Усилитель на операционном усилителе: 10 схем на (почти) все случаи жизни / Хабр

10 схем на (почти) все случаи жизни / Хабр

Всем привет!

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

Введение

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

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

1. Неинвертирующий усилитель

Неинвертирующий усилитель – наверное, наиболее часто встречающаяся схема включения операционного усилителя, она приведена на рисунке ниже.
В этой схеме усиливаемый сигнал подается на неинвертирующий вход операционного усилителя, а сигнал с выхода через делитель напряжения попадает на инвертирующий вход.
Расчет этой схемы прост, он строится исходя из того, что операционный усилитель, охваченный петлей обратной связи, отрабатывает входное воздействие таким образом, чтобы напряжение на инвертирующем входе было равно напряжению на неинвертирующем:

Из этой формулы легко получается коэффициент усиления неинвертирующего усилителя:

Рассчитаем и промоделируем неинвертирующий усилитель со следующими параметрами:

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

Выберем из ряда Е96 и . Тогда коэффициент усиления будет равен

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

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

Поэтому данный предельный случай не несет какой-то практической пользы.

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

2. Повторитель

Как уже говорилось ранее, включение операционного усилителя по схеме повторителя – это предельный случай неинвертирующего усилителя, когда один из резисторов имеет нулевое сопротивление. Схема повторителя приведена на рисунке ниже.
Как видно из формулы, приведенной в прошлом разделе, коэффициент передачи для повторителя равен единице, то есть выходной сигнал в точности повторяет входной. Зачем же вообще нужен операционный усилитель в таком случае? Он выступает в роли буфера, обладая высоким входным сопротивлением и маленьким выходным. Когда это бывает нужно? Допустим, мы имеем какой-то источник сигнала с большим выходным сопротивлением и хотим этот сигнал без искажения передать на относительно низкоомную разгрузку. Если мы это сделаем напрямую, без каких бы то ни было буферов, то неизбежно потеряем какую-то часть сигнала.

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

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

Моделирования будем проводить для двух случаев: в первом случае пусть источник сигнала работает на нагрузку через повторитель, а во втором случае — напрямую.
Результаты моделирования приведены на рисунке ниже (картинка кликабельна): на верхней осциллограмме выходной и входной сигналы в точности совпадают друг с другом, тогда как на нижней сигнал на выходе в несколько раз меньше по амплитуде относительно сигнала на входе.

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

3. Инвертирующий усилитель (классическая схема)

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

Где — напряжение на инвертирующем входе операционного усилителя.
Поскольку операционный усилитель, охваченный петлей обратной связи, стремится выровнять напряжения на своих входах, то , и при заземленном неинвертирующем входе получаем

Отсюда коэффициент усиления инвертирующего усилителя равен

По инвертирующему усилителю можно сделать следующие выводы:

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

Для примера рассчитаем инвертирующий усилитель со следующими параметрами:

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

В качестве резисторов в цепи обратной связи выберем резисторы номиналами и : их отношение как раз равно десяти.
Результаты моделирования усилителя приведены на рисунке (картинка кликабельна).

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

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

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

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

Схема инвертирующего усилителя с Т-образным мостом в цепи обратной связи приведена на рисунке ниже.
Коэффициент усиления этой схемы равен

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

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

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

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

5. Инвертирующий усилитель в схемах с однополярным питанием

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

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

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

Отсюда напряжения на инвертирующем входе равно

Напряжение на неинвертирующем входе равно

Исходя из принципа равенства напряжения на инвертирующем и неинвертирующем входах получаем

Таким образом, напряжение на выходе операционного усилителя равно

Отсюда делаем вывод, что для корректной работы напряжения смещения должно быть больше максимального входного напряжения с учетом подаваемого на вход напряжения смещения.
Промоделируем схему инвертирующего усилителя со следующими параметрами:
Результаты моделирования приведены на рисунке ниже (картинка кликабельна)

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

6. Инвертирующий сумматор

Операционный усилитель можно использовать для суммирования различных сигналов. С помощью резисторов можно задавать «вес» каждого из сигнала в общей сумме. Схема инвертирующего сумматора приведена на рисунке ниже.
Расчет инвертирующего сумматора очень прост и основывается на принципе суперпозиции: суммарный выходной сигнал равен сумме отдельных составляющих:

Рассчитаем и произведем моделирование инвертирующего сумматора со следующими параметрами:
Для обеспечения требуемых «весов» , и выберем следущие номиналы резисторов из ряда Е96:

Результат моделирования приведен на рисунке ниже (картинка кликабельна).

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

Как видим, итоговый сигнал не превышает по амплитуде сигнал , а также имеет в начальной части артефакты, вызванные постепенным появлениями сигналов на входах.
Необходимо также помнить, что инвертирующий сумматор – по сути все тот же инвертирующий усилитель, и его входное сопротивление определяется величиной резистора в цепи обратной связи, поэтому его надо аккуратно применять в случаях, если источник сигнала имеет большое выходное сопротивление.

7. Дифференциальный усилитель

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

Схема дифференциального усилителя приведена на рисунке.

Для дифференциального усилителя можно записать следующие выражения:

Решая эту систему уравнений, получаем

Если мы примем, что

то данное выражение упрощается и преобразуется в

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

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

Произведем моделирование схемы со следующими параметрами:

Результаты моделирования приведены на рисунке ниже (изображение кликабельно).

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

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

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

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

8. Источник тока

Операционный усилитель при определенном включении может работать как источник тока. Источник тока поддерживает постоянный ток вне зависимости от величины сопротивления нагрузки (в идеальном источнике нагрузка может быть вообще любая, в реальном – не больше какой-либо величины, пропорциональной максимально возможному напряжению, которое может сформировать на ней источник тока). Возможно как минимум две схемы источника тока на операционном усилителе: с плавающей нагрузкой и с заземленной нагрузкой. Схема источника тока с плавающей нагрузкой предельно проста и приведена на рисунке ниже
Как видим, на неинвертирующий вход подается опорное напряжение, а в роли нагрузки выступает один из элементов обратной связи. Величина тока при этом определяется следующим выражением

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

Произведем расчет и моделирование источника тока со следующими параметрами:

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

Для обеспечения заданных характеристик подойдут следующие номиналы сопротивлений резисторов:

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

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

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

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

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

9. Интегратор на операционном усилителе

Думаю, что все читатели знакомы с классической схемой интегратора на RC-цепочке:
Эта схема чрезвычайно широко используется на практике, однако имеет в себе один серьезный недостаток: выходное сопротивление этой схемы велико и, как следствие, входной сигнал может существенно ослабляться. Для устранения этого недостатка возможно использование операционного усилителя.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

10. Дифференциатор на операционном усилителе

Схема простейшего дифференциатора на RC-цепочке известна ничуть не меньше, чем схема интегратора:
Эта схема имеет все тот же недостаток, связанный с высоким выходным сопротивлением, и для его устранения можно аналогичным образом применить операционный усилитель. Схема инвертирующего дифференциатора получается из схемы инвертирующего интегратора путем замены конденсаторов на резисторы и резисторов на конденсаторы, она приведена на рисунке ниже.
Однако и в этом случае более подробно рассмотрим другую схему, состоящую из классического дифференциатора на RC-цепочке и повторителя на операционном усилителе:
Если интегратор мы рассматривали как простейший фильтр нижних частот, то дифференциатор наоборот – фильтр верхних частот. Частота среза АЧХ считается все по той же формуле

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

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

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

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

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

Заключение

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

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

Операционные усилители с однополярным питанием: примеры применения

11 февраля 2020

Бонни Бейкер (Microchip Technology)

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

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

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

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

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

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

Основные принципы работы операционных усилителей

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

Повторитель напряжения

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

Рис. 1. Буферный усилитель (повторитель напряжения)

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

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

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

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

Кроме того, буферный усилитель используется для решения задачи согласования входного и выходного сопротивлений. Это может потребоваться в том случае, если источник аналогового сигнала имеет достаточно высокое выходное сопротивление по сравнению со входным сопротивлением схемы. При прямом подключении источника к схеме уровень сигнала уменьшится из-за падения напряжения на делителе, образованном выходным сопротивлением источника и выходным сопротивлением схемы. Буферный усилитель прекрасно решает эту проблему. Входное сопротивление неинвертирующего входа КМОП ОУ может достигать значения 10¹³ Ом. В то же время выходное сопротивление буферного усилителя обычно не превышает 10 Ом.

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

Рис. 2. Развязка нагрузки с использованием буферного усилителя

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

Усиление аналоговых сигналов

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

Рис. 3. Неинвертирующий усилитель на ОУ

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

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

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

В схемах с однополярным питанием значение сопротивления резистора R₂, как правило, берется не менее 2 кОм. Сопротивление резистора R₁ выбирается исходя из требуемого значения коэффициента усиления с учетом уровня шумов операционного усилителя и входного напряжения смещения, указанных в технической документации на ОУ. Стоит отметить, что данная схема имеет некоторые ограничения, касающиеся величины входного и выходного сигналов. Так, напряжение на неинвертирующем входе ОУ не должно превышать максимально допустимого для данного ОУ значения синфазного напряжения. Размах выходного сигнала ОУ также ограничен; допустимый диапазон указывается в технической документации на усилитель. Как правило, большая часть ошибок возникает из-за ограничения слишком большого выходного сигнала усилителя, а не из-за слабого сигнала на входе. При возникновении ограничения выходного сигнала коэффициент усиления схемы следует уменьшить.

Схема инвертирующего усилителя приведена на рисунке 4. Эта схема усиливает и инвертирует сигнал, поданный на входной резистор (R₁). Выходное напряжение этой схемы определяется по формуле 2:

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

Рис. 4. Инвертирующий усилитель на ОУ

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

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

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

Схемы с однополярным питанием и расщепители питания

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

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

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

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

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

Дифференциальный (разностный) усилитель

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

Рис. 6. Дифференциальный усилитель на ОУ

Выходное напряжение этой схемы определяется по формуле 4:

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

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

Суммирующий усилитель

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

Рис. 7. Суммирующий усилитель на ОУ

Выходное напряжение этой схемы определяется по формуле 5:

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

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

Преобразователь тока в напряжение

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

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

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

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

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

Применение базовых схем

Инструментальный усилитель

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

Рис. 9. Инструментальный усилитель на трех ОУ

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

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

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

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

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

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

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

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

Плавающий источник тока

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

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

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

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

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

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

Фильтры

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Соединяем все вместе

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

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

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

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

Подводные камни проектирования схем с ОУ

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

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

Общие советы

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

Входные каскады

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

Ширина полосы пропускания ОУ

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

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

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

Литература

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

Оригинал статьи

Перевел Андрей Евстифеев по заказу АО КОМПЭЛ

 

 

•••

Наши информационные каналы

Неинвертирующий усилитель на ОУ | Практическая электроника

Схема неинвертирующего усилителя на ОУ

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 неинвертирующего усилителя на ОУ

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.

Как работает неинвертирующий усилитель на ОУ на примере

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.

[quads id=1]

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

Операционный усилитель. На пальцах. Для самых маленьких.

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

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

▌Немного теории
Идеальный операционный усилитель обладает тремя свойствами.

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

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

Давайте попробуем промоделировать его поведение. Это очень просто:

Ситуация первая: U₁ = U₂. Тогда разница будет равна нулю, а ноль умножить на бесконечность будет ноль. Математики скажут, что там неопределенность, но у нас не такая большая бесконечность, насколько мал наш ноль.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Простейшим интегратором в электротехнике является RC цепочка:

Напряжение на конденсаторе Uвых= Q/C

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

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

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

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

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

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

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

▌Повторитель

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

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

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

▌Линейный стабилизатор

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

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

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

Простой аудио усилитель на операционном усилителе LM833

   Это схема простого аудио усилителя на основе операционного усилителя LM833. Она относится к разряду тех схем, которые можно собрать за час “на коленке”. Однако, несмотря на свою простоту, схема вполне работоспособна и при должном качестве сборки может найти применение в качестве усилителя для наушников или предусилителя электрогитары. Или, на худой конец, вашего первого собранного устройства.

Рис. 1. Схема простого аудио усилителя на LM833.

   Усилитель работает от девяти вольтовой батарейки типа “крона”. Основу усилителя составляет сдвоенный операционный аудио усилитель общего назначения – LM833. Задействованная часть микросхемы включена по схеме неинвертирующего усилителя, незадействованная – по схеме повторителя, то есть по сути “заглушена”. Полоса пропускания схемы приблизительно от 0.5 Гц до 16 кГц. Коэффициент усиления от 1 до 100 в зависимости от значения переменного резистора. Номиналы всех компонентов понятны из схемы. 

   Операционный усилитель имеет однополярное питание 9 В. Идеальный операционный усилитель может давать на выходе напряжение в диапазоне от 0 до напряжения питания. В реальности так могут вести себя только операционные усилители типа Rail-to-rail, а операционные усилители общего назначения работают в диапазоне от минимального до максимального напряжения насыщения, которое обычно меньше напряжения питания на ~1 – 2 В. Для того чтобы усилить входной сигнал по максимуму и без искажений, мы должны сместить его в середину диапазона выходного напряжения оу – приблизительно в точку 4 В. Тогда выходному сигналу будет где “развернуться”. 

Рис. 1. Усиление входного сигнала (красный) без смещения. Выходной сигнал (синий) “обрезается снизу”.

Рис. 2. Слишком большое смещение. Выходной сигнал “обрезается сверху”. Можно уменьшить усиление, тогда сигнал не будет искажаться.

Рис. 3. Оптимальное смещение и усиление. Сигнал не искажается.

   Схему смещения составляют компоненты R1, R4 и С3. Резисторы R1 и R4 образуют делитель напряжения, благодаря которому на неинвертирующем выводе операционного усилителя присутствует постоянное напряжение чуть меньше половины питания, а конденсатор C3 отсекает постоянную составляющую входного сигнала. Если вы посмотрите осциллографом напряжение в точке A, то увидите, что входной сигнал колеблется на “подставке” в 4 В. Это как раз то, что нам нужно. 

   Помимо смещения компоненты R1, R4 и С3 выполняют роль пассивного RC фильтра низкой частоты. Частота среза этого фильтра будет определяться формулой

f = 1/(2*Pi*R*C), [Гц]

   С – это емкость входного разделительно конденсатора C3, а R – это суммарное сопротивлении параллельно соединенных резисторов R1 и R4. Почему параллельных? Потому что для переменного сигнала источник питания представляет собой “закоротку”. То есть он его как бы не “видит”.
   Операционный усилитель имеет высокое входное сопротивление. Резисторы R1 и R4 будут уменьшать это сопротивление (потому что для переменного входного сигнала они включены параллельно входному сопротивлению усилителя) и, по сути, определять его значение.
   Для того чтобы не “загробить” входной аудио сигнал (по амплитуде и частоте), номиналы резисторов и конденсатора нужно взять достаточно большими – сотни кОм и единицы мкФ. Для номиналов указанных в схеме, частота среза фильтра составит ~0.6 Гц.

   Самая простая схема усилителя напряжения на оу – это схема неинвертирующего усилителя (на рисунке ниже она выделена серой рамкой). Для усиления входного сигнала мы можем использовать ее. Коэффициент усиления такой схемы равен отношению двух резисторов в цепи обратной связи. 

   Uout/Uin = 1 + R5/R6

Рис. 4 Схема неинвертирующего усилителя на оу.

   Однако, если мы подадим наш смещенный сигнал на вход обычного неинвертирующего усилителя, операционный усилитель даже при небольшом усилении “уйдет” в насыщение (то есть на выходе будет максимальное напряжение).
   Чтобы этого избежать, нужно “заставить” его усиливать только переменный сигнал. Этого можно добиться, если добавить в схему конденсатор – C7. По постоянному сигналу эта схема будет представлять собой повторитель (потому что конденсатор для постоянного сигнала равносилен обрыву), а по переменному неинвертирующий усилитель.

   Как можно догадаться, данный конденсатор будет оказывать влияние на полосу пропускания нашей схемы. А если точнее, то конденсатор C7 и резистор R6 образуют низкочастотный фильтр с частотой среза:

   F = 1/(2*Pi*R6 * C7) , [Гц]

   Емкость конденсатора C7 нужно взять достаточно большой (десятки мкФ), чтобы частота среза этого НЧ фильтра была маленькой (доли Гц).

   Схема неинвертирующего усилителя будет усиливать все частоты, которые пропускает операционный усилитель, и в том числе высокочастотный шум. Для аудио усилителя это нам совершенно не нужно. Чтобы ограничить полосу пропускания усилителя со стороны высоких частот, параллельно резистору R5 добавлен конденсатор C5. На низких частотах он не оказывает влияния на коэффициент усиления схемы, а на высоких, когда его сопротивление становится сравнимым с R5, коэффициент усиления схемы уменьшается. Конденсатор C5 вместе с резистором R5 образуют ВЧ фильтр, частота среза которого определяется формулой:

   F = 1/(2*Pi*R5* C5) , [Гц]

   Большой номинал этого конденсатора придаст звуку более басовое звучание (за счет подавления высоких частот), но может значительно уменьшить коэффициент усиления схемы. Поиграв с номиналом этого конденсатора, можно подобрать приемлимое частотное звучание усилителя.

   На выходе операционного усилителя мы получим усиленный входной сигнал на “подставке” 4 В. В отсутствии входного сигнала на выходе усилителя будет просто напряжение 4 В (потому что для постоянного сигнала схема будет работать как повторитель, а на входе у нас 4 В). Если подключить наушники напрямую к выходу, то в отсутствии входного сигнала через них потечет ток. Это нам совершенно не нужно, поэтому на выходе усилителя стоит разделительный конденсатор C4, который “отсекает” постоянную составляющую.

   Также на выходе усилителя стоит ВЧ фильтр на элементах R2 и C6. Во-первых R2 ограничивает выходной ток операционного усилителя в случае замыкания выхода на землю, а во-вторых фильтр корректирует выходной сигнал, то есть дополнительно “обрезает” высокие частоты.

   И последнее – это конденсаторы в цепи питания операционного усилителя (C1, C2). Это особенно актуально при запитывании схемы от сетевого адаптера.

   Конечно, это схема не является эталоном аудио звучания, и, возможно, не оправдает ваши ожидания по качеству звука. Однако, она позволяет начинающему электронщику познакомиться с основами и получить при этом конкретный практический результат. Такой опыт запоминается куда лучше, чем простое чтение учебника и зубрежка формул.
   В одном материале всего не объяснишь (да и всего я не знаю), но я постарался коснуться основных моментов схемы. С ними можно поэкспериментировать и посмотреть, как будет вести себя усилитель.

Схемы включения операционных усилителей | HomeElectronics

Прошлая статья открыла цикл статей про строительные кирпичики современной аналоговой электроники – операционные усилители. Было дано определение ОУ и некоторые параметры, также приведена классификация операционных усилителей. Данная статья раскроет такое понятие как идеальный операционный усилитель, и будут приведены основные схемы включения операционного усилителя.

Для сборки радиоэлектронного устройства можно преобрески DIY KIT набор по ссылке.

Идеальный операционный усилитель и его свойства

Так как наш мир не является идеальным, так и идеальных операционных усилителей не существует. Однако параметры современных ОУ находятся на достаточно высоком уровне, поэтому анализ схем с идеальными ОУ даёт результаты, очень близкие к реальным усилителям.

Для понимания работы схем с операционными усилителями вводится ряд допущений, которые приводят реальные операционные усилители к идеальным усилителям. Таких допущений всего пять:

1. Ток, протекающий через входы ОУ, принимается равным нулю.
2. Коэффициент усиления ОУ принимается бесконечно большим, то есть выходное напряжение усилителя может достичь любых значений, однако в реальность ограничено напряжением питания.
3. Разность напряжений между входами идеального ОУ равна нулю, то есть если один из выводов соединён с землёй, то и второй вывод имеет такой же потенциал. Отсюда также следует, что входное сопротивление идеального усилителя бесконечно.
4. Выходное сопротивление идеального ОУ равно нулю.
5. Амплитудно-частотная характеристика идеального ОУ является плоской, то есть коэффициент усиления не зависит от частоты входного сигнала.

Близость параметров реального операционного усилителя к идеальным определяет точность, с которой может работать данный ОУ, а также выяснить ценность конкретного операционного усилителя, быстро и правильно сделать выбор подходящего ОУ.

Исходя из вышеописанных допущений, появляется возможность проанализировать и вывести соотношения для основных схем включения операционного усилителя.

Основные схемы включения операционного усилителя

Как указывалось в предыдущей статье, операционные усилители работают только с обратными связями, от вида которой зависит, работает ли операционный усилитель в линейном режиме или в режиме насыщения. Обратная связь с выхода ОУ на его инвертирующий вход обычно приводит к работе ОУ в линейном режиме, а обратная связь с выхода ОУ на его неинвертирующий вход или работа без обратной связи приводит к насыщению усилителя.

Неинвертирующий усилитель

Неинвертирующий усилитель характеризуется тем, что входной сигнал поступает на неинвертирующий вход операционного усилителя. Данная схема включения изображена ниже

Схема включения неинвертирующего усилителя.

Работа данной схемы объясняется следующим образом, с учётом характеристик идеального ОУ. Сигнала поступает на усилитель с бесконечным входным сопротивлением, а напряжение на неинвертирующем входе имеет такое же значение, как и на инвертирующем входе. Ток на выходе операционного усилителя создает на резисторе R2 напряжение, равное входному напряжению.

Таким образом, основные параметры данной схемы описываются следующим соотношением

Отсюда выводится соотношение для коэффициента усиления неинвертирующего усилителя

Таким образом, можно сделать вывод, что на коэффициент усиления влияют только номиналы пассивных компонентов.

Необходимо отметить особый случай, когда сопротивление резистора R2 намного больше R1 (R2 >> R1), тогда коэффициент усиления будет стремиться к единице. В этом случае схема неинвертирующего усилителя превращается в аналоговый буфер или операционный повторитель с единичным коэффициентом передачи, очень большим входным сопротивлением и практически нулевым выходным сопротивлением. Что обеспечивает эффективную развязку входа и выхода.

Инвертирующий усилитель

Инвертирующий усилитель характеризуется тем, что неинвертирующий вход операционного усилителя заземлён (то есть подключен к общему выводу питания). В идеальном ОУ разность напряжений между входами усилителя равна нулю. Поэтому цепь обратной связи должна обеспечивать напряжение на инвертирующем входе также равное нулю. Схема инвертирующего усилителя изображена ниже

Схема инвертирующего усилителя.

Работа схемы объясняется следующим образом. Ток протекающий через инвертирующий вывод в идеальном ОУ равен нулю, поэтому токи протекающие через резисторы R1 и R2 равны между собой и противоположны по направлению, тогда основное соотношение будет иметь вид

Тогда коэффициент усиление данной схемы будет равен

Знак минус в данной формуле указывает на то, что сигнал на выходе схемы инвертирован по отношению к входному сигналу.

Интегратор

Интегратор позволяет реализовать схему, в которой изменение выходного напряжения пропорционально входному сигналу. Схема простейшего интегратора на ОУ показана ниже

Интегратор на операционном усилителе.

Данная схема реализует операцию интегрирования над входным сигналом. Я уже рассматривал схемы интегрирования различных сигналов при помощи интегрирующих RC и RL цепочек. Интегратор реализует аналогичное изменение входного сигнала, однако он имеет ряд преимуществ по сравнению с интегрирующими цепочками. Во-первых, RC и RL цепочки значительно ослабляют входной сигнал, а во-вторых, имеют высокое выходное сопротивление.

Таким образом, основные расчётные соотношения интегратора аналогичны интегрирующим RC и RL цепочкам, а выходное напряжение составит

Интеграторы нашли широкое применение во многих аналоговых устройствах, таких как активные фильтры и системы автоматического регулирования

Дифференциатор

Дифференциатор по своему действию противоположен работе интегратора, то есть выходной сигнал пропорционален скорости изменения входного сигнала. Схема простейшего дифференциатора показана ниже

Дифференциатор на операционном усилителе.

Дифференциатор реализует операцию дифференцирование над входным сигналом и аналогичен действию дифференцирующих RC и RL цепочек, кроме того имеет лучшие параметры по сравнению с RC и RL цепочками: практически не ослабляет входной сигнал и обладает значительно меньшим выходным сопротивлением. Основные расчётные соотношения и реакция на различные импульсы аналогична дифференцирующим цепочкам.

Выходное напряжение составит

Логарифмирующий преобразователь

Одной из схем на операционном усилителе, которые нашли применение, является логарифмирующий преобразователь. В данном схеме используется свойство диода или биполярного транзистора. Схема простейшего логарифмического преобразователя представлена ниже

Логарифмирующий преобразователь.

Данная схема находит применение, прежде всего в качестве компрессора сигналов для увеличения динамического диапазона, а так же для выполнения математических функций.

Рассмотрим принцип работы логарифмического преобразователя. Как известно ток, протекающий через диод, описывается следующим выражением

где I_O – обратный ток диода,
е – число е, основание натурального логарифма, e ≈ 2,72,
q – заряд электрона,
U – напряжение на диоде,
k – постоянная Больцмана,
T – температура в градусах Кельвина.

При расчётах можно принимать I_O ≈ 10-9 А, kT/q = 25 мВ. Таким образом, входной ток данной схемы составит

тогда выходное напряжение

Простейший логарифмический преобразователь практически не используется, так как имеет ряд серьёзных недостатков:

1. Высокая чувствительность к температуре.
2. Диод не обеспечивает достаточной точности преобразования, так как зависимость между падением напряжения и током диода не совсем логарифмическая.

Вследствие этого вместо диодов применяют транзисторы в диодном включении или с заземлённой базой.

Экспоненциальный преобразователь

Схема экспоненциального преобразователь получается из логарифмического преобразователя путём перемены места диода и резистора в схеме. А работа такой схемы так же как и логарифмического преобразователя основана на логарифмической зависимости между падение напряжения на диоде и током протекающим через диод. Схема экспоненциального преобразователя показана ниже

Экспоненциальный преобразователь.

Работа схемы описывается известными выражениями

Таким образом, выходное напряжение составит

Также как и логарифмический преобразователь, простейший экспоненциальный преобразователь с диодом на входе применяют редко, вследствие вышеописанных причин, поэтому вместо диодов на входе используют биполярные транзисторы в диодном включении или с общей базой.

Схемы включения операционных усилителей, описанные выше, не являются исчерпывающими, а лишь только призваны дать основные понятия. Более подробно схемы включения операционных усилителей я рассмотрю в следующих статьях. Всем удачи.

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

Инвертирующий усилитель на ОУ

Схема инвертирующего усилителя приведена на рис. 1.1. Нетрудно увидеть , что за счет резистора R2 в схеме обеспечивается глубокая отрицательная обратная связь. Обратная связь создает особый режим точки А схемы. Операционный усилитель всегда усиливает дифференциальное напряжение Uд , которое приложено непосредственно между инвертирующим и неинвертирующим входами. При этом
Любое изменение входного напряжения приведет к изменению напряжения на выходе, причем выходное напряжение будет изменяться до тех пор, пока за счет влияния отрицательной обратной связи потенциал точки А не станет равным
В современных ОУ , поэтому потенциал точки А можно считать равным нулю, т.е. она является потенциально заземленной (так называемый “виртуальный нуль”). Однако гальванически точка А отделена от “земли”, т.к. дифференциальное входное сопротивление ОУ можно считать равным бесконечности
Рисунок 1.1 – Инвертирующий усилитель на ОУ
Учитывая большой дифференциальный коэффициент усиления ОУ и свойства усилителя, охваченного глубокой отрицательной обратной связью, можно предположить, что коэффициент усиления инвертирующего усилителя будет определяться только параметрами цепи обратной связи. Действительно, если принять и пренебречь входными токами смещения, то для точки А по закону Кирхгофа
В свою очередь
С учетом этого можно получить
откуда коэффициент усиления инвертирующего усилителя
Знак минус перед правой частью означает, что выход инвертирован.

Входные токи смещения ОУ чрезвычайно малы, однако при усилении сигналов низкого уровня, к которым относятся и биомедицинские сигналы, токи смещения могут привести к появлению погрешности усиления. Для повышения точности усилителя целесообразно в цепь неинвертирующего входа включать резистор, как показано на рис. 1.2.

Рисунок 1.2
Наличие резисторов одинаковой величины на инвертирующем и неинвертирующем входах при протекании токов смещения вызывает одинаковое падение напряжения, т.е. дифференциальный входной сигнал будет равен нулю. Кроме того, для уменьшения влияния тока смещения сопротивление R2 выбирать не более нескольких сотен килоОм.

Входное сопротивление инвертирующего усилителя (рис. 1.1) равно R1, так как благодаря обратной связи потенциал точки А приблизительно равен нулю . Поэтому сопротивление R1 должно выбираться так, чтобы не нагружать источник входного сигнала, а R2 должно быть достаточно большим, чтобы не нагружать выходную цепь операционного усилителя.

Что такое операционный усилитель?

Операционный усилитель или операционный усилитель – это просто линейная интегральная схема (ИС) с несколькими выводами. Операционный усилитель можно рассматривать как устройство усиления напряжения, которое предназначено для использования с компонентами внешней обратной связи, такими как резисторы и конденсаторы, между его выходными и входными клеммами. Это электронный усилитель напряжения с высоким коэффициентом усиления с дифференциальным входом и обычно несимметричным выходом. Операционные усилители являются одними из наиболее широко используемых электронных устройств сегодня, поскольку они используются в большом количестве потребительских, промышленных и научных устройств.

Краткая история

• В 1947 году Джон Р. Рагаццини из Колумбийского университета разработал первый операционный усилитель на основе вакуумных трубок.
• С появлением кремниевых транзисторов концепция ИС стала реальностью. В начале 1960-х годов Роберт Дж. Уайлдар из Fairchild Semiconductor изготовил операционный усилитель μA702.
• В 1968 году был выпущен μA741, что привело к его широкому производству.

Современные операционные усилители доступны в:

1. Металлическая банка в упаковке (ТО) с 8 выводами
2. Пакет с двойным входом (DIP) с 8/14 контактами
3. Плоская упаковка из плоской упаковки с 10/14 контактами

Строительство

Внутренняя схема типичного операционного усилителя выглядит так:

Операционный усилитель (схема операционного усилителя)

Клемма со знаком (-) называется инвертирующей входной клеммой, а клемма со знаком (+) называется неинвертирующей входной клеммой.

Клеммы источника питания V + и V- подключены к положительной и отрицательной клеммам источника постоянного напряжения соответственно. Общий вывод V + и V- подключен к контрольной точке или земле, иначе удвоенное напряжение питания может повредить операционный усилитель.

Типы операционных усилителей

Операционный усилитель имеет бесчисленное множество применений и является основным строительным блоком линейных и нелинейных аналоговых систем. Некоторые из типов операционных усилителей включают:

• Дифференциальный усилитель, представляющий собой схему, усиливающую разницу между двумя сигналами.
• Инструментальный усилитель, который обычно состоит из трех операционных усилителей и помогает усилить выходной сигнал преобразователя (состоящий из измеренных физических величин).
• Изолирующий усилитель, похожий на инструментальный усилитель, но имеющий устойчивость к синфазным напряжениям (которые разрушают обычный операционный усилитель).
• Усилитель с отрицательной обратной связью, который обычно состоит из одного или нескольких операционных усилителей и резистивной цепи обратной связи.
• Усилители мощности для усиления слабых сигналов, принимаемых от источника входного сигнала, такого как микрофон или антенна.

Операционный усилитель Работа

В идеале операционный усилитель усиливает только разницу в напряжении между ними, также называемую дифференциальным входным напряжением. Выходное напряжение операционного усилителя V _{на выходе} определяется уравнением:

В _выход = A _OL (V ₊ – V _– )

, где A _OL – коэффициент усиления усилителя без обратной связи.

В линейном операционном усилителе выходной сигнал представляет собой коэффициент усиления, известный как коэффициент усиления усилителя (A), умноженный на значение входного сигнала.

Параметры операционного усилителя Коэффициент усиления без обратной связи – это коэффициент усиления без положительной или отрицательной обратной связи. В идеале коэффициент усиления должен быть бесконечным, но типичные реальные значения находятся в диапазоне примерно от 20 000 до 200 000 Ом. Входное сопротивление – это отношение входного напряжения к входному току. Предполагается, что она бесконечна, чтобы предотвратить протекание тока от источника к усилителям. Предполагается, что выходной импеданс идеального операционного усилителя равен нулю.Этот импеданс включен последовательно с нагрузкой, тем самым увеличивая выходную мощность, доступную для нагрузки. Полоса пропускания идеального операционного усилителя бесконечна и может усилить сигнал любой частоты от постоянного до самых высоких частот переменного тока. Однако типичная полоса пропускания ограничена произведением коэффициента усиления на полосу пропускания, которое равно частоте, на которой коэффициент усиления усилителя становится равным единице. Идеальный выход усилителя равен нулю, когда разность напряжений между инвертирующим и неинвертирующим входами равна нулю. Реальные усилители действительно демонстрируют небольшое выходное напряжение смещения.

Некоторые другие важные электрические параметры, которые следует учитывать:

• Входное напряжение смещения: Это напряжение, которое должно быть приложено между входными клеммами операционного усилителя для обнуления выходного сигнала.
• Входной ток смещения: Это алгебраическая разница между токами на (-) входе и (+) входе.
• Входной ток смещения: Это среднее значение токов, поступающих на входные (-) и (+) входные клеммы операционного усилителя.
• Входное сопротивление: Это дифференциальное входное сопротивление, которое видно на любой из входных клемм, когда другая клемма подключена к земле.
• Входная емкость: Это эквивалентная емкость, которую можно измерить на одном из входных выводов, когда другой вывод подключен к земле.
• Скорость нарастания: Определяется как максимальная скорость изменения выходного напряжения, вызванная ступенчатым входным напряжением. Скорость нарастания увеличивается с увеличением коэффициента усиления с обратной связью и напряжения питания постоянного тока.Это также функция температуры и обычно уменьшается с повышением температуры.

Примечание: – Хотя идеальный операционный усилитель не потребляет ток от источника и его характеристика не зависит от температуры, настоящий операционный усилитель не работает таким образом.

Операционный усилитель реагирует только на разницу между двумя напряжениями независимо от индивидуальных значений на входах. Внешние резисторы или конденсаторы часто подключаются к операционному усилителю различными способами для формирования основных схем, включая усилители инвертирующего, неинвертирующего, повторителя напряжения, суммирующего, дифференциального, интегратора и дифференциального типа.Операционный усилитель легко доступен в корпусе ИС, наиболее распространенным из которых является μA-741.

Обычный операционный усилитель IC

Приложения для операционных усилителей

Операционный усилитель имеет бесчисленное множество применений и является основным строительным блоком линейных и нелинейных аналоговых систем.

В линейных схемах выходной сигнал изменяется линейно вместе с входным сигналом. Вот некоторые из линейных приложений:

1. Сумматор
2. Вытяжной агрегат
3. Преобразователь напряжения в ток (усилитель крутизны)
4. Преобразователь тока в напряжение (усилитель сопротивления)
5. Инструментальный усилитель
6. Усилитель мощности

Еще один класс схем с сильно нелинейными характеристиками ввода-вывода:

1. Выпрямитель
2. Детектор пиковых значений
3. Машинка для стрижки
4. Зажим
5. Цепь выборки и хранения
6. Усилитель логарифмический и антилогарифмический
7. Умножитель и делитель
8. Компаратор

Благодаря операционным усилителям и связанным с ними схемам они стали неотъемлемой частью звуковых усилителей, генераторов сигналов, регуляторов напряжения, активных фильтров, таймеров 555, аналого-цифровых и цифро-аналоговых преобразователей.

Операционные усилители (операционные усилители) | Analog Devices

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

Принять и продолжить Принять и продолжить

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

Строго необходимые файлы cookie:

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

Аналитические / рабочие файлы cookie:

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

Функциональные файлы cookie:

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

Целевые / профилирующие файлы cookie:

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

Отклонить файлы cookie

The Ideal Op-Amp (Operational Amplifier) ​​

Ultimate Electronics: Практическое проектирование и анализ схем

---

Идеальная модель операционного усилителя является ключевым строительным блоком при разработке аналоговых фильтров, усилителей, генераторов, источников и многого другого.Читать 13 мин

Операционные усилители, обычно сокращаемые до «операционных усилителей», являются важным строительным блоком аналоговых электронных систем. В различных конфигурациях с несколькими другими компонентами операционные усилители могут использоваться для обработки и управления аналоговым сигналом напряжения множеством различных способов. Сюда входят многие виды фильтров (низкочастотный, высокочастотный, полосовой, интегратор, дифференциатор), усилители (буферные, инвертирующие, неинвертирующие, дифференциальные, суммирующие, измерительные), генераторы, компараторы, источники (напряжение, ток ), преобразователи (напряжение-ток, ток-напряжение) и даже некоторые нелинейные приложения.

Эти приложения чрезвычайно полезны, и мы рассмотрим каждое из них по отдельности в следующих разделах, но сначала давайте разберемся с идеальным операционным усилителем самостоятельно.

---

Сегодня операционный усилитель – это интегральная схема (ИС), содержащая несколько десятков отдельных транзисторов и пассивных компонентов. Исторически, до эпохи ИС (1960-1970-е годы) большинство усилителей или каскадов обработки аналоговых сигналов были специально разработаны для конкретного применения, чтобы избежать относительно высокой сложности и стоимости операционного усилителя.Но теперь, когда операционные усилители на ИС имеют всего несколько выводов и стоят всего несколько копеек, обычно имеет смысл воспользоваться их огромным потенциалом для упрощения аналоговых схем.

Большинство операционных усилителей стремятся работать как идеальный операционный усилитель , теоретическая модель, которая хорошо работает при моделировании и позволяет легко решать схемы вручную. В результате большинство разработчиков и аналитиков рассматривают операционный усилитель как идеальный, и с этого мы начнем.

Позже мы обсудим, как эта идеальность нарушается в реальных неидеальных операционных усилителях.Эти ограничения имеют решающее значение для понимания того, когда вы можете приблизить свой анализ к идеальному операционному усилителю, а когда нет. Они также могут помочь вам выбрать правильный операционный усилитель для реализации вашего дизайна.

---

Идеальный операционный усилитель – это усилитель напряжения с двумя входами и одним выходом:

Два входа называются неинвертирующим входом (+) и инвертирующим входом (-) .

Внимательно следите за знаками + и – внутри треугольника! Операционный усилитель обычно рисуется в любом направлении, со знаком + сверху или снизу, в зависимости от того, что упрощает рисование остальной части схемы.(В CircuitLab выберите операционный усилитель и нажмите «V», чтобы перевернуть символ по вертикали.) Если вы случайно поменяете местами два входа, ваш дизайн не будет работать ни на бумаге, ни в реальном мире!

Концептуально идеальный операционный усилитель вычитает два входа, а затем умножает эту разницу на огромное число, называемое усилением разомкнутого контура AOL :

Vвых. = AOL (V + -V-)

В качестве шагов обработки сигнала это вычитание и умножение выглядит так:

В качестве альтернативы, идеальный операционный усилитель можно смоделировать как источник напряжения с регулируемым напряжением (VCVS):

Если вы присмотритесь, модель VCVS выше поднимает новый вопрос: почему внутри операционного усилителя внезапно появилась земля? Поскольку напряжения всегда относительны, это означает, что Voffset = 0 в более полном и правильном уравнении:

(Vout − Voffset) = AOL (V + −V-) Vout = AOL (V + −V -) + Voffset

Если мы возьмем операционный усилитель и закоротим входные клеммы так, чтобы V + −V- = 0 , на выходе будет Vout = Voffset .В реальном мире, в реальном операционном усилителе с закороченными входами, на выходе не обязательно будет какое-то конкретное напряжение, и какое бы оно ни было напряжение, оно обязательно будет относительно того, что мы измеряем. Однако при анализе идеальной схемы операционного усилителя мы обычно предполагаем Voffset = 0 в качестве упрощающего предположения, потому что либо:

• Операционный усилитель используется в конфигурации с обратной связью с обратной связью , где статическое смещение становится несущественным после применения правил обратной связи (особенно с учетом того, что коэффициент усиления AOL такой большой), или
• Операционный усилитель используется в разомкнутой конфигурации без обратной связи, и в этом случае мы в любом случае быстро доводим выход до нелинейного, неидеального поведения.

Насколько велик выигрыш? В реальных неидеальных операционных усилителях типичные значения коэффициента усиления разомкнутого контура составляют от сотен тысяч до десятков миллионов:

AOL, неидеальный, тип = 105-107

Это действительно здорово! Разница в милливольтах на входах становится на выходе сотнями или тысячами вольт! Он настолько велик, что при анализе операционного усилителя идеального мы делаем еще одно упрощающее предположение, принимая предел, предполагающий, что коэффициент усиления стремится к бесконечности:

Vout = AOL (V + −V-) AOL, идеальный → ∞

Это алгебраическая модель идеального операционного усилителя : она вычитает напряжение на инвертирующем входе из неинвертирующего входа, а затем умножает разницу на очень большой коэффициент усиления, приближающийся к бесконечности.

Даже в реальных операционных усилителях таблица данных часто гарантирует только минимальное усиление при разомкнутом контуре , но не максимальное. Вы не можете и не должны разрабатывать схему, полагаясь на точное значение коэффициента усиления без обратной связи операционного усилителя.

Трудно думать о бесконечности! Один полезный умственный трюк – приостановить время и представить, что происходит в динамике: вместо того, чтобы сразу прыгать в бесконечность, представьте, что при небольшой разнице входных сигналов выходное напряжение идеального операционного усилителя просто начинает расти, расти, приближаться к бесконечности! Позже мы представим различные конфигурации обратной связи с обратной связью, и вы увидите, что это быстрое повышение выходного напряжения в конечном итоге возвращается, чтобы повлиять на один или оба входа одного и того же операционного усилителя, так что не беспокойтесь: бесконечность долго не протянет.

С бесконечностями тоже может быть сложно справиться с алгеброй. Предлагается оставить AOL на месте в качестве переменной, и только в конце возьмем предел AOL → ∞ .

---

Идеальный операционный усилитель непрерывно измеряет напряжения на входах и регулирует выходное напряжение:

• Если на неинвертирующем (+) входе напряжение на выше, чем на инвертирующем (-) входе, то операционный усилитель на увеличит свое выходное напряжение на .
• Если на неинвертирующем (+) входе напряжение на ниже, чем на входе инвертирующего (-), то операционный усилитель на уменьшит свое выходное напряжение на .

В форме уравнения:

Vout увеличивается, если V +> V-Vout уменьшается, если V +

Если обратная связь присутствует и в правильном направлении, то операционный усилитель будет постоянно корректировать свое выходное напряжение до тех пор, пока два входных напряжения не станут одинаковыми.

---

Есть ряд других предположений, которые инженеры делают об идеальных операционных усилителях. Все эти предположения будут нарушены для реальных (неидеальных) операционных усилителей, поэтому следите за тем, как они могут повлиять на вашу схему.

Узнав об этих предположениях об идеальности, мы можем решить, когда мы можем спроектировать схему, предполагая, что операционный усилитель идеален (и, следовательно, его гораздо легче анализировать), и когда эта упрощенная модель может вступить в противоречие с реальностью. Мы рассмотрим эти проблемы более подробно в следующих разделах.

Никакой ток не может течь на входные клеммы идеального операционного усилителя или из них. Входные клеммы могут измерять только свое напряжение. От Thevenin Equivalent Circuits можно сказать, что входной импеданс на входных клеммах бесконечен: Zin = ∞

Выход идеального операционного усилителя может удерживать Vout и подавать любое количество тока, входящего или выходящего, без изменения напряжения.В эквивалентной модели Тевенина, если смотреть на выходной терминал (и землю), он выглядит как источник напряжения с нулевым сопротивлением – следовательно, с нулевым выходным сопротивлением: Zout = 0

В идеальных операционных усилителях предполагается, что неинвертирующие и инвертирующие входы идеально сбалансированы, так что Vout = AOL (V + −V-) . В реальном мире из-за производственных процессов существует некоторое входное напряжение смещения, такое что Vout = AOL (V + −V- + Vinput offset) . Вы можете думать об этом концептуально, просто добавив небольшой источник напряжения последовательно с одним из входов.Если точность постоянного тока имеет значение, это входное смещение (даже всего несколько милливольт!) Может иметь большое значение, особенно потому, что оно может дрейфовать во время работы схемы. Но в идеальном операционном усилителе мы предполагаем: смещение Vinput = 0

На схематическом изображении идеального операционного усилителя отсутствуют подключения к источнику питания, но настоящий операционный усилитель должен откуда-то получать питание и подавать питание на схему. В таблице это начинается с тока покоя операционного усилителя IQ. . (См. Раздел «Питание» для обсуждения учета мощности и энергии в цепях.В идеальных операционных усилителях мы рассматриваем это как VCVS: это активный источник, который может подавать питание на схему.

Скорость, с которой операционный усилитель может изменять свое выходное напряжение, называется скоростью нарастания . В реальных операционных усилителях существует предел скорости роста или падения выходной мощности, измеряемый в Vs. . (Это похоже на мысленный трюк с размышлениями о бесконечном усилении разомкнутого контура, о котором говорилось выше.) В идеальных операционных усилителях мы допускаем бесконечную скорость нарастания напряжения: выходной сигнал может двигаться бесконечно быстро.

В дополнение к пределу скорости нарастания напряжения (который является нелинейным пределом), существует также ограничение полосы пропускания в реальных операционных усилителях: они не реагируют на все частоты.Реальные операционные усилители имеют коэффициент усиления без обратной связи, который является функцией частоты, AOL (f). , а на высоких частотах он уменьшается. В частности, произведение коэффициента усиления на полосу пропускания (GBW) – это частота, на которой коэффициент усиления разомкнутого контура операционного усилителя падает до 1. Примечательно, что коэффициент усиления начинает падать задолго до этой частоты. Но в идеальных операционных усилителях мы предполагаем, что коэффициент усиления разомкнутого контура постоянный и большой (приближающийся к бесконечности) для всех частот.

Как подробно обсуждалось выше, мы предполагаем, что идеальные операционные усилители имеют коэффициент усиления, приближающийся к бесконечности.Реальные операционные усилители имеют конечное усиление без обратной связи, что может ограничивать степень усиления, которую мы можем получить от одного каскада операционного усилителя.

В идеальных операционных усилителях мы предполагаем, что если мы удвоим разницу входного напряжения, мы удвоим выходное напряжение. Настоящие операционные усилители состоят из нелинейных компонентов, и это неверно. Однако, поскольку операционные усилители используются в конфигурациях с обратной связью с обратной связью, обратная связь сохраняет разницу входного напряжения чрезвычайно малой, в пределах диапазона, в котором мы действительно наблюдаем в основном линейное поведение.Можно с уверенностью предположить линейность в идеальном операционном усилителе.

Идеальный операционный усилитель может иметь входы любого значения; имеет значение только их различие. Но в реальном операционном усилителе будут ограничения на допустимые входные напряжения, чтобы предотвратить повреждение входных транзисторов. Вычитание не будет работать должным образом, если ваши входные данные превышают эти пределы, и ваша схема не будет работать должным образом. (Более тонко, вы получите нелинейные искажения до того, как достигнете жестких пределов.) В большинстве случаев пределы соответствуют положительному и отрицательному напряжению источника питания, но вы должны проверить данные, чтобы быть уверенным.

Идеальный операционный усилитель может выдавать любое напряжение. Но в реальном операционном усилителе вы ограничены тем, что могут обеспечить выходные транзисторы. Эти пределы обычно соответствуют положительному и отрицательному напряжению источника питания, но вам следует проверить таблицу данных.

Идеальный операционный усилитель реагирует только на изменение напряжения на неинвертирующих и инвертирующих входных контактах. Но настоящий операционный усилитель может «просачивать» некоторые отклонения от контактов источника питания на выход. (Это зафиксировано как спецификация коэффициента отклонения источника питания [PSRR] в таблице данных.) Это позволяет источнику питания с помехами испортить сигнал.

Идеальный операционный усилитель не добавляет шума к сигналу. Но в реальном операционном усилителе шум добавляется и, возможно, даже усиливается.

---

Идеальный операционный усилитель – это просто фантастика! К сожалению, все они распроданы. Настоящие операционные усилители на ИС, которые вы можете купить, не идеальны во всех описанных выше способах, и производители полупроводников должны идти на собственные уступки, чтобы достичь своих целевых характеристик и ценовой категории.

В результате, если проблема аналогового проектирования, которую вы пытаетесь решить, особенно сложна в любом направлении, вы можете не захотеть использовать операционный усилитель.Например, если вам нужно разработать каскад усилителя с абсолютно высокими частотными характеристиками или с абсолютно низким энергопотреблением, вы, вероятно, не собираетесь использовать операционный усилитель.

К счастью, в продаже есть тысячи различных моделей операционных усилителей, и все они делают разные компромиссы между этими неидеальными идеалами. Во многих случаях, понимая свою дизайнерскую проблему и то, как она соотносится с этими неидеальностями, вы сможете найти тот, который отвечает вашим потребностям прямо из коробки!

---

Часто бывает полезно ослабить допущение о «неограниченном диапазоне выходного напряжения», приведенное выше, и вместо этого смоделировать идеальный операционный усилитель с шинами напряжения , где выходной сигнал должен находиться в пределах указанного диапазона.

Полезно запустить симуляцию DC Sweep, чтобы увидеть, как выглядит выходной сигнал идеального операционного усилителя с разомкнутым контуром, с шинами напряжения и без них. Две выходные кривые перекрываются посередине, если не превышены пределы. Но с шинами напряжения линия В (Output_with) обрезается, чтобы стать плоской и горизонтальной после превышения пределов:

Exercise Щелкните, чтобы открыть и смоделировать приведенную выше схему, и посмотрите, как один выход кажется ограниченным при изменении входа.

(Обратите внимание, что для многих реальных операционных усилителей его выход не может полностью качаться до положительной шины питания и не может полностью опускаться до отрицательной шины.)

Теперь, когда у нас есть идеальный операционный усилитель с шинами напряжения, мы можем использовать его в качестве компаратора напряжения без обратной связи. Бесконечное усиление идеального операционного усилителя на превосходит за счет ограничений по выходному напряжению, так что фактически:

Vout = Vlimit, pos для V +> V- + ϵVout = Vlimit, negfor V +

для очень маленьких ϵ .

Это можно продемонстрировать, подключив два генератора синусоидальных функций с разными частотами к двум входам операционного усилителя:

Exercise Щелкните, чтобы открыть и смоделировать схему выше. Посмотрите, как выходной сигнал достигает крайних значений при пересечении входов.

В реальном мире операционный усилитель не является отличным аналоговым компаратором напряжения: есть гораздо лучшие специализированные детали. Однако это одно из немногих применений операционных усилителей без обратной связи, поэтому вы можете создать и протестировать его в своей лаборатории.

---

Полезно моделировать схемы операционного усилителя в области Лапласа, потому что мы можем решать системы обратной связи алгебраически. В частности, полезная модель для идеального операционного усилителя предполагает наличие конечного коэффициента усиления без обратной связи AOL. :

Еще более полезная модель включает в себя конечное произведение коэффициента усиления на полосу пропускания GBW. . Это моделируется как имеющий конечный коэффициент усиления AOL. на постоянном токе с однополюсным фильтром нижних частот с угловой частотой fc = GBWAOL . ФНЧ имеет передаточную функцию Glpf (s) = 11 + sω. , где ω = 2πfc .Сочетание усиления и низких частот дает:

G (s) = AOL1 + s (AOL2πGBW)

и может быть реализован в CircuitLab, как показано:

Мы будем использовать эту модель в следующих разделах приложения для алгебраического решения примеров обратной связи с обратной связью.

---

Насколько полезно иметь усилитель с действительно огромным (в идеале бесконечным!) Усилением? Само по себе не так уж и много. В этом разделе мы исследовали поведение разомкнутого контура, и наиболее полезным результатом является посредственный аналоговый компаратор напряжения.

Но как только мы построим схему вокруг идеального операционного усилителя, мы сможем «замкнуть контур» и приручить дико огромное усиление во что-то, что мы можем разработать и контролировать с помощью обратной связи с обратной связью . Оказывается, наличие компонента вычитания и умножения на бесконечность является почти магически полезным строительным блоком для широкого спектра потребностей обработки аналоговых сигналов. Мы рассмотрим их в следующих нескольких разделах, начиная с одного из самых простых: буфера напряжения операционного усилителя.

---

Роббинс, Майкл Ф. Ultimate Electronics: Практическое проектирование и анализ схем. CircuitLab, Inc., 2020, ultimateelectronicsbook.com. Доступно. (Авторское право © 2020 CircuitLab, Inc.)

Как работают операционные усилители?

Загрузите эту статью в формате PDF.

Что вы узнаете:

• Возбудитель акустического шума класса II MLCC.
• Какие основные элементы способствуют возникновению проблемы шума?
• «Специализированный» вариант для получения MLCC с низким уровнем акустического шума.

Скорость системы на всех платформах продолжает расти. Ожидается, что смартфону 5G потребуется более 30% общей емкости по сравнению с эквивалентом 4G – рост, аналогичный тому, что происходит с другими приложениями в отрасли. В результате многослойные керамические конденсаторы (MLCC) стали более популярными, чем когда-либо, во многих типах конструкций.

В связи с этим неизбежным всплеском использования MLCC, акустический шумовой эффект MLCC стал более заметным в последнее время.Особенно для потребительских устройств, таких как ноутбуки и сотовые телефоны, которые часто используются в тихой обстановке, акустический шум MLCC от этих продуктов создает впечатление низкого качества продукта и, таким образом, совершенно неприемлем для конечных пользователей. В этой статье будут представлены практические стратегии проектирования, позволяющие обойти этот эффект, а также представлены некоторые коммерчески доступные решения MLCC с низким уровнем шума.

Что вызывает акустический шум MLCC?

Прежде чем мы углубимся в решения, давайте посмотрим на источник проблемы.Эффект акустического шума MLCC наблюдается только в MLCC класса II (обычно с рейтингом X5R, X6S или X7 *), где диэлектрический материал обычно состоит из титаната бария (BaTiO ₃ ).

В то время как BaTiO ₃ обладает характеристикой высокой диэлектрической проницаемости (k), что делает возможными MLCC малой и высокой емкости, он, к сожалению, также обладает пьезоэлектрическим эффектом. (Когда температура BaTiO ₃ ниже температуры Кюри 125 ° C, кристаллическая структура этого материала становится тетрагональной; спонтанная поляризация смещенного от центра иона Ti вызывает пьезоэлектрический эффект BaTiO ₃ .)

В результате, когда синусоидальные сигналы проходят через этот тип MLCC, пьезоэлектрический эффект заставляет MLCC начать вибрировать. Впоследствии такая вибрация передается на печатную плату через галтели припоя на обоих выводах MLCC. Если интенсивность вибрации достаточно велика и находится в пределах слышимого человеком диапазона частот от 20 Гц до 20 кГц, можно услышать гудящий «акустический шум» (рис. 1) .

1. MLCC, используемые в линиях электропередачи печатной платы, приводят к вибрации, и «акустический шум» может быть слышен, когда вибрация печатной платы находится в пределах слышимого человеком диапазона частот от 20 Гц до 20 кГц.

Понимая механизм генерации акустического шума MLCC, мы теперь можем исследовать три критических части внутри этой проблемы: MLCC, печатную плату и галтель припоя.

The Three Acoustic-Noise Culprits

MLCC

Генерация акустического шума на уровне конденсатора определяется структурой и составом MLCC. Если мы сравним две разные части MLCC с одинаковым размером корпуса, то у той, что имеет меньшую емкость, будет больше акустического шума (рис.2) . Причина такого поведения заключается в том, что более высокая емкость снижает пульсации напряжения со временем (dV / dt), а при пьезоэлектрическом эффекте меньшее dV / dt просто означает меньшее физическое смещение или меньшую интенсивность вибрации.

2. Когда емкость MLCC увеличивается в пределах того же размера корпуса, пульсации напряжения падают, снижая уровень акустического шума.

Таким образом, одним из возможных способов уменьшения акустического шума является выбор MLCC с большей емкостью, доступного в том же размере корпуса.Точно так же уменьшение емкости из-за увеличения смещения постоянного тока также увеличивает dV / dt. Таким образом, для того же самого MLCC, работа с более низким смещением постоянного тока или выбор части с меньшим эффектом смещения постоянного тока предпочтительнее для снижения акустического шума.

Еще одним фактором, который также влияет на генерацию акустического шума, является диэлектрическая проницаемость (k) BaTiO ₃ . Как правило, k пропорционален интенсивности пьезоэлектрического эффекта, поэтому MLCC с более высоким k более подвержен акустическому шумовому эффекту, чем с более низким k.Однако диэлектрическая проницаемость конкретного основного материала MLCC обычно не раскрывается от поставщиков MLCC. Итак, как показывает практика, детали из MLCC большего размера корпуса (например, 3216 или 3225) обычно имеют меньшее k материалов, чем те же емкости, но в корпусе меньшего размера.

PCB

Печатная плата (PCB) играет не менее важную роль в создании акустического шума. Было обнаружено, что наиболее эффективная конфигурация компоновки печатной платы с шумоподавлением – это установка одного и того же типа MLCC в одном месте с обеих сторон печатной платы (рис.3) . Это связано с тем, что режимы вибрации с обеих сторон по существу компенсируют друг друга, тем самым снижая общую вибрацию печатной платы.

3. Установка MLCC в одном месте с обеих сторон печатной платы снижает акустический шум.

Хотя все приведенные выше предложения являются допустимыми методами снижения эффекта акустического шума MLCC, иногда они могут оказаться не столь полезными, поскольку определенные конструктивные ограничения ограничивают выбор значений емкости или размеров. Кроме того, не всегда возможно реализовать двусторонний SMT во многих конструкциях.К счастью, есть более эффективные и практичные способы помочь.

Паяные филе

Если мы просканируем форму деформации MLCC с помощью лазерного доплеровского виброметра, когда конденсатор подвергается синусоидальному сигналу, амплитуда колебаний максимизируется в средней плоскости заделки MLCC, горизонтально по отношению к слоям диэлектрика. ( Рис.4) . Впоследствии энергия колебаний передается на печатную плату через галтели припоя на концах на обоих концах MLCC.Итак, если у нас есть возможность установить MLCC-крепление с диэлектрическими слоями, параллельными плоскости печатной платы, так называемый «горизонтальный монтаж», и в то же время нанести минимальное количество припоя (снова рис. 4) , мы Существенно исключен путь передачи энергии вибрации.

4. Амплитуда колебаний максимальна в средней плоскости заделки MLCC, горизонтально по отношению к слоям диэлектрика.

Горизонтальный монтаж MLCC является предпочтительным, потому что с небольшой конструкцией припоя с галтелем можно избежать передачи большей части энергии вибрации на печатную плату.Однако при вертикальной установке MLCC невозможно выйти из плоскости вибрации с максимальным смещением вибрации. Это потому, что эта плоскость всегда перпендикулярна галтели припоя, независимо от того, насколько маленьким он является. Таким образом, горизонтально установленный MLCC является предпочтительным с точки зрения снижения акустического шума.

Хотя горизонтально установленные MLCC обычно обеспечивают более низкий акустический шум, тем не менее интересно отметить, что это не тот случай, когда имеется большое количество припоя (рис.5) . Когда высота галтели припоя выше средней точки заделки, вертикально установленный MLCC фактически обеспечивает более низкий эффект акустического шума. Это связано с тем, что, когда кромка припоя находится выше средней точки заделки, большая часть энергии вибрационного смещения может передаваться печатной плате, если MLCC установлен горизонтально. В то время как при вертикальной установке передается относительно меньшая часть этой энергии.

5. Конфигурация, обеспечивающая наименьший акустический шум, – это горизонтально установленный MLCC с небольшой кромкой припоя.

На этом этапе мы узнали, что наиболее эффективным способом снижения акустического шума является установка MLCC горизонтально с нанесением минимального количества припоя. В настоящее время горизонтально установленные MLCC доступны у поставщиков MLCC за счет использования специального процесса сортировки перед намоткой на ленту, чтобы гарантировать, что все MLCC имеют диэлектрические слои, параллельные печатной плате во время SMT. (Ориентация MLCC общего назначения не контролируется во время процесса катушки с лентой; кроме того, невозможно определить ориентацию MLCC по ее внешнему виду после катушки с лентой и катушкой, потому что выводы имеют квадратную форму.С другой стороны, применение меньшего диаметра припоя представляет собой гораздо более сложную практику из-за ограничений технических возможностей SMT и потенциальных проблем с надежностью.

Специализированная опция

Что делать, если все вышеупомянутые советы по проектированию не дают приемлемого результата или если существуют конструктивные ограничения, не позволяющие инженерам использовать какие-либо стратегии? Узнав о происхождении и приемах снижения акустического шума, теперь мы можем ввести специальный «MLCC с низким уровнем акустического шума», чтобы помочь в решении этой проблемы.

Основная концепция конструкции всех MLCC с низким уровнем акустического шума состоит в том, чтобы минимизировать передачу энергии вибрации на печатную плату через галтель припоя. Поскольку наибольшее вибрационное смещение происходит в средней плоскости корпуса MLCC, низкоакустические части MLCC просто добавляют дополнительную физическую структуру под «традиционным» корпусом MLCC – диэлектрические и металлические слои – для поднятия этой плоскости и, таким образом, минимизации такой передачи энергии через припой (рис.6) .

6.Существует два разных типа MLCC с низким уровнем акустического шума. Первый тип имеет более толстый нижний диэлектрический слой (например, серия Samsung THMC), а второй тип имеет отдельную физическую структуру под ним (например, серия Samsung ANSC-A или ANSC-B). Разделительная структура серии ANSC-A представляет собой подложку из оксида алюминия, в то время как разделительная структура серии ANSC-B представляет собой кусок металлической пластины, прикрепленной к каждому окончанию.

Низкоакустические MLCC, отличающиеся структурой этой дополнительной физической структуры, обычно можно разделить на два типа.Первый тип – это утолщение диэлектрического слоя на дне типичного корпуса конденсатора (например, серии THMC от Samsung), а второй тип – прикрепление отдельной физической структуры, изготовленной из другого материала, например, подложки из оксида алюминия (например, Samsung ANSC-A) или металлической пластиной (например, Samsung серии ANSC-B) на стандартный MLCC (рис. 7) .

7. Характеристики снижения шума у ​​MLCC типа ANSC выше, чем у типа THMC.

Обе эти конструкции значительно снижают шумовой эффект, но производительность второго типа намного выше, чем у первого типа.Причина в том, что отдельная структура второго типа может обеспечить гораздо более сильную изоляцию передачи энергии колебаний. Однако недостатком второго типа является то, что дополнительная толщина структуры может привести к тому, что MLCC будет иметь большую высоту, чем первый тип (при условии, что электрические характеристики MLCC такие же), и, таким образом, может быть проблемой для приложений с ограничениями по высоте.

В реальном мире самой сложной частью работы с акустическим шумом MLCC во время проектирования системы является то, что эффект не может быть легко смоделирован с помощью программного обеспечения.Это связано с тем, что образцы вибрации обычно включают множество взаимодействующих переменных, таких как расположение печатной платы, физическая структура системы и даже частота или сила фактического электрического сигнала.

Следовательно, в большинстве случаев проблемы акустического шума MLCC не обнаруживаются до этапов проверки или квалификации продукта, на которых обычно остается очень мало времени или гибкости для внесения существенных изменений в конструкцию. Будет очень полезно, если дизайнеры будут знакомы со всеми советами по снижению шума, чтобы при возникновении проблемы акустического шума было предложено больше вариантов.

Заключение

Прежде чем прибегать к MLCC с низким акустическим шумом, некоторые эффективные способы помочь с проблемой акустического шума включают замену MLCC на деталь с более высокой емкостью, снижение приложенного смещения постоянного тока, с использованием горизонтально установленного MLCC с небольшим припоем или, если возможно, установить эквивалентный MLCC на противоположной стороне.

В случаях, когда необходимо использовать MLCC с низким уровнем акустического шума, на рынке доступны несколько вариантов с разными характеристиками для разных сценариев.Полное понимание эффекта акустического шума MLCC поможет проектировщикам с минимальными затратами уменьшить эту обостряющую проблему.

Операционный усилитель или операционный усилитель | Принцип работы операционного усилителя или операционного усилителя

Операционный усилитель или Операционный усилитель – это усилитель постоянного напряжения с очень высоким коэффициентом усиления.

Операционный усилитель – это, по сути, многокаскадный усилитель, в котором несколько каскадов усилителя очень сложным образом соединены друг с другом.Его внутренняя схема состоит из множества транзисторов, полевых транзисторов и резисторов. Все это занимает очень мало места.
Итак, он упакован в небольшую упаковку и доступен в виде интегральной схемы (ИС). Термин Op Amp используется для обозначения усилителя, который можно настроить для выполнения различных операций, таких как усиление, вычитание, дифференцирование, сложение, интегрирование и т. Д. Примером является очень популярная IC 741.

Символ и его фактический вид на форма IC показана ниже.Символ отображается в виде стрелки, означающей, что сигнал проходит от выхода к входу.

Входные и выходные клеммы операционного усилителя

Операционный усилитель имеет две входные клеммы и одну выходную клемму. Операционный усилитель также имеет две клеммы для подачи напряжения, как показано выше. Две входные клеммы образуют дифференциальный вход. Мы называем клемму, отмеченную отрицательным знаком (-), инвертирующей клеммой, а клемму, отмеченную положительным знаком (+), неинвертирующей клеммой операционного усилителя .Если мы подаем входной сигнал на инвертирующий вывод (-), то усиленный выходной сигнал будет сдвинут по фазе на 180 ^o относительно подаваемого входного сигнала. Если мы подадим входной сигнал на неинвертирующий вывод (+), то полученный выходной сигнал будет синфазным, то есть не будет иметь сдвига фазы относительно входного сигнала.

Источник питания для операционного усилителя

Как видно из символа схемы выше, он имеет две входные клеммы источника питания + V _CC и –V _CC .Для работы операционного усилителя необходим источник постоянного тока двойной полярности. В двухполюсном источнике питания мы подключаем + V _CC к положительному источнику постоянного тока, а клемму –V _CC – к отрицательному источнику постоянного тока. Однако некоторые операционные усилители также могут работать от источника питания с одной полярностью. Обратите внимание, что в операционных усилителях нет общей клеммы заземления, поэтому заземление необходимо устанавливать извне.

Принцип работы операционного усилителя

Работа операционного усилителя с разомкнутым контуром

Как сказано выше, операционный усилитель имеет дифференциальный вход и несимметричный выход.Таким образом, если мы подадим два сигнала, один на инвертирующий, а другой на неинвертирующий, идеальный операционный усилитель усилит разницу между двумя подаваемыми входными сигналами. Мы называем эту разницу между двумя входными сигналами дифференциальным входным напряжением. Приведенное ниже уравнение дает выходной сигнал операционного усилителя, где V _OUT – напряжение на выходе операционного усилителя. _OL – это коэффициент усиления без обратной связи для данного операционного усилителя, который является постоянным (в идеале). Для IC 741 A _OL – 2 x 10 ⁵ .
В ₁ – напряжение на неинвертирующей клемме.
В ₂ – напряжение на инвертирующем выводе.
(В ₁ – В ₂ ) – дифференциальное входное напряжение.
Из приведенного выше уравнения ясно, что выходной сигнал будет отличным от нуля тогда и только тогда, когда дифференциальное входное напряжение не равно нулю (V ₁ и V ₂ не равны), и будет нулевым, если оба V ₁ и V ₂ равны. Учтите, что это идеальное состояние, практически есть небольшие дисбалансы в операционном усилителе.Коэффициент усиления разомкнутого контура операционного усилителя очень высок. Следовательно, операционный усилитель без обратной связи усиливает небольшое приложенное дифференциальное входное напряжение до огромного значения.
Также верно, что если мы подаем небольшое дифференциальное входное напряжение, операционный усилитель усиливает его до значительного значения, но это значимое значение на выходе не может выходить за пределы напряжения питания операционного усилителя. Следовательно, это не нарушает закон сохранения энергии.

Работа с замкнутым контуром

Описанная выше операция операционного усилителя была для разомкнутого контура i.е. без обратной связи. Мы вводим обратную связь в конфигурации с обратной связью. Этот путь обратной связи подает выходной сигнал на вход. Следовательно, на входах одновременно присутствуют два сигнала. Один из них – исходный приложенный сигнал, а другой – сигнал обратной связи. В приведенном ниже уравнении показан выходной сигнал операционного усилителя с обратной связью. Где V _OUT – напряжение на выходном зажиме операционного усилителя. _CL – это усиление с обратной связью. Схема обратной связи, подключенная к операционному усилителю, определяет коэффициент усиления с обратной связью A _CL .V _D = (V ₁ – V ₂ ) – дифференциальное входное напряжение. Мы называем обратную связь положительной, если путь обратной связи передает сигнал с выходной клеммы обратно на неинвертирующую (+) клемму. Положительная обратная связь используется в генераторах. Обратная связь является отрицательной, если тракт обратной связи передает часть сигнала с выходной клеммы обратно на инвертирующую (-) клемму. Мы используем отрицательную обратную связь для операционных усилителей, используемых в качестве усилителей. У каждого типа обратной связи, отрицательной или положительной, есть свои преимущества и недостатки.

Положительная обратная связь ⇒ Осциллятор
Отрицательная обратная связь ⇒ Усилитель
Приведенное выше объяснение является самым основным принципом работы операционных усилителей.

Характеристики идеального операционного усилителя

Идеальный операционный усилитель должен иметь следующие характеристики:

1. Бесконечное усиление по напряжению (для достижения максимального выхода)
2. Бесконечное входное сопротивление (благодаря этому практически любой источник может управлять им )
3. Нулевое выходное сопротивление (чтобы не было изменения выхода из-за изменения тока нагрузки)
4. Бесконечная полоса пропускания
5. Нулевой шум
6. Нулевой коэффициент подавления источника питания (PSSR = 0)
7. Бесконечный коэффициент подавления синфазного сигнала ( CMMR = ∞)

Практический операционный усилитель

Ни один из приведенных выше параметров не может быть практически реализован.Практичный или реальный операционный усилитель имеет некоторые неизбежные недостатки, поэтому его характеристики отличаются от идеальных. Настоящий операционный усилитель будет иметь ненулевые и небесконечные параметры.

Применение операционного усилителя

Интегрированные операционные усилители обладают всеми преимуществами ИС, такими как высокая надежность, малый размер, дешевизна и низкое энергопотребление. Они используются в различных приложениях, таких как инвертирующий усилитель и неинвертирующие усилители, буфер с единичным усилением, суммирующий усилитель, дифференциатор, интегратор, сумматор, инструментальный усилитель, генератор моста Вина, фильтры и т. Д.

Схема усилителя или операционный усилитель (ОУ) на корабле

Схема усилителя или операционного усилителя (ОУ) обычно используется в схемах автоматизации, управления и других электронных схемах для морских приложений. Применяемый входной сигнал обычно представляет собой сигнал напряжения или тока. Назначение усилителя – создать выходной сигнал, больший, чем входной.

Использование схемы усилителя

Как следует из названия, цель усилителя или операционного усилителя состоит в том, чтобы усилить или увеличить входной сигнал для создания выходного сигнала, который намного больше, чем входной, с формой волны, аналогичной входной.

Основным изменением выходного сигнала будет увеличение уровня мощности. Эта дополнительная мощность обеспечивается внешним напряжением постоянного тока. Выходной сигнал управляется входным сигналом в усилителе.

В электронных компонентах, которые являются компактными, обычно используются усилители небольшого сигнала, поскольку они способны повышать относительно небольшой входной сигнал до большей величины. Например, от датчика, такого как фотоустройство, в гораздо больший выходной сигнал для управления реле, лампой или громкоговорителем.

Несколько устройств на корабле, вы можете найти схему усилителя:

• Используется для усиления звукового сигнала (динамик, УКВ, звуковая система Судовой гудок)
• Используется как регулятор напряжения и тока
• Используется как аналого-цифровой преобразователь и наоборот
• Используется как сервоусилитель в двигателе
.
• Выходной сигнал усилителя поступает на реле в цепи
.
• Используется в Гирокомпасе
• Используется в машинном отделении, палубе и других сигнализаторах
• Используется в различных датчиках
• Применяется в системах электрозащиты

Различные электронные схемы, классифицируемые как усилители, от операционных усилителей и усилителей малых сигналов до усилителей больших сигналов и мощности.

Кредит изображения: Барри Магахис

Усилитель можно классифицировать в зависимости от: –

• по величине входного сигнала
• в физической конфигурации
• о том, как он обрабатывает входной сигнал, то есть взаимосвязь между входным сигналом и током, протекающим в нагрузке.

Большая часть электрической и электронной схемы содержит усилительное устройство, такое как транзистор, полевой транзистор или операционный усилитель, у которого есть два входа и два выхода (земля является общей), при этом выходной сигнал намного больше входного сигнала, так как он был «усилен».

Работа цепи усилителя

Вход усилителя состоит из дифференциального входного напряжения V + вход и V-вход, и эта разница в напряжении усиливается для получения большого выходного сигнала. Следовательно, уравнение операционного усилителя можно представить как

V o / p = [(V +) – (V-)] x A o / l

Где A o / l – коэффициент усиления усилителя без обратной связи.

В операционном усилителе величина A o / l огромна, что дает большой выходной сигнал даже при небольшом входном дифференциале.

Операционный усилитель – это трехконтактное устройство, состоящее из двух высокоомных входов; один, называемый инвертирующим входом, отмечен знаком минус или минус (-), а другой, называемый неинвертирующим входом, отмечен положительным знаком или знаком «плюс» (+).

Идеальный усилитель

Теперь мы можем определить характеристики идеального усилителя из нашего обсуждения выше в отношении его усиления, то есть усиления по напряжению:

• Коэффициент усиления усилителя (A) должен оставаться постоянным при изменении значений входного сигнала.
• На усиление не влияет частота. В одинаковом количестве должны усиливаться сигналы всех частот.
• Коэффициент усиления усилителя не должен добавлять шум к выходному сигналу. Он должен удалить любой шум, который уже существует во входном сигнале.
• На коэффициент усиления усилителя не должны влиять изменения температуры, что обеспечивает превосходную температурную стабильность.
• Коэффициент усиления усилителя должен оставаться стабильным в течение длительного времени.

Характеристики идеального операционного усилителя или операционного усилителя

«Идеальный: или совершенный операционный усилитель (ОУ)» – это устройство с определенными уникальными характеристиками, такими как бесконечное усиление без обратной связи Ao, бесконечное входное сопротивление Rin, нулевое выходное сопротивление Rout, неограниченная полоса пропускания от 0 до ∞ и смещения нуля ( выход равен нулю, когда вход равен нулю).

Имеет высокий выходной коэффициент усиления.

Обладает высоким входным и низким выходным сопротивлением

Ширина полосы находится в очень большом диапазоне.

Получить идеальную технику или схему невозможно. Потери энергии в приборе всегда присутствуют, но выбор усилителя, близкого к идеальному, обеспечит наилучшие рабочие характеристики в электрической / электронной схеме, в которой он установлен.

Отказ от ответственности: Мнения авторов, выраженные в этой статье, не обязательно отражают точку зрения Marine Insight. Данные и диаграммы, если они используются в статье, были получены из доступной информации и не были подтверждены каким-либо установленным законом органом. Автор и компания «Марин Инсайт» не утверждают, что они точны, и не принимают на себя никакой ответственности за них. Взгляды представляют собой только мнения и не представляют собой каких-либо руководящих принципов или рекомендаций относительно какого-либо курса действий, которым должен следовать читатель.

Статья или изображения не могут быть воспроизведены, скопированы, переданы или использованы в любой форме без разрешения автора и Marine Insight.

Операционный усилитель

Операционный усилитель

Далее: Анализ схем операционного усилителя Up: Глава 5: Операционные усилители Предыдущая: Глава 5: Операционные усилители

Принципиальная схема типового 741 операционный усилитель показано ниже:

Компонентная схема обычного операционного усилителя 741. Контур пунктирными линиями:

Как и все операционные усилители, схема состоит из трех каскадов:

• Дифференциальный усилитель с высоким входным импедансом, сигнал напряжения, усиленная разность напряжений.
• Усилитель напряжения (усиление класса А) с высоким коэффициентом усиления для дальнейшего усиления напряжения.
• Выходной усилитель (двухтактный эмиттерный повторитель класса AB) с низким выходное сопротивление и возможность вождения с высоким током.

Для операционного усилителя требуется два источника напряжения обеих полярностей. (обычно V).

Хотя схема операционного усилителя может выглядеть сложной, анализ ее работу и поведение можно упростить на основе следующих предположений:

На основе этих приближений операционный усилитель можно смоделировать в терминах следующие три параметра:

• Входное сопротивление: очень большое, обычно несколько мегаомов или выше ( , е.г., 741), в зависимости от частота и конкретные используемые компоненты (например, BJT или FET).
• Выходное сопротивление: , очень маленькое, обычно несколько десятков Ом, например 75.
• Коэффициент усиления холостого хода: , на основе обоих инвертирующих входов и неинвертирующий вход:
  
  где – коэффициент усиления в дифференциальном режиме, а – коэффициент усиления в синфазном режиме. Желательно, чтобы и , т.е. выход только пропорционален разнице между двумя входами.Коэффициент подавления синфазного сигнала (CMRR) определяется как отношение между дифференциальное усиление и синфазное усиление:
  
  

Также в качестве вывода находится в диапазоне между и и большой, маленький (в диапазон микровольт), т.е. . Если, как в некоторых схемах операционных усилителей, обосновано, то очень близко к нулю, т.е. он почти такой же, как земля, или виртуальная земля . Анализ различных схем операционных усилителей может быть значительно упрощен с помощью этого виртуального обоснованное предположение.

Как большой, обычно насыщен, равен либо или (называемые “ рельсы ”), в зависимости от того, больше, чем . Чтобы иметь смысл, какой-то отрицательный отзыв необходим. Далее мы рассмотрим некоторые типичные схемы операционного усилителя, чтобы показать, как анализировать схему операционного усилителя, чтобы найти ее вход сопротивление, выходное сопротивление и напряжение холостого хода прирост .

• Повторитель напряжения: Вход подключен к плюсу вход, в то время как выход напрямую подключен к отрицательному входу (100% отрицательная обратная связь), как показано в (A) на рисунке ниже.В Операционный усилитель может быть смоделирован по входному сопротивлению, выходному сопротивлению. и усиление напряжения, как показано на (B). Тогда повторитель напряжения может быть смоделирована его входным сопротивлением, выходным сопротивлением, и усиление напряжения, как показано на (C).

  В частности, и можно найти ниже. Вот источник напряжения в операционном усилителе .

  Таким образом, мы видим, что повторитель напряжения имеет единичный коэффициент усиления по напряжению, но значительно увеличенное входное сопротивление (например,) и значительно уменьшенное выходное сопротивление (е.грамм., ). На практике мы могли бы просто предположить и.

  Пример:

  На рисунке слева показана схема, представленная идеальным напряжением. источник последовательно с внутренним сопротивлением (Тевенина теорема), с нагрузкой. Напряжение, подаваемое на нагрузку этим неидеальный источник
  

  
  Мы видим, что выходное напряжение на нагрузке составляет лишь часть напряжения из-за падения напряжения через внутреннее сопротивление.Если желательно, чтобы выходное напряжение быть как можно ближе к источнику, внутреннее сопротивление должен быть небольшим по сравнению с сопротивлением нагрузки.

  Затем рассмотрите возможность установки повторителя напряжения (буфера) между источник и нагрузка, как показано на среднем рисунке. Последователь моделируется его входным и выходным сопротивлениями и, как а также его коэффициент усиления по напряжению, как показано на правом рисунке. В выходное напряжение можно получить после двух уровней делителей напряжения:
  

  
  Мы видим, что выходное напряжение может быть очень близким к напряжение источника, т.е.е., , в связи с характером операционный усилитель:
• Инвертирующий усилитель

  В качестве анализа схемы с использованием полной модели операционного усилителя. очень сложен, сделано определенное приближение для упрощения анализ.

  В итоге,

  • Коэффициент усиления холостого хода:
    
    
  • входное сопротивление:
    
    
  • выходное сопротивление:
    
    
• Усилитель неинвертирующий (Домашнее задание)

  Три параметра этого неинвертирующего усилителя можно найти быть (см. здесь):

  • Коэффициент усиления холостого хода:
    
    
  • входное сопротивление:
    
    
  • выходное сопротивление:
    
    
  Сравнивая эти результаты с результатами повторителя напряжения, мы видим это немного лучше, но и то, и другое немного хуже.В частности, если этот неинвертирующий усилитель становится повторителем напряжения с , , и .

---

Далее: Анализ схем операционного усилителя Up: Глава 5: Операционные усилители Предыдущая: Глава 5: Операционные усилители

Руй Ван 2019-09-01

.