Операционные усилители схемы включения: Операционный усилитель? Это очень просто!

1.7. Схемы включения операционных усилителей

Дифференциальное включение ОУ

На рис. 1.13 приведена схема дифференциального включения ОУ. Найдем зависимость выходного напряжения ОУ от входных напряжений. Вследствие свойства 1 идеального операционного усилителя (он обладает высоким коэффициентом усиления по напряжению) 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:

.               (1.1)

Поскольку напряжение между инвертирующим входом и общей шиной U_N = U_P, ток I₁ определится из соотношения:

.              (1.2)

Вследствие свойства 3 идеального ОУ (обладает малыми входными токами) I₁ = I₂. Выходное напряжение усилителя в таком случае равно:

U_ВЫХ = U_P – I₁

R₂                                                   (1. 3)

Подставив выражения (1.1) и (1.2) в выражение (1.3), получим:

.                                       (1.4)

При выполнении соотношения R₁R₄ = R₂R₃,

U_ВЫХ = (U₁ – U₂)R₂ / R₁                                       (1.5)

Нетрудно убедиться, что соотношения (1.4), (1.5) 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 ОУ

При инвертирующем включении неинвертирующий вход ОУ соединяется с общей шиной (рис. 1.14). В этом случае:

.             (1.6)

Таким образом, выходное напряжение усилителя в инвертирующем включении находится в противофазе по отношению к 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 1 идеального ОУ входной ток схемы равен:

I₁ = U₂ / R₁.

Следовательно, входное сопротивление схемы R_ВХ = R₁. Поскольку напряжение на неинвертирующем входе усилителя равно нулю, а согласно свойству 1 идеального ОУ разность потенциалов между его входами равна нулю, то инвертирующий вход в этой схеме иногда называют виртуальным (т.е. воображаемым) нулем.

Неинвертирующее включение ОУ

При неинвертирующем включении входной сигнал подается на неинвертирующий вход ОУ, а на инвертирующий вход через делитель на резисторах R

1 и R₂ поступает сигнал с выхода усилителя (рис. 1.15). Здесь коэффициент усиления схемы (K) найдем, положив в выражении (1.4) U₂ = 0, R₃ = 0, R₄ бесконечно велико. Получим:

.              (1. 7)

Как видно из выражения (1.7), здесь выходной сигнал синфазен входному. Ко

эффициент 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 интегральных микросхем (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.

Входное сопротивление схемы

Благодаря наличию обратной связи к сопротивлению r_Д (рис. 1.16) приложено очень малое напряжение:

,

где  – коэффициент передачи делителя в цепи обратной связи.

rono.ru/wp-content/image_post/micrshema/pic16_3.gif> Таким образом, через это сопротивление протекает только ток, равный  U₁/r_Д(1 + β K_U). Поэтому дифференциальное входное сопротивление, благодаря действию обратной связи, умножается на коэффициент 1+ K_Uβ. Согласно рис. 1.16, для результирующего входного сопротивления схемы имеем:

R_ВХ =  r_Д(1 + K_U β) || r_ВХ.

Эта величина даже для операционных усилителей с биполярными транзисторами на входах превышает 10

9 Ом. Следует, однако, помнить, что речь идет исключительно о дифференциальной величине. Это значит, что изменения входного тока малы, тогда как среднее значение входного тока может принимать несравненно большие значения.

Выходное сопротивление схемы

Реальные операционные усилители довольно далеки от идеала в отношении выходного сопротивления. Так, рассмотренный ОУ типа µА741 (см. рис. 1.16) имеет r_ВЫХ порядка 1 кОм. Оно, правда, в значительной степени уменьшается применением отрицательной обратной связи по напряжению. Снижение выходного напряжения схемы, вызванное падением напряжения на r_ВЫХ при подключении нагрузки, передается на n-вход усилителя через делитель напряжения R₁, R₂. Возникающее при этом увеличение дифференциального напряжения компенсирует изменение выходного напряжения. Выходное сопротивление операционного усилителя, не охваченного обратной связью, определяется из выражения:

.

Для усилителя, охваченного обратной связью, в соответствии со схемой (см. рис. 1.16, полученная формула принимает вид:

.                                                (1.8)

При работе усилителя, охваченного обратной связью, значение U_Д не остается постоянным, а изменяется на величину:

dU_Д = – dU_Д = – β dU_ВЫХ.                                       (1.9)

Для усилителя с линейной передаточной характеристикой изменение выходного напряжения составляет:

dU_ВЫХ = K_UdU_Д – r_ВЫХ dI_ВЫХ.

Значением тока, ответвляющегося в делитель напряжения обратной связи в данном случае можно пренебречь. Подставив в последнее выражение величину dU_Д из выражения (1.

9) с учетом выражения (1.8), получим искомый результат:

.

Если, например, β = 0,1, что соответствует усилению входного сигнала в 10 раз, а K_U =10⁵ , то выходное сопротивление усилителя µА741 снизится с 1 кОм до 0,1 Ом. Все изложенное справедливо в пределах полосы пропускания усилителя (f_П), которая для µА741 составляет всего только 10 Гц. На более высоких частотах выходное сопротивление ОУ с обратной связью будет увеличиваться,  так как  величина |K_U| с ростом частоты будет уменьшаться со скоростью 20 дБ на декаду (см. рис. 1.12). При этом оно приобретает индуктивный характер и на частотах более f_Т становится равным выходному сопротивлению усилителя без обратной связи.

4.22. Операционные усилители с одним источником питания

Операционные усилители

Работа ОУ с одним источником питания

Подразделы: 4.21 4.22

Существует такой класс операционных усилителей, который допускает работу с одним источником положительного напряжения питания. Это связано с тем, что входные напряжения могут изменяться вплоть до предельного отрицательного значения (обычно привязанного к потенциалу земли). В этом классе в свою очередь можно выделить два типа в зависимости от возможностей выходного каскада: в усилителях первого типа размах выходного напряжения ограничен снизу значением U_–, в усилителях второго типа – двумя значениями напряжения питания:

1. Операционный усилитель типа LM324 (четыре ОУ в одной ИС)/LМ358 (два ОУ в одной ИС), LT1013 и TLC270. Для этих схем нижний предел диапазона входного синфазного сигнала на 0,3 В ниже, чем U_–, а размах выходного напряжения ограничен снизу значением напряжения U_–. Как на входах, так и на выходе предельное значение напряжения на 1,5 В меньше, чем напряжение U₊. Если требуется, чтобы входной диапазон был ограничен значением U₊, то лучше использовать ОУ типа LM301/307, ОР-41 или 355; пример использования такого типа ОУ приведен в разд. 6.24, посвященном обсуждению источников постоянного тока. Для того, чтобы понять некоторые тонкости построения таких ОУ, полезно обратиться к принципиальной схеме (рис. 4.54). Она представляет собой дифференциальный усилитель; в качестве активной нагрузки входного каскада использовано токовое зеркало, выходной каскад является двухтактным и обеспечивает ограничение выходного тока Запомните следующие основные моменты (напряжение U_– будем называть землей):

рис. 4.54. Принципиальная схема распространенных ОУ типа 324 и 358 (фирма National Semiconductor Corp.).

Входы: использование на входе p-n-p – структуры приводит к тому, что размах напряжения ограничен снизу значением, которое на 0,3 В ниже потенциала земли; при превышении этого предела на любом из входов состояние выхода становится непредсказуемым (например, напряжение на выходе может стать отрицательным).

Выход: транзистор Т₁₃ работает при низком выходном напряжении и может принять большой втекающий ток, однако он способен удержать выходное напряжение только на уровне падения напряжения на диоде относительно земли Более низкие напряжения обеспечивает приемник тока на 50 мкА; это означает, что при низких уровнях выхода (близких к 0 В) нельзя использовать нагрузку, через которую в схему пойдет ток, больший 50 мкА, в противном случае напряжение на выходе не сможет приблизиться к потенциалу земли более чем на величину падения напряжения на диоде. Даже при использовании «хорошей» нагрузки (например, в виде разомкнутой цепи) приемник тока не может приблизить выходное напряжение к потенциалу земли более чем на величину напряжения насыщения 0,1 В). Если надо, чтобы выходное напряжение было в точности равно потенциалу земли, то нагрузка должна отбирать небольшой ток; это может быть, например, заземленный резистор. В последнее время к семейству операционных усилителей с одним источником питания со входами на транзисторах p-n-p – типа. добавились следующие схемы: прецизионные ОУ типа LT1006 и LT1014 (в одном корпусе один и четыре ОУ, соответственно), микромощные ОУ типа ОР-20 и ОР-90 (в обоих случаях в одном корпусе один ОУ), и LP324 (в одном корпусе четыре ОУ).

Примеры схем с этими операционными усилителями будут приведены после того, как мы рассмотрим еще один тип ОУ, работающий с одним источником питания.

2. Операционный усилитель типа LM10 (на биполярных транзисторах) или СА5130/5160 (на полевых МОП – транзисторах). В выходных каскадах этих ОУ используют комплементарные полевые транзисторы. Когда они полностью открыты, то их сопротивление, включенное между выходом и источником питания (U₊ или U_–), мало. Следовательно, размах выходного напряжения ограничен значениями напряжения источников питания. Кроме того, напряжение на входах может становиться ниже напряжения U_– на 0,5 В. В отличие от ОУ типа LM10, для ОУ типа СА5130 и 5160 полный диапазон питающего напряжения может составлять не более 16 В, а диапазон входного синфазного напряжения ограничен значениями ± 8 В. В большинстве операционных усилителей на КМОП – транзисторах размах выходного напряжения ограничен значениями питающих напряжений, однако нужно иметь в виду, что существуют такие семейства ОУ, в которых размах ограничен значением одного питающего напряжения. Отметим также, что входной диапазон большинства ОУ на КМОП – транзисторах, также как ОУ на биполярных транзисторах, включает по крайней мере одно значение напряжения питания. Например, в популярной серии интегральных схем TLC27хх фирмы TI размах входного и выходного напряжения ограничен только отрицательным значением напряжения питания, в тоже время в ОУ типа LMC660 фирмы National, в серии схем типа ICL76xx фирмы Intersil и в ОУ на КМОП – транзисторах фирмы RCA выходной размах ограничен двумя значениями напряжения питания (правда, входной диапазон синфазного сигнала ограничен только отрицательным значением напряжения питания). Особое место среди ОУ занимают КМОП – операционные усилители типа ICL612 и AD1701/2, в которых и входной, и выходной диапазоны ограничены двумя значениями напряжения питания.

Пример: фотометр с одним источником питания. На рис. 4.55 показана типичная схема, в которой удобно использовать один источник питания. Подобную схему мы уже рассматривали выше, когда знакомились с преобразователями тока в напряжение. В связи с тем, что схему солнечной батареи можно с успехом использовать в портативных приборах для измерения светового потока, а также потому, что выходное напряжение может быть только положительным, само собой напрашивается желание использовать для этой схемы один источник питания в виде электрической батарейки. Резистор R₁ устанавливает размах выходного напряжения равным 5 В при входном фототоке величиной 0,5 мкА. В этой схеме нет необходимости регулировки напряжения смешения, так как не отрегулированное смещение величиной 10 мВ соответствует пренебрежимо малому показанию фотометра, величиной 0,2% полного размаха шкалы. Интегральная схема типа TLC251 представляет собой недорогой микромощный (питающий ток равен 10 мкА) ОУ на КМОП – транзисторах, в котором размах входного и выходного напряжения ограничен отрицательным значением напряжения питания. Благодаря небольшому входному току (типичное значение – 1 пА при комнатной температуре), эта схема подходит для приложений, подобных описанному здесь, в которых используется слабый ток. Отметим, что при использовании биполярного ОУ схема будет лучше работать при низких уровнях света, если фотодиод подключить так, как показано на рис. 4.94, л.

Если вы имеете дело с операционными усилителями с одним источником питания, будьте внимательны к заявлениям о выходном размахе ограниченном отрицательным значением напряжения питания (потенциалом земли). На самом деле существуют четыре типа выходных каскадов, выходной размах которых ограничен потенцалом земли, но все они обладают разными свойствами (рис. 4.56): (а) операционные усилители с КМОП – транзисторами на выходе на самом деле обеспечивают размах, ограниченный знаниями питающих напряжении такой каскад может дотянуть выходное напряжение до потенциала земли, далее если схема отбирает небольшой ток. В качестве примера назовем схемы типа ICL76xx, LMC660 и СА5160. (б) Аналогично ведут себя операционные усилители с транзистором с общим эмиттером n-p-n – типа, на который подан потенциал земли, т. е. выходное напряжение ограничено потенциалом земли, даже если отбирается ток. Примерами служат схемы типа LM10, СА5422 и LT1013/14 Оба типа выходных каскадов могут, конечно, работать на разомкнутую схему или на нагрузку, которая отбирает ток на землю, (в) В некоторых ОУ, таких как 358 или 324, используется подключенный к «земле» повторитель p-n-p – типа (размах которого ограничен потенциалом земли в пределах нескольких падений напряжения на диоде), соединенный параллельно со схемой на транзисторах n-p-n – типа, потребляющей ток (отбирающей ток на землю). В схеме типа 358 внутренний потребляемый ток установлен равным 50 мкА. В этой схеме размах выходного напряжения ограничен точно потенциалом земли при условии, что отбираемый из нагрузки ток не превышает 50 мкА. Если же нагрузка порождает больший ток, то выходной размах ограничен потенциалом земли в пределах падения напряжения на диоде.

Рис. 4.56. Выходные каскады, используемые в ОУ с одним источ ником питания.

Как и прежде, выходная схема этого типа успешно работает источником тока на заземленную нагрузку (как в примере с фотометром), (г) И наконец, в некоторых ОУ с одним источником питания (например, типа ОР-90) используется подключенный к «земле» повторитель p-n-p – типа без параллельного потребителя тока. Такой выходной каскад может иметь размах, ограниченный потенциалом земли только в том случае, если нагрузка «помогает», потребляя ток, т.е. подключена к земле. Если вы захотите использовать такой ОУ с нагрузкой, которая представляет собой источник тока, вам придется включить в схему внешний резистор, связанный с «землей» (рис. 4.57).

Рис. 4.57. Подключение нагрузки к ОУ с одним источником питания. Для всех вариантов схем с одним источником питания (а – г) размах выходного напряжения ограничен потенциалом земли, при условии, что схема является источником тока. Для некоторых вариантов схем (а и б) размах выходного напряжения ограничен потенциалом, близким к потенциалу земли, при этом схемы потребляют ток средней или значительной величины; схема в может потреблять ток величиной до 50 мкА. а для схемы г требуется нагрузочный резистор, соединенный с землей, тогда схема будет работать с напряжением, близким к потенциалу земли.

Предостережение: было бы неправиль но считать, что выходной размах любого ОУ можно ограничить отрицательным значением напряжения питания, если подключить внешний потребитель тока. В большинстве случаев схема, управляющая выходным каскадом не допускает этого. Внимательно изучайте документацию на схему!

Пример: усилитель постоянного тока с одним источником питания. На рис. 4.58 показан типичный неинвертирующий усилитель с одним источником питания, предназначенный для усиления входного сигнала положительной полярности. Входное, выходное напряжение и положительное напряжение питания измеряются относительно потенциала земли, которая служит в качестве отрицательного напряжения питания для ОУ. Выходной «спускающий» резистор может потребоваться только в усилителях, отнесенных нами к первому типу, для обеспечения размаха ограниченного потенциалом «земли»; эту функцию может выполнить цепь обратной связи или сама нагрузка. Важный момент: запомните, что выходное напряжение не может быть отрицательным: следовательно, этот усилитель нельзя использовать, скажем, для звуковых радиосигналов переменного тока.

Рис. 4.58. Усилитель постоянного тока с одним источником питания.

Операционные усилители с одним источником питания незаменимы в оборудовании, использующем питание от батареек.

Подразделы: 4.21 4.22

Компараторы и триггер Шмитта

операционный усилитель – Операционный усилитель как простой переключатель

Задавать вопрос

спросил

4 года, 4 месяца назад

Изменено 1 год, 8 месяцев назад

Просмотрено 4к раз

\$\начало группы\$

Я хочу сделать небольшой переключатель напряжения, который включает зуммер и реле при достижении определенного напряжения. Пожалуйста, взгляните на схему.

Я использую подстроечный потенциометр, чтобы настроить напряжение переключателя так, чтобы оно равнялось напряжению стабилитрона, в данном случае 3,3 вольта. Затем операционный усилитель (741) переключается на Vcc и управляет транзистором (PN2222A), который включает реле 12 В и зуммер. Базовый резистор настроен таким образом, что у меня будет Ic около 150 мА.

Пока все хорошо.

Моя проблема в том, что операционный усилитель не является «идеальным» и не переключается на 0 В, когда напряжение на положительном входе ниже напряжения стабилитрона. Там около +2 В, что, очевидно, достаточно для управления транзистором, поэтому реле/зуммер всегда включен.

Также нет “жесткого переключения” с 0 на Vcc, ОУ медленно увеличивает выходное напряжение и потом резко переходит на Vcc.

Я знаю о проблеме смещения постоянного тока, но как я могу компенсировать это, если у меня есть только Vcc и 0V?

Еще одно решение, которое я нашел в Интернете, состояло в том, чтобы вставить петлю обратной связи. Как мне выбрать резистор обратной связи?

Это могут быть очень простые вопросы, но я был бы признателен за вашу помощь.

Заранее спасибо.

• операционный усилитель
• переключатели
• постоянный ток
• стабилитрон
• постоянное смещение

\$\конечная группа\$

10

\$\начало группы\$

Вы используете операционный усилитель в качестве компаратора, не идеальный, но не край света во многих приложениях. Ваша схема может работать с соответствующим операционным усилителем. Вам нужен тот, который может достигать земли, когда его источник питания привязан к земле. Это то, что делают большинство операционных усилителей с однополярным питанием, особенно если они имеют выходы rail-to-rail.

Но если вы собираетесь покупать детали (а не просто брать их из ящика стола), выбирайте настоящий компаратор.

\$\конечная группа\$

1

Зарегистрируйтесь или войдите в систему

Зарегистрируйтесь с помощью Google

Зарегистрироваться через Facebook

Зарегистрируйтесь, используя электронную почту и пароль

Опубликовать как гость

Электронная почта

Требуется, но никогда не отображается

Опубликовать как гость

Электронная почта

Требуется, но не отображается

Нажимая «Опубликовать свой ответ», вы соглашаетесь с нашими условиями обслуживания, политикой конфиденциальности и политикой использования файлов cookie

. 9Операционный усилитель 0000. Как использовать операционный усилитель в качестве переключателя?

спросил 2 года, 4 месяца назад

Изменено 2 года, 4 месяца назад

Просмотрено 401 раз

\$\начало группы\$

В рамках проекта нашей лаборатории мы должны рассчитать подходящие значения сопротивления для этой схемы ниже и для других, подобных ей, с другими сопротивлениями датчиков. Однако в лекциях мы никогда не видели, чтобы операционный усилитель использовался так, как здесь, предположительно, как своего рода переключатель.

Я понятия не имею, как начать разбираться с этой схемой, так как вся информация, которую мы получили, это типичные сопротивления датчиков. В этом случае сопротивление термистора будет 1 кОм при 80 С и 4 кОм при 20 С. Эта схема должна включать светодиод справа при высокой температуре.

Другой вопрос, вместо того, чтобы спрашивать, как работает схема: как мне соединить компоненты для моделирования в LTspice? Должен ли задний конец светодиода быть подключен к земле? И, поскольку LTspice не допускает шин напряжения, должен ли отрицательный вывод источника напряжения быть соединен с землей внизу?

Спасибо за любую помощь и извините за глупые вопросы, я только первый год. Предварительно записанные онлайн-лекции не являются идеальной средой обучения, и наши преподаватели не отвечают ни на какие электронные письма.

• операционный усилитель
• постоянный ток
• термистор

\$\конечная группа\$

2

\$\начало группы\$

В своих лекциях вы должны были познакомиться с основным уравнением для идеального операционного усилителя: Vout = G (V+ – V-). Где G очень велико, порядка миллиона или около того для современных операционных усилителей.

Таким образом, когда V+ на один милливольт меньше, чем V-, выходное напряжение будет равно -1000 вольт (0,001 умножить на 1 000 000), но будет равно нулю, поскольку это отрицательное питание.

Когда V+ на один милливольт больше, чем V-, выход попытается подняться до +1000 вольт. Поскольку операционный усилитель не может обеспечить выходное напряжение, превышающее его положительное напряжение питания, вместо этого он будет делать именно это.

Обратите внимание, что здесь предполагается, что операционный усилитель представляет собой то, что называется выходным усилителем «от сети к шине». Вы должны знать, что многие операционные усилители, особенно более старые модели, такие как 741, 356, TL081/82/84 и т. д., не смогут работать ближе к линиям питания, чем около 3 вольт, что может повлиять на данную схему.

\$\конечная группа\$

\$\начало группы\$

Отправной точкой было бы решить, при каком значении RTemp вы хотите, чтобы он переключался (возможно, 2K).