Расчет коэффициента усиления операционного усилителя – Практическое применение операционных усилителей. Часть первая.

Раздел 2. Расчет схемы на операционном усилителе

2.1 Исходные данные

Коэффициент усиления по напряжению для первого источника – К_u1 = 12

Динамический диапазон – D = 26 дБ

Максимальная рабочая температура – T_м = 30 С

Сопротивление эквивалентного генератора RG1 = 40 kОм

2. Схема инвертирующего усилителя постоянного тока

Рисунок 2.1 – Схема инвертирующего усилителя постоянного тока

2.3 Назначение элементов схемы

DA1 – операционный усилитель, является элементом, обеспечивающим усиление сигнала;

R₁ – задает входное сопротивление усилителя и коэффициент усиления по напряжению;

R2 – предназначен для компенсации ошибки ОУ, возникающей в результате протекания входного тока смещения ОУ, возникающей в результате протекания входного тока смещения ОУ через резисторы, подключенные к инвертирующему входу;

R₃ – элемент цепи обратной отрицательной связи;

R_G1 , U_G1 – эквиваленты источников входных сигналов.

2.4 Принцип действия схемы:

Инвертирующий усилитель представляет собой ОУ, охваченный цепью последовательной ООС по напряжению с помощью резистора R

₃ и R₁.. Входной сигнал подается на инвертирующий вход. Напряжение обратной связи U_ос, снятое с нижнего плеча делителя R₃ – R₁ ,подается на входную цепь и вычитается из входного напряжения . И на выходе образуется выходной сигналU_ВЫХ. Введение ООС позволяет сделать коэффициент усиления высокостабильным. Стабилизация коэффициента усиления позволяет улучшить частотную характеристику схемы (расширяется полоса пропускания усилителя). Поскольку на входе усилителя действует сигнал <U_ВХ , амплитудная (передаточная) характеристика имеет большую линейную область, чем амплитудная характеристика ОУ без обратной связи, то это означает, что входные сигналы большей амплитуды будут передаваться без искажения. Кроме того, последовательная ООС по напряжению увеличивает входное сопротивление усилителя до сотен кОм и снижает выходное сопротивление до долей Ом.

2.5 Расчет схемы

2.5.1 Рассчитаем сопротивление R₁, кОм

Для обеспечения отсутствия влияния сопротивления генератора R_G на коэффициент усиления, сопротивление R₁ выбирается больше R_G в 5…10 раз

Принимаем полученное значение сопротивления R₁ = 400 k

Ом.

2.5.2 Рассчитаем значение сопротивления резистора обратной отрицательной связи R₃.

Для неинвертирующего усилителя по коэффициенту усиления

Округляем полученное значение сопротивления до стандартного значения R₃ = 4300 Ом

2.5.3 Значение сопротивления компенсационного резистора R₂ принимаем равным значению R₁

2.5.5 Выберем операционный усилитель согласно следующих условий:

max{R₁,, R₂,, R₃,} << R_{вх ОУ},,

R_{вых ОУ} << R₃ << R_{вх ОУ} ,

U_{см доп} < U_{∑см ОУ}

Выбираем операционный усилитель К140УД14 со следующими параметрами операционного усилителя

Коэффициент усиления ;

Входное сопротивление R_вх = 30 МОм;

Разность входных токов

∆I_вх = 0,2 нА;

Тепловая разность входных токов нА/К;

Напряжение смещения U_см =2 мВ;

Температурный дрейф напряжения смещения мкВ/К;

Напряжение питания U_пит = 15 В.

Условия пригодности ОУ по входному и выходному сопротивлению выполняются. Проверим условие по напряжению смещения.

2.5.6 Рассчитаем U_{см доп.} по эквивалентному коэффициенту усиления K_{U экв}

,

и заданному динамическому диапазону D:

,

где допустимое смещение на выходе усилителя находим следующим образом:

,

Принимаем K_U2 = 0, тогда .

2.5.7 Рассчитаем суммарное, приведенное ко входу, смещение ОУ по следующей формуле

,

– от разницы входных токов

– от температурного дрейфа разницы входных токов

,

где T₀ – температура при нормальных условиях T₀ = 25 С

– от температурного дрейфа напряжения смещения

,

– от напряжения смещения

Суммарное (приведённое ко входу) смещение операционного усилителя

, следовательно операционный усилитель выбран правильно.

2.6 Найдем максимально допустимую амплитуду напряжения источника сигнала:

studfile.net

Инвертирующий усилитель на ОУ | Практическая электроника

Инвертирующий усилитель – это собрат НЕинвертирующего усилителя на ОУ. Такой усилитель дает на выходе инвертируемый сигнал.

Схема и ее описание

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

Симуляция в Proteus

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

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

www.ruselectronic.com

Расчет параметров инвертирующего и неинвертирующего усилителей

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное автономное образовательное учреждение

высшего образования

«НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ

ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Инженерная школа энергетики

Электроэнергетика и электротехника

«Расчет параметров инвертирующего и неинвертирующего усилителей»

Индивидуальное задание № 1

по дисциплине:

Электроника 2.1

Исполнитель:

студент группы 5А6Г Агафонов Богдан Валерьевич

Руководитель:

кандидат технических наук Чернышев Александр Юрьевич

Томск – 2018

Задание №1

Рассчитать параметры инвертирующего усилителя (рис. 1), выполненного на операционном усилителе, который обеспечивает коэффициент усиления по напряжению при сопротивлении нагрузки . Для расчетов принимаем =2,2 и = 51 кОм.

Рис.1. Схема инвертирующего усилителя

Решение:

Промышленность выпускает различные типы операционных усилителей, каждый из которых разрабатывается под конкретные изделия. Наиболее простыми являются ОУ марки К140УД6, К140УД7, К1410УД20. Для выполнения инвертирующего усилителя выбираем ОУ марки К140УД6, который имеет следующие основные параметры:

=+151,5 В;

1 МОм;

=151,5 В;

= +11 В;

2,5 мА;

200 нА;

25 нА;

=10 В;

= 11 В;

30000;

= 1 МГц;

= 2 В/мкс;

Условные обозначения параметров операционного усилителя:

напряжение источника питания положительной полярности;

напряжение источника питания отрицательной полярности;

максимальный допустимый ток операционного усилителя;

входной ток операционного усилителя;

разность входных токов;

напряжение смещения;

входное сопротивление

максимальное выходное напряжение положительного уровня;

максимальное выходное напряжение отрицательного уровня;

коэффициент усиления напряжения;

частота единичного усиления;

скорость изменения выходного напряжения.

Значение сопротивления резистора при заданной нагрузке определяем из условия ограничения выходного тока операционного усилителя на допустимом уровне:

Решим уравнение относительно сопротивления :

Подставив в выражение численные значения параметров, получим

Для ограничения выходного тока операционного усилителя увеличиваем в 10 раз.

Сопротивления резистора выбираем из ряда номинальных значений Е24.

Принимаем кОм.

Определим мощность резистора . Для этого найдем максимальный ток, протекающий по резистору :

Подставив численные значения параметров в выражение, имеем

Тогда мощность резистора

или после подстановки численных значений параметров

С учетом стандартного ряда мощностей выбираем резистор типа МЛТ – 0,01 – 51кОм ±5 %.

Коэффициент усиления инвертирующего усилителя определяется в соответствии с выражением

Решая выражение относительно , получим

После подставки численных значений параметров:

Сопротивление резистора выбираем из ряда номинальных значений Е24:

Определим мощность резистора . Для этого из выражения найдем максимальное входное напряжение:

Тогда

и

С учетом численных значений параметров

Из ряда стандартных мощностей выбираем резистор типа МЛТ – 0,01 –24 кОм ± 5 %.

С целью уменьшения токов и напряжений сдвигов в схему включают резистор . Резистор выбирают из условия равенства входных сопротивлений по инвертирующему и неинвертирующему входам операционного усилителя

Подставив найденные значения сопротивлений и в выражение, получим

Сопротивление резистора выбираем из ряда номинальных значений:

Так как операционный усилитель охвачен обратной связью и по входным цепям не потребляет тока, то мощность резистора мала. Выбираем резистор типа МЛТ – 0,01 – 18 кОм ± 5 %.

В соответствии с выражением проведем проверку коэффициента усиления инвертирующего усилителя

Погрешность вычислений находим по выражению

С учетом найденного значения определяем величину

Погрешность не превышает 5 %, поэтому найденные значения резисторов можно считать приемлемыми.

Рис.2. Модель инвертирующего усилителя в программной среде Electronics Workbench

Рис.3. Осциллограммы цифрового осциллографа

Из осциллограмм (рис. 3) следует, что при входном напряжении инвертирующего усилителя (см. окно VA1 на рис. 3), выходное напряжение равно

Тогда коэффициент усиления по напряжению инвертирующего усилителя можно определить по уравнению

Следовательно, параметры инвертирующего усилителя с заданным коэффициентом усиления найдены верно.

Задание №2

Рассчитать параметры неинвертирующего усилителя (рис. 4), выполненного на операционном усилителе, который обеспечивает коэффициент усиления по напряжению при сопротивлении нагрузки . Для расчетов принимаем и .

Рис.4. Схема неинвертирующего усилителя

Решение:

Для расчетов используем операционный усилитель типа К140УД6.

Определяем сумму сопротивлений резисторов и при заданной нагрузке из условия ограничения выходного тока операционного усилителя на допустимом уровне:

Решим выражение относительно

Коэффициент усиления неинвертирующего усилителя определяется в соответствии с выражением

Из выражения определим отношение сопротивлений и и составим систему уравнений

Решая систему уравнений относительно , получаем, что , тогда Из стандартного ряда выбираем номинальные значения сопротивлений а .

Найдем ток, протекающий через резисторы и :

Подставив численные значения параметров в выражение, получим

В соответствии с выражением определим мощность резисторов и :

С учетом ряда стандартных мощностей выбираем резистор типа МЛТ0,0252,2 кОм 5%, а резистор типа МЛТ0,0252,7 кОм 5%.

С целью уменьшения токов и напряжений сдвигов в схему (рис.4) включают резистор . Сопротивление выбирают из условия равенства входных сопротивлений по инвертирующему и неинвертирущему входам операционного усилителя в соответствии с выражением

Согласно стандартному ряду сопротивлений принимаем

Так как ОУ охвачен обратной связью и не потребляет ток по входным цепям, то ток, протекающий через чрезвычайно мал. Поэтому мощность резистора принимаем равной 0,01 Вт, а резистор выбираем типа МЛТ0,011,3 кОм5%.

Проведем проверку коэффициента усиления неинвертирующего усилителя по выражению:

По уравнению определяем погрешность вычислений

Погрешность не превышает 5 %, поэтому найденные значения резисторов можно считать приемлемыми.

Рис.5. Модель неинвертирующего усилителя в программной среде Electronics Workbench

Рис.6. Диаграммы входного и выходного напряжений неинвертирующего усилителя

Из диаграмм напряжений следует, что при входном напряжении инвертирующего усилителя равном выходное напряжение составляет .

Коэффициент усиления по напряжению неинвертирующий усилитель определяется как отношение выходного напряжения к входному напряжению :

Анализ полученных диаграмм (рис. 6) показывает, что коэффициент усиления неинвертирующего усилителя составляет 2,227. Следовательно, параметры неинвертирующего усилителя с заданным коэффициентом усиления найдены верно.

Вывод: научился рассчитывать параметры инвертирующего и неинвертирующего усилителей, понял принципиальную разницу между ними, научился строить схемы усилителей в пакете схематического моделирования схем Electronics Workbench. В первом задании погрешность была на 2,169% больше, чем во втором задании. Также осциллограмма неинвертирующего усилителя дала значение коэффициента усиления по напряжению более близкое к данному значению, чем осциллограмма инвертирирующего усилителя. При расчетах использовал программное обеспечение Mathcad

studfile.net

Практическое применение операционных усилителей.Часть первая.

РадиоКот >Статьи >

Практическое применение операционных усилителей.Часть первая.

Всем привет.
В этой статье мы обсудим некоторые аспекты практического применения операционных усилителей в повседневной жизни радиолюбителя.
Не растекаясь мыслею по древу и не вдаваясь в дремучие теоретические основы работы вышеозначенного усилителя, давайте все же обозначим некоторые основные термины и понятия, с которыми нам предстоит столкнуться в дальнейшем.
Итак – операционный усилитель. Далее будем называть его ОУ, а то очень лень писать каждый раз полностью.
На принципиальных схемах, чаще всего, он обозначается следующим образом:

На рисунке обозначены три самых главных вывода ОУ – два входа и выход. Разумеется, есть еще выводы питания и иногда выводы частотной коррекции, хотя последнее встречается все реже – у большинства современных ОУ она встроенная. Два входа ОУ – Инвертирующий и Неинвертирующий названы так по присущим им свойствам. Если подать сигнал на Инвертирующий вход, то на выходе мы получим инвертированный сигнал, то бишь сдвинутый по фазе на 180 градусов – зеркальный; если же подать сигнал на Неинвертирующий вход, то на выходе мы получим фазово не измененный сигнал.

Так же как и основных выводов, основных свойств ОУ тоже три – можно назвать их ТриО (или ООО – кому как нравится): Очень высокое сопротивление входа, Очень высокий коэффициент усиления (10000 и более), Очень низкое сопротивление выхода. Еще один очень важный параметр ОУ называется скорость нарастания напряжения на выходе (slew rate на буржуинском). Обозначает он фактически быстродействие данного ОУ – как быстро он сможет изменить напряжение на выходе при изменение оного на входе.
Измеряется этот параметр в вольтах в секунду (В/сек).
Этот параметр важен прежде всего для товарищей, конструирующих УЗЧ, поскольку, если ОУ недостаточно быстрый, то он не будет успевать за входным напряжением на высоких частотах и возникнут изрядные нелинейные искажения. У большинства современных ОУ общего назначения скорость нарастания сигнала от 10В/мксек и выше. У быстродействующих ОУ этот параметр может достигать значения 1000В/мксек.
Оценить – подходит ли тот или иной ОУ для ваших целей по скорости нарастания сигнала можно по формуле:

где, fmax – частота синусоидального сигнала, Vmax – скорость нарастания сигнала, Uвых – максимальное выходное напряжение.
Ну да не будем больше тянуть кота за хвост – приступим к главной задаче этого опуса – куда, собственно, эти клевые штуки можно воткнуть и что из этого можно получить.

Первая схема включения ОУ – инвертирующий усилитель.

Наиболее популярная и часто встречающаяся схема усилителя на ОУ. Входной сигнал подается на инвертирующий вход, а неинвертирующий вход подключается к общему проводу.
Коэффициент усиления определяется соотношением резисторов R1 и R2 и считается по формуле:

Почему “минус”? Потому что, как мы помним, в инвертирующем усилителе фаза выходного сигнала “зеркальна” фазе входного.
Входное сопротивление определяется резистором R1. Ежели его сопротивление, например 100кОм, то и входное сопротивление усилителя будет 100кОм.

Следующая схема – инвертирующий усилитель с повышенным входным сопротивлением.
Предыдущая схема всем хороша, за исключением одного нюанса – соотношение входного сопротивления и коэффициента усиления может не подойти для реализации какого-либо специфического проекта. Ведь что получается – допустим, нам нужен усилитель с К=100. Тогда, исходя из того, что значения резисторов должны быть в разумных пределах берем R2=1Мом, а R1=10кОм. То есть, входное сопротивление усилителя будет равным 10 кОм, что в некоторых случаях недостаточно.
В этих самых случая можно применить следующую схему:

В данном случае, коэффициент усиления считается по следующей формуле:

То есть, при том же коэффициенте усиление сопротивление R1 можно увеличить, а значит и повысить входное сопротивление усилителя.

Едем дальше – неинвертирующий усилитель.
Выглядит он следующим образом:

Коэффициент усиления определяется так:

В данном случае, как видите, никаких минусов нет – фаза сигнала на входе и на выходе совпадает.
Основное отличие от инвертирующего усилителя заключается в повышенном входном сопротивлении, которое может достигать 10Мом и выше.
Если при реализации данной схемы в практических конструкциях, необходимо предусмотреть развязку с предыдущими каскадами по постоянному току – установить разделительный конденсатор, то нужно между входом ОУ и общим проводом включить резистор сопротивлением около 100кОм, как показано на рисунке.

Если этого не сделать, то ОУ перевозбудится и ничего дельного вы от него не получите. Ну кроме половины питания на выходе.

Усилитель с изменяемым коэффициентом усиления.

Примем R1=R2=R3=R. И введем некую переменную А, которая может принимать значения от 1 до 0 в зависимости от поворота движка переменного резистора R3.
Тогда коэффициент усиления можно определить так:
K=2A-1
Входное сопротивление практически не зависит от положения движка переменного резистора.
Так, с усилителями разобрались – дальше у нас по плану – фильтры.

Вопросы, как обычно, складываем тут.

---

Как вам эта статья?	Заработало ли это устройство у вас?

www.radiokot.ru

Расчёт параметров и выбор операционного усилителя.

Расчёт масштабного усилителя следует начинать с выбора типа операционного усилителя. Основные параметры операционного усилителя должны удовлетворять условиям:

1. максимальное выходное напряжение ОУ U_{вых :}

U_вых  1.2U_{m вых. max}= 1.2К₀ U_{m вх,max} =1.2*10³*5*10^-3 = 5 В;

2. Cкорость нарастания выходного напряжения ОУ:

V_{u вых}  2f_вU_{m вых. max} = 2*3.14*5*30*10^-3= 0.942В/мкс;

3. Допустимое сопротивление нагрузки ОУ(приводится в паспорте на микросхему)

R_{н max} R_н = 5 кОм;

4. Величина напряжения источника питания U_п  U_вых +2 В = 8 В.

Выберем типовое значение источника питания в 5 В.

U_п = 5 В;

5. Нестабильность коэффициента усиления ОУ К можно определить из следующей формулы

_max, где – температурный дрейф коэффициента усиления равный (0.51.5) %/С, Т_{мах –} максимальный интервал температур

Т_маx = 60 ^оС

К = 0.5*1 %/С*60С = 30 %;

Теперь пользуясь полученными данными, рассчитаем для различных n’ (число каскадов в ПУ), начиная с единицы, величину К_R – относительную погрешность коэффициента усиления ПУ, обусловленную неточностью резисторов в цепи ООС и их нестабильностью. Для этого воспользуемся формулой (принимая К=5*10⁴ ):

;

n’ = 1 = 2,4 %

n’ = 2 = 1,49 %

n’ = 3 = 0,994 %

n’ = 4 = 0,75 %;

Получаем, что ПУ может быть реализован и на одном каскаде, но при подсчете частоты единичного усиления мы получим следующие результаты:

Переведем коэффициент частотных искажений из дБ в безразмерную величину исходя из формулы М_в(дБ) = 20*lg М_в  М_в  1,023.

Тогда по следующей формуле:

получим, что:

при n=1 f ₁=142 МГц;

n=2 f ₁=6.324 МГц;

n=3 f ₁=2.43 МГц;

n=4 f ₁=1.578 МГц;

Мы видим, что при n=1 величина f ₁ велика для серийно выпускаемых операционных усилителей . Следовательно необходимо выбирать два каскада. Для двух каскадов рассчитаем ток потребления схемы :

Итак, получены следующие параметры необходимые для выбора подходящего ОУ:

U_п =5 В;

U_вых 6 В;

V_{u вых} 0,942 В/мкс;

R_н =5 кОм;

f₁6,324 МГц;

I_пот<=10,94 мА.

Согласно имеющимся справочным данным наиболее подходящий полученным требованиям и требованиям технического задания оказывается усилитель 574УД1Б. Приведём ряд данных по этому усилителю.

Коэффициент усиления К=50*10³;

Напряжение смещения нуля U_см = 25мВ;

Дрейф напряжения смещения U_см/Т = 50мкВ/С;

Входные токи I_вх=0.5нА;

Разность входных токов I_вх = 0.2нА;

Дрейф разности входных токов 0.2нА/С;

Частота единичного усиления f₁ = 10МГц;

Скорость нарастания выходного напряжения V_{u вых} = 50В/мксек;

Коэффициент ослабления синфазного сигнала К_оссф = 60дБ;

Входное сопротивление R_вх =10МОм;

Максимальный выходной ток I_{вых. мах} = 10мА;

Минимальное сопротивление нагрузки R_н.min = 2кОм;

Потребляемый ток I_пот = 8 мА;

Максимальное выходное напряжение U_{вых.мах} = 10В;

Тип корпуса – Металлостеклянный, Габориты корпуса 4.613.5 мм², Размеры монтажной площадки D=3мм, метод герметизации – сварка, металлизация на монтажной площадке.

Схема включения операционного усилителя.

Схема включения операционного усилителя 574УД1Б приведена на рис.1.

Можно видеть, что в цепь включён корректирующий конденсатор С_к, который равен 5пФ в случае, когдаK >6.

₁=40, ₂ =25.В схеме имеется подстрочный резистор, который в нашем случае необходимо включить в последний каскад для устранения погрешностей. В первом каскаде его можно не включать. Для первого каскада схема включения будет выглядеть так:

studfile.net

Операционный усилители в линейных схемах. Часть 3

Всем доброго времени суток. Сегодня публикую третью часть статьи о применении операционных усилителей в линейных цепях. В предыдущих частях я рассказал о инвертирующих и неинвертирующих схемах на основе ОУ. Данная статья будет посвящена дифференциальным или разностным усилителям, которые составляют основу измерительных усилителей.

Дифференциальный усилитель

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

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

Схема дифференциального усилителя на основе ОУ.

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

Схема дифференциального усилителя на основе ОУ фактически представляет собой два усилителя – инвертирующий и неинвертирующий. Инвертирующий усилитель получится, если заземлить вход U_BX2, тогда неивертирующий вход ОУ окажется, заземлён через параллельно соединенные резисторы R2 и R3 и схема превратится в инвертирующий усилитель, а выходное напряжение в данном случае составит, как известно

в случае, если заземлить вход U_BX1, а сигнал будет поступать на U_BX2, то схема превратится в неинвертирующий усилитель, на входе которого включён делитель напряжения, тогда выходное напряжение составит

Если входные сигналы будут поступать на оба входа U_BX1 и U_BX2, то выходное напряжение будет иметь вид

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

То выходное напряжение будет пропорционально разности входных напряжений

Поэтому данный усилитель и назвали дифференциальным, то есть разностным усилителем.

Параметры дифференциального усилителя

Как известно из предыдущей статьи дифференциальный усилитель имеет ряд специфических параметров:

Тогда общий К_ОСС всей схемы будет иметь вид

Входное сопротивление дифференциального усилителя состоит из суммы сопротивлений по двум входным каналам. Для входа U_BX1, составит

Для входа U_BX2, входное сопротивление составит

Выходное сопротивление дифференциального усилителя рассчитывается так же как и выходные сопротивления инвертирующего и неинвертирующего усилителя

где R_BbIX.ОУ – выходное сопротивление ОУ,

К_ОУ – коэффициент усиления ОУ.

Таким образом, простейший дифференциальный усилитель на ОУ имеет очень простое схемное решение однако и его параметры, в частности, входное сопротивление, очень мало (порядка единиц – десятков кОм), поэтому данная схема находит применение в схемах где точность и влияние выходного сопротивления не играют большой роли. Большее распространение получили дифференциальные усилители, состоящие из нескольких ОУ, которые за свои высокие параметры называют инструментальными или измерительные усилители.

Улучшение параметров дифференциального усилителя

Основными недостатками вышеописанной схемы дифференциального усилителя являются низкое сопротивление и возникновение трудности изменить коэффициент усиления, так как соотношение сопротивлений должно быть достаточно точно согласовано.

Первый недостаток связан с тем, что входным сопротивлением дифференциального усилителя являются по сути сопротивления резисторов R1 и R2, которые имеют величину от единиц до десятков кОм. При увеличении величин этих сопротивлений приходится увеличивать сопротивления R3 и R4, что приводит к уменьшению полосы пропускания усилителя и появлению дополнительных шумов. Решением данной проблемы является изолирование и развязка входов дифференциального усилителя при помощи двух повторителей напряжения по схеме неивертирующего усилителя. Схема такого дифференциального усилителя представлена ниже

Схема увеличения входного сопротивления дифференциального усилителя на ОУ.

Схема состоит из двух операционных усилителей включённых по схеме повторителя напряжения, входное сопротивление которых очень велико (десятки-сотни МОм), поэтому сопротивление источника сигнала практически не влияет на входное напряжение. На нагрузке R_H итоговое напряжение будет зависеть от разности входных напряжений

Особенностью данной схемы является то, что она имеет дифференциальный выход, то есть сопротивление нагрузки подключается только к выходам операционных усилителей DA1 и DA2

Для решения, проблемы упрощения регулирования коэффициента усиления дифференциального усилителя, может быть применена схема состоящая, как и предыдущая из двух повторителей напряжения с включением на дифференциальном выходе, параллельно сопротивлению нагрузки, дополнительно трёх последовательных резисторов. Данная схема изображена ниже

Схема дифференциального усилителя, позволяющая регулировать коэффициент усиления одним резистором.

Данная схема состоит из двух ОУ DA1 и DA2, включённых по схеме повторителя напряжения и резисторов R1, R2 и R3, причём R1 = R3 = R.

Работа данной схемы объясняется следующим образом. В соответствии с принципом виртуального замыкания, напряжение между инвертирующим и неинвертирующим входом ОУ равно нулю, поэтому на резисторе R2 напряжение будет равно разности между напряжениями U_BX1 и U_BX1.

Тогда ток, протекающий через резистор R2, составит

Так как резисторы R1, R2 и R3 включены последовательно, то такой же ток протекает и через резисторы R1 и R3. Тогда, с учётом того что R1 = R3 = R, выходное напряжение на сопротивлении нагрузки составит

Легко заметить, что выходное напряжение зависит от отношения сопротивлений R1, R2 и R3, поэтому изменяя величину сопротивления резистора R2 можно изменять величину выходного напряжения, а, следовательно, и коэффициент усиления схемы. Приняв отношение сопротивлений R и R2, за некоторый коэффициент пропорциональности можно несколько упростить выражение для выходного напряжения

Вышеописанные дифференциальные усилители имеют один недостаток: работа усилителя возможна только на незаземлённую (плавающую) нагрузку, то есть нагрузка не должна быть соединена с землёй. Для устранения данного недостатка необходимо на выход схемы добавить усилитель с дифференциальным входом и несимметричным выходом. Таким усилителем является простейший дифференциальный усилитель, рассмотренный вначале статьи. Получившаяся схема носит название измерительного или инструментального усилителя.

Измерительный усилитель

Измерительный или инструментальный усилитель находит широкое применение в измерительных схемах и устройствах благодаря тому, что имеют коэффициент усиления, не зависящий от внешних факторов (частоты сигнала, амплитуды, сопротивления нагрузки и т.д.). Кроме того, измерительный усилитель обладает высоким входным сопротивлением (десятки и сотни МОм) и низким выходным сопротивлением (единицы и десятки Ом). Схема измерительного усилителя представлена ниже

Измерительный (инструментальный) усилитель на трёх ОУ.

Измерительный усилитель состоит из трёх операционных усилителей DA1, DA2, DA3 и резисторов обвязки R1, R2, R3, R4, R5, R6 и R7. Данный тип усилителя функционально состоит из двух узлов: буферного каскада на двух повторителях напряжения DA1, DA2 и дифференциального усилителя DA3. В данной схеме резисторы R4, R5, R6 и R7 выбирают одинакового сопротивления для того, чтобы коэффициент усиления выходного дифференциального усилителя был равен единице. Таким образом, при условии равенства сопротивлений резисторов R1 и R3 регулировка коэффициента усиления измерительного усилителя будет осуществляться с помощью резистора R2. В общем же случае коэффициент усиления данной схемы будет определяться следующим выражением

Довольно часто резистор R6 состоит из двух: постоянного и переменного резистора, что очень удобно для более точного согласования резисторов обвязки дифференциального усилителя DA3.

Теория это хорошо, но без практического применения это просто слова.Здесь можно всё сделать своими руками.

www.electronicsblog.ru

Неинвертирующий усилитель на ОУ | Практическая электроника

Схема неинвертирующего усилителя

Неинвертирующий усилитель является базовой схемой с ОУ. Выглядит он до боли просто:

В этой схеме сигнал подается на НЕинвертирующий вход ОУ.

Итак, для того, чтобы понять принцип работы этой схемы, запомните самое важное правило, которое используется для анализа схем с ОУ: выходное напряжение ОУ стремится к тому, чтобы разность напряжения между его входами была равна нулю.

Принцип работы

Итак, давайте инвертирующий вход обозначим, буквой A:

Следуя главному правилу ОУ, получаем, что напряжение на инвертирующем входе равняется входному напряжению: U_A=U_{вх .}   U_A снимается с делителя напряжения, который образован резисторами R1 и R2. Следовательно:

U_A = U_вых R1/(R1+R2)

Так как U_A=U_вх , получаем что U_вх = U_вых R1/(R1+R2).

Коэффициент усиления по напряжению высчитывается как K_U = U_вых /U_вх.

Подставляем сюда ранее полученные значения и получаем, что K_U = 1+R2/R1.

Проверка работы в Proteus

Это также можно легко проверить с помощью программы Proteus. Схема будет выглядеть вот так:

Давайте рассчитаем коэффициент усиления K_U.  K_U = 1+R2/R1=1+90к/10к=10. Значит, наш усилитель должен ровно в 10 раз увеличивать входной сигнал. Давайте проверим, так ли это. Подаем на неинвертирующий вход синусоиду с частотой в 1кГц и смотрим, что имеем на выходе. Для этого нам потребуется виртуальный осциллограф:

Входной сигнал – это желтая осциллограмма, а выходной сигнал – это розовая осциллограмма:

Как вы видите, входной сигнал усилился ровно в 10 раз. Фаза выходного сигнала осталась такой же. Поэтому такой усилитель называют НЕинвертирующим.

Но, как говорится, есть одно “НО”. На самом же деле в реальном ОУ имеются конструктивные недостатки. Так как Proteus старается эмулировать компоненты, приближенные к реальным, давайте рассмотрим амплитудно-частотную характеристику (АЧХ), а также фазо-частотную характеристику (ФЧХ) нашего операционника LM358.

АЧХ и ФЧХ неинвертирующего усилителя на LM358

На практике, для того, чтобы снять АЧХ, нам надо на вход нашего усилителя подать частоту от 0 Герц и до какого-то конечного значения, а на выходе в это время следить за изменением амплитуды сигнала. В Proteus все это делается с помощью функции Frequency Responce:

По оси Y у нас коэффициент усиления, а по оси Х – частота. Как вы могли заметить, коэффициент усиления почти не изменялся до частоты 10 кГц, потом стал стремительно падать с ростом частоты. На частоте в 1МегаГерц коэффициент усиления был равен единице. Этот параметр в ОУ называется частотой единичного усиления и обозначается как f_1. То есть по сути на этой частоте усилитель не усиливает сигнал. Что подали на вход, то и вышло на выходе.

В проектировании усилителей важен такой параметр, как граничная частота среза f_гр . Для того, чтобы ее вычислить, нам надо знать коэффициент усиления на частоте K_гр:

K_гр= K_Uo / √2 либо = K_Uo х 0,707 , где  K_Uo  – это коэффициент усиления на частоте в 0 Герц (постоянный ток).

Если смотреть на АЧХ, мы увидим, что на нулевой частоте (на постоянном токе) у нас коэффициент усиления равен 10. Вычисляем K_гр.

K_гр = 10 х 0,707 = 7,07

Теперь проводим горизонтальную линию на уровне 7,07 и смотрим пересечение с графиком. У меня получилось около 104 кГц. Строить усилитель с частотой среза, более, чем f_гр не имеет смысла, так как в этом случае выходной сигнал усилителя будет сильно затухать.

Также очень просто определить граничную частоту, если построить график в децибелах. Граничная частота будет находиться на уровне  K_Uo-3dB. То есть в нашем случае на уровне в 17dB. Как вы видите, в этом случае мы также получили частоту среза в 104 кГц.

Ну ладно, с частотой среза вроде бы разобрались. Теперь нам важен такой параметр, как ФЧХ. В нашем случае мы вроде бы как получили НЕинвертирующий усилитель. То есть сдвиг фаз между входным и выходным сигналом должен быть равен нулю. Но  как поведет себя усилитель на высоких частотах (ВЧ)?

Берем такой же диапазон частот от 0 и до 100 МГц и смотрим на ФЧХ:

Как вы видите, до частоты в 1 кГц неинвертирующий усилитель действительно работает как надо. То есть входной и выходной сигнал двигаются синфазно. Но после частоты в 1 кГц, мы видим, что фаза выходного сигнала начинает отставать. На частоте в 100 кГц она уже отстает примерно на 40 градусов.

Для наглядности АЧХ и ФЧХ можно разместить на одном графике:

Также в схемах  с  неинвертирующим  усилителем  часто  вводят  компенсирующий резистор R_K .

Он определяется по формуле:

и служит для того, чтобы обеспечить равенство сопротивлений между каждым из входов и землей. Более подробно мы это разберем в следующей статье.

При участии Jeer

www.ruselectronic.com