Операционный усилитель с однополярным питанием: Операционные усилители с однополярным питанием: примеры применения

Операционные усилители с однополярным питанием: примеры применения

11 февраля 2020

Бонни Бейкер (Microchip Technology)

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

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

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

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

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

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

Основные принципы работы операционных усилителей

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

Повторитель напряжения

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

Рис. 1. Буферный усилитель (повторитель напряжения)

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

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

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

.

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

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

13 Ом. В то же время выходное сопротивление буферного усилителя обычно не превышает 10 Ом.

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

Рис. 2. Развязка нагрузки с использованием буферного усилителя

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

Усиление аналоговых сигналов

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

Рис. 3. Неинвертирующий усилитель на ОУ

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

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

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

В схемах с однополярным питанием значение сопротивления резистора R₂, как правило, берется не менее 2 кОм.

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

Схема инвертирующего усилителя приведена на рисунке 4. Эта схема усиливает и инвертирует сигнал, поданный на входной резистор (R

1). Выходное напряжение этой схемы определяется по формуле 2:

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

Рис. 4. Инвертирующий усилитель на ОУ

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

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

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

Схемы с однополярным питанием и расщепители питания

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

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

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

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

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

Дифференциальный (разностный) усилитель

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

Рис. 6. Дифференциальный усилитель на ОУ

Выходное напряжение этой схемы определяется по формуле 4:

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

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

Суммирующий усилитель

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

Рис. 7. Суммирующий усилитель на ОУ

Выходное напряжение этой схемы определяется по формуле 5:

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

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

Преобразователь тока в напряжение

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

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

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

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

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

Применение базовых схем

Инструментальный усилитель

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

Рис. 9. Инструментальный усилитель на трех ОУ

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

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

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

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

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

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

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

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

Плавающий источник тока

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

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

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

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

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

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

Фильтры

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Соединяем все вместе

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

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

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

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

Подводные камни проектирования схем с ОУ

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

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

Общие советы

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

Входные каскады

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

Ширина полосы пропускания ОУ

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

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

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

Литература

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

Оригинал статьи

Перевел Андрей Евстифеев по заказу АО КОМПЭЛ

 

 

•••

Наши информационные каналы

Особенности применения ОУ при однополярном питании

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

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

 

Проблемы, возникающие при смещении с помощью резисторов

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

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

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

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

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

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

 

Развязка схемы смещения

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

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

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

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

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

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

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

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

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

 

Смещение при помощи стабилитрона

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

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

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

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

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

 

Смещение с помощью линейного стабилизатора

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

 

Связь по постоянному току при однополярном питании

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

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

 

Проблемы задержки включения

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

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

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

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

Предупреждение частых ошибок при разработке схем с ОУ и ИУ

Отсутствует цепь для отвода тока смещения при связи по переменному току

Одна из наиболее распространенных ошибок при применении связи по переменному току в схемах с операционными или инструментальными усилителями — это отсутствие цепи постоянного тока для стекания тока смещения. На рис. 1 включение последовательно с неинвертирующим входом (+) ОУ конденсатора для связи по переменному току является простым способом не пропустить постоянную составляющую, имеющуюся во входном напряжении (V_IN). Это особенно полезно для схем с большим усилением, где даже небольшое постоянное напряжение на входе может ограничить динамический диапазон или вызвать насыщение выхода. Однако емкостная связь на высокоомном входе приведет к неприятностям, если не обеспечить цепь постоянному току, текущему в неинвертирующий вход или из него.

Рис. 1. Неработоспособная схема на ОУ со связью по переменному току

В такой схеме входные токи смещения будут течь через разделительный конденсатор, заряжая его, пока синфазное напряжение на входе не достигнет максимально допустимого значения или пока выход не достигнет предельного напряжения. В зависимости от направления входного тока смещения конденсатор будет заряжаться или до положительного, или до отрицательного напряжения питания. Напряжение смещения усиливается коэффициентом усиления при замкнутой ОС по постоянному току.

Этот процесс может занять длительное время. Например, усилитель с полевыми транзисторами на входе с током смещения 1 пА с конденсатором развязки 0,1 мкФ будет заряжаться со скоростью I/C 10^–12/10^–7 = 10 мкВ/с или 600 мкВ в минуту. Если коэффициент усиления равен 100, выходное напряжение будет меняться на 0,06 В в минуту. Таким образом, испытания в лаборатории (с помощью осциллографа с входом по переменному току) могут не выявить эту проблему, и схема будет работоспособна в течение нескольких часов. Разумеется, очень важно не допустить подобной проблемы.

На рис. 2 показано решение этой весьма распространенной задачи. Для обеспечения цепи протекания тока смещения здесь вход ОУ соединен с «землей» с помощью резистора. Для минимизации входных напряжений смещения, вызванных токами смещения, которые отслеживают друг друга в биполярных ОУ, сопротивление резистора R1 выбирают равным сопротивлению параллельно включенных R2 и R3.

Рис. 2. Правильный подход к обеспечению связи по переменному току входа ОУ при работе с двухполярным питанием

Однако отметим, что данный резистор будет всегда привносить в схему некоторый шум, так что должен быть компромисс между входным импедансом схемы, требуемой емкостью входного развязывающего конденсатора, и тепловым шумом, добавляемым резистором. Типичные значения сопротивления резистора лежат в диапазоне от 100 кОм до 1 МОм.

Аналогичная проблема может иметь место и в схеме с инструментальным усилителем. На рис. 3 показана схема с ИУ с двумя разделительными конденсаторами, не обеспечивающая цепь для протекания входного тока смещения. Эта проблема обычна для инструментальных усилителей, работающих как в схеме с двухполярным питанием (рис. 3a), так и в схеме с одним источником питания (рис. 3б).

Рис. 3. Примеры неработоспособных схем со связью по переменному току на ИУ:
а) двухполярный источник питания;
б) однополярный источник питания

Подобная проблема может возникнуть и при трансформаторной связи, как на рис. 4, если нет цепи для постоянного тока на «землю» на стороне вторичной обмотки трансформатора.

Рис. 4. Неработоспособная схема с трансформаторной связью на ИУ

Простые решения этих проблем показаны на рис. 5 и 6. Здесь между каждым входом и «землей» добавлены высокоомные резисторы R_A и R_B. Это простое и практичное решение для схем на ИУ с двухполярным питанием.

Рис. 5. Высокоомный резистор между каждым входом и общим проводом необходим для пути возврата тока смещения на «землю»:
a) двухполярное питание;
б) однополярное питание

 

Рис. 6. Правильный способ трансформаторной связи со входами ИУ

Эти резисторы обеспечивают путь для стекания входного тока смещения на «землю». В схеме с двухполярным источником питания (рис. 5a) теперь оба входа связаны по постоянному току с «землей». В схеме с однополярным питанием на рис. 5б оба входа соединены или с «землей» (при V_CM, подключенной к «земле»), или с напряжением смещения, обычно равным половине максимального размаха входного напряжения.

Точно такой принцип может быть использован для входов с трансформаторной связью (рис. 6), за исключением случая, когда обмотка трансформатора имеет среднюю точку. Средняя точка трансформатора может быть соединена с «землей» или с V_CM.

В этих схемах погрешность в виде небольшого напряжения смещения нуля возникает из-за несовпадения номиналов входных резисторов или несовпадения входных токов смещения. Для минимизации таких погрешностей между двумя резисторами можно подключить третий резистор с величиной сопротивления около 1/10 сопротивления этих двух (но больше, чем дифференциальное сопротивление источника), таким образом шунтируя эти резисторы.

 

Подача опорного напряжения на ОУ, ИУ и АЦП

На рис. 7 приведена схема с однополярным питанием, в которой напряжение на несимметричный вход аналого-цифрового преобразователя (АЦП) подается с инструментального усилителя. Опорное напряжение усилителя обеспечивает напряжение смещения, соответствующее нулевому дифференциальному входному напряжению, а опорное напряжение АЦП обеспечивает коэффициент масштабирования. Для снижения внеполосного шума между выходом ИУ и входом АЦП часто применяется простой сглаживающий RC-фильтр нижних частот. Разработчики часто соблазняются простыми решениями — например, для подачи опорного напряжения на ИУ и АЦП применяют резистивные делители вместо низкоомного источника. Для некоторых ИУ это может послужить причиной появления погрешности.

Рис. 7. Типичная схема подачи сигнала с ИУ на АЦП с однополярным питанием

 

 

Корректная подача опорного напряжения в ИУ

Часто полагают, что вход для подачи опорного напряжения высокоомный (поскольку это вход). Так, разработчики могут соблазниться подключить высокоомный источник, например резистивный делитель, к выводу ИУ для опорного напряжения. С некоторыми типами инструментальных усилителей это может привести к значительным погрешностям (рис. 8).

Рис. 8. Неправильное использование простого делителя напряжения для непосредственной подачи опорного напряжения в инструментальный усилитель из трех ОУ

Например, в конструкции популярного ИУ применено три ОУ, соединенных, как показано выше. Общий коэффициент усиления равен:

где R₂/R₁ = R₄/R₃.

Коэффициент передачи для входа опорного напряжения равен единице (при подаче напряжения от источника с низким импедансом). Однако в рассматриваемом случае вывод опорного напряжения ИУ подключен к простому делителю напряжения на резисторах. Это приводит к разбалансу схемы вычитания и нарушает коэффициент деления делителя напряжения. В свою очередь, это снижает коэффициент подавления синфазного сигнала в ИУ и точность его коэффициента усиления. Однако если бы внутренний резистор R4 был нам доступен, то при снижении его сопротивления на величину, равную параллельному соединению двух резисторов делителя напряжения (здесь 50 кОм), схема вела бы себя так, будто к изначальному сопротивлению резистора R4 подключен низкоомный источник, равный (в данном примере) половине напряжения питания, и точность схемы вычитания была бы сохранена.

Этот подход невозможен, если ИУ — интегральная схема в закрытом корпусе. Еще одна проблема заключается в том, что температурные коэффициенты сопротивления (ТКС) внешних резисторов делителя отличаются от ТКС резистора R4 и других резисторов схемы вычитания. И, наконец, такой подход не позволяет регулировать значение опорного напряжения. Если, с другой стороны, попытаться использовать в делителе напряжения низкоомные резисторы, чтобы влияние их добавленного сопротивления было бы пренебрежимо малым, то ток потребления от источника питания и рассеиваемая мощность схемы увеличатся. В любом случае, такой метод «грубой силы» не приносит успеха.

На рис. 9 показано лучшее решение — применение буфера на ОУ с малым потреблением энергии между делителем напряжения и входом опорного напряжения ИУ. Это ликвидирует необходимость подбора сопротивления и проблему резисторов с разными ТКС, а также дает возможность легко регулировать опорное напряжение.

Рис. 9. Подача опорного напряжения на ИУ с низкоимпедансного выхода ОУ

 

 

Сохранение коэффициента ослабления отклонений напряжения источника питания (КОНИП) при формировании опорного напряжения для усилителей делителями из напряжения источника питания

Часто при анализе не учитывается тот факт, что любой шум, импульсные помехи и дрейф напряжения источника питания V_S, подаваемого на вход опорного напряжения напрямую, добавляются к выходному напряжению, ослабленные только коэффициентом деления делителя. Практические решения включают в себя развязывание конденсаторами, фильтрацию и, возможно, даже генерацию опорного напряжения прецизионными интегральными схемами, например ADR121, вместо ответвления напряжения V_S.

Этот анализ особенно важен, когда разрабатываемые схемы содержат и операционные, и инструментальные усилители. Методика ослабления отклонений питающего напряжения применяется для того, чтобы изолировать усилитель от помех, шумов и других кратковременных изменений напряжения, присутствующих на шине питания. Это важно, потому что многие практические схемы содержат, подключаются или существуют в окружении далеко не идеальных источников напряжений питания. Кроме того, существующие на шинах питания переменные составляющие могут проникнуть в схему, усилиться и при нормальных условиях возбуждать паразитные колебания.

Современные операционные и инструментальные усилители обеспечивают значительное ослабление низкочастотных отклонений напряжения источника питания. У разработчиков это считается как бы само собой разумеющимся. Многие современные ОУ и ИУ имеют в спецификациях значение КОНИП 80 и даже более 100 дБ, что ослабляет действие флуктуаций напряжения питания от 10 000 до 100 000 раз. Даже весьма умеренный КОНИП в 40 дБ ослабляет влияние флуктуаций питания на усилитель в 100 раз. Тем не менее, высокочастотные блокировочные конденсаторы (которые изображены на рис. 1–7) всегда желательны, и часто без них не обойтись.

Когда разработчики применяют простой резистивный делитель сшины питания и буфер на ОУ для подачи на вход опорного напряжения ИУ, все флуктуации напряжения источника питания проходят через эту схему с небольшим ослаблением и непосредственно добавляются к выходному уровню ИУ. Таким образом, пока не обеспечена низкочастотная фильтрация, высокое значение КОНИП интегральной схемы не дает существенных преимуществ.

На рис. 10 к делителю напряжения добавлен конденсатор, отфильтровывающий флуктуации напряжения питания в выходном напряжении и позволяющий сохранить значение КОНИП.

Рис. 10. Развязывание цепи опорного сигнала для сохранения КОНИП

Полюс –3 дБ этого фильтра устанавливается сопротивлением параллельно включенных R1/R2 и емкости конденсатора C1. Частота этого полюса должна быть примерно в 10 раз ниже, чем самая низкая частота сигнала.

При параметрах компонентов, приведенных на рисунке, спад –3 дБ будет на частоте 0,03 Гц. Конденсатор с маленькой емкостью (0,01 мкФ), включенный параллельно R3, минимизирует шумы резистора.

Фильтру для заряда после включения требуется время. При приведенных номиналах время заряда составляет 10–15 с (несколько постоянных времени фильтра, T = R₃C_ƒ = 5 c).

В схеме на рис. 11 предложены дальнейшие улучшения. Здесь буфер на ОУ работает как активный фильтр, что позволяет применить конденсаторы с меньшими емкостями для тех же значений развязывания источника питания. Кроме того, активный фильтр можно сделать высокодобротным, что уменьшит время включения.

Рис. 11. Подача опорного напряжения на вход ИУ с выхода ОУ, включенного в качестве активного фильтра

Результаты испытаний

С указанными на схеме номиналами элементов и при источнике питания 12 В на входе ИУ было обеспечено 6 В опорного отфильтрованного напряжения. При коэффициенте усиления ИУ, равном единице, питающее напряжение 12 В было промодулировано синусоидальным сигналом с размахом 1 В с разными частотами. При этих условиях, при снижении частоты примерно до 8 Гц на экране осциллографа не наблюдалось переменного сигнала на опорном напряжении и на выходе ИУ. При небольших уровнях сигнала на входе ИУ измеренный диапазон напряжений питания для этой схемы составил от 4 до 25 В и более. Время включения схемы примерно 2 с.

 

Развязывание напряжения питания схем на ОУ с однополярным питанием

Чтобы работать с положительными и отрицательными полуволнами переменного сигнала, схемам на ОУ с однополярным питанием требуется синфазное смещение входа. При использовании для реализации такого смещения шины питания, для сохранения значения КОНИП требуется соответствующее развязывание.

Обычной и неправильной практикой для смещения неинвертирующего входа на уровень VS/2 является применение резистивного делителя 100/100 кОм с развязывающим конденсатором емкостью 0,1 мкФ. При таких номиналах элементов развязывание напряжения источника питания недостаточно, так как частота полюса составляет всего 32 Гц. Часто возникает нестабильность схемы (низкочастотная генерация типа «шум мотора»), особенно при работе на индуктивную нагрузку.

Рис. 12. Неинвертирующий усилитель с однополярным питанием с правильным развязыванием источника питания. Коэффициент усиления на средних частотах равен 1+R2/R1

На рис. 12 (неинвертирующая схема) и рис. 13 (инвертирующая схема) показаны улучшенные схемы для получения развязанного напряжения смещения V_S/2. В обеих схемах смещение подведено к неинвертирующему входу, обратная связь приводит инвертирующий вход к той же величине смещения, и единичный коэффициент усиления на постоянном токе смещает оба входа на одинаковое напряжение. Развязывающий конденсатор C1 понижает коэффициент усиления ниже частоты BW3 до единицы.

 

Рис. 13. Инвертирующий усилитель с однополярным питанием с правильным развязыванием источника питания. Коэффициент усиления на средних частотах равен – R2/R1

При использовании делителя 100/100 кОм хорошим эмпирическим правилом является применение конденсатора C2 с емкостью не менее 10 мкФ для получения спада на –3 дБ на частоте 0,3 Гц. Значение емкости 100 мкФ (полюс на частоте 0,03 Гц) достаточно практически для всех схем.

Однополярное питание ОУ » PRO-диод

Однополярное питание ОУ

11.11.2013 | Рубрика: Операционный усилитель

В предыдущих главах, например в этой, предполагалось, что ОУ имеет два напряжения питания — положительной и отрицательной полярности (рис. 1). При этом напряжения питания обычно выбираются равными по величине, а их средняя точка является землёй. Сигналы на входе и выходе при этом подаются и снимаются относительно земли. Однако…

Однако в современной портативной аппаратуре с батарейным питанием это неудобно.

Рис. 1. Схема включения ОУ с двуполярным питанием.

При однополярном питании ОУ необходимо использовать цепь смещения выходного напряжения так, чтобы выходные сигналы могли изменяться в максимально широком диапазоне, ограниченном нулём (землёй) и напряжением питания. Кроме того, входные сигналы изменяются относительно потенциала земли, что эквивалентно подаче входных сигналов относительно шины отрицательного питания в схеме применения ОУ с двуполярным питанием. Необходимость преодоления этих проблем влечёт за собой некоторое усложнение схем применения ОУ с однополярным питанием.

Когда входной сигнал имеет постоянное смещение относительно земли (рис. 2), напряжение смещения усиливается вместе с напряжением входного сигнала. За исключением случая, когда это напряжение смещения используется для установления нужного постоянного напряжения на выходе ОУ, его приходится исключать из усиливаемого сигнала.

Рис. 2. Схема включения ОУ с двуполярным питанием и источником постоянного смещения на входе усилителя

На рис. 3 приведена одна из схем, применяемых для исключения постоянного смещения из усиливаемых сигналов за счёт использования дифференциального усилителя. В нём одинаковые постоянные напряжения от источников K_REF являются синфазными и вычитаются друг из друга благодаря свойствам дифференциального усилителя.

Рис. 3. Схема включения ОУ с двуполярным питанием и синфазным напряжением на входах

Когда сигнал подаётся относительно земли, при однополярном питании ОУ, как правило, не удаётся использовать схему включения ОУ с двуполярным питанием. В схеме на рис. 4 усилитель совсем не может работать при положительной фазе входного сигнала, так как выходное напряжение при этом должно быть отрицательнее потенциала земли. Что касается отрицательной фазы входного напряжения, то только немногие ОУ могут работать при нулевом потенциале входа.

Рис. 4. Схема включения ОУ с однополярным питанием и входным сигналом, подаваемым относительно земли

Главную сложность при конструировании схем на ОУ с однополярным питанием представляет необходимость учёта того обстоятельства, что входные сигналы, как правило, подаются относительно земли или содержат различную постоянную составляющую. Если не указано иное, все схемы на ОУ в этой главе являются схемами с одним напряжением питания. Следует отметить, что с землёй может быть соединён как положительный, так и отрицательный полюс источника питания.

Использование одного напряжения питания ограничивает полярность выходных напряжений ОУ Например, при напряжении питания 10В выходное напряжение может быть только в диапазоне 0 <= VOUT <= 10В. Это обстоятельство не позволяет получать выходные напряжения отрицательной полярности. Вместе с тем инвертирующий усилитель может работать с отрицательными входными сигналами, когда выходные сигналы имеют положительную полярность.

Следует быть внимательным при работе с отрицательными (положительными) входными напряжениями при питании ОУ от источника положительной (отрицательной) полярности. Дело в том, что входы ОУ, как правило, очень чувствительны к пробою при обратном напряжении смещения. Особое внимание необходимо уделять условиям включения схем: необходимо, чтобы входы ОУ не оказались при этом под воздействием напряжения иной полярности, чем напряжение питания.

Метки:: Однополярное питание, Операционный усилитель

Мостовые усилители для приложений с однополярным источником питания

Добавлено 19 декабря 2019 в 19:40

Сохранить или поделиться

В данной статье описывается схема мостового усилителя и объясняется, почему она особенно удобна, когда у вас нет источника отрицательного напряжения.

Вспомогательная информация

Почему однополярный источник питания?

Существует несколько различных терминов, используемых для обозначения системы, в которой разработчик имеет доступ к шинам положительного и отрицательного напряжения: двуполярное, симметричное, с двойным источником питания, с раздельными источниками питания. Как бы вы ни хотели их назвать, они мне нравятся; аналоговые схемы являются более простыми и (на мой взгляд) более математически связными, когда уровень сигнала может опускаться фактически ниже уровня земли.

Однако неизбежный факт заключается в том, что система с двойным источником питания обычно является персоной нон-грата в мире современной электроники. Причина этого достаточно проста: для создания источника отрицательного напряжения требуются дополнительные схемы, что означает больше времени проектирования, более высокую стоимость и большие размеры печатной платы; таким образом, если системные требования могут быть каким-то образом выполнены без обращения к отрицательной шине питания, тем лучше. Альтернативой дополнительной схеме является вторая батарея; помимо того, что этот подход применим только к оборудованию с питанием от батарей, он всё же увеличивает стоимость и громоздкость, которые могут быть устранены с помощью продуманной схемы с однополярным источником питания.

Примечание. Не существует закона, утверждающего, что система с двойным источником питания должна иметь положительное и отрицательное напряжения питания, которые равны по величине (то есть симметричны). Однако симметричные источники питания являются нормой для схем усилителей, и обсуждение систем с двойными источниками питания или с раздельными источниками питания может включать предположение, что напряжения питания являются симметричными.

Мостовой усилитель

Одной вещью, которая может быть трудной в среде с однополярным источником питания, является формирование выходных сигналов переменного тока высокой мощности. Давайте посмотрим на схему, которая может помочь с этой задачей:

Рисунок 1 – Мостовой усилитель

Как видите, входной сигнал подается на две схемы на операционных усилителях, одна неинвертирующая, другая инвертирующая; резисторы выбираются таким образом, чтобы оба усилителя имели одинаковую величину коэффициента усиления. Нагрузка подключена между выходами двух усилителей; обратите внимание, что нагрузка «плавающая», то есть она не имеет прямого соединения с узлом земли. Как вы, наверное, уже поняли, мостовой усилитель приводит к увеличению напряжения на нагрузке в два раза:

Рисунок 2 – Мостовой усилитель приводит к увеличению напряжения на нагрузке в два раза

Показанный здесь стандартный мостовой усилитель не является схемой с однополярным источником питания. Оба операционных усилителя имеют входной вывод, который привязан к земле; таким образом, входной синусоидальный сигнал с привязкой к земле потребовал бы от обоих операционных усилителей формирование отрицательных выходных напряжений, и это, конечно, совершенно невозможно, когда вывод отрицательного питания операционного усилителя подключен к земле.

Версия с однополярным источником питания

Следующая схема адаптирует схему мостового усилителя к использованию однополярного источника питания:

Рисунок 3 – Мостовой усилитель с однополярным питанием

Важная особенность схемы на операционном усилителе с однополярным источником питания – это напряжение смещения, которое задает опорный уровень, равный половине напряжения питания (так же, как потенциал земли служит в качестве опорного уровня среднего напряжения питания в системах с двойным источником питания). Напряжение смещения не обязательно должно быть равно половине напряжения питания, но оно обычно выбирается таким при работе с синусоидальными сигналами, поскольку смещение, равное половине напряжения питания гарантирует, что выходной сигнал имеет одинаковые возможности раскачиваться и в «положительную», и в «отрицательную» стороны («положительная» значит выше напряжения смещения, а «отрицательная» значит ниже напряжения смещения).

Существуют различные способы смещения в схемах на операционном усилителе с однополярным источником питания. На мой взгляд, самый простой подход показан на схеме, приведенной выше: вы конфигурируете схему как инвертирующий усилитель и прикладываете V_смещ к положительному входу. Вот почему мостовой усилитель с однополярным источником питания использует два инвертирующих усилителя, тогда как стандартный мостовой усилитель использует неинвертирующий усилитель и инвертирующий усилитель.

Смещение неинвертирующего усилителя неудобно – независимо от того, применяете ли вы смещение к положительному или отрицательному входу, взаимосвязь между напряжением смещения и выходным напряжением является более сложной по сравнению с инвертирующей схемой. Кроме того, если для формирования напряжения смещения вы используете резистивный делитель, резисторы в неинвертирующем усилителе взаимодействуют с резисторами в делителе и тем самым делают вашу жизнь еще более сложной, чем она уже есть. Инвертирующая схема позволяет подключать напряжение смещения непосредственно к высокоимпедансному входному выводу операционного усилителя, и, таким образом, вы можете использовать резистивный делитель без опасений:

Рисунок 4 – Организация смещения в мостовой схеме с однополярным питанием

Наконец, вы, вероятно, заметили, что на вход одного из операционных усилителей подается не сам входной сигнал, а выходной сигнал другого операционного усилителя.2 \times \frac{1}{R}\]

Таким образом, мощность пропорциональна квадрату пикового напряжения. Мостовая схема удваивает напряжение на нагрузке; следовательно, она обеспечивает увеличение мощности, передаваемой нагрузке, в четыре раза. Возможно, вы задаетесь вопросом – почему мы не можем просто использовать один операционный усилитель и увеличить коэффициент усиления, чтобы получить большее напряжение? Зачем беспокоиться о мостовой схеме? Это хорошие вопросы, и ответ на них следующий: мостовой усилитель обеспечивает P_нагр, превышающую в четыре раза максимальную мощность, которую вы можете достичь при заданном напряжении питания. Другими словами, мостовой усилитель особенно полезен, когда вы пытаетесь получить как можно больше мощности от вашей шины питания.

В этот век низковольтных систем вы можете обнаружить, что напряжение питания является ограничивающим фактором того, какую мощность вы можете подавать на нагрузку. Предположим, что сопротивление нагрузки является фиксированным, поэтому вы не можете увеличить мощность, уменьшив R_нагр, и давайте также предположим, что у вас имеется достаточный уровень тока, доступный от вашего источника питания. В этом случае ваш источник питания 3,3 В сдерживает вас – вы могли бы легко подать больше мощности, если бы у вас было немного большее напряжение питания. Ну, вот тут-то и появляется мостовой усилитель: та же шина напряжения, но в четыре раза большая мощность.

Не требуется конденсатор связи

Моя любимая особенность мостового усилителя заключается в том, что он позволяет устранить постоянное напряжение смещения без устранения постоянного напряжения смещения… или что-то типа того. Допустим, у вас есть динамик, который вам необходимо подключить к вашей схеме с однополярным источником питания. Все аудиосигналы имеют смещение по постоянному напряжению, которое удерживает отрицательные участки синусоиды выше уровня земли. Но сигнал, который мы посылаем на динамик, должен быть чистым переменным напряжением; постоянное напряжение смещения в аудиосигнале уменьшает динамический диапазон и способствует искажению. Эта проблема часто решается с помощью конденсатора, блокирующего постоянный ток (также называемого разделительного конденсатора), но у этого подхода есть недостатки: во-первых, конденсатор может быть достаточно большим (часто сотни микрофарад), чтобы избежать ослабления низкочастотных составляющих сигнала; во-вторых, вам нужно беспокоиться о переходных эффектах, связанных с зарядом или разрядом разделительного конденсатора, таких как артефакты типа «щелчков» и «хлопков», которые мешают воспроизведению звука.

К счастью, если у вас есть мостовой усилитель, то отпадает необходимость в разделительном конденсаторе. Дополнительная особенность инвертированных и неинвертированных сигналов такова, что постоянное напряжение смещения одного сигнала может компенсировать постоянное напряжение смещения другого:

Рисунок 5 – Компенсация напряжения смещения

Заключение

Мы рассмотрели стандартный мостовой усилитель, а также вариант, совместимый с однополярным источником питания, и обсудили два основных преимущества, предлагаемых мостовой схемой. Как один из моих профессоров однажды сказал в связи с какой-то математической концепцией, которую я не могу вспомнить, сложите ее и держите в кармане; мостовой усилитель может оказаться весьма полезным, когда вам будет необходимо подавать значительный уровень мощности сигнала переменного напряжения от низковольтной системы или системы с однополярным источником питания.

Оригинал статьи:

Теги

Аудиосистема с однополярным источником питанияАудиоусилительМостовой усилительНапряжение смещенияНапряжение смещения операционного усилителяОперационный усилитель с однополярным источником питанияОУ (операционный усилитель)Системы с однополярным источником питанияУсилитель

Сохранить или поделиться

Описание и применение операционного усилителя LM358. Схемы включения, аналог, datasheet

Микросхема LM358 в одном корпусе содержит два независимых маломощных операционных усилителя с высоким коэффициентом усиления и частотной компенсацией. Отличается низким потреблением тока. Особенность данного усилителя – возможность работать в схемах с однополярным питанием от 3 до 32 вольт. Выход имеет защиту от короткого замыкания.

Описание  операционного усилителя LM358

Область применения — в качестве усилительного преобразователя, в схемах преобразования постоянного напряжения, и во всех стандартных схемах, где используются операционные усилители, как с однополярным питающим напряжением, так и двухполярным.

Цифровой мультиметр AN8009

Большой ЖК-дисплей с подсветкой, 9999 отсчетов, измерение TrueRMS…

Технические характеристики LM358

• Однополярное питание: от 3 В до 32 В.
• Двухполярное питание: ± 1,5 до ± 16 В.
• Ток потребления: 0,7 мА.
• Входное напряжение смещения: 3 мВ.
• Дифференциальное входное напряжение: 32 В.
• Синфазный входной ток: 20 нА.
• Дифференциальный входной ток: 2 нА.
• Дифференциальный коэффициент усиления по напряжению: 100 дБ.
• Размах выходного напряжения: от 0 В до VCC — 1,5 В.
• Коэффициент гармонических искажений: 0,02%.
• Максимальная скорость нарастания выходного сигнала: 0,6 В/мкс.
• Частота единичного усиления (с температурной компенсацией): 1,0 МГц.
• Максимальная рассеиваемая мощность: 830 мВт.
• Диапазон рабочих температур: 0…70 гр.С.

Габаритные размеры и назначения выводов LM358 (LM358N)

Аналоги LM358

Ниже приведен список зарубежных и отечественных аналогов операционного усилителя LM358:

• GL358
• NE532
• OP221
• OP290
• OP295
• TA75358P
• UPC358C
• AN6561
• CA358E
• HA17904
• КР1040УД1 (отечественный аналог)
• КР1053УД2 (отечественный аналог)
• КР1401УД5 (отечественный аналог)

Примеры применения (схемы включения) усилителя LM358

Простой неинвертирующий усилитель

 Компаратор с гистерезисом

Допустим, что потенциал, поступающий на инвертирующий вход, плавно возрастает. При достижении его уровня чуть выше опорного (Vh -Vref), на выходе компаратора возникнет высокий логический уровень. Если после этого входной потенциал начнет медленно снижаться, то выход компаратора переключится на низкий логический  уровень при значении немного ниже опорного (Vref – Vl). В данном примере разница между (Vh -Vref) и (Vref – Vl)  будет значение гистерезиса.

Генератор синусоидального сигнала с мостом Вина

Мостовой генератор Вина (Wien bridge oscillator) — является одним из видов электронного генератора, который генерирует волны синусоидальной формы. Он может генерировать широкий спектр частот. Генератор основан на мостовой схеме, изначально разработанной Максом Вином в 1891 году. Класический генератор Вина состоит из четырех резисторов и двух конденсаторов. Генератор можно также рассматривать в качестве прямого усилителя в сочетании с полосовым фильтром, который обеспечивает положительную обратную связь.

 Дифференциальный усилитель на LM358

Назначение данной схемы — усиление разности двух входящих сигналов, при этом каждый из них умножается на определенную постоянную величину.

Дифференциальный усилитель — это хорошо известная электрическая схема, применяемая для усиления разности напряжений 2-х сигналов, поступающих на его входы. В теоретической модели дифференциального усилителя величина выходного сигнала не зависит от величины каждого отдельного входного сигнала, а зависит строго от их разности. 

Функциональный генератор

Данный функциональный генератор вырабатывает сигналы треугольной и прямоугольной формы.

Генератор прямоугольных импульсов на LM358

В качестве примера использования  приведем схему микрофонного усилителя на LM358:

Скачать datasheet LM358 (808,0 KiB, скачано: 14 474)

Инвертирующий усилитель на ОУ | Практическая электроника

Схема инвертирующего усилителя с двухполярным питанием

Базовая схема инвертирующего усилителя с двухполярным питанием выглядит вот так:

Здесь мы видим два резистора и сам ОУ. На вход подаем сигнал, а с выхода уже снимаем усиленный сигнал. Как можно заметить, НЕинвертирующий вход ОУ заземлен. Как же работает схема? Здесь мы видим обратную связь. То есть с выхода сигнал подается обратно на вход через резистор R2. Наш усилитель является инвертирующим, так как сигнал на выходе на 180 градусов сдвинут по фазе относительно входного сигнала. Значит, в узле, где соединяются два резистора и инвертирующий вход, выходной сигнал будет приходить со знаком “минус”. Такая обратная связь называется отрицательной обратной связью (ООС). Она уменьшает высокий коэффициент усиления ОУ до нужных нам значений.

В НЕинвертирующем усилителе обратная связь идет по напряжению, а в инвертирующем усилителе – по току.

Если вы читали статью про ОУ, то, наверное, помните, что если один из входов ОУ соединен с землей, то и другой вход имеем точно такой же потенциал. В данном случае НЕинвентирующий вход у нас соединен с землей, следовательно, на инвертирующем входе будет точно такой же потенциал, то есть 0 Вольт. Такой вход еще называют мнимой (виртуальной) землей. Как говорит на Википедия, “мнимый – это фальшивый, поддельный, ложный”.

Коэффициент усиления по напряжению любого усилителя выражается формулой

Итак, что получаем в итоге?

Входное напряжение из формулы выше

Но так как наш усилитель инвертирует входной сигнал, следовательно, на выходе у нас будет напряжение со знаком “минус”, то есть -Uвых.

В этом случае ток I₂ будет выражаться формулой:

Отсюда находим коэффициент усиления

Так как входное сопротивление инвертирующего входа бесконечно велико, следовательно, ток будет протекать только через цепь R1—>R2. Два разных тока в одной ветви быть не может, поэтому получается, что

В итоге наша формула сокращается и получаем

Пример работы инвертирующего усилителя

Давайте посмотрим, как работает наш усилитель в программе-симуляторе электронных схем Proteus. Здесь мы собираем базовую схему с двухполярным питанием

В Proteus она будет выглядеть вот так:

Здесь мы взяли значение резисторов R2=10 кОм и R1=1 кОм, следовательно, коэффициент усиления такой схемы будет равен -10. Знак “минус” в данном случае просто инвертирует усиленный сигнал, что мы и видим на осциллограмме ниже. Входной сигнал – это розовая осциллограмма, а выходной – это желтая осциллограмма. Выходной сигнал находится в противофазе относительно входного, то есть инвертирует его. Отсюда и название “инвертирующий усилитель”.

Насыщение выхода инвертирующего усилителя

Давайте представим себе такую ситуацию. У нас входное переменное напряжение амплитудой 1 В. Коэффициент усиления 50. По нашим расчетам на выходе мы должны получить сигнал амплитудой 50 В. Но как мы получим 50 В, если питание нашего усилителя, допустим, +-15 В? Усиленный сигнал, амплитудой больше чем 15 В, мы получить не сможем. Хотя типичное падение напряжения во внутренних цепях реальных ОУ составляет около 0,5-1,5 В. То есть максимальный размах сигнала, который мы можем получить в данном случае на выходе будет 27-29 Вольт.

Хотя в настоящее время есть ОУ, которые все-так позволяют получать на выходе +-Uпит. Такое свойство некоторых ОУ называется Rail-to-Rail. В дословном переводе “от рельса до рельса” или “от шины до шины”. Есть такие параметры, как Rail-to-Rail по входу (Rail-to-Rail input). Здесь на вход мы можем подавать сигналы вплоть до Uпит ОУ. Иногда в даташите оговаривается, с отрицательной или положительной шины питания можно подходить к этому параметру. Есть также есть Rail-to-Rail output. Здесь на выходе мы можем получить напряжение +-Uпит.  Если усиленный сигнал на выходе не вписывается в такой диапазон, то он будет срезаться. Такое свойство ОУ называется насыщением выхода. То есть надо всегда помнить, что  если амплитуда сигнала будет превышать +-Uпит усилителя, то такой сигнал на выходе будет срезан по этому уровню.

Продемонстрируем это в симуляторе Proteus. Итак, давайте на вход подадим синусоидальный сигнал амплитудой в 1 В, а коэффициент усиления сделаем 20, подобрав нужные резисторы. То есть по нашим расчетам мы должны получить синус с амплитудой в 20 Вольт. Смотрим осциллограмму

Подавали на вход синусоиду, а получили на выходе синусоиду с обрезанными верхушками и амплитудой в 14 В. Одна клеточка в данном случае – это 2 В. Как вы видите,сигнал, амплитудой более чем +-Uпит мы получить не сможем. Всегда помните об этом, особенно при конструировании радиоэлектронных устройств.

Ток смещения и смещение выхода

Входы реального ОУ потребляют небольшой ток, который называется током смещения.  В англоязычных даташитах он называется Input Bias Current. Если входные цепи ОУ построены на биполярных транзисторах, то такой ток смещения будет где-то  несколько десятков наноампер, в отличите от ОУ, где входные цепи построены на полевых транзисторах. Во входных цепях, построенных на полевых транзисторах, ток смещения оценивается десятыми долями пикоампер. Следовательно, ток смещения очень важен именно для ОУ, чьи входные цепи построены на биполярных транзисторах.

Почему же так важен ток смещения? Давайте еще раз рассмотрим схему

Даже если мы не подаем никакого сигнала на вход, то на выходе у нас все равно будет какое-то маленькое постоянное напряжение. Почему так происходит? Во всем как раз и виноват ток смещения. Он создает падение напряжения на резисторе обратной связи. В данном случае – это резистор R2. А как вы знаете, на большем сопротивлении падает большее напряжение. То есть если номинал сопротивления R2 будет очень большим, то на нем будет падать большое напряжение, которое как раз и пойдет на выход нашего ОУ.

Допустим, ток смещения равен 0,1 мкА, а резистор R2= 1 МОм, то какое падение напряжения будет в этом случае на резисторе? Вспоминаем закон Ома: I=U/R, отсюда U=IR= 0,1 В. То есть на выходе у нас уже будет постоянное напряжение 0,1 В! Подавая на вход такого усилителя полезный сигнал с током смещения в 0,1 мкА , на выходе этот сигнал будет усиливаться и суммироваться с постоянной составляющей в 0,1 В.  В нашем случае происходит смещение нулевого уровня. Наглядно – на рисунке ниже.

Способы борьбы с током смещения

В некоторых случаях током смещения можно пренебречь, если он не оказывает сильного влияния на ваши требования по сигналу. Но если все-таки вы разрабатываете какое-либо точное устройство, где выходной сигнал должен строго вписываться в рамки ТЗ, то в этом случае можно прибегнуть к таким способам:

1) Ставить в цепь обратной связи резистор малого номинала.

На малом сопротивлении падает малое напряжение. Следовательно, на выходе уже будет меньшее постоянное напряжение. Стандартный диапазон резисторов от нескольких килоом и до 50 кОм.

2) Ввести в схему компенсирующий резистор

В этом случае он будет определяться по формуле:

Если все-таки выходной сигнал соответствует вашим ожиданиям и без R_К , то лучше его не ставить, так как любой резистор вносит шумовые искажения в сигнал. Зачем лишний раз добавлять в схему шум?

3) Использовать ОУ с входными цепями, построенными на полевых транзисторах, либо подбирать ОУ с малыми токами смещения, благо сейчас технологии производства таких ОУ далеко шагнули вперед.

Инвертирующий усилитель с однополярным питанием

В некоторых случаях нам даже иногда нужно переместить нулевой уровень на более высокий “пьедестал”, чтобы мы могли полностью усиливать сигнал, если дело касается однополярного питания. Работать с однополярным питанием всегда проще и удобнее, чем с двухполярным. Поэтому, в этом случае надо поднять нулевой уровень на некоторый пьедестал, чтобы полностью усиливать переменный сигнал. То есть добавить постоянную составляющую в сигнал. В этом случае схема примет чуть-чуть другой вид:

Как можно увидеть, сейчас мы питаем наш ОУ однополярным питанием. Что будет, если мы НЕинвертирующий выход посадим на землю?

То есть мы получили базовую схему инвертирующего усилителя, но только с однополярным питанием. Давайте ппросимулируем такую схему. Коэффициент усиления в данном случае будет равен-10, так как мы взяли соотношение резисторов 10 килоом и 1 килоом. Загоняю на вход сигнал амплитудой в 1 В.

Что имеем в итоге на виртуальном осциллографе?

Как вы видите, в этом случае усиленная полуволна сигнала вырезается полностью. Оно и понятно, так как напряжение питания у нас однополярное и проломить “пол” нулевого потенциала невозможно. Но можно сделать одну хитрость: поднять “уровень пола” и дать сигналу место для размаха.

В этом случае нам надо добавить U_см , для того, чтобы поднять сигнал над уровнем “пола”. Но не все так просто, дорогие друзья!

Здесь уже будет использоваться более хитрая формула, а не просто вольтдобавка. Приблизительная формула выглядит вот так:

Итак, мы хотим усилить наш сигнал полностью без среза. Какое же должно быть значение U_вых ? Оно должно иметь значение половины U_пит , чтобы сигнал ходил туда-сюда без срезов. Но также надо учитывать и коэффициент усиления, иначе получится насыщение выхода, о чем мы писали выше.

В нашем случае мы хотим увеличить сигнал амплитудой в 1 В в 10 раз. То есть U_пит должно быть как минимум 20 Вольт. Так как ОУ поддерживают однополярное питание до 32 В, то давайте для красоты выставим U_пит = 30 В. Рассчитываем U_см :

Проверяем симуляцию, все ок!

Как здесь можно увидеть, желтый выходной сигнал поднялся над нулевым уровнем и усилился без искажений. В данном случае желтый сигнал – это сумма постоянного напряжения и переменного синусоидального сигнала.

То есть получилось что-то типа вот этого:

Хорошо это или плохо, когда в переменном сигнале есть постоянная составляющая, то есть постоянное напряжение? В некоторых случаях это плохо, потому как такой сигнал трудно использовать, и поэтому чаще всего его прогоняют через конденсатор, так как он пропускает через себя только переменный ток и блокирует прохождение постоянного тока. А еще лучше поставить фильтр из дифференцирующей цепи, с помощью которого можно отсекать лишние частоты.

Свойства инвертирующего усилителя

Принцип работы можете увидеть на видео:

Компромиссы дизайна для ОУ с однополярным питанием

Аннотация: Тенденция к низковольтным системам с однополярным питанием подпитывается попытками разработчиков найти баланс между часто противоречивыми целями меньшего размера и стоимости продукта и увеличения срока службы батареи и повышения производительности системы. Эта тенденция может быть полезной для потребителей, но она усложняет задачу выбора подходящего операционного усилителя для конкретного приложения.

Работа с однополярным питанием обычно является синонимом работы при низком напряжении, а переход от ± 15 В или ± 5 В к одиночной шине питания 5 В или 3 В уменьшает доступный диапазон сигнала.Следовательно, гораздо более важными становятся синфазный входной диапазон, размах выходного напряжения, CMRR, шум и другие ограничения операционного усилителя. Как и во всем инженерном деле, вам часто приходится жертвовать одним аспектом производительности системы, чтобы улучшить другой. Следующее обсуждение компромиссов между операционными усилителями с однополярным питанием также объясняет, чем эти низковольтные усилители отличаются от своих предшественников с более высоким напряжением.

Проблемы с входным каскадом

Диапазон входного синфазного напряжения – одна из первых проблем, которую разработчик должен учитывать при выборе операционного усилителя с однополярным питанием.Первый импульс – устранить эту проблему, указав возможность ввода Rail-to-Rail. Однако за истинное железнодорожное сообщение должны быть уплачены определенные штрафы.

Большинство низковольтных операционных усилителей Maxim имеют диапазоны входных синфазных напряжений, которые включают отрицательную шину питания (, таблица 1 ), но только некоторые допускают входы, которые также простираются до положительной шины. Другие допускают входные напряжения только в пределах одного или двух вольт от положительной шины. Операционные усилители, которые пропускают сигналы только на отрицательную шину, будут называться усилителями с датчиком заземления.Те, которые пропускают сигналы на любую из шин, будут называться входными усилителями типа Rail-to-Rail.

Таблица 1. Низковольтные операционные усилители Maxim

V

_OS и I _B Проблемы Во многих приложениях усилитель обеспечивает усиление + 2 В / В или более для сигнала, отнесенного к земле. В этих случаях для работы в синфазном диапазоне сигнала обычно достаточно усилителя с датчиком заземления. Если это так, он может обеспечить лучшую производительность, чем тот, у которого есть вход Rail-to-Rail.Типичные входные каскады Rail-to-Rail используют две дифференциальные входные пары вместо одной (, рисунок 1, ).

Рис. 1. Входной каскад типа Rail-to-Rail (a) имеет две дифференциальные пары, а стандартный входной каскад с измерением заземления (b) – только одну.

По мере того, как входной сигнал перемещается от одной шины питания к другой, усилитель переключается с одной входной пары на другую. В точке кроссовера этот сдвиг может вызвать изменения входного тока смещения и напряжения смещения, которые влияют как на величину, так и на полярность этих параметров.Эти изменения напряжения смещения обычно ухудшают характеристики искажения и прецизионные характеристики усилителей Rail-to-Rail (по сравнению с типами с датчиком заземления). Чтобы свести к минимуму сдвиги напряжения смещения и сгладить переход от одной входной пары к другой, Maxim подрезает смещение своих усилителей типа rail-to-rail как на верхнем, так и на нижнем концах синфазного диапазона.

Чтобы уменьшить напряжения смещения, вызванные входными токами смещения, разработчик должен согласовать импедансы на инвертирующем и неинвертирующем узлах операционного усилителя.Поскольку входные токи смещения обычно больше, чем входные токи смещения, такое согласование импеданса является хорошей практикой для всех типов операционных усилителей, а не только для входных усилителей с размахом шины.

Чтобы проиллюстрировать эту точку зрения, Рис. 2 показывает изменение входного тока смещения в зависимости от диапазона синфазного сигнала для операционных усилителей семейства MAX4122 – MAX4129 (которые имеют возможность подключения Rail-to-Rail как на входе, так и на выходе). Поскольку синфазное входное напряжение изменяется от 0 В до 5 В, входной ток смещения совершает абсолютное изменение на 85 нА (с -45 нА до + 40 нА).Напротив, спецификация для входного тока смещения составляет всего ± 1 нА. Таким образом, изменения на инвертирующем и неинвертирующем входах (входной ток смещения) точно отслеживают друг друга, несмотря на значительные изменения величины и знака токов смещения. Согласовав импедансы в этих узлах, вы можете минимизировать напряжение смещения, вызванное изменениями входного тока смещения.

Рис. 2. Поскольку синфазное входное напряжение входного усилителя Rail-to-Rail переходит от одной шины питания к другой, входной ток смещения может изменяться как по знаку, так и по величине.

На рис. 3 показано, как согласовать импедансы в классических инвертирующих и неинвертирующих конфигурациях операционных усилителей. Инвертирующая конфигурация (, рис. 4, ) предлагает один способ устранить изменения входного тока смещения, поддерживая постоянное синфазное входное напряжение усилителя на уровне опорного напряжения (V _REF ). Выход определяется как V _OUT = (-V _IN x R2 / R1) + V _REF (1 + R2 / R1). Если R2 = R1, это становится V _OUT = -V _IN + 2V _REF .Для V _REF = 2 В и V _IN от 0 до 3 В, V _OUT находится в диапазоне от 4 до 1 В. Диапазон синфазного сигнала фиксирован, поэтому ошибки CMR также устраняются. В таблице 2 перечислены ссылки, подходящие для использования в низковольтных системах.

Рис. 3. Согласование сопротивления на инвертирующем и неинвертирующем узлах сводит к минимуму ошибки смещения, вызванные входными токами смещения, как для неинвертирующей (a), так и для инвертирующей (b) конфигураций.

Рисунок 4.Удерживая синфазное входное напряжение постоянным, конфигурация инвертирующего усилителя устраняет ошибки подавления синфазного сигнала.

Таблица 2. Низковольтные ссылки Maxim

Скорость нарастания

Скорость нарастания напряжения также может пострадать, когда входной усилитель с прямой связью используется вместо усилителя с измерением заземления. Более простой входной каскад усилителя с датчиком заземления может использовать преимущества многих схем увеличения скорости нарастания, которые просто недоступны для усилителей с двухпарным входом типа rail-to-rail.Например, операционные усилители семейства MAX4212 (таблица 1) имеют входы для измерения заземления, которые помогают им достичь скорости нарастания 600 В / мкс и ширины полосы 300 МГц при максимальных токах питания всего 7 мА. Если бы у них были входные каскады Rail-to-Rail, а все остальные характеристики остались бы неизменными, скорость нарастания была бы в несколько раз ниже.

Проблемы с выходным каскадом

В то время как в низковольтных схемах могут не потребоваться операционные усилители с входными каскадами типа rail-to-rail, они обычно требуют выходных каскадов rail-to-rail для максимального увеличения динамического диапазона. Поскольку операционные усилители обеспечивают усиление в большинстве приложений, выходное напряжение обычно больше входного.Таким образом, входной каскад Rail-to-Rail не всегда требуется, но обычно требуется выходной каскад Rail-to-Rail. Эти выходные каскады отличаются от каскадов в операционных усилителях с двойным питанием и вызывают другое поведение схемы в выходных усилителях с прямой разгрузкой.

Выходные каскады Rail-to-Rail обычно имеют конфигурацию с общим эмиттером, а стандартные выходные каскады обычно имеют конфигурацию эмиттер-повторитель (, рис. 5, ). Для выходных каскадов с общим эмиттером падение напряжения от входа к выходу относительно невелико (напряжение насыщения одиночный коллектор-эмиттер, или V _{CE (SAT)} ), но классический выходной каскад эмиттер-повторитель не может приблизиться к шина, чем V _{CE (SAT)} (из-за источника тока) плюс V _BE (из-за выходного транзистора).

Рис. 5. Выходной каскад с питанием от шины к шине (a) имеет конфигурацию с общим эмиттером, тогда как стандартный выходной каскад (b) имеет конфигурацию эмиттерно-повторителя.

Поскольку V _{CE (SAT)} биполярного транзистора зависит от тока через транзистор, размах выходного сигнала биполярного операционного усилителя зависит от его тока нагрузки. Таким образом, несмотря на заявления о совместимости напряжения питания, выходной каскад усилителя никогда не достигает шины питания. MAX4122 с нагрузкой 100 кОм, например, колеблется в пределах 12 мВ от положительной шины и 20 мВ от отрицательной шины.Однако при нагрузке 250 Ом он колеблется только в пределах 240 мВ от положительной шины и 125 мВ от отрицательной шины. Для выходных каскадов CMOS аналогией с напряжением коллектор-эмиттер биполярного транзистора является напряжение сток-исток полевого МОП-транзистора, которое возникает из-за произведения сопротивления в открытом состоянии и тока канала в полевом МОП-транзисторе. Таким образом, размах выходного напряжения для выходного каскада MOSFET также является функцией нагрузки.

Коэффициент усиления по отношению к нагрузке

Помимо низкого падения напряжения на входе и выходе, каскад с общим эмиттером усилителя Rail-to-Rail отличается от каскада с эмиттерным повторителем и другими важными способами.Каскады с общим эмиттером обеспечивают усиление по напряжению и имеют выходы с относительно высоким импедансом; Каскады эмиттер-повторитель обеспечивают единичный коэффициент усиления по напряжению и имеют выходы с низким сопротивлением. По этой причине операционные усилители с питанием от шины питания к сети обычно включают выходной узел как часть компенсационной сети, тогда как стандартные операционные усилители обычно получают свою компенсацию на предыдущем этапе. Для операционных усилителей с питанием от шины питания к сети результирующая зависимость коэффициента усиления от тока нагрузки может сделать их нестабильными при управлении емкостными нагрузками.

Эти свойства выходов rail-to-rail могут быть подавлены тщательной конструкцией операционного усилителя, но компромисс, как правило, заключается в более высоком токе питания, чем требуется для операционных усилителей с выходными каскадами эмиттерного повторителя.Операционные усилители семейства MAX4122 – MAX4129 хорошо подходят для управления емкостными нагрузками (таблица 1). Обладая входами и выходами типа rail-to-rail, которые остаются стабильными при работе с 500 пФ, эти операционные усилители полезны для управления как кабелями с неправильной оконечной нагрузкой, так и емкостными входами аналого-цифровых преобразователей. Функции, которые позволяют им управлять большими емкостными нагрузками, также позволяют им поддерживать хороший коэффициент усиления по напряжению при большом сигнале даже при больших резистивных нагрузках.

Зависимость усиления разомкнутого контура от колебаний выходного сигнала

Как и все операционные усилители, коэффициент усиления без обратной связи для выходного усилителя с прямой связью является функцией размаха выходного напряжения.Таким образом, для оценки выходного усилителя с Rail-to-Rail необходимо указать коэффициент усиления как при заданном выходном напряжении, так и при заданной нагрузке. Максим указывает на такой способ усиления, но не все производители включают такие данные в свои таблицы данных. Например, операционный усилитель может иметь коэффициент усиления разомкнутого контура 106 дБ и способность управлять нагрузкой 250 Ом с точностью до 125 мВ от шин, но он не может одновременно демонстрировать эти возможности. В таблице данных MAX4122 – MAX4129, например, правильно указаны усиление напряжения большого сигнала и размах выходного напряжения в таблице электрических характеристик (, рис. 6, ).График усиления напряжения большого сигнала в зависимости от выходного напряжения и нагрузки для этих устройств показан на рисунке 7.

Рисунок 6. Правильная спецификация для усиления напряжения большого сигнала включает как нагрузку, так и размах выходного напряжения. Размах выходного напряжения – это функция управляемой нагрузки.

Рис. 7. На этих графиках показана зависимость коэффициента усиления от нагрузки и размаха выходного напряжения для выходных усилителей с прямой схемой подключения.

Операционные усилители с зарядным насосом

Семейство операционных усилителей MAX4162 демонстрирует новый подход к решению проблем стандартного выходного каскада с переходной нагрузкой.Эти операционные усилители имеют классический выходной каскад с эмиттерным повторителем, но достигают выходных сигналов типа rail-to-rail с помощью внутреннего преобразователя с накачкой заряда, который обеспечивает внутреннее напряжение питания для смещения выходного каскада. Преобразователь заряда-накачки также обеспечивает питание других каскадов усилителя. Таким образом, входной каскад имеет стандартную конфигурацию измерения заземления, но позволяет входам переключаться с земли на V _CC . Технические характеристики этого семейства перечислены в таблице 1. Каждое устройство потребляет всего 35 мкА (включая преобразователь накачки заряда), обеспечивая полосу пропускания 200 кГц.Токи питания низкие, но эти усилители могут выдерживать относительно большие нагрузки 20 кОм и 500 пФ.

Поскольку подкачка заряда позволяет создавать операционные усилители со стандартными входными и выходными структурами, такие усилители могут обеспечивать производительность, превосходящую производительность операционных усилителей с разветвлением питания. Операционные усилители с подкачкой заряда имеют очень хорошее подавление синфазного сигнала, и их пара вход-транзистор не подвержена изменениям напряжения смещения, вызванным переключением между входными парами. Кроме того, классический выходной каскад эмиттер-повторитель обеспечивает высокий коэффициент усиления без обратной связи даже при относительно большой резистивной нагрузке.Это также позволяет усилителю оставаться стабильным при работе с большими емкостными нагрузками.

Общие проблемы

Работа с однополярным питанием также усугубляет проблемы шума, смещения и искажений.

Шум

Приложения с однополярным питанием, как правило, имеют низкое напряжение, и более низкие шины питания вынуждают разработчика делать соответствующее снижение шума только для поддержания отношения сигнал / шум системы. К сожалению, работа при низком напряжении обычно идет рука об руку с режимом работы с низким энергопотреблением, и по мере уменьшения тока питания шум усилителя имеет тенденцию к увеличению.При прочих равных условиях усилитель с меньшим шумом требует более высокого рассеяния мощности.

Чтобы оценить шум операционного усилителя, рассмотрите все источники шума: шум входного напряжения, шум входного тока и тепловой шум, вызванный резисторами настройки усиления. Рисунок 8 иллюстрирует эти источники шума с ОУ с обратной связью по напряжению. C1 – паразитная емкость на инвертирующем входе операционного усилителя, C2 ограничивает усиление шума и ширину полосы сигнала на более высоких частотах, а R1 / R2 – стандартные резисторы, устанавливающие усиление.R3 уравновешивает сопротивления инвертирующих и неинвертирующих входов.

Рис. 8. Основные источники шума в операционном усилителе с обратной связью по напряжению показаны на рисунке.

На низких частотах коэффициент усиления шума равен 1 + R2 / R1 (, рис. 9, ). Усиление шума видит свой первый ноль на частоте, заданной как 1 / 2ΠR1C1, затем увеличивается на 6 дБ на октаву, пока не достигнет полюса, вызванного C2. На этом полюсе (1 / 2ΠR2C2) коэффициент усиления шума ровный и равен 1 + C1 / C2. Затем коэффициент усиления шума перехватывает коэффициент усиления без обратной связи усилителя и падает до 6 дБ на октаву (стандартный однополюсный спад усиления без обратной связи усилителя).

Рис. 9. На этом графике показано усиление шума и усиление разомкнутого контура для усилителя на Рисунке 8.

Поскольку шум входного напряжения, шум неинвертирующего тока и шум, обусловленный R3, интегрированы по всей замкнутой цепи. полоса пропускания и умноженный на коэффициент усиления шума схемы, вы можете увидеть (из графиков усиления шума и усиления разомкнутого контура), что шум схемы можно минимизировать, выбрав операционный усилитель с более низкой частотой кроссовера с единичным усилением. Для инвертирующего входа токовый шум и тепловой шум из-за R1 и R2 интегрируются только по ширине полосы сигнала (1 / 22R2C2).Поскольку конденсатор C2 отсутствует в операционных усилителях с обратной связью по току, шум для этих типов интегрируется по всей полосе сигнала с обратной связью.

Искажения

Контурное усиление усилителя минимизирует искажения, которые в противном случае были бы результатом нелинейности его передаточной функции от входа к выходу. Поскольку усиление усилителя падает на более высоких частотах, гармонические искажения усилителя увеличиваются.

Таким образом, для данной частоты операционный усилитель может достичь превосходных гармонических характеристик, если он работает в более линейной области с максимальным усилением контура.Обычно это означает смещение выхода от шин питания, как на Рисунке 4 (который представляет инверсию и смещение сигнала) или Рисунок 10 (который вводит смещение, но не инвертирует сигнал).

Рис. 10. Обеспечивая как усиление, так и смещение входного сигнала, эта схема смещает выходное напряжение от шин питания.

Метод инвертирования, показанный на рисунке 4, устраняет синфазные нелинейности, поддерживая постоянное синфазное входное напряжение.Эта функция особенно полезна для входных усилителей типа rail-to-rail, нелинейность которых вызывается изменениями синфазного входа (когда входной каскад переключается с одной входной пары на другую).

Снова сфокусируемся на выходном каскаде. Небольшая нагрузка улучшит гармонические характеристики усилителей Rail-to-Rail, поскольку коэффициент усиления является функцией тока нагрузки. Отклонение напряжения усилителя также влияет на искажения. Все операционные усилители, как правило, выигрывают от нагрузок, требующих минимального скачка напряжения (внутренние узлы не должны перемещаться слишком далеко, поэтому они, как правило, остаются в своих линейных областях).Скорость нарастания сигнала усилителя, связанная с полосой пропускания полной мощности, также влияет на гармонические искажения. При работе усилителя выше его полосы пропускания полной мощности связанные с этим ограничения скорости нарастания напряжения вызывают серьезные нелинейности.

Создание второй поставки

Высокопроизводительные операционные усилители с однополярным питанием становятся все более распространенными, но для достижения максимальной производительности иногда приходится выбирать усилитель с двумя источниками питания. Выбор типов с двойным питанием шире, потому что системы с двойным питанием доступны дольше, а операционные усилители с двойным питанием не имеют тех же ограничений, что и их собратья с однополярным питанием.

Существует бесчисленное множество методов для создания отрицательного предложения из существующего положительного. Импульсные регуляторы являются наиболее гибкими, но преобразователи напряжения с накачкой заряда предлагают самую простую, самую маленькую и дешевую альтернативу. Поскольку преобразователи с накачкой заряда обеспечивают преобразование напряжения с помощью внешних конденсаторов, а не катушек индуктивности, они превосходно обеспечивают получение целых чисел, кратных входному напряжению (-V _IN , + 2V _IN и т. Д.). Их выходные напряжения обычно не регулируются, но если токи нагрузки относительно малы, выходные напряжения остаются довольно близкими к целому кратному входному.

Поскольку преобразователи с накачкой заряда могут иметь очень низкие токи покоя, они могут быть очень эффективными при малых нагрузках. В рис. 11 преобразователь заряда-накачки сконфигурирован для генерации отрицательного напряжения, равного входному по величине, но противоположной полярности. Варианты перемычек устанавливают частоту внутреннего генератора на 13 кГц, 100 кГц или 250 кГц, что позволяет разработчику выбирать между потребляемым током покоя, размером конденсатора накачки заряда или колебаниями выходного напряжения.

Рис. 11. Простые, небольшие и недорогие преобразователи с накачкой заряда могут легко создать отрицательную шину питания из положительной.

% PDF-1.3 % 634 0 объект > эндобдж xref 634 95 0000000016 00000 н. 0000002269 00000 н. 0000002461 00000 н. 0000002601 00000 н. 0000002632 00000 н. 0000002689 00000 н. 0000003376 00000 н. 0000003647 00000 н. 0000003713 00000 н. 0000003811 00000 н. 0000003907 00000 н. 0000004076 00000 н. 0000004244 00000 н. 0000004340 00000 н. 0000004452 00000 н. 0000004579 00000 п. 0000004700 00000 н. 0000004888 00000 н. 0000005000 00000 н. 0000005105 00000 н. 0000005273 00000 н. 0000005478 00000 п. 0000005683 00000 п. 0000005888 00000 н. 0000005997 00000 н. 0000006204 00000 н. 0000006329 00000 н. 0000006536 00000 н. 0000006740 00000 н. 0000006852 00000 н. 0000007041 00000 н. 0000007173 00000 н. 0000007353 00000 н. 0000007472 00000 н. 0000007652 00000 н. 0000007777 00000 н. 0000007983 00000 п. 0000008127 00000 н. 0000008332 00000 н. 0000008510 00000 п. 0000008633 00000 н. 0000008797 00000 н. 0000008958 00000 н. 0000009079 00000 п. 0000009198 00000 п. 0000009318 00000 п. 0000009413 00000 п. 0000009507 00000 н. 0000009600 00000 н. 0000009693 00000 п. 0000009787 00000 н. 0000009881 00000 п. 0000009976 00000 н. 0000010070 00000 п. 0000010164 00000 п. 0000010330 00000 п. 0000010695 00000 п. 0000010929 00000 п. 0000011778 00000 п. 0000012110 00000 п. 0000012695 00000 п. 0000012882 00000 п. 0000014115 00000 п. 0000014138 00000 п. 0000014579 00000 п. 0000015373 00000 п. 0000016807 00000 п. 0000016830 00000 н. 0000018296 00000 п. 0000018319 00000 п. 0000019923 00000 п. 0000019946 00000 п. 0000020485 00000 п. 0000021193 00000 п. 0000021994 00000 п. 0000022330 00000 п. 0000023952 00000 п. 0000023975 00000 п. 0000025644 00000 п. 0000025667 00000 п. 0000026350 00000 п. 0000026556 00000 п. 0000028220 00000 п. 0000028243 00000 п. 0000029328 00000 п. 0000029351 00000 п. 0000034534 00000 п. 0000038516 00000 п. 0000040204 00000 п. 0000044861 00000 п. 0000045287 00000 п. 0000045971 00000 п. 0000046088 00000 п. 0000002730 00000 н. 0000003354 00000 п. трейлер ] >> startxref 0 %% EOF 635 0 объект > эндобдж 636 0 объект a_

% PDF-1.4 % 402 0 объект > эндобдж xref 402 82 0000000016 00000 н. 0000002831 00000 н. 0000002997 00000 н. 0000003652 00000 н. 0000003840 00000 н. 0000003977 00000 н. 0000004109 00000 п. 0000004402 00000 н. 0000004964 00000 н. 0000005640 00000 н. 0000005754 00000 н. 0000005866 00000 н. 0000005959 00000 н. 0000006377 00000 н. 0000006404 00000 н. 0000007006 00000 н. 0000007669 00000 н. 0000008256 00000 н. 0000008644 00000 н. 0000009115 00000 н. 0000009142 00000 п. 0000009571 00000 н. 0000009809 00000 н. 0000010132 00000 п. 0000011589 00000 п. 0000012458 00000 п. 0000012603 00000 п. 0000012747 00000 п. 0000012861 00000 п. 0000014133 00000 п. 0000015693 00000 п. 0000017239 00000 п. 0000017378 00000 п. 0000017515 00000 п. 0000017701 00000 п. 0000019309 00000 п. 0000019448 00000 п. 0000019896 00000 п. 0000019923 00000 п. 0000021949 00000 п. 0000022231 00000 п. 0000022486 00000 п. 0000024359 00000 п. 0000024429 00000 п. 0000024510 00000 п. 0000024779 00000 п. 0000025382 00000 п. 0000039551 00000 п. 0000039632 00000 н. 0000039702 00000 п. 0000043147 00000 п. 0000043623 00000 п. 0000048421 00000 н. 0000048502 00000 н. 0000053391 00000 п. 0000053461 00000 п. 0000053722 00000 п. 0000054017 00000 п. 0000054087 00000 п. 0000054168 00000 п. 0000082169 00000 п. 0000082432 00000 п. 0000082888 00000 п. 0000084999 00000 н. 0000085295 00000 п. 0000085365 00000 п. 0000085446 00000 п. 0000099974 00000 п. 0000100261 00000 н. 0000100623 00000 п. 0000100916 00000 н. 0000100943 00000 н. 0000101300 00000 н. 0000101327 00000 н. 0000101725 00000 н. 0000101752 00000 н. 0000102145 00000 н. 0000102172 00000 п. 0000102488 00000 н. 0000112786 00000 н. 0000002646 00000 н. 0000001975 00000 н. трейлер ] / Назад 482492 / XRefStm 2646 >> startxref 0 %% EOF 483 0 объект > поток hb“`c`g`X Ȁ

Усилители Что означают Rail-to-Rail и однополярный источник питания?

Что касается аналоговых сигналов, «рельс» – это граница, в которой сигнал должен работать.Долгое время операционные усилители требовали противоположного, но равного напряжения. Если вы видите операционный усилитель с двойным питанием или двойным напряжением, это означает, что усилитель питается от двух напряжений питания; абсолютные уровни напряжения питания такие же, за исключением того, что одно отрицательное и колеблется ниже 0 В, а другое напряжение питания положительное и колеблется выше 0 В. Операционные усилители с однополярным питанием появились позже и более удобны тем, что только один для их питания необходимо напряжение питания.

Рельсы относятся к уровням напряжения питания.Верхняя шина на выходе напряжения операционного усилителя относится к самому высокому уровню напряжения, которого он может достичь, который ограничен напряжением питания, питающим операционный усилитель. «Rail-to-rail» означает, что сигнал полностью переключается на уровни питающего напряжения как на положительной, так и на отрицательной шине. Но так ли это? Не совсем. Только система без трения сможет принимать энергию, воздействовать на нее, чтобы выполнить некоторую работу, а затем обеспечивать выход на том же уровне энергии, который был введен. Термин «железнодорожный транспорт» является маркетинговым языком, означающим: « черт побери.В некоторых рекламных объявлениях говорится, что они выходят «за рельсы», но выход за рельсы обычно означает отсечение сигнала. Максимальный размах выходного напряжения от пика до пика – это такой размах, при котором форма волны не ограничивается относительно заданного уровня.

Рисунок 1: В этом примере верхняя шина – это напряжение питания VDD. Головное помещение 300 мВ, а нижний рельс заземлен. Если операционный усилитель действительно является Rail-to-Rail, то ограничение (темно-красные линии) не произойдет при напряжении 4,4 В. (Источник: Texas Instruments)

Некоторые часто используемые термины – это вход / выход rail-to-rail (RRIO). и железнодорожный выпуск (RRO).Если операционный усилитель может управлять RRO, это означает, что у вас есть хороший динамический диапазон для работы с сигналом. Связанный с этим термин, верхнее пространство, является мерой того, насколько близко сигнал подходит к рельсам. Расстояние от рельса до выходного сигнала пикового напряжения – это верхнее пространство. Верхнее пространство 0,3 В при напряжении питания 3,3 В означает, что ваш сигнал может достигать +/- 3,0 В без искажений (верхнее пространство относится как к положительным, так и к отрицательным шинам питания). Головное пространство увеличивается с увеличением выходного тока.

Рис. 2: Еще один крупный план формы сигнала рядом с верхней направляющей показывает, что ограничение может происходить, когда выходной сигнал приближается к пределам своего динамического диапазона.VDD – это напряжение питания усилителя, определяющее шину. (Источник: Microchip)

Рассмотрим гипотетический пример. Любой аналоговый сигнал, измеренный в уровнях напряжения, имеет ограниченное пространство для работы, если напряжение питания составляет всего +/- 3,3 В (для общего размаха выходного сигнала 6,6 В). Скажем, операционный усилитель – это , а не RRO, и максимальный уровень напряжения на выходе операционного усилителя составляет 3,0 В. Теперь шума трудно избежать, поэтому давайте будем реалистами и предположим, что шум зависит от аналогового сигнала. сложение или вычитание до +/- 0.4 В к истинному сигналу. (Истинный сигнал – это тот сигнал, который вы разработали на бумаге или в компьютерном моделировании в аккуратном, свободном от шума мире.)

Следовательно, при напряжении питания 3,3 В вы теряете 0,3 В динамического диапазона, потому что мы не живем в мире без трения. Электроны теряют энергию, поскольку они проезжают по цепям для выполнения работы, а энергия теряется из-за тепла и так далее. Теперь предположим, что вы установили триггер тревоги, который срабатывает, если сигнал достигает 2,9 В. Ваш триггер может сработать, когда ваш аналоговый выход фактически равен 2.5 В, потому что к сигналу добавляется пиковое напряжение шума +0,4 В, которое триггер видит как выход 3,0 В из операционного усилителя. Система не может отличить шум от сигнала, поэтому она видит 2,5 В + 0,4 В = 2,9 В и отпускает триггер. С другой стороны, шум может вызвать отрицательный провал на выходе, из-за чего триггер не сработает по назначению (или, возможно, никогда), потому что при 2,9–0,4 В сигнал будет достигать не более +2,5 В. .

Предполагается, что усилитель RRO предоставит вам почти полный диапазон, ограниченный напряжением питания (Vs).При Vs, равном 6,6 В, положительная шина составляет +3,3 В, отрицательная шина составляет -3,3 В, и если операционный усилитель работает по схеме «Rail-to-Rail», выход фактически может быть ограничен на уровне 3,25 В. Таким образом, напряжение 0,4 В. шум все равно будет, но менее эффективен.

Выше приведены только примеры. Вы должны посмотреть в таблице данных максимальное выходное напряжение (V _OH ) и самое низкое выходное напряжение (V _OL ) вашего операционного усилителя RRO, чтобы определить, что вы на самом деле получаете. На рисунке 2 ниже показан раздел таблицы данных Analog Devices для ADA4622; операционный усилитель RRO с однополярным питанием.ADA4622 имеет единственное напряжение питания 30 В (но операционный усилитель разделяет эти 30 В на две шины, чтобы переключаться между +15 В и -15 В). Обратите внимание, что типичный V _OH очень близок к шине при 14,97 В, но худшее, что вы должны испытать, – это +14,95 на верхней шине. Нижняя рейка в худшем случае будет -14,935. Другими словами, Vs -V _OUT = V _OH .

Рис. 3. Операционный усилитель с однополярным питанием ADA4622 RRO компании Analog Devices имеет типичную верхнюю шину 14,97 В, что довольно неплохо, учитывая, что напряжение питания в идеальном мире создавало бы верхнюю шину 15 В.(Источник: Analog Devices)

Этот термин позволяет быстро определить, работаете ли вы с максимально возможным запасом места, и хорошо ли выглядит в заголовке таблицы. Не зацикливайтесь на рельсах. Для более глубокого понимания того, как операционные усилители RRO подходят так близко к рельсам, см. Примечание по применению Microchip ADN009, «Что на самом деле означает операция« Rail-to-Rail »?» Бонни Бейкер и отчет компании Texas Instruments SLOA039A «Применение операционных усилителей Rail-to-Rail» Андреаса Хана.

Однополярное питание | PSpice

AD813 / AD	Тройной маломощный операционный видеоусилитель с однополярным питанием и отключением
AD813A / AD	Тройной маломощный операционный видеоусилитель с однополярным питанием и отключением
AD822 / AD	Операционный усилитель Rail-to-Rail малой мощности с однополярным питанием на полевых транзисторах
AD822A / AD	Операционный усилитель Rail-to-Rail малой мощности с однополярным питанием на полевых транзисторах
AD822B / AD	Операционный усилитель Rail-to-Rail малой мощности с однополярным питанием на полевых транзисторах
AD822S / AD	Операционный усилитель Rail-to-Rail с однополярным питанием, маломощный операционный усилитель на полевых транзисторах
AD824 / AD	Операционный усилитель Rail-to-Rail с однополярным питанием, маломощный операционный усилитель на полевых транзисторах
AD824A / AD	Операционный усилитель Rail-to-Rail с однополярным питанием, маломощный операционный усилитель на полевых транзисторах
AD824B / AD	Операционный усилитель Rail-to-Rail малой мощности с однополярным питанием на полевых транзисторах
AD8531 / AD	Недорогой операционный усилитель с однополярным питанием с выходом 250 мА
AD8532 / AD	Недорогой операционный усилитель с однополярным питанием с выходом 250 мА
AD8534 / AD	Недорогой операционный усилитель с однополярным питанием с выходом 250 мА
AD8552 / AD	Операционный усилитель Rail-to-Rail с однополярным питанием и нулевым дрейфом
AD8571 / AD	Операционный усилитель Rail-to-Rail с однополярным питанием с нулевым дрейфом
AD8572 / AD	Операционный усилитель Rail-to-Rail с однополярным питанием с нулевым дрейфом
AD8574 / AD	Операционный усилитель Rail-to-Rail с однополярным питанием с нулевым дрейфом
AD8592 / AD	КМОП операционный усилитель Rail-to-Rail с однополярным питанием и отключением
AD8601 / AD	Прецизионный широкополосный операционный усилитель Rail-to-Rail с однополярным питанием, CMOS
AD8602 / AD	Прецизионный широкополосный операционный усилитель Rail-to-Rail с однополярным питанием, CMOS
AD8614 / AD	Операционный усилитель Rail-to-Rail с однополярным питанием
CLC450 / CL	Операционный усилитель с однополярным питанием, малой мощностью, высокой выходной мощностью и обратной связью по току
CLC452 / CL	Операционный усилитель с однополярным питанием, малой мощностью, высокой выходной мощностью, с обратной связью по току
EL2150CN / EL	Фиксирующий операционный усилитель с однополярным питанием 125 МГц
EL2150CS / EL	Фиксирующий операционный усилитель с однополярным питанием, 125 МГц
EL2150CW / EL	Фиксирующий операционный усилитель с однополярным питанием 125 МГц
EL2157C / EL	Операционный усилитель с фиксатором, однополярный, 125 МГц
EL2157CN / EL	Операционный усилитель с фиксатором, однополярный, 125 МГц
EL2157CS / EL	Операционный усилитель с фиксатором, однополярный, 125 МГц
EL2242 / EL	Двойной высокоскоростной стабильный операционный усилитель с единичным усилением и однополярным питанием
EL2243 / EL	Двойной высокоскоростной операционный усилитель с одинарным питанием и декомпенсацией

4.3: Смещение однополярного питания – Engineering LibreTexts

До этого момента во всех схемах в качестве примера использовался биполярный источник питания, обычно \ (\ pm \) 15 В. Иногда это непрактично. Например, небольшое количество аналоговой схемы может использоваться вместе с преимущественно цифровой схемой, которая работает от униполярного источника питания. Создание отрицательного источника питания для одного или двух операционных усилителей может оказаться неэкономичным. Хотя можно купить операционные усилители, специально разработанные для работы с униполярным источником питания ¹ , добавление простой схемы смещения позволит практически любому операционному усилителю работать от униполярного источника питания.Этот источник питания может быть в два раза больше, чем у биполярного аналога. Другими словами, схема, которая обычно работает от источника питания \ (\ pm \) 15 В, может быть сконфигурирована для работы от униполярного источника питания +30 В, обеспечивая аналогичные характеристики. Мы рассмотрим примеры использования как неинвертирующего, так и инвертирующего усилителей напряжения

.

Идея состоит в том, чтобы смещать вход на половину общего потенциала предложения. Это можно сделать с помощью простого делителя напряжения. Конденсатор связи может использоваться, чтобы изолировать этот потенциал постоянного тока от каскада возбуждения.Для правильной работы выход операционного усилителя также должен находиться на половине напряжения питания. Этот факт означает, что коэффициент усиления схемы должен быть равен единице. Это может показаться очень ограничивающим фактором, но на самом деле это не так. Следует помнить, что для постоянного тока коэффициент усиления должен быть равен единице. Коэффициент усиления по переменному току может быть практически любым, каким вы хотите.

Рисунок \ (\ PageIndex {1} \): Смещение однополярного питания в неинвертирующем усилителе.

Пример использования неинвертирующего усилителя напряжения показан на рисунке \ (\ PageIndex {1} \).Чтобы установить коэффициент усиления постоянного тока равным единице, не влияя на коэффициент усиления переменного тока, конденсатор \ (C_3 \) помещается последовательно с \ (R_i \). \ (R_1 \) и \ (R_2 \) устанавливают точку смещения 50%. Их параллельная комбинация также устанавливает входное сопротивление. Резисторы \ (R_3 \) и \ (R_4 \) используются для предотвращения деструктивного разряда конденсаторов связи \ (C_1 \) и \ (C_2 \) в операционный усилитель. Они могут не требоваться, но если они есть, обычно имеют размер около 1 k \ (\ Omega \) и 100 \ (\ Omega \) соответственно.

Включение конденсаторов дает трехпроводную сеть.Стандартный частотный анализ и упрощение схемы показывают, что приблизительные критические частоты равны

.

\ [f_ {i n} = \ frac {1} {2 \ pi C_1 R_1 || R_2} \ notag \]

\ [f_ {out} = \ frac {1} {2 \ pi C_2 R_ {load}} \ notag \]

\ [f_ {fdbk} = \ frac {1} {2 \ pi C_3 R_i} \ notag \]

Сеть смещения входного сигнала может быть улучшена с помощью схемы, показанной на рисунке \ (\ PageIndex {2} \). Это уменьшает гудение и шум, передаваемые от источника питания на вход операционного усилителя. Это достигается за счет создания низкого импеданса в узле A.Это, конечно, не влияет на потенциал постоянного тока. \ (R_5 \) теперь устанавливает входное сопротивление цепи.

Рисунок \ (\ PageIndex {2} \): улучшенное смещение для схемы на рисунке \ (\ PageIndex {1} \).

Здесь важно помнить, что усиление по напряжению все еще равно \ (1 + R_f / R_i \) в средней полосе, \ (Z_ {in} \) теперь устанавливается резисторами смещения \ (R_1 \) и \ (R_2 \) или \ (R_5 \) (если используется), и эта частотная характеристика больше не плоская до нуля Герц.

Версия инвертирующего усилителя напряжения с однополярным питанием показана на рисунке \ (\ PageIndex {3} \).Он использует те же основные методы, что и неинвертирующая форма. В настройке смещения используется оптимизированная форма с низким уровнем шума. Обратите внимание, что входной импеданс не изменился, он по-прежнему установлен в \ (R_i \). Приблизительные критические частоты свинцовой сети находятся через

.

\ [f_ {in} = \ frac {1} {2 \ pi C_1 R_i} \ notag \]

\ [f_ {out} = \ frac {1} {2 \ pi C_2 R_ {load}} \ notag \]

\ [f_ {bias} = \ frac {1} {2 \ pi C_3 R_1 || R_2} \ notag \]

Обратите внимание на общее сходство между схемами на рисунках \ (\ PageIndex {3} \) и \ (\ PageIndex {1} \).Простое перенаправление входного сигнала создает одну форму из другой.

Рисунок \ (\ PageIndex {3} \): Инвертирующий усилитель с однополярным питанием.

10 лучших операционных усилителей

Операционный усилитель – или сокращенно «операционный усилитель» – это обычный строительный блок аналоговой электроники. Независимо от того, являетесь ли вы профессиональным дизайнером электроники или только начинаете, вполне вероятно, что вы использовали в своих разработках операционный усилитель.

Изобретен в 1941 году Карлом Д.Шварцель-младший из Bell Labs, операционный усилитель изначально был построен на электронных лампах и был изобретен для выполнения математических операций в аналоговых компьютерах, отсюда и свое название. Теперь операционные усилители используются во всех сферах применения, начиная с обработки сигналов и фильтрации, а также для сложных математических операций, таких как интегрирование и дифференцирование. Они составляют основу многих современных аналоговых электронных схем, поскольку они экономичны, оптимально работают и легко доступны.

Операционные усилители

обычно доступны в виде интегральных схем (ИС). У них есть входные и выходные клеммы, способные выдавать большую версию сигналов напряжения, которые проходят через них. Они могут быть разработаны для работы в качестве устройства усиления напряжения при использовании с активными компонентами, такими как транзисторы, и пассивными компонентами, такими как резисторы и конденсаторы, для обеспечения желаемого отклика.

Когда сигналы проходят через дискретные элементы в аналоговой цепи, они имеют тенденцию к уменьшению амплитуды – их уровень напряжения уменьшается, но операционный усилитель может помочь буферизовать и повысить амплитуду таких сигналов, тем самым обеспечивая сигнал, который полезен на выходе. .

Операционные усилители

легко адаптируются и универсальны для многих электронных схем. Они используются в аудио и видео приложениях, регуляторах напряжения, прецизионных схемах, аналого-цифровых и цифро-аналоговых преобразователях и во многих других приложениях.

Выбор операционного усилителя

При разработке приложения, для которого требуется операционный усилитель, важно учитывать требования к конструкции, чтобы убедиться, что вы выбрали правильный.

Разработчикам следует учитывать усиление, входное сопротивление, выходное сопротивление, шум и полосу пропускания, а также следующие факторы, которые следует учитывать при выборе ИС операционного усилителя:

1.Количество каналов / входов

Операционный усилитель может иметь несколько каналов от 1 до 8, причем наиболее распространенные операционные усилители имеют 1, 2 или 4 канала.

2. Прирост

Коэффициент усиления операционного усилителя показывает, насколько больше по величине будет его выход, чем его вход, следовательно, его коэффициент усиления. Обычно это определяется как усиление разомкнутого контура или усиление напряжения большого сигнала .

Бесконечное усиление разомкнутого контура означает, что нулевое напряжение на входе полностью включит или выключит выход, и хотя это кажется непрактичным, в основном это означает, что вы можете быстро переключить выход с включения на выключение, просто изменив входное напряжение.Типичные реальные значения находятся в диапазоне примерно от 20 000 до 200 000.

Коэффициент усиления по напряжению большого сигнала , обычно обозначаемый как AVD, представляет собой отношение изменения выходного напряжения к изменению дифференциального напряжения на входе, измеренное при постоянном токе – на низкой частоте – с усилителем, производящим большое выходное напряжение. Обычно его предпочитают коэффициенту усиления по напряжению разомкнутого контура, как правило, в В / мВ. Разница в том, что он измеряется с выходной нагрузкой и, следовательно, учитывает эффекты нагрузки.

3. Входное сопротивление

Это отношение входного напряжения к входному току. В идеале это значение бесконечно, но большинство операционных усилителей, которые сейчас производятся, имеют типичные значения порядка миллионов Ом. Желательно, чтобы входное сопротивление операционного усилителя было достаточно высоким, чтобы передавать все напряжение от входа к цели без потерь. Типичный входной ток утечки составляет несколько пико-миллиампер.

4. Выходное сопротивление

Это полное сопротивление слабого сигнала между выходной клеммой и землей.Обычно он идет последовательно с нагрузкой, тем самым увеличивая выходную мощность, доступную для нагрузки. Выходное сопротивление для идеального усилителя предполагается равным нулю, следовательно, для реальных значений оно должно быть небольшим.

5. Шум

Операционные усилители

имеют внутренние источники паразитного шума. Обычно они измеряются на выходе и ссылаются на вход. Наиболее важным из них является эквивалентное входное шумовое напряжение, часто указываемое e _n. Он задается как напряжение, В _n , на корень герц на определенной частоте.Желательно, чтобы это значение было как можно меньше.

6. Пропускная способность

Полоса пропускания операционного усилителя – это допустимый диапазон частот входного сигнала, который он может воспроизводить. Идеальный операционный усилитель допускает любую частоту, следовательно, его полоса пропускания бесконечна и может усиливать любой частотный сигнал от постоянного до самых высоких частот переменного тока.

Это не относится к практическим операционным усилителям, которые ограничены определенным диапазоном и плохо работают выше определенной частоты.

Параметр Gain Bandwidth Product (GBP) часто используется для описания предела полосы пропускания операционного усилителя по отношению к его усилению. Он равен частоте, на которой коэффициент усиления усилителя становится равным единице.

7. Номинальная скорость нарастания

Скорость нарастания операционного усилителя – это скорость изменения выходного напряжения, вызванная скачком на входе. Он измеряется как изменение напряжения за заданное время – обычно В / мкс или В / мс. В идеале скорость нарастания операционного усилителя должна быть бесконечной, что позволяет выходу быть точной усиленной копией входа без каких-либо искажений.В реальных приложениях, чем выше значение скорости нарастания, тем быстрее может изменяться выходной сигнал и тем легче воспроизводятся высокочастотные сигналы.

8. Максимальное входное напряжение смещения

Это максимальное дифференциальное напряжение, необходимое на входе для получения выходного напряжения 0 В. В идеале он равен нулю, когда оба входа операционного усилителя равны нулю. Следовательно, он должен быть достаточно маленьким.

9. Максимальное напряжение питания

Следует учитывать допустимый диапазон рабочего напряжения операционного усилителя, следовательно, его максимальное напряжение питания не должно превышаться.

А теперь давайте погрузимся в топ-10 самых загружаемых операционных усилителей на SnapEDA! *

10 лучших операционных усилителей на SnapEDA

# 10 LM741 от Texas Instruments

LM741 – это старый, но классический операционный усилитель общего назначения, выпущенный в 1981 году в 8-контактном корпусе PDIP, CDIP или TO-99 с максимальным напряжением питания ± 22 В. Он имеет большое усиление сигнала по напряжению 200 В / мВ и полосу пропускания до 1 МГц. Его вход и выход имеют защиту от перегрузки.Этот операционный усилитель также не имеет фиксации при превышении синфазного диапазона. Это прямая подключаемая замена для других операционных усилителей, таких как 709C, LM201, MC1439 и 748, в большинстве приложений.

Средняя цена у дистрибьюторов на момент публикации: 0,50 доллара США

Загрузите символ, след и 3D-модель на SnapEDA.

# 9 LM358-N от Texas Instruments

LM358-N – это 2-канальный операционный усилитель промышленного стандарта, доступный в 4 различных 8-выводных корпусах (DSBGA, TO-CAN, SOIC, PDIP) с широким диапазоном напряжения питания от 3 В (± 1.5 В) до 32 В (± 16 В) и полосе усиления 1 МГц. Он имеет низкое входное напряжение смещения 2 мВ и большое усиление напряжения сигнала 100 В / мВ, а его диапазон рабочих температур составляет от 0 до 70 ° C. Этот операционный усилитель очень популярен благодаря своей гибкости, доступности и экономической эффективности.

Средняя цена у дистрибьюторов на момент публикации: 0,48 доллара США

Загрузите символ, след и 3D-модель на SnapEDA.

# 8 LM324 от Texas Instruments

LM324 поставляется с четырьмя операционными усилителями с внутренней компенсацией, все в 14-выводном корпусе SOIC, PDIP или TSSOP.Это маломощный операционный усилитель общего назначения с большим коэффициентом усиления сигнала по напряжению около 100 В / мВ, широкой полосой усиления 1 МГц и входным током смещения не более 250 нА. Он работает от одного источника питания в широком диапазоне от 3 В до 32 В, а также поддерживает двойные источники питания в диапазоне от ± 1,5 В до ± 16 В. Он подходит для усилителей преобразователей, блоков усиления постоянного тока и обычных операционных усилителей.

Средняя цена у дистрибьюторов на момент публикации: 0,21 доллара США

Загрузить Symbol & Footprint на SnapEDA.

# 7 RC4558 от Texas Instruments

RC4558, электрически подобный uA741, представляет собой двойной операционный усилитель общего назначения. Он поставляется в 8-выводном корпусе PDIP, SOIC, SOP, SSOP, TSSOP или VSSOP, имеет низкий входной ток смещения не более 500 нА и диапазон температур от 0 ° C до 70 ° C или от -40 ° C до 85 ° C для RC4558I. Это устройство предназначено для работы и имеет типичное произведение коэффициента усиления на полосу пропускания 3 МГц. Его особенности делают его подходящим для приложений с повторителем напряжения.

Средняя цена у дистрибьюторов на момент публикации: 0,20 доллара США

Загрузить Symbol & Footprint на SnapEDA.

# 6 NE5532 от Texas Instruments

NE5532 (5534 также довольно популярен) – это 2-канальный высокоскоростной звуковой операционный усилитель с низким уровнем шума, который поставляется в 8-контактном корпусе PDIP, SOIC или SOP с широкой полосой усиления 10 МГц и высоким постоянным током. коэффициент усиления по напряжению 100 В / мВ, CMRR этого устройства составляет 100 дБ, а его скорость нарастания составляет 9 В / мс.

Средняя цена у дистрибьюторов на момент публикации: 0,29 доллара США

Загрузить Symbol & Footprint на SnapEDA.

# 5 TL072 от Texas Instruments

TL072 – это двойной малошумящий операционный усилитель общего назначения с полевым транзистором и JFET, поставляемый в 8-выводном корпусе PDIP, SOIC, SOP или TSSOP. Он имеет низкий входной ток смещения 200 пА в диапазоне рабочих температур окружающего воздуха от 0 ° C до 70 ° C или от -40 ° C до 85 ° C для TL07xI. Работает от одного источника питания с диапазоном -0.От 3 В до 36 В, а также поддерживает два источника питания с диапазоном ± 18 В. Он имеет широкую полосу усиления 3 МГц. Подходит для высококачественных аудиоустройств и предварительных усилителей звука.

Средняя цена у дистрибьюторов на момент публикации: 0,40 доллара США

Загрузить Symbol & Footprint на SnapEDA.

# 4 OPA2134 от Texas Instruments

OPA2134 – это операционный усилитель с низким уровнем искажений и шума для аудиоприложений, который поставляется в 8-контактном корпусе PDIP или SOIC.Он предназначен для работы от 5 В до 36 В (от ± 2,5 В до ± 18 В) и имеет высокий коэффициент усиления без обратной связи 120 дБ (600 Ом). Этот операционный усилитель на полевых транзисторах с диапазоном рабочих температур окружающего воздуха от 40 ° C до 85 ° C имеет широкую полосу усиления 8 МГц и скорость нарастания напряжения 20 В / мкс. Этот усилитель идеально подходит для обеспечения превосходного качества звука и скорости для исключительного качества звука.

Средняя цена у дистрибьюторов на момент публикации: 3,15 доллара США

Загрузить Symbol & Footprint на SnapEDA.

# 3 LM339 от Texas Instruments

LM339 является наиболее часто используемым четырехканальным дифференциальным компаратором, он поставляется в 14-выводном корпусе PDIP, SOIC, SOP, SSOP или TSSOP, рассчитан на работу в диапазоне от 0 ° C до 70 ° C и имеет типичное входное смещение. напряжение и ток 2 мВ и 3 нА соответственно. Он имеет типичный входной ток смещения 25 нА. Подходит для промышленных устройств, генераторов, приложений преобразования логического напряжения и др.

Средняя цена у дистрибьюторов на момент публикации: 0 долларов США.17 долларов США

Загрузить Symbol & Footprint на SnapEDA.

# 2 OP07 от Analog Devices

OP07 – это операционный усилитель со сверхнизким напряжением смещения (макс. 75 мкВ для OP07E), который поставляется в корпусе типа PDIP-8 или SOIC-8 с низким входным током смещения ± 4 нА и высоким коэффициентом усиления без обратной связи 200 В / мВ. Обычно он имеет полосу усиления 0,6 МГц и диапазон входного напряжения ± 13 В. OP07 является прямой заменой усилителей 725, 108A и OP05 и подходит для измерительных приборов с высоким коэффициентом усиления.

Средняя цена у дистрибьюторов на момент публикации: 0,94 доллара США

Загрузите символ, след и 3D-модель на SnapEDA.

# 1 LMH6629 от Texas Instruments

LMH6629 – это высокоскоростной операционный усилитель с обратной связью по напряжению со сверхмалым шумом. Это очень особенное устройство, поскольку оно может работать с большим коэффициентом усиления и при этом обеспечивать исключительную скорость и низкий уровень шума. Поставляется в 8-выводном корпусе WSON или SOT-23. Он имеет полосу пропускания –3 дБ при частоте 900 МГц и скорость нарастания 1600 В / мкс.Он отлично подходит для коммуникационных, контрольно-измерительных, оптических и ультразвуковых систем.

Средняя цена у дистрибьюторов на момент публикации: 4,16 доллара США

Загрузите символ, след и 3D-модель на SnapEDA.

Вот и наш список 10 лучших.

Если вы хотите увидеть другую категорию компонентов, сообщите нам об этом в разделе комментариев.

Есть ли у вас другой набор операционных усилителей, которые входят в ваш список? Мы также хотели бы услышать ваши мысли о том, какие факторы вы учитываете при выборе операционного усилителя ниже.