Содержание
Операционные усилители (на основе простейших примеров): часть 1 / Хабр
В курсе электроники есть много важных тем. Сегодня мы попытаемся разобраться с операционными усилителями.
Начнем сначала. Операционный усилитель — это такая «штука», которая позволяет всячески оперировать аналоговыми сигналами. Самые простейшие и основные — это усиление, ослабление, сложение, вычитание и много других (например, дифференцирование или логарифмирование). Абсолютное большинство операций на операционных усилителях (далее ОУ) выполняются с помощью положительных и отрицательных обратных связей.
В данной статье будем рассматривать некий «идеал» ОУ, т.к. переходить на конкретную модель не имеет смысла. Под идеалом подразумевается, что входное сопротивление будет стремиться к бесконечности (следовательно, входной ток будет стремиться к нулю), а выходное сопротивление — наоборот, будет стремиться к нулю (это означает, что нагрузка не должна влиять на выходное напряжение). Также, любой идеальный ОУ должен усиливать сигналы любых частот. Ну, и самое важное, коэффициент усиления при отсутствующей обратной связи должен также стремиться к бесконечности.
Ближе к делу
Операционный усилитель на схемах очень часто обозначается равносторонним треугольничком. Слева расположены входы, которые обозначены «-» и «+», справа — выход. Напряжение можно подавать на любой из входов, один из которых меняет полярность напряжения (поэтому его назвали инвертирующим), другой — не меняет (логично предположить, что он называется неинвертирующий). Питание ОУ, чаще всего, двуполярное. Обычно, положительное и отрицательное напряжение питания имеет одинаковое значение (но разный знак!).
В простейшем случае можно подключить источники напряжения прямо ко входам ОУ. И тогда напряжение на выходе будет расчитываться по формуле:
, где — напряжение на неинвертирующем входе, — напряжение на инвертирующем входе, — напряжение на выходе и — коэффициент усиления без обратной связи.
Посмотрим на идеальный ОУ с точки зрения Proteus.
Предлагаю «поиграть» с ним. На неинвертирующий вход подали напряжение в 1В. На инвертирующий 3В. Используем «идеальный» ОУ. Итак, получаем: . Но тут у нас есть ограничитель, т.к. мы не сможем усилить сигнал выше нашего напряжения питания. Таким образом, на выходе все равно получим -15В. Итог:
Изменим коэффициент усиления (чтобы Вы мне поверили). Пусть параметр Voltage Gain станет равным двум. Та же задача наглядно решается.
Реальное применение ОУ на примере инвертирующего и неинвертирующего усилителей
Есть два таких основных правила:
I.Выход операционного усилителя стремится к тому, чтобы дифференциальное напряжение (разность между напряжением на инвертирующем и неинвертирующем входах) было равно нулю.
II.Входы ОУ не потребляют тока.
Первое правило реализуется за счет обратной связи. Т.е. напряжение передается с выхода на вход таким образом, что разность потенциалов становится равной нулю.
Это, так сказать, «священные каноны» в теме ОУ.
А теперь, конкретнее. Инвертирующий усилитель выглядит именно так (обращаем внимание на то, как расположены входы):
Исходя из первого «канона» получаем пропорцию:
, и немного «поколдовав» с формулой выводим значение для коэффициента усиления инвертирующего ОУ:
Приведенный выше скрин в комментариях не нуждается. Просто сами все подставьте и проверьте.
Следующий этап — неинвертирующий усилитель.
Тут все также просто. Напряжение подается непосредственно на неинвертирующий вход. На инвертирующий вход подводится обратная связь. Напряжение на инвертирующем входе будет:
, но применяя первое правило, можно утверждать, что
И снова «грандиозные» познания в области высшей математики позволяют перейти к формуле:
Приведу исчерпывающий скрин, который можете перепроверить, если хотите:
Пара интересных схем
Напоследок, приведу парочку интересных схем, чтобы у Вас не сложилось впечатления, что операционные усилители могут только усиливать напряжение.
Повторитель напряжения (буферный усилитель). Принцип действия такой же, как и у транзисторного повторителя. Используется в цепях с большой нагрузкой. Также, с его помощью можно решить задачку с согласованием импедансов, если в схеме есть нежелательные делители напряжения. Схема проста до гениальности:
Суммирующий усилитель. Его можно использовать, если требуется сложить (отнять) несколько сигналов. Для наглядности — схема (снова обращаем внимание на расположение входов):
Также, обращаем внимание на то, что R1 = R2 = R3 = R4, а R5 = R6. Формула расчета в данном случае будет: (знакомо, не так ли?)
Таким образом, видим, что значения напряжений, которые подаются на неинвертирующий вход «обретают» знак плюс. На инвертирующий — минус.
Заключение
Схемы на операционных усилителях чрезвычайно разнообразны. В более сложных случаях Вы можете встретить схемы активных фильтров, АЦП и устройств выборки хранения, усилители мощности, преобразователи тока в напряжение и многие многие другие схемы.
Список источников
Краткий список источников, который поможет Вам быстрее освоится как в ОУ, так и в электронике в целом:
Википедия
П. Хоровиц, У. Хилл. «Искусство схемотехники»
Б. Бейкер. «Что нужно знать цифровому разработчику об аналоговой электронике»
Конспект лекций по электронике (желательно, собственный)
UPD.: Спасибо НЛО за приглашение
Операционный усилитель — Описание и принцип работы.
Что такое операционный усилитель
Операционный усилитель (ОУ) англ. Operational Amplifier (OpAmp), в народе – операционник, является усилителем постоянного тока (УПТ) с очень большим коэффициентом усиления. Словосочетание «усилитель постоянного тока» не означает, что операционный усилитель может усиливать только постоянный ток. Имеется ввиду, начиная с частоты в ноль Герц, а это и есть постоянный ток.
Термин «операционный» укрепился давно, так как первые образцы ОУ использовались для различных математических операций типа интегрирования, дифференцирования, суммирования и тд.
Коэффициент усиления ОУ зависит от его типа, назначения, структуры и может превышать 1 млн!
Обозначение на схеме операционного усилителя
На схемах операционный усилитель обозначается вот так:
или так
Чаще всего ОУ на схемах обозначаются без выводов питания
Итак, далее по классике, слева два входа, а справа – выход.
Вход со знаком «плюс» называют НЕинвертирующий, а вход со знаком «минус» инвертирующий. Не путайте эти два знака с полярностью питания! Они НЕ говорят о том, что надо в обязательном порядке подавать на инвертирующий вход сигнал с отрицательной полярностью, а на НЕинвертирующий сигнал с положительной полярностью, и далее вы поймете почему.
Питание операционных усилителей
Если выводы питания не указаны, то считается, что на ОУ идет двухполярное питание +E и -E Вольт. Его также помечают как +U и -U, VCC и VEE, Vc и VE. Чаще всего это +15 и -15 Вольт. Двухполярное питание также называют биполярным питанием.
Как это понять — двухполярное питание?
Давайте представим себе батарейку
Думаю, все вы в курсе, что у батарейки есть «плюс» и есть «минус». В этом случае «минус» батарейки принимают за ноль, и уже относительно нуля считают напряжение батарейки. В нашем случае напряжение батарейки равняется 1,5 Вольт.
А давайте возьмем еще одну такую батарейку и соединим их последовательно:
Итак, общее напряжение у нас будет 3 Вольта, если брать за ноль минус первой батарейки.
А что если взять на ноль минус второй батарейки и относительно него уже замерять все напряжения?
Вот здесь мы как раз и получили двухполярное питание.
Идеальная и реальная модель операционного усилителя
Для того, чтобы понять суть работы ОУ, рассмотрим его идеальную и реальную модели.
1) Входное сопротивление идеального ОУ бесконечно большое.
В реальных ОУ значение входного сопротивления зависит от назначения ОУ (универсальный, видео, прецизионный и т.
п.) типа используемых транзисторов и схемотехники входного каскада и может составлять от сотен Ом и до десятков МОм. Типовое значение для ОУ общего применения — несколько МОм.
2) Второе правило вытекает из первого правила. Так как входное сопротивление идеального ОУ бесконечно большое, то входной ток будет равняться нулю.
На самом же деле это допущение вполне справедливо для ОУ с полевыми транзисторами на входе, у которых входные токи могут быть меньше пикоампер. Но есть также ОУ с биполярными транзисторами на входе. Здесь уже входной ток может быть десятки микроампер.
3) Выходное сопротивление идеального ОУ равняется нулю.
Это значит, что напряжение на выходе ОУ не будет изменяться при изменении тока нагрузки. В реальных ОУ общего применения выходное сопротивление составляет десятки Ом (обычно 50 Ом).
Кроме того, выходное сопротивление зависит от частоты сигнала.
4) Коэффициент усиления в идеальном ОУ бесконечно большой. В реальности он ограничен внутренней схемотехникой ОУ, а выходное напряжение ограничено напряжением питания.
5) Так как коэффициент усиления бесконечно большой, следовательно, разность напряжений между входами идеального ОУ равняется нулю. Иначе если даже потенциал одного входа будет больше или меньше хотя бы на заряд одного электрона, то на выходе будет бесконечно большой потенциал.
6) Коэффициент усиления в идеальном ОУ не зависит от частоты сигнала и постоянен на всех частотах. В реальных ОУ это условие выполняется только для низких частот до какой-либо частоты среза, которая у каждого ОУ индивидуальна. Обычно за частоту среза принимают падение усиления на 3 дБ или до уровня 0,7 от усиления на нулевой частоте (постоянный ток).
Схема простейшего ОУ на транзисторах выглядит примерно вот так:
Принцип работы операционного усилителя
Давайте рассмотрим, как работает ОУ
Принцип работы ОУ очень прост. Он сравнивает два напряжения и на выходе уже выдает отрицательный, либо положительный потенциал питания. Все зависит от того, на каком входе потенциал больше.
Если потенциал на НЕинвертирующем входе U1 больше, чем на инвертирующем U2, то на выходе будет +Uпит, если же на инвертирующем входе U2 потенциал будет больше, чем на НЕинвертирующем U1, то на выходе будет -Uпит. Вот и весь принцип ;-).
Читай последовательное и параллельное соединение проводников.
Давайте рассмотрим этот принцип в симуляторе Proteus. Для этого выберем самый простой и распространенный операционный усилитель LM358 (аналоги 1040УД1, 1053УД2, 1401УД5) и соберем примитивную схему, показывающую принцип работы
Подадим на НЕинвертирующий вход 2 Вольта, а на инвертирующий вход 1 Вольт. Так как на НЕинвертирующем входе потенциал больше, то следовательно, на выходе мы должны получить +Uпит. Мы получили 13,5 Вольт, что близко к этому значению
Но почему не 15 Вольт? Виновата во всем сама внутренняя схемотехника ОУ. Максимальное значение ОУ не всегда может равняться положительному либо отрицательному напряжению питания.
Оно может отклоняться от 0,5 и до 1,5 Вольт в зависимости от типа ОУ.
Но, как говорится, в семье не без уродов, и поэтому на рынке уже давно появились ОУ, которые могут выдавать на выходе допустимое напряжение питания, то есть в нашем случае это значения, близкие к +15 и -15 Вольтам. Такая фишка называется Rail-to-Rail, что в дословном переводе с англ. «от рельса до рельса», а на языке электроники «от одной шины питания и до другой».
Давайте теперь на инвертирующий вход подадим потенциал больше, чем на НЕинвертирущий. На инвертирующий подаем 2 Вольта, а на НЕинвертирующий подаем 1 Вольт:
Как вы видите, в данный момент выход «лег» на -Uпит, так как на инвертирующем входе потенциал был больше, чем на НЕинвертирующем.
Чтобы не качать лишний раз программный комплекс Proteus, можно в онлайне с помощью программы Falstad сэмулировать работу идеального ОУ. Для этого выбираем вкладку Circuits—Op-Amps—>OpAmp. В результате на вашем экране появится вот такая схемка:
На правой панели управления увидите бегунки для добавления напряжения на входы ОУ и уже можете визуально увидеть, что получится на выходе ОУ при изменении напряжения на входах.
Что будет на выходе ОУ, если на обоих входах будет ноль вольт?
Итак, мы рассмотрели случай, когда напряжение на входах может различаться. Но что будет, если они будут равны? Что нам покажет Proteus в этом случае? Хм, показал +Uпит.
А что покажет Falstad? Ноль Вольт.
Кому верить? Никому! В реале, такое сделать невозможно, чтобы на два входа загнать абсолютно равные напряжения. Поэтому такое состояние ОУ будет неустойчивым и значения на выходе могут принимать значения или -E Вольт, или +E Вольт.
Давайте подадим синусоидальный сигнал амплитудой в 1 Вольт и частотой в 1 килоГерц на НЕинвертирующий вход, а инвертирующий посадим на землю, то есть на ноль.
Смотрим, что имеем на виртуальном осциллографе:
Что можно сказать в этом случае? Когда синусоидальный сигнал находится в отрицательной области, на выходе ОУ у нас -Uпит, а когда синусоидальный сигнал находится в положительной области, то и на выходе имеем +Uпит.
Скорость нарастания выходного напряжения
Также обратите внимание на то, что напряжение на выходе ОУ не может резко менять свое значение. Поэтому, в ОУ есть такой параметр, как скорость нарастания выходного напряжения VUвых.
Этот параметр показывает насколько быстро может измениться выходное напряжение ОУ при работе в импульсных схемах. Измеряется в Вольт/сек. Ну и как вы поняли, чем больше значение этого параметра, тем лучше ведет себя ОУ в импульсных схемах. Для LM358 этот параметр равен 0,6 В/мкс.
При участии осциллограф это
Также смотрите видео «Что такое операционный усилитель (ОУ) и как он работает»
Хороший набор радиолюбителя по ссылке <<<
Коэффициент усиления операционного усилителя — пояснение Расчетное уравнение » Electronics Notes
Коэффициент усиления
является ключевым аспектом проектирования схем операционных усилителей: расчеты могут выполняться для общих схем или с использованием более конкретных формул для инвертирующих и неинвертирующих усилителей.
Учебное пособие по операционному усилителю Включает:
Введение
Усиление операционного усилителя
Пропускная способность
Скорость нарастания операционного усилителя
Смещение нуля
Входное сопротивление
Выходное сопротивление
Операционный усилитель с обратной связью по току
Понимание спецификаций
Как выбрать операционный усилитель
Краткое описание схем операционных усилителей
Одним из ключевых аспектов рабочих характеристик операционных усилителей и их электронных схем является коэффициент усиления. Операционные усилители сами по себе предлагают огромные уровни усиления при использовании в так называемой конфигурации с разомкнутым контуром.
В условиях разомкнутого контура коэффициент усиления операционного усилителя может превышать 10 000, при этом некоторые операционные усилители имеют уровни коэффициента усиления, превышающие это значение более чем в десять раз. Даже с операционными усилителями одного типа могут быть большие различия в коэффициенте усиления в результате используемых процессов изготовления.
Хотя операционные усилители сами по себе обладают огромным коэффициентом усиления, этот коэффициент редко используется в такой форме для усиления сигнала — его было бы чрезвычайно сложно использовать, так как даже очень слабые входные сигналы могут вывести выходное напряжение за пределы напряжения на шине, что приведет к ограничению или обрезка вывода.
С помощью метода, известного как отрицательная обратная связь в конструкции электронной схемы, огромные уровни усиления могут быть использованы для обеспечения высоких уровней требуемой производительности.
Использование высокого коэффициента усиления операционного усилителя в сочетании с использованием отрицательной обратной связи может позволить общей конструкции электронной схемы иметь ровную частотную характеристику, низкий уровень искажений и очень определенные уровни усиления для всей электронной схемы.
Общее усиление электронной схемы зависит не от фактического уровня усиления ИС, а от внешних компонентов, значения которых можно точно выбрать.
В других схемах операционных усилителей обратная связь может использоваться для обеспечения других эффектов, таких как фильтрация и т.п.
В некоторых случаях может использоваться положительная обратная связь, но обычно это делается определенным образом для достижения определенного эффекта.
Основные сведения об усилении ОУ
Коэффициент усиления схемы операционного усилителя является одним из очень важных факторов, касающихся базового операционного усилителя, а также электронных схем, использующих их.
Высокие уровни усиления позволяют этим операционным усилителям иметь очень высокие уровни производительности за счет использования усиления различными способами. Однако необходимо понимать определения коэффициента усиления для операционных усилителей.
Существует два основных сценария, которые можно рассмотреть при рассмотрении коэффициента усиления операционных усилителей и проектирования электронных схем с использованием этих электронных компонентов:
-
Коэффициент усиления без обратной связи: Эта форма коэффициента усиления измеряется, когда к схеме операционного усилителя не применяется обратная связь.
Другими словами, он работает в формате открытого цикла. Показатели усиления для операционного усилителя в этой конфигурации обычно очень высоки, обычно между 10 000 и 100 000. Это коэффициент усиления операционного усилителя сам по себе. Цифры часто приводятся в технических описаниях операционных усилителей в единицах вольт на милливольт, В/мВ. Указание усиления в этих терминах позволяет записать усиление в более удобном формате. 10 В/мВ соответствует коэффициенту усиления по напряжению 10 000. Это избавляет от записи многих нулей.
-
Усиление замкнутого контура: Эта форма усиления измеряется, когда работает контур обратной связи, т. е. замкнутый контур. Применяя отрицательную обратную связь, общий коэффициент усиления схемы значительно снижается, и его можно точно настроить до требуемого уровня или для создания требуемого выходного формата, как в случае фильтров, интеграторов и т. д. Можно добавить несколько электронных компонентов. к схеме операционного усилителя для обеспечения необходимой обратной связи.
Усиление измеряется с замкнутой петлей, и при условии, что существует достаточная разница между усилением разомкнутой и замкнутой петлей, схема будет работать в соответствии с расположенной вокруг нее обратной связью. Другими словами, при условии, что операционный усилитель имеет достаточный коэффициент усиления (который он будет иметь), коэффициент усиления всей схемы определяется отрицательной обратной связью, а не коэффициентом усиления самого операционного усилителя.
Хотя в аналоговых схемах обычно используется отрицательная обратная связь, в некоторых случаях используется положительная обратная связь. Чаще всего это применяется для компараторов, где требуется вывод на одном из двух уровней. Триггер Шмитта является одним из примеров, когда в систему вводится гистерезис. В этих приложениях следует использовать ИС компараторов, а не операционные усилители, поскольку они предназначены для работы в этом режиме.
Другими словами, он работает в формате открытого цикла. Показатели усиления для операционного усилителя в этой конфигурации обычно очень высоки, обычно между 10 000 и 100 000. Это коэффициент усиления операционного усилителя сам по себе. 
Одним из аспектов, тесно связанных с коэффициентом усиления операционного усилителя, является полоса пропускания, которая оказывает огромное влияние на характеристики этих интегральных схем.
Огромный коэффициент усиления операционных усилителей может привести к нестабильности, если не принять меры для обеспечения стабильности операционного усилителя и его схемы даже при применении отрицательной обратной связи.
При уровнях усиления разомкнутого контура, превышающих 10 000 и более, неудивительно, что обратная связь и нестабильность становятся проблемой.
Используется метод, известный как компенсация. В ранних операционных усилителях для добавления компенсации использовались внешние электронные компоненты, но в более поздних микросхемах она была добавлена внутри.
В основном к внутренним элементам операционного усилителя добавляется небольшой конденсатор. Это снижает склонность к колебаниям, но также снижает полосу пропускания без обратной связи.
Усиление операционного усилителя с обратной связью и частотная характеристика.
Хотя полоса пропускания схемы операционного усилителя без обратной связи уменьшается, после применения отрицательной обратной связи для большинства целей может быть достигнуто достаточное усиление уровня с плоской частотной характеристикой.
Подробнее о . . . . Частотная характеристика операционного усилителя, усиление и полоса пропускания.
Общий коэффициент усиления операционного усилителя
Отрицательная обратная связь используется для управления коэффициентом усиления всей схемы операционного усилителя. Существует множество способов применения обратной связи при разработке электронной схемы — она может не зависеть от частоты или может зависеть от частоты, например, для создания фильтров.
Можно разработать обобщенную концепцию применения отрицательной обратной связи. Исходя из этого, могут быть разработаны более конкретные сценарии.
Общая конфигурация отрицательной обратной связи операционного усилителя
Можно рассчитать общую формулу для коэффициента усиления операционного усилителя в схеме:
Vсум=Vin-B Vвых
Затем можно рассчитать выходное напряжение, зная входное напряжение, коэффициент усиления и обратную связь:
Vвых = A Vсум = A Vin-A B Vвых
Теперь это можно использовать для создания общего уравнения усиления операционного усилителя с обратной связью.
VoutVin=G=A1 + AB
Используя это общее уравнение, можно разработать уравнения для более конкретных сценариев. Обратная связь может быть частотно-зависимой или плоской по мере необходимости.
Двумя простейшими примерами схем операционных усилителей, использующих обратную связь, являются форматы для инвертирующих и неинвертирующих усилителей.
Коэффициент усиления инвертирующего операционного усилителя
Схема инвертирующего операционного усилителя показана ниже. Эта схема имеет выходной сигнал, сдвинутый по фазе на 180° с входным сигналом, а также обеспечивает ввод виртуальной земли.
Схема операционного усилителя довольно проста с использованием нескольких электронных компонентов: один резистор обратной связи от выхода к инвертирующему входу и резистор от инвертирующего входа к входу схемы. Неинвертирующий вход принимается за точку заземления. В этой схеме операционного усилителя используются только два дополнительных электронных компонента, что делает ее очень простой и легкой в реализации.
Базовая схема инвертирующего операционного усилителя
Вывести уравнение усиления операционного усилителя несложно. Вход самого операционного усилителя не потребляет ток, насколько это касается наших расчетов, поскольку импеданс каждого входа усилителя будет значительно выше 100 кОм и, возможно, значительно выше 1 МОм. Это означает, что любой ток, протекающий в микросхему, можно игнорировать.
Отсюда мы видим, что ток, протекающий через резисторы R1 и R2, одинаков, потому что через соединение между двумя резисторами ток не течет.
Используя закон Ома V out /R 2 = -V in /R 1 . Отсюда коэффициент усиления по напряжению схемы Av можно принять равным:
Ср=-R2R1
Например, усилитель, требующий усиления в десять раз, можно построить, составив R 2 47 кОм и R 1 4,7 кОм.
Подробнее о . . . . схема инвертирующего операционного усилителя.
Коэффициент усиления неинвертирующего операционного усилителя
Схема неинвертирующего операционного усилителя показана ниже.
Он предлагает более высокий входной импеданс, чем схема инвертирующего операционного усилителя. Как и в схеме инвертирующего операционного усилителя, для этого требуется добавить всего два электронных компонента: два резистора для обеспечения необходимой обратной связи.
Неинвертирующий усилитель также характеризуется тем, что вход и выход находятся в одной фазе в результате подачи сигнала на неинвертирующий вход операционного усилителя.
Базовая схема неинвертирующего операционного усилителя
Коэффициент усиления неинвертирующей схемы операционного усилителя также легко определить в процессе проектирования электронной схемы. Расчет основан на том факте, что напряжение на обоих входах одинаково.
Это связано с тем, что коэффициент усиления усилителя чрезвычайно высок. Если выход схемы остается в пределах шин питания усилителя, то выходное напряжение, деленное на коэффициент усиления, означает, что разницы между двумя входами практически нет.
Мы можем предположить, что для целей нашего расчета вход операционного усилителя не потребляет ток, так как импеданс входов микросхемы будет намного выше номиналов используемых резисторов.
Это означает, что ток, протекающий в резисторах R 1 и R 2 , одинаков. Напряжение на инвертирующем входе формируется делителем потенциала, состоящим из R 1 и R 2 , а так как напряжение на обоих входах одинаковое, то напряжение на инвертирующем входе должно быть таким же, как и на не -инвертирующий вход.
Это означает, что Vin = Vout x R 1 / (R 1 + R 2 ). Следовательно, уравнение коэффициента усиления операционного усилителя для коэффициента усиления по напряжению схемы Av можно принять следующим образом:
Ср=1+R2R1
Например, усилитель, требующий коэффициента усиления одиннадцати, можно построить, составив R 2 47 кОм и R 1 4,7 кОм.
Коэффициент усиления операционного усилителя
очень легко определить. Расчеты для разных схем немного отличаются, но, по существу, обе схемы могут обеспечить одинаковые уровни усиления, хотя номиналы резисторов не будут одинаковыми для одинаковых уровней усиления операционного усилителя.
Подробнее о . . . . Схема неинвертирующего операционного усилителя.
Коэффициент усиления операционного усилителя в других ситуациях
Использование операционных усилителей в линейных приложениях с отрицательной обратной связью является нормальным явлением, хотя это не всегда так. При этом используется очень высокий коэффициент усиления усилителя с разомкнутым контуром для обеспечения воспроизводимых характеристик, управляемых внешними компонентами.
Примеры этих схем операционных усилителей включают усилители, фильтры, дифференциаторы и интеграторы.
Однако также возможно использовать операционные усилители с другими формами обратной связи для получения других эффектов.
Одно из приложений использования положительной обратной связи в схеме операционного усилителя для обеспечения переключения, для которого компараторы обеспечивают гораздо лучшую производительность, поскольку они работают намного быстрее и не страдают от проблем с фиксацией, но это не означает, что основные принципы положительной обратной связи не применять.
Однако основные принципы обратной связи и усиления по-прежнему применимы к этому типу ИС или схемного блока.
Тем не менее, отрицательная обратная связь является наиболее широко используемой формой обратной связи для аналоговых линейных приложений.
Дополнительные схемы и схемы:
Основы операционных усилителей
Схемы операционных усилителей
Цепи питания
Транзисторная конструкция
Транзистор Дарлингтона
Транзисторные схемы
схемы полевых транзисторов
Символы цепи
Вернитесь в меню «Конструкция схем». . .
Типовые параметры операционных усилителей ＜Коэффициент усиления и коэффициент усиления по напряжению＞ | Основы электроники
Коэффициент усиления и коэффициент усиления по напряжению
При подаче напряжения на вход схемы усилителя оно умножается на коэффициент усиления и появляется на выходе. Этот коэффициент усиления получается путем деления выходного напряжения на входное напряжение.
При входном напряжении V s и выходном напряжении V или коэффициент усиления Av определяется по следующей формуле.
| А В = | В О | [ Умноженный ] |
| В С |
Что такое Деци бел (дБ)?
Логарифм коэффициента усиления (умноженный на 20) выражается в децибелах (дБ).
Например, для операционного усилителя с открытым коэффициентом усиления 100 000x (105x) запись в децибелах будет следующей.
| 20 log 10 (10 5 ) = 100 [дБ] |
Таким образом, мы можем выразить большое усиление, кратное 10, меньшим числом, используя децибелы.
Другие блоки, используемые в аналоговых схемах, показаны ниже.
(a) дБ: логарифм отношения двух величин, умноженный на 10 или 20.
| [дБ] = 10 log 1 | (питание) |
| П 2 |
| [дБ] = 20 log | В 1 | (Напряжение) | |
| В 2 902 24 |
(b) V P — P ： Разница между минимальным и максимальные значения формы волны.
(c) Vrms ： Получается путем извлечения квадратного корня из среднего квадрата напряжения.
- 1 Вэфф ＝ 2√2
(d) дБВ ： Представление основано на 1 Вэфф
- 0dBV ＝ 1Vrms
(e) dBm ： Опорное напряжение, которое обеспечивает мощность 1 мВт для данной нагрузки.
Типичные значения нагрузки включают 50 Ом и 600 Ом.
- 0 дБм＝0,224 В (при нагрузке 50 Ом)
- 0 дБм＝0,775 В (при нагрузке 600 Ом)
(f) окт (октава): 1 окт. значение для заданной частоты.
-6 дБ/октава указывает на падение на 6 дБ при удвоении частоты.
(g) dec (декада): 1dec — это 10-кратное значение для данной частоты.
-20 дБ/дек показывает, что при увеличении частоты в 10 раз происходит падение на 20 дБ.
*От (f) и (g), –6 дБ／окт＝ －20 дБ／дек.
(ч) дБ (децибел) базовый расчет
- 3дБ ≒ 1,41x ≒ √2 10x
Пример: 16 дБ＝10дБ+6дБ → 3,16×2＝6,32x
Входное напряжение смещения
При входном напряжении смещения и дифференциальной входной цепи идеальные операционные усилители и компараторы будут иметь напряжение смещения 0 В, включая напряжение ошибки.
При подаче синфазного (того же) напряжения на входные контакты операционного усилителя или компаратора в случае идеального операционного усилителя выходное напряжение не будет выдаваться, но в случае наличия входного напряжения смещения выходное напряжение будет основано на входное напряжение смещения. Это входное напряжение смещения, представляющее собой дифференциальное напряжение, необходимое для того, чтобы выходное напряжение стало равным 0 В, становится входным значением преобразования.
Преимущество выражения в терминах входного преобразования заключается в том, что использование входного напряжения преобразования позволяет легко оценить влияние на выходное напряжение, даже для операционных усилителей и компараторов с различными коэффициентами усиления и конфигурациями цепей. Напряжение смещения обычно выражается в единицах мВ или мкВ.
Значения ближе к 0 более идеальны.
Напряжение смещения быстро увеличивается, когда оно выходит за пределы входного диапазона синфазного сигнала, и в этой области операционные усилители и компараторы не могут работать.
Кроме того, если мы проследим за частотой появления напряжения смещения, мы увидим, что нормальное распределение будет сосредоточено вокруг 0 В.
Другими словами, он будет стохастически распределен в пределах заданного диапазона. Обычно, поскольку представление стандартного значения описывается как абсолютное значение, существуют как +, так и — напряжения смещения.
Скорость нарастания (SR)
Скорость нарастания — это параметр, описывающий рабочую скорость операционного усилителя. Он представляет скорость, которая может изменяться в единицу времени, обусловленная выходным напряжением. Например, 1 В/мкс означает, что напряжение может измениться на 1 В за 1 мкс. Идеальные операционные усилители позволяют точно выводить выходной сигнал для любого входного сигнала. Однако в действительности ограничения скорости нарастания существуют.
При подаче на вход прямоугольного импульса с крутым нарастанием и спадом указывает на возможную степень изменения выходного напряжения в единицу времени.
Скорости нарастания и спада рассчитываются по следующим уравнениям: 0225 ΔV
скорость нарастания определяется на основе более медленного «подъема» и «падения». Другими словами, это максимальное значение наклона выходного сигнала. Для сигналов с более крутыми изменениями (наклонами) выходной сигнал искажается и не может следовать. И даже при настройке схемы усилителя, поскольку скорость нарастания представляет собой коэффициент изменения выходного сигнала, никаких изменений не произойдет.
Операционные усилители используются для усиления сигналов переменного и постоянного тока. Однако операционные усилители имеют ограниченную скорость отклика и поэтому не могут обрабатывать все типы сигналов. На приведенной выше диаграмме [Схема измерения нарастания и осциллограммы] схемы повторителя напряжения диапазоны входного и выходного напряжения ограничены входным напряжением постоянного тока. Кроме того, сигналы переменного тока с частотной составляющей ограничены произведением скорости нарастания и усиления на полосу пропускания.
Здесь мы рассматриваем взаимосвязь между амплитудой и частотой или скоростью нарастания. Операционный усилитель определяет максимальную частоту, которая может быть выведена.
Рассчитайте скорость нарастания, необходимую для вывода сигнала, показанного справа.
y=Asinωt
Скорость нарастания представляет собой наклон касательной синусоиды, дифференцирующий приведенное выше уравнение.
| dy | =Aωcosωt | ωt=0 | |
| dt |
Скорость нарастания
SR=Aω ω=2πf
Кроме того, поскольку амплитуда синусоиды становится Vpp=2A (полный размах), уравнение можно изменить следующим образом.
| f = | SR | = | SR | [Гц] | В 9 0114 PP = | SR | [V] | |
| 2π × A | π V PP | π f |
Эта частота (f) называется полосой полной мощности.
Это условия, при которых коэффициент усиления в операционном усилителе не установлен, другими словами, соотношение частоты и амплитуды (в пределах диапазона выходного напряжения), которые могут быть выведены операционным усилителем в цепи повторителя напряжения.
Пример:
Частота, при которой операционный усилитель может выдавать сигнал 1 В пик-пик, где SR=1 В/мкс:
| f = | 1 | × | 1 | = 318,4 кГц | |
| π В PP | 10 -6 | π × 1 |
9 0009
При превышении рассчитанной выше частоты (при постоянной амплитуде) форма сигнала ограничивается поворотным скорости, и синусоида исказится и станет треугольной.
Система отрицательной обратной связи
Хотя операционные усилители являются усилителями с высоким коэффициентом усиления по напряжению, практически ни один операционный усилитель не обеспечивает автономное усиление.
Это связано с тем, что трудно контролировать открытые изменения усиления и узкополосный коэффициент усиления. Поэтому обычно используется цепь отрицательной обратной связи.
На схеме справа показан пример системы с отрицательной обратной связью.
Преимущества цепей с отрицательной обратной связью:
- Расширяет область (полосу пропускания), в которой коэффициент усиления схемы усилителя становится постоянным
- Сводит к минимуму влияние изменения коэффициента усиления на открытом усилителе
- Подавляет искажения
Расширяет область (полосу пропускания), в которой коэффициент усиления схемы усилителя становится постоянным
Прежде всего, определите передаточную функцию, которая связывает выходной сигнал со входным модель. В )
A O ： Коэффициент усиления ОУ (без обратной связи)
β ： Коэффициент обратной связи следующее Уравнение, операционный усилитель имеет передаточную функцию для запаздывания 1-го порядка
| В О (с) | = | А О | × | 1 | |
| В 90 114 IN (s) | 1 + βA O | 1 + | ω | ||
| ω O (1 + βA O ) | |||||
Приведенные выше частотные характеристики иллюстрируют взаимосвязь приведенной выше формулы.
Применение отрицательной обратной связи уменьшит усиление и количество обратной связи, показывая, что ω O расширится до ω O (1+βA O ).
Минимизирует влияние изменения коэффициента усиления операционного усилителя
Далее, если предположить, что коэффициент усиления операционного усилителя в уравнении передаточной функции (относящий выход к входу) достаточно велик (A O >>1), коэффициент усиления цепи отрицательной обратной связи на низких частотах можно приблизить к 1/β.
Другими словами, когда открытый коэффициент усиления операционного усилителя велик, коэффициент усиления цепи обратной связи определяется исключительно коэффициентом обратной связи (независимо от коэффициента усиления).
В результате коэффициент усиления схемы усилителя (т. е. инвертирующего усилителя) на низких частотах определяется исключительно внешним сопротивлением.
Кроме того, в случае, когда открытый коэффициент усиления достаточно велик (A O >>1), эффект открытого коэффициента усиления (на основе температурных характеристик и производственных изменений) невелик даже при некоторых колебаниях.
| В О | = | А О | = | 1 | ≒ | 1 | |
| В В | 1 + βА О 90 224 | 1 | + β | β | |||
| А О | |||||||
Подавляет искажения
Цепь обратной связи с элементами ошибки показана на рисунке ниже. Здесь элементами ошибки, генерируемыми операционным усилителем, являются V D .
Включены такие элементы, как искажение, напряжение ошибки и шум.
| В O (с) = | А(с) | В IN (с) + | В D | |
| 1 + βA(s) | 1 + βA(s) |
Передаточная функция, включая искажение, показана в уравнении справа.
Добавить комментарий