Усилитель мощности схема на операционном усилителе: Высококачественный усилитель 75 Вт с применением операционного усилителя

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.

Усилители на микросхемах

Операционный усилители в линейных схемах. Часть 3

Нужна ли нам схема с буферизацией тока?

Операционные усилители, разумеется, универсальны, но их область применения ограничена ограничениями выходного тока. Можно ожидать, что обычный операционный усилитель будет непрерывно выдавать ток не более чем 30 или 40 мА. Хотя некоторые компоненты могут работать с токами, близкими к 100 мА, другие будут пытаться дать вам хотя бы 10 мА. Существует особая категория усилителей с высоким выходным током, ток которых приближается или даже превышает 1000 мА. Если компонент с высоким выходным током совместим с вашим приложением, обязательно используйте его.

Но есть несколько причин, по которым вы можете предпочесть буферизовать выход усилителя более общего назначения. Во-первых, некоторые усилители с высоким выходным током представляют собой сложные компоненты, предназначенные для специализированных применений, и, следовательно, они менее универсальны и более дороги – например, LT1210, компонент от Linear Tech, который может выдавать 1100 мА, обойдется вам в 12 долларов, если вы покупаете в розницу. Кроме того, некоторые компоненты с высоким выходным током (включая LT1210) являются усилителями с обратной связью по току, и вы не можете просто вставить устройство с обратной связью по току в схему, разработанную для топологии с обратной связью по напряжению.

К счастью, на самом деле нет необходимости использовать усилители с высоким выходным током, когда всё, что вам нужно, это простая схема на операционном усилителе плюс мощный выходной каскад. Вы можете использовать один из 75-центовых усилителей общего назначения, которые есть у вас в лаборатории/мастерской/гараже, и объединить его со стандартными компонентами (стоимостью тоже около доллара), и вы получите схему, которая вам нужна.

Всего один биполярный транзистор

Самая простая схема для буферизации выходного тока операционного усилителя выглядит так:

Рисунок 1 – Схема для буферизации выходного тока операционного усилителя на биполярном транзисторе

А вот соответствующая схема LTspice:

Рисунок 2 – Схема для буферизации выходного тока операционного усилителя на биполярном транзисторе в LTspice

Давайте получим четкое понимание идеи этой схемы, прежде чем двигаться дальше. Входной сигнал подается на неинвертирующий вход операционного усилителя, а выход ОУ подключается непосредственно к базе биполярного транзистора. Операционный усилитель и биполярный транзистор могут использовать один и тот же положительный источник питания, но в этом случае мы предполагаем, что доступны два напряжения – источник питания 5 В для маломощных, малошумящих схем и 12 В для мощной части проекта. Значение резистора нагрузки очень низкое, поэтому выходные напряжения более 200 мВ, приложенные непосредственно к нагрузке, потребуют большего выходного тока, чем может обеспечить LT6203. Транзистор, выбранный в схеме LTspice, может работать с токами около 1000 мА, что означает, что он подходит для напряжений на нагрузке до 5 В.

Ключевым моментом этой схемы является соединение обратной связи. Помните «виртуальное короткое замыкание»: при анализе операционного усилителя в схеме с отрицательной обратной связью мы можем предположить, что напряжение на неинвертирующем входе равно напряжению на инвертирующем входе. Уже одно это говорит нам о том, что выходное напряжение (то есть напряжение на нагрузке) будет равно входному напряжению. Но давайте пойдем немного глубже, чтобы убедиться, что мы действительно понимаем, что происходит; виртуальное короткое замыкание – это своего рода суеверие, которое может отвлечь нас от реальной работы операционного усилителя. Операционный усилитель умножает дифференциальное входное напряжение на очень большой коэффициент усиления. Таким образом, с отрицательной обратной связью операционный усилитель быстро достигает равновесия, потому что большие изменения выходного напряжения уменьшают дифференциальное напряжение, которое вызывает эти самые выходные изменения. В этом состоянии равновесия выход стабилизируется при любом напряжении, что устраняет разницу между напряжениями на инвертирующем и неинвертирующем входах – иными словами, операционный усилитель автоматически регулирует свой выходной сигнал любым способом, необходимым для того, чтобы Vвх– было равно Vвх+.

В контексте этой схемы буферизации выходного сигнала операционный усилитель автоматически генерирует любое выходное напряжение, необходимое для того, чтобы сделать напряжение эмиттера биполярного транзистора равным входному напряжению. Подумайте, насколько сложно это было бы в ситуации разомкнутой петли – каким-то образом необходимо было бы рассчитать соотношение между входным и выходным сигналами усилителя, чтобы компенсировать падение напряжения база-эмиттер биполярного транзистора, которое не является ни линейным, ни предсказуемым. Но с операционным усилителем и некоторой отрицательной связью проблема становится тривиальной.

Давайте подкрепим это понимание идеи парой симуляций. Первая не очень захватывающая; она просто подтверждает, что выходное напряжение следует за входным напряжением (график входного напряжения Vin скрыт под графиком выходного напряжения Vout):

Рисунок 3 – График входного и выходного напряжений схемы

На следующем графике показано, что должно быть на выходном выводе операционного усилителя, чтобы обеспечить нужное напряжение на нагрузке.

Рисунок 4 – График входного напряжения схемы, выходного напряжения операционного усилителя и выходного напряжения схемы

Пороговое напряжение

Вот график с входным напряжением VIN и выходным напряжением VOUT схемы.

Рисунок 3 – График входного и выходного напряжений схемы

Проблема очевидна: уровень напряжения нагрузки чуть ниже 2 В, хотя у нас есть 5 В на NMOS транзисторе и операционном усилителе. Следующий график раскрывает причину.

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

Как можете видеть, напряжение затвора насыщается положительным напряжением с операционного усилителя, когда напряжение нагрузки составляет всего около 2 В. Основная проблема здесь – это пороговое напряжение MOSFET транзистора: полевой транзистор даже не начинает работать, пока напряжение затвор-исток не будет равно 2,6 В. Это означает, что выходное напряжение операционного усилителя всегда будет как минимум на 2,6 В выше, чем напряжение нагрузки, поскольку разность напряжений будет увеличиваться только по мере увеличения тока стока – как показано на предыдущем графике (рисунок 3), когда уровень выходного напряжения выравнивается, напряжение затвор-исток составляет 3 В. Фактически, напряжения, показанные на графике, представляют типовые характеристики FDC2512; согласно спецификации, пороговое напряжение может достигать 4 В!

Это первое моделирование демонстрирует существенный недостаток использования NMOS транзистора в этой схеме: пороговое напряжение намного выше, чем 0,7–0,9 В, требующееся для перехода база-эмиттер NPN транзистора. Конечно, пороговое напряжение варьируется от модели к модели, поэтому вы наверняка могли бы решить эту проблему, выбрав другой полевой транзистор. Быстрый поиск показывает, что NMOS транзисторы, рассчитанные на непрерывный ток стока 1–2 А, могут иметь пороговое напряжение намного ниже 2,6 В. Тем не менее, здесь необходимо соблюдать осторожность, поскольку пороговое напряжение NMOS транзистора склонно быть выше, чем напряжение база-эмиттер 0,7–0,9 В, которое можно ожидать практически от любого NPN-транзистора. Даже пара Дарлингтона (обсуждаемая во второй статье из серии) обеспечит диапазон напряжений нагрузки, равный или больший, чем некоторые MOSFET транзисторы, и составной транзистор Дарлингтона снижает ток базы до уровней, с которыми может справиться практически любой операционный усилитель.

Еще одна деталь, о которой следует помнить: диапазон напряжений нагрузки становится более ограниченным при больших токах нагрузки, поскольку операционный усилитель, чтобы получить более высокий ток стока, должен создавать более высокое напряжение перегрузки. Если мы установим сопротивление нагрузки 2 Ом, вместо 5 Ом, мы получим следующий график:

Рисунок 5 – График входного напряжения схемы, выходного напряжения схемы и напряжения, приложенного к затвору MOSFET транзистора (выходного напряжения ОУ) при сопротивлении нагрузки 2 Ом

В этом случае напряжение нагрузки выравнивается на уровне 1,75 В вместо 2 В.

Добавление усиления

Эта базовая схема не ограничена конфигурацией с коэффициентом усиления по напряжению, равным 1. Как и в случае небуферизованного операционного усилителя, вы можете вставить резисторы в петлю обратной связи, чтобы увеличить общий коэффициент усиления схемы от входного напряжения до напряжения нагрузки. Вот версия схемы с коэффициентом усиления более единицы:

Рисунок 5 – Схема для буферизации выходного тока операционного усилителя на биполярном транзисторе с регулируемым коэффициентом усиления по напряжению

А вот новая схема LTspice, за которой следует график с входным напряжением VIN, выходным напряжением VOUT и напряжением, приложенным к базе биполярного транзистора.

Рисунок 6 – Схема для буферизации выходного тока операционного усилителя на биполярном транзисторе с регулируемым коэффициентом усиления по напряжению в LTspice

Рисунок 7 – График входного напряжения схемы, выходного напряжения схемы (напряжения на нагрузке) и выходного напряжения ОУ (напряжения на базе транзистора)

NPN прочь, NMOS заходи

Вот первая схема буферизации с MOSFET транзистором (а именно, NMOS транзистором, MOSFET транзистором с каналом N-типа) вместо биполярного транзистора:

Рисунок 1 – Схема для буферизации выходного тока операционного усилителя на MOSFET транзисторе

А вот схема LTspice:

Рисунок 2 – Схема для буферизации выходного тока операционного усилителя на MOSFET транзисторе. Схема в LTSpice

Я выбрал модель NMOS транзистора на основе максимального тока стока; я хотел что-то похожее по характеристикам на NPN транзистор 2SCR293P, который мы использовали в первой статье из серии, чтобы сравнение было более релевантным. Максимальный непрерывный ток коллектора 2SCR293P составляет 1 А, а максимальный непрерывный ток стока для FDC2512 – 1,4 А. Эти два компонента также имеют одинаковые пределы рассеивания мощности. Как и ожидалось, имеется значительная разница во входной емкости: у 2SCR293P около 90 пФ; у FDC2512 около 375 пф.

Просто, но без «защиты от дурака»

При такой надежной и понятной схеме всегда существует риск самоуспокоения. Вот некоторые потенциальные проблемы, которые вы должны иметь в виду:

1. Это очевидно, но убедитесь, что биполярный транзистор может справиться с вашим током нагрузки. Например, транзистор 2N2222, который вы найдете среди своих запчастей, вероятно, рассчитан только на постоянный ток коллектора 800 мА.
2. Это не так очевидно: не превышаете ли вы максимальную рассеиваемую мощность транзистора? Эта проблема особенно неуловима, потому что это то, что вы можете не заметить в симуляции – например, симуляции, выполненные в этой статье, как-то не предупредили нас о том, что мы сжигали транзистор 2SCR293P. Максимальная рассеиваемая мощность для этого компонента с «каждым выводом, установленным на опорной земле» (я не совсем уверен, что это значит) составляет 0,5 Вт. В нашей схеме, если Vвых = 3 В, ток через нагрузку будет равен (3 В) / (5 Ом) = 600 мА, а напряжение коллектор-эмиттер на транзисторе составляет 12 В — 3 В = 9 В. Таким образом, рассеиваемая мощность составляет около (600 мА) × (9 В) = 5,4 Вт. Хотя ток коллектора находится в пределах допустимого диапазона, мы превысили максимальную мощность в 10 раз! Вы можете исправить это, используя более низкое напряжение питания, если это возможно, и после этого вам нужно выбрать более мощный транзистор.
3. Когда биполярный транзистор работает в активной области, ток, текущий через базу, приблизительно равен току нагрузки, деленному на коэффициент бета, иначе известный как hFE или коэффициент усиления по току. Таким образом, операционный усилитель все еще должен подавать некоторый ток, и вы можете столкнуться с проблемами, если у вас будет высокий ток нагрузки в сочетании с относительно слабым выходным каскадом операционного усилителя. Например, если ваш ток нагрузки составляет 2500 мА, и вы используете транзистор с hFE = 100, вам потребуется ток базы около 25 мА; а некоторые операционные усилители не способны его обеспечить.
4. Имейте в виду, что выходное напряжение операционного усилителя примерно на 0,7–0,9 В выше напряжения нагрузки. Это необходимо учитывать при выборе напряжения питания операционного усилителя. Например, допустим, вам необходимо напряжение нагрузки в диапазоне от 0 до 4 В. Подходит ли вам напряжение питания 5 В? Возможно, нет: напряжение базы может доходить до 4,9 В; и если размах выходного сигнала операционного усилителя ограничен положительной шиной минус 0,8 В, у вас будут проблемы.
5. Биполярный транзистор начинает входить в режим насыщения, когда напряжение базы превышает напряжение коллектора примерно на 0,5 В, а поскольку напряжение базы примерно на 0,7–0,9 В выше напряжения нагрузки, напряжение коллектора биполярного транзистора (которое в этой схеме такое же, как напряжение питания) должно быть как минимум на (0,9 В – 0,5 В) = 0,4 В выше, чем максимально необходимое напряжение нагрузки. (Эти числа приблизительны и будут варьироваться в зависимости от условий эксплуатации и электрических характеристик транзистора.) Насыщение биполярного транзистора приведет к выравниванию напряжения нагрузки, прежде чем оно достигнет напряжения питания транзистора.

Дифференциальный усилитель

В одной из статей я рассказывал о дифференциальных усилителях, выполненных на транзисторах. Одной из особенностей таких усилителей является усиление разности сигналов поступающих на входы дифференциального усилителя. Данная особенность позволяет усиливать слабые сигналы, которые замаскированы более сильными сигналами, а также позволяет значительно уменьшить уровень шумов усилительных приборов.

Кроме транзисторных дифференциальных усилителей существует большой класс дифференциальных усилителей выполненных на ОУ. Схема простейшего дифференциального усилителя на ОУ представлена ниже

Схема дифференциального усилителя на основе ОУ.

Данная схема имеет довольно простое устройство и состоит из ОУ DA1 и четырёх резисторов R1, R2, R3 и R4. ОУ DA1 охвачен обратной связью через резисторы R3, R4, а через резисторы R1, R2 поступает входные сигналы.

Схема дифференциального усилителя на основе ОУ фактически представляет собой два усилителя – инвертирующий и неинвертирующий. Инвертирующий усилитель получится, если заземлить вход UBX2, тогда неивертирующий вход ОУ окажется, заземлён через параллельно соединенные резисторы R2 и R3 и схема превратится в инвертирующий усилитель, а выходное напряжение в данном случае составит, как известно

в случае, если заземлить вход UBX1, а сигнал будет поступать на UBX2, то схема превратится в неинвертирующий усилитель, на входе которого включён делитель напряжения, тогда выходное напряжение составит

Если входные сигналы будут поступать на оба входа UBX1 и UBX2, то выходное напряжение будет иметь вид

Не трудно заметить, что если оптимизировать схему, чтобы выполнялось следующее соотношение

То выходное напряжение будет пропорционально разности входных напряжений

Поэтому данный усилитель и назвали дифференциальным

, то есть
разностным усилителем
.

Операционный усилитель. Руководство по применению. Глава 11-20 Deneb-80

Приветствую!

Продолжаем изучать руководство по применению операционного усилителя.

Материал получен с сайта АО «КОМПЭЛ» — compel.ru.

Оригинал на английском языке в формате pdf

  A compendium of blog posts on op amp design topics by Bruce Trump (17,1 MiB, 635 hits)

<< Предыдущие главы 1-10 | Следующие главы 21-31>>

• ГЛАВА 11 – Использование входных резисторов для устранения входного тока смещения. Действительно ли они нужны?

В предыдущей статье я рассмотрел использование согласующего резистора для уменьшения влияния тока смещения за счет выравнивания  сопротивлений по входам операционного усилителя. При этом я пришел к выводу, что такое решение зачастую не так уж и эффективно, и даже может даже нанести ущерб другим параметрам схемы.

В заключении к предыдущему разделу я сказал, что есть определенные операционные усилители, для которых использование согласующего резистора не рекомендуется. Это касается ОУ с биполярными входами со встроенной компенсацией входного тока смещения. Их источники тока, I1 и I2, формируют ток базы для пары входных транзисторов (рисунок 24). Эти тщательно согласованные токи, полученные с помощью токовых зеркал, закачиваются в базы транзисторов через входы ОУ.

Читать полностью …

• ГЛАВА 12 – Почему в схемах с ОУ возникают колебания: интуитивный взгляд на две наиболее частые причины

Диаграммы Боде, или логарифмические амплитудно-фазовые частотные характеристики, являясь отличным аналитическим инструментом, не выглядят интуитивно понятными. В данном разделе мы воспользуемся чисто качественным рассмотрением часто встречающихся причин неустойчивости и самовозбуждения операционных усилителей (ОУ).

На рисунке 26 представлен идеальный импульсный отклик, который можно наблюдать при отсутствии задержки в цепи обратной связи. Рост выходного напряжения постепенно замедляется, поскольку сигнал обратной связи сообщает о приближении к уровню конечного напряжения.

Читать полностью …

• ГЛАВА 13 – Приручаем нестабильный ОУ

В предыдущей публикации я рассмотрел две наиболее распространенные причины возникновения колебаний или нестабильности в схемах с операционными усилителями. При этом исходной причиной этих негативных явлений была задержка или сдвиг фазы в цепи обратной связи.

Простой неинвертирующий усилитель может быть неустойчивым или иметь чрезмерное перерегулирование и осцилляции, если сдвиг фазы или задержка, создаваемые входной емкостью ОУ (плюс некоторая паразитная емкость) совместно с сопротивлением цепи обратной связи, слишком велики (рисунок 29).

Читать полностью …

• ГЛАВА 14 – Приручаем колебания: проблемы с емкостной нагрузкой

Я оценивал устойчивость операционных усилителей, анализируя, каким образом фазовый сдвиг (его можно назвать также задержкой) в цепи обратной связи приводит к возникновению колебаний. Поднятая в статьях «Почему в схемах с ОУ возникают колебания: интуитивный взгляд на две наиболее частые причины» и «Приручаем нестабильный ОУ» проблема с устойчивостью при емкостной нагрузке довольно непроста.

Здесь главным источником проблем становится выходное сопротивление операционного усилителя с разомкнутой обратной связью (Ro), которое на самом деле не является резистором в буквальном смысле этого слова. Это эквивалентное сопротивление, зависящее от внутренней схемы ОУ. Невозможно изменить его без изменения самого операционного усилителя. Пусть C_L – емкость нагрузки. При работе с такой емкостью вы автоматически получаете полюс, определяемый значениями R_o и C_L. Полюс на частоте 1,8 МГц в контуре обратной связи 20 МГц операционного усилителя с G = 1 способен вызвать проблемы. Это хорошо видно на рисунке 32.

Читать полностью …

• ГЛАВА 15 – SPICE-моделирование устойчивости ОУ

Программы SPICE-моделирования являются полезным инструментом, помогающим обнаруживать потенциальные проблемы с устойчивостью схем усилителей. Рассмотрим один конкретный пример.

На рисунке 35 показан типовой неинвертирующий усилитель на базе OPA211 с несколькими незначительными типовыми особенностями. Звено R₃ – C₁ является входным фильтром. R₄ – выходной резистор для защиты от коротких замыканий на выходе. Конденсатор C_L имитирует пятифутовый кабель.

Читать полностью …

• ГЛАВА 16 – Входная емкость: синфазная? дифференциальная? или…?

Характеристики входных емкостей операционных усилителей часто путают или вовсе игнорируют. Давайте уточним, как наилучшим образом использовать эти параметры.

Входная емкость на инвертирующем входе может влиять на устойчивость схемы с ОУ, вызывая фазовый сдвиг – задержку сигнала обратной связи, возвращаемого на инвертирующий вход. Цепь обратной связи совместно со входной емкостью создают нежелательный полюс. Изменение импеданса цепи обратной связи с учетом величины входной емкости является важным шагом для обеспечения устойчивости схемы усилителя. Но какую емкость использовать в расчетах? Дифференциальную? Синфазную? Обе?

Входная емкость ОУ, как правило, приводится в документации совместно со значением входного импеданса, это касается как дифференциальной, так и синфазной емкостей (таблица 5).

Читать полностью …

• ГЛАВА 17 – Операционные усилители: с внутренней компенсацией и декомпенсированные

Операционные усилители с внутренней частотной компенсацией (Unity-gain-stable) являются устойчивыми даже при работе в схеме с единичным усилением G = +1, в которой выходной сигнал полностью поступает обратно на инвертирующий вход. Будет не совсем правильно называть такую конфигурацию худшим вариантом по запасу устойчивости. Лучше называть ее общепринятой тестовой схемой.

Декомпенсированные операционные усилители имеют компенсационные конденсаторы меньшей емкости, которые обеспечивают более широкую полосу пропускания (GBW) и более высокую скорость нарастания. Увеличение скорости нарастания обычно требует повышенной мощности, но за счет уменьшения емкости тот же базовый операционный усилитель может быть значительно быстрее при том же рабочем токе. Однако такие ОУ не являются устойчивыми в схеме с единичным усилением — они должны использоваться с коэффициентом усиления, значительно превышающим единицу.

На рисунке 41 показана критическая часть АЧХ для идеализированной пары усилителей: со встроенной компенсацией и декомпенсированного. Декомпенсированная версия имеет в пять раз более широкую полосу пропускания GBW: 10 МГц против 2 МГц. Скорость изменения АЧХ для обоих ОУ примерно одинакова. Стоит отметить, что частота единичного усиления для компенсированного ОУ немного меньше, чем его GBW, для таких случаев это обычное явление. Частота единичного усиления декомпенсированного усилителя составляет половину его GBW. Нет смысла работать с таким усилителем при коэффициенте шумового усиления, близком к частоте единичного усиления, поскольку второй полюс на частоте 3 МГц сильно влияет на значение коэффициента усиления/фазы в этой области. Запас по фазе здесь будет недостаточным.

Читать полностью …

• ГЛАВА 18 – Инвертирующий усилитель с G = -0,1: является ли он неустойчивым?

Компенсированные усилители являются устойчивыми в схемах с коэффициентом усиления, равным единице и больше. Но ведь – не меньше единицы?, А что тогда делать со схемами, подобными той, что изображена на рисунке 43?

Если говорить коротко, данный инвертирующий аттенюатор стабилен! Вы хотите знать, почему? Есть несколько способов прояснить ситуацию, и объяснение «на пальцах» может внести дополнительную ясность в общую картину проблем с устойчивостью.

Рассмотрим пример. Если при G = -0,1 схема была бы неустойчивой, то при более низком коэффициенте усиления все было бы еще хуже, не так ли? Рассмотрим схему с единичным усилением и с резистором 1 Ом в цепи обратной связи, показанную на рисунке 44. Теперь предположим наличие тока утечки по поверхности печатной платы, для чего добавим входной резистор R₁ = 10 ГОм. Этот паразитный входной сигнал инвертируется и усиливается с очень малым коэффициентом усиления. Схема будет неустойчивой? Конечно, нет! Это по-прежнему всего лишь буфер с единичным усилением, с заземленным входом. Итак, схема устойчива.

Читать полностью …

• ГЛАВА 19 – Моделирование полосы усиления: базовая модель ОУ

Не всегда очевидно, каким образом полоса пропускания операционного усилителя (GBW) может повлиять на работу вашей схемы. Макромодели используют фиксированное значение GBW. Вы, конечно, можете заглянуть внутрь этих моделей, но лучше с ними не возиться. Что же тогда делать?

Чтобы проверить вашу схему на чувствительность к ширине полосы пропускания ОУ, лучше всего использовать общую модель операционного усилителя в программе SPICE-моделирования. Большинство симуляторов SPICE имеет простую модель операционного усилителя, которую вы можете легко изменить. На рисунке 46 показан один пример из программы TINA-TI.

Читать полностью …

• ГЛАВА 20 – Ограничение скорости нарастания выходного сигнала ОУ

Поведение операционных усилителей в режиме ограничения скорости нарастания часто вызывает недопонимание.  Это объемная тема, поэтому давайте разбираться поэтапно.

Между входами ОУ обычно присутствует очень небольшое напряжение, в идеале – ноль, не так ли? Но внезапное изменение входного сигнала временно приводит к тому, что контур обратной связи выходит из равновесия, создавая дифференциальное напряжение ошибки между входами операционного усилителя. Это заставляет ОУ увеличивать выходное напряжение для исправления ошибки рассогласования. Чем больше рассогласование, тем выше скорость нарастания сигнала на выходе. Однако увеличение скорости нарастания не бесконечно. При достаточно большом дифференциальном напряжении на входе скорость нарастания достигает своего предела.

Если амплитуда входного прямоугольного импульса достаточно велика, то скорость нарастания выходного сигнала достигает своего предела. При дальнейшем увеличении амплитуды скорость нарастания на выходе не изменится. На рисунке 49 на примере простой схемы демонстрируется, почему так происходит. При постоянном входном напряжении в схеме с замкнутым контуром между входами операционного усилителя присутствует нулевое напряжение. Входной каскад сбалансирован, а ток IS1 равномерно распределяется между двумя входными транзисторами. Если напряжение входного прямоугольного сигнала превышает 350 мВ, то весь ток IS1 начинает протекать по одному плечу входного каскада. Этот ток заряжает (или разряжает) компенсационный конденсатор Миллера – C1. Скорость нарастания выходного сигнала (Slew rate, SR) – это скорость, с которой IS1 заряжает C1. Она равна IS1/C1.

Читать полностью …

<< Предыдущие главы 1-10 | Следующие главы 21-31>>

Оставить сообщение:

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

См. также:

10 схем на (почти) все случаи жизни / Хабр

Всем привет!

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

Введение

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

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

1. Неинвертирующий усилитель

Неинвертирующий усилитель – наверное, наиболее часто встречающаяся схема включения операционного усилителя, она приведена на рисунке ниже.

В этой схеме усиливаемый сигнал подается на неинвертирующий вход операционного усилителя, а сигнал с выхода через делитель напряжения попадает на инвертирующий вход.

Расчет этой схемы прост, он строится исходя из того, что операционный усилитель, охваченный петлей обратной связи, отрабатывает входное воздействие таким образом, чтобы напряжение на инвертирующем входе было равно напряжению на неинвертирующем:

Из этой формулы легко получается коэффициент усиления неинвертирующего усилителя:

Рассчитаем и промоделируем неинвертирующий усилитель со следующими параметрами:

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

Выберем из ряда Е96

и

. Тогда коэффициент усиления будет равен

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

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

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

2. Повторитель

Как уже говорилось ранее, включение операционного усилителя по схеме повторителя – это предельный случай неинвертирующего усилителя, когда один из резисторов имеет нулевое сопротивление. Схема повторителя приведена на рисунке ниже.

Как видно из формулы, приведенной в прошлом разделе, коэффициент передачи для повторителя равен единице, то есть выходной сигнал в точности повторяет входной. Зачем же вообще нужен операционный усилитель в таком случае? Он выступает в роли буфера, обладая высоким входным сопротивлением и маленьким выходным. Когда это бывает нужно? Допустим, мы имеем какой-то источник сигнала с большим выходным сопротивлением и хотим этот сигнал без искажения передать на относительно низкоомную разгрузку. Если мы это сделаем напрямую, без каких бы то ни было буферов, то неизбежно потеряем какую-то часть сигнала.

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

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

Моделирования будем проводить для двух случаев: в первом случае пусть источник сигнала работает на нагрузку через повторитель, а во втором случае — напрямую.

Результаты моделирования приведены на рисунке ниже (картинка кликабельна): на верхней осциллограмме выходной и входной сигналы в точности совпадают друг с другом, тогда как на нижней сигнал на выходе в несколько раз меньше по амплитуде относительно сигнала на входе.

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

3. Инвертирующий усилитель (классическая схема)

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

Для входной цепи инвертирующего усилителя можно записать следующее выражение:

Где

— напряжение на инвертирующем входе операционного усилителя.

Поскольку операционный усилитель, охваченный петлей обратной связи, стремится выровнять напряжения на своих входах, то

, и при заземленном неинвертирующем входе получаем

Отсюда коэффициент усиления инвертирующего усилителя равен

По инвертирующему усилителю можно сделать следующие выводы:

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

Для примера рассчитаем инвертирующий усилитель со следующими параметрами:

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

В качестве резисторов в цепи обратной связи выберем резисторы номиналами

и

: их отношение как раз равно десяти.

Результаты моделирования усилителя приведены на рисунке (картинка кликабельна).

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

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

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

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

Схема инвертирующего усилителя с Т-образным мостом в цепи обратной связи приведена на рисунке ниже.

Коэффициент усиления этой схемы равен

Рассчитаем усилитель со следующими параметрами:

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

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

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

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

5. Инвертирующий усилитель в схемах с однополярным питанием

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

Примечание

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

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

Отсюда напряжения на инвертирующем входе равно

Напряжение на неинвертирующем входе равно

Исходя из принципа равенства напряжения на инвертирующем и неинвертирующем входах получаем

Таким образом, напряжение на выходе операционного усилителя равно

Отсюда делаем вывод, что для корректной работы напряжения смещения

должно быть больше максимального входного напряжения с учетом подаваемого на вход напряжения смещения.

Промоделируем схему инвертирующего усилителя со следующими параметрами:

Результаты моделирования приведены на рисунке ниже (картинка кликабельна)

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

6. Инвертирующий сумматор

Операционный усилитель можно использовать для суммирования различных сигналов. С помощью резисторов можно задавать «вес» каждого из сигнала в общей сумме. Схема инвертирующего сумматора приведена на рисунке ниже.

Расчет инвертирующего сумматора очень прост и основывается на принципе суперпозиции: суммарный выходной сигнал равен сумме отдельных составляющих:

Рассчитаем и произведем моделирование инвертирующего сумматора со следующими параметрами:

Для обеспечения требуемых «весов»

,

и

выберем следущие номиналы резисторов из ряда Е96:

Результат моделирования приведен на рисунке ниже (картинка кликабельна).

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

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

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

7. Дифференциальный усилитель

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

Схема дифференциального усилителя приведена на рисунке.

Для дифференциального усилителя можно записать следующие выражения:

Решая эту систему уравнений, получаем

Если мы примем, что

то данное выражение упрощается и преобразуется в

Таким образом, коэффициент усиления дифференциального сигнала определяется отношением R2 к R1.

Эта формула (да и сама схема включения дифференциального усилителя) очень похожа на рассмотренный ранее случай инвертирующего усилителя в схеме с однополярным питанием. Действительно, все так и есть: схема инвертирующего усилителя с однополярным питанием и напряжением смещения есть частный случай дифференциального усилителя, просто в ней на один из входов подается не какой-то переменный сигнал, а постоянное напряжение.

Произведем моделирование схемы со следующими параметрами:

Результаты моделирования приведены на рисунке ниже (изображение кликабельно).

Как видим, разница между сигналами и в 5 мВ оказалась усиленной в 50 раз и стала 250 мВ.

Посмотрим теперь, как дифференциальный усилитель давит синфазную помеху. Для этого подключим к сигналам и общий генератор белого шума и произведем моделирование, его результаты представлены на рисунке (картинка кликабельна).

На верхней осциллограмме приведены сигналы и с добавленной помехой: самого сигнала уже даже не видно за шумами. На нижней осциллограмме приведен результат работы дифференциального усилителя. Поскольку помеха одна и та же для инвертирующего и неинвертирующего входа, дифференциальный усилитель ее убирает, и в результате мы имеем чистый сигнал, не отличающийся от случая без помехи.

Однако стоит все же помнить, что способность операционного усилителя давить синфазную помеху не бесконечна, данный параметр обычно приводится в документации на операционный усилитель. Кроме того, нельзя забывать и про величину входного сопротивления дифференциального усилителя со стороны инвертирующего входа: оно по-прежнему может быть невелико.

8. Источник тока

Операционный усилитель при определенном включении может работать как источник тока. Источник тока поддерживает постоянный ток вне зависимости от величины сопротивления нагрузки (в идеальном источнике нагрузка может быть вообще любая, в реальном – не больше какой-либо величины, пропорциональной максимально возможному напряжению, которое может сформировать на ней источник тока). Возможно как минимум две схемы источника тока на операционном усилителе: с плавающей нагрузкой и с заземленной нагрузкой. Схема источника тока с плавающей нагрузкой предельно проста и приведена на рисунке ниже

Как видим, на неинвертирующий вход подается опорное напряжение, а в роли нагрузки выступает один из элементов обратной связи. Величина тока при этом определяется следующим выражением

Однако все-таки чаще требуется, чтобы нагрузка была заземлена. В этому случае схема немного усложняется: потребуется дополнительный транзистор. Для этих целей лучше брать полевой транзистор: у биполярного транзистора токи коллектора и эмиттера немного отличаются из-за тока базы, что приведет к менее стабильной работе источника тока. Схема источника тока на операционном усилителе с заземленной нагрузкой приведена на рисунке ниже

Величина тока рассчитывается так:

Произведем расчет и моделирование источника тока со следующими параметрами:

• Операционный усилитель LT1803
• Величина силы тока
• Величина сопротивления нагрузки

Для обеспечения заданных характеристик подойдут следующие номиналы сопротивлений резисторов:

Результат моделирования источника тока с заданными параметрами представлен на рисунке ниже (изображение кликабельно).

На рисунке приведено два графика. Верхний график показывает величину тока через сопротивление нагрузки, и она равна 10 мА. Нижний график показывает напряжение на нагрузке, оно равно 100 мВ. Попробуем теперь изменить сопротивление нагрузки: вместо 10 Ом возьмем 100 Ом и промоделируем (изображение кликабельно):

Как мы видим, через нагрузку течет все тот же самый ток в 10 мА: операционный усилитель отработал изменение нагрузки, повысив на ней напряжение, оно теперь стало равным 1 В. Но в реальности операционный усилитель не сможет поднимать напряжение бесконечно: оно ограничено напряжением источника питания (а зачастую еще и несколько меньше него). Что же будет, если задать сопротивление нагрузки слишком высоким? По сути, источник тока перестает работать. На рисунке ниже пример моделирования источника с сопротивление нагрузки в 1 кОм (изображение кликабельно).

Согласно графику, ток через нагрузку теперь уже никакие не 10 мА, а всего лишь 4 мА. При дальнейшем повышении сопротивления нагрузки ток будет все меньше и меньше.

Дополнительно по приведенным схемам источников тока на операционных усилителях надо отметить, что стабильность выходного тока в них зависит от стабильности напряжения , в связи с этим оно должно быть хорошо стабилизированным. Существуют более сложные схемы, которые позволяют уйти от этой зависимости, но в рамках данной статьи мы их рассматривать не будем.

9. Интегратор на операционном усилителе

Думаю, что все читатели знакомы с классической схемой интегратора на RC-цепочке:

Эта схема чрезвычайно широко используется на практике, однако имеет в себе один серьезный недостаток: выходное сопротивление этой схемы велико и, как следствие, входной сигнал может существенно ослабляться. Для устранения этого недостатка возможно использование операционного усилителя.

Простейшая схема интегратора на операционном усилителе, встречающаяся во всех учебниках, приведена на рисунке ниже.

Как видно из рисунка — это инвертирующий интегратор, т.е. помимо интегрирования сигнала, он меняет также и его полярность. Следует отметить, что это требуется далеко не всегда. Еще один серьезный недостаток этой схемы — конденсатор интегратора накапливает в себе заряд, который надо как-то сбрасывать. Для этого можно либо применять резистор, включенный параллельно с конденсатором (однако необходимо учитывать также его влияние на итоговый сигнал), либо же сбрасывать заряд с помощью полевого транзистора, открывая его в нужные моменты времени. По этой причине я решил рассмотреть более подробно другую схему интегратора с использованием операционного усилителя, которая, на мой взгляд, заслуживает больший практический интерес:

Как видно из рисунка, эта схема представляет собой классический интегратор на RC-цепочке, к которому добавлен повторитель на операционном усилителе: с помощью него решается проблема выходного сопротивления.

Интегратор можно также рассматривать как фильтр нижних частот. Частота среза АЧХ фильтра высчитывается по формуле

Тут стоит обратить внимание на один очень важный момент. Надо всегда помнить, что частота среза, рассчитанная выше, верна только для RC-цепочки и не учитывает частотных свойств самого операционного усилителя. Частотными свойствами операционного усилителя можно пренебречь, если мы попадаем в его рабочий диапазон частот, но если мы вдруг выйдем за него, то итоговая частотная характеристика схемы будет совсем не такой, как мы ожидали. Грубо говоря, если у нас RC-цепочка настроена на 1 МГц, а операционный усилитель позволяет работать до 100 МГц – все хорошо. Но если у нас цепочка на 10 МГц, а операционный усилитель работает до 1 МГц – все плохо.

В качестве примера рассчитаем ФНЧ со следующими параметрами частотой среза АЧХ в 1 МГц. Для такой частоты можно выбрать

• Частота среза АЧХ
• Операционный усилитель LT1803 (Максимальная частота 85 МГц)

Для заданной частоты среза АЧХ подойдут следующие номиналы сопротивления и емкости RC-цепочки:

Результат моделирования приведен на рисунке ниже (изображение кликабельно). На этом рисунке показаны две частотные характеристики: отдельно для RC-цепочки (красная линия) и для всей схемы целиком (RC-цепочка+операционный усилитель, зеленая линия).

Как видно из рисунка, красная и зеленая линии сначала совпадают, а начиная с определенной частоты зеленая идет вниз гораздо круче. Это как раз и объясняется тем, что на частотные свойства схемы начинает оказывать влияние уже сам операционный усилитель.

Ну и поскольку все-таки мы рассматриваем интегратор, то на следующем рисунке (кликабельно) приведена классическая картинка из учебников: интегрирование прямоугольных импульсов. Параметры интегратора те же, какие были в предыдущем моделировании частотной характеристики.

10. Дифференциатор на операционном усилителе

Схема простейшего дифференциатора на RC-цепочке известна ничуть не меньше, чем схема интегратора:

Эта схема имеет все тот же недостаток, связанный с высоким выходным сопротивлением, и для его устранения можно аналогичным образом применить операционный усилитель. Схема инвертирующего дифференциатора получается из схемы инвертирующего интегратора путем замены конденсаторов на резисторы и резисторов на конденсаторы, она приведена на рисунке ниже.

Однако и в этом случае более подробно рассмотрим другую схему, состоящую из классического дифференциатора на RC-цепочке и повторителя на операционном усилителе:

Если интегратор мы рассматривали как простейший фильтр нижних частот, то дифференциатор наоборот – фильтр верхних частот. Частота среза АЧХ считается все по той же формуле

В случае дифференциатора также нельзя забывать про частотные свойства самого операционного усилителя: здесь они выражены даже более ярко, чем в случае с интегратором. Как мы уже убедились в прошлом разделе, начиная с определенной частоты операционный усилитель работает как фильтр нижних частот, тогда как дифференциатор – это фильтр верхних частот. Вместе они будут работать как полосовой фильтр.

В качестве примера рассчитаем ФВЧ с частотой среза АЧХ равной тем же 1 МГц. Для такой частоты можно выбрать все те же номиналы компонентов, которые были в случае ФНЧ:

Результат моделирования приведен на рисунке ниже (картинка кликабельна). На этом рисунке показаны две частотные характеристики: отдельно для RC-цепочки (красная линия) и для всей схемы целиком (RC-цепочка + операционный усилитель, зеленая линия).

Как видно из рисунка, красная и зеленая линии сначала совпадают, а начиная с определенной частоты, зеленая линия идет резко вниз, тогда как красная линия, отражающая работу непосредственно самой RC-цепочки, горизонтальна.

Работа дифференциатор при подаче на его вход прямоугольных импульсов приведена на рисунке ниже (изображение кликабельно).

Заключение

В данной статье мы рассмотрели десять наиболее часто встречающихся схем на операционных усилителях. Операционный усилитель – мощный инструмент в умелых руках, и количество схем, которые можно создать с его помощью, конечно, многократно превосходит то, что было рассмотрено, однако, надеюсь, данный материал будет кому-то полезен и поможет более уверенно использовать этот компонент в своих разработках.

Полезные ссылки

1. Хоровиц П., Хилл У. Искусство схемотехники: — Изд. 2-е. — М.: Издательство БИНОМ — 2014. — 704 с
2. Картер Б., Манчини Р. Операционные усилители для всех — М.: Издательский дом «Додэка — XXI» — 2011. — 509 с
3. LT1803

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

Операционный усилитель, принцип работы для чайников!

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

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

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

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

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

[contents]

Что такое операционный усилитель ?

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

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

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

Условное графическое обозначение (УГО)

Условное обозначение операционного усилителя выглядит следующим образом.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Правильное питание ОУ

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

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

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

Пример на батарейках

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

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

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

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

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

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

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

Схемы источников двуполярного питания

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

Схема с трансформатором,  с отводом от «средней» точки

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

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

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

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

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

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

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

Схема с двумя диодными мостами

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

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

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

Обратная связь ОУ

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

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

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

В операционном усилителе все происходит подобным образом.

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

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

Положительная обратная связь,  отрицательная обратная связь

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

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

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

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

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

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

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

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

Схемы включения операционных усилителей

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

Компаратор на ОУ

Формулы для  компараторной схемы будут следующие:

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

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

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

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

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

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

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

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

Триггер Шмитта на ОУ

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

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

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

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

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

Этот зазор позволяет реализовать данная схема посредством положительной обратной связи.

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

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

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

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

Повторитель

Наиболее простой обладатель отрицательной обратной связи это повторитель.

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

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

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

Неинвертирующий усилитель

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

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

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

Инвертирующий усилитель

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

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

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

1В/110=Х/100, отсюда Х = 0,91В

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

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

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

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

Сумматор инвертирующий

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

С н/п Владимир Васильев.

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

Усилитель мощности на базе операционного усилителя

Усилитель мощности на базе операционного усилителя

Elliott Sound Products

пр. 76

© Рохит Балкишан, март 2001 г.,
(отредактировал Род Эллиотт)
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 года), он более надежен и работает на операционных усилителях 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 коэффициента усиления по напряжению усилителя. Предполагая, что коэффициент усиления по напряжению каскада с общим коллектором равен единице, общий коэффициент усиления по напряжению усилителя будет 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 резервом 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 цепи 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 кроссоверные искажения. 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, чтобы получить минимальный слышимый выход с подходящим источником входного сигнала (например, проигрыватель компакт-дисков, который дает 0,65 В среднеквадратичного значения на линейном выходе), и прислушайтесь к любому звуковому сигналу. «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 примерно 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 В ниже, чем напряжение на шинах питания, прежде чем оно сработает.

Коэффициент усиления усилителя по напряжению 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, однако, 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 быть использованы в конструкции с более высокой стоимостью и лучшей производительностью, или почти любые операционные усилители общего назначения могут быть использованы для получения прилично работающей 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 напряжения (13 В / мкс) 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 регулируемых 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 стока (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
   точки A2 теперь напрямую связаны с o / p точки A1). Желательно через резистор 100 Ом . Или А1
   также может использоваться 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 простую схему смещения, производительность
   усилитель неплохой.Потенциал R6 50K не нуждался в какой-либо регулировке для удаления кроссоверных искажений 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), сопровождаемый 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, так как любое меньшее значение вызовет утомление слушателя.Значение 12 пФ дает наилучшую высокочастотную характеристику, соответствующую верхней частоте -3 дБ около 63 кГц. Таким же образом можно увеличить C1, 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 амплитуды напряжения теперь будет около ± 12 В (размах) или мощность 18 Вт при нагрузке 4 Ом, или 9 Вт при 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) путем двухполосного усиления (трехканального). 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 чистые, поэтому рекомендуется использовать этот усилитель в системе с двойным / тройным усилением, а не отдельно. Для системы с трехканальным усилением (или двухполосной 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 регулируется подача и насколько хорошо она 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, прямолинейен, 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 блока 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. В обход электролита конденсаторами емкостью 100 нФ нет необходимости, но вы можете это сделать, если хотите.

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 и на 3А непрерывно.

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 распиновка микросхемы соответственно. Как и любая система 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 таким образом, 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.

Основной индекс
Указатель проектов

Уведомление об авторских правах. Эта статья, включая, помимо прочего, весь текст и диаграммы, является интеллектуальной собственностью Рохита Балкишана и Рода Эллиотта и © 2001.Воспроизведение или повторная публикация любыми средствами, электронными, механическими или электромеханическими, строго запрещены в соответствии с международными законами об авторском праве. Автор (Рохит Балкишан) и редактор (Род Эллиотт) предоставляют читателю право использовать эту информацию только для личного использования, а также разрешают сделать одну (1) копию для справки при создании проекта. Коммерческое использование запрещено без письменного разрешения Рохита Балкишана и Рода Эллиотта.

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

Основы, типы и применение операционных усилителей | Статья

.

СТАТЬЯ

Получайте ценные ресурсы прямо на свой почтовый ящик — рассылается раз в месяц

Мы ценим вашу конфиденциальность

Что такое операционный усилитель?

Операционный усилитель (ОУ) — это блок аналоговой схемы, который принимает входное дифференциальное напряжение и выдает несимметричное выходное напряжение.

Операционные усилители

обычно имеют три терминала: два входа с высоким сопротивлением и выходной порт с низким сопротивлением. Инвертирующий вход обозначается знаком минус (-), а неинвертирующий вход использует положительный знак (+). Операционные усилители работают для усиления разности напряжений между входами, что полезно для множества аналоговых функций, включая цепочку сигналов, питание и приложения управления.

Классификация операционных усилителей

Существует четыре способа классификации операционных усилителей:

• Усилители напряжения принимают напряжение и создают напряжение на выходе.
• Усилители тока получают токовый вход и выдают токовый выход.
• Transconductance Усилители преобразуют входное напряжение в выходной ток.
• Трансрезистивные усилители преобразуют входной ток и выдают выходное напряжение.

Поскольку большинство операционных усилителей используются для усиления напряжения, в этой статье основное внимание будет уделено усилителям напряжения.

Операционные усилители

: основные характеристики и параметры

Операционные усилители (см. Рисунок 1) имеют много различных важных характеристик и параметров.Эти характеристики более подробно описаны ниже.

Рисунок 1: Схема операционного усилителя

Коэффициент усиления без обратной связи

Коэффициент усиления без обратной связи: коэффициент усиления без обратной связи («A» на рис. 1 , ) операционного усилителя является мерой усиления, достигаемого при отсутствии обратной связи в схеме. Это означает, что цепь обратной связи разомкнута. Коэффициент усиления без обратной связи часто должен быть чрезвычайно большим (10 000+), чтобы быть полезным сам по себе, за исключением компараторов напряжения.

Компараторы

сравнивают напряжения на входных клеммах. Даже при небольших перепадах напряжения компараторы напряжения могут направлять выходной сигнал либо на положительную, либо на отрицательную шины. Высокие коэффициенты усиления без обратной связи полезны в конфигурациях с обратной связью, поскольку они обеспечивают стабильное поведение схемы при изменении температуры, процесса и сигнала.

Входное сопротивление

Другой важной характеристикой операционных усилителей является то, что они обычно имеют высокий входной импеданс («Z _IN » на , рис. 1, ).Входное сопротивление измеряется между отрицательной и положительной входными клеммами, и его идеальное значение равно бесконечности, что минимизирует нагрузку на источник. (На самом деле происходит небольшая утечка тока.) Расположение схемы вокруг операционного усилителя может значительно изменить эффективное входное сопротивление источника, поэтому внешние компоненты и контуры обратной связи должны быть тщательно настроены. Важно отметить, что входное сопротивление определяется не только входным сопротивлением постоянному току. Входная емкость также может влиять на поведение схемы, поэтому это также необходимо учитывать.

Выходное сопротивление

Операционный усилитель в идеале должен иметь нулевой выходной импеданс («Z _OUT » на рисунке , рис. 1, ). Однако выходное сопротивление обычно имеет небольшое значение, которое определяет величину тока, который он может выдавать, и насколько хорошо он может работать в качестве буфера напряжения.

Частотная характеристика и полоса пропускания (BW)

Идеальный операционный усилитель должен иметь бесконечную полосу пропускания (BW) и поддерживать высокий коэффициент усиления независимо от частоты сигнала.Однако все операционные усилители имеют конечную полосу пропускания, обычно называемую «точкой -3 дБ», где коэффициент усиления начинает падать с увеличением частоты. Затем коэффициент усиления усилителя уменьшается со скоростью -20 дБ / декаду, а частота увеличивается. Операционные усилители с более высокой полосой пропускания обладают улучшенными характеристиками, поскольку они поддерживают более высокий коэффициент усиления на более высоких частотах; однако этот более высокий выигрыш приводит к большему потреблению энергии или увеличению стоимости.

Рисунок 2: Кривая частотной характеристики разомкнутого контура операционного усилителя

Произведение на коэффициент усиления (фунт стерлингов)

Как следует из названия, GBP — это произведение коэффициента усиления и полосы пропускания усилителя.GBP является постоянной величиной на кривой, и ее можно рассчитать по формуле (1):

$$ GBP = Прирост x Полоса пропускания = A x BW $$

GBP измеряется в точке частоты, в которой коэффициент усиления операционного усилителя достигает единицы. Это полезно, поскольку позволяет пользователю рассчитать коэффициент усиления разомкнутого контура устройства на разных частотах. GBP операционного усилителя обычно является мерой его полезности и производительности, поскольку операционные усилители с более высоким коэффициентом полезного действия могут использоваться для достижения лучших характеристик на более высоких частотах.

Это основные параметры, которые следует учитывать при выборе операционного усилителя в вашей конструкции, но есть много других факторов, которые могут повлиять на вашу конструкцию, в зависимости от приложения и требований к производительности. Другие общие параметры включают входное напряжение смещения, шум, ток покоя и напряжения питания.

Отрицательная обратная связь и усиление с обратной связью

В операционном усилителе отрицательная обратная связь реализуется путем подачи части выходного сигнала через внешний резистор обратной связи и обратно на инвертирующий вход (см. Рисунок 3) .

Рисунок 3: Отрицательная обратная связь с инвертирующим операционным усилителем

Отрицательная обратная связь используется для стабилизации усиления. Используя отрицательную обратную связь, коэффициент усиления с обратной связью можно определить с помощью внешних компонентов обратной связи, которые могут иметь более высокую точность по сравнению с внутренними компонентами операционного усилителя. Это связано с тем, что внутренние компоненты операционного усилителя могут существенно отличаться из-за технологических сдвигов, изменений температуры, изменения напряжения и других факторов. Коэффициент усиления с обратной связью можно рассчитать с помощью уравнения (2) :

$$ \ frac {V_ {OUT}} {V_ {IN}} = \ frac 1 f $$

Операционные усилители: преимущества и ограничения

Использование операционного усилителя дает множество преимуществ. Операционные усилители часто имеют форму ИС и широко доступны с бесчисленным количеством выбираемых уровней производительности для удовлетворения потребностей любого приложения. Операционные усилители имеют широкий диапазон применений и, как таковые, являются ключевым строительным блоком во многих аналоговых приложениях, включая конструкции фильтров, буферы напряжения, схемы компараторов и многие другие. Кроме того, большинство компаний предоставляют поддержку моделирования, такую ​​как модели PSPICE, чтобы дизайнеры проверяли свои проекты операционных усилителей перед созданием реальных проектов.

Ограничения на использование операционных усилителей включают тот факт, что они являются аналоговыми схемами, и требуют, чтобы разработчик понимал основы аналоговой обработки, такие как нагрузка, частотная характеристика и стабильность. Нет ничего необычного в том, чтобы спроектировать, казалось бы, простую схему операционного усилителя, только чтобы включить ее и обнаружить, что она колеблется. Из-за некоторых ключевых параметров, обсужденных ранее, разработчик должен понимать, как эти параметры влияют на его дизайн, что обычно означает, что разработчик должен иметь опыт аналогового проектирования от среднего до высокого.

Топологии конфигурации операционных усилителей

Существует несколько различных схем операционного усилителя, каждая из которых отличается по функциям. Ниже описаны наиболее распространенные топологии.

Повторитель напряжения

Самая простая схема операционного усилителя — это повторитель напряжения (см. Рисунок 4) . Эта схема обычно не требует внешних компонентов и обеспечивает высокий входной импеданс и низкий выходной импеданс, что делает ее полезным буфером.Поскольку входное и выходное напряжение равны, изменения входного напряжения вызывают эквивалентные изменения выходного напряжения.

$$ V_ {OUT} = V_ {IN} $$

Рисунок 4: Повторитель напряжения

Наиболее распространенными операционными усилителями, используемыми в электронных устройствах, являются усилители напряжения, которые увеличивают величину выходного напряжения. Инвертирующая и неинвертирующая конфигурации — две наиболее распространенные конфигурации усилителей. Обе эти топологии являются замкнутыми (это означает, что существует обратная связь от выхода к входным клеммам), и, таким образом, коэффициент усиления по напряжению устанавливается соотношением двух резисторов.

Инвертирующий операционный усилитель

В инвертирующих операционных усилителях операционный усилитель заставляет отрицательный вывод равняться положительному выводу, который обычно является заземлением. Следовательно, входной ток определяется соотношением V _IN / R1 (см. Рисунок 5) .

Рисунок 5: Инвертирующий операционный усилитель

В этой конфигурации такой же ток течет через R2 к выходу. В идеале ток не течет на отрицательную клемму операционного усилителя из-за высокого уровня Z _IN .Ток, протекающий от отрицательной клеммы через R2, создает инвертированную полярность напряжения по отношению к V _IN . Вот почему эти операционные усилители имеют инвертирующую конфигурацию. Обратите внимание, что выход операционного усилителя может качаться только между положительным и отрицательным питанием, поэтому для создания отрицательного выходного напряжения требуется операционный усилитель с отрицательной шиной питания. V _OUT можно рассчитать с помощью уравнения (3) :

$$ V_ {OUT} = — \ left ({R_2} \ over {R_1} \ right) x V_ {IN} $$

Неинвертирующий операционный усилитель

В схеме неинвертирующего усилителя входной сигнал от источника подключается к неинвертирующей (+) клемме (см. Рисунок 6) .

Рисунок 6: Неинвертирующий операционный усилитель

Операционный усилитель вынуждает инвертирующее (-) напряжение на клеммах равняться входному напряжению, что создает ток через резисторы обратной связи. Выходное напряжение всегда находится в фазе с входным напряжением, поэтому эта топология известна как неинвертирующая. Обратите внимание, что с неинвертирующим усилителем коэффициент усиления по напряжению всегда больше 1, что не всегда имеет место в инвертирующих конфигурациях. VOUT можно рассчитать с помощью уравнения (4) :

$$ V_ {OUT} = \ left (1 + \ frac {{R_2}} {R_1} \ right) x V_ {IN} $$

Компаратор напряжения

Компаратор напряжения операционного усилителя сравнивает входное напряжение и подает выход на шину питания того входа, который выше.Эта конфигурация считается работой без обратной связи, потому что нет обратной связи. Компараторы напряжения работают намного быстрее, чем топологии с обратной связью, описанные выше (см. Рисунок 7) .

Рисунок 7: Компаратор напряжения

Как выбрать операционный усилитель для вашего приложения

В следующем разделе обсуждаются некоторые соображения при выборе подходящего операционного усилителя для вашего приложения.

Во-первых, выберите операционный усилитель, который может поддерживать ожидаемый диапазон рабочих напряжений. Эту информацию можно получить, посмотрев на напряжение источника питания усилителя. Напряжение питания, вероятно, будет либо V _DD (+) и заземлением (одинарное питание), либо усилитель может поддерживать как положительное, так и отрицательное напряжение. Отрицательное питание полезно, если выход должен поддерживать отрицательное напряжение.

Во-вторых, рассмотрим GBP усилителя. Если ваше приложение должно поддерживать более высокие частоты или требует более высокой производительности и уменьшения искажений, подумайте об операционных усилителях с более высоким коэффициентом полезного действия.

Следует также учитывать энергопотребление, поскольку для некоторых приложений может потребоваться работа с низким энергопотреблением. Рекомендуемые требования к питанию обычно можно найти в техническом описании детали и обычно указаны как ток питания и потребляемая мощность. Потребляемая мощность также может быть оценена как произведение тока и напряжения питания. Как правило, операционные усилители с более низкими токами питания имеют меньшее значение GBP и соответствуют более низким характеристикам схемы.

Для приложений, требующих более высокой точности, разработчик должен уделять особое внимание входному напряжению смещения усилителя, поскольку это напряжение приводит к смещению выходного напряжения усилителя.

Резюме

Операционные усилители широко используются во многих аналоговых и силовых приложениях. Преимущества использования операционного усилителя заключаются в том, что они, как правило, широко понятны, хорошо документированы и поддерживаются, а также довольно просты в использовании и внедрении. Операционные усилители полезны для многих приложений, таких как буферы напряжения, создание аналоговых фильтров и пороговых детекторов. Обладая более глубоким пониманием ключевых параметров и распространенных топологий, связанных с операционными усилителями, вы можете приступить к их внедрению в свои схемы.

_________________________

Вам это показалось интересным? Получайте ценные ресурсы прямо на свой почтовый ящик — рассылайте их раз в месяц!

Получить техническую поддержку

Что такое операционный усилитель?

Представление операционных усилителей ABLIC

1. Что такое 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 цепям 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 неинвертирующая схема 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 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 низком напряжении от 2,65 В и атрибутах напряжения смещения с низким значением. Мы также предлагаем серию S-89713 (для общего использования) в сверхмалых корпусах (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

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 спада 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 в значительной степени контролировать усиление операционного усилителя, так что коэффициент усиления схемы, использующей отрицательную обратную связь, определяется не коэффициентом усиления используемого устройства (операционный усилитель или транзистор), 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, полосу пропускания с единичным усилением около 1 МГц и входное сопротивление 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 переключать 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 разомкнутого контура не контролируется жестко во время производства, операционные усилители одного и того же типа могут давать разное усиление разомкнутого контура.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, усиление (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 сопротивлением. 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 инвертирующий, так и неинвертирующий 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 правильно, 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 можно установить 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.

Схема инвертирующего звукового предусилителя

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 попадание постоянного напряжения 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 характера 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 резистора 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 класс AB Схема усилителя мощности звука:

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 в динамик только усиленный аудиосигнал переменного тока.

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 аудиоусилителя. После каскада активного фильтра требуется 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 (на выходе находится половина 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 может изменить 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 вызвать недостаточное смещение входа (вместо получения половины необходимое напряжение питания, 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 рабочим циклом 50% — если требуется идеальный рабочий цикл 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?

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 компонентами внешней 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 во множестве 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 появлением 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. Банка металлическая упаковка (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 заземлению, 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).
• Разделительный 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 (+) входе.
• Входной ток смещения: Это среднее значение токов, поступающих на (-) входные и (+) входные клеммы операционного усилителя.
• Входное сопротивление: Это дифференциальное входное сопротивление, которое видно на любой из входных клемм, когда другая клемма подключена к земле.
• Входная емкость: Это эквивалентная емкость, которую можно измерить на любом из входных выводов, когда другой вывод подключен 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 разными способами для формирования основных схем, 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 противо логарифмический
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.

Операционные усилители (операционные усилители) | Analog Devices

Некоторые файлы cookie необходимы для безопасного входа в систему, а другие необязательны для функциональной деятельности. Сбор наших данных используется для улучшения наших продуктов и услуг. Мы рекомендуем вам принять наши файлы cookie, чтобы обеспечить максимальную производительность и функциональность нашего сайта. Для получения дополнительной информации вы можете просмотреть сведения о файлах cookie. Узнайте больше о нашей политике конфиденциальности.

Принять и продолжить Принять и продолжить

Файлы cookie, которые мы используем, можно разделить на следующие категории:

Строго необходимые файлы cookie:

Это файлы cookie, которые необходимы для работы аналога.com или предлагаемые конкретные функции. Они либо служат единственной цели передачи данных по сети, либо строго необходимы для предоставления онлайн-услуг, явно запрошенных вами.

Аналитические / рабочие файлы cookie:

Эти файлы cookie позволяют нам выполнять веб-аналитику или другие формы измерения аудитории, такие как распознавание и подсчет количества посетителей и наблюдение за тем, как посетители перемещаются по нашему веб-сайту. Это помогает нам улучшить работу веб-сайта, например, за счет того, что пользователи легко находят то, что ищут.

Функциональные файлы cookie:

Эти файлы cookie используются для распознавания вас, когда вы возвращаетесь на наш веб-сайт. Это позволяет нам персонализировать наш контент для вас, приветствовать вас по имени и запоминать ваши предпочтения (например, ваш выбор языка или региона). Потеря информации в этих файлах cookie может сделать наши службы менее функциональными, но не помешает работе веб-сайта.

Целевые / профилирующие файлы cookie:

Эти файлы cookie записывают ваше посещение нашего веб-сайта и / или использование вами услуг, страницы, которые вы посетили, и ссылки, по которым вы переходили.Мы будем использовать эту информацию, чтобы сделать веб-сайт и отображаемую на нем рекламу более соответствующими вашим интересам. С этой целью мы также можем передавать эту информацию третьим лицам.

Отклонить файлы cookie

ОУ Практические рекомендации | Операционные усилители

Настоящие операционные усилители имеют некоторые недостатки по сравнению с «идеальной» моделью. Настоящее устройство отличается от идеального усилителя разности. Один минус один не может быть нулем. У него может быть смещение, как у аналогового измерителя, которое не обнулено.Входы могут потреблять ток. Характеристики могут изменяться с возрастом и температурой. Усиление может уменьшаться на высоких частотах, а фаза может сдвигаться от входа к выходу. Эти недостатки могут не вызывать заметных ошибок в одних приложениях и неприемлемых ошибок в других. В некоторых случаях эти ошибки можно компенсировать. Иногда требуется более качественное и дорогое устройство.

Синфазное усиление

Как указывалось ранее, идеальный дифференциальный усилитель только усиливает разность напряжений между двумя своими входами.Если два входа дифференциального усилителя должны быть закорочены вместе (таким образом гарантируя нулевую разность потенциалов между ними), выходное напряжение не должно измениться ни при какой величине напряжения, приложенного между этими двумя закороченными входами и землей:

Напряжение, общее между любым из входов и землей, как в данном случае «V _common-mode », называется синфазным напряжением . При изменении этого общего напряжения выходное напряжение идеального дифференциального усилителя должно оставаться абсолютно стабильным (без изменения выходного сигнала при любом произвольном изменении синфазного входа).Это означает, что коэффициент усиления синфазного напряжения равен нулю.

Операционный усилитель, будучи дифференциальным усилителем с высоким дифференциальным усилением, в идеале также должен иметь нулевое синфазное усиление. Однако в реальной жизни этого добиться нелегко. Таким образом, синфазные напряжения неизменно будут оказывать некоторое влияние на выходное напряжение операционного усилителя.

Производительность реального операционного усилителя в этом отношении обычно измеряется с точки зрения его дифференциального усиления по напряжению (насколько он усиливает разницу между двумя входными напряжениями) по сравнению с его синфазным коэффициентом усиления по напряжению (насколько он усиливает обычное напряжение). режим напряжения).Отношение первого ко второму называется коэффициентом отклонения синфазного сигнала , сокращенно CMRR:

.

Идеальный операционный усилитель с нулевым синфазным усилением имел бы бесконечный CMRR. Реальные операционные усилители имеют высокий CMRR, вездесущий 741 имеет что-то около 70 дБ, что составляет чуть более 3000 с точки зрения отношения.

Поскольку коэффициент подавления синфазного сигнала в типичном операционном усилителе очень высок, синфазное усиление обычно не вызывает большого беспокойства в схемах, где операционный усилитель используется с отрицательной обратной связью.Если синфазное входное напряжение схемы усилителя внезапно изменится, что приведет к соответствующему изменению на выходе из-за синфазного усиления, это изменение на выходе будет быстро скорректировано как отрицательная обратная связь и дифференциальное усиление ( намного больше, чем коэффициент усиления синфазного сигнала) работал, чтобы вернуть систему в равновесие. Конечно, на выходе можно увидеть изменение, но оно будет намного меньше, чем вы могли бы ожидать.

Однако следует помнить о синфазном усилении в схемах дифференциальных операционных усилителей, таких как инструментальные усилители.За пределами герметичного корпуса операционного усилителя и чрезвычайно высокого дифференциального усиления мы можем обнаружить синфазное усиление, вызванное дисбалансом значений резисторов. Чтобы продемонстрировать это, мы запустим SPICE-анализ на инструментальном усилителе с закороченными вместе входами (без дифференциального напряжения), наложив синфазное напряжение, чтобы увидеть, что произойдет. Сначала мы проведем анализ выходного напряжения идеально сбалансированной цепи. Следует ожидать, что выходное напряжение не изменится при изменении синфазного напряжения:

инструментальный усилитель v1 1 0 rin1 1 0 9e12 rjump 1 4 1e-12 rin2 4 0 9e12 e1 3 0 1 2 999k e2 6 0 4 5 999k e3 9 0 8 7 999k rload 9 0 10k r1 2 3 10k rgain 2 5 10k r2 5 6 10 тыс. R3 3 7 10 тыс. R4 7 9 10 тыс. R5 6 8 10 тыс. R6 8 0 10 тыс.dc v1 0 10 1. print dc v (9) .end 

v1 v (9) 0.000E + 00 0.000E + 00 1.000E + 00 1.355E-16 2.000E + 00 2.710E-16 3.000E + 00 0.000E + 00 Как видите, выходное напряжение v (9) 4.000 E + 00 5.421E-16 практически не меняется для синфазного входного напряжения 5.000E + 00 0.000E + 00 (v1), которое изменяется от 0 6.000E + 00 0.000E + 00 до 10 вольт. 7.000E + 00 0.000E + 00 8.000E + 00 1.084E-15 9.000E + 00 -1.084E-15 1.000E + 01 0.000E + 00 

За исключением очень небольших отклонений (на самом деле из-за причуд SPICE, а не реального поведения схемы), выход остается стабильным там, где он должен быть: при 0 вольт, с нулевым дифференциалом входного напряжения.Однако давайте внесем в схему дисбаланс резисторов, увеличив значение R ₅ с 10 000 Ом до 10 500 Ом, и посмотрим, что произойдет (список соединений для краткости опущен — единственное, что изменилось, это значение R _5). ):

v1 v (9) 0.000E + 00 0.000E + 00 1.000E + 00 -2.439E-02 2.000E + 00 -4.878E-02 3.000E + 00 -7.317E-02 На этот раз мы видим значительное изменение 4.000E + 00 -9.756E-02 (от 0 до 0,2439 вольт) в выходном напряжении 5.000E + 00 -1.220E-01 в качестве синфазного входного напряжения 6.000E + 00 -1.463E-01 от 0 до 10 вольт, как и раньше. 7.000E + 00 -1.707E-01 8.000E + 00 -1.951E-01 9.000E + 00 -2.195E-01 1.000E + 01 -2.439E-01 

Наш дифференциал входного напряжения по-прежнему равен нулю, но выходное напряжение значительно изменяется при изменении синфазного напряжения. Это указывает на синфазное усиление, чего мы пытаемся избежать. Более того, это наше собственное усиление синфазного сигнала, не имеющее ничего общего с недостатками самих операционных усилителей. При сильно регулируемом дифференциальном усилении (фактически равном 3 в этой конкретной схеме) и отсутствии отрицательной обратной связи за пределами схемы, это синфазное усиление не будет проверяться в приложении сигнала прибора.

Есть только один способ исправить это синфазное усиление — сбалансировать все значения резисторов. При проектировании инструментального усилителя из дискретных компонентов (вместо того, чтобы покупать один в интегрированном корпусе), разумно предусмотреть некоторые средства для выполнения точной настройки по крайней мере одного из четырех резисторов, подключенных к конечному операционному усилителю, чтобы иметь возможность « обрезать ”любое такое усиление синфазного сигнала. Предоставление средств для «обрезки» резисторной сети также имеет дополнительные преимущества.Предположим, что все номиналы резисторов в точности такие, какими должны быть, но синфазное усиление существует из-за несовершенства одного из операционных усилителей. С помощью положения регулировки сопротивление может быть уменьшено, чтобы компенсировать это нежелательное усиление.

Одной из особенностей некоторых моделей операционных усилителей является то, что выход с фиксацией положения обычно вызван превышением синфазным входным напряжением допустимых пределов. Если синфазное напряжение выходит за пределы, указанные производителем, выход может внезапно «защелкнуться» в высоком режиме (насыщаться при полном выходном напряжении).В операционных усилителях с JFET-входом может возникнуть фиксация, если синфазное входное напряжение слишком близко к отрицательному напряжению шины питания. Например, на операционном усилителе TL082 это происходит, когда синфазное входное напряжение находится в пределах 0,7 В от отрицательного напряжения шины питания. Такая ситуация может легко возникнуть в схеме с однополярным питанием, где отрицательная шина питания заземлена (0 вольт), а входной сигнал может свободно колебаться до 0 вольт.

Блокировка также может быть вызвана синфазным входным напряжением , превышающим напряжение шины питания, отрицательное или положительное.Как правило, ни в коем случае нельзя допускать, чтобы входное напряжение поднималось выше положительного напряжения шины питания или опускалось ниже отрицательного напряжения шины питания, даже если рассматриваемый операционный усилитель защищен от защелкивания (как 741 и 1458 моделей операционных усилителей). По крайней мере, поведение операционного усилителя может стать непредсказуемым. В худшем случае фиксация, вызванная входным напряжением, превышающим напряжения источника питания, может быть разрушительной для операционного усилителя.

Хотя может показаться, что этой проблемы легко избежать, ее вероятность более вероятна, чем вы думаете.Рассмотрим случай схемы операционного усилителя при включении питания. Если схема получает полное напряжение входного сигнала до того, как ее собственный источник питания успеет зарядить конденсаторы фильтра, синфазное входное напряжение может легко превысить напряжение шины источника питания на короткое время. Если операционный усилитель получает напряжение сигнала от цепи, питаемой от другого источника питания, и его собственный источник питания выходит из строя, напряжение (я) сигнала может превышать напряжения шины питания на неопределенное время!

Напряжение смещения

Еще одна практическая проблема, связанная с производительностью операционного усилителя, — это смещение напряжения .То есть эффект наличия выходного напряжения, отличного от нуля вольт, когда две входные клеммы закорочены вместе. Помните, что операционные усилители — это прежде всего дифференциальные усилители: они должны усиливать разницу в напряжении между двумя входными соединениями и ничего более. Когда эта разница входного напряжения составляет ровно ноль вольт, мы (в идеале) ожидаем, что на выходе будет ровно ноль вольт. Однако в реальном мире такое случается редко. Даже если рассматриваемый операционный усилитель имеет нулевое синфазное усиление (бесконечный CMRR), выходное напряжение может отличаться от нуля, когда оба входа закорочены вместе.Это отклонение от нуля называется смещением , смещением .

Идеальный операционный усилитель выдавал бы ровно ноль вольт, если бы оба его входа были закорочены вместе и заземлены. Однако большинство имеющихся в продаже операционных усилителей будут доводить свои выходы до уровня насыщения, либо отрицательного, либо положительного. В показанном выше примере выходное напряжение насыщено положительным значением 14,7 В, что немного меньше + В (+15 В) из-за положительного предела насыщения этого конкретного операционного усилителя. Поскольку смещение в этом операционном усилителе приводит выход к точке полного насыщения, невозможно определить, сколько смещения напряжения присутствует на выходе.Если бы разделенный источник питания + V / -V имел достаточно высокое напряжение, кто знает, возможно, из-за эффекта смещения выходное напряжение могло бы составить несколько сотен вольт в одну или другую сторону!

По этой причине напряжение смещения обычно выражается через эквивалентную величину входного перепада напряжения , вызывающего этот эффект. Другими словами, мы представляем себе, что операционный усилитель идеален (без смещения вообще), и небольшое напряжение подается последовательно с одним из входов, чтобы заставить выходное напряжение в ту или иную сторону от нуля.Поскольку дифференциальное усиление операционного усилителя настолько велико, цифра для «входного напряжения смещения» не должна быть большой, чтобы учесть то, что мы видим с закороченными входами:

Напряжение смещения будет иметь тенденцию вносить небольшие ошибки в любую схему операционного усилителя. Так как же нам это компенсировать? В отличие от синфазного усиления, производитель обычно предусматривает обрезку смещения корпусного операционного усилителя. Обычно две дополнительные клеммы на корпусе операционного усилителя зарезервированы для подключения внешнего «подстроечного» потенциометра.Эти точки подключения помечены как смещение нуля и используются в общем случае:

В одиночных операционных усилителях, таких как 741 и 3130, точки подключения нулевого смещения — это контакты 1 и 5 на 8-контактном корпусе DIP. Другие модели операционных усилителей могут иметь соединения нулевого смещения, расположенные на других выводах, и / или требовать немного отличающейся конфигурации соединения подстроечного потенциометра. Некоторые операционные усилители вообще не имеют нулевых выводов со смещением! За подробностями обращайтесь к спецификациям производителя.

Ток смещения

Входы операционного усилителя имеют чрезвычайно высокий входной импеданс. То есть входные токи, входящие или выходящие из двух соединений входных сигналов операционного усилителя, чрезвычайно малы. Для большинства целей анализа схем операционных усилителей мы рассматриваем их так, как будто их вообще не существует. Мы анализируем схему так, как если бы на входе или выходе из входных соединений был абсолютно нулевой ток. Однако эта идиллическая картина не совсем верна. Операционные усилители, особенно операционные усилители с биполярными транзисторными входами, должны пропускать через свои входные соединения некоторое количество тока, чтобы их внутренние цепи были правильно смещены.Эти токи, логично, называются токами смещения . При определенных условиях токи смещения операционного усилителя могут быть проблематичными. Следующая схема иллюстрирует одно из этих проблемных состояний:

На первый взгляд, видимых проблем с этой схемой мы не видим. Термопара, генерирующая небольшое напряжение, пропорциональное температуре (фактически, напряжение, пропорциональное разнице температуры между измерительным спаем и «эталонным» спаем, образующимся, когда провода термопары из сплава соединяются с медными проводами, ведущими к операционному усилителю. ) управляет операционным усилителем либо положительно, либо отрицательно.Другими словами, это своего рода схема компаратора, сравнивающая температуру между концевым спаем термопары и опорным спаем (рядом с операционным усилителем). Проблема заключается в следующем: проволочная петля, образованная термопарой, не обеспечивает путь для обоих входных токов смещения, потому что оба тока смещения пытаются пройти одинаковым путем (либо в операционный усилитель, либо из него).

Для того, чтобы эта схема работала правильно, мы должны заземлить один из входных проводов, обеспечивая тем самым путь к земле (или от нее) для обоих токов:

Не обязательно очевидная проблема, но вполне реальная!

Еще один способ, которым входные токи смещения могут вызвать проблемы, — это падение нежелательных напряжений на сопротивлениях цепи.Возьмем, к примеру, эту схему:

Мы ожидаем, что схема повторителя напряжения, подобная приведенной выше, будет точно воспроизводить входное напряжение на выходе. Но как насчет сопротивления, включенного последовательно с источником входного напряжения? Если через неинвертирующий (+) вход вообще есть какой-либо ток смещения, он упадет на некоторое напряжение на R _в , таким образом, напряжение на неинвертирующем входе станет неравным фактическому значению V _в . Токи смещения обычно находятся в диапазоне микроампер, поэтому падение напряжения на R _в не будет очень большим, если только R _в не будет очень большим.Одним из примеров приложения, в котором входное сопротивление (R _в ) будет очень большим, является сопротивление электродов датчика pH, где один электрод содержит проницаемый для ионов стеклянный барьер (очень плохой проводник с сопротивлением в миллионы Ом. ).

Если бы мы действительно создавали схему операционного усилителя для измерения напряжения pH-электрода, мы, вероятно, хотели бы использовать входной операционный усилитель на полевых или полевых транзисторах (IGFET) вместо одного, построенного на биполярных транзисторах (для меньшего входного тока смещения).Но даже в этом случае небольшие токи смещения могут вызвать ошибки измерения, поэтому мы должны найти способ их смягчить за счет хорошей конструкции.

Один из способов сделать это основан на предположении, что два входных тока смещения будут одинаковыми. На самом деле они часто близки к тому, чтобы быть одинаковыми, разница между ними называется входным током смещения . Если они одинаковы, то мы сможем нейтрализовать влияние падения напряжения на входном сопротивлении, вставив такое же сопротивление последовательно с другим входом, например:

С добавлением дополнительного сопротивления в схему выходное напряжение будет ближе к V _в , чем раньше, даже если есть некоторое смещение между двумя входными токами.

Как для инвертирующих, так и для неинвертирующих схем усилителя, резистор компенсации тока смещения включен последовательно с неинвертирующим (+) входом для компенсации падений напряжения смещения в цепи делителя:

В любом случае значение компенсирующего резистора определяется путем вычисления значения параллельного сопротивления R ₁ и R ₂ . Почему значение параллельно эквивалентно ₁ рандов и ₂ рандов? При использовании теоремы суперпозиции для определения того, какое падение напряжения будет произведено инвертирующим (-) входным током смещения, мы рассматриваем ток смещения, как если бы он исходил от источника тока внутри операционного усилителя, и замыкали накоротко все источники напряжения. (V _в и V _из ).Это дает два параллельных пути для тока смещения (через R ₁ и через R ₂ , оба на землю). Мы хотим продублировать влияние тока смещения на неинвертирующий (+) вход, поэтому значение резистора, которое мы выбираем для последовательного включения с этим входом, должно быть равно R ₁ параллельно с R ₂ .

Связанная проблема, с которой иногда сталкиваются студенты, которые только учатся строить схемы операционного усилителя, вызвана отсутствием общего заземляющего соединения с источником питания. Обязательно для правильной работы операционного усилителя, чтобы некоторые клеммы источника питания постоянного тока были общими для «заземления» входных сигналов. Это обеспечивает полный путь для токов смещения, тока (-ов) обратной связи и для тока нагрузки (выходного). Возьмем, к примеру, эту схему, на которой показан правильно заземленный источник питания:

Здесь стрелками обозначен путь прохождения электронов через батареи источника питания, как для питания внутренней схемы операционного усилителя («потенциометр» внутри него, который контролирует выходное напряжение), так и для питания контура обратной связи резисторов R ₁ и R ₂ .Предположим, однако, что заземление для этого «раздельного» источника питания постоянного тока необходимо удалить. Эффект от этого огромен:

Электроны не могут входить или выходить из выходной клеммы операционного усилителя, поскольку путь к источнику питания является «тупиковым». Таким образом, электроны не проходят через заземление слева от R ₁ , ни через контур обратной связи. Это фактически делает операционный усилитель бесполезным: он не может поддерживать ток ни через контур обратной связи, ни через заземленную нагрузку, поскольку нет соединения ни от одной точки источника питания с землей.

Токи смещения также останавливаются, потому что они зависят от пути к источнику питания и обратно к входному источнику через землю. На следующей диаграмме показаны токи смещения (только), когда они проходят через входные клеммы операционного усилителя, через базовые клеммы входных транзисторов и, в конечном итоге, через клеммы источника питания и обратно на землю.

Без заземления на источнике питания токи смещения не будут иметь полного пути для цепи, и они остановятся.Поскольку транзисторы с биполярным переходом являются устройствами с управлением по току, это также делает бесполезным входной каскад операционного усилителя, поскольку оба входных транзистора будут принудительно отключены из-за полного отсутствия тока базы.

ОБЗОР:

• Входы операционных усилителей обычно проводят очень небольшие токи, называемые токами смещения , необходимые для правильного смещения первого каскада транзисторного усилителя, внутреннего по отношению к схеме операционных усилителей. Токи смещения малы (в диапазоне микроампер), но достаточно велики, чтобы вызывать проблемы в некоторых приложениях.
• Токи смещения на обоих входах должны иметь путь для прохождения либо к одной из «шин» источника питания, либо к земле. Недостаточно просто иметь токопроводящий путь от одного входа к другому.
• Чтобы отменить любые напряжения смещения, вызванные током смещения, протекающим через сопротивления, просто добавьте эквивалентное сопротивление последовательно с другим входом операционного усилителя (называемым компенсирующим резистором ). Эта корректирующая мера основана на предположении, что два входных тока смещения будут равны.
• Любое неравенство между токами смещения в операционном усилителе составляет то, что называется входным током смещения .
• Для правильной работы операционного усилителя важно, чтобы на каком-то выводе источника питания было заземление, чтобы сформировать полные пути для токов смещения, тока (ов) обратной связи и тока нагрузки.

Выколотка

Операционные усилители, являясь полупроводниковыми приборами, подвержены незначительным изменениям в поведении при изменении рабочей температуры. Любые изменения производительности операционного усилителя в зависимости от температуры подпадают под категорию дрейфа операционного усилителя .Параметры дрейфа могут быть указаны для токов смещения, напряжения смещения и т.п. Обратитесь к таблице данных производителя для получения информации о каждом конкретном операционном усилителе.

Чтобы свести к минимуму дрейф операционного усилителя, мы можем выбрать операционный усилитель с минимальным дрейфом, и / или мы можем сделать все возможное, чтобы поддерживать рабочую температуру как можно более стабильной. Последнее действие может включать обеспечение некоторой формы контроля температуры внутри оборудования, в котором находится операционный усилитель (операционные усилители). Это не так странно, как может показаться на первый взгляд.Например, иногда известно, что в стандартных прецизионных генераторах опорного напряжения используются «печи» для поддержания их чувствительных компонентов (таких как стабилитроны) при постоянной температуре. Если требуется чрезвычайно высокая точность по сравнению с обычными факторами стоимости и гибкости, возможно, стоит обратить внимание на этот вариант.

ОБЗОР:

• Операционные усилители, будучи полупроводниковыми приборами, чувствительны к колебаниям температуры. Любые отклонения в характеристиках усилителя, вызванные изменениями температуры, известны как дрейф .Дрейф лучше всего минимизировать с помощью контроля температуры окружающей среды.

Частотная характеристика

С их невероятно высоким дифференциальным коэффициентом усиления по напряжению операционные усилители являются первыми кандидатами на явление, известное как колебание обратной связи . Вы, вероятно, слышали эквивалентный звуковой эффект, когда громкость (усиление) на громкоговорителе или другой системе микрофонного усилителя была слишком высокой: этот высокий визг, возникающий из-за звуковой волны, «возвращающейся» через микрофон, чтобы снова усилиться .Схема операционного усилителя может демонстрировать тот же эффект, при этом обратная связь происходит электрически, а не на слух.

Пример этого можно увидеть в операционном усилителе 3130, если он подключен как повторитель напряжения с минимальным количеством проводных соединений (два входа, выход и подключения источника питания). Выход этого операционного усилителя будет автоколебательным из-за его высокого коэффициента усиления, независимо от входного напряжения. Для борьбы с этим небольшой компенсационный конденсатор должен быть подключен к двум специально предусмотренным клеммам на операционном усилителе.Конденсатор обеспечивает путь с высоким импедансом для отрицательной обратной связи в схеме операционного усилителя, уменьшая, таким образом, усиление переменного тока и подавляя нежелательные колебания. Если операционный усилитель используется для усиления высокочастотных сигналов, этот компенсационный конденсатор может не понадобиться, но он абсолютно необходим для работы с сигналами постоянного или низкочастотного переменного тока.

Некоторые операционные усилители, такие как модель 741, имеют встроенный компенсационный конденсатор, чтобы свести к минимуму потребность во внешних компонентах. Эта улучшенная простота не обходится без затрат: из-за наличия конденсатора внутри операционного усилителя отрицательная обратная связь имеет тенденцию усиливаться с увеличением рабочей частоты (реактивное сопротивление этого конденсатора уменьшается с увеличением частоты).В результате дифференциальное усиление напряжения операционного усилителя уменьшается с увеличением частоты: он становится менее эффективным усилителем на более высоких частотах.

Производители операционных усилителей опубликуют кривые частотных характеристик своей продукции. Поскольку достаточно высокий дифференциальный коэффициент усиления абсолютно необходим для хорошей работы обратной связи в схемах операционного усилителя, коэффициент усиления / частотная характеристика операционного усилителя эффективно ограничивает его «полосу пропускания». Разработчик схемы должен учитывать это, если необходимо поддерживать хорошие характеристики в требуемом диапазоне частот сигнала.

ОБЗОР:

• Из-за емкостей внутри операционных усилителей их дифференциальное усиление по напряжению имеет тенденцию к уменьшению с увеличением входной частоты. Кривые АЧХ для операционных усилителей можно получить у производителя.

Фазовый сдвиг от входа к выходу

Чтобы проиллюстрировать фазовый сдвиг от входа к выходу операционного усилителя (ОУ), OPA227 был протестирован в нашей лаборатории. OPA227 имеет типичную неинвертирующую конфигурацию (рисунок ниже).

OPA227 Неинвертирующий каскад

Конфигурация схемы требует усиления сигнала 34 В / В или 50 дБ. Входное возбуждение на Vsrc было установлено на 10 мВпик и три интересующие частоты: 2,2 кГц, 22 кГц и 220 МГц. На рисунке ниже показаны зависимости коэффициента усиления и фазы OPA227 от частоты в разомкнутом контуре.

A _{График V} и Φ в зависимости от частоты

Чтобы помочь предсказать фазовый сдвиг замкнутого контура от входа к выходу, мы можем использовать коэффициент усиления разомкнутого контура и фазовую кривую.Поскольку конфигурация схемы требует усиления с обратной связью, или 1 / β, 50 дБ, кривая усиления с обратной связью пересекает кривую усиления без обратной связи примерно на 22 кГц. После этого пересечения кривая усиления с обратной связью с обратной связью сползает на типичные 20 дБ / декаду для усилителей с обратной связью по напряжению и следует кривой усиления без обратной связи.

На самом деле здесь работает отрицательная обратная связь от замкнутого контура, изменяющая отклик разомкнутого контура. Замыкание контура с помощью отрицательной обратной связи устанавливает полюс замкнутого контура на частоте 22 кГц.Подобно доминирующему полюсу на фазовой кривой разомкнутого контура, мы ожидаем сдвига фазы в ответе замкнутого контура. Какой сдвиг фазы мы увидим?

Поскольку новый полюс теперь находится на частоте 22 кГц, это также точка -3 дБ, поскольку полюс снова начинает скатываться по замкнутому контуру со скоростью 20 дБ за декаду, как указано ранее. Как и в случае любого полюса в базовой теории управления, фазовый сдвиг начинается на одну декаду по частоте перед полюсом и заканчивается на 90 ^o фазового сдвига на одну декаду по частоте после полюса.Так что же это предсказывает ответ замкнутого контура в нашей схеме?

Это предсказывает фазовый сдвиг, начиная с 2,2 кГц, с 45 ^o фазового сдвига в точке -3 дБ на 22 кГц и, наконец, заканчивая 90 ^o фазового сдвига на 220 кГц. Три рисунка, показанные ниже, представляют собой снимки осциллографа на частотах, представляющих интерес для нашей схемы OPA227. Рисунок ниже настроен на 2,2 кГц, и заметного фазового сдвига нет. Рисунок ниже установлен для 220 кГц, и записано 45 ^o фазового сдвига.Наконец, на рисунке ниже установлено значение 220 МГц, и записано ожидаемое значение фазового сдвига 90 ^–.