Операционный усилитель с обратной связью – Операционный усилитель? Это очень просто!

Операционные усилители для самых начинающих / Sandbox / Habr

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

Ближе к делу

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

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

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

Реальное применение ОУ на примере инвертирующего и неинвертирующего усилителей

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

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

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

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

И снова «грандиозные» познания в области высшей математики позволяют перейти к формуле:
Приведу исчерпывающий скрин, который можете перепроверить, если хотите:

Пара интересных схем

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

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

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

Также, обращаем внимание на то, что R1 = R2 = R3 = R4, а R5 = R6. Формула расчета в данном случае будет:

(знакомо, не так ли?)
Таким образом, видим, что значения напряжений, которые подаются на неинвертирующий вход «обретают» знак плюс. На инвертирующий — минус.

Заключение

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

Список источников

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

habr.com

Операционный усилитель с токовой обратной связью Википедия

Операцио́нный усили́тель с то́ковой обра́тной свя́зью (ОУ с ТОС^[1], ОУ ТОС), реже трансимпедансный усилитель — электронный усилитель с двумя входами, инвертирующий вход которого, обычно используемый для отрицательной обратной связи, имеет низкое входное сопротивление и управляется током, а не напряжением, как это принято в классических операционных усилителях (ОУ) с дифференциальным входом.

Основное преимущество ОУ ТОС перед классическими ОУ с отрицательной обратной связью (ООС) по напряжению — высокое быстродействие, а именно: высокая скорость нарастания выходного напряжения (до 9 В/нс в серийных интегральных схемах^[2]), малое время установления и большая полоса пропускания. Частота среза серийного ОУ ТОС в схеме с ООС составляет от 100 МГц до 2 ГГц — она зависит только от величины сопротивления цепи ООС и встроенной корректирующей ёмкости и практически не зависит от заданного коэффициента усиления^[3]. ОУ ТОС обычно совпадает с его частотой среза для малого сигнала и превосходит аналогичный показатель классического ОУ. Нелинейные искажения ОУ ТОС на высоких частотах ниже, чем у классического ОУ

[3].

Высокие показатели быстродействия достигаются асимметрией и схемотехнической простотой входного каскада и, как следствие, низкой точностью^[4]. ОУ ТОС применяются преимущественно для усиления и фильтрации сигналов в широкополосных устройствах на частотах выше 100 МГц^[5][6]: в радиолокации, видеотехнике, в системах кабельной и оптоволоконной связи и цифровой обработки высокочастотных сигналов. Популярность ОУ ТОС ограничивают некоторая сложность применения и недостаточная точность^[7]. Основные схемы включения ОУ ТОС топологически совпадают со схемами включения классического ОУ, реализация других типовых схем затруднена или вовсе невозможна. Возможно, что дальнейшее развитие схемотехники классических ОУ ещё более сузит область применения ОУ ТОС^[8].

ru-wiki.ru

Операционный усилитель. На пальцах. Для самых маленьких.

Я когда то уже писал статью про операционные усилители. Но она была унылым говном, спустя какое-то время я кажись понял КАК надо раскрыть и повернуть тему, чтобы данная деталька о 5 ногах стала понятна даже школьнику, но все никак не мог собраться выложить. И так прошло дохрена лет и я, наконец то, созрел написать это 🙂

▌Что это ваще?
Операционный усилитель, далее ОУ это краеугольный камень аналоговой электроники. Такая микросхемка с помощью которой можно сделать кучу интересных вещей. Вы не смотрите, что ее зовут усилитель. Это только принцип, а вот если его применять по разному, то с его помощью можно складывать, вычитать, умножать, интегрировать и дифференцировать аналоговые сигналы. С его помощью можно сделать генератор или регулятор. Любой: П, И, ПИ, ПД, ПИД. На нем можно сделать фильтр частот, да черт знает еще что. Очень функциональная девайсина.

▌Немного теории
Идеальный операционный усилитель обладает тремя свойствами.

1. У него БЕСКОНЕЧНО БОЛЬШОЕ сопротивление входов. Т.е. ток в его входы не течет вообще.
2. У него БЕСКОНЕЧНО БОЛЬШОЙ коэффициент усиления. Т.е. любой ничтожный сигнал превращается в бесконечно большое значение.
3. У него два дифференциальных входа и один выход. Дифференциальные входы означают то, что из напряжения пришедшего в прямой вход мы вычитаем напряжение пришедшее по инверсному входу, а результат этого вычисления умножаем на бесконечность, согласно пункту 2.

Во всей статье будут рассматриваться ТОЛЬКО ИДЕАЛЬНЫЕ ОУ. Чисто теоретическая абстракция.

Давайте попробуем промоделировать его поведение. Это очень просто:

Ситуация первая: U₁ = U

2. Тогда разница будет равна нулю, а ноль умножить на бесконечность будет ноль. Математики скажут, что там неопределенность, но у нас не такая большая бесконечность, насколько мал наш ноль.

Ситуация вторая: U₁=2V, U₂=1V Разница в 1-2=-1 вольт и будучи умноженный на бесконечность даст бесконечно большое отрицательное напряжение на выходе.

Если кто еще не знаком с терминологией, то напряжение в какой либо точке цепи, относительно заданной точки земли зовется потенциалом.

Третья ситуация аналогична второй, но с другим знаком. Т.к. 2-1=1.

Ну да, зашибись, у нас получилось сравнить два сигнала и выдать троичный результат — больше, меньше или равно. Не густо, однако. Но все меняется если добавить обратную связь:

Берем и заворачиваем выход через резистор на вход. А еще добавим по паре резисторов на вход. Резистор тут важен, резисторы на входах важны тоже. Теперь ситуация становится интересней.

Для наглядности добавим значения. Хотя они тут принципиально не важны, главное соотношения. Пусть у нас U₂=2V, а U1 = 1V. Так как сопротивление входа у ОУ бесконечное, то в точке В напряжение будет 2 вольта. В точке А, по началу, напряжение будет тоже соответствовать входному, будет равно 1 вольт. Но ОУ сразу же сведет дебет с кредитом, вычтет одно из другого и добавит свою маржу, в стиле лихих 90х. И в точке E моментально появится бесконечно большой потенциал. Который начнет через резистор R3 яростно подтягивать точку А в бесконечность. И дотянет ее до того момента, что напряжение в точке А станет равно напряжению в точке В. Разность на входе приходит в ноль и вся система самоустановится в единственно возможное состояние, когда на выходе, в точке E, будет присутствовать такое напряжение, чтобы уравновесить напряжение в точках А и В.

Если же ситуацию развернуть наоборот, сделать так, чтобы А стало больше В, тогда на E появится бесконечно большой отрицательный потенциал, который начнет унижать напряжение на входе А, чтобы установить равновесие.

Стоит попытаться как-либо поколебать это равновесие, изменяя напряжения на входе системы (U₁ и U₂), как ОУ, пользуясь возможностью дать ЛЮБОЕ напряжение на выходе, через резистор отрицательной обратной связи R3 быстро восстановит равновесие.

Ну да, все здорово. Это все и так знают. Об этом говорят на парах и пишут в учебниках. А как это понимать то? Как использовать? А это как раз те три сосны в которых обычно все утыкаются и не видят основного леса.

▌Добро пожаловать в лес
Главный прикол, который крайне редко кто разъясняет, но который сразу делает все схемы с ОУ простыми и понятными заключается в том, что с точки зрения классического ТОЭ если в каких либо точках одинаковый потенциал, всегда одинаковый, то мы можем закоротить их нахрен и от этого НИЧЕГО в цепи не изменится. А как я уже показал в примере выше, то точки А и В у нас всегда равны друг другу. Операционный усилитель, через обратную связь их надежно выравнивает. А значит, мы смело можем рисовать виртуальное КЗ, вот так:

И главная принцип разбора любой схемы на операционном усилителе это посмотреть на нее с двух точек зрения.

1) С точки зрения «виртуального КЗ» между выводами. Посчитав что и куда течет на входе если считать, что входы закорочены между собой. Какие токи там протекают и от чего и как зависят.

2) А потом, убрав КЗ, посмотреть как вычисленные в пункте 1 токи потекут через обратную связь и каким образом это ОУ должен обеспечить своим напряжением на выходе. С учетом того, что во входы ничего не течет в принципе.

И теперь давайте посчитаем нашу схему, что будет на U₃? Пусть все резисторы будут по 1 ому. Для простоты расчетов. Специально буду разжевывать до предела.

Взгляд 1. Виртуальное КЗ:
Ток в ОУ не течет от слова совсем, у входов сопротивление бесконечное. Наличие там резистора R2 не играет никакой роли вообще. Какой бы он ни был его сопротивление ничтожно по сравнению с бесконечностью сопротивления входа идеального ОУ. Значит потенциал в точке В равен входному напряжению и равен 2 вольта.

Напряжение в точке А равно напряжению в точке В и равно 2 вольта. У нас же там «виртуальное КЗ» за счет отрицательной обратной связи и свойств идеального ОУ, на счет этого ОУ постарается, будьте уверены.

Потенциал в точке С у нас 1 вольт, а в точке А оно 2 вольта. Т.е. разность потенциалов между точками С и А у нас 1 вольт.

Раз есть разность потенциалов ака напряжение U_ac, значит ток I течет из точки А, где потенциал выше в точку С, где потенциал ниже. Прям как вода в канализации.

И так как у нас резистор R1 в 1 ом, а напряжение U_ac=1, то ток I будет, по закону Ома, 1 А.

Взгляд 2. Убираем КЗ и смотрим на токи через ОС.
Теперь еще раз вспоминаем про то, что через входы самого ОУ ничего течь не может, считайте что там обрыв. А перемычка между и А и В виртуальная и по факту ее на самом деле нет. А это значит… что ток I и ток обратной связи I_oc это один и тот же ток. Другому там взяться просто негде.

И для того, чтобы в точку А шел ток силой в 1А из точки С, через резистор в один ом, разница потенциалов между А и С должна быть +1 вольт. В точке А у нас потенциал два вольта, значит в точке E должно быть три вольта. Т.е. U₃ будет три вольта.

А если мы резистор R3 изменим? Скажем увеличим в два раза. До двух ом. Что будет? Обратили внимание? Состояние левой части схемы, до «перемычки» не изменилось никак вообще. Там останется тот же самый ток в 1А, который будет равен току в 1А в ОС, ведь это тот же самый ток.

Но чтобы продавить ток в 1А через резистор в 2 Ома разница потенциалов между точками А и Е должна быть уже не 1 вольт, а 2. И U₃ будет уже 4 вольта.

А если мы вместо R3 засунем ЧТО УГОДНО. Любую схему, любую конструкцию, любой двухполюсник, то наш идеальный усилитель, способный выдать любое напряжение на выходе, сдохнет, но обеспечит через Ioc ток равный I. А ток I зависит ТОЛЬКО от соотношений R1 и напряжений на входах.

Т.е. мы можем взять ОУ, сунуть ему в обратную связь любую цепь и навязать ей любой нужный нам закон изменения тока или напряжения играясь напряжением на входе.

▌Интегратор
Покажу пример навязывания закона с помощью ОУ на примере интегратора. Что такое интегратор? Это такой узел который интегрирует входной сигнал, логично. Да. Т.е. если на вход ему подать ступенчатый сигнал, то на выходе будет бесконечно возрастающий сигнал. Ведь что такое интеграл? Это площадь под кривой. У ступеньки площадь линейно возрастает, а значит интегральная функция на выходе тоже будет линейно и бесконечно расти. С другими функциями аналогичная история — интегрируем их и получаем то, что должно быть на выходе.

Простейшим интегратором в электротехнике является RC цепочка:

Напряжение на конденсаторе Uвых= Q/C

Где С — емкость, константа для данного конденсатора. А Q это заряд в этом конденсаторе. А что такое у нас ток? Ток это движение заряженных частиц, т.е. заряд у нас током втекает в кондер, как вода в банку. При этом заряд растет и напряжение на выходе растет. Скорость тока, точнее его сила, зависит от резистора. И на начальном этапе, когда конденсатор еще разряжен и не оказывает большого сопротивления, ее можно считать константой, а рост заряда, а значит и напряжения, линейной величиной. Получается как то так:

Напряжение не кондере растет по экспоненте, а где то в начале, отмечено синим отрезком, можно принять его за линейное и с натяжкой назвать его интегратором. Разумеется расти оно будет только до напряжения входа, ни о какой бесконечности речи быть не может. В общем, херовый такой интегратор.

Причина такой лажи в том, что у конденсатора с ростом заряда увеличивается напряжение, а значит растет потенциал на нем, и это мешает току в него течь. Ну как если бы мы надували воздушный шарик. Сначала надувается легко, но чем сильней раздуваем мы шар, тем тяжелей идет. И так до тех пор пока напряжение на кондере не уравновесит напряжение на входе. Финита ля комедия. Приехали.

Как нам отрезать входной ток от выходного напряжения, чтобы они были в разных плоскостях и не мешали нам жить? Правильно. С помощью ОУ, его бесконечной силы и его волшебной обратной связи.

Взгляд 1. Виртуальное КЗ:
Смотрите что получается. У ОУ есть отрицательная обратная связь. Через конденсатор. А значит мы смело можем считать, что у нас есть виртуальное КЗ между входами. Отмечено красным. А раз так, то ток I будет определяться исключительо входным напряжением и сопротивлением резистора. Ведь он через это виртуальное КЗ течет прямо в землю. Остальные ответвления уже не имеют значения. Т.е. будет ровным и константным и ему на все будет похрену. Он будет течь как будто бы ничего и не было.

Взгляд 2. Убираем КЗ и смотрим на токи через ОС.
Но! КЗ то там на самом деле нет. А входы у ОУ имеет бесконечное сопротивление, а значит по факту у нас I равен Iос и течет он прямехонько в конденсатор. Линейнено равномерно наполняя его. Помним, что Uc=Q/C. И вот этот самый Q за счет константного тока будет расти строго линейно. А чтобы это получалось ОУ свой выход будет чем дальше тем сильнее опускать вниз, ниже уровня земли, в отрицательные значения. Обратите внимание на стрелочку. Питание то у нас двуполярное. А если учесть, что ОУ может выдать бесконечное отрицательное напряжение, да и конденсатор у нас тут такой же идеальный, то результат будет выглядеть как то так:

То есть ОУ навязывает закон изменения заряда конденсатора событиями на входе, которые определяются простым законом Ома при протекании тока через резистор. И нас больше не волнует нелинейность процесса заряда конденсатора при его прямом включении.

▌Повторитель

Тоже простейший узел. Разбирается аналогично. Обратная связь есть, она отрицательная. А значит мы можем смело считать, что у нас входы ОУ закорочены, а то что на входе автоматически будет на выходе. Вольт в вольт. Но на самом деле… И да, ток по прежнему в ОУ не течет. А это значит мы получили идеальную «щупалку» слабого сигнала, которая позволяет что-либо измерить и измеренное обработать так, чтобы не повлиять на измеряемый сигнал.

Например, есть у нас делитель из терморезистора и обычного. И мы хотим, чтобы он зажигал лампочку пропорционально выходному напряжению. Но вот беда, у лампочки сопротивление сильно мало. Если мы ее подключим напрямую, то она, во-первых, даже гореть не будет, а во-вторых, обрушит нам выходное напряжение. А так, ставим повторитель и все. Развязались.

Еще пример использования повторителя это построение виртуальных нулей. Скажем, есть у нас однополярное питание. А нам ужас как хочется сделать аналоговую схему с биполярным питанием. Что делать? Можно располовинить питание с помощью ОУ. Т.е. если мы просто возьмем резисторами развалим питание пополам, сделав делитель, то этот ноль будет плавать как говно в проруби при малейшем токе через эту виртуальную землю. Но если мы развалим питание, а потом пропустим через повторитель, то мощный выход ОУ позволит нам цеплять на него земли других ОУ, которые будут думать, что работают в полноценной среде с двуполярным питанием. Есть, кстати, такие источники опорного напряжения, которые просто разваливают питание пополам. К сожалению не могу вспомнить маркировку, а так нагуглить не смог. Кто знает, подскажите. А то вечно теряется. Так хоть в статье будет 🙂

▌Линейный стабилизатор

Примерно по такой схеме работают все эти нами любимые LM1117, LM7805 и прочие грелки.

Работает точно по такому же принципу. На прямой вход ОУ мы подаем опорное напряжение со стабилитрона Vref. А на инверсный вход подаем отрицательную обратную связь с делителя который завязан на выход. А выход ОУ цеплеяем на базу транзистора. ООС есть, значит ОУ должен исполнить нашу волю, разбиться и сдохнуть, но обеспечить так, чтобы напряжения на обоих входах сравнялись. Что он и будет делать, так выдавая напряжение в базу транзистора, чтобы тот открывался ровно на столько, чтобы после делителя из R2-R3 получалось Vref. Когда с делителя напряжение меньше чем опорное, то ОУ выдает положительное напряжение и открывает транзистор сильней, пока все не сравняется. И наоборот. Меняя пропорции делителя мы меняем выходное напряжение.

Для начала хватит. Продолжение будет. Покажу еще парочку неочевидных схем которые возможны с помощью обмазывания их ОУ. А пока, в качестве домашнего задания, разберите сами с изложенными принципами работу «классических» схем на ОУ о которых написано в 100500 статей про ОУ для начинающих. Это суммирующий, инвертирующий и не инвертирующий усилитель. Дифференциатор. Выведите формулы зависимости выходного от входного.

easyelectronics.ru

Операционные усилители. Часть 1 | joyta.ru

Операционный усилитель (ОУ) — это основной элемент современной аналоговой электроники. Благодаря отличным характеристикам и простоте расчетов, ОУ очень легки в использовании. Операционные усилители еще называют дифференциальными усилителями, поскольку они могут усилить разность напряжений на входах.

Операционные усилители выпускаются как готовые микросхемы, иногда по одному, а иногда и по несколько штук в одном корпусе. Существует множество видов операционных усилителей, которые отличаются между собой техническими параметрами, что в конечном итоге влияет на целесообразность применения в конкретных схемах.

В теории операционный усилитель имеет идеальные параметры. На практике же их параметры стремятся к идеальным, но все же не достигают их. Использование понятия «идеального» операционного усилителя помогает упростить расчеты.

Этими идеальными параметрами являются:

• бесконечно большое усиление при открытой петли обратной связи;
• бесконечно широкая полоса передаваемых частот;
• бесконечно большое входное сопротивление;
• импеданс равный нулю;
• выходное напряжение равно нулю при равенстве входных напряжений.

Как вы можете видеть, такие параметры не могут быть обеспечены в полной мере, но из года в год ОУ реально все более и более приближаются к идеалу.

Есть несколько основных схем работы операционного усилителя:

• инвертирующий
• неинвертирующий
• вычитание
• сложение
• дифференцирование
• интегрирование
• повторитель напряжения
• аналоговый компаратор

Схема инвертирующего усилителя

Это основная схема, в которой работает ОУ. Работа операционного усилителя характеризуется не только усилением (или ослаблением) входного сигнала, но и изменением его фазы. Усиление обозначается буквой k. Приведенный ниже график показывает влияние операционного усилителя в такой схеме:

Синим цветом представлен график входного сигнала, а красным — график выходного сигнала, причем усиление системы составляет 2 (k=2). Как видно, амплитуда выходного сигнала в два раза выше, чем амплитуда входного сигнала, и также видно, что сигнал перевернут.

Схема такого усилителя достаточно проста, и представлена на следующем рисунке:

Эта схема доказывает, почему операционные усилители являются настолько популярными. Для того, чтобы вычислить значения элементов нам достаточно использовать следующую формулу:

Как видно, резистор R3 не влияет на усиление схемы, и можно было бы обойтись без него, соединив положительный вход усилителя с минусом питания. В данном случае резистор R3 используется в качестве защиты.

Схема неинвертирующего усилителя

В схеме неинвертирующего усилителя ситуация очень схожа с инвертирующим усилителем, с той лишь разницей, что здесь не происходит инверсия сигнала, то есть фаза сохраняется. Приведенный ниже график показывает, что происходит с усиленным сигналом:

Так же, как и в предыдущей схеме, коэффициент усиления равен k=2, а на вход подан синусоидальный сигнал. Как видно, изменению подверглась только амплитуда сигнала.

Ниже приведена принципиальная схема использования операционного усилителя в качестве неинвертирующего усилителя:

Данная схема усилителя также является очень простой, здесь есть два резистора. Входной сигнал подается на положительный вход ОУ. Чтобы рассчитать усиление необходимо применить формулу:

Из формулы видно, что усиление не может быть меньше единицы, т. е. такая схема не позволяет подавить сигнал.

Операционный усилитель в схеме вычитания (дифференциальный усилитель)

Другим типом схемы использования ОУ является дифференциальный усилитель, который позволяет получить разность двух входных сигналов, которая впоследствии может быть усилена. На графике, приведенном ниже, представлен принцип работы системы.

Следующая схема позволяет реализовать такую работу операционного усилителя:

Схема является более сложной по сравнению с предыдущими. Чтобы рассчитать напряжение на выходе, следует применить формулу:

 

Первая часть уравнения отвечает за усиление (или ослабление), а вторая часть — это разница двух напряжений.

Операционный усилитель в схеме сложения

Этот тип функции полностью противоположен функции вычитания. Его интересной особенностью является то, что здесь может быть обработано более двух сигналов. На этом принципе основаны все аудио микшеры.

Как видно на схеме можно суммировать множество сигналов, схема проста и интуитивно понятна. Для расчета используем формулу:

www.joyta.ru

3. Операционный усилитель и устройства на его основе

Элементная база современной электроники, кроме дискретных полупроводниковых приборов, ряд которых был рассмотрен в первой главе, включает микросхемы. Это – элементы, изготовленные на общей полупроводниковой основе в процессе общих технологических операций и выполняющие определенные функции преобразования и обработки сигнала. Они в своем составе содержат и полупроводниковые приборы.

Обычно электронные устройства, выполняющие такие же операции, содержат множество дискретных приборов и множество межэлементных соединений, выполняемых посредством пайки, следствием чего является низкая плотность монтажа, большие масса и габариты, а главное – низкая надежность. Эти недостатки исключаются в микросхемах. Однако в микросхемах весьма затруднен отвод тепла, выделяющегося в процессе работы от входящих в ее состав компонент, что ограничивает область их применения. Микросхемы являются основными элементами информационной электроники, в отличие от дискретных приборов, являющихся элементами силовой электроники.

Микросхемой, которая нашла самое широкое распространение, является операционный усилитель, свойства которого позволяют его использовать при создании электронных устройств различного назначения. Название «операционный» связано с первоначальным использованием усилителя для выполнения различных математических операций над аналоговыми величинами, которые во времени изменяются непрерывно. Однако операционные усилители используются и в импульсных устройствах.

3.1. Операционный усилитель

Операционный усилитель (ОУ) – это многокаскадный усилитель постоянного тока, в котором в качестве входного каскада используется дифференциальный усилитель. ОУ имеет два входа и один выход. Один из его входов является инвертирующим, а другой – неинвертирующим. Используемое ниже схемное обозначение ОУ приведено на рис.3.1. Этот усилитель характеризуется:

• высоким коэффициентом усиления, величина которого находится в пределах 10⁴ – 10⁶;

• высоким значением входного сопротивления, обычно равным 10⁵ – 10⁷ Ом;

• низким значением выходного сопротивления, находящимся в пределах от единиц Ом до нескольких сотен Ом.

Рис.3.1. Схемное обозначение операционного усилителя

Кроме клемм для подачи и съема сигналов, ОУ имеет клеммы для подключения источника постоянного напряжения, энергия которого преобразуется при усилении сигнала. Это – две клеммы (+Е и – Е) на рис.3.1 для подключения к двухполюснику источнику. Следует отметить, что для упрощения схем на ОУ в его схемном обозначении часто опускают изображения клемм питания.

Рис.3.2. Передаточная характеристика ОУ

Важнейшей характеристикой ОУ является передаточная (амплитудная) характеристика, вид которой приведен на рис.3.2. Она имеет две ветви, соответствующие неинвертирующему и инвертирующему входам. Каждая из ветвей имеет участки, где ОУ работает в линейном режиме (область малых входных напряжений u) и два участка, на которых происходит насыщение усиления (при больших значениях входного напряжения). Как правило, в линейном режиме ОУ работает в составе аналоговых устройств, в режиме насыщения (нелинейном) – в составе импульсных устройств.

В связи с высокой величиной коэффициента усиления интервал значений входного напряжения, где ОУ работает в линейном режиме, весьма мал. Данное обстоятельство затрудняет применение ОУ без дополнительных схемных решений. Проблема обычно решается введением отрицательной обратной связи, при которой выход ОУ соединяется с его инвертирующим входом. При таком схемном решении величина сигнала, поступающего непосредственно на вход ОУ, оказывается уменьшенной по сравнению с входной на величину сигнала, передаваемого по цепи обратной связи. Подбором параметров цепи обратной связи добиваются того, что напряжение непосредственно на входе ОУ не выходит за пределы интервала значений, где обеспечивается работа усилителя в линейном режиме.

Значения напряжений U_{вых max} и –U_{вых max}, при которых ОУ работает в режиме насыщения, отмеченные на рис.3.2, весьма близки к напряжениям ±Е источника питания.

Приведенные на рис.3.2 характеристики построены для случаев, когда на один из входов ОУ подается напряжение, а другой вход заземлен. Если же на другой вход подается напряжение, отличное от нуля, то происходит смещение передаточной характеристики, что иллюстрируется рис.3.3. Величина смещения характеристики определяется значением напряжения смещения. Направление смещения зависит от полярности напряжения. Данные на рис.3.3,а соответствуют случаю, когда входной сигнал подается на неинвертирующий вход, а напряжение смещения – на инвертирующий вход. Данные на рис.3.3,б соответствуют случаю, когда входной сигнал подается на инвертирующий вход, а напряжение смещения – на неинвертирующий.

Рис.3.3. Смещение передаточной характеристики ОУ:

а – при подаче на инвертирующий вход напряжения U_см,

б – при подаче на неинвертирующий вход напряжения U_см

Состояние ОУ, в котором при нулевом напряжении смещения передаточная характеристика проходит через начало координат (u = 0 при u = 0), называется балансом. У реальных ОУ условие баланса обычно не выполняется. Основной причиной разбаланса является хотя бы небольшое, но наблюдающееся различие параметров элементов, входящих в мостовую часть схемы дифференциального усилительного каскада. В качестве параметра, характеризующего разбалансирование ОУ, принимается входное напряжение, соответствующее нулевому выходному напряжению (величина U на рис.3.4). Оно равно напряжению (по абсолютному значению), которое необходимо подать на вход ОУ для обеспечения баланса.

Рис.3.4. Передаточная характеристика ОУ

при наличии разбаланса

(пунктирные кривые)

Применение ОУ в конкретных схемах требует его предварительного балансирования. Это осуществляется путем подачи на один из входов ОУ соответствующего дополнительного напряжения.

Амплитудно-частотная характеристика ОУ является типичной для усилителей постоянного тока. Ее вид представлен на рис.2.14. Полоса пропускания частот, в которой допускается уменьшение коэффициента по мощности в два раза, обычно составляет десятки мегагерц. Это обеспечивает усиление без существенных искажений сигналов, обычно используемых в информационной технике.

studfile.net

3. Операционный усилитель (инвертирующий, неинвертирующий с обратной связью).

Операционный усилитель (ОУ) предназначен для выполнения математических операций в аналоговых вычислительных машинах.

Операционные усилители представляют собой усилители постоянного тока с низкими значениями напряжения смещения нуля и входных токов и с высоким коэффициентом усиления. Обычно интегральные операционные усилители работают с напряжением питания +/-15 В.

Инвертирующий ОУ с ОС. ОУ при подаче сигнала на инвертирующий вход при усилении изменяет полярность сигнала на противоположную. Т.е инвертирует фазу ВХ сигнала поэтому и называеться инвертирующим. Уравнение для схемы:

Неинвертирующий ОУ с ОС. Входной сигнал подается на неинвертирующий вход, а к инвертирующему входу подводится напряжение ОС с выхода ОУ. Т.о. на входах ОУ действ-т Uвх и Uос, называемой также последовательной ОС. Поскольку напряжение м/у входами = 0, то на инвертирующем входе будет:

Т.о., коэффициент усиления:

В частном случае, при R=0 и любом значении R1 (кроме 0) получится повторитель напряжения с коэффициентом передачи К=1.

Полагаем вх. сигнал подается на неинвертирующий вход ОУ, а к инвертирующему входу подводится напряжение ОС с выхода ОУ. что R_H>>R_ВЫХ; R_ВХ>>R₁; R₂>>R_ВЫХ;

Напряжение

U_ВЫХ определ-ся разностью напряжений на входах ОУ U_ВЫХ=K_u(U_ВХ-U_ОС)= K_n(U_ВХ-U_ВЫХ)

Наклон передат хар-ки на линейном участке определяется коэффициентом усиления K_uОС

4. Функциональные схемы на оу (интегратор, дифференциатор, сумматор).

Аналоговые вычислительные устройства: сумматор, интегратор, дифференциатор. Устройства выполняются на базе ОУ по схеме инвертирующего усилителя, обеспечивающего макс. точность.

Сумматор – устройство, в котором все входные токи и ток ОС складываются.

Интегратор – устройство, в котором вых сигнал пропорционален интегралу от вх

Дифференциаторы – устройства, в которых вых сигнал пропорционален скорости изменения вх. сигнала во времени.

R₁ для ↑ точности

5. Каскады усиления мощности.

Каскад усиления мощности класса А.

Для усилителя мощности класса А применяют трансформаторную связь с нагрузкой. В режиме покоя за счет напряжения смещения U_CM ,подаваемого на базу, протекают токи I_{Б, П} и I_{К, П} (ток базы покоя и ток коллектора покоя). I_{К, П}=I_{Б, П}+(+1) I_КБО.

+Максимальный КПД достигается при больших значениях , т.е. при усилении больших сигналов.

+Мощность потребляемая от источника Р₀,не зависит от передаваемого сигнала.

+Максимальная мощность потерь Р_К имеет место в режиме покоя, т.к. U_ВХ=0.

– низкий КПД, особенно при малых значениях вх напряжения, мощность Р₀ не зависит от вх. сигнала и при малых сигналах затрачивается впустую. Каскад должен иметь трансформаторную связь с нагрузкой, → невозможность передачи однополярных сигналов.

Однотактный каскад класса В.

В режиме покоя смещение на базу транзистора не подается и ток коллектора покоя равен I_КЭО0. Мощность Р_К=0, т.е. нагрева транзистора в режиме покоя практически не происходит. При подаче на базу транзистора положительного вх сигнала вых напряжение равно: U_ВЫХ=i_КR_Н. При отрицательном напряжении на входе транзистор заперт: U_ВЫХ =0. Такой усилитель класса Б может усиливать только однополярные сигналы. Определим КПД каскада: U_ВЫХ= U_{ВЫХ m}.(U_{ВЫХ m} – амплитуда выхода, является действующим значением). P_Н=U_{ВЫХ m}/R_Н=(E_К)²/R. P₀=E_КI_К=E_КU_{ВЫХ m}/R_Н=E_К²/R_Н. =.

+КПД каскада класса В выше, чем класса А особенно для малых и средних сигналов U_ВХ.

+Мощность потребляемая от источника Е_К минимальна в режиме покоя и увеличивается при росте U_ВХ.

+Мощность потерь максимальна при средних значениях , но меньше чем максимальная мощность потерь в усилителях класса А.

Двухтактный каскад усиления мощности класса В – усиливает двухполярные сигналы.

1)Двухтактный каскад усиления с транзисторами разной проводимости. В режиме покоя оба транзистора заперты. При подаче положительного U_ВХ схема работает как однотактный каскад класса В, транзистор V₂ заперт. При U_ВХ<0, V₁ заперт. Т.о. транзисторы вступают в работу поочередно в зависимости от полярности усиливаемого сигнала. Для двухтактного каскада усиления мощности класса В справедливы соотношения однотактного усилителя класса В.

2) На транзисторах одной проводимости. При U_ВХ>0, V­₁ открыт, V­₂ заперт обратным напряжением на входе (–кU_ВХ). При U_ВХ<0, V­₁ заперт, кU_ВХ отпирает транзистор V­₂ и транзистор работает как эмиттерный повторитель.

В схеме один источник питания, но наличие транф-ра в ней обязательно. Оба транзистора работают по схеме с общим эмиттером. На их базы подаются сигналы +U_ВХ и –U_ВХ , что обеспечивает при U_ВХ >0, отпирание V₁, при U_ВХ<0 – отпирание V₂.

studfile.net

Current Feedback Amplifiers – I

Обратная связь (ОС) по напряжению, как следует из названия, относится к петлезамкнутым конфигурациям, в которых сигнал ошибки представляет собой напряжение. В традиционных операционных усилителях обратная связь формируется сигналом напряжения, т.е. входные выводы реагируют на изменение напряжения; при этом вырабатывается соответствующее выходное напряжение. Обратная связь по току относится к петлезамкнутым конфигурациям, в которых сигнал ошибки, используемый для реализации обратной связи, представляет собой ток. В ОУ с токовой обратной связью ток ошибки передается на один из его входных выводов; при этом на выходе также вырабатывается соответствующее выходное напряжение. Заметьте, что при работе обе структуры пытаются достигнуть одинакового результата: нулевое дифференциальное входное напряжение и нулевой входной ток. Идеальный ОУ с обратной связью по напряжению имеет высокоомные входы, результатом чего является нулевой входной ток, и использует обратную связь по напряжению для поддержания нулевого входного напряжения. ОУ с обратной связью по току, напротив, имеют низкоомный вход и использует токовую обратную связь для поддержания нулевого входного тока. Передаточная функция трансимпедансного усилителя является зависимостью выходного напряжения от входного тока, и коэффициент “усиления” (точнее, коэффициент преобразования) такого усилителя vO/iIN имеет размерность сопротивления. Следовательно, ОУ с токовой обратной связью могут быть отнесены к трансимпедансным усилителям. Интересно отметить, что схема на ОУ с замкнутой обратной связью по напряжению, может быть также отнесена к трансимпедансным схемам при динамическом токовом управлении низкоимпедансным суммирующим выводом (например, при считывании сигнала фотодиода). Такая схема формирует выходное напряжение, равное входному току, умноженному на сопротивление обратной связи. Так как, в принципе, любая схема с ОУ может быть выполнена либо с обратной связью по току, либо с обратной связью по напряжению, то преобразователь ток-напряжение может быть выполнен на операционном усилителе с токовой обратной связью. Когда используется термин трансимпедансный услитель, необходимо понимать разницу между ОУ с токовой ОС со специфичной структурой и любыми петлезамкнутыми преобразователями тока в напряжение, которые ведут себя как трансимпедансные схемы. В упрощенной модели операционного усилителя с ОС по напряжению (бесконечное входное сопротивление, нулевое выходное сопротивление и высокий коэффициент усиления при разомкнутой ОС) в неинвертирующем включении разность напряжений на входах ( VIN+–VIN– ) усиливается в соответствии с коэффициентом усиления с разомкнутой обратной связью A(s), и часть выходного напряжения передается на инвертирующий вход через резистивный делитель, состоящий из сопротивлений RFи RG. Для этой схемы: Подставляя и упрощая получаем: Верхняя граница частотного диапазона (полоса) схемы с замкнутой обратной связью равна частоте, на которой петлевое усиление LG имеет единичное значение (0 дБ). Член 1 + RF/RG, называемый коэффициентом усиления шума, для неинвертирующей схемы также является коэффициентом усиления сигнала. На диаграмме Боде полоса схемы с замкнутой обратной связью определяется как пересечение графиков коэффициента усиления ОУ с разомкнутой обратной связью A(s) и коэффициента усиления шума NG. Большой коэффициент усиления шума уменьшает петлевое усиление и, следовательно, полосу при замкнутой ОС. Если график A(s) имеет наклон 20 дБ/декада, произведение коэффициента усиления схемы на ее полосу будет постоянной величиной. Таким образом, увеличение коэффициента усиления схемы на 20 дБ приведет к сужению полосы на одну декаду (в десять раз). В упрощенной модели усилителя с обратной связью по току при неинвертирующем включении неинвертирующий вход является высокоимпедансным входом буфера с единичным коэффициентом усиления, а инвертирующий вход – низкоомный выход этого буфера. Буфер позволяет току ошибки IERR втекать или вытекать из инвертирующего входа, и единичный коэффициент усиления вынуждает инвертирующий вход следить за сигналом неинвертирующего входа. Ток ошибки через резистор RF передается в высокоимпедансный узел, где он преобразуется в напряжение и передается через буфер (на схеме не показан) на выход. Высокоимпедансный узел является частотно-зависимым сопротивлением Z(s), по роли своей аналогичным усилению с разомкнутой обратной связью для ОУ с ОС по напряжению; он обладает высоким значением импеданса по постоянному току и имеет наклон 20 дБ/декада.

Передаточная функция при VIN+=VIN– определяется суммой токов в VIN– узле. Если предположить, что буфер обладает нулевым выходным сопротивлением, т.е. RO=0, то Подставляя и решая для VO/VIN+ имеем Передаточная функция для усилителя с токовой ОС такая же, как и для усилителя с ОС по напряжению, но петлевое усиление LG зависит только от сопротивления обратной связи RF. Таким образом, частотная полоса ОУ с токовой ОС определяется значением RF, а не шумовым усилением 1 + RF/RG. Пересечение графиков RF и Z(s) определяет петлевое усиление и полосу при замкнутой обратной связи. Несомненно, что произведение коэффициента усиления схемы на ее полосу в этом случае не является константой, что является преимуществом токовой обратной связи. На практике, входной буфер неидеален – он обладает выходным сопротивлением порядка 20…40 Ом, которое модифицирует сопротивление обратной связи. При этом входные напряжения не равны друг другу. Делая подстановку в предшествующие уравнения, получаем: Решение для VO/VIN+ даст следующий результат: Добавка к сопротивлению обратной связи означает, что в действительности петлевое усиление отчасти зависит от коэффициента усиления схемы с замкнутой обратной связью. При малых коэффициентах усиления определяющим является сопротивление резистора RF, но при большом усилении значение добавки в уравнении будет увеличиваться и уменьшать петлевое усиление, что, в свою очередь, приведет к сужению полосы схемы с замкнутой обратной связью. Должно быть понятно, что соединение выхода и инвертирующего входа с отключенным резистором RG (схема повторителя напряжения) будет сильно увеличивать петлевое усиление. По аналогии с ОУ с ОС по напряжению, максимальная обратная связь возникает, когда выходное напряжение передается на вход целиком, но предельный ток обратной связи равен току короткого замыкания. Чем меньшим будет сопротивление, тем большим будет ток. Графически, RF=0 будет задавать более высокочастотное пересечение с графиком Z(s) и полюс более высокого порядка. Как и в случае ОУ с ОС по напряжению, полюс более высокого порядка для Z(s) будет вызывать больший фазовый сдвиг на более высоких частотах, приводя к нестабильности при фазовом сдвиге более 180°. Так как оптимальное значение сопротивления RF различно при разных коэффициентах усиления, диаграмма Боде полезна при определении полосы и запаса устойчивости по фазе для различных усилений. Более широкая полоса может быть достигнута при меньшем запасе устойчивости; работа при пиковом значении полосы приведет в частотной области к перерегулированию, а во временной области – к звону. В справочных данных для устройств с токовой обратной связью приводятся определенные оптимальные значения сопротивления резистора RF для различных коэффициентов усиления схемы. Усилители с токовой обратной связью обладают прекрасными характеристиками по параметру “скорость нарастания выходного сигнала”. Скорость нарастания выходного напряжения у традиционного, не сильно нагруженного усилителя с ОС по напряжению ограничена током, необходимым для перезаряда внутренней емкости компенсации. Когда вход подвергается сильному сигнальному воздействию, входной каскад насыщается, и только лишь часть его тока способна перезаряжать эту емкость. У ОУ с токовой ОС низкомный вход позволяет более сильным переходным токам втекать в усилитель, что и требуется для перезарядки компенсационной емкости. Внутренние токовые зеркала передают этот входной ток в компенсационный узел, обеспечивая быструю перезарядку, теоретически пропорционально изменению входного сигнала. Более высокая скорость нарастания приводит к более быстрому времени нарастания выходного сигнала, меньшим искажениям, меньшей нелинейности и более широкой полосе для большого сигнала. Реальная скорость нарастания ограничивается насыщением токовых зеркал, которое наступает при 10…15 мА, а также входным и выходным буферами.

Точность усиления сигнала постоянного тока для усилителя с токовой ОС может быть определена из формулы его передаточной характеристики, также как и для ОУ с ОС по напряжению, это, по существу, отношение внутреннего сопротивления к сопротивлению резистора обратной связи. При типовом значении внутреннего сопротивления 1 МОм, сопротивления обратной связи 1 кОм и выходного сопротивления RO около 40 Ом ошибка при единичном коэффицинте усиления составит около 0,1 %. При высоком коэффициенте усиления ошибка значительно возрастает, поэтому ОУ с токовой ОС изредка используются в схемах с большим усилением, особенно в схемах, где требуется малая погрешность усиления. Упрощенная схема ОУ с токовой ОС Тем не менее, для многих приложений установочные характеристики часто более важны, чем погрешность усиления. Несмотря на то, что усилители с обратной связью по току имеют очень быстрые времена нарастания сигнала, во многих справочных технических данных приводится значение этого параметра только лишь 0,1 %. Такая малая величина возникает из-за теплового времени установления – основного фактора, ограничивающего точность установки.

Рассмотрим комплементарный вход буфера, в котором напряжение на выводе VIN– есть смещение для вывода VIN+ с учетом напряжений VBE транзисторов Q1 и Q3. Когда входной сигнал равен нулю, напряжения VBE должны быть равнозначными, и смещение будет небольшим от VIN+ до VIN–. Изменение входного сигнала VIN+ в положительныю сторону будет являться причиной уменьшения VCE Q3 и уменьшения мощности рассеивания, в соответствии с возрастанием VBE. У включенного диодом транзистора Q1 напряжение VCE постоянно, поскольку постоянно напряжение VBE. Такой же эффект будет иметь место в токовом зеркале, где изменение напряжения на высокоимпедансном узле изменяет VCE и, соответственно, VBE для транзистора Q6, но не для Q5. Изменение VBE служит причиной токовой ошибки, возвращаемой на вход VIN–, которая, будучи умноженной на сопротивление RF, будет являться результатом ошибки выходного смещения. Мощность рассеивания для каждого транзистора появляется в области, очень небольшой для достижения тепловой взаимосвязи между устройствами. Тепловые ошибки во входном каскаде могут быть уменьшены в схемах с инвертирующим включением, исключающим синфазное входное напряжение. Тепловое время установления зависит от частоты и формы сигнала. Этот процесс происходит не мгновенно; тепловой коэффициент транзисторов, от которого зависит процесс, определяет время изменения температуры и изменение параметров. Усилители, сделанные согласно высокочастотному комплементарному биполярному процессу (разработка Analog Devices), не проявляют эффект теплового установления для входной частоты выше нескольких килогерц, потому что входной сигнал изменяется очень быстро. Системы связи в общем случае более чувствительны к спектральным характеристикам, поэтому такая дополнительная ошибка усиления не слишком важна. Тепловое время установления может неблагоприятно воздействовать на ступенчатые сигналы, которые могут присутствовать в сигналах видеоизображений. Для таких приложений ОУ с токовой обратной связью могут не обеспечивать соответствующую точность установки.

www.elart.narod.ru