксации

Цель: построить схему релаксационного генератора с использованием LM741. Релаксационный генератор представляет собой очень простую схему генератора, которая дает высокую выходную амплитуду с прямоугольной формой волны.

СХЕМА:

Схема осциллятора релаксации с использованием операционного усилителя

НЕОБХОДИМЫЕ КОМПОНЕНТЫ:

Работа цепи генератора релаксации:

Релаксационный генератор представляет собой очень простую схему генератора, которая дает высокую выходную амплитуду с прямоугольной формой волны. С потенциометром 47 кОм он может работать от долей Гц до сотен кГц, при этом изменяются только значения C4, в зависимости от желаемого диапазона частот.Частота колебаний определяется по следующей формуле: где f в герцах, R в омах и C в фарадах.

Формула частоты генератора операционного усилителя

В отличие от всех других схем, генераторы используют положительную обратную связь, здесь она применяется от выхода к положительному входу, аналогично тому, как отрицательная обратная связь используется в неинвертирующих усилителях.

R1 и R2 обеспечивают положительную обратную связь, C2 и C1 предотвращают прохождение постоянного тока через R1 на землю, а также не позволяют R1 и R2 действовать как делитель напряжения для положительного входа — это может привести к недостаточному смещению входа (вместо получения половины напряжение питания, которое ему нужно, он получит, потому что R1 и R2 делят напряжение пополам, и у нас уже есть половина питания на выходах), и операционный усилитель может работать неправильно.

Конденсатор емкостью 100 нФ (C2) подключен параллельно C1, поскольку электролитические конденсаторы плохо работают на частотах выше 20 кГц — это предотвращает искажение прямоугольной волны на высоких частотах. C3 отделяет источник питания от помех, вызванных генератором, и предотвращает высокочастотный «звон» на выходной прямоугольной волне и паразитные колебания на частотах, отличных от той, которую мы хотим генерировать.

C4 и R3 определяют частоту колебаний, при этом R3 также смещает отрицательный вход операционного усилителя.C5 и C6 передают сгенерированный сигнал, останавливая постоянное напряжение на выходе. Как и в случае с конденсаторами C1 и C2, использование конденсатора емкостью 100 нФ параллельно с электролитическим конденсатором улучшает частотную характеристику. Этот генератор не дает идеальной прямоугольной волны с идеальным коэффициентом заполнения 50% — если требуется идеальный коэффициент заполнения 50%, R2 следует заменить на потенциометр / подстроечный резистор 22k или 10k.

ИСТОЧНИКИ:

Дуглас Селф — «Электроника для винила»

Стэн Гибилиско и Саймон Монк — «Научитесь электричеству и электронике, шестое издание», McGraw-Hill Education, 2016, ISBN 978-1-25-958553-1

Несколько авторов — «Poradnik Radioamatora, Wydanie other zmienione», WKŁ, Варшава, 1983, ISBN 83-206-0307-2

Электроника-заметки.com

Википедия

Техас-инструменты (1)

Техас-инструменты (2)

Sim.okawa-denshi

CircuitDigest

Электроника-Учебники

Что такое операционный усилитель?

Представление операционных усилителей ABLIC

1. Что такое операционный усилитель (операционный усилитель)?

Операционный усилитель — это интегральная схема, которая может усиливать слабые электрические сигналы.
Операционный усилитель имеет два входных контакта и один выходной контакт. Его основная роль заключается в усилении и выводе разности напряжений между двумя входными контактами.

2. Возможности операционного усилителя

Операционный усилитель не используется в одиночку, он предназначен для подключения к другим схемам для выполнения самых разнообразных операций. В этой статье приведены несколько типичных примеров использования схем с операционными усилителями.

● Обеспечивает значительное усиление входного сигнала

Когда операционный усилитель объединен со схемой усиления, он может преобразовывать слабые сигналы в сильные. Он ведет себя как мегафон, где входным сигналом является голос человека, а мегафон — это схема операционного усилителя. Например, такая схема может использоваться для усиления сигналов датчиков минут.
Обработка сигналов датчиков может быть дополнительно улучшена путем ввода усиленного сигнала в блок микроконтроллера * (MCU).
* Микроконтроллер… Компактный компьютер для управления электронными устройствами. Как мозг электронных устройств, микроконтроллеры работают в соответствии с входными сигналами.

● Позволяет устранить шум из входного сигнала

Действуя в качестве фильтра входных сигналов, схема операционного усилителя может выделять сигнал с целевой частотой. Например, когда схема операционного усилителя используется для распознавания голоса или в диктофоне, она может извлекать частоты, близкие к целевой звук, при этом все остальные частоты не рассматриваются как шум.Схема операционного усилителя может быть настроена для выполнения широкого диапазона функций, таких как арифметические операции или синтез сигналов.

3. Приложения для операционных усилителей

Как отмечалось выше, операционный усилитель практически никогда не используется отдельно. Подключив резисторы или конденсаторы, вы можете сконфигурировать схему, способную усиливать сигнал, фильтровать или выполнять арифметические операции схемы, описанные в «2. На что способен операционный усилитель ».

(1) Операции внутреннего операционного усилителя

Ниже описаны операции, выполняемые операционным усилителем в цепи. Давайте посмотрим, как операционный усилитель ведет себя в схеме усилителя, на примере схемы неинвертирующего усилителя. В дополнение к этому простому расчету при настройке схемы необходимо учитывать характеристики операционного усилителя. Этот момент описан далее в этом разделе в разделе «4. Выбор рабочего усилителя и объяснение терминов.”

(2) Примеры схем

Здесь мы описываем некоторые типичные применения операционных усилителей.

[Схема неинвертирующего усилителя]

Как объяснено в (1), это также схема для усиления и вывода входных сигналов.

[Схема инвертирующего усилителя]

Инвертирующая схема усилителя обозначена знаком минус. Если напряжение V _IN увеличивается, напряжение V _OUT уменьшается.

[Цепь повторителя напряжения]

Это схема неинвертирующего усилителя, в которой R2 замкнут накоротко (R2 = 0 Ом), а R1 разомкнут (R1 = бесконечность). Поскольку V _OUT = (1 + R2 / R1) × V _IN = (1 + 0Ω / ∞) × V _IN = V _IN , выходное напряжение равно входному сигналу. Повторитель напряжения используется в качестве буферной схемы для преобразования импеданса или для разделения цепей.

[Схема дифференциального усилителя]

Это схема для усиления и вывода разницы между двумя входными сигналами.

4. Выбор рабочего усилителя и объяснение терминов

Здесь мы будем использовать операционный усилитель ABLIC S-89630A в качестве примера того, что нужно проверить при выборе операционного усилителя и объяснения характеристик операционного усилителя.

(1) Проверьте рабочее напряжение.

[Диапазон рабочего напряжения источника питания]
Это диапазон рабочего напряжения источника питания на выводе VDD.Убедитесь, что напряжение источника питания находится в пределах диапазона рабочего напряжения операционного усилителя.

[Диапазон синфазного входного напряжения]
Диапазон напряжения сигнала, который может быть приложен к входным контактам. Операционный усилитель будет работать, пока входной сигнал находится в этом диапазоне. Операционный усилитель, диапазон синфазного входного напряжения которого охватывает V _SS — V _DD , называется «Операционный усилитель с входом Rail-to-Rail»; то есть операционный усилитель с отличным диапазоном входного напряжения сигнала.

(2) Проверьте частоту входного сигнала.

[Произведение на ширину полосы частот]
Определяет максимальную частоту, до которой операционный усилитель может усилить сигнал. Максимальная частота зависит от коэффициента (усиления), который вы используете для усиления сигнала. При коэффициенте усиления, равном единице (= 0 дБ), сигнал может быть усилен до максимальной частоты, так называемого произведения коэффициента усиления на ширину полосы частот.

График справа показывает, что при коэффициенте усиления, равном единице (= 0 дБ), максимальная частота, на которой усиление позволяет использовать S-89630A, равна 1.2 МГц, а при усилении 10 (= 20 дБ) максимальная частота составляет 120 кГц. Убедитесь, что максимальная частота, до которой вы хотите усилить, находится в пределах диапазона коэффициента, с которым вы хотите усилить.

(3) Проверьте потребление тока.

[Потребление тока]
Указывает текущее значение, полученное с вывода VDD. Чем ниже это значение, тем больше вы можете снизить мощность системы. Обычно операционный усилитель с низким потреблением тока имеет также низкую частоту полосы пропускания усиления.

(4) Проверить точность усиления сигнала.

[Входное напряжение смещения]
Входное напряжение смещения представляет собой преобразование напряжения ошибки, генерируемого на выходе, во входное значение, когда входное напряжение равно 0 В. Это важный атрибут, влияющий на точность усиления операционных усилителей. Обычно, когда амплитуда напряжения входного сигнала порядка мВ, требуется входное напряжение смещения порядка мкВ. Это заставляет выбирать «операционный усилитель с дрейфом нуля » для обработки таких крошечных напряжений смещения.

5. Что такое усилитель с нулевым дрейфом?

Усилитель с нулевым дрейфом — это операционный усилитель, который сводит к минимуму входное напряжение смещения и дрейф входного напряжения смещения (0). Выбор операционного усилителя с нулевым дрейфом является высокоэффективным решением для приложений, требующих высокоточного усиления сигнала.

Усилитель с нулевым дрейфом ABLIC

ABLIC имеет операционные усилители с нулевым дрейфом серий S-89630A и S-89713 для общего использования, а также усилители с нулевым дрейфом S-19630A и S-19611A для автомобильного использования.

S-89630A (для общего использования) и S-19630A (для автомобильного использования) операционный усилитель обеспечивает работу с нулевым дрейфом, работу в широком диапазоне напряжений (4,0 — 36 В) и низкие атрибуты напряжения смещения.

Серия

S-89713 (для общего использования) и S-19611A (для автомобильного использования) обеспечивает работу с автоматическим дрейфом нуля при работе при низком напряжении от 2,65 В и с низкими характеристиками напряжения смещения. Мы также предлагаем серию S-89713 (для общего использования) в сверхкомпактном корпусе (SNT-8A: 1,97 x 2.Размер 46 мм).

Если вам нужен операционный усилитель с нулевым дрейфом, настоятельно рекомендуются операционные усилители ABLIC.

Таблица выбора операционного усилителя

Представление операционного усилителя ABLIC

Усилители напряжения ОУ

• Изучив этот раздел, вы сможете:
• Сравните идеальные и практичные операционные усилители.
• Общие сведения о работе операционных усилителей
• • Использование отрицательной обратной связи.
• • Текущее правило для операционных усилителей.
• • Правило напряжения для операционных усилителей.
• • Инвертирующий усилитель напряжения.
• • Неинвертирующий усилитель напряжения.

Рис. 6.7.1 Идеальный операционный усилитель

Идеальный операционный усилитель

Хотя в действительности идеального операционного усилителя не существует, настоящий (практичный) операционный усилитель достаточно близок к достижению идеала.Идеальный усилитель, помимо других желаемых параметров, должен иметь как минимум бесконечно высокий входной импеданс, выходной импеданс равный нулю, бесконечно высокое усиление и бесконечно широкую полосу пропускания. В таблице 1 сравниваются некоторые важные параметры, такие как входное сопротивление (Z _IN ), входной ток смещения (I _IN ), усиление напряжения большого сигнала (A _V ) и выходное сопротивление (Z _OUT ) некоторых типичных реальных значений. (практичные) операционные усилители с «идеальной» моделью операционного усилителя:

Отрицательная обратная связь

Существует два основных метода подключения усилителей напряжения на операционных усилителях: они превращаются в инвертирующий или неинвертирующий усилитель напряжения. В каждом случае коэффициент усиления по напряжению усилителя устанавливается просто соотношением двух резисторов. Использование усилителя с очень высоким коэффициентом усиления и отрицательная обратная связь позволяют получить очень стабильный усилитель с коэффициентом усиления, практически не зависящим от изменений температуры или характеристик полупроводников.Как и в дискретных компонентных усилителях, описанных в модуле усилителя 3, отрицательная обратная связь также снижает искажения и шум в дополнение к увеличению полосы пропускания усилителя.

Правила для операционных усилителей

Идеальные операционные усилители при использовании с обратной связью работают таким образом, который можно предсказать с помощью пары основных правил, часто называемых «золотыми правилами».

Правило 1. Правило напряжения.

Выходной сигнал операционного усилителя будет изменяться по мере необходимости, чтобы два входных напряжения оставались идентичными.Если какой-либо входной сигнал или напряжение пытается изменить входные потенциалы, выход операционного усилителя изменит полярность, противоположную входной, и через контур обратной связи сохранит разницу между двумя входами на уровне 0 В.

Правило 2. Действующее правило.

Поскольку входное сопротивление бесконечно велико, ток не может течь ни на один из входов.

Эти правила, используемые в отношении идеального операционного усилителя, могут быть использованы для облегчения понимания работы двух основных схем усилителя напряжения.Небольшие различия между идеальными и практичными операционными усилителями можно временно игнорировать.

Рис. 6.7.3 Инвертирующий усилитель

Инвертирующий усилитель

На рис. 6.7.3 показан инвертирующий усилитель, в этой конфигурации входной сигнал подается на инвертирующий (-) вход для создания противофазного выходного сигнала, амплитуда которого составляет V _в x A _vcl , где A _vcl — коэффициент усиления ОУ с обратной связью.

Отрицательная обратная связь используется для снижения очень высокого максимального усиления операционного усилителя до необходимого уровня.Коэффициент усиления с обратной связью (A _vcl ) устанавливается просто соотношением R _f к R _в

Как работает инвертирующий усилитель

Применяя два правила к идеальному операционному усилителю, показанному на рис. 6.7.3a, можно предположить, что:

Контакт 3 находится на 0 В, так как он подключен к земле через R3, на котором не будет развиваться напряжение, поскольку ток не течет на контакт 3 (Правило 2), поэтому на контакте 2 также будет 0 В (Правило 1).

Следовательно, R _в и R _на эффективно соединены последовательно между V _в и V _{на выходе} с выводом 2 между двумя резисторами, поддерживающими 0 В.

Никакой ток не может течь на контакт 2 (Правило 2), поэтому ток, текущий в V _в , не может течь в операционный усилитель, поэтому он должен течь через R _f на выход.

Диаграмма на рис. 6.7.3b показывает, что в действительности R _в и R _f представляют собой два резистора, подключенных последовательно между V _в и V _{на выходе} с выводом 2 на 0 В.

Хотя контакт 2 на самом деле не подключен к земле, он должен иметь то же напряжение, что и контакт 3 (Правило 1), который равен 0 В (из-за Правила 2).Этот важный эффект создания некоторого места в цепи, которое фактически не подключено к земле, но поддерживает потенциал 0 В, называется «виртуальной землей» (или виртуальной землей).

Любой входной ток (I _в ), следовательно, течет непосредственно от входа, через R _в и R _{на выход} , при этом R _в и R _f образуют делитель потенциала между напряжениями противоположной полярности. V _в и V _{на выходе} с контактом 2 на 0 В.

Ток через цепь последовательного резистора одинаков для каждого резистора, поэтому входное напряжение V _в будет пропорционально сопротивлению R _в , а напряжение на R _f будет пропорционально сопротивлению R _ф

Обратите внимание, что поскольку R _f эффективно подключен между выходной клеммой и виртуальной землей (0 В), напряжение на R _f также равно V _{на выходе} . Это делает R _f / R _in равным V _out / V _in (коэффициент усиления усилителя), и поэтому задано усиление с обратной связью усилителя напряжения инвертирующего операционного усилителя (A _vcl ). по уравнению:

Обратите внимание, что формула сообщает вам только соотношение резисторов, а не их фактические значения.К счастью, в аудиоусилителях значения не слишком критичны, обычно допустимы значения резисторов между 10 и 100 кОм. Однако лучше попытаться сохранить сопротивление R _в как можно выше, а также в практическом усилителе, вместо того, чтобы заземлять неинвертирующий вход напрямую, он должен быть заземлен резистором с тем же значением, что и R _в , чтобы поддерживать (крошечные) входные токи равными. Это дает больше шансов, что выходное напряжение будет нулевым (или близким к нему), когда входное напряжение равно нулю.

Неинвертирующий усилитель

Рис. 6.7.4 Неинвертирующий усилитель

В неинвертирующем усилителе, показанном на рис. 6.7.4a, входной сигнал подается на неинвертирующий вход (вывод 3), в то время как резистор отрицательной обратной связи (R _f ) вместе с R1 устанавливает коэффициент усиления с обратной связью усилителя. .

Теперь входной и выходной сигналы совпадают по фазе, что изменяет работу схемы. Как показано на рис. 6.7.4b, схема не имеет виртуальной точки заземления, но нижний конец R1 подключен к земле, что означает, что контакт 2 будет соответствовать изменяющемуся входному напряжению V _в на контакте 3 (Правило 1).

R _f и R1 теперь образуют потенциальный делитель между V _{, выходом} и 0 В. Как и в инвертирующем усилителе, ток не будет течь на контакт 2 (Правило 2), поэтому напряжения на R1 и R _f будут пропорциональны их отдельным сопротивлениям. Отношение этих сопротивлений и, следовательно, отношение V _{на выходе} к V _на , то есть усиление замкнутого контура, определяется формулой стандартного делителя потенциала (R _f + R1) / R1.

Начало страницы

Топ-10 основных схем операционных усилителей

Наряду с резисторами и конденсаторами, которые являются пассивными компонентами, операционные усилители являются одними из основных строительных блоков аналоговых электронных схем.Операционные усилители (ОУ) — это линейные устройства, которые обладают всеми свойствами, необходимыми для почти идеального усиления постоянного тока, и поэтому широко используются при формировании или фильтрации сигналов или для выполнения математических операций, таких как сложение, вычитание, интегрирование и дифференцирование. Цель этой статьи — представить 10 основных схем для новичков в разработке электроники и освежить ржавые умы инженеров.

1. Повторитель напряжения

Самая простая схема — это буфер напряжения, так как не требует каких-либо внешних компонентов.Поскольку выходное напряжение равно входному напряжению, студенты могут быть озадачены и задаются вопросом, имеет ли такая схема какое-либо практическое применение.

Эта схема позволяет создавать вход с очень высоким импедансом и выход с низким импедансом. Это полезно для сопряжения логических уровней между двумя компонентами или когда источник питания основан на делителе напряжения. Рисунок ниже основан на делителе напряжения, и схема не может работать. Действительно, импеданс нагрузки может сильно варьироваться, поэтому напряжение Vout может резко измениться, в основном, если импеданс нагрузки имеет такое же значение, как R2.

Чтобы решить эту проблему, между нагрузкой и делителем напряжения вставлен усилитель (см. Рисунок ниже). Таким образом, Vout зависит от R1 и R2, а не от значения нагрузки.

Основная цель операционного усилителя, как указано в его названии, — усилить сигнал. Например, выходной сигнал датчика должен быть усилен, чтобы АЦП измерял этот сигнал.

2. Инвертирующий операционный усилитель

В этой конфигурации выход возвращается на отрицательный или инвертирующий вход через резистор (R2).Входной сигнал подается на этот инвертирующий вывод через резистор (R1).

Положительный вывод подключен к земле.

Это очевидно в частном случае, когда R1 и R2 равны. Эта конфигурация позволяет производить сигнал, который является дополнительным ко входу, поскольку выходной сигнал точно противоположен входному сигналу.

Из-за отрицательного знака выходной и входной сигналы не совпадают по фазе. Если оба сигнала должны быть в фазе, используется неинвертирующий усилитель.

3. Неинвертирующий операционный усилитель

Эта конфигурация очень похожа на инвертирующий операционный усилитель. Для неинвертирующего типа входное напряжение подается непосредственно на неинвертирующий вывод, а конец контура обратной связи соединяется с землей.

Эти конфигурации позволяют усиление одного сигнала. Можно усилить несколько сигналов с помощью суммирующих усилителей.

4. Неинвертирующий суммирующий усилитель

Чтобы добавить 2 напряжения, только 2 резистора можно добавить на положительный вывод к схеме неинвертирующего операционного усилителя.

Следует отметить, что добавление нескольких напряжений — не очень гибкое решение. Действительно, если добавить напряжение 3 ^rd с точно такими же сопротивлениями, формула будет иметь вид Vs = 2/3 (V ₁ + V ₂ + V ₃ ).

Резисторы необходимо заменить, чтобы получить Vs = V ₁ + V ₂ + V _3, или 2 ^nd вариант — использовать инвертирующий летний усилитель.

5.Инвертирующий суммирующий усилитель

Путем добавления резисторов параллельно к инвертирующему входному выводу схемы усилителя инвертирующего операционного усилителя суммируются все напряжения.

В отличие от неинвертирующего суммирующего усилителя, любое количество напряжений может быть добавлено без изменения номиналов резистора.

6. Дифференциальный усилитель

Инвертирующий операционный усилитель (см. Схему № 2) усиливал напряжение, подаваемое на инвертирующий вывод, и выходное напряжение было не в фазе.В этой конфигурации неинвертирующий вывод заземлен.

Если приведенная выше схема модифицирована путем подачи напряжения через делитель напряжения на неинвертирующий, мы получим дифференциальный усилитель, как показано ниже.

Усилитель полезен не только потому, что он позволяет складывать, вычитать или сравнивать напряжения. Многие схемы позволяют изменять сигналы. Давайте посмотрим на самые простые.

7. Интегратор

Прямоугольную волну очень легко сгенерировать, просто переключив, например, GPIO микроконтроллера.Если для схемы требуется треугольная форма волны, хороший способ сделать это — просто интегрировать прямоугольный сигнал. С операционным усилителем, конденсатором на инвертирующем тракте обратной связи и резистором на входном инвертирующем контакте, как показано ниже, входной сигнал интегрируется.

Имейте в виду, что резистор часто подключается параллельно конденсатору из-за проблем с насыщением. Действительно, если входной сигнал представляет собой синусоидальную волну очень низкой частоты, конденсатор действует как разомкнутая цепь и блокирует напряжение обратной связи.В этом случае усилитель похож на обычный усилитель с разомкнутым контуром, который имеет очень высокий коэффициент усиления без обратной связи, и усилитель находится в режиме насыщения. Благодаря резистору, включенному параллельно конденсатору, схема ведет себя как инвертирующий усилитель с низкой частотой, и насыщение избегается.

8. Дифференциатор операционных усилителей

Дифференциатор работает аналогично интегратору, меняя местами конденсатор и резистор.

Все конфигурации, которые были представлены до сих пор.

9. Преобразователь тока — напряжения

Фотодетектор преобразует свет в ток. Для преобразования тока в напряжение простая схема с операционным усилителем, контур обратной связи через резистор на неинвертирующем и диод, подключенный между двумя входными контактами, позволяет получить выходное напряжение, пропорциональное току, генерируемому фотодиодом. , что видно по световым характеристикам.

В приведенной выше схеме применяется закон Ома с основной формулой: напряжение равно сопротивлению, умноженному на ток.Сопротивление указано в Ом и всегда положительно. Но благодаря операционным усилителям можно спроектировать отрицательное сопротивление!

10. Отрицательное сопротивление

Обратная связь на инвертирующем выводе заставляет выходное напряжение быть вдвое больше входного. Поскольку выходное напряжение всегда выше входного, положительная обратная связь через резистор R1 на неинвертирующем выводе имитирует отрицательное сопротивление.

Наконец, схема с операционным усилителем не обязательно изменяет входной сигнал, но записывает его, как усилитель с пиковым детектором.

Также: Усилитель с пиковым детектором

Конденсатор используется как память. Когда входное напряжение на неинвертирующем входе выше, чем напряжение на инвертирующем входе, которое также является напряжением на конденсаторе, усилитель входит в состояние насыщения, а диод направлен вперед и заряжает конденсатор. Предполагая, что конденсатор не имеет быстрого саморазряда, когда входное напряжение Ve ниже, чем напряжение на конденсаторе, диод блокируется. Следовательно, пиковое напряжение записывается благодаря конденсатору.

С операционными усилителями доступно гораздо больше схем, но понимание этих 10 основных схем позволяет легко изучать более сложные схемы.

Что такое операционный усилитель?

Операционный усилитель или операционный усилитель — это просто линейная интегральная схема (ИС) с несколькими выводами. Операционный усилитель можно рассматривать как устройство усиления напряжения, которое предназначено для использования с внешними компонентами обратной связи, такими как резисторы и конденсаторы, между его выходными и входными клеммами.Это электронный усилитель напряжения с высоким коэффициентом усиления с дифференциальным входом и обычно несимметричным выходом. Операционные усилители являются одними из наиболее широко используемых электронных устройств сегодня, поскольку они используются в большом количестве потребительских, промышленных и научных устройств.

Краткая история

• В 1947 году Джон Р. Рагаццини из Колумбийского университета разработал первый операционный усилитель на основе вакуумных трубок.
• С развитием кремниевых транзисторов концепция ИС стала реальностью.В начале 1960-х годов Роберт Дж. Уайлдар из Fairchild Semiconductor изготовил операционный усилитель μA702.
• В 1968 году был выпущен μA741, что привело к его широкому производству.

Современные операционные усилители доступны в:

1. Металлическая банка в упаковке (ТО) с 8 выводами
2. Двухканальный линейный пакет (DIP) с 8/14 контактами
3. Плоская упаковка из плоской упаковки с 10/14 контактами

Строительство

Внутренняя схема типичного операционного усилителя выглядит так:

Операционный усилитель (схема операционного усилителя)

Клемма со знаком (-) называется инвертирующей входной клеммой, а клемма со знаком (+) называется неинвертирующей входной клеммой.

Клеммы источника питания V + и V- подключены к положительной и отрицательной клеммам источника постоянного напряжения соответственно. Общий вывод V + и V- подключен к опорной точке или земле, иначе удвоенное напряжение питания может повредить операционный усилитель.

Типы операционных усилителей

Операционный усилитель имеет бесчисленное множество применений и является основным строительным блоком линейных и нелинейных аналоговых систем. Некоторые из типов операционных усилителей включают:

• Дифференциальный усилитель, представляющий собой схему, усиливающую разницу между двумя сигналами.
• Инструментальный усилитель, который обычно состоит из трех операционных усилителей и помогает усилить выходной сигнал преобразователя (состоящий из измеренных физических величин).
• Изолирующий усилитель, который похож на инструментальный усилитель, но имеет допуск к синфазным напряжениям (которые разрушают обычный операционный усилитель).
• Усилитель с отрицательной обратной связью, который обычно состоит из одного или нескольких операционных усилителей и резистивной цепи обратной связи.
• Усилители мощности для усиления слабых сигналов, принимаемых от источника входного сигнала, такого как микрофон или антенна.

Операционный усилитель

В идеале операционный усилитель усиливает только разницу в напряжении между ними, также называемую дифференциальным входным напряжением. Выходное напряжение ОУ V _{на выходе} определяется уравнением:

В _из = A _OL (V ₊ — V _—)

, где A _OL — коэффициент усиления усилителя без обратной связи.

В линейном операционном усилителе выходной сигнал представляет собой коэффициент усиления, известный как коэффициент усиления усилителя (A), умноженный на значение входного сигнала.

Некоторые другие важные электрические параметры, которые следует учитывать:

• Входное напряжение смещения: Это напряжение, которое должно быть приложено между входными клеммами операционного усилителя для обнуления выходного сигнала.
• Входной ток смещения: Это алгебраическая разница между токами на входе (-) и входа (+).
• Входной ток смещения: Это среднее значение токов, поступающих на (-) входные и (+) входные клеммы операционного усилителя.
• Входное сопротивление: Это дифференциальное входное сопротивление, видимое на любой из входных клемм, когда другая клемма подключена к земле.
• Входная емкость: Это эквивалентная емкость, которую можно измерить на любой из входных клемм, когда другая клемма подключена к земле.
• Скорость нарастания: Определяется как максимальная скорость изменения выходного напряжения, вызванная ступенчатым входным напряжением. Скорость нарастания увеличивается с увеличением коэффициента усиления с обратной связью и напряжения питания постоянного тока.Это также функция температуры и обычно уменьшается с повышением температуры.

Примечание: — Хотя идеальный операционный усилитель не потребляет ток от источника и его характеристика не зависит от температуры, настоящий операционный усилитель не работает таким образом.

Операционный усилитель реагирует только на разницу между двумя напряжениями независимо от индивидуальных значений на входах. Внешние резисторы или конденсаторы часто подключаются к операционному усилителю различными способами, чтобы сформировать базовые схемы, включая усилители инвертирующего, неинвертирующего, повторителя напряжения, суммирующего, дифференциального, интеграционного и дифференциального типа.Операционный усилитель легко доступен в корпусе IC, наиболее распространенным из которых является μA-741.

Широко распространенный операционный усилитель IC

Приложения для операционных усилителей

Операционный усилитель имеет бесчисленное множество применений и является основным строительным блоком линейных и нелинейных аналоговых систем.

В линейных схемах выходной сигнал изменяется линейно вместе с входным сигналом. Вот некоторые из линейных приложений:

1. Сумматор
2. Вычитатель
3. Преобразователь напряжения в ток (усилитель крутизны)
4. Преобразователь тока в напряжение (усилитель сопротивления)
5. Инструментальный усилитель
6. Усилитель мощности

Еще один класс схем с сильно нелинейными характеристиками ввода-вывода:

1. Выпрямитель
2. Детектор пиков
3. Машинка для стрижки
4. Зажим
5. Схема выборки и хранения
6. Усилитель логарифмический и антилогарифмический
7. Умножитель и делитель
8. Компаратор

Благодаря операционным усилителям и связанным с ними схемам они стали неотъемлемой частью звуковых усилителей, генераторов сигналов, регуляторов напряжения, активных фильтров, таймеров 555, аналого-цифровых и цифро-аналоговых преобразователей.