Схема включения операционного усилителя: Схемы включения операционных усилителей | HomeElectronics

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.

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

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.

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

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

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 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

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,

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

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.

Основные схемы включения операционного усилителя

Дифференциальное включение

Рис. 4. Дифференциальное включение ОУ

    На рис. 4 приведена схема дифференциального включения ОУ. Найдем зависимость выходного напряжения ОУ от входных напряжений. Вследствие свойства а) идеального операционного усилителя разность потенциалов между его входами p и n равна нулю. Соотношение между входным напряжением U₁ и напряжением U_p между неинвертирующим входом и общей шиной определяется коэффициентом деления делителя на резисторах R₃ и R₄:

U

    Поскольку напряжение между инвертирующим входом и общей шиной U_n

I

    Вследствие свойства c) идеального ОУ I₁=I₂. Выходное напряжение усилителя в таком случае равно:

U

    Подставив (3) и (4) в (5), получим:

    При выполнении соотношения R₁R₄ = R₂R₃,

U

    Примечание 1: Нетрудно убедиться, что соотношения (6), (7) справедливы и в случае, если вместо резисторов R₁ и R₂ включены двухполюсники, содержащие в общем случае конденсаторы и катушки индуктивности, с операторным входным сопротивлением, соответственно, Z₁(s) и Z₂(s).

Инвертирующее включение

    При инвертирующем включении неинвертирующий вход ОУ соединяется с общей шиной (рис. 5).

Рис. 5. Инвертирующее включение ОУ

    Таким образом, выходное напряжение усилителя в инвертирующем включении находится в противофазе по отношению ко входному. Коэффициент усиления входного сигнала по напряжению этой схемы в зависимости от соотношения сопротивлений резисторов может быть как больше, так и меньше единицы.

    Найдем входное сопротивление схемы. Поскольку напряжение на неинвертирующем входе относительно общей шины равно нулю, согласно свойству а) идеального ОУ входной ток схемы I₁ = U₂ / R₁. Следовательно, входное сопротивление схемы R_вх = R₁. Поскольку напряжение на неинвертирующем входе усилителя равно нулю, а согласно свойству а) идеального ОУ разность потенциалов между его входами равна нулю, то инвертирующий вход в этой схеме иногда называют виртуальным (т. е. воображаемым) нулем.

Неинвертирующее включение

    При неинвертирующем включении входной сигнал подается на неинвертирующий вход ОУ, а на инвертирующий вход через делитель на резисторах R₁ и R₂ поступает сигнал с выхода усилителя (рис. 6). Здесь коэффициент усиления схемы K найдем, положив в (6) U₂ = 0, R₃ = 0, R₄ бесконечно велико. Получим:

Рис. 6. Неинвертирующее включение ОУ

Как видно, здесь выходной сигнал синфазен входному. Коэффициент усиления по напряжению не может быть меньше единицы. В предельном случае, если выход ОУ накоротко соединен с инвертирующим входом, этот коэффициент равен единице. Такие схемы называют неинвертирующими повторителями и изготавливают серийно в виде отдельных ИМС по нескольку усилителей в одном корпусе. Входное сопротивление этой схемы в идеале – бесконечно. Ниже будет показано, что у повторителя на реальном операционном усилителе это сопротивление конечно, хотя и весьма велико.

Калейдоскоп схем на операционных усилителях

Операционные усилители

Калейдоскоп схем на операционных усилителях

Мы предоставляем читателю право самостоятельно проанализировать работу приведенных ниже схем.

Схема с инвертированием по выбору. Схемы, представленные на рис. 4.14, позволяют инвертировать входной сигнал или пропускать его без инвертирования в зависимости от положения переключателя. Положение переключателя определяет также коэффициент усиления по напряжению – он может быть равен или +1, или -1.

Рис. 4.14.

Упражнение 4.5. Покажите, что схемы, представленные на рис. 4.14, работают так, как сказано выше.

Повторитель со следящей связью. В транзисторных усилителях на величину входного импеданса могут влиять цепи смешения; такая же проблема возникает при использовании ОУ, особенно с межкаскадными связями по переменному току, когда ко входу обязательно должен быть подключен заземленный резистор. Схема со следящей связью, представленная на рис. 4.15. позволяет решить эту проблему. Как и в транзисторной схеме со следящей связью (разд. 2.17), конденсатор емкостью 0,1 мкФ вместе с верхним резистором с сопротивлением 1 МОм образует для входных сигналов высокоомную входную цепь. Низкочастотный спад усиления для этой схемы начинается на частоте 10 Гц, на более низких частотах на спаде усиления начинает сказываться влияние обоих конденсаторов и ослабление оценивается величиной 12дБ/октава. Замечание: у вас может появиться искушение уменьшить величину входного конденсатора связи, так как его нагрузка привязана к высокому импедансу. Однако, это может привести к появлению пика в частотной характеристике, как в характеристике схемы активного фильтра (см. разд. 5.06).

Рис. 4.15.

Идеальный преобразователь тока в напряжение. Напомним, что простейшим преобразователь тока в напряжение – это всего – навсего резистор. Однако у него есть недостаток, который состоит в том, что для источника входного сигнала входное сопротивление такого преобразователя не равно нулю; этот недостаток может оказаться очень серьезным, если устройство, обеспечивающее входной ток, имеет очень малый выходной рабочий диапазон или не может обеспечить постоянство тока при изменении выходного напряжения. Примером может служить диодный фотоэлемент (фотодиод), или солнечная батарея. Небольшой светочувствительностью обладают даже обычные диоды в прозрачных корпусах, которые используются почти в любой схеме (известно немало историй о загадочном поведении схем которое в конце концов было объяснено этим эффектом). На рис. 4.16 представлена хорошая схема для преобразования тока в напряжение, в которой потенциал входа поддерживается строго равным потенциалу земли. Инвертирующий вход имеет квазинуль потенциала; это очень хорошо, так как фотодиод может создавать потенциал, равный всего нескольким десятым долям вольта. Представленная схема обеспечивает преобразование тока в напряжение в отношении 1 В на 1 мкА входного тока. (В ОУ с биполярными плоскостными транзисторами на входах иногда между неинвертирующим входом и землей включают резистор: его функции мы определим, когда будем обсуждать недостатки операционных усилителей).

Рис. 4.16.

Безусловно, этот преобразователь тока в напряжение можно с таким же успехом использовать с элементами, через которые протекает ток при наличии положительного напряжения возбуждения, например U_кк. В такую схему часто включают фотоумножители и фототранзисторы (оба элемента под воздействием света начинают потреблять ток от положительно источника питания (рис. 4.17).

Упражнение 4.4. Используя ОУ типа 411 и измерительный прибор на 1 мА (полный размах шкалы), разработайте схему «идеального» измерителя тока (т. е. с нулевым входным импедансом) с полным размахом шкалы, рассчитанным на 5 мА. Разработайте схему так, чтобы входной сигнал никогда не превышал ±150% полного размаха шкалы. Предположите, что диапазон выходного сигнала для ОУ типа 411 составляет ±13 В (источники питания ±15 В), а внутреннее сопротивление измерительного прибора равно 500 Ом.

Рис. 4.17.

Дифференциальный усилитель. На рис. 4.18 представлена схема дифференциального усилителя, коэффициент усиления которого равен R₂/R₁. В этой схеме, как и в схеме источника тока с согласованными резисторами, для получения высокого значения КОСС необходимо обеспечить точное согласование резисторов. Для этого лучше всего при первом удобном случае создать запас резисторов с сопротивлением 100 кОм и точностью 0,01%. Коэффициент усиления дифференциального усилителя будет равен единице, но этот недостаток легко устранить за счет последующих усилительных каскадов (с несимметричным входом). Более подробно дифференциальные усилители рассмотрены в гл. 7.

Рис. 4.18.

Суммирующий усилитель. Схема, показанная на рис. 4.19, представляет собой один из вариантов инвертирующего усилителя. Точка X имеет потенциальный нуль, поэтому входной ток равен U₁/R + U₂/R + U₃/R, отсюда U_вых = – (U_l + U₂ + U₃). Обратите внимание, что входные сигналы могут быть как положительными, так и отрицательными. Кроме того, входные резисторы не обязательно должны быть одинаковыми; если они неодинаковы, то получим взвешенную сумму. Например, схема может иметь 4 входа, на каждом из которых напряжение равно + 1 В или О В; входы представляют двоичные значения: 1, 2, 4 и 8. Если использовать резисторы с сопротивлением 10, 5, 2,5 и 1,25 кОм. то снимаемое с выхода напряжение (в вольтах) будет пропорционально двоичному числу, которое задано на входе. Эту схему нетрудно расширить до нескольких цифр. Описанный метод представления чисел лежит в основе цифро-аналогового преобразования, правда, на входе преобразователя обычно используют другую схему (резистивную сетку R – 2R).

Рис. 4.19.

Упражнение 4.5. Постройте схему цифро-аналогового преобразователя на две десятичные цифры, подобрав соответствующим образом входные резисторы для суммирующего усилителя. Цифровой вход должен представлять собой две цифры; каждый вход должен состоять из четырех шин, соответствующих значениям 1, 2, 4 и 8, из которых формируется десятичная цифра. Потенциал входной шины может быть равен потенциалу земли или +1 В, т. е. восемь входных шин соответствуют числам 1, 2, 4. 8. 10. 20, 40 и 80. В связи с тем, что диапазон выходного сигнала ограничен значениями ±13 В, нужно сделать так, чтобы выходное напряжение (в вольтах) составляло одну десятую часть числа на входе.

Предусилитель для электромагнитного звукоснимателя. Предусилитель для звукоснимателя по стандарту RIAA представляет собой пример усилителя с частотной характеристикой особого вида. При записи звука на пластинку амплитудная характеристика имеет почти плоский вид, с другой стороны, электромагнитный звукосниматель реагирует на скорость движения иглы в бороздке диска, следовательно, усилитель воспроизведения должен иметь подъем частотной характеристики на низких частотах. Такую характеристику обеспечивает схема, показанная на рис. 4.20. График представляет собой частотную характеристику усилителя воспроизведения (построенную относительно значения коэффициента усиления 0 дБ при частоте 1 кГц), точки перегиба графика отмечены в единицах времени. Заземленный конденсатор емкостью 47 мкФ уменьшает коэффициент усиления по постоянному току до единицы, в противном случае он был бы равен 1000; как упоминалось выше, это делается для того, чтобы устранить усиление входного сдвига по постоянному току Использованная в примере интегральная схема типа LM833 представляет собой сдвоенный ОУ, предназначенный для использования в звуковом диапазоне («золотой» для данного примера является схема типа LM1028, которая в 13 дБ раз тише ив 10 дБ раз дороже, чем схема типа 833!).

Рис. 4.20. Операционный усилитель в схеме предусилителя звуковых частот для электрофонов с электромагнитной головкой и коррекцией частотной характеристики по стандарту RIAA.

Усилитель мощности (бустер). Для получения больших выходных токов к выходу ОУ можно подключить мощный транзисторный повторитель (рис. 4.21). В примере использован неинвертирующий усилитель, но повторитель можно подключать к любом операционному усилителю. Обратите внимание, что сигнал обратной связи снимается с эмиттера; следовательно, обратная связь определяет нужное выходное напряжение независимо от падения напряжения U_бэ. При использовании этой схемы возникает обычная проблема, связанная с тем, что повторитель может только отдавать ток (для n-p-n – транзистора). Как и в случае транзисторного повторителя, проблема решается применением двухтактного варианта схемы (рис. 4.22). В дальнейшем мы покажем, что ограниченная скорость, с которой может изменяться напряжение на выходе (скорость нарастания), накладывает серьезные ограничения на быстродействие усилителя в переходной области и вызывает переходные искажения. Если усилитель будет использоваться в системе с малым быстродействием, то смешать двухтактную пару в состоянии покоя не нужно, так как переходные искажения будут в основном устранены за счет обратной связи. Промышленность выпускает несколько типов интегральных схем усилителей мощности для операционных усилителей, например LT1010, ОРА633 и 3553. Эти двухтактные усилители с единичным коэффициентом усиления работают на частотах до 100 МГц и выше, их выходной ток равен 200 мА. Их смело можно охватывать петлей обратной связи.

Рис. 4.21.

Рис. 4.22.

Источник питания. Операционный усилитель может работать как усилитель в стабилизаторе напряжения с обратной связью (рис. 4.23). Операционный усилитель сравнивает выходное напряжение с эталонным напряжением стабилитрона и соответственно управляет составным транзистором Дарлингтона, выполняющим функции «проходного транзистора». Эта схема обеспечивает стабилизированное напряжение 10 В при протекании через нагрузку тока до 1 А. Некоторые замечания по этой схеме:
1. Делитель, с которого снимается выходное напряжение, может быть выполнен в виде потенциометра, тогда выходное напряжение можно будет регулировать.
2. Для ослабления пульсаций на зенеровском диоде (стабилитроне) резистор с сопротивлением 10 кОм полезно заменить источником тока. Другой вариант состоит в том, чтобы смещение зенеровского диода задавать от выходного сигнала; в этом случае вы с пользой применяете стабилизатор, который построили. Замечание: если вы захотите воспользоваться этим трюком, то внимательно проанализируйте вашу схему и убедитесь в том, что она запускается, когда на нее подается питание.
3. Схема, подобная рассмотренной, может быть повреждена при возникновении короткого замыкания на выходе. Это связано с тем, что при этом ОУ стремится обеспечить протекание через составной транзистор очень большого тока. В стабилизированном источнике питания всегда следует предусматривать схему для ограничения «аварийного» тока (более подробно вы познакомитесь с этим вопросом в разд. 6.05).
4. Промышленность выпускает разнообразные стабилизаторы напряжения в интегральном исполнении, начиная от освященных временем интегральных схем типа 723 до недавно появившихся 3-выводных регулируемых стабилизаторов с внутренними средствами ограничения тока и ограничения по перегреву (см. табл. 6.8-6.10). Эти устройства, в которых имеются встроенные температурно-компенсированный источник эталонного напряжения и проходной транзистор, Так удобны в работе, что операционные усилители общего назначения теперь почти никогда не используются в стабилизатоpax напряжения. Исключением являются случаи, когда стабильное напряжение нужно сформировать внутри схемы. уже имеющей стабилизированный источник напряжения.

Рис. 4.23.

В гл. 6 мы подробно поговорим о стабилизаторах напряжения и источниках питания и рассмотрим специальные интегральные схемы, предназначенные для использования в качестве стабилизаторов напряжения.

Подробный анализ работы операционных усилителей

схемы включения, принцип работы.

В статье будет рассмотрена стандартная схема усилителя на операционном усилителе, а также приведены примеры различных режимов работы этого прибора. На сегодняшний день ни одно устройство управления не обходится без использования операционных усилителей. Это поистине универсальные приборы, которые позволяют выполнять различные функции с сигналом. О том, как работает и что конкретно позволяет сделать этот прибор, вы и узнаете далее.

Инвертирующие усилители

Схема инвертирующего усилителя на ОУ достаточно проста, вы ее можете увидеть на изображении. В ее основе находится операционный усилитель (схемы включения его рассмотрены в данной статье). Кроме этого, здесь:

1. На резисторе R1 падение напряжения присутствует, по своему значению оно такое же, как входное.
2. На резисторе R2 также имеется падение напряжения – оно такое же, как выходное.

При этом отношение выходного напряжения к сопротивлению R2 равно по значению отношению входного к R1, но обратно ему по знаку. Зная значения сопротивления и напряжения, можно вычислить коэффициент усиления. Для этого необходимо разделить выходное напряжение на входное. При этом операционный усилитель (схемы включения у него могут быть любыми) может иметь одинаковый коэффициент усиления независимо от типа.

Работа обратной связи

Теперь нужно более детально разобрать один ключевой момент – работу обратной связи. Допустим, на входе имеется некоторое напряжение. Для простоты расчетов примем его значение равным 1 В. Допустим также, что R1=10 кОм, R2=100 кОм.

А теперь предположим, что возникла какая-то непредвиденная ситуация, из-за которой на выходе каскада напряжение установилось на значении 0 В. Далее наблюдается интересная картина – два сопротивления начинают работать в паре, совместно они создают из себя делитель напряжения. На выходе инвертирующего каскада оно поддерживается на уровне 0,91 В. При этом ОУ позволяет фиксировать рассогласование по входам, а на выходе происходит уменьшение напряжения. Поэтому очень просто спроектировать схему на операционных усилителях, реализующую функцию усилителя сигнала от датчика, например.

И продолжаться это изменение будет до той самой поры, покуда не установится на выходе значение стабильное в 10 В. Именно в этот миг на входах операционного усилителя потенциалы окажутся равными. И они будут такими же, как потенциал земли. С другой стороны, если на выходе устройства продолжит уменьшаться напряжение, и оно будет меньше, чем -10 В, на входе потенциал станет ниже, нежели у земли. Следствие этого – на выходе начинает увеличиваться напряжение.

У такой схемы имеется большой недостаток – входной импеданс очень маленький, в особенности у усилителей с большим значением коэффициента усиления по напряжению, в том случае, если цепь обратной связи замкнута. А конструкция, рассмотренная дальше, лишена всех этих недостатков.

Неинвертирующий усилитель

На рисунке приведена схема неинвертирующего усилителя на операционном усилителе. Проанализировав ее, можно сделать несколько выводов:

1. Значение напряжения UA равно входному.
2. С делителя снимается напряжение UA, которое равно отношению произведения выходного напряжения и R1 к сумме сопротивлений R1 и R2.
3. В случае, когда UA по значению равен входному напряжению, коэффициент усиления равен отношению выходного напряжения к входному (или же можно к отношению сопротивлений R2 и R1 прибавить единицу).

Называется данная конструкция неинвертирующим усилителем, у него практически бесконечный входной импеданс. Например, для операционных усилителей 411 серии его значение – 1012 Ом, минимум. А для операционных усилителей на биполярных полупроводниковых транзисторах, как правило, свыше 108 Ом. А вот выходной импеданс каскада, равно как и в ранее рассмотренной схеме, очень мал – доли ома. И это нужно учитывать, когда производится расчет схем на операционных усилителях.

Схема усилителя переменного тока

Обе схемы, рассмотренные в статье ранее, работают на постоянном токе. Но вот если в качестве связи источника входного сигнала и усилителя выступает переменный ток, то придется предусматривать заземление для тока на входе устройства. Причем нужно обратить внимание на то, что значение тока крайне мало по величине.

В том случае, когда происходит усиление сигналов переменного тока, необходимо уменьшать коэффициент усиления сигнала постоянного до единицы. В особенности это актуально для случаев, когда коэффициент усиления по напряжению очень большой. Благодаря этому имеется возможность значительно снизить влияние напряжения сдвига, которое приводится к входу устройства.

Второй пример схемы для работы с переменным напряжением

В данной схеме на уровне -3 дБ можно видеть соответствие частоте 17 Гц. На ней у конденсатора импеданс оказывается на уровне двух килоом. Поэтому конденсатор должен быть достаточно большим.

Чтобы построить усилитель переменного тока, необходимо использовать неинвертирующий тип схемы на операционных усилителях. И у него должен быть достаточно большой коэффициент усиления по напряжению. Но вот конденсатор может быть чересчур большим, поэтому лучше всего отказаться от его использования. Правда, придется правильно подобрать напряжение сдвига, приравняв его по значению к нулю. А можно применить Т-образный делитель и увеличить значения сопротивлений обоих резисторов в схеме.

Какую схему предпочтительнее использовать

Большинство разработчиков отдают свое предпочтение неинвертирующим усилителям, так как у них очень высокий импеданс на входе. И пренебрегают схемам инвертирующего типа. Зато у последнего имеется огромное преимущество – он не требователен к самому операционному усилителю, который является его «сердцем».

Кроме того, характеристики, на поверку, у него значительно лучше. И с помощью мнимого заземления можно без особого труда все сигналы комбинировать, причем они не будут оказывать друг на друга какое-то влияние. Может использоваться в конструкциях и схема усилителя постоянного тока на операционном усилителе. Все зависит от потребностей.

И самое последнее – случай, если вся схема, рассмотренная здесь, подключается к стабильному выходу другого операционного усилителя. В этом случае значение импеданса на входе не играет существенной роли – хоть 1 кОм, хоть 10, хоть бесконечность. В этом случае первый каскад всегда выполняет свою функцию по отношению к следующему.

Схема повторителя

Работает повторитель на операционном усилителе аналогично эмиттерному, построенному на биполярном транзисторе. И выполняет аналогичные функции. По сути, это неинвертирующий усилитель, в котором у первого резистора сопротивление бесконечно большое, а у второго равно нулю. При этом коэффициент усиления равен единице.

Имеются специальные типы операционных усилителей, которые используются в технике лишь для схем повторителей. У них значительно лучшие характеристики – как правило, это высокое быстродействие. В качестве примера можно привести такие операционные усилители как OPA633, LM310, TL068. Последний имеет корпус, как у транзистора, а также три вывода. Очень часто такие усилители называют просто буферами. Дело в том, что они обладают свойствами изолятора (очень большой входной импеданс и крайне низкий выходной). Примерно по такому принципу строится и схема усилителя тока на операционном усилителе.

Активный режим работы

По сути, это такой режим работы, при котором выходы и входы операционного усилителя не перегружаются. Если на вход схемы подать очень большой сигнал, то на выходе его просто начнет резать по уровню напряжения коллектора или эмиттера. А вот когда на выходе напряжение фиксируется на уровне среза – на входах ОУ напряжение не меняется. При этом размах не может оказаться большим, нежели напряжение питания усилительного каскада.

Большая часть схем на операционных усилителях рассчитывается таким образом, что этот размах меньше питающего напряжения на 2 В. Но все зависит от того, какая используется конкретно схема усилителя на операционном усилителе. Такое же имеется ограничение на устойчивость источника тока на базе операционного усилителя.

Допустим, есть в источнике с плавающей нагрузкой некое падение по напряжению. В случае если ток имеет нормальное направление движения, можно встретить странную на первый взгляд нагрузку. Например, несколько переполюсованных батарей питания. Такая конструкция может применяться для того, чтобы получить прямой ток заряда.

Некоторые предосторожности

Простой усилитель напряжения на операционном усилителе (схема может быть выбрана любая) можно изготовить буквально “на коленке”. Но потребуется учитывать некоторые особенности. Обязательно нужно удостовериться, что обратная связь в схеме отрицательная. Это также говорит о том, что недопустимо путать неинвертирующий и инвертирующий входы усилителя. Кроме того, должна присутствовать цепочка обратной связи для постоянного тока. Иначе операционный усилитель начнет быстро переходить в режим насыщения.

У большинства операционных усилителей входное дифференциальное напряжение очень маленькое по значению. При этом максимальная разность неинвертирующего и инвертирующего входов может ограничиваться значением 5 В при любом подключении источника питания. Если пренебречь данным условием, появятся на входе довольно большие значения токов, которые приведут к тому, что все характеристики схемы ухудшатся.

Самое страшное в этом – физическое разрушение самого операционного усилителя. В результате перестает работать схема усилителя на операционном усилителе полностью.

Следует учитывать

И, конечно же, нужно рассказать о правилах, которые стоит соблюдать, чтобы обеспечить стабильную и долговечную работу операционного усилителя.

Самое главное – ОУ обладает очень высоким коэффициентом усиления по напряжению. И если между входами напряжения изменятся на долю милливольт, на выходе его значение может измениться существенно. Поэтому важно знать: у операционного усилителя выход старается стремиться к тому, чтоб между входами разница напряжений оказалась близка (в идеале равна) к нулю.

Второе правило – потребление тока операционным усилителем крайне малое, буквально наноамперы. Если же на входах установлены полевые транзисторы, то оно исчисляется пикоамперами. Отсюда можно сделать вывод, что входы не потребляют ток, независимо от того, какой используется операционный усилитель, схема – принцип работы остается тем же.

Но не стоит думать, что ОУ действительно постоянно меняет на входах напряжение. Физически это осуществить почти нереально, так как не было бы соответствия со вторым правилом. Благодаря операционному усилителю происходит оценка состояния всех входов. При помощи схемы обратной внешней связи передается напряжение на вход с выхода. Результат – между входами операционного усилителя разница напряжений находится на уровне нуля.

Понятие обратной связи

Это распространенное понятие, и оно уже применяется в широких смыслах во всех областях техники. В любой системе управления имеется обратная связь, которая сравнивает выходной сигнал и заданное значение (эталонное). В зависимости от того, какое значение текущее – происходит корректировка в нужную сторону. Причем системой управления может быть что угодно, даже автомобиль, которые едет по дороге.

Водитель жмет на тормоза, и обратная связь здесь – начало замедления. Проведя аналогию с таким простым примером, можно лучше разобраться с обратной связью в электронных схемах. А отрицательная обратная связь – это если бы при нажимании педали тормоза автомобиль ускорялся.

В электронике обратной связью называют процесс, во время которого происходит передача сигнала с выхода на вход. При этом происходит также погашение сигнала на входе. С одной стороны, это не очень разумная идея, ведь может показаться со стороны, что значительно уменьшится коэффициент усиления. Такие отзывы, кстати, получали основоположники разработки обратной связи в электронике. Но стоит разобраться детальнее в ее влиянии на операционные усилители – практические схемы рассмотреть. И станет ясно, что она и правда немного уменьшает коэффициент усиления, но зато позволяет несколько улучшить остальные параметры:

1. Сгладить частотные характеристики (приводит их к необходимой).
2. Позволяет предсказывать поведение усилителя.
3. Способна устранить нелинейность и искажения сигнала.

Чем глубже обратная связь (речь идет про отрицательную), тем меньшее влияние оказывают на усилитель характеристики с разомкнутой ОС. Результат – все его параметры зависят только от того, какие свойства имеет схема.

Стоит обратить внимание на то, что все операционные усилители работают в режиме с очень глубокой обратной связью. А коэффициент усиления по напряжению (с ее разомкнутой петлей) может достигать даже нескольких миллионов. Поэтому схема усилителя на операционном усилителе крайне требовательна к соблюдению всех параметров по питанию и уровню входного сигнала.

Примеры программирования микроконтроллеров, создание схем на микроконтроллерах, микроконтроллеры для начинающих

Схемы на lm358 своими руками.

Операционный усилитель LM358 стал одним из самых популярных типов компонентов аналоговой электроники. Этот небольшой компонент может быть использован в самых разнообразных схемах, осуществляющих усиление сигналов, в различных генераторах, АЦП и прочих полезных устройствах.

Все радиоэлектронные компоненты следует разделять по мощности, диапазону рабочих частот, напряжению питания и прочим параметрам. А операционный усилитель LM358 относится к среднему классу устройств, которые получили самую широкую сферу применения для конструирования различных устройств: приборы контроля температуры, аналоговые преобразователи, промежуточные усилители и прочие полезные схемы.

Описание микросхемы LM358

Подтверждением высокой популярности микросхемы являются ее рабочие характеристики , позволяющие создавать много различных устройств. К основным показательным характеристикам компонента следует отнести нижеследующие.

Приемлемые рабочие параметры: в микросхеме предусмотрено одно и двухполюсное питание, широкий диапазон напряжений питания от 3 до 32 В, приемлемая скорость нарастания выходного сигнала, равная всего 0,6 В/мкс. Также микросхема потребляет всего 0,7 мА, а напряжение смещения составит всего 0,2мВ.

Описание выводов

Микросхема реализована в стандартных корпусах DIP, SO и имеет 8 выводов для подключения к цепям питания и формирования сигналов. Два из них (4, 8) используются в качестве выводов двухполярного и однополярного питания в зависимости от типа источника или конструкции готового устройства. Входы микросхемы 2, 3 и 5, 6. Выходы 1 и 7.

В схеме операционного усилителя имеются 2 ячейки со стандартной топологией выводов и без цепей коррекции. Поэтому для реализации более сложных и технологичных устройств потребуется предусматривать дополнительные схемы преобразования сигналов.

Микросхема является популярной и используется в бытовых приборах , эксплуатируемых при нормальных условиях, и в особых с повышенной или пониженной температурой окружающей среды, высокой влажностью и прочими неблагоприятными факторами. Для этого интегральный элемент выпускается в различных корпусах.

Аналоги микросхемы

Являясь средним по параметрам, операционный усилитель LM358 имеет аналоги по техническим характеристикам . Компонент без буквы может быть заменен на OP295, OPA2237, TA75358P, UPC358C, NE532, OP04, OP221, OP290. А для замены LM358D потребуется использовать KIA358F, NE532D, TA75358CF, UPC358G. Интегральная микросхема выпускается в серии с другими компонентами, которые имеют отличия лишь в температурном диапазоне, предназначенные для работы в суровых условиях.

Встречаются операционные усилители с максимальной температурой до 125 градусов и с минимальной до 55. Из-за чего сильно разнится и стоимость устройства в различных магазинах.

К серии микросхем относятся LM138, LM258, LM458. Подбирая альтернативные аналоговые элементы для применения в устройствах важно учитывать рабочий температурный диапазон . Например, если LM358 с пределом от 0 до 70 градусов недостаточно, то можно использовать более приспособленные к суровым условиям LM2409. Также довольно часто для изготовления различных устройств требуется не 2 ячейки, а 1, тем более, если место в корпусе готового изделия ограничено. Одними из самых подходящих для использования при конструировании небольших устройств являются ОУ LM321, LMV321, у которых также есть аналоги AD8541, OP191, OPA337.

Особенности включения

Существует много схем подключения операционного усилителя LM358 в зависимости от необходимых требований и выполняемых функций, которые будут к ним предъявлены при эксплуатации:

• неинвертирующий усилитель;
• преобразователь ток-напряжение;
• преобразователь напряжение-ток;
• дифференциальный усилитель с пропорциональным коэффициентом усиления без регулировки;
• дифференциальный усилитель с интегральной схемой регулирования коэффициента;
• схема контроля тока;
• преобразователь напряжение-частота.

Популярные схемы на lm358

Существуют различные устройства, собранные на LM358 N , выполняющие определенные функции. При этом это могут быть всевозможные усилители как УМЗЧ, так и в промежуточных цепях измерений различных сигналов, усилитель термопары LM358, сравнивающие схемы, аналого-цифровые преобразователи и прочее.

Неинвертирующий усилитель и источник опорного напряжения

Это самые популярные типы схем подключения, применяемые во многих устройствах для выполнения различных функций. В схеме неинвертирующего усилителя выходное напряжения будет равно произведению входного на пропорциональный коэффициент усиления, сформированный отношением двух сопротивлений, включенных в инвертирующую цепь.

Схема источника опорного напряжения пользуется высокой популярностью благодаря своим высоким практическим характеристикам и стабильности работы в различных режимах. Схема отлично удерживает необходимый уровень выходного напряжения. Она получила применение для построения надежных и высококачественных источников питания, аналоговых преобразователей сигналов, в устройствах измерения различных физических величин.

Одной из самых качественных схем синусоидальных генераторов является устройство на мосте Вина . При корректном подборе компонентов генератор вырабатывает импульсы в широком диапазоне частот с высокой стабильностью. Также микросхема LM 358 часто используется для реализации генератора прямоугольных импульсов различной скважности и длительности. При этом сигнал является стабильным и высококачественным.

Усилитель

Основным применением микросхемы LM358 являются усилители и различная усилительная аппаратура. Что обеспечивается за счет особенностей включения, выбора прочих компонентов. Такая схема применяется, например, для реализации усилителя термопары.

Усилитель термопары на LM358

Очень часто в жизни радиолюбителя требуется осуществлять контроль температуры каких-либо устройств. Например, на жале паяльника . Обычным градусником это не сделаешь, тем более, когда необходимо изготовить автоматическую схему регулирования. Для этого можно использоваться ОУ LM 358. Эта микросхема имеется малый тепловой дрейф нуля, поэтому относится к высокоточным. Поэтому она активно используется многими разработчиками для изготовления паяльных станций, прочих в устройствах.

Схема позволяет измерять температуру в широком диапазоне от 0 до 1000 о С с достаточно высокой точностью до 0,02 о С. Термопара изготовлена из сплава на основе никеля: хромаля, алюмеля. Второй тип металла имеет более светлый цвет и меньше подвержен к намагничиванию, хромаль темнее, магнитится лучше. К особенностям схемы стоит отнести наличие кремниевого диода, который должен быть размещен как можно ближе к термопаре. Термоэлектрическая пара хромаль-алюмель при нагреве становится дополнительным источником ЭДС, что может внести существенные коррективы на основные измерения.

Простая схема регулятора тока

Схема включает кремниевый диод . Напряжения перехода с него используется как источник опорного сигнала, поступающий через ограничивающий резистор на неинвертирующий вход микросхемы. Для регулировки тока стабилизации схемы использован дополнительный резистор, подключенный к отрицательному выводу источника питания, к неивертирующему входу МС.

Схема состоит из нескольких компонентов:

• Резистора, подпирающего ОУ минусовым выводом и сопротивлением 0,8 Ом.
• Резистивного делителя напряжения, состоящего из 3 сопротивлений с диодом, выступающего источником опорного напряжения.

Резистор номиналом 82 кОм подключен к минусу источника и положительному входу МС. Опорное напряжение формируется делителем, состоящим из резистора 2,4 кОм и диода в прямом включении. После чего ток ограничивается резистором 380 кОм. ОУ управляет биполярным транзистором , эмиттер которого подключен непосредственно к инвертирующему входу МС, образовав отрицательную глубокую связь. Резистор R 1 выступает измерительным шунтом. Опорное напряжение формируется при помощи делителя, состоящего из диода VD 1 и резистора R 4.

В представленной схеме при условии использования резистора R 2 сопротивлением 82 кОм ток стабилизации в нагрузке составляет 74мА при входном напряжении 5В. А при увеличении входного напряжения до 15В ток увеличивается до 81мА. Таким образом, при изменении напряжения в 3 раза ток изменился не более, чем на 10%.

Зарядное устройство на LM 358

С использованием ОУ LM 358 часто изготавливают зарядные устройства с высокой стабилизацией и контролем выходного напряжения. Как пример, можно рассмотреть зарядное устройство для Li — ion с питанием от USB . Эта схема представляет собой автоматический регулятор тока. То есть, при повышении напряжения на аккумуляторе зарядный ток падает. А при полном заряде АКБ схема прекращает работать, полностью закрывая транзистор.

Говоря операционный усилитель, я зачастую подразумеваю LM358. Так как если нету каких-то особых требований к быстродействию, очень широкому диапазону напряжений или большой рассеиваемой мощности, то LM358 хороший выбор.

Какие же характеристики LM358 принесли ему такую популярность:

• низкая стоимость;
• никаких дополнительных цепей компенсации;
• одно или двуполярное питание;
• широкий диапазон напряжений питания от 3 до 32 В;
• Максимальная скорость нарастания выходного сигнала: 0,6 В/мкс;
• Ток потребления: 0,7 мА;
• Низкое входное напряжение смещения: 0,2 мВ.

LM358 цоколевка

Так как LM358 имеет в своем составе два операционных усилителя, у каждого по два входа и один выход (6 — выводов) и два контакта нужны для питания, то всего получается 8 контактов.

LM358 корпусируются как в корпуса для объемного монтажа (LM358N — DIP8), так и в корпуса для поверхностного монтажа (LM358D — SO8). Есть и металлокерамическое исполнение для особо тяжелых условий работы.
Я применял LM358 только для поверхностного монтажа – просто и удобно паять.

Аналоги LM358

Полные аналоги LM358 от разных производителей NE532, OP04, OP221, OP290, OP295, OPA2237, TA75358P, UPC358C.
Для LM358D — KIA358F, NE532D, TA75358CF, UPC358G.

Вместе с LM358 выпускается большое количество похожих операционных усилителей. Например LM158, LM258, LM2409 имеют аналогичные характеристики, но разный температурный диапазон работы.

Если диапазона 0..70 градусов не хватает, то стоит применить LM2409, однако следует учитывать что у неё диапазон питания уже:

Кстати если нужен только один операционный усилитель в компактном 5 выводном корпусе SOT23-5 то вполне можно применить LM321, LMV321 (аналоги AD8541, OP191, OPA337).
Наоборот, если нужно большое количество рядом расположенных операционных усилителей, то можно применить счетверенные LM324 в 14 выводном корпусе. Можно вполне сэкономить пространство и конденсаторы по цепям питания.

LM358 схема включения: неинвертирующий усилитель

Коэффициент усиления этой схемы равен (1+R2/R1).
Зная сопротивления резисторов и входное напряжение можно посчитать выходное:
Uвых=Uвх*(1+R2/R1).
При следующих значениях резисторов коэффициент усиления будет равен 101.

• DA1 – LM358;
• R1 – 10 кОм;
• R2 – 1 MОм.

LM358 схема включения: мощный неинвертирующий усилитель

• DA1 – LM358;
• R1 – 910 кОм;
• R2 – 100 кОм;
• R3 – 91 кОм.

Для этой схемы коэффициент усиления по напряжению равен 10, в общем случае коэффициент усиления этой схемы равен (1+R1/R2).
Коэффициент усиления по току определяется соответствующим коэффициентом транзистора VT1.

LM358 схема включения: преобразователь напряжение — ток

Выходной ток этой схемы будет прямо пропорционален входному напряжению и обратно пропорционален значению сопротивления R1.
I=Uвх/R, [А]=[В]/[Ом].
Для сопротивления резистора R1 равного 1 Ом, каждый Вольт входного напряжения будет давать, один Ампер выходного напряжения.

LM358 схема включения: преобразователь ток — напряжение

А эта схема нужна для преобразования малых токов в напряжение.
Uвых = I * R1, [В]= [А]*[Ом].
Например при R1 = 1 МОм, ток через 1 мкА, превратиться в напряжение 1В на выходе DA1.

LM358 схема включения: дифференциальный усилитель

Эта схема дифференциального усилителя с высоким входным сопротивление, может применятся для измерения напряжении источников с высоким внутренним сопротивлением.
При условии, что R1/R2=R4/R3, выходное напряжение можно рассчитать как:
Uвых = (1+R4/R3)(Uвх1 – Uвх2).
Коэффициент усиления соответственно будет равен: (1+R4/R3).
Для R1 = R2 = R3 = R4 = 100 кОм, коэффициент усиления будет равен 2.

LM358 схема включения: дифференциальный усилитель с регулируемым коэффициентом усиления

Стоит отметить, что предыдущая схема не позволяет подстраивать коэффициент усиления, так как требует одновременного изменения двух резисторов. Если необходимо иметь возможность регулировки коэффициента усиления в дифференциальном усилителе, то можно воспользоваться схемой на трех операционных усилителях.
В данной схеме подстройка коэффициента усиления осуществляется за счет регулировки резистора R2.
Для этой схемы нужно соблюсти условия равенства значений сопротивлений резисторов: R1 = R3 и R4 = R5 = R6 = R7.
Тогда коэффициент усиления будет равен: (1+2*R1/R2).
Uвых = (1+2*R1/R2)(Uвх1 – Uвх2).

LM358 схема включения: монитор тока

Еще одна интересная схема позволяющая измерять ток в питающем проводе и состоящая из шунта R1, операционного усилителя npn – транзистора и двух резисторов.

• DA1 – LM358;
• R1 – 0,1 Ом;
• R2 – 100 Ом;
• R3 – 1 кОм.

Напряжение питания операционного усилителя должно быть минимум на 2 В, выше напряжения нагрузки.

LM358 схема включения: преобразователь напряжение – частота

И напоследок схема которую можно использовать в качестве аналого-цифрового преобразователя. Нужно только подсчитать период или частоту выходных сигналов.

• C1 – 0,047 мкФ;
• DA1 – LM358;
• R1 – 100 кОм;
• R2 – 50 кОм;
• R3,R4,R5 – 51 кОм;
• R6 — 100 кОм;
• R7 — 10 кОм.

Тема автомобильных зарядных устройств интересна очень многим. Из статьи вы узнаете, как переделать компьютерный блок питания в полноценное зарядное устройство для автомобильных аккумуляторов. Оно будет представлять собой импульсное зарядное устройство для аккумуляторов с емкостью до 120 А·ч, то есть зарядка будет довольно мощной.

Собирать практически ничего не нужно – просто переделывается блок питания. К нему добавится всего один компонент.

Компьютерный блок питания имеет несколько выходных напряжений. Основные силовые шины имеют напряжение 3,3, 5 и 12 В. Таким образом, для работы устройства понадобится 12-вольтовая шина (желтый провод).

Для зарядки автомобильных аккумуляторов напряжение на выходе должно быть в районе 14,5-15 В, следовательно, 12 В от компьютерного блока питания явно маловато. Поэтому первым делом необходимо поднять напряжение на 12-вольтовой шине до уровня 14,5-15 В.

Затем, нужно собрать регулируемый стабилизатор тока или ограничитель, чтобы была возможность выставить необходимый ток заряда.

Зарядник, можно сказать, получится автоматическим. Аккумулятор будет заряжаться до заданного напряжения стабильным током. По мере заряда сила тока будет падать, а в самом конце процесса сравняется с нулем.

Приступая к изготовлению устройства необходимо найти подходящий блок питания. Для этих целей подойдут блоки, в которых стоит ШИМ-контроллер TL494 либо его полноценный аналог K7500.

Когда нужный блок питания найден, необходимо его проверить. Для запуска блока нужно соединить зеленый провод с любым из черных проводов.

Если блок запустился, нужно проверить напряжение на всех шинах. Если все в порядке, то нужно извлечь плату из жестяного корпуса.

После извлечения платы, необходимо удалить все провода, кроме двух черных, двух зеленого и идет для запуска блока. Остальные провода рекомендуется отпаять мощным паяльником, к примеру, на 100 Вт.

На этом этапе потребуется все ваше внимание, поскольку это самый важный момент во всей переделке. Нужно найти первый вывод микросхемы (в примере стоит микросхема 7500), и отыскать первый резистор, который применен от этого вывода к шине 12 В.

На первом выводе расположено много резисторов, но найти нужный – не составит труда, если прозвонить все мультиметром.

После нахождения резистора (в примере он на 27 кОм), необходимо отпаять только один вывод. Чтобы в дальнейшем не запутаться, резистор будет называться Rx.

Теперь необходимо найти переменный резистор, скажем, на 10 кОм. Его мощность не важна. Нужно подключить 2 провода длиной порядка 10 см каждый таким образом:

Один из проводов необходимо соединить с отпаянным выводом резистора Rx, а второй припаять к плате в том месте, откуда был выпаян вывод резистора Rx. Благодаря этому регулируемому резистору можно будет выставлять необходимое выходное напряжение.

Стабилизатор или ограничитель тока заряда очень важное дополнение, которое должно иметься в каждом зарядном устройстве. Этот узел изготавливается на базе операционного усилителя. Тут подойдут практически любые «операционники». В примере задействован бюджетный LM358. В корпусе этой микросхемы два элемента, но необходим только один из них.

Пару слов о работе ограничителя тока. В этой схеме операционный усилитель применяется в качестве компаратора, который сравнивает напряжение на резисторе с низким сопротивлением с опорным напряжением. Последнее задается при помощи стабилитрона. А регулируемый резистор теперь меняет это напряжение.

При изменении величины напряжения операционный усилитель постарается сгладить напряжение на входах и сделает это путем уменьшения или увеличения выходного напряжения. Тем самым «операционник» будет управлять полевым транзистором. Последний регулирует выходную нагрузку.

Полевой транзистор нужен мощный, поскольку через него будет проходить весь ток заряда. В примере используется IRFZ44, хотя можно использовать любой другой соответствующих параметров.

Транзистор обязательно устанавливается на теплоотвод, ведь при больших токах он будет хорошенько нагреваться. В этом примере транзистор просто прикреплен к корпусу блока питания.

Печатная плата была разведена на скорую руку , но получилось довольно неплохо.

Теперь остается соединить все по картинке и приступить к монтажу.

Напряжение выставлено в районе 14,5 В. Регулятор напряжения можно не выводить наружу. Для управления на передней панели имеется только регулятор тока заряда, да и вольтметр тоже не нужен, поскольку амперметр покажет все, что надо видеть при зарядке.

Амперметр можно взять советский аналоговый или цифровой.

Также на переднюю панель был выведен тумблер для запуска устройства и выходные клеммы. Теперь можно считать проект завершенным.

Получилось несложное в изготовлении и недорогое зарядное устройство, которое вы можете смело повторить сами.

Прикрепленные файлы :

Для налаживания различных электронных устройств необходим источник питания, в котором предусмотрена регулировка не только выходного напряжения, но и порога срабатывания защиты от токовой перегрузки. Во многих простых устройствах аналогичного назначения защита лишь ограничивает максимальный ток нагрузки, причем возможность его регулирования отсутствует или затруднена. Такая защита больше предназначена для самого блока питания, чем для его нагрузки. Для безопасной работы как источника, так и подключенного к нему устройства необходима возможность регулирования уровня срабатывания токовой защиты в широких пределах. При ее срабатывании нагрузка должна быть автоматически отключена. Предлагаемое устройство удовлетворяет всем перечисленным требованиям.

Основные технические характеристики
Входное напряжение, В……26…29
Выходное напряжение, В……1…20
Ток срабатывания защиты, А………………….0.03…2

Схема устройства показана на рисунке. Регулируемый стабилизатор напряжения собран на ОУ DA1.1. На его неинвертирующий вход (вывод 3) с движка переменного резистора R2 поступает образцовое напряжение, стабильность которого обеспечивает стабилитрон VD1, а на инвертирующий вход (вывод 2) – напряжение отрицательной обратной связи (ООС) с эмиттера транзистора VT2 через делитель напряжения R11R7 ООС поддерживает равенство напряжений на входах ОУ, компенсируя влияние дестабилизирующих факторов. Перемещая движок переменного резистора R2, можно регулировать выходное напряжение.

Узел защиты от перегрузки по току собран на ОУ DA1.2, который включен как компаратор, сравнивающий напряжения на инвертирующем и неинвертирующем входах. На неинвертирующий вход через резистор R14 поступает напряжение с датчика тока нагрузки – резистора R13, на инвертирующий – образцовое напряжение, стабильность которого обеспечивает диод VD2, выполняющий функцию стабистора с напряжением стабилизации около 0,6 В. Пока падение напряжения, создаваемое током нагрузки на резисторе R13, меньше образцового, напряжение на выходе (вывод 7) ОУ DA1.2 близко к нулю.

Если ток нагрузки превысит допустимый, напряжение на выходе ОУ DA1.2 увеличится почти до напряжения питания. Через резистор R9 потечет ток, который включит светодиод HL1 и откроет транзистор VT1. Диод VD3 открывается и через резистор R8 замыкает цепь положительной обратной связи (ПОС). Открытый транзистор VT1 подключает параллельно стабилитрону VD1 резистор малого сопротивления R12, в результате чего выходное напряжение уменьшится практически до нуля, поскольку регулирующий транзистор VT2 закроется и отключит нагрузку. Несмотря на то что напряжение на датчике тока нагрузки упадет до нуля, благодаря действию ПОС нагрузка останется отключенной, что показывает светящийся индикатор HL1. Повторно включить нагрузку можно кратковременным отключением питания или нажатием на кнопку SB1. Диод VD4 защищает эмиттерный переход транзистора VT2 от обратного напряжения с конденсатора С5 при отключении нагрузки, а также обеспечивает разрядку этого конденсатора через резистор R10 и выход ОУ DA1.1.

Детали. Транзистор КТ315А (VT1) можно заменить на КТ315Б-КТ315Е. Транзистор VT2 – любой из серий КТ827, КТ829. Стабилитрон (VD1) может быть любым с напряжением стабилизации У 3 В при токе 3…8 мА. Диоды КД521В (VD2-VD4) могут быть другими из этой серии или КД522Б Конденсаторы СЗ, С4 – любые пленочные или керамические. Оксидные конденсаторы: С1 – К50-18 или аналогичный импортный, остальные – из серии К50-35. Номинальное напряжение конденсаторов не должно быть меньше указанного на схеме. Постоянные резисторы – МЛТ, переменные – СПЗ-9а. Резистор R13 можно составить из трех параллельно соединенных МЛТ-1 сопротивлением по 1 Ом. Кнопка (SB1) – П2К без фиксации или аналогичная.

Налаживание устройства начинают с измерения напряжения питания на выводах конденсатора С1, которое, с учетом пульсаций, должно находиться в пределах, указанных на схеме. После этого перемещают движок переменного резистора R2 в верхнее по схеме положение и, измеряя максимальное выходное напряжение, устанавливают его равным 20 В, подбирая резистор R11. Затем подключают к выходу эквивалент нагрузки, например, такой, как описан в статье И. Нечаева “Универсальный эквивалент нагрузки” в “Радио”, 2005, № 1, с. 35. Измеряют минимальный и максимальный ток срабатывания защиты. Чтобы снизить минимальный уровень срабатывания защиты, необходимо уменьшить сопротивление резистора R6. Для увеличения максимального уровня срабатывания защиты нужно уменьшить сопротивление резистора R13 – датчика тока нагрузки.

П. ВЫСОЧАНСКИЙ, г. Рыбница, Приднестровье, Молдавия
“Радио” №9 2006г.

Операционные усилители и схемы на их основе. Инвертирующий и неинвертирующий усилитель. Дифференциальный (разностный ) усилитель

                                                        Лабораторная работа № 6.

Операционные усилители и схемы на их основе.

Цель: Изучить основные схемы включения операционных усилителей, научиться рассчитывать параметры схем..

6. 1. Инвертирующий усилитель (рис. 1).

Выведите формулу для коэффициента усиления инвертирующего усилителя

Откройте файл «OpAmp1» и включите схему. По амплитудам входного и выходного сигналов (рис.2) определите коэффициент усиления схемы.

Сравните измеренное и расчётное значения коэффициента усиления..

6. 2. Неинвертирующий усилитель (рис 3).

Выведите формулу для коэффициента усиления неинвертирующего усилителя

Откройте файл «OpAmp2» и включите схему. По амплитудам входного и выходного сигналов (рис. 4) определите коэффициент усиления схемы. Сравните расчетное и измеренное значения коэффициента усиления.

Измените схему на рис.3 так, чтобы коэффициент усиления был равен единице.

Сделайте выводы по результатам опытов 1 и 2 , сопоставив фазовые и амплитудные соотношения входного и выходного сигналов.

6.3. Дифференциальный (разностный ) усилитель (рис.5)

Откройте файл «OpAmp3» и включите симулятор.

Рис 5. Схема дифференциального усилителя.

Выходное напряжение такого усилителя можно определить по формуле

Сравните расчетное и измеренное значения.

Следует заметить, что при точном согласовании сопротивлений резисторов, эта схема обладает практически бесконечно большим коэффициентом подавления синфазного сигнала.

Чтобы выяснить, как изменится этот параметр схемы, задайте 5% разброс сопротивлений резисторов и измерьте коэффициент усиления синфазного сигнала. Сделайте выводы.

Какие измерения необходимы для расчета КОСС? Проделайте необходимые исследования и расчеты.

6.4. Суммирующий усилитель (рис.6).

Выведите формулу для определения выходного напряжения схемы.

Откройте файл «OpAmp4» и включите схему. Сравните вычисленное и измеренное значения напряжения на выходе. Повторите эксперимент:

·  при изменении полярности одного из входных сигналов,

·  при изменении номинала одного из входных резисторов R1 …R3, 

·  при замене одного из  входных источников  функциональным генератором с различной формой, частотой и амплитудой сигнала.

В последнем эксперименте подключите на выход осциллограф для наблюдения сигнала. Результаты зафиксируйте в отчете и  сделайте выводы.

6.5. Источник  стабильного тока( рис.7)

Источник стабильного тока может быть реализован не только на полевом или биполярном транзисторе, но и на операционном усилителе. Откройте файл «OpAmp5» и включите схему. Исследуйте границы работоспособности схемы при различных значениях U и R . Снимите зависимость тока от величины R.Докажите справедливость формулы .Определите максимальное сопротивление нагрузки для источника тока. Сделайте выводы.

6.6. Интегратор (рис. 8).

Сравните схему с рис.1. Выведите формулу для выходного напряжения интегратора.

Рис. 8. Схема интегратора

Откройте файл «OpAmp6» и включите схему. Наблюдайте выходной сигнал при подаче на вход последовательности прямоугольных импульсов. Зарисуйте сигналы и объясните наблюдаемые явления. Измените номинал одного из элементов схемы (R  или C) в 10 раз  и наблюдайте изменения сигнала на выходе.

Для нормальной работы интегратора требуется выполнение условия

Увеличьте частоту входного сигнала. Наблюдайте за формой и амплитудой выходного сигнала. Сделайте выводы.

6.7.Усилитель с переменным коэффициентом усиления . Откройте файл «OpAmp7» и включите схему. Наблюдайте выходной сигнал при подаче на вход сигналов различной формы и амплитуды, изменяя номинал резистора R3.Сделайте выводы о применении данной схемы.

ВОПРОСЫ к защите работы №6

1. Что такое инвертирующий и неинвертируюший входы усилителя? Из каких соображений выбираются  номиналы резисторов в схемах на ОУ?
2. Определите ошибку расчета коэффициента передачи инвертирующего усилителя для реального ОУ с К= 10⁴.
3. Подсчитайте входное и выходное сопротивления инвертирующего и неинвертирующего усилителей В обоих случаях возьмите для расчетов реальный операционный усилитель  с  К=10⁴ и R_вх = 1 МОм
4. Каковы ограничения на значения входных сигналов и масштабные коэффициенты в схеме сумматора?
5. Поясните основной принцип реализации и расчета схем обработки аналоговых сигналов на основе ОУ и принимаемые при этом  допущения.
6. Дайте определение схемы, называемой «источник стабильного тока», и сформулируйте основные принципы его реализации.
7. Что такое синфазный сигнал и каково его влияние на работу схем на ОУ? Что такое коэффициент ослабления синфазного сигнала?
8. Для чего применяются интеграторы в схемах обработки аналоговых сигналов?
9. Какая схема на ОУ называется повторителем сигнала и для чего ее используют?
10. Подсчитайте  максимальную величину сигнала на выходе интегратора при значениях элементов, заданных в лабораторной работе и поданном на вход прямоугольном импульсе амплитудой 5 В и длительностью 1 мс.

– обзор

Введение в операционные усилители с LTSpice

Введение

Если вы еще не ознакомились с руководством «Приступая к работе с LTSpice», вам обязательно следует подождать, поскольку крайне необходимо обновить качество звука. Для тех из вас, кто смотрел это и закончил – благослови вас. Я подумал, что убью здесь двух зайцев и продолжу учебник по LTSpice введением в операционные усилители – или для краткости операционный усилитель.Мы рассмотрим здесь только основы – что такое операционные усилители, некоторые распространенные конфигурации и пару примеров – и закончим красивым простым проектом, который, надеюсь, вдохновит вас немного больше на работу с аналоговыми схемами.

Для начала загрузите схемы, символы и модели, нажав кнопку ниже.

Введение в операционные усилители

Операционный усилитель – это устройство усиления напряжения. С помощью некоторых внешних компонентов операционный усилитель, который представляет собой активный элемент схемы , может выполнять математические операции, такие как сложение, вычитание, умножение, деление, дифференцирование и интегрирование.Если мы посмотрим на общий корпус операционного усилителя (внутреннее устройство будет в следующем руководстве), такое как вездесущий 741, мы заметим стандартный 8-контактный DIP (двухрядный корпус):

Фото любезно предоставлено Learning About Electronics

В основном нас интересуют пять контактов. Обозначение схемы операционного усилителя представляет собой треугольник с пятью контактами, показанный ниже.

Фото предоставлено Virtual Labs

Операционный усилитель имеет широкий спектр применения, и, в зависимости от того, как подключен каждый вывод, результирующая схема может быть одной из следующих (это ни в коем случае не исчерпывающий список):

• Компаратор
• Инвертирующий усилитель , например суммирующий усилитель
• A Неинвертирующий усилитель , например повторитель напряжения
• Разностный усилитель
• Дифференциатор или Интегратор
• Фильтр
• Пиковый детектор
• Аналого-цифровой преобразователь
• Осциллятор

В этом руководстве я покажу вам, как измерять типичные характеристики операционного усилителя, такие как усиление, пропускная способность, ошибка, скорость нарастания, потребление тока, размах выходного сигнала и другие характеристики, указанные в технических паспортах устройств.

Идеальный операционный усилитель

Операционный усилитель предназначен для определения разницы в напряжении, подаваемом на вход (клеммы «плюс» (v2) и «минус» (v1), либо контакты 2 и 3 корпуса операционного усилителя). Разница также известна как дифференциальное входное напряжение . Таким образом, выходной сигнал представляет собой разницу, измеренную на входе, умноженную на некоторое значение A – коэффициент усиления разомкнутого контура . Операционный усилитель ведет себя как источник напряжения, управляемый напряжением, который мы сейчас смоделируем.Мы будем моделировать конфигурацию усилителя с обратной связью и с обратной связью .

Идеальный операционный усилитель имеет следующие характеристики:

• Бесконечное усиление без обратной связи
• Бесконечное входное сопротивление
• Нулевое выходное сопротивление
• Нулевое усиление синфазного сигнала = бесконечное отклонение синфазного сигнала
• Бесконечная полоса пропускания
• Нулевой шум
• Нулевой вход Смещение

Модель операционного усилителя любезно предоставлена ​​Википедией

Поскольку входное сопротивление (Rin) бесконечно, мы можем сделать вывод, что ток на выводах (+) (v2) и (-) (v1) равен нулю, используя законы Кирхгофа.Поскольку выходное сопротивление (Rout) равно нулю, потери напряжения на выходе отсутствуют. Источник напряжения в форме ромба на изображении выше известен как источник напряжения, зависящий от напряжения, и в этом случае напряжение представляет собой коэффициент усиления (G), умноженный на разность между входными клеммами (Vin). Обычно в текстах коэффициент усиления обозначается буквой (A), поэтому уравнение для выхода имеет следующий вид:

Давайте смоделируем источник напряжения, управляемый напряжением, и посмотрим, сможем ли мы заставить его поведение имитировать идеальный операционный усилитель.

Обратная связь с усилителями

не предназначены для использования в качестве автономных устройств. Мы просто проверили уравнение Vout в видео об идеальном операционном усилителе, чтобы показать, почему его обычно называют источником напряжения, управляемым напряжением. Мы собираемся поговорить об усилении с обратной связью и с обратной связью и применении. Что такое обратная связь? Обратная связь возникает, когда выход системы возвращается в качестве входа (ов).Есть два типа обратной связи: положительная (восстанавливающая) и отрицательная (дегенеративная). Обратная связь применяется к системе, чтобы влиять на одно или несколько из следующих свойств:

• Снизьте чувствительность усиления – значение усиления становится менее чувствительным к изменениям значений компонентов схемы, например к температурным воздействиям на транзисторы.
• Уменьшите нелинейные искажения – выходной сигнал пропорционален входному.
• Уменьшить эффект шума – уменьшает количество нежелательных электрических помех на выходе.Эти помехи могут быть внешними или исходить от самих компонентов схемы.
• Управление входным и выходным сопротивлениями – с соответствующей конфигурацией обратной связи можно управлять входным и выходным сопротивлениями.
• Расширьте полосу пропускания усилителя. Здесь нам нужно знать о продукте “прирост-пропускная способность”. Вы можете расширить полосу пропускания (до определенной степени), но за счет выигрыша. Произведение коэффициента усиления на полосу пропускания является постоянным и описывает поведение усиления операционного усилителя в зависимости от частоты.

Краткое примечание о единицах

Когда мы говорили об усилении, мы берем отношение выхода к входу. Если и выход, и вход выражены в виде напряжения, то единицы измерения будут вольт / вольт. В анализе .ac усиление выражается в децибелах. Вот формула преобразования.

Фото любезно предоставлено Planet Analog

За все отзывы приходится платить, и эта цена – прибыль. Отрицательная обратная связь способствует приобретению более желаемых свойств; увеличение входного сопротивления также увеличивает полосу пропускания.

Коэффициент усиления замкнутого контура

В отличие от усиления без обратной связи, усиление с обратной связью зависит от внешней схемы из-за обратной связи. Однако его можно обобщить.

Фото предоставлено https://paginas.fe.up.pt/~fff/eBook/MDA/Teo_realim.html

Инвертирующие усилители

Пример инвертирующей конфигурации состоит из одного операционного усилителя и двух резисторов R1 и R2. R2 подключен от выходной клеммы операционного усилителя к инвертирующей или отрицательной клемме операционного усилителя.R2 замыкает петлю вокруг операционного усилителя.

Одна вещь, не упомянутая в видео ниже, но считается подразумеваемой , потому что мы все еще используем идеальный операционный усилитель, – это отсутствие тока через операционный усилитель. Весь ток (I1), протекающий через R1, также течет через R2. Также следует отметить, что если R1 и R2 равны по значению, то эта схема обычно используется для преобразования -vout в + vout (изменяет фазу). Это известно как инвертор с единичным усилением.

: Суммирующий усилитель

Типичным применением инвертирующего усилителя является суммирующий усилитель, также известный как микшер виртуального заземления, используемый при микшировании звука. У меня случайно валяется довольно много операционных усилителей LM741, поэтому я пошел дальше и построил суммирующий усилитель. Сначала я смоделировал это в LTSpice.

Усилители неинвертирующие

Повторитель напряжения

Повторитель напряжения – хороший пример неинвертирующего усилителя.Свойство очень высокого входного импеданса является желательной особенностью неинвертирующей конфигурации. Повторитель напряжения можно использовать в качестве буферного усилителя с единичным усилением, подключенного от источника с высоким импедансом к источнику с низким импедансом – это помогает избежать воздействия нагрузки на схему управления.

Разностные усилители

Разностные усилители реагируют на разницу между двумя сигналами, подаваемыми на его вход, и отклоняют сигналы, общие для двух входов.

Разностный усилитель с одним операционным усилителем

Помните, что коэффициент усиления неинвертирующего усилителя положительный и определяется выражением:

и что коэффициент усиления инвертирующего усилителя отрицательный и определяется выражением:

Комбинируя эти две топологии, мы приближаемся к возможности разработать схему, которая сможет получить разницу между двумя входными сигналами. Чтобы добиться этого, мы должны сначала убедиться, что величины усиления (думайте, что абсолютные значения, которые всегда положительны) равны.Ослабив усиление положительного пути от (1+ R2 / R1) до (R2 / R1), мы сделали именно это. Теперь у нас есть четыре резистора; нам нужно убедиться, что коэффициенты усиления равны, поэтому важно соотношение резисторов:

Проблема этой схемы в том, что для получения высокого усиления R1 должен быть относительно низким. Это вызывает падение входного сопротивления. Другая проблема в том, что изменить коэффициент усиления этого усилителя непросто. Обе эти проблемы решаются с помощью инструментального усилителя.Используя три операционных усилителя, мы можем получить точно настроенный дифференциальный усилитель. Поскольку у нас есть проблема с низким входным сопротивлением при использовании одного операционного усилителя, мы можем добавить дополнительный повторитель напряжения или буфер на каждый вход. Еще более удивительно то, что буферы могут увеличивать усиление, уменьшая нагрузку на дифференциальный усилитель во втором каскаде.

Инструментальный усилитель прекрасно сочетает в себе весь предыдущий материал: инвертирующие и неинвертирующие усилители в каскаде.

В этом руководстве мы не будем рассматривать интеграторы, дифференциаторы, генераторы или аналого-цифровые преобразователи.Как только мы начнем добавлять конденсаторы и катушки индуктивности, математика станет немного более специализированной и обобщенной с точки зрения импеданса, а не сопротивления. Это будет отдельный урок.

Тактико-технические характеристики

Если мы посмотрим на технический паспорт аудиоусилителя LM386, мы увидим массу параметров, которые помогают охарактеризовать операционный усилитель. Большинство из них можно проверить с помощью моделирования в LTSpice. Прежде чем мы дойдем до этого, давайте определим некоторые из этих характеристик.

Коэффициент подавления синфазного сигнала

Коэффициент подавления синфазного сигнала (CMRR) измеряет количество сигнала, общего для обоих входов, который не усиливается. Желательно, чтобы коэффициент синфазного усиления был очень низким, что соответствует очень высокому CMRR.

Коэффициент подавления синфазного сигнала – это отношение абсолютного значения дифференциального усиления к абсолютному значению синфазного усиления. Дифференциальное усиление обычно составляет половину внутреннего усиления МОП-транзистора, установленного производителем.Операционные усилители с высоким выходным сопротивлением будут иметь лучший CMRR.

Коэффициент отклонения блока питания

или PSRR – это мера влияния пульсаций источника питания на выходное напряжение операционного усилителя. PSSR важен для устройств MOSFET, поскольку они обычно находятся на ИС со смешанными сигналами, где цифровое переключение в цепи вызывает повышенную пульсацию источника питания. Последнее, что вам нужно в своем дизайне, – это усилить эту пульсацию через операционный усилитель.

Вывод состоит в том, что для минимизации эффекта пульсации в источниках питания операционный усилитель должен иметь большой PSRR.Так что имейте это в виду, просматривая таблицы данных для любых предстоящих проектов.

Скорость нарастания

Скорость нарастания означает максимальную скорость изменения, возможную на выходе операционного усилителя. Для большинства операционных усилителей скорость нарастания нарастания ограничена, и она рассчитывается путем взятия максимума производной по времени выходного напряжения операционного усилителя.

Полное гармоническое искажение

Задача усилителя звука – принять слабый сигнал и усилить его, не внося никаких изменений, кроме усиления.Это сложная задача, потому что нежелательные сигналы (т. Е. Пульсации) могут усиливаться вместе с полезным сигналом. Любое отклонение от линейности считается искажением. Гармонические искажения – распространенная форма искажения в аудиоприложениях, когда пики выходного сигнала «срезаются». Чем ниже процентное значение, указанное для THD, тем лучше, но после определенного момента это становится практически незаметным для человеческого уха.

Усилитель звука LM386

Моделировать, проверять, строить – мой девиз.В этом случае с проектом мини-портативного гитарного усилителя я зашел слишком далеко. Мне не удалось найти модель, которую можно было бы импортировать в LTSpice, и я начал с нуля. Ниже находится кнопка, с помощью которой вы можете загрузить файлы проекта для того, что я собираюсь вам показать. Я разработал операционный усилитель на основе LM386, но с MOSFET вместо BJT. На самом деле я получил этот дизайн, чтобы он немного превосходил ту часть, на которой я основал свой дизайн, но он работает только от 2 до 6 вольт. Несмотря на то, что моя модель LM386 не совсем похожа на деталь, используемую в проекте, она все же удобна для изучения электрических характеристик операционных усилителей и более глубокого знакомства с LTSpice.

: портативный мини-гитарный усилитель

Я встроил небольшой усилитель с батарейным питанием в корпус моей гитары, используя LM386 и минимум дополнительных деталей. Вся сборка стоила около 5 долларов, и на ее сборку ушло меньше часа. Схема, которую я взял непосредственно из раздела технических данных приложений (усиление 200):

Единственные изменения, которые я внес, были в выходной конденсатор. У меня не было под рукой конденсатора емкостью 250 мкФ, я заменил его на 470 мкФ. Я также добавил 1/4-дюймовую монофоническую розетку для гитарного кабеля и добавил светодиодный индикатор состояния, чтобы я знал, когда я буду готов к игре.В моем футляре для гитары есть небольшой отсек для кабелей и медиаторов, поэтому я использовал это пространство для встраивания усилителя.

Схема:

Примечание: J1 – это гнездовой моно аудиоразъем 1/4 дюйма.

Посмотрите это в действии:

Ресурсы и дальнейшее развитие

Лаборатория виртуальных операционных усилителей:

Music from Outer Space Рэй Уилсон создал это приложение для виртуального операционного усилителя MFOS, которое позволяет нам экспериментировать с операционными усилителями, просматривая выходной сигнал на смоделированном осциллографе.

Примечание: Если ссылка сообщает, что приложение Operational Amp Application не найдено, щелкните вкладку «Synth-DIY» вверху, и она должна обновиться соответствующим образом. Кроме того, вы можете найти «MFOS In The Classroom» в меню слева и выбрать «Virtual Op Amp Lab».

Музыка из космоса

Вы когда-нибудь хотели заняться DIY-синтезаторами, но не знаете, с чего начать? Music From Outer Space – отличный ресурс, предлагающий сотни схем, разработанных Рэем Уилсоном.

Любители

Если вы только начинаете заниматься проектами в области аналоговой электроники, я не могу порекомендовать Mini Notebooks от Форреста Мимса.

Измерение CMRR

EE Times есть фантастическая статья о коэффициенте подавления синфазного сигнала и дифференциальных усилителях.

: Руководство для начинающих | ОРЕЛ

Мы все живем в мире, окруженном чудесными усилителями. Если вы когда-нибудь были на концерте и слышали громкий электрический визг гитарного звука по стадиону, значит, это усилитель в действии.Или динамики, воспроизводящие музыку через ваше радио ленивым воскресным днем, снова усилители. В этом мире усиления цель проста – повысить электрический ток и напряжение на ступеньку выше. Но все ли усилители созданы одинаково или используются для одних и тех же целей? Точно нет. Мы здесь, чтобы узнать о таинственном черном ящике семейства усилителей и о том, как он играет гораздо большую роль, чем просто звуки. Это операционный усилитель, и он здесь, чтобы усилить вас!

Краткий обзор усилителей

Прежде чем погрузиться в тонкости операционного усилителя, давайте сначала разберемся, что делают усилители как общая категория компонентов для мира электроники.Вы когда-нибудь получали слуховой аппарат? Они прекрасный пример. Слуховые аппараты используют микрофон для улавливания звуков из внешней среды, которые затем преобразуются в электрический сигнал. Внутри этого слухового аппарата есть усилитель, который принимает этот сигнал, усиливает его, чтобы сделать его громче, и отправляет его в динамик, расположенный внутри вашего слухового прохода. Это не магия, а просто инженерия!

Усилители делают слуховые аппараты возможными. (Источник изображения)

Весь этот процесс приема входного сигнала, его усиления и отправки в качестве выходного сигнала является сутью схем усилителя.Повышение, которое усилитель производит для данного сигнала, измеряется коэффициентом усиления или коэффициентом усиления. Это просто разница в напряжении между входным и выходным сигналами. Например, если вы начинаете с 1 вольта на входе и получаете 5 вольт на выходе, тогда у вас есть коэффициент усиления 5. Для усиления, связанного со звуком, это усиление измеряется в децибелах (дБ).

Так что же делает операционный усилитель особенным?

Хотя все усилители могут иметь одно и то же общее назначение, когда вам нужен идеальный усилитель, вы можете использовать операционный усилитель.В аналоговой электронике ничто не может сравниться с идеальными характеристиками усилителя, подобного этому устройству. Прекрасная особенность операционного усилителя заключается в том, что вы можете смешивать и сопоставлять активные части, такие как транзисторы, с пассивными компонентами, такими как резисторы, конденсаторы и т. Д., Чтобы получить некоторые полезные характеристики усиления, например:

• Высокое усиление . Одна из самых известных особенностей операционных усилителей – их очень высокий коэффициент усиления, который может варьироваться от 10 000 до 100 000! Конечно, такой уровень усиления, используемый в усилителе с разомкнутым контуром, немного бесполезен и избыточен, поэтому вы добавите источники обратной связи для управления уровнями усиления и искажениями.
• Высокое входное сопротивление . Еще один ключевой атрибут – это высокий импеданс, и производимые в наши дни операционные усилители поставляются с практически бесконечным входным сопротивлением, измеряемым на уровне 0,25 МОм или даже сотнях миллионов Ом.
• Низкое выходное сопротивление . В идеальном усилителе вы получите нулевой выходной импеданс, а операционный усилитель – единственный физический компонент, который приближается к этому. Вы найдете большинство операционных усилителей на интегральных схемах с выходным сопротивлением менее одной сотой ома.
• Ограниченная полоса пропускания . Операционные усилители также имеют ограниченную полосу пропускания, что может работать в вашу пользу. Многие микросхемы операционных усилителей, используемые для аудиоприложений, испытывают полное усиление только в небольшой полосе пропускания. Но в других схемах вы захотите уменьшить это усиление, и здесь ограниченная полоса пропускания пригодится.

Внутреннее устройство операционного усилителя

Самое замечательное в операционных усилителях то, что они используются не только для усиления звука, как традиционный усилитель.Вы также увидите, что они используются для:

• Предварительные усилители и буферы звуковой и видеочастоты
• Регуляторы напряжения и тока
• Аналоговые калькуляторы
• Прецизионные пиковые детекторы
• Аналого-цифровые и цифро-аналоговые преобразователи
• И многое другое!

Независимо от своего конкретного назначения, операционный усилитель всегда стремится обеспечить выходное напряжение, повышающее или понижающее входные напряжения до тех пор, пока они не станут равными. Но как это сделать? Давайте посмотрим на типичное схематическое обозначение операционного усилителя, чтобы объяснить, как он работает.Вот что вам нужно знать:

Идеальное схемное обозначение операционного усилителя само по себе без добавления обратной связи.

Входные сигналы

Есть два входных сигнала: инвертирующий вход, отмеченный отрицательным (-) символом, и неинвертирующий вход, обозначенный положительным (+) символом. Когда у вас есть положительный сигнал на инвертирующем входе, вы получите усиленный выход, который является инверсным или противоположным этому сигналу. Таким образом, если поступает положительный сигнал, то ваш выходной сигнал будет отрицательным.Неинвертирующий вход работает наоборот. Если вы отправите положительный сигнал на неинвертирующий вход, то вы получите выход, который соответствует входному сигналу, только что усиленному.

Тип используемого входа напрямую влияет на выходные сигналы в схеме операционного усилителя. (Источник изображения)

Выходные сигналы

На другой стороне условного обозначения этого операционного усилителя находится выход. Этот выходной сигнал использует разницу между вашими инвертирующими и неинвертирующими входными сигналами для создания усиленного выходного сигнала до тех пор, пока входные напряжения не станут равными.Вот почему операционный усилитель обычно называют дифференциальным усилителем, поскольку он обеспечивает выходной результат, основанный на разнице между двумя входными сигналами.

Силовые сигналы

Вам необходимо запитать ваше устройство. Вверху и внизу символа операционного усилителя у вас есть V + и V-, которые отмечают положительную и отрицательную стороны подключения к источнику постоянного тока. Эти шины питания часто не отображаются на принципиальных схемах, поскольку предполагается, что они всегда будут подключены. Независимо от того, видите вы их или нет, вы найдете операционные усилители, подключенные к шине питания + 5-15 В и -5-15 В, и все это основано на характеристиках микросхемы операционного усилителя, которую вы планируете использовать.

Самые распространенные схемы операционных усилителей

имеют чрезвычайно высокий коэффициент усиления, который вы не сможете изменить. Вот почему вы добавляете обратную связь в свою схему операционного усилителя с добавлением резисторов, конденсаторов или катушек индуктивности для управления усилением и получения различных результатов от вашей схемы. Это добавление контуров обратной связи также позволяет легко создавать вариации схемы операционного усилителя для получения совершенно разных результатов. Вот наиболее распространенные схемы, которые вы будете строить, когда только начнете:

• Триггер Шмитта операционного усилителя .Эта конфигурация схемы обеспечивает невосприимчивость к шуму и различным уровням переключения, которые зависят от того, находится ли ваша схема операционного усилителя в состоянии высокого или низкого напряжения.
• Суммирующий усилитель операционного усилителя . Эта конфигурация схемы идеально подходит для суммирования аудиовходов и обычно используется в аудиомикшерах.
• Компаратор ОУ . Это конфигурация выбора, когда вам нужно обеспечить высокий или низкий сигнал в зависимости от состояния ваших двух входов.
• Инвертирующий усилитель ОУ . Эта схема является наиболее распространенной конфигурацией операционного усилителя и хорошо известна тем, что обеспечивает усиление, а также используется в качестве усилителя виртуального заземления.
• Неинвертирующий усилитель операционного усилителя . Эта конфигурация схемы обеспечивает высокое усиление и высокое входное сопротивление и используется во многих входных каскадах усилителей.

Инвертирующая и неинвертирующая схемы операционного усилителя, расположенные рядом. (Источник изображения)

Покупка операционных усилителей

У вашего любимого поставщика запчастей вы найдете множество различных типов корпусов операционных усилителей.Большинство из них классифицируются по многим значениям, в том числе:

• Номинальная скорость нарастания
• Количество каналов
• Максимальное входное напряжение смещения
• Максимальное напряжение питания
• Тип упаковки
• Полоса пропускания с номинальным усилением

Наиболее распространенные диапазоны номинального усиления операционного усилителя, которые вы найдете, составляют 1 МГц, 1,3 МГц и 4 МГц. Вы также найдете количество каналов от 1 до 8, причем наиболее распространенные операционные усилители имеют 1, 2 или 4 канала.

Что касается типов корпусов, то самым известным операционным усилителем, с которым вы встретитесь, является 741, который поставляется в 8-контактном корпусе mini-DIP. Этот операционный усилитель состоит из 20 транзисторов и 11 резисторов и является предпочтительной конфигурацией операционного усилителя с 1968 года. Кроме того, он является самым дешевым из всех и стоит менее доллара.

UA741 ИС операционного усилителя, готовая к установке в вашу макетную плату или пайке!

Вы также увидите ИС операционных усилителей, доступные в корпусах SOIC, что позволяет легко добавлять их в схему, не занимая слишком много места.Однако чаще операционные усилители будут доступны в виде DIP-пакетов с восемью, четырнадцатью или шестнадцатью контактами. Этот пакет позволяет легко паять их вручную на следующем прототипе или быстро вставлять в макетную плату.

Усиление

Вот и все, что вам может понадобиться знать об операционных усилителях как новичку в проектировании электроники! Эта ИС является предпочтительным компонентом, когда вам нужен высокопроизводительный усилитель с высоким коэффициентом усиления, высоким входным сопротивлением и низким выходным сопротивлением.А благодаря возможности поменять местами различные компоненты обратной связи, такие как резисторы, конденсаторы и катушки индуктивности, вы можете собрать вместе массу различных вариантов для создания собственного мультивибратора, аналого-цифрового преобразователя или схемы точного таймера.

Вы готовы спроектировать свою собственную схему операционного усилителя? Попробуйте Autodesk EAGLE бесплатно сегодня!

Операционные усилители

 
Возможный поставщик: Radio Shack
Список деталей:
Резисторы:
R1: 100 Ом RS # 271-1108
R4, R5: 10 000 Ом RS # 271-1335
R2, R3 100 кОм RS # 271-1347
R6: 100 Ом RS # 271-1311
Конденсаторы:
C2, C3: 22 мкФ (предпочтительно неполяризованный)
C1: 100 мкФ
C4: 1 мкФ
Операционный усилитель: рекомендуется LF353CN (аналог LM1458)
 

 

Операционные усилители – Практический EE

представляют собой базовые блоки для построения схем и могут быть приобретены в различных упаковках с одним или несколькими операционными усилителями в каждой. Эти компоненты являются усилителями, что означает, что они принимают входной сигнал и усиливают этот сигнал на выходе. Фактор, на который устройство усиливает свой вход, называется его усилением. В частности, операционные усилители имеют очень высокое усиление, практически бесконечное входное сопротивление и низкое выходное сопротивление.

Эти компоненты могут использоваться в аналоговых приложениях в качестве преобразователей частоты и фильтров, а также в цифровых приложениях в качестве компараторов. Ниже показан символ схемы операционного усилителя. Vs + и Vs- – контакты питания устройства. Положительное напряжение подается на Vs +, а отрицательное или заземляющее напряжение подается на Vs-. Vo – это выход, V- – инвертирующий вход, а V + – неинвертирующий вход.

используют питание от выводов питания для усиления разницы между напряжениями на входах: Vo = K (V + – V-), где K – некоторый коэффициент масштабирования.Для автономного устройства следует помнить два правила:

• Входы с высоким сопротивлением. Входы V + и V- имеют очень высокий импеданс, что означает, что по этим входам практически не течет ток, независимо от приложенного напряжения.
• Выход не может превышать предложение. Выходное напряжение Vo никогда не может быть выше Vs + или ниже Vs-.

Операционные усилители обычно имеют ту или иную форму обратной связи, позволяющую им реализовывать большое количество функций.Положительная обратная связь или отсутствие обратной связи реализует функцию компаратора, а отрицательная обратная связь реализует аналоговый усилитель и / или частотный фильтр, в зависимости от того, какие основные компоненты включены в сеть обратной связи. Когда вы смотрите на схемы операционного усилителя, важно отметить, имеют ли они положительную или отрицательную обратную связь, потому что это определит способ определения того, как работает схема.

Операционные усилители без обратной связи – Компараторы

без обратной связи называются компараторами.Устройство работает довольно просто, прямолинейно, когда нет обратной связи. Когда на входе + напряжение выше, чем на входе -, выход резко возрастает до напряжения положительной шины питания. Когда на входе «-» операционного усилителя напряжение выше, чем на входе «+», выход резко упирается в обратную шину источника питания (заземление или клемму «-»).

+ Входное напряжение выше, чем – вход: Выход приводит к максимальному напряжению

– Входное напряжение выше, чем вход +: Выход приводит к минимальному напряжению

Операционные усилители с положительной обратной связью

с положительной обратной связью также ведут себя как компараторы, но положительная обратная связь добавляет гистерезис.

Операционные усилители с отрицательной обратной связью

Давайте начнем с отрицательных отзывов об операционных усилителях. Отрицательная обратная связь означает, что между выходом и инвертирующим входом (V-) есть некий компонент или сеть компонентов. Например, отрицательная обратная связь может быть связана с резистором, подключенным между выходом и V-. Отрицательная обратная связь добавляет еще одно правило к операционным усилителям.

Отрицательная обратная связь объединяет входные напряжения

Схема операционного усилителя с отрицательной обратной связью будет иметь близкое к нулю напряжение между входами V + и V-.В этой конфигурации вы можете принять V + = V- при расчете напряжений и токов в цепи.

Важным параметром схемы операционного усилителя с отрицательной обратной связью является коэффициент усиления по напряжению. Коэффициент усиления по напряжению определяется как выходное напряжение, деленное на входное. Это уравнение показывает, как выход соотносится с входом, Vo = Gain * Vin.

Коэффициент усиления напряжения = Vo / Vin

Выходной сигнал схемы, деленный на ее входной сигнал, более известный как передаточная функция этой схемы, но в случае схем усилителя он известен как коэффициент усиления.

Инвертирующий усилитель

Давайте посмотрим на нашу первую схему операционного усилителя ниже и определим ее коэффициент усиления. Он имеет отрицательную обратную связь, обеспечиваемую Rf, и известен как схема инвертирующего операционного усилителя, поскольку входной сигнал подключается к входу инвертирующего операционного усилителя.

Первый шаг к определению усиления – это отметить, что V- = V + из-за наличия отрицательной обратной связи. Так как V + подключен к GND (0V), V- = 0V. Итак, по закону Ома:

, и поскольку вход V имеет высокий импеданс, весь ток обратной связи (If) протекает через Rin на Vin.

, заменить на If:

, переставить:

Коэффициент усиления (инвертирующий усилитель) H (s) =

Мы использовали резисторы в приведенной выше схеме, но Rf и Rin можно обобщить на комплексные импедансы с помощью резисторов, конденсаторов и катушек индуктивности, и так же, как закон Ома можно обобщить до V = Z * I, где Z – комплексный импеданс, так и коэффициент усиления схемы усилителя. Коэффициент усиления инвертирующего усилителя обычно описывается как -Zf / Zin, где Zf – полное сопротивление компонента (ов) в цепи обратной связи, а Zin – входное сопротивление.

Общий коэффициент усиления инвертирующего усилителя H (s) =

Неинвертирующий усилитель

Неинвертирующий усилитель также имеет отрицательную обратную связь, но входной сигнал теперь подключается к входу V + операционного усилителя.

Коэффициент усиления (неинвертирующий усилитель) H (s) =

Общий коэффициент усиления неинвертирующего усилителя H (s) =

Коэффициент усиления – это передаточная функция для схемы усилителя.

Компоненты операционного усилителя

Далее: Цепь фазовой автоподстройки частоты

Операционные усилители и компараторы

• Изучив этот раздел, вы сможете:
• Опишите, как операционные усилители могут использоваться в качестве компараторов.
• • Использование и ограничения.
• Общие сведения о гистерезисе применительно к компараторам.
• • Скорость переключения.
• • Влияние шума при переключении.
• Опишите работу триггерного компаратора Шмитта.
• • Эффект положительной обратной связи.
• • Контроль гистерезиса.
• Общие сведения о типичных технологиях, используемых в специализированных ИС компаратора.
• • Гистерезис и опорное напряжение.
• • Низкое энергопотребление v Скорость переключения.
• • Типичные применения компаратора.

Использование коэффициента усиления разомкнутого контура операционного усилителя

Выход операционного усилителя может качаться как положительный, так и отрицательный до максимального напряжения, близкого к потенциалам шины питания. Например, максимальное выходное напряжение для популярного операционного усилителя 741 при подключении к источнику питания ± 18 В составляет ± 15 В.

Поскольку коэффициент усиления разомкнутого контура операционного усилителя чрезвычайно высок (обычно от 10 000 до 1 миллиона), это означает, что без отрицательной обратной связи любой вход, который создает разницу в напряжении между двумя входными контактами, превышающую ± 150 мкВ, может быть усилен: например, 100000 или более раз и довести выход до насыщения; тогда выход будет казаться «застрявшим» на максимальном или минимальном значении.

Использование максимального коэффициента усиления разомкнутого контура таким образом может быть полезно либо при работе с очень маленькими (и низкочастотными или постоянными) входами в измерительных приборах или медицинских приложениях, либо для сравнения двух напряжений с использованием операционного усилителя в качестве компаратора.В этом режиме выходной сигнал перейдет либо на максимальный высокий, либо на минимальный низкий уровень, в зависимости от того, является ли один вход на несколько микровольт выше или ниже опорного напряжения, приложенного к другому входу.

Операционный усилитель в качестве компаратора

Рис. 6.6.1 Использование ОУ в качестве компаратора

Базовые типы операционных усилителей, такие как 741, будут адекватно работать в качестве компараторов в простых схемах, таких как терморегулирующий переключатель, который требуется для включения или выключения схемы, когда входное напряжение от датчика температуры выше или ниже заданного значения. ценить.

На рис. 6.6.1 опорное напряжение приложено к неинвертирующему входу, в то время как переменное напряжение приложено к инвертирующему входу. Всякий раз, когда напряжение, приложенное к контакту 2, выше, чем опорное напряжение на контакте 3, на выходе будет низкое напряжение, лишь немного выше, чем -Vs, а если на контакте 2 напряжение ниже, чем на контакте 3, выходное напряжение будет высоким. , чуть меньше + Vs.

Тем не менее, стандартные операционные усилители разработаны для целей усиления малой мощности, и если они войдут в режим насыщения, а затем выйдут из него, потребуется некоторое время для восстановления выходного напряжения и для того, чтобы операционный усилитель снова начал работать в линейном режиме.

, разработанные как усилители, не особенно подходят для использования в качестве компараторов, особенно там, где входные сигналы быстро меняются в таких приложениях, как датчики уровня звука или аналого-цифровые преобразователи. Другая проблема с базовой компараторной схемой, показанной на рис. 6.6.1, которая решается операционными усилителями, специально разработанными как компараторы, а не усилители, – это проблема шума. Если во входном сигнале присутствует значительный шум, особенно когда напряжение входного сигнала близко к уровню опорного напряжения, высокочастотные колебания напряжения, вызванные случайным характером шума, будут делать напряжение входного сигнала выше или ниже, чем опорное напряжение в быстрой последовательности, заставляя выход мгновенно колебаться между максимальным и минимальным уровнями напряжения.Однако во многих специализированных компараторах эта проблема решается применением гистерезиса.

Гистерезис

Это относится в компараторах и схемах переключения к свойству выхода при переключении в высокое или низкое состояние при различных входных значениях. Если компаратор переключил свой выход на один уровень входного напряжения, как объяснено в предыдущем параграфе, или если разница в двух уровнях, обеспечиваемая гистерезисом компаратора, недостаточно велика, переключение с одного из двух выходных условий на другое может быть очень неуверенным.Гистерезис может быть применен к компаратору операционного усилителя и отрегулирован для получения подходящего гистерезисного промежутка с помощью положительной обратной связи в схеме, называемой триггером Шмитта.

Триггер Шмитта

Рис. 6.6.2 Триггер Шмитта операционного усилителя

Схема триггера Шмитта, показанная на рис. 6.6.2, представляет собой инвертирующий компаратор, основанный на микросхеме счетверенного компаратора LM339 от Texas Instruments, с эталонным значением, приложенным к неинвертирующему входу с помощью делителя потенциала R1 и R2.Это устанавливает опорное напряжение на уровне половины однополярного питания 5 В.

R3 – это подтягивающий резистор, который используется в LM339, поскольку этот компаратор имеет выход с открытым коллектором, то есть выходной каскад, где у коллектора нет внутреннего нагрузочного резистора, подключенного к источнику питания. Причина этого в том, что это позволяет выходу иметь более широкий диапазон напряжений постоянного тока, а не просто варьироваться между питанием и землей.

положительных отзывов

Резистор R4, подключенный между выходом и контактом 5 (неинвертирующий вход), обеспечивает положительную обратную связь для ускорения переключения выхода следующим образом.Предположим, что напряжение V _в на контакте 4 повышается до опорного напряжения V _ref на контакте 5, а на выходе на контакте 2 высокий уровень. Как только V _в будет немного выше, чем V _ref , выход начнет падать до 0 В. Часть этого падения напряжения подается через R4 на контакт 5, и поэтому начинает уменьшаться V _ref , увеличивая разницу между V _ref и V _в . Это приводит к более быстрому падению выходного напряжения, и, поскольку это падение постоянно возвращается к V _ref , падение выходного напряжения ускоряется, вызывая очень быстрое падение до нуля вольт.Аналогичное действие происходит, когда высокое напряжение на выводе 4 падает до более низкого значения, чем на выводе 5, что обеспечивает очень быстрое переключение выхода.

Однако происходит еще одно действие; в предыдущем абзаце было упомянуто, что падение выходного напряжения возвращается через R4 и вызывает падение V _ref , а также повышение выходного напряжения вызывает повышение V _ref , изменяя опорную точку V _ref в зависимости от того, высокое или низкое выходное напряжение.Разница между высоким и низким значениями V _ref называется гистерезисом цепи и является важным свойством триггера Шмитта.

Управление гистерезисом

Рис. 6.6.3 Влияние R4 на гистерезис

V _ref управляет точкой, в которой выходной сигнал LM339 IC изменяется с низкого на высокий или с высокого на низкий. Изменение значения V _или в зависимости от того, высокий или низкий уровень на выходе, вносит некоторый гистерезис (разницу между двумя точками переключения) в работу схемы.

V _ref изначально контролируется выбором значений делителя потенциала R1 и R2. Поскольку эти резисторы имеют равные значения 10 кОм, V _ref должно быть на половине напряжения питания (т.е. 2,5 В). Однако наличие резистора обратной связи R4 вызывает гистерезис, изменяя значение V _ref в зависимости от того, находится ли выход в низком или высоком состоянии, как показано на рис. 6.6.3a и рис. 6.6.3b.

На рис. 6.6.3a показано, что когда выходной сигнал низкий, контакт 2 LM339 находится на 0 В, а R4 эффективно подключается между V _ref на контакте 5 LM339 и 0 В, эффективно соединяя R4 параллельно с R2, уменьшая V _{, исх.} по 2.175В.

Однако на рис. 6.6.3b показано, что при высоком уровне выходного сигнала R4 подключает V _ref на выводе 5 LM339 к + 5 В и, таким образом, изменяет V _ref на 2,82 В, поскольку R4 теперь эффективно подключен к R1.

Путем выбора подходящего значения для R4 величина гистерезиса (изменение в V _ref ) может быть изменена для соответствия различным ожидаемым уровням шума.

Специализированные ИС компаратора

Для высокоскоростных сравнений доступно множество специализированных операционных усилителей-компараторов, которые изменяют свое выходное состояние менее чем за 1 мкс.Однако, как это принято в большинстве электронных схем, чем быстрее меняются выходы, тем больше потребляется энергии. Доступны компараторы с различными скоростями и разными показателями энергопотребления, так что можно использовать идеальную ИС для данного приложения, в зависимости от того, что важнее – энергопотребление или скорость.

Используя методы, аналогичные по действию описанным выше, доступны интегральные схемы высокоскоростного компаратора со встроенным гистерезисом, такие как LTC1541 от Linear Technology, который имеет свойство встроенного гистерезиса ± 2.25 мВ, чтобы учесть шум на входном сигнале.

с регулируемым гистерезисом, позволяющим справляться с различными уровнями шума, и встроенным прецизионным опорным напряжением. Некоторые компараторы, такие как LMP7300 от Texas Instruments, также могут работать при очень низких напряжениях одинарного питания и при очень низких токах. Это делает их идеальными для таких приложений, как датчики низкого напряжения батарей в портативном оборудовании.

Начало страницы

Схема биполярного ОУ с смещением – Как и другие электронные устройства, операционные усилители должны иметь правильное смещение, чтобы они функционировали должным образом.Как уже говорилось, входы операционного усилителя являются базовыми выводами транзисторов дифференциального усилителя. Для работы транзисторов через эти клеммы должны протекать базовые токи. Следовательно, входные клеммы должны быть напрямую подключены к подходящим источникам напряжения смещения постоянного тока.

Наиболее подходящий уровень напряжения смещения постоянного тока для входов схемы биполярного операционного усилителя смещения находится примерно посередине между напряжениями питания + и -. Одна из двух входных клемм обычно каким-либо образом подключается к выходу операционного усилителя для облегчения отрицательной обратной связи.Если используется питание +/-, другой вход может быть смещен непосредственно на землю через источник сигнала [см. Рис. 14-4]. Базовый ток I _B1 течет на неинвертирующий вход операционного усилителя через источник сигнала, а ток I _B2 течет с выхода на инвертирующий вход, как показано.

На рисунке 14-5 показана ситуация, в которой один вход подключен через резистор R ₁ к земле, а другой подключен через R ₂ к выходу операционного усилителя.И снова базовый ток транзисторов входного каскада протекает на оба входа. R ₁ и R ₂ должны иметь одинаковые значения сопротивления, чтобы падения напряжения I _B1 R ₁ и I _B2 R ₂ были примерно равны. Любая разница в этих двух падениях напряжения проявляется как входное напряжение постоянного тока операционного усилителя, которое может быть усилено для создания смещения постоянного тока на выходе.

Если выбраны очень малые значения сопротивления для R ₁ и R ₂ в схеме на рис.14-5, тогда очень маленькое входное сопротивление (R ₁ ) будет предложено источнику сигнала с конденсаторной связью [см. Рис. 14-5]. С другой стороны, если R ₁ и R ₂ очень большие, падения напряжения I _B1 R ₁ и I _B2 R ₂ могут быть смехотворно большими. Приемлемое максимальное падение напряжения на этих резисторах должно быть намного меньше, чем типичный уровень V _BE для перехода база-эмиттер с прямым смещением.

На рис. 14-6 показан делитель напряжения (R ₁ и R ₂ ), обеспечивающий уровень смещения входной клеммы от напряжения питания.Ток делителя напряжения I ₂ следует выбирать намного большим, чем входной ток смещения. Это необходимо, чтобы гарантировать, что I _B имеет пренебрежимо малое значение, выбранное как,

Тогда R ₁ и R ₂ просто рассчитываются как, V _R1 / I ₂ и V _R2 / I ₂ соответственно.

Резистор R ₃ на рис. 14-6 следует выбирать примерно равным R ₁ || R ₂ , чтобы минимизировать разницу между I _B1 (R ₁ || R ₂ ) и I _B1 R ₃ , который может вести себя как входное напряжение постоянного тока.

Однополярное напряжение питания может использоваться со схемой биполярного операционного усилителя со смещением. Например, 741 может использовать +30 В (как показано на рис. 14-8) вместо источника питания ± 15 В. Резисторы R ₁ и R ₂ обычно выбираются для установки V _B = V _CC /2.

Результирующее выходное смещение может быть уменьшено или устранено в схеме, показанной на рис. 14-6, путем настройки одного из резисторов. Аналогично, если R ₃ на рис.14-8 – переменный резистор, его можно отрегулировать для уменьшения выходного напряжения смещения операционного усилителя. Процесс называется обнулением смещения напряжения .

На рис. 14-9 показан другой метод обнуления смещения напряжения с помощью операционного усилителя 741. Потенциометр 10 кОм подключен к входному каскаду дифференциального усилителя через клеммы 1 и 5, как показано на рисунке. Когда подвижный контакт подключен к -V _EE , потенциометр можно отрегулировать для обнуления выходного напряжения смещения.

Входной ток смещения для операционного усилителя BIFET обычно составляет 50 пА, что намного меньше, чем у операционного усилителя Bioplar. Таким образом, уже рассмотренный метод выбора резистора смещения дает очень высокие значения резистора. Это нежелательно, потому что электрические заряды могут накапливаться на затворах полевого транзистора и, таким образом, сделать уровни смещения нестабильными. Кроме того, паразитная емкость становится более эффективной при использовании резисторов смещения высокого номинала, что может привести к нежелательным колебаниям цепи.