Вычитающий усилитель на оу: Суммирующий и вычитающий усилители | Основы электроакустики

Суммирующий и вычитающий усилители | Основы электроакустики

Сумматор на основе ОУ – инвертирующий усилитель с дополнительными входами (рис.12.6). В этой схеме также используются свойства мнимой земли

Рис.12.6. Суммирующий усилитель

 

         Составляя уравнение баланса токов и полагая, что входы ОУ ток не потребляют, имеем:

IOC = I1 + I2. 

         Поскольку инвертирующий вход ОУ в этой схеме является мнимой землей, токи можно выразить через напряжения сигналов и сопротивления резисторов следующим образом: 

–UВЫХ / RОС= U1 / R1 + U2 / R2,

 

UВЫХ = –( U1RОС / R1 + U2RОС / R2).                (12.4)

 

 Сопротивления резисторов обычно лежит в пределах от 10 до 100 кОм, удобно их выбрать так, чтобы выполнялись равенства RОС = R1 + R2, в этом случае

 

UВЫХ = –( U1 + U2 ).                            (12.5)

 

Заметим, что хотя выходной сигнал и равен по величине сумме входных сигналов, все же знак его – обратный, это свойство схем с мнимой землей.

Характерная особенность схемы в том, что входные сигналы не влияют друг на друга.

В схеме дифференциального усилителя (рис. 12.7) входная цепь выполнена так, что подача сигнала обратной связи совмещена с наличием дифференциального входа, фактически эта схема представляет собой комбинацию схем инвертирующего и неинвертирующего усилителей.

         Вход UВХ1 является инвертирующим, вход UВХ2 – неинвертирующим. Если вход UВХ2 заземлить, а на вход UВХ1 подать сигнал, то получившаяся схема будет эквивалентна инвертирующему усилителю с коэффициентом усиления напряжения –RОС / R1. Если входы поменять местами, то получится неинвертирующий усилитель с коэффициентом усиления напряжения RОС / R1. Относительное ослабление синфазного сигнала, в принципе, может быть таким же большим, каким оно является у самого ОУ, но на практике оно ограничено допусками на сопротивления резисторов.

Рис.12.7. Дифференциальный усилитель

 

         В случае, если сопротивления всех резисторов в схеме одинаково R1 = R2 = R3 = RОС,

 

UВЫХ = UВХ2 – UВХ1.                               (12.6)

 

         Входное сопротивление схемы по инвертирующему входу равно R1, а по неинвертирующему – R2 + R3, приэтом они могут различаться весьма существенно. Но ведь одним из важных применений дифференциального усилителя является подавление с его помощью фона и помех, которые наводятся на проводящих проводах. Если сопротивление источника сигнала не мало, то значительное различие входных сопротивлений становится существенным недостатком.

         Обычно бывает можно пожертвовать оптимальными условиями согласования по постоянному току, беря сопротивления такими, чтобы выполнялись равенства: R2+R3=R1; R2/R3=RОС /R1; при этом входные сопротивления выравниваются, а коэффициент подавления синфазной помехи остается большим. Для получения больших значений этого коэффициента используют дифференциальные усилители на нескольких ОУ.

 

Вычитающий усилитель

Связь Вычитающий усилитель

просмотров – 637

Сумматор

Важно заметить, что для сложения аналоговых сигналов можно использовать инвертирующий уси­литель, в котором на инвертирующий вход ОУ подается несколько напряжений, подлежащих сложению (рисунок 3. 17,а).

Снова обратимся к идеализированным характеристикам ОУ, то есть будем считать, что U+ = U- = 0 и входной ток ОУ равен нулю.

При этом токи на входе сумматора будут иметь следующие значения:

I1 = Uвх. 1 / R1; I2 = Uвх. 2 / R2; Iос= I1+I2;

а выходное напряжение:

а б Рисунок 2.63, а—Сумматор на ОУ; б—Вычитающий усилителя на ОУ.

Uвых = -((Rос / R1)×Uвх. 1 + (Rос / R2)×Uвх. 2),

то есть в рассматриваемом случае Uвых есть инвертированная взвешенная сумма Uвх.1 и Uвх.2, весовые же коэффициенты слагаемых определяются отношением сопротивлений соответствующих резисторов. При R1 = R2 = R получаем:

Uвых = -(Rос / R)×(Uвх. 1 + Uвх. 2) = K(Uвх. 1 + Kвх. 2),

а схема, приведенная на рисунке 2.63(а), превращается в простой сумматор.

Во многих практических случаях требуются усилители с дифференциальными входами. Такого типа дифференциальные усилительные устройства легко можно создать на базе ОУ. Простейшая схема усилителя с дифференциальными входами на базе ОУ приведена на рисунке 2.63(б).

Выходное напряжение определяется выражением:

Uвых=(U2 – U1)×(R2 / R1)

.

Недостаток схемы – низкое входное сопротивление. Для его увеличения при­меняют повторители. За счет очень больших входных сопротивлений повторите­лей эта схема практически не потребляет ток от источников сигнала.

Читайте также

– Вычитающий усилитель

Сумматор Для сложения аналоговых сигналов можно использовать инвертирующий уси­литель, в котором на инвертирующий вход ОУ подается несколько напряжений, подлежащих сложению (рисунок 3.17,а). Снова обратимся к идеализированным характеристикам ОУ, то есть будем… [читать подробенее]

РАБОТА ОПЕРАЦИОННОГО УСИЛИТЕЛЯ LM358

Под термином “операционный усилитель” подразумевается микросхема дифференциальный усилитель постоянного тока, с высоким коэффициентом усиления и высоким входным сопротивлением, адаптированная для работы с внешней цепью отрицательной обратной связи.

Операционный усилитель (ОУ) имеет сложную внутреннюю структуру, в которую не будем углубляться сосредоточившись на практическом применении. Графический символ операционного усилителя относится не к его внешнему виду (тем более что он может быть доступен в различных корпусах), а к принципу работы:

Графический символ операционного усилителя. We (In) – вход, Wy (Out) – выход

Символ этот очень упрощен. Если бы мы хотели разместить на нем все необходимые детали обвязки и коррекции, пришлось бы нарисовать еще контакты. Но чаще всего этого достаточно.

Принцип действия ОУ

Подаем на усилитель через входы, обозначенные здесь символом We (+) так называемый неинвертирующий вход и / или We (-) так называемый инвертирующий вход некоторый сигнал. У него может быть даже очень небольшое напряжение. Разница входного напряжения называется дифференциальным напряжением.

Этот усилитель является своего рода компаратором – он будет сравнивать оба сигнала друг с другом и вести себя по-разному в зависимости от того, какой сигнал будет сильнее:

We (+) > We (-) => Wy ~ Uпит – Uwo

Если подадим более высокое напряжение на неинвертирующий вход We (+), чем на инвертирующий вход We (-), выход будет близок к напряжению Uпит, подаваемому на усилитель, за вычетом падения напряжения на усилителе Uwo.

We (+) < We (-) => Wy ~ 0 В

Если подадим более низкое напряжение на вход неинвертирующего We (+), чем на вход инвертирующего We (-) контакта, выход будет близок к нулю.

We (+) = We (-) => Wy ~ 0 В

Если подадим один и тот же сигнал на оба входа (называемый в данном случае недифференциальным сигналом), выходное напряжение будет близко к нулю.

Операционный усилитель, с которым будем проводить тесты, имеет обозначение LM358 (это наверное самая распространённая микросхема ОУ). Согласно информации из документации, это двойной усилитель напряжения (то есть два усилителя в одном корпусе), поэтому он имеет восемь контактов:

Слева операционный усилитель LM358; Справа схема его контактов

Вывод 8 (напряжение питания) и вывод 4 (масса) являются общими для обоих усилителей. Остальные ножки раздельные:

1. первый усилитель состоит из ножек: 3 (We (+)), 2 (We (-)), 1 (выход).
2. второй усилитель состоит из ножек: 5 (We (+)), 6 (We (-)), 7 (выход)

Если присмотритесь, то заметите небольшое углубление на одной стороне корпуса. На схеме в примечании вместо углубления рядом с цифрой 1 есть черная точка. Это стандартный способ маркировки передней части микросхемы. Ножки всегда нумеруются последовательно, начиная с выемки (или точки) против часовой стрелки.

Операционный усилитель LM358 с маркировкой ключа

Проверим как это выглядит на практике – соберем макетную плату. Напряжение питания 6 В. Для желто-зеленого светодиода выбран резистор 220 Ом. Потенциометр P1 на 10 кОм.

Внимание! Перед подключением блока питания к схеме на плате убедитесь, что операционный усилитель подключен правильно, иначе можете его повредить.

Вариант 1. Резистор R1 и светодиод D1 (желтый) подключены между плюсом блока питания и выходом операционного усилителя; неинвертирующий вход We (+) (третий вывод усилителя) также подключен к плюсу питания.

Схема из источника питания B1, операционного усилителя LM358, резистора R1, потенциометра P1 и диода D1

Напряжение на входе We (+) (вывод 3) выше напряжения на входе We (-) (вывод 2), поэтому на выходе усилителя (вывод 1) получаем напряжение близкое к напряжению питания, минус падение напряжения на усилителе.

Разность потенциалов между источником питания B1 и выходом операционного усилителя будет слишком низкой для питания светодиода, поэтому он останется выключенным.

Вариант 2. Резистор R1 и светодиод R1 (в моем случае желтый) подключены между «плюсом» блока питания и выходом операционного усилителя; неинвертирующий вход We (+) (третий вывод усилителя) подключен к земле.

Напряжение на входе We (+) (вывод 3) ниже напряжения на входе We (-) (вывод 2), поэтому выход усилителя (вывод 1) будет близок к 0 В. Разности потенциалов между источником питания B1 и выходом операционного усилителя будет достаточно для питания светодиода, поэтому он будет светиться.

Вариант 3. Резистор R1 и светодиод D1 (теперь зеленый) подключены между выходом операционного усилителя и землей; неинвертирующий вход We (+) (третий выходной контакт усилителя) подключен к «плюсу» источника питания.

Напряжение на входе We (+) (вывод 3) выше напряжения на входе We (-) (вывод 2), поэтому на выходе усилителя (вывод 1) получаем напряжение, близкое к напряжению питания минус падение напряжения на усилителе. Разности потенциалов между выходом операционного усилителя и землей будет достаточно для питания светодиода, поэтому он будет светиться.

Вариант 4. Резистор R1 и светодиод D1 (зеленый) подключены между выходом операционного усилителя и массой; неинвертирующий вход We (+) (третий вывод усилителя) подключен к земле.

Напряжение на входе We (+) (вывод 3) ниже напряжения на входе We (-) (вывод 2), поэтому выход усилителя (вывод 1) будет близок к 0 В. Никакая разность потенциалов между выходом операционного усилителя и землей не предотвратит включение светодиода, поэтому он останется выключенным.

Собраны результаты опытов в таблице ниже:

Результаты проведенного эксперимента – влияние подключения We (+) – третьей ножки усилителя и свечения светодиода

Верна ли приведенная выше схема для всех операционных усилителей? Нет. Возьмем, к примеру, еще один, очень похожий операционный усилитель LM393. Он может проводить электричество только от точки в цепи с более высоким потенциалом (аналогично линиям 1 и 2 в таблице). Он не проводит ток от выхода усилителя к точке в цепи с более низким потенциалом напряжения, например к земле (позиции 3 и 4 в таблице). Другими словами, если бы мы использовали усилитель LM393 для эксперимента который только что проводили, зеленый светодиод не светился бы независимо от входных сигналов. Почему это происходит? Здесь более подробно рассмотрим внутреннюю структуру обоих усилителей:

Схема внутреннего устройства операционных усилителей: а) LM358; б) LM393

Схема слева (a) показывает внутреннюю структуру усилителя LM358, а схема справа (b) – LM393. Обе схемы сложны, поэтому не будем вдаваться в подробности. Сосредоточимся только на транзисторах, размещенных перед выходом (помечены как OUT или OUTPUT). В LM358 прямо перед выходом есть два транзистора, которые проводят электричество в разных направлениях (пометили их красным кружком). LM393 имеет только один транзистор непосредственно перед выходом (также в красном кружке), который предотвращает прохождение тока от усилителя через выход к земле (или к части схемы с более низким потенциалом).

Операционный усилитель адаптирован для работы с внешней цепью отрицательной обратной связи. Дело в том, что часть выходного сигнала может подаваться обратно на вход или наоборот со входа на выход усилителя. Может быть несколько конфигураций с использованием операционного усилителя и усилителя обратной связи (например, суммирующий, вычитающий, интегрирующий и дифференцирующий усилитель), но тут рассмотрим только две из самых простых и наиболее популярных из них – неинвертирующий и инвертирующий.

Неинвертирующий усилитель

Графический символ неинвертирующего усилителя

Напряжение, подаваемое на вход We (+) выше, чем подаваемое на We (-), поэтому выходной сигнал большой, потому что он близок к напряжению питания Uпит, за вычетом падения напряжения на усилителе Uwo (We (+) > We (-) => Wy ~ Uпит – Uwo). Часть выходного сигнала возвращается через резистор на вход We (-), таким образом этот сигнал становится больше, чем напряжение на We (+), и напряжение на выходе становится близким к 0 В (We (+) < We (-)) => Wy ~ 0 В). Вследствие падения напряжения на выходе (и отсутствия на нем усиления сигнала на We (-)) напряжение на We (+) снова будет больше We (-).

На практике быстро устанавливается состояние равновесия при котором выходной сигнал будет постоянным. Его размер легко рассчитать по формуле:

Uwy = Uwe (+) x [(R1 + R2) / R1]

Предположим, что на вход We (+) поступает напряжение 0,5 В, а на выходе хотим получить в 5 раз больше, то есть 2,5 В. Подставим данные в формулу:

Uwy = Uwe (+) x [(R1 + R2) / R1]

2,5 В = 0,5 В x [(R1 + R2) / R1]

[(R1 + R2) / R1] = 2,5 В / 0,5 В

[(R1 + R2) / R1] = 5

Отношение суммы сопротивлений резисторов R2 и R1 к R1 должно дать нам 5. Итак, предположим, что сопротивление R2 = 10 кОм и R1 = 2,2 кОм (соотношение их сопротивлений составляет 5,54).

Соберем всё на макетной плате по следующей схеме:

Прежде всего необходимо убедиться, что на вход We (+) подается соответствующее напряжение. Для этого подключите вольтметр между землей и третьей ножкой усилителя, а затем поверните ручку потенциометра до тех пор, пока мультиметр не покажет результат 0,5 В (или как можно более близкий).

Теперь измерьте напряжение на выходе усилителя, то есть между первым контактом и массой. Теоретически должны получить результат близкий к 2,5 В. Между тем, показание вольтметра составляет целых 2,88 В.

Откуда эта разница? Помните, мы не использовали резисторы с коэффициентом 5,54, а не 5. Давайте снова подставим данные (на этот раз реальные) в формулу:

Uwy = Uwe (+) x [(R1 + R2) / R1]

Uwy = 0,51 В x [(2,16 кОм + 10 кОм) / 2,16 кОм

Uwy = 0,51 В x 5,63

Uwy = 2,87 В

Теоретически и практически получили почти такой же результат – 2,87 В.

Инвертирующий усилитель

Графический символ инвертирующего усилителя

Принцип действия будет объяснен на основе схемы:

Некоторым нововведением на схеме выше являются два источника питания (B1, B2), каждый из которых будет иметь напряжение 3 В. Но в нашем распоряжении только одна аккумуляторная батарейка. Это не будет проблемой – подключим вывод из центра за второй батареей. Таким образом получаем два источника питания по 3 В каждый.

Кроме того для сборки указанной схемы на макетной плате используйте: P1 – потенциометр, R1 – резистор 2,2 кОм, R2 – резистор 10 кОм (резисторы будут иметь такие же номиналы, как и в предыдущем эксперименте), D1 – зеленый светодиод, D2 – красный светодиод.

Подключим узел между источниками напряжения к земле – теоретически это будет нулевая точка. Это сделано только для расчетов.

Теперь проверим что будет, если ползунок потенциометра повернуть как можно дальше к земле. Красный светодиод будет тускло светиться. Почему? Когда регулятор потенциометра P1 заземлен, сигнал, поступающий на усилитель со входа We (+), больше, чем We (-). Посчитаем какое напряжение ожидаем получить на выходе в этом случае.

Uwy = – (R2 / R1) x Uwe (-)

Uwe (-) в этой ситуации связан с точкой, которая по отношению к нашей нулевой точке (теоретической массе) имеет напряжение -3 В, и это значение подставляем в формулу:

Uwy = – (10 кОм / 2,2 кОм) x -3 В

Uwy = – 4,54 x -3 В

Uwy = 13,62 В

На выходе ожидаем 13,62 В – почему? Ведь питаем схему только от 4-х аккумуляторов с общим напряжением 6 В! Можно ли на выходе получить 13,62 В? Конечно нет. Полученный нами теоретический результат лишь доказывает, что усилитель полностью насыщен. В этой ситуации на выходе мы можем получить только предельное напряжение питания, за вычетом падения напряжения на самом усилителе. На практике получился результат: 1,57 В.

Теперь осторожно повернём ручку потенциометра. В какой-то момент красный светодиод погаснет, а зеленый загорится. Чем дальше потенциометр находится от земли, тем большее напряжение будет поступать на вход We (-), пока оно не станет больше чем напряжение на входе We (+). Согласно сказанному, если сигнал на входе We (-) больше сигнала на входе We (+), на выходе получим напряжение близкое к 0 В. Но помните, что резистор R2 соединяет вход We (-) с выходом, тем самым становясь каналом для тока, который каким-то образом обходит усилитель и подключается к току на выходе. Какого напряжения тогда ждем на выходе?

Uwy = – (R2 / R1) x Uwe (-)

Uwe (-) в этой ситуации связан с точкой, которая имеет напряжение +3 В по отношению к нулевой точке (теоретическая масса), и это значение, которое подставим для формулы:

Uwy = – (10 кОм / 2,2 кОм) x + 3 В

Uwy = – 4,54 x 3 В

Uwy = – 13,62 В

Получили тот же результат что и раньше, но со знаком минус.

Почему не получили одинаковые значения, но с противоположными знаками? Причина может заключаться в том, что усилитель работает на предельных значениях, поэтому результат может быть неверным. По этой причине будем выполнять другие измерения в диапазоне, в котором усилитель работает линейно.

Для этого установим ручку потенциометра немного вправо и немного левее от центра.

Вариант 1. На усилитель подадим напряжение + 0,2 В (естественно относительно теоретической нулевой точки). Для этого поднесите красный щуп вольтметра к средней ножке потенциометра, а черный – к третьей ножке усилителя. Осторожно поверните ручку потенциометра, пока мультиметр не покажет 0,2 В (в этом эксперименте светодиоды можно удалить, чтобы они не мешали измерениям).

Теперь измерьте напряжение на выходе – черный щуп к третьему и красный щуп к первому выводу усилителя. Как и положено настоящему инвертирующему усилителю, после подачи небольшого положительного напряжения получаем на выходе гораздо более высокое напряжение, но со знаком минус!

Вариант 2. Подадим на усилитель напряжение – 0,21 В (опять же по отношению к теоретической нулевой точке). Для этого поднесите красный щуп вольтметра к средней ножке потенциометра, а черный – к третьей ножке усилителя. Осторожно поверните ручку потенциометра, пока мультиметр не покажет – 0,21 В.

Измерьте выходное напряжение так же, как и раньше (черный щуп к третьему, красный щуп к первому контакту усилителя). Результат станет таким же, но на этот раз со знаком плюс.

Для обобщения информации о неинвертирующем и инвертирующем усилителе будут использованы два графика:

Неинвертирующий усилитель – небольшой сигнал на входе (положительный) даст большой сигнал на выходе (тоже положительный)

Инвертирующий усилитель – небольшой сигнал на входе (положительный) даст большой сигнал на выходе (отрицательный), а небольшой сигнал на входе (отрицательный) даст большой сигнал на выходе (положительный).

Конечно это простейшие схемы включения ОУ, и есть ещё немало всяких нюансов, но если вы хорошо поймёте хотя бы это, то уже встанете на более высокую ступень радиолюбительства!

   Форум

   Форум по обсуждению материала РАБОТА ОПЕРАЦИОННОГО УСИЛИТЕЛЯ LM358

---

ПРИСТАВКИ К МУЛЬТИМЕТРУ Сборник из 10 конструкций и схем приставок к цифровым мультиметрам, расширяющих функционал измерительных приборов.
	ПРИКУРИВАТЕЛЬ ОТ USB Устройство для использования разъёма USB в качестве прикуривателя – разборка и схема.

Вычитающий усилитель получается при подаче сравниваемых напряжений на _ операционного усилителя

В LC-генераторах частота автоколебаний определяется выбором элементов
(*ответ*) колебательного контура
 цепи обратной связи ОС
 цепи температурной стабилизации
 цепи фильтра источника питания
В « жестком» режиме работы автогенератора колебания возрастают из-за
(*ответ*) внешнего входного воздействия
 тепловых шумов на входе активного элемента (АЭ)
 дробовых шумов в АЭ
 мерцательных шумов в АЭ
В автогенераторе для возбуждения колебаний применяется _ обратная связь
(*ответ*) положительная
 отрицательная
 комбинированная
 глубокая отрицательная
В структурной схеме операционного усилителя в качестве входного устройства используется
(*ответ*) дифференциальный усилитель
 эмиттерный повторитель
 однотактный усилительный каскад
 однотактный трансформаторный каскад
В схеме простой ВЧ коррекции увеличение fвч или подъем амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) в области верхних частот (ВЧ) обеспечиваются включением _ цепь биполярного транзистора
(*ответ*) индуктивности в коллекторную
 индуктивности в эмиттерную
 емкости в коллекторную
 индуктивности в базовую
В схеме эмиттерной высокочастотной (ВЧ) коррекции увеличение fвч или подъем амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) в области ВЧ обеспечиваются включением _ цепь биполярного транзистора
(*ответ*) емкости и резистора в эмиттерную
 индуктивности в эмиттерную
 дополнительного резистора в коллекторную
 индуктивности в базовую
Введение последовательной обратной связи по напряжению _ каскада
(*ответ*) уменьшает коэффициент усиления
 повышает коэффициент усиления
 увеличивает линейные искажения
 уменьшает входное сопротивление
Введение последовательной отрицательной обратной связи по напряжению в операционном усилителе позволяет получить
(*ответ*) Zвх →∞, Zвых ≈ 0
 Zвых →∞, Zвх ≈ 0
 Zвых →∞, Zвх → 0
 Zвых →0, Zвх ≈ ∞
Взаимное влияние источников сигналов на входе сумматора практически отсутствует из-за того, что инвертирующий вход операционного усилителя ОУ имеет _ потенциал
(*ответ*) нулевой
 постоянный положительный
 постоянный отрицательный
 запирающий
Включение разделительного конденсатора в цепь межкаскадной связи приводит к
(*ответ*) спаду амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) в области нижних частот (НЧ)
 подъему АЧХ в области верхних частот (ВЧ)
 подъему АЧХ в области НЧ
 появлению неравномерности в области рабочих частот
Включением моста Вина в цепь отрицательной обратной связи операционного усилителя реализуется фильтр
(*ответ*) полосовой
 режекторный
 нижних частот
 верхних частот
Входное сопротивление операционного усилителя ОУ будет наибольшим при подаче сигнала на (в)
(*ответ*) оба входа одновременно
 инвертируемый вход
 неинвертируемый вход
 цепь обратной связи
Вычитающий усилитель получается при подаче сравниваемых напряжений на _ операционного усилителя
(*ответ*) различные входы
 инвертирующий вход
 неинвертирующий вход
 инвертируемый вход и цепь обратной связи

От вопросов и ответов

с TJ Byers

Операционный усилитель

Вопрос:

Недавно мне пришлось сделать схему для вычитания двух напряжений постоянного тока. Сначала я подумал об использовании дифференциального операционного усилителя, в котором одно напряжение подается на положительный вход, а другое – на отрицательный. После выполнения математических расчетов, чтобы сбалансировать четыре резистора для получения желаемого усиления, мне пришло в голову, что суммирующий усилитель имеет преимущество: нужно заменить только один резистор обратной связи, чтобы изменить усиление!

Я использовал инвертирующий операционный усилитель для одного входа, подал его на суммирующий усилитель и получил правильный номер (ниже).Каковы разветвления между дифференциальным усилителем и моим решением для получения разности двух напряжений?

Джон
через Интернет

Ответ:

Операционные усилители (операционные усилители) названы так потому, что они изначально использовались для моделирования основных математических операций сложения, вычитания, умножения, интегрирования и т. Д. В электронных аналоговых компьютерах. На рисунке показано, как операционный усилитель сконфигурирован для «вычисления» нескольких популярных математических функций.

В схеме добавления каждое напряжение взвешивается одинаково, и нет ограничений (ну, почти) на количество входов, с которыми вы можете иметь дело. Обратите внимание, что для определения коэффициента усиления схемы необходим только один резистор (Rf), а выход инвертируется. Схема вычитания измеряет разницу между V1 и V2, используя инвертирующие и неинвертирующие входы операционного усилителя. Он ограничен всего двумя напряжениями. При указанных значениях обе эти схемы обеспечивают 10-кратное усиление.

Цепи взвешенных и средних значений являются частными случаями схемы сложения.Коэффициент усиления схемы взвешивания составляет 17,5 для показанных значений, а схема усреднения имеет единичное усиление. В инвертирующей конфигурации оба резистора должны быть одинакового номинала.

Какие есть разветвления? Очевидно, что ваш инвертирующий дизайн позволяет вам смешивать как сложение, так и вычитание с несколькими входами, чего не может сделать один операционный усилитель. Кроме того, единственный резистор определяет коэффициент усиления каскада. С другой стороны, каждый операционный усилитель в цепи добавляет свою долю шума к выходу, что может быть фактором при измерениях очень низкого напряжения.

Операционные усилители

– Суммарные и разностные усилители

Линейные математические операторы – сложение и вычитание

Закон Ома

На этой странице я расскажу о том, что я бы назвал линейными математическими операторами. Это подходит как для операторов сложения, так и для операторов вычитания, и я называю его линейным, поскольку если вы соедините оба входа вместе и измените их, то выходы при нанесении на график относительно входов образуют красивую прямую линию.Понятно, что если бы вы сделали то же самое с множителем, то прямой линии не получилось бы! Я расскажу об операторе умножения на следующей странице.

Использование операционных усилителей для математических операторов в настоящее время в значительной степени является устаревшей наукой. Когда-то, до появления цифровых компьютеров, аналоговые компьютеры были единственной доступной техникой. Вероятно, наиболее важным преимуществом такой техники даже сегодня является задержка распространения. Хотя компьютерные технологии более точны и могут обеспечить феноменальную пропускную способность вычислений, они обычно подвержены значительным задержкам в конвейере.С помощью простой схемы усилителя можно достичь разумной точности с очень малой задержкой и небольшими затратами на проектирование.

Суммирующий усилитель

На рисунке ниже показана общая конфигурация суммирующего усилителя. Вероятно, лучшее сравнение с тем, что я описал до сих пор, – это инвертирующий усилитель. На самом деле, о суммировании конфигурации довольно легко подумать. Как и в инвертирующей конфигурации, входы обычно подключаются к инвертирующему входу усилителя. Если вы вернетесь к конфигурации инвертирующего усилителя, вы вспомните, как два резистора управляли усилением усилителя.

На инвертирующем входе напряжение регулировалось контуром обратной связи, чтобы соответствовать потенциалу на неинвертирующем входе. Поскольку неинвертирующий вход был подключен к земле, инвертирующий вход также поддерживался при потенциале земли. Это имело важные последствия; ток в обоих резисторах был одинаковым.

Здесь расположение такое же, но резисторов больше, входов больше.Единственное реальное отличие состоит в том, что больше входов питают одну и ту же инвертирующую входную виртуальную землю. Резистор обратной связи по-прежнему поддерживает минимальную разницу между входами операционного усилителя. В конечном итоге резистор обратной связи пропускает сумму токов, подаваемых различными входами. Единственное, на что следует обратить внимание, это то, что, хотя входы добавляются, конфигурация усилителя приводит к тому, что сумма обнуляется. Чтобы получить истинную сумму, необходимо добавить инвертирующий усилитель после суммирующего усилителя.

Функция ниже показывает, как рассчитать общий выход. Как видите, это многопараметрическая проблема, поэтому полезность этой реальной функции ограничена. Его полезность на самом деле заключается в демонстрации поведения схемы, и я включил ее сюда для полноты картины.

Очевидно, что с помощью резистора обратной связи (R1) можно управлять общим коэффициентом усиления. С каждым из входных резисторов (Ra-c) можно контролировать относительные веса для каждого из входов.Очевидное применение такой схемы – простой аудиомикшер. Каждый канал звука можно подавать на входы, а затем, заменив фиксированные резисторы на потенциометры, можно микшировать звук, как в микшерном пульте.

В попытке смягчить ранее описанную бесполезность, я использовал предположение, что все входы соединены вместе. Очевидно, что все входы взвешены в соответствии с их входными резисторами. Чтобы получить функцию, которая выглядит как усиление, без ссылки на входные резисторы необходимо сделать предположение.Функция показана ниже;

Идея, что все входы имеют одинаковый потенциал, не очень реалистична; вся цель суммирующего усилителя – суммировать различные сигналы с различной информацией в них. Ранее я показал, как рассчитать выход суммирующего усилителя для заданных входов. Теперь я показал, как рассчитать общий коэффициент усиления суммирующего усилителя. Проблема в том, что нет простого способа выразить и то и другое одновременно. Для оценки общих характеристик усилителя необходимо использовать два разных метода.Полезность подхода комбинированного входного усиления заключается в том, что он дает способ выразить динамический диапазон входов по сравнению с выходом.

Здесь важна идея динамического диапазона. Динамический диапазон выражает соотношение наименьшего и наибольшего измеряемых сигналов. Хотя мы не знаем величину наименьшего измеряемого сигнала, это неважно, поскольку оно будет (более или менее) одинаковым для данного операционного усилителя, и у нас не будет высокой степени контроля над ним. Напротив, самый большой сигнал, над которым мы можем в значительной степени контролировать.В общих чертах это определяется напряжением на шинах питания, которые мы выбираем для нашей схемы.

Если мы выберем для нашей схемы шины питания плюс / минус 5 В, то три входных сигнала могут номинально колебаться от плюс до минус 4 вольт. Когда мы добавляем эти сигналы, мы потенциально можем получить максимальное и минимальное выходное напряжение плюс-минус 12 вольт. Это приведет к нарушению напряжения источника питания, и усилитель будет насыщать и искажать. По этой причине функция усиления полезна, поскольку она позволяет нам проверить, что входы не могут привести к превышению выходных возможностей.Еще одно аналогичное и важное следствие этого рассуждения состоит в том, что сумма сигналов увеличивает требуемый динамический диапазон выходного сигнала. Чтобы реализовать практическую схему суммирования, мы не можем не тратить впустую часть динамического диапазона на входах.

Можно торговать динамическим диапазоном, доступным на выходе, между входами. Здесь проблема огромна. Те входы с меньшим доступным динамическим диапазоном будут меньше на выходе. Если может быть предоставлена ​​схема, которая ограничивает входы и обратную связь с выходом, который может не насыщать, то получается очень гибкая система.Обычно такая схема является прерогативой цифровой области, где дополнительная сложность связана с ограниченными физическими и финансовыми накладными расходами. Обычно с аналоговой суммирующей схемой можно ожидать, что входы будут иметь одинаковый вес, так что если есть «N» входов, каждый с одинаковым динамическим диапазоном «M», то выходной динамический диапазон будет «M, деленный на N».

Усилитель разностный

Последний линейный усилитель, который я покажу здесь, – это дифференциальный усилитель.Очевидно, что можно получить математический оператор вычитания, используя уже описанные схемы. Поскольку мы знаем, как складывать сигналы, и мы также знаем, как их инвертировать, мы можем объединить инвертор и лето, чтобы выполнить вычитание. Здесь мы используем другой подход. Используя инвертирующий и неинвертирующий входы усилителя, мы можем выполнять вычитание с помощью одного усилителя.

На приведенной ниже диаграмме показана различная конфигурация операционного усилителя. На практике это похоже на инвертирующую конфигурацию.В инвертирующей конфигурации мы использовали соотношение входных резисторов и резисторов обратной связи для управления коэффициентом усиления усилителя. Мы знали, что потенциал на инвертирующем входе усилителя должен совпадать с потенциалом неинвертирующего входа. В этом случае неинвертирующий вход был привязан к земле или нулю. Здесь все, что мы делаем, это дополнительно изменяем потенциал на неинвертирующем входе. Теперь потенциал на инвертирующем входе должен следовать за движущейся целью. Выход является функцией Vin (-) плюс Vin (+).

Как и суммирующий усилитель, я показал уравнение, описывающее выход усилителя, ниже. Как и прежде, уравнение имеет ограниченное применение, поскольку это задача с несколькими переменными. Безусловно, он представляет собой хорошую отправную точку для анализа и перекомпоновки любого приложения, которое может быть у вас для дифференциального усилителя.

Чтобы завершить сделку, я сделал предположение, что входные данные одинаковы, чтобы можно было рассчитать выигрыш, что более полезно.Уравнение показано ниже. Как и в случае с суммирующим усилителем, все те же соображения касаются динамического диапазона. Большое изменение здесь заключается в том, что один сигнал вычитается из другого. Это может привести к выводу, что соотношение между входным и выходным динамическим диапазоном должно быть улучшено. На самом деле это не более или менее так, чем было раньше. Точно так же, как вход в лето мог быть инвертирован или инвертирован, это могло быть и здесь.

Если вы щелкнете по уравнениям, вы найдете производные для представленных здесь функций.Кроме того, есть третий вывод, который я сделал. Если вы вспомните простые инвертирующие и неинвертирующие конфигурации, я вкратце рассмотрел влияние фактического усиления операционного усилителя на характеристики схемы. Третий вывод, не показанный, делает это для разностного усилителя. Это может быть полезно, а может и нет, но оно включено туда, если вам это нужно.

Общий линейный оператор

Чтобы попытаться выразить эту проблему торговли динамическим диапазоном более определенно, рассмотрим схему ниже.Эта схема позволяет суммировать и различать ряд сигналов. Несколько значений добавляются, и несколько значений вычитаются. Все это достигается с помощью одного операционного усилителя. К настоящему времени идея на диаграмме должна показаться простой.

В суммирующей конфигурации мы увеличили количество входов инвертирующего усилителя, чтобы мы могли складывать входы вместе. Хотя мы вычислили сумму входа, выход был инвертирован. Теперь мы имеем дело с частями, которые должны быть добавлены к выходу на неинвертирующем входе усилителя, узел, который представлял суммирующее соединение в суммирующем усилителе, теперь является узлом, который представляет собой сумму частей для вычитания. В суммирующем усилителе неявная инверсия была нежелательной. Теперь мы можем использовать это в наших интересах.

Я не включил математику для универсального линейного оператора. Я оставлю это тебе. С точки зрения этих статей важно понять, что мы все больше движемся к операционному усилителю как к «маленькому треугольнику», которым он и является на самом деле. Как только вы поймете, как использовать его в нескольких простых конфигурациях, станет все проще и легче изобретать свои собственные конфигурации, добавляя компоненты вокруг него в соответствии с приложением.

Операционный усилитель

Операционный усилитель, также известный как операционный усилитель или просто операционный усилитель, представляет собой электронный усилитель напряжения с высоким коэффициентом усиления, связанный по постоянному току, с дифференциальным входом и, как правило, несимметричным выходом. В этой конфигурации операционный усилитель создает выходной потенциал (относительно земли схемы), который обычно в 100000 раз превышает разность потенциалов между его входными клеммами. Операционные усилители возникли в аналоговых компьютерах, где они использовались для выполнения математических операций во многих линейных, нелинейных и частотно-зависимых схемах.

Операционные усилители являются одними из наиболее широко используемых в настоящее время электронных устройств, которые используются во множестве бытовых, промышленных и научных устройств. Многие стандартные операционные усилители на ИС стоят всего несколько центов при умеренном объеме производства; однако некоторые интегрированные или гибридные операционные усилители со специальными характеристиками могут стоить более 100 долларов США в небольших количествах. Операционные усилители могут быть упакованы как компоненты или использоваться как элементы более сложных интегральных схем.

Базовый операционный усилитель

Характеристики идеального операционного усилителя

• Обычно считается, что идеальный операционный усилитель имеет следующие характеристики:
• Бесконечное усиление без обратной связи G = vout / vin
• Бесконечное входное сопротивление Rin, нулевой входной ток
• Нулевое входное напряжение смещения
• Бесконечный диапазон выходного напряжения
• Бесконечная полоса пропускания с нулевым фазовым сдвигом и бесконечной скоростью нарастания
• Нулевое выходное сопротивление Rout
• Нулевой шум
• Бесконечный коэффициент подавления синфазного сигнала (CMRR)
• Бесконечный коэффициент отклонения блока питания

Реальные операционные усилители отличаются от идеальной модели по многим параметрам.

Основные применения операционного усилителя

1. Инвертирующий усилитель

Инвертирующий усилитель

Инвертирующий усилитель, также известный как инвертирующий операционный усилитель или инвертирующий операционный усилитель, представляет собой тип схемы операционного усилителя, который производит выходной сигнал который сдвинут по фазе по отношению к входу на 180 градусов.

Это означает, что если входной импульс положительный, то выходной импульс будет отрицательным, и наоборот. На рисунке ниже показан инвертирующий операционный усилитель, построенный с использованием операционного усилителя и двух резисторов.Здесь мы подаем входной сигнал на инвертирующий вывод операционного усилителя через резистор Ri. Подключаем неинвертирующую клемму к массе. Кроме того, мы обеспечиваем обратную связь, необходимую для стабилизации схемы и, следовательно, для управления выходом через резистор обратной связи Rf.

Инвертирующие усилители демонстрируют отличные линейные характеристики, которые делают их идеальными усилителями постоянного тока. Более того, они часто используются для преобразования входного тока в выходное напряжение в виде усилителей сопротивления или сопротивления.Кроме того, их также можно использовать в аудиомикшерах, когда они используются в форме суммирующих усилителей.

1. Неинвертирующий усилитель

Неинвертирующий усилитель принимает входной сигнал через свой неинвертирующий вывод и выдает свою усиленную версию на выходе. Как следует из названия, этот усилитель просто усиливает вход, не инвертируя и не меняя знак выхода. Когда мы подаем любой сигнал на неинвертирующий вход, он не меняет своей полярности, когда он усиливается на выходе.Так что в этом случае коэффициент усиления усилителя всегда положительный.

Неинвертирующий усилитель

1. Дифференциатор и интегратор

Дифференциатор операционного усилителя – это, по сути, инвертирующий усилитель с конденсатором подходящего номинала на его входном выводе. На рисунке ниже показана основная принципиальная схема дифференциатора операционного усилителя.

Операционный усилитель как дифференциатор

Интегратор на основе операционного усилителя выдает выходной сигнал, который представляет собой интеграл входного напряжения, приложенного к его инвертирующему выводу.Принципиальная схема интегратора на базе операционного усилителя показана ниже

Операционный усилитель как интегратор

• Сумматор / суммирующий усилитель

Сумматор, также известный как сумматор, представляет собой электронную схему, которая выдает выходной сигнал, равный сумме примененных входов. В этом разделе обсуждается схема сумматора на базе операционного усилителя. Сумматор на базе операционного усилителя выдает выходной сигнал, равный сумме входных напряжений, приложенных к его инвертирующему выводу. Его также называют суммирующим усилителем, поскольку на выходе усилитель

Операционный усилитель как суммирующий усилитель

1. Вычитатель

Разностный усилитель или вычитатель операционного усилителя представляет собой специально разработанную схему усилителя на основе операционного усилителя, которая усиливает разница между двумя входными сигналами и отклоняет любые сигналы, общие для обоих входов.Вычитатель на базе операционного усилителя выдает выходной сигнал, равный разнице входных напряжений, приложенных к его инвертирующим и неинвертирующим клеммам. Его еще называют разностным усилителем, так как на выходе он усиливается. Операционный усилитель

как усилитель-вычитатель

Операционные усилители представляют собой особенно универсальные схемные блоки. Они находят применение во множестве различных схем, где их атрибуты высокого усиления, высокого входного импеданса, низкого выходного импеданса и дифференциального входа позволяют им создать высокопроизводительную схему с минимумом компонентов.Используя отрицательную, а иногда и положительную обратную связь вокруг микросхемы операционного усилителя, они могут использоваться во многих приложениях и схемах для обеспечения множества различных функций от усилителей и фильтров до генераторов, интеграторов и многих других функций. Существует множество схем операционных усилителей, которые покрывают большинство необходимых аналоговых функций. В результате операционные усилители стали рабочей лошадкой для разработчиков аналоговой электроники. Помимо схем, рассмотренных выше, операционные усилители также используются в качестве преобразователей электрических величин, компараторов, логарифмических и антилогарифмических усилителей, выпрямителей, ограничителей, фиксаторов, активных фильтров, синусоидальных генераторов, генераторов сигналов.

Суммирующий усилитель OPAMP – Electronics-Lab.com

Введение

В большинстве наших предыдущих руководств, касающихся операционных усилителей, только один вход подавался либо на инвертирующий, либо на неинвертирующий вход операционного усилителя. Эта новая статья будет иметь дело с конфигурацией, известной как суммирующий усилитель , который дает выходной сигнал, пропорциональный взвешенной сумме множества присутствующих входов.

Входы могут применяться к инвертирующим или неинвертирующим ветвям, что дает две возможные конфигурации, которые будут отдельно представлены в первом и втором разделах.Их обычно называют инвертирующим суммирующим усилителем и неинвертирующим суммирующим усилителем , и мы увидим, в чем их различия и сходства.

В третьем разделе исследуется двойная конфигурация суммирующего усилителя, вычитающего усилителя , .

Инвертирующий суммирующий усилитель

На рисунке на рисунке 1 мы видим общую схему инвертирующего суммирующего усилителя:

Рис.1: Схема инвертирующего суммирующего усилителя

В этой конфигурации N входов V ₁ , V ₂ ,…, V _N подаются на инвертирующий вход операционного усилителя через другой резистор R ₁ , R ₂ ,…, R _N .Выход V _из передается в инвертирующую ветвь через резистор R _F , неинвертирующий вход заземлен.

Мы можем применить теорему Миллмана к V _– , чтобы продемонстрировать выходное соотношение этой схемы:

С гипотезой идеального операционного усилителя, i ₊ = i _– = 0 и V ₊ = V _– = 0, что приводит к выходному соотношению инвертирующего суммирующего усилителя:

уравнение 1: Формула выхода инвертирующего суммирующего усилителя

Интересно отметить, что если мы выровняем все входные резисторы с резистором обратной связи, R ₁ = R ₂ =… = R _N = R _F , мы получаем упрощенную версию для Equation 1 :

уравнение 2: Упрощенная формула выхода с условием равенства резисторов

В этом случае сумма больше не взвешивается, и инвертирующий суммирующий усилитель добавляет входы отрицательно, поскольку фаза выходного сигнала противоположна входам.

Суммирующий неинвертирующий усилитель

Неинвертирующий суммирующий усилитель аналогичен инвертирующему суммирующему усилителю. Однако здесь входы подаются на неинвертирующий вход, в то время как инвертирующая ветвь подключена к обоим выходам операционного усилителя через резистор обратной связи R _F и заземлена через резистор R _G .

рис 2: Представление схемы неинвертирующего суммирующего усилителя

Мы можем применить теорему Миллмана к V ₊ , чтобы продемонстрировать выходное соотношение этой схемы:

Поскольку коэффициент усиления напряжения V _out / V _in = V _out / V ₊ в неинвертирующей конфигурации задается как 1+ (R _F / R _G ) , мы можно сделать вывод, что общее соотношение для выхода неинвертирующего суммирующего усилителя дается формулой Уравнение 3 :

уравнение 3: Выходная формула неинвертирующего суммирующего усилителя

Выражение V ₊ может быть чрезвычайно упрощено, если мы представим R = R ₁ = R ₂ =… = R _N , мы получим действительно:

Кроме того, мы также можем поставить (1 + R _F / R _G ) = N , чтобы получить прямую сумму входных напряжений:

уравнение 4: Упрощенная формула выхода с условием равенства резисторов

С этими двумя условиями мы можем видеть, что выходное напряжение является прямой суммой входных сигналов, так как сумма не взвешена и разность фаз отсутствует.

В заключение этого раздела мы можем провести небольшое сравнение между инвертирующей и неинвертирующей суммирующими конфигурациями. Преимущество инвертирующей конфигурации состоит в том, что даже в общем случае выходной сигнал просто выражается как функция различных значений сопротивления и входных значений.

В неинвертирующей конфигурации выход всегда находится в фазе с входами, что избавляет от необходимости использовать инвертирующий буфер для исправления сигнала. Кроме того, неинвертирующая конфигурация имеет свойство иметь гораздо более высокий входной импеданс, что является преимуществом для правильной подачи желаемых напряжений от источника (например, микрофона) на входы операционного усилителя.

Однако мы видели, что выходное напряжение представляет собой простую взвешенную сумму только при условии равенства всех резисторов в цепи.

Вычитающий усилитель

Если оба входа применяются к инвертирующим и неинвертирующим выводам операционного усилителя, реализуется конфигурация вычитания, такая как представлена ​​на рис. 3 . :

рис. 3: Схема усилителя с вычитанием

Напряжение V ₊ можно выразить формулой делителя напряжения:

Напряжение V _– выражается благодаря теореме Миллмана:

Напомнив, что V ₊ = V _– , несколько шагов упрощения приводят к общему выходному выражению вычитающего усилителя:

уравнение 5: Формула выхода вычитающего усилителя

Мы можем просто показать, уравняв два фактора, что если выполняется условие R _F R ₂ = R _G R ₁ , формула выхода может быть упрощено до Уравнение 6 :

уравнение 6: Упрощенная формула выхода для вычитающего усилителя

Это условие может быть достигнуто путем выравнивания всех сопротивлений: R ₁ = R ₂ = R _G = R _F .В этом случае, поскольку R _F = R ₁ , Уравнение 6 может быть сокращено до прямого вычитания V _из = V ₂ -V _{1 .}

Приложения

Аудиомикшер

Рассмотрим инвертирующий суммирующий усилитель с тремя входами, как показано на Рис. 4 :

Рис. 4: Простой суммирующий усилитель с инвертированием звука

Резисторы здесь заменены потенциометрами, чтобы пользователь мог напрямую управлять выходным сигналом.

Этот тип конфигурации может использоваться в звуковой области, где разные высоты звука могут отдельно обрабатываться через усилитель перед добавлением вместе с возможно разными префакторами.

Обычно диапазоны частот задаются следующим образом:

• низкий: от 20 Гц до 500 Гц
• mid: от 500 Гц до 6 кГц
• high: от 6 кГц до 20 кГц

Согласно формуле , уравнение 1 , выходной сигнал этой конфигурации определяется выражением:

Мы можем четко определить, что потенциометр R _F управляет общим усилением выходного сигнала, увеличение или уменьшение его значения будет одновременно влиять на все частоты.С другой стороны, потенциометры R ₁ , R ₂ , R ₃ влияют только на низкие, средние и высокие частоты, соответственно, и позволяют пользователю балансировать или разбалансировать определенные частоты.

Мы можем отметить, что если мы хотим, чтобы выход был в фазе с различными входами, для его исправления можно использовать простой инвертирующий буфер.

Цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП)

ЦАП – это схема на основе суммирующего усилителя, которая преобразует двоичные данные (0 и 1) в аналоговый сигнал (действительное число).Пример этой схемы с четырьмя двоичными входами, известный как четырехразрядный ЦАП , представлен на рис. 5 :

рис. 5: Представление схемы четырехразрядного ЦАП

Значения резистора не выбираются случайным образом, их значения всегда должны удваиваться по сравнению с предыдущей ветвью. Это обеспечивает правильное преобразование двоичного числа в десятичное.

В качестве примера рассмотрим двоичный четырехбитный вход 1101 (V ₁ = 1; V ₂ = 1; V ₃ = 0; V ₄ = 1).Согласно формуле , уравнение 1 , результат определяется по формуле:

Правильность этого результата может быть подтверждена, если мы вручную преобразуем тот же ввод в десятичное число: (1101) _{десятичное} = (1 × 2 ³ ) + (1 × 2 ² ) + (0 × 2 ¹ ) + (1 × 2 ⁰ ) = 13 .

На практике схема, показанная на рис. 5 , может быть реализована только до определенного числа битов, в зависимости от точности резисторов, которые должны точно удваивать свое значение для каждого добавленного бита.Альтернативная схема, известная как R-2R Ladder DAC , предпочтительна для более высоких двоичных чисел.

Заключение

Суммирующий усилитель может быть основан на конфигурации с инвертированием или с неинвертирующей конфигурацией . Несмотря на высокий входной импеданс и синфазный выходной сигнал, которые может обеспечить неинвертирующий суммирующий усилитель, инвертирующий суммирующий усилитель является более распространенным, поскольку его выход представляет собой простую взвешенную сумму.

Действительно, неинвертирующий суммирующий выход представляет собой простую взвешенную или прямую сумму входов только при выполнении условия равенства между всеми резисторами в цепи.

После представления и подробного описания этих двух суммирующих конфигураций, в третьем разделе был представлен вычитающий усилитель , , который немного отличается от суммирующих усилителей и используется для вычитания двух или более сигналов, применяя их как на инвертирующих, так и на неинвертирующих выводах.

Наконец, в последнем разделе мы представляем возможные применения суммирующих усилителей. Действительно, инвертирующий суммирующий усилитель можно использовать в качестве аудиомикшера для отдельного управления важностью каждого входа, входами могут, например, быть диапазоны частот или выходы различных инструментов.

Мы также показываем, что суммирующие усилители могут использоваться как простые цифроаналоговые преобразователи, когда значение сопротивления для каждого добавляемого бита удваивается.

Описание операционного усилителя

– ВСЕ ОБ ЭЛЕКТРОНИКЕ

Что такое операционный усилитель?

Как следует из названия, операционный усилитель – это один из типов усилителей. Основная функция любого усилителя – усиление входного сигнала. Но помимо усиления сигнала, с помощью операционного усилителя также можно выполнять различные арифметические операции.

В первые дни, когда цифровые компьютеры не развивались, операционные усилители использовались для выполнения различных арифметических операций, таких как сложение, вычитание, интегрирование и дифференцирование.

По этой причине он известен как операционный усилитель . (Усилитель, который может выполнять различные (арифметические) операции)

Обозначение схемы операционного усилителя

Рис.1 Обозначение схемы операционного усилителя

Как показано на рисунке, операционный усилитель -amp состоит из двух входов, одного выхода и двух источников питания.(положительные и отрицательные источники питания).

Некоторые операционные усилители работают от одного источника питания. (Такие операционные усилители известны как операционные усилители с однополярным питанием)

В обозначении схемы операционного усилителя входная клемма, отмеченная как положительная, известна как неинвертирующая входная клемма, а клемма, отмеченная отрицательным знаком, известна как инвертирующий входной терминал. (как показано ниже на рисунке)

V + – положительное напряжение смещения

V- – отрицательное напряжение смещения

Рис.2 Инвертирующие и неинвертирующие входные клеммы операционного усилителя

Работа операционного усилителя в конфигурации с разомкнутым контуром:

В конфигурации с разомкнутым контуром операционный усилитель работает без какой-либо обратной связи .

В конфигурации с разомкнутым контуром операционный усилитель усиливает разницу между двумя входными клеммами (между инвертирующими и неинвертирующими входами)

Как показано на рисунке 1, если V1 и V2 являются входами без инвертирующий и инвертирующий входные клеммы, затем выход операционного усилителя

Vo = Aol x (V1 – V2)

где Aol – коэффициент усиления разомкнутого контура операционного усилителя

Как показано на рис.3, если вход подается на неинвертирующую входную клемму (V1), а другая входная клемма заземлена, то выход может быть задан как

Vo = Aol x V1

Рис. Операционный усилитель в конфигурации с разомкнутым контуром с входом, подаваемым на неинвертирующую входную клемму

Аналогично, как показано на рисунке 4, когда вход подается только на инвертирующую входную клемму, а неинвертирующий вход заземлен, тогда выход может быть задан как

Vo = – Aol x V2

Рис.4 Работа операционного усилителя в конфигурации с разомкнутым контуром с входом, подаваемым на инвертирующую входную клемму

Если дифференциальный вход Vd применяется между неинвертирующим и инвертирующим входными клеммами (как показано на рис. 5), тогда выходной сигнал в конфигурации с разомкнутым контуром может быть задан как

Vo = Aol x Vd

Рис. усиление разомкнутого контура операционного усилителя очень велико.5, тогда Vo = 100В. (Теоретически)

Но выход операционного усилителя будет ограничен как положительным, так и отрицательным напряжением насыщения (± Vsat).

Для одного операционного усилителя, если напряжения насыщения составляют ± 12 В, то для приведенного выше примера выход будет ограничен до 12 В,

И даже для Vd = 5 мВ, Vo = 12 В.

Итак, в таком случае говорят, что операционный усилитель работает в области насыщения. Обычно напряжение насыщения меньше напряжения смещения операционного усилителя.

Кривая передачи напряжения операционного усилителя в конфигурации с разомкнутым контуром:

То же явление, описанное выше, также можно объяснить с помощью кривой передачи напряжения операционного усилителя.

На рис. 6 показана кривая передачи напряжения операционного усилителя в разомкнутой конфигурации.

Рис. 6 Кривая передачи напряжения операционного усилителя в конфигурации с разомкнутым контуром

Как показано на рисунке, выходное напряжение Vo представлено по оси Y и дифференциальным входом операционного усилителя. представлен на оси X.

Очевидно, что в конфигурации с разомкнутым контуром только для очень небольшого дифференциального входа (обычно в мкВ) выход операционного усилителя будет работать в линейном диапазоне. Помимо этого, операционный усилитель будет работать в области насыщения. (Из-за очень высокого усиления операционного усилителя). В линейной области наклон кривой представляет коэффициент усиления по напряжению в разомкнутом контуре операционного усилителя.

В конфигурации с разомкнутым контуром операционный усилитель может использоваться в качестве компаратора. Кроме того, с обратной связью, операционный усилитель может использоваться в различных приложениях.

Вот несколько важных применений операционного усилителя.

Применения операционного усилителя:

1. Компаратор
2. Активные фильтры
3. Осцилляторы и мультивибраторы
4. Цепи формирования волны и формы волны
5. Аналого-цифровой преобразователь (АЦП)
6. Цифро-аналоговый преобразователь
Линейное усиление
7. Для выполнения арифметических операций с сигналом (сложение, вычитание, умножение, интегрирование, дифференцирование и т. Д.)

Эквивалентная схема операционного усилителя:

Рис. 7 Эквивалентная схема операционного усилителя

На рис. 7 показана эквивалентная схема операционного усилителя.

Где,

V1, V2 – неинвертирующий и инвертирующий вход операционного усилителя

Vd = V1 – V2

Ri – входное сопротивление операционного усилителя

Ro – выходное сопротивление операционного усилителя

A – Коэффициент усиления разомкнутого контура операционного усилителя

Характеристики идеального операционного усилителя:

Как уже упоминалось выше, операционный усилитель является очень универсальной ИС и может использоваться в различных приложениях.Благодаря своим благоприятным характеристикам он используется в различных приложениях.

Вот список характеристик идеального операционного усилителя

1. Бесконечное входное сопротивление
2. Нулевое выходное сопротивление
3. Бесконечное усиление напряжения
4. Бесконечная полоса пропускания
5. Бесконечная скорость нарастания
6. Бесконечное отношение подавления синфазного сигнала
(CMRR)
7. Нулевое входное напряжение смещения (Выход равен нулю, когда вход равен нулю)

Характеристики реального операционного усилителя будут отличаться от идеального операционного усилителя.Чтобы получить представление, характеристики очень популярного операционного усилителя IC 741 показаны ниже:

Таблица 1: Характеристики микросхемы операционного усилителя 741

Чтобы получить больше информации об операционном усилителе, посмотрите это видео. на операционном усилителе.

Идеальный операционный усилитель (операционный усилитель)

Ultimate Electronics: практическое проектирование и анализ схем

---

Идеальная модель операционного усилителя является ключевым строительным блоком при проектировании 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 (нижних частот, верхних частот, 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, каким образом 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 проекта.

---

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 «+» вверху или внизу, в зависимости от того, что упрощает рисование остальной 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 управляемым напряжением (VCVS):

Если вы посмотрите внимательно, 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-либо конкретное напряжение, и какое бы оно ни было напряжение, оно обязательно будет относительно того, что мы измеряем. Однако при анализе схемы идеального 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 все равно 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.
• Если на неинвертирующем (+) входе напряжение ниже на , чем на инвертирующем (-) входе, операционный усилитель 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, намного проще анализировать), и когда эта упрощенная модель, вероятно, вступит в противоречие с реальностью. Мы рассмотрим эти вопросы более подробно в следующих разделах.

Никакой ток не может течь на входные клеммы идеального операционного усилителя или выходить из них. Входные клеммы могут измерять только свое напряжение. От Thevenin Equivalent Circuits это все равно что сказать, что входное сопротивление, смотрящее на входные клеммы, бесконечно: Zin = ∞

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

В идеальных операционных усилителях мы предполагаем, что неинвертирующий и инвертирующий 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 подумать 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 ограничение на скорость увеличения или падения выходной мощности, измеряемую в Vs. . (Это похоже на мысленный трюк с размышлением о бесконечном усилении без обратной связи, 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 зависит от 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 намного раньше 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 входных напряжений чрезвычайно малой, в пределах диапазона, в котором мы действительно наблюдаем в основном линейное поведение.Можно с уверенностью предположить линейность идеального операционного усилителя.

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 таблицу, чтобы быть уверенным.

Идеальный операционный усилитель может выдавать любое напряжение. Но в реальном операционном усилителе вы ограничены возможностями выходных транзисторов. 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 его 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 шумами 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 идут на 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 предположение 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, когда пределы не превышены. 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.)

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 из-за наличия 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 входных значений.

В реальном мире операционный усилитель – не лучший аналоговый компаратор напряжения: есть гораздо лучшие специализированные детали. Однако это одно из немногих приложений операционных усилителей без обратной связи, так что вы можете создать и протестировать его в своей лаборатории.

---

Полезно моделировать схемы операционного усилителя в области Лапласа, потому что мы можем решать системы с обратной связью 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 изучили 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 спроектировать 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 в обработке 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., 2021, ultimateelectronicsbook.com. Доступно. (Авторское право © CircuitLab, Inc., 2021)

Ошибка разрыва связи

Щиток приборов

ECE 1250-001 Весна 2018

Перейти к содержанию Щиток приборов

• Авторизоваться

• Приборная панель

• Календарь

• Входящие

• История

• Помощь

Закрывать
• Мой Dashboard
• ECE 1250-001 Весна 2018
Весна 2018
• Home
• Задания
• Pages
• Files
• Syllabus
• Media Gallery
• My Media
• Office 365
• Adobe Creative Cloud
• ConexED
• Zoom
• Курс

• К сожалению, вы обнаружили неработающую ссылку!

  .