Операционный усилитель с отрицательной обратной связью: Обратная связь и операционные усилители

Введение. Модель идеального операционного усилителя / Хабр

Даже после появления цифровых вычислительных машин вычисления и обработка сигналов зачастую производились средствами аналоговой электроники. Основу этих устройств составляли операционные усилители.

Операционные усилители как класс появились в качестве унифицированных элементов аналоговых вычислительных машин (АВМ) после Второй Мировой войны. На них собирались звенья, производящие математические операции: сложение, вычитание, интегрирование, дифференцирование и т.п. Слово «операционный» в названии появилось в силу этого факта. В качестве входного сигнала использовалось напряжение.

Вычисления могли быть достаточно сложными и требовать большого количества звеньев, что выдвигало достаточно жёсткие требования к унификации и стабильности характеристик операционных усилителей. Выполнение требований стабильности характеристик достигалось введением в схемы звеньев отрицательной обратной связи (ООС).

Для унифицированных операционных усилителей применялась внешняя обратная связь. Характеристики такого звена определялись исключительно параметрами цепи обратной связи.

Массовое применение операционных усилителей началось со второй половины 60-х годов прошлого века, когда был налажен серийный выпуск относительно недорогих интегральных ОУ. Использование микросхем операционных усилителей стало тогда экономически целесообразным сначала в промышленной электронике, а затем и в бытовой технике.

В качестве КДПВ использована фотография советского аналога операционного усилителя LM101, одного из первых массовых интегральных ОУ.

▍ Идеальный операционный усилитель

Обычно операционный усилитель имеет два входа, инвертирующий и неинвертирующий, и один выход. ОУ усиливает разность напряжений на входах. Коэффициент передачи операционного усилителя с отключенной ООС – порядка 10⁴…10⁶ (80…120 dB) в цепях постоянного тока.

Принцип действия ОУ наиболее наглядно раскрывается на модели «идеального операционного усилителя». Модель обладает следующими свойствами:

1. Входы идеального ОУ не оказывают влияния на входные сигналы и имеют бесконечно большое сопротивление и бесконечно малую ёмкость.
2. Выход идеального ОУ имеет нулевое сопротивление и может обеспечить на нагрузке любое напряжение и любой ток.
3. Коэффициент передачи идеального ОУ стремится к бесконечности и не зависит от частоты входных сигналов.
4. Время задержки распространения сигнала в идеальном ОУ равно нулю, сдвиг фаз отсутствует.
5. Охваченный ООС идеальный ОУ стремится установить равное напряжение на входах.

Схема операционного усилителя без обратной связи представлена ниже:

Идеальный ОУ, включенный без обратной связи, работает следующим образом: напряжение на выходе равно разности напряжений на входах, умноженной на коэффициент передачи идеального ОУ без обратной связи:

Выразим разность напряжений на входах идеального ОУ через напряжение на выходе и коэффициент передачи идеального ОУ без обратной связи:

Поскольку, согласно свойству 3 модели идеального операционного усилителя коэффициент передачи G_о стремится к бесконечности, получаем подтверждение свойства 5 модели и для идеального ОУ, неохваченного ООС:

▍ Идеальный инвертирующий усилитель

Инвертирующий усилитель является пропорциональным (усилительным) звеном. Он производит операцию умножения входного сигнала на коэффициент k.

Усилитель охвачен отрицательной обратной связью по постоянному току. Цепь обратной связи состоит из делителя напряжения, собранного на резисторах R1 и R2:

Из свойства 5 модели следует, что напряжение на инвертирующем входе ОУ U_вх- равно напряжению на неинвертирующем входе U_вх+. Поскольку, неинвертирующий вход ОУ подключен к общему проводу, на инвертирующем входе образуется потенциал 0 В.

Согласно свойству 1 модели идеального операционного усилителя, инвертирующий вход ток не потребляет, следовательно, падение напряжения на резисторе R1 равно напряжению U_вх, падение напряжения на резисторе R2 равно напряжению U_вых, токи через резисторы делителя равны.

Получаем следующее соотношение:

из которого следует:

Согласно формуле ^(5), коэффициент передачи инвертирующего усилителя:

Из формулы ⁽⁶⁾ видно, что коэффициент передачи идеального инвертирующего усилителя может быть в пределах от 0 до — ∞.

Входной импеданс идеального инвертирующего усилителя равен сопротивлению резистора R1, поскольку, согласно свойству 1 модели идеального усилителя на ОУ входы не потребляют ток, и на инвертирующем входе установлен потенциал 0 В согласно свойству 5.

При равенстве сопротивлений резисторов в цепи обратной связи получаем инвертирующий повторитель.

При соотношении сопротивлений резисторов R1 > R2 схема работает как инвертирующий аттенюатор, т.е. начинает «ослаблять» входной сигнал.

▍ Идеальный неинвертирующий усилитель

Неинвертирующий усилитель, как и инвертирующий усилитель, является пропорциональным звеном. Он производит операцию умножения входного сигнала на коэффициент k.

Усилитель охвачен отрицательной обратной связью по постоянному току. Цепь обратной связи состоит из делителя напряжения, собранного на резисторах R1 и R2. Сигнал с делителя напряжения подаётся на инвертирующий вход:

Из свойства 5 модели следует, что напряжение на инвертирующем входе ОУ U_вх- равно напряжению на неинвертирующем входе U_вх+. При этом U_вх+ равно входному напряжению U_вх.

Согласно свойству 1 модели идеального операционного усилителя, входы ОУ ток не потребляют, следовательно, падение напряжения на резисторе R1 равно напряжению U_вх, а падение напряжения на последовательно включенных резисторах делителя напряжения R1 и R2 равно напряжению U_вых.

Получаем следующее соотношение:

Согласно формуле ⁽⁷⁾, коэффициент передачи неинвертирующего усилителя:

Из формулы ⁽⁸⁾ видно, что коэффициент передачи идеального неинвертирующего усилителя не может быть меньше единицы.

Входной импеданс идеального неинвертирующего усилителя равен импедансу неинвертирующего входа, который согласно свойству 1 модели идеального усилителя на ОУ стремится к бесконечности.

Частным случаем схемы неинвертирующего усилителя на ОУ является схема повторителя, где сопротивление R1 = ∞, а R2 = 0:

Схема имеет высокое входное и низкое выходное сопротивление, что позволяет согласовать, например, высокоомный источник сигнала с низкоомной нагрузкой.

▍ Сравнение схем инвертирующего и неинвертирующего усилителей

Обе схемы усилителей, инвертирующего и неинвертирующего, являются пропорциональными звеньями, осуществляющими операцию умножения входного сигнала на коэффициент k.

Принципиальные различия между схемами заключаются в том, что:

1. Инвертирующий усилитель изменяет знак входного сигнала, а неинвертирующий усилитель знак входного сигнала не изменяет.
2. Коэффициент передачи инвертирующего усилителя может быть меньше единицы, а коэффициент передачи неинвертирующего усилителя меньше единицы быть не может.
3. Входное сопротивление неинвертирующего усилителя определяется входным сопротивлением применённого ОУ, а входное сопротивление инвертирующего усилителя определяется сопротивлением резисторов в цепи обратной связи.

Исходя из вышесказанного, инвертирующие усилители целесообразно применять в схемах, требующих согласования с низкоомными источниками сигнала, а неинвертирующие – для согласования с высоомными источниками сигнала, а также на входах измерительных устройств для минимизации влияния на измеряемый сигнал.

Увеличение входного сопротивления инвертирующего усилителя резистором R1 требует пропорционального коэффициенту передачи k увеличения сопротивления резистора R2. Предотвратить чрезмерное увеличение сопротивления резистора R2 можно применением в цепи ООС усилителя Т-моста:

Коэффициент передачи инвертирующего усилителя с Т-мостом:

Входное сопротивление инвертирующего усилителя с Т-мостом приблизительно равно сопротивлению резистора R1.

При k = 10 и сопротивлении R1 = 500 кОм в схеме инвертирующего усилителя с делителем напряжения в цепи обратной связи сопротивление резистора R2 должно быть 5 МОм.

В случае инвертирующего усилителя с Т-мостом, при k = 10, сопротивлении R1 = 499 кОм и сопротивлении R4 = 100 Ом, сопротивление резисторов R2 и R3 будет равно 22.6 кОм. Расчёт цепи обратной связи в этом случае сложней, но применение Т-моста в цепи обратной связи при больших значениях сопротивления резистора R1 обеспечивает более стабильную работу усилителя.

▍ От автора

Данный цикл публикаций состоит из шести частей. Краткое содержание публикаций:

1. Предпосылки появления ОУ. «Идеальный» операционный усилитель. Инвертирующий и неинвертирующий усилители, повторитель. < — Вы тут
2. Отличия «реального» ОУ от «идеального». Основные характеристики реального ОУ. Ограничения реального ОУ.
3. Суммирующий усилитель. Разностный усилитель. Измерительный усилитель. Интегрирующее звено. Дифференцирующее звено. Схема выборки-хранения.
4. Активный детектор. Активный пиковый детектор. Логарифмический усилитель. Активный ограничитель сигнала. Компаратор на ОУ. Источник опорного напряжения. Источник тока. Усилитель мощности.
5. Частотно-зависимая обратная связь в ОУ. Активные фильтры на ОУ. Генераторы сигналов на ОУ.
6. Однополярное включение ОУ. Входные помехи, «развязки» и защиты входных цепей, экранирование.

Использованные источники:

1. Гутников. Интегральная электроника в измерительных устройствах. Энергоатомиздат, 1988
2. Хоровиц, Хилл. Искусство схемотехники. 2-изд. Мир, 1993
3. Титце, Шенк. Полупроводниковая схемотехника. 5-изд. Мир, 1982
4. Шкритек. Справочное руководство по звуковой схемотехнике. Мир, 1991

Усиление операционного усилителя

Реальное устройство отличается от идеального дифференциального усилителя. Один минус один может не быть нулем. Эти недостатки могут привести к незначительным ошибкам в одних приложениях и недопустимым ошибкам в других приложениях. В некоторых случаях эти ошибки могут быть компенсированы. Иногда требуется более высокое качество и более дорогостоящее устройство.

Поиск данных по Вашему запросу:

Схемы, справочники, даташиты:

Прайс-листы, цены:

Обсуждения, статьи, мануалы:

Дождитесь окончания поиска во всех базах.

По завершению появится ссылка для доступа к найденным материалам.

Содержание:

• Справочная информация – Промэлектроника
• СПОСОБЫ РЕГУЛИРОВАНИЯ КОЭФФИЦИЕНТА ПЕРЕДАЧИ УСИЛИТЕЛЕЙ НА ОУ в устройствах на микросхемах
• Практические аспекты ОУ. Усиление синфазных сигналов
• Принцип действия операционного усилителя
• Операционные усилители. Виды и работа. Питание и особенности
• Операционный усилитель? Это очень просто!
• Операционные усилители
• Практическое применение операционных усилителей. Часть первая.
• Операционный усилитель принцип работы для чайников

ПОСМОТРИТЕ ВИДЕО ПО ТЕМЕ: НЕИНВЕРТИРУЮЩИЙ УСИЛИТЕЛЬ – РАБОТА ОПЕРАЦИОННОГО УСИЛИТЕЛЯ

Справочная информация – Промэлектроника

Операционный усилитель – это электронный усилитель напряжения с высоким коэффициентом усиления, имеющий дифференциальный вход и обычно один выход. Напряжение на выходе может превышать разность напряжений на входах в сотни или даже тысячи раз. Своё начало операционные усилители ведут от аналоговых компьютеров, где они применялись во многих линейных, нелинейных и частото-зависимых схемах.

Параметры схем с операционными усилителями определяются только внешними компонентами, а так же небольшой температурной зависимостью или разбросом параметров при их производстве, что делает операционные усилители очень популярными элементами при конструировании электронных схем.

Операционные усилители являются наиболее востребованными приборами среди современных электронных компонент, они находят своё применение в потребительской электронике, применяются индустрии и в научных приборах. Многие стандартные микросхемы операционных усилителей стоят всего несколько центов. Но некоторые модели гибридных или интегрированных операционных усилителей со специальными характеристиками, выпускаемые мелкими партиями, могут стоить более сотни долларов. Операционные усилители обычно выпускаются как отдельные компоненты, а так же они могут являться элементами более сложных электронных схем.

Операционный усилитель является разновидностью дифференциального усилителя. Другими разновидностями дифференциального усилителя являются:. Невзирая на различное обозначение, их функция остаётся одной и той же – обеспечение дополнительной энергии для усиления сигнала. Часто на схемах эти выводы не изображают, чтобы не загромождать чертёж, и их наличие либо указывается отдельно, либо должно быть ясно из схемы.

Условные обозначения на схеме для операционного усилителя, изображённого на рисунке справа, следующие:. Напряжение на выходе операционного усилителя определяется формулой.

Операционный усилитель без отрицательной обратной связи компаратор. Это называется насыщение усилителя. Величина коэффициента усиления A OL имеет технологический разброс, поэтому не стоит использовать один операционный усилитель в качестве дифференциального усилителя, рекомендуется применять схему из трёх усилителей. Без отрицательной обратной связи, и возможно при наличии положительной обратной связи, операционный усилитель будет работать как компаратор. Если инвертирующий вход соединить с общим проводом нулевым потенциалом напрямую или через резистор, а напряжение V in , поданное на неинвертирующий вход будет положительным, то выходное напряжение будет максимально положительным.

Если подать на вход отрицательное напряжение V in , то на выходе напряжение будет максимально отрицательным. Поскольку с выхода на входы обратная связь отсутствует, то такая схема с разомкнутой цепью обратной связи будет работать как компаратор, коэффициент усиления схемы будет равен коэффициенту усиления операционного усилителя A OL.

Операционный усилитель с отрицательной обратной связью неинвертирующий усилитель. Для того, что бы работа операционного усилителя была предсказуемой, применяется отрицательная обратная связь, которая устанавливается путём подачи части напряжения с выхода усилителя на его инвертирующий вход. Эта замкнутая цепь обратной связи существенно снижает усиление усилителя. При использовании отрицательной обратной связи общее усиление схемы значительно больше зависит от параметров цепи обратной связи, чем от параметров операционного усилителя.

Если цепь обратной связи содержит компоненты с относительно стабильными параметрами, то изменения параметров операционного усилителя существенно не влияют на характеристики схемы. Передаточная характеристика схемы с операционным усилителем определяется математически передаточной функцией. Проектирование схем с заданной передаточной функцией с операционными усилителями относится к области радиоэлектроники.

Передаточная функция является важным фактором в большинстве схем, использующих операционные усилители, например, в аналоговых компьютерах. Высокое входное сопротивление входов и низкое выходное сопротивление выхода является так же полезной особенностью операционных усилителей. Например, если к неинвертирующему усилителю добавить отрицательную обратную связь см.

Равновесие восстановится тогда, когда напряжение на выходе V out станет достаточным для того, что бы изменить напряжение на инвертирующем входе до напряжения V in.

Так как резисторы R f и R g образуют цепь обратной связи, подключённой от выхода ко входу, то получается схема с замкнутой петлёй обратной связи. Подставляя слагаемые в формулу, можно легко определить усиление схемы этого типа. Эквивалентная схема операционного усилителя в которой смоделированы некоторые неидеальные резистивные параметры.

Идеальный операционный усилитель может работать при любых входных напряжениях и имеет следующие свойства:. Первое правило применимо к операционному усилителю, включённому в схему с замкнутой петлёй отрицательной обратной связи. Эти правила обычно применяются для анализа и проектирования схем с операционными усилителями в первом приближении. На практике ни одно из идеальных свойств не может быть полностью достигнуто, поэтому приходится идти на различные компромиссы.

В зависимости от желаемых параметров, при моделировании реального операционного усилителя учитывают некоторые неидеальности, используя эквивалентные цепи из резисторов и конденсаторов в его модели.

Разработчик может заложить эти нежелательные, но реальные эффекты в общую характеристику проектируемой схемы. Влияние одних параметров может быть пренебрежительно мало, а другие параметры могут налагать ограничение на общие характеристики схемы. В отличии от идеального, реальный операционный усилитель имеет неидеальность различных параметров. Усиление операционного усилителя, рассчитанное по постоянному току, неприменимо для высоких частот.

При проектировании схем с операционными усилителями, рассчитанными на работу с высокой частотой, следует руководствоваться более сложными соображениями. Современные операционные усилители с полевыми и МОП – транзисторами по своим характеристикам приближаются гораздо ближе к идеальным операционным усилителям, чем модели с биполярными транзисторами, когда важно входное сопротивление и входные токи смещения.

Операционные усилители с биполярными транзисторами лучше использовать тогда, когда требуется меньшее входное напряжение смещения и часто меньшие собственные шумы. Операционные усилители с полевыми и МОП – транзисторами, в схемах с ограниченной полосой пропускания, работающие при комнатной температуре, обычно имеют лучшие характеристики. Хотя дизайн разных моделей микросхем от разных производителей может варьироваться, все операционные усилители имеют в основном схожую внутреннюю структуру, которая состоит из трёх каскадов:.

Микросхемы операционных усилителей обычно имеют умеренную сложность. Типичным примером является широко распространённая микросхема операционного усилителя советский аналог – КУД7 , разработанная компанией “Fairchild Semiconductor” после предыдущей модели – LM Базовая архитектура усилителя такая же, как и у модели. В качестве входного каскада используется дифференциальный усилитель со сложной схемой смещения, активной нагрузкой которого является токовое зеркало.

Дифференциальный усилитель реализован на двухступенчатом каскаде, удовлетворяющем противоречивые требования. Первая ступень состоит из n-p-n эмиттерных повторителей на транзисторах Q1 и Q2, что позволяет получить высокое входное сопротивление. Вторая ступень основана на p-n-p транзисторах Q3 и Q4, включённых по схеме с общей базой, что позволяет избавиться от вредного действия эффекта Миллера , сдвинуть уровень напряжения вниз и обеспечить достаточное усиление по напряжению для работы следующего каскада – усилителя класса “А”.

Применение p-n-p транзисторов так же помогает увеличить напряжение пробоя V бэ переходы база-эмиттер n-p-n транзисторов Q1 и Q2 имеют напряжение пробоя около 7 вольт, а напряжение пробоя p-n-p транзисторов Q3 и Q4 составляет около 50 вольт.

На эмиттеры классического дифференциального каскада с эмиттерными связями подаётся напряжение смещения от источника стабильного тока. Цепь отрицательной обратной связи вынуждает транзисторы работать как стабилизаторы напряжения, заставляя их изменять напряжение V бе таким образом, что бы ток мог протекать через переход коллектор-эмиттер.

Сигналы с эмиттеров транзисторов Q1, Q2 поступают на эмиттеры транзисторов Q3, Q4. Их коллекторы разделены и они не могут использоваться для подачи тока покоя от источника стабильного тока, так как они сами функционируют, как источники тока. Следовательно, ток покоя можно подать только на базы, соединив их с источником тока. Что бы избежать зависимости от коэффициента передачи постоянного тока транзисторов, применяется отрицательная обратная связь. Для этого весь ток покоя отражается токовым зеркалом, выполненным на транзисторах Q8, Q9, а сигнал отрицательной обратной связи снимается с коллектора транзистора Q9.

Это вынуждает транзисторы Q1-Q4 изменить их напряжения база-эмиттер V бе так, что бы через них протекал требуемый ток покоя. Для получения токов смещения баз обычно используется источник питания отрицательного напряжения. Эти токи идут из общего провода в базы транзисторов. Но для получения максимально большого входного импеданса петли базового смещения не замкнуты внутри между базой и общим проводом, так как предполагается, что эти цепи будут замкнуты через выходное сопротивление источника сигнала на землю.

Так что источник сигнала должен быть гальванически соединён с общим проводом, что бы через него могли протекать токи смещения, а так же он должен иметь достаточно низкое сопротивление десятки или сотни килоом , что бы на нём не было бы существенного падения напряжения.

В противном же случае можно подключить резисторы между базами транзисторов Q1, Q2 и общим проводом. Величина тока покоя установлена резистором сопротивлением 39 кОм, который является общим для обоих токовых зеркал QQ13 и QQ Этот ток используется как образцовый для других токов смещения схемы. Транзисторы Q10, Q11 образуют источник тока Видлара , в котором через резистор сопротивлением 5 кОм протекает небольшая часть тока коллектора I ref транзистора Q Этот небольшой коллекторный ток, текущий через коллектор транзистора Q10 является опорным током баз для транзисторов Q3 и Q4, а так же для коллектора транзистора Q9.

С помощью отрицательной обратной связи токовое зеркало на транзисторах Q8 и Q9 пытается сделать ток на коллекторе транзистора Q9 равный току коллекторов транзисторов Q3 и Q4. Следовательно общий базовый ток транзисторов Q3 и Q4 это ток такого же порядка как и токи входов микросхемы является небольшой частью слабого тока транзистора Q Таким образом ток покоя устанавливается токовым зеркалом на транзисторах Q10, Q11 без использования токовой отрицательной обратной связи.

Эта токовая обратная связь только стабилизирует напряжение коллектора транзистора Q9 и базы транзисторов Q3, Q4. Кроме того, цепь обратной связи так же изолирует остальную часть схемы от синфазных сигналов путём установления напряжения базы транзисторов Q3, Q4 строго на уровне на 2V BE ниже, чем наибольшее из обоих входных напряжений.

Дифференциальный усилитель, образованный транзисторами Q1—Q4, соединён с активной нагрузкой на основе улучшенного токового зеркала на транзисторах Q Q7, которое преобразует токи входного дифференциального сигнала в напряжение, причём здесь для формирования этого напряжения используются оба входных сигнала, что даёт существенный прирост в усилении.

Это достигается путём сложения входных сигналов с помощью токовых зеркал, в данном случае коллектор транзистора Q5 соединён с коллектором транзистора Q3 левый выход дифференциального усилителя , а выход токового зеркала – коллектор транзистора Q6 соединён к правому выходу дифференциального усилителя – коллектору транзистора Q4.

Транзистор Q7 увеличивает точность работы токового зеркала путём уменьшения отбираемого тока от транзистора Q3 для управления базами транзисторов Q5 и Q6.

Напряжения источников сигналов, подаваемых на входы, проходят через две “диодных” цепочки, образованных переходами база-эмиттер транзисторов Q1, Q3 и Q2, Q4, к месту соединения баз транзисторов Q3, Q4. Если входные напряжения немного изменятся напряжение на одном входе увеличится, а на другом уменьшится , то напряжение на базах транзисторов Q3, Q4 почти не изменится, так же общий ток баз останется без изменений.

Произойдёт только перераспределение токов между базами транзисторов Q3, Q4, общий ток покоя останется тем же самым, токи коллекторов перераспределятся в тех же пропорциях, что и базовые токи. Токовое зеркало произведёт инвертирование коллекторного тока, сигнал вернётся обратно на базу транзистора Q4. В точке соединения транзисторов Q4 и Q6 токи транзисторов Q3 и Q4 вычитаются. Эти токи противофазны в данном случае в случае дифференциального сигнала.

В схеме с разомкнутой петлёй обратной связи напряжение, полученное в точке соединения транзисторов Q4 и Q6 определяется результатом вычитания токов и общим сопротивлением схемы параллельно включённые сопротивления коллекторов транзисторов Q4 и Q6. Так как для сигнальных токов эти сопротивления являются высокими транзисторы Q4 и Q6 ведут себя как генераторы токов , то при разомкнутой петле обратной связи коэффициент усиления этого каскада будет очень высоким. Иначе говоря, можно представить транзистор Q6 как копию транзистора Q3, а комбинацию транзисторов Q4 и Q6 можно представить как регулируемый делитель напряжения, состоящий из двух резисторов, управляемых напряжением.

Для дифференциальных входных сигналов сопротивления этих резисторов будут сильно изменяться в противоположных направлениях, но общее сопротивление делителя напряжения останется неизменным как у потенциометра с подвижным контактом. В результате ток не изменяется, но происходит сильное изменение напряжения в средней точке. Так как сопротивления изменяются в равной степени, но в противоположных направлениях, то результирующее изменение напряжения будет в два раза больше одиночных изменений напряжений.

Базовые токи на входах не нулевые, и поэтому эффективное входное сопротивление операционного усилителя равно примерно 2 мОм. Выводы “установка нуля” могут быть использованы для подключения внешних резисторов параллельно внутренним резисторам сопротивлением 1 кОм здесь обычно подключают потенциометр для балансировки токов транзисторов Q5, Q6, таким образом косвенно регулируют сигнал на выходе при подаче на входы нулевых сигналов. Если входные напряжения изменяются синхронно, то отрицательная обратная связь вынуждает напряжение на базах транзисторов Q3, Q4 повторять со смещением, равным удвоенному падению напряжения на переходах база-эмиттер транзисторов вариации входных напряжений.

Выходной транзистор Q10 токового зеркала Q10, Q11 поддерживает общий ток, протекающий через транзисторы Q8, Q9, постоянным и независимым от изменений напряжения.

СПОСОБЫ РЕГУЛИРОВАНИЯ КОЭФФИЦИЕНТА ПЕРЕДАЧИ УСИЛИТЕЛЕЙ НА ОУ в устройствах на микросхемах

Приветствую вас дорогие друзья! А сегодня речь пойдет о таком электронном устройстве как операционный усилитель. Например на этой картинке изображены два операционных усилителя российского производства. Также имеются выводы для подключения питания но на условных графических обозначениях их обычно не указывают. Для такого усилителя есть два правила которые помогут понять принцип работы:.

Основная схема включения ОУ. Пример расчета. Предположим, что схема рис. 1 должна обеспечить коэффициент усиления (40 дБ) при входном.

Практические аспекты ОУ. Усиление синфазных сигналов

Операционный усилитель — это интегральная схема, предназначенная для усиления слабого сигнала. Операционные усилители часто используются в различных аудио-устройствах. Например, если вы решите спаять усилитель для высокоомных наушников, вам наверняка понадобится операционный усилитель. Звучит, как что-то полезное. Так давайте же разберемся, как работать с этим хозяйством, на примере конкретного чипа NE Рассмотрим такую задачу. Допустим, мы хотим сделать микрофон, чтобы его можно было подключить прямо к компьютеру и записывать с него звук, например, в Audacity. Популярным и дешевым видом микрофона является электретный микрофон. Типичная схема его подключения выглядит как-то так:. Обратите внимание, что у электретного микрофона есть полярность.

Принцип действия операционного усилителя

Расчет основной схемы операционного усилителя. На рис. Основная схема включения ОУ. Пример расчета. Предположим, что схема рис.

Операционный усилитель – это электронный усилитель напряжения с высоким коэффициентом усиления, имеющий дифференциальный вход и обычно один выход. Напряжение на выходе может превышать разность напряжений на входах в сотни или даже тысячи раз.

Операционные усилители. Виды и работа. Питание и особенности

Что то часто мне стали задавать вопросы по аналоговой электронике. Никак сессия студентов за яцы взяла? В частности по работе операционных усилителей. Что это, с чем это едят и как это обсчитывать. Что это Операционный усилитель это усилок с двумя входами, невье… гхм… большим коэфициентом усиления сигнала и одним выходом. На практике, конечно, там числа поскромней.

Операционный усилитель? Это очень просто!

Операционный усилитель — это усилитель постоянного тока с высоким коэффициентом усиления, который может быть очень большим, вплоть до миллионов. Часто встречается коэффициент усиления в Операционные усилители способны усиливать сигналы переменного тока, также как сигналы постоянного тока, они чаще используются в измерительном оборудовании для усиления сигналов постоянного тока. Например, устройство для извлечение квадратного корня является контрольно-измерительным устройством, в котором используется операционный усилитель для определения квадратного корня сигналов для обеспечения контроля изменения величины потока жидкой или газообразной среды. Операционные усилители не обладают бесконечными входными сопротивлениями и нулевыми выходными сопротивлениями. Хотя возможно входное сопротивление в несколько триллионов Ом, и выходные сопротивления близкие к нулю.

Простейшие схемы включения операционного усилителя (ОУ) и расчет операционного усилителя и расчет коэффициента усиления.

Операционные усилители

Операционный усилитель ОУ ; англ. В настоящее время ОУ получили широкое применение, как в виде отдельных чипов, так и в виде функциональных блоков в составе более сложных интегральных схем. Такая популярность обусловлена тем, что ОУ является универсальным блоком с характеристиками, близкими к идеальным, на основе которого можно построить множество различных электронных узлов. Операционный усилитель изначально был спроектирован для выполнения математических операций отсюда его название , путём использования напряжения как аналоговой величины.

Практическое применение операционных усилителей. Часть первая.

ВИДЕО ПО ТЕМЕ: КАК РАБОТАЕТ ОПЕРАЦИОННЫЙ УСИЛИТЕЛЬ

Понятие “обратная связь” ОС относится к числу распространенных, оно давно вышло за рамки узкой области техники и употребляется сейчас в широком смысле. В системах управления обратная связь используется для сравнения выходного сигнала с заданным значением и выполнения соответствующей коррекции. В качестве “системы” может выступать что угодно, например процесс управления движущимся по дороге автомобилем – за выходными данными положением машиты и ее скоростью следит водитель, который сравнивает их с ожидаемыми значениями и соответственно корректирует входные данные с помощью руля, переключателя скоростей, тормоза. В усилительной схеме выходной сигнал должен быть кратен входному, поэтому в усилителе с обратной связью входной сигнал сравнивается с определенной частью выходного сигнала. Отрицательная обратная связь – это процесс передачи выходного сигнала обратно на вход, при котором погашается часть входного сигнала. Может показаться, что это глупая затея, которая приведет лишь к уменьшению коэффициента усиления.

Эксплуатация ОУ в качестве усилителя слабых сигналов подразумевает возможность и необходимость направленно менять его параметры, подстраивая тем самым свойства технического устройства под нужды потребителя.

Операционный усилитель принцип работы для чайников

Статья является частью руководства, посвященного практическим аспектам и особенностям проектирования электроники с использованием операционных усилителей ОУ — от выбора типа ОУ до тайных приемов опытного разработчика и хитростей отладки. Руководство написано Брюсом Трампом, инженером-разработчиком с почти тридцатилетним стажем, успевшим до Texas Instruments поработать в легендарной компании Burr-Brown. Мы публикуем перевод руководства Трампа на нашем сайте регулярно — дважды в месяц. Подписаться на получение уведомлений о публикации новых глав. Всякий, изучавший электронику, знаком с понятием напряжения смещения.

Операционный усилитель У неё выход ма. Обычно полевые транзисторы и операционные усилители работают от напряжений больше 5В. В вашем случае может хватить составного биполярного транзистора например КТ или КТ А светодиоды можно в коллектор параллельно через резисторы и от того же источника питания на 5В что и микроконтроллер если конечно источник питания может выдать требуемый ток.

Положительная и отрицательная обратная связь в схемах операционных усилителей и их практическое применение. Из-за их универсальности требуется всего несколько внешних компонентов, чтобы настроить их для выполнения широкого круга задач, таких как усиление, сложение, вычитание, умножение, интегрирование и т. д. функции.

Эта функциональность связана с тем, что они используют обратную связь , что означает выборку части вывода и добавление или вычитание ее из ввода для достижения желаемого результата.

Существует два типа обратной связи, положительная обратная связь и отрицательная обратная связь в операционных усилителях , , оба из которых будут подробно рассмотрены в этой статье.

Отрицательная обратная связь в операционном усилителе

Отрицательная обратная связь берет часть выходного сигнала и вычитает его из входного таким образом, чтобы выходной сигнал находился в равновесии со входным. Это означает, что за любым изменением на входе следует аналогичное изменение на выходе.

Простейшим примером отрицательной обратной связи является повторитель операционного усилителя. В этом случае инвертирующий вход соединен с выходом, а неинвертирующий вход служит сигнальным входом.

Следуя правилам поведения операционного усилителя, когда операционный усилитель пытается поддерживать разность напряжений 0 В на инвертирующем и неинвертирующем входах, мы можем понять, что выход следует за входом для поддержания этого 0 В разница, отсюда и название последователя.

Если бы на входе этой схемы было 1 В, то на выходе также было бы 1 В, так как выход напрямую подключен к инвертирующему входу, поэтому разница напряжений между инвертирующим и неинвертирующим выводами составляет 0 В.

Если вы внимательно заметили, то поймете, что усиление описанной схемы равно 1, поскольку отношение входного напряжения к выходному напряжению равно 1.

В демонстрационных целях эта схема была построена с использованием Операционный усилитель LM741, питаемый от шины ±12 В с входом треугольной волны (от генератора треугольной волны, сделанного в предыдущей статье).

На приведенном выше рисунке показаны осциллограммы схемы: желтая осциллограмма — это вход, а синяя — это выход. Выход является копией входа, поэтому мы знаем, что повторитель работает. Обратите внимание на одинаковую вертикальную шкалу на обоих каналах.

Что делать, если нам нужно усиление, отличное от 1? Это можно сделать, добавив к выходу делитель напряжения и подключив инвертирующий вход к середине делителя. Неинвертирующий вход, как обычно, служит сигнальным входом.

В этом случае оба резистора имеют одинаковое значение. Если входной сигнал снова равен 1 В, то операционный усилитель попытается изменить выходной сигнал таким образом, чтобы на инвертирующем входе было 1 В, чтобы поддерживать дифференциал 0 В на своем входе.

Для этого на выходе должно быть 2 В, чтобы на выходе делителя напряжения (и, следовательно, на инвертирующем входе) было 1 В.

Эта схема имеет коэффициент усиления 2 — она умножает входное напряжение в 2 раза. в качестве усилителя, и эта конфигурация является классическим неинвертирующим усилителем.

Предыдущая схема повторителя была изменена путем добавления двух резисторов, и ясно видно, что выходное напряжение схемы в два раза превышает входное напряжение.

Сигналы осциллографа, показанные на рисунке выше, показывают, как выходной сигнал, который является синим сигналом, в два раза превышает амплитуду входного сигнала, который является желтым сигналом.

Обратите внимание на искажение выходного сигнала из-за ограничения скорости нарастания операционного усилителя . Коэффициент усиления обеих описанных схем намного меньше, чем у без обратной связи самого операционного усилителя , поэтому можно сказать, что отрицательная обратная связь снижает общий коэффициент усиления системы в обмен на стабильность.

Операционные усилители с отрицательной обратной связью:

Операционные усилители Отрицательная обратная связь находит применение в основном в усилителях, где вход умножается на коэффициент, называемый усилением , а выход должен быть линейным и стабильным при изменении вход.

Положительная обратная связь в ОУ

Схема неинвертирующего усилителя может быть немного изменена, чтобы создать схему с положительной обратной связью.

Инвертирующий и неинвертирующий входы операционных усилителей переключаются таким образом, что инвертирующий вход становится сигнальным входом, а неинвертирующий вход становится контактом, который получает обратную связь с выхода через делитель напряжения.

Теперь, когда напряжение на входе становится выше, чем напряжение на неинвертирующем входе, выход становится низким. Поскольку операционный усилитель питается от шины ± 12 В, выходное напряжение составляет -12 В, а, следовательно, неинвертирующий вход – -6 В.

Теперь выход остается зафиксированным на уровне -12 В до тех пор, пока входной сигнал не опустится ниже -6 В, после чего выходной сигнал становится высоким до 12 В, что дает 6 В на неинвертирующем входе.

Теперь вход должен пересечь 6 В, чтобы выход снова изменил состояние.

В отличие от конфигурации с неинвертирующим усилителем, этот выход этой схемы не поддерживает равновесие со входом, а вместо этого насыщает любую шину питания нелинейным образом.

Применение операционных усилителей с положительной обратной связью:

Отсюда можно сделать вывод, что положительная обратная связь резко увеличивает коэффициент усиления системы, но не является стабильной и имеет только два состояния. Следовательно, положительная обратная связь не может использоваться для создания усилителя, поскольку обратная связь сильно нелинейна.

Лучший способ продемонстрировать операционный усилитель с положительной обратной связью — генератор с положительной обратной связью . Если мы модифицировали предыдущую схему, добавив конденсатор между инвертирующим входом и землей и резистор между инвертирующим входом и выходом, мы можем сделать простой генератор релаксации .

Осциллограмма на приведенном выше рисунке показывает выход генератора в желтом канале и напряжение на неинвертирующем входе в синем канале. Как видите, пороговое напряжение на неинвертирующем входе меняется с каждым циклом генератора, как описано в тексте выше, между +6В и -6В.

В статье мы постарались осветить положительные и отрицательные отзывы, а также то, как они работают, описаны простые схемы для их демонстрации и практические применения.

Коэффициент усиления операционного усилителя — объяснение Расчетное уравнение » Примечания по электронике

Коэффициент усиления

является ключевым аспектом проектирования схем операционных усилителей: расчеты могут выполняться для общих схем или с использованием более конкретных формул для инвертирующих и неинвертирующих усилителей.

---

Учебное пособие по операционному усилителю Включает:
Введение Усиление операционного усилителя Пропускная способность Скорость нарастания операционного усилителя Смещение нуля Входное сопротивление Выходное сопротивление Операционный усилитель с обратной связью по току Понимание спецификаций Как выбрать операционный усилитель Краткое описание схем операционных усилителей

---

Одним из ключевых аспектов рабочих характеристик операционных усилителей и их электронных схем является коэффициент усиления. Операционные усилители сами по себе предлагают огромные уровни усиления при использовании в так называемой конфигурации с разомкнутым контуром.

В условиях разомкнутого контура коэффициент усиления операционного усилителя может превышать 10 000, при этом некоторые операционные усилители имеют уровни усиления, значительно превышающие эту цифру в десять раз. Даже с операционными усилителями одного типа могут быть большие различия в коэффициенте усиления в результате используемых процессов изготовления.

Несмотря на то, что операционные усилители сами по себе обладают огромным коэффициентом усиления, этот коэффициент редко используется в такой форме для усиления сигнала — его было бы чрезвычайно сложно использовать, поскольку даже очень малые входные сигналы приводили бы к выходному напряжению, превышающему напряжение на шине, что приводило к ограничению или обрезка вывода.

С помощью метода, известного как отрицательная обратная связь в конструкции электронной схемы, огромные уровни усиления могут быть использованы для обеспечения высоких уровней требуемой производительности. Они позволяют всей электронной схеме иметь ровную частотную характеристику, низкий уровень искажений и очень определенные уровни усиления для всей схемы.

Общее усиление электронной схемы зависит не от фактического уровня усиления ИС, а от внешних компонентов, значения которых можно точно выбрать.

В других схемах операционных усилителей обратная связь может использоваться для обеспечения других эффектов, таких как фильтрация и т.п.

В некоторых случаях может использоваться положительная обратная связь, но обычно это делается определенным образом для достижения определенного эффекта.

Основные сведения об усилении ОУ

Существует два основных сценария, которые можно рассмотреть при рассмотрении коэффициента усиления операционных усилителей и конструкции электронных схем с использованием этих электронных компонентов:

• Коэффициент усиления без обратной связи:  Эта форма коэффициента усиления измеряется, когда к схеме операционного усилителя не применяется обратная связь. Другими словами, он работает в формате открытого цикла. Показатели усиления для операционного усилителя в этой конфигурации обычно очень высоки, обычно от 10 000 до 100 000. Это коэффициент усиления операционного усилителя сам по себе.

  Цифры часто приводятся в технических описаниях операционных усилителей в виде вольт на милливольт, В/мВ. Указание усиления в этих терминах позволяет записать усиление в более удобном формате. 10 В/мВ соответствует коэффициенту усиления по напряжению 10 000. Это избавляет от записи многих нулей.

• Усиление замкнутого контура:  Эта форма усиления измеряется, когда работает контур обратной связи, т. е. замкнутый контур. Применяя отрицательную обратную связь, общий коэффициент усиления схемы значительно снижается, и его можно точно настроить до требуемого уровня или для создания требуемого выходного формата, как в случае фильтров, интеграторов и т. д. Можно добавить несколько электронных компонентов. к схеме операционного усилителя для обеспечения необходимой обратной связи.

  Усиление измеряется с замкнутой петлей, и при условии, что существует достаточная разница между усилением разомкнутой и замкнутой петлей, схема будет работать в соответствии с расположенной вокруг нее обратной связью. Другими словами, при условии, что операционный усилитель имеет достаточный коэффициент усиления (который он будет иметь), коэффициент усиления всей схемы определяется отрицательной обратной связью, а не коэффициентом усиления самого операционного усилителя.

  Хотя в аналоговых схемах обычно используется отрицательная обратная связь, в некоторых случаях используется и положительная обратная связь. Чаще всего это применяется для компараторов, где требуется вывод на одном из двух уровней. Триггер Шмитта является одним из примеров, когда в систему вводится гистерезис. В этих приложениях следует использовать ИС компараторов, а не операционные усилители, поскольку они предназначены для работы в этом режиме.

Одним из аспектов, тесно связанных с усилением операционного усилителя, является полоса пропускания. Огромный коэффициент усиления операционных усилителей может привести к нестабильности, если не принять меры для обеспечения стабильности операционного усилителя и его схемы даже при применении отрицательной обратной связи.

Используется метод, известный как компенсация. В ранних операционных усилителях для добавления компенсации использовались внешние электронные компоненты, но в более поздних микросхемах она была добавлена ​​внутри. Проще говоря, к внутренним элементам операционного усилителя добавляется небольшой конденсатор. Это снижает склонность к колебаниям, но также снижает полосу пропускания без обратной связи.

Усиление операционного усилителя с обратной связью и частотная характеристика.

Несмотря на то, что полоса пропускания без обратной связи схемы операционного усилителя уменьшается, после применения отрицательной обратной связи для большинства целей может быть достигнуто достаточное усиление уровня с плоской частотной характеристикой.

Подробнее о . . . . Частотная характеристика операционного усилителя, усиление и полоса пропускания.

Общий коэффициент усиления операционного усилителя

Отрицательная обратная связь используется для управления коэффициентом усиления всей схемы операционного усилителя. Существует множество способов применения обратной связи при разработке электронной схемы — она может не зависеть от частоты или может зависеть от частоты, например, для создания фильтров.

Можно разработать обобщенную концепцию применения отрицательной обратной связи. Исходя из этого, могут быть разработаны более конкретные сценарии.

Общая конфигурация отрицательной обратной связи операционного усилителя

Можно рассчитать общую формулу для коэффициента усиления операционного усилителя в схеме:

Vсум=Vin-B Vвых

Затем можно рассчитать выходное напряжение, зная входное напряжение, коэффициент усиления и обратную связь:

Vout=A Vsum=A Vin-A B Vout

Теперь это можно использовать для создания общего уравнения усиления операционного усилителя с обратной связью.

VoutVin=G=A1 + AB

Используя это общее уравнение, можно разработать уравнения для более конкретных сценариев. Обратная связь может быть частотно-зависимой или плоской по мере необходимости.

Двумя простейшими примерами схем операционных усилителей, использующих обратную связь, являются форматы для инвертирующих и неинвертирующих усилителей.

Коэффициент усиления инвертирующего операционного усилителя

Схема инвертирующего операционного усилителя показана ниже. Эта схема имеет выходной сигнал, сдвинутый по фазе на 180° с входным сигналом, а также обеспечивает ввод виртуальной земли.

Схема операционного усилителя довольно проста с использованием нескольких электронных компонентов: один резистор обратной связи от выхода к инвертирующему входу и резистор от инвертирующего входа к входу схемы. Неинвертирующий вход принимается за точку заземления. В этой схеме операционного усилителя используются только два дополнительных электронных компонента, что делает ее очень простой и легкой в ​​реализации.

Базовая схема инвертирующего операционного усилителя

Вывести уравнение усиления операционного усилителя несложно. Вход самого операционного усилителя не потребляет ток, насколько это касается наших расчетов, поскольку импеданс каждого входа усилителя будет значительно выше 100 кОм и, возможно, значительно выше 1 МОм. Это означает, что любой ток, протекающий в микросхему, можно игнорировать.

Из этого мы видим, что ток, протекающий через резисторы R1 и R2, одинаков, потому что через соединение между двумя резисторами ток не течет.

Используя закон Ома V _out /R ₂ = -V _in /R ₁ . Отсюда коэффициент усиления по напряжению схемы Av можно принять равным:

Ср=-R2R1

Например, усилитель, требующий усиления в десять раз, можно построить, составив R ₂ 47 кОм и R ₁ 4,7 кОм.

Подробнее о . . . . схема инвертирующего операционного усилителя.

Коэффициент усиления неинвертирующего операционного усилителя

Схема неинвертирующего операционного усилителя показана ниже. Он предлагает более высокий входной импеданс, чем схема инвертирующего операционного усилителя. Как и в схеме инвертирующего операционного усилителя, для этого требуется добавить всего два электронных компонента: два резистора для обеспечения необходимой обратной связи.

Неинвертирующий усилитель также характеризуется тем, что вход и выход находятся в одной фазе в результате подачи сигнала на неинвертирующий вход операционного усилителя.

Базовая схема неинвертирующего операционного усилителя

Коэффициент усиления неинвертирующей схемы операционного усилителя также легко определить в процессе проектирования электронной схемы. Расчет основан на том факте, что напряжение на обоих входах одинаково.

Это связано с тем, что коэффициент усиления усилителя чрезвычайно высок. Если выход схемы остается в пределах шин питания усилителя, то выходное напряжение, деленное на коэффициент усиления, означает, что разницы между двумя входами практически нет.

Мы можем предположить, что для целей нашего расчета вход операционного усилителя не потребляет ток, так как импеданс входов микросхемы будет намного выше номиналов используемых резисторов.

Это означает, что ток, протекающий в резисторах R ₁ и R ₂ , одинаков. Напряжение на инвертирующем входе формируется делителем потенциала, состоящим из R ₁ и R ₂ , а так как напряжение на обоих входах одинаковое, то напряжение на инвертирующем входе должно быть таким же, как и на не -инвертирующий вход.

Это означает, что Vin = Vout x R ₁ / (R ₁ + R ₂ ). Следовательно, уравнение усиления операционного усилителя для коэффициента усиления по напряжению схемы Av можно принять следующим образом:

Ср=1+R2R1

Например, усилитель, требующий коэффициента усиления одиннадцати, можно построить, составив R ₂ 47 кОм и R ₁ 4,7 кОм.

Коэффициент усиления операционного усилителя

очень легко определить. Расчеты для разных схем немного отличаются, но, по существу, обе схемы могут обеспечить одинаковые уровни усиления, хотя номиналы резисторов не будут одинаковыми для одинаковых уровней усиления операционного усилителя.

Подробнее о . . . . Схема неинвертирующего операционного усилителя.

Коэффициент усиления операционного усилителя в других ситуациях

Использование операционных усилителей в линейных приложениях с отрицательной обратной связью является нормальным явлением, хотя это не всегда так. При этом используется очень высокий коэффициент усиления усилителя с разомкнутым контуром для обеспечения воспроизводимых характеристик, управляемых внешними компонентами.

Примеры этих схем операционных усилителей включают усилители, фильтры, дифференциаторы и интеграторы.

Однако также можно использовать операционные усилители с другими формами обратной связи для получения других эффектов.

Одно из приложений использования положительной обратной связи в схеме операционного усилителя для обеспечения переключения, для которого компараторы обеспечивают гораздо лучшую производительность, поскольку они работают намного быстрее и не страдают от проблем с фиксацией, но это не означает, что основные принципы положительной обратной связи не применять.