- Дифференциальный усилитель: виды и работа.
- Симметричный и несимметричный входы.
- Симметричный и несимметричный выходы.
- Дифференциальный входной сигнал.
- Синфазный входной сигнал.
- Свойства дифференциального усилителя с симметричным выходом.
- С дифференциальным входным сигналом
- С синфазным входным сигналом
- Коэффициент ослабления синфазного сигнала (КОСС)
- Дифференциальный усилитель с несимметричным выходом.
- С дифференциальным входным сигналом
- С синфазным входным сигналом
- Основные принципы работы операционных усилителей
- Повторитель напряжения
- Усиление аналоговых сигналов
- Схемы с однополярным питанием и расщепители питания
- Дифференциальный (разностный) усилитель
- Суммирующий усилитель
- Преобразователь тока в напряжение
- Классическая схема дифференциального усилителя на ОУ
- Дифференциальный усилитель с большим коэффициентом усиления
- Повторители для повышения входного сопротивления дифференциального усилителя
- Буфер сигнала входного напряжения
- Краткое описание работы операционного усилителя
- Два основных закона, связанных с ОУ
- Технические характеристики
- Граничные условия применения
- Дифференциальный усилитель
- Описание схемы
- Порядок расчета
- Моделирование схемы
- Рекомендации
- Дифференциальный усилитель с использованием BJT
- Конфигурация транзисторного вычислителя
- Принципиальная схема усилителя постоянного тока
- Практическое применение
- Недостатки
- Применение базовых схем
- Инструментальный усилитель
- Плавающий источник тока
- Фильтры
- Соединяем все вместе
- Подводные камни проектирования схем с ОУ
- Общие советы
- Входные каскады
- Ширина полосы пропускания ОУ
- ОУ класса «rail-to-rail» при однополярном питании
- Оптимизирование характеристик дифференциального адаптера
Дифференциальный усилитель: виды и работа.
Симметричный и несимметричный входы.
Понятия балансных и небалансных входов и выходов связаны с переменной составляющей сигналов.
Когда выходы генератора сигналов подключены к двум базам, и ни один из выходов переменного тока не подключен к земле, вход дистанционного управления сбалансирован. В этом случае можно мысленно провести ось симметрии в дифференциальном усилителе и в середине генератора, имеющего нулевой потенциал для переменного тока (рис. 3а). В качестве примера на рис. 3б показан симметричный индуктивный ввод.
Когда генератор подключен к одной из баз и к шасси, а вторая база подключена к земле, ввод небалансный (рис. 3в, г, д, е). В этом случае на одну базу будет подано переменное сигнальное напряжение, а на вторую базу постоянный нулевой потенциал.
Симметричный и несимметричный выходы.
При одновременной подаче выходных сигналов с двух коллекторов на нагрузку это симметричный выход (рис. 4а). При подаче на нагрузку выходного сигнала с любого коллектора с одной стороны и нулевого потенциала средней точки с другой, выход дифференциального усилителя считается несимметричным (рис. 4б,в).
Дифференциальный входной сигнал.
Пульт дистанционного управления может подавать два типа входных сигналов: дифференциальный и синфазный.
Дифференциальный — это такой входной сигнал Uдиф, при котором половина Uдиф/2 подается относительно общей точки схемы на один вход, а другая половина подается противофазно на второй вход (рис. 2) и составляет равно разнице между напряжениями сигналов по отношению к ящику:
Udiff = Uin1 — Uin2.
Для удобства будем считать, что дифференциальный сигнал поступает от генератора.
При симметричных входах (рис. 5а) на две базы подается синусоидальный противофазный сигнал, который поочередно открывает и закрывает транзисторы: когда один открывается, другой закрывается, и наоборот.
Сигнал также подается на базы для несимметричных входов, только одна из баз соединена с землей (рис. 5б). При этом сигнал генератора попеременно открывает VT1 и одновременно падение напряжения на Re закрывает VT2.
Этот процесс можно представить в виде рис. 5в, где транзисторы заменены двумя спаренными переменными резисторами на одной оси, которые при вращении оси изменяют сопротивления в противоположных направлениях. При этом выходные напряжения резисторов (транзисторов) будут изменяться, но сумма этих напряжений Uвых на нагрузочном резисторе будет постоянной.
Синфазный входной сигнал.
Синфазными называются такие сигналы, которые, имея одинаковую амплитуду и фазу, одновременно присутствуют на обоих входах дифференциального усилителя (рис. 6а). Этот сигнал будет равен половине суммы сигналов, поступающих на оба входа пульта (рис. 6б):
Usф = (Uвх1 + Uвх2)/2
Здесь также предположим, что генератор включен между связанными базами и шасси. Тогда синфазный сигнал одновременно открывает или закрывает транзисторы.
Эквивалентная схема (рис. 6в) будет аналогична, как и при дифференциальном входном сигнале, только здесь переменные резисторы одновременно так же изменяют сопротивления. Следовательно, после резисторов (транзисторов) при идеальной симметрии схемы управления коллекторы будут иметь одинаковые потенциалы относительно средней точки и поэтому разность потенциалов Uвых будет равна нулю.
На практике, в отличие от полезного дифференциального сигнала, поступающего на входы ДУ в противофазе, могут действовать синфазные помехи (шумы), совпадающие по фазе. Появление этих помех обусловлено, например, тепловыми шумами от транзисторов, помехами от внешних электромагнитных полей и т д. Поэтому дифференциальный усилитель должен полностью подавлять эти помехи, то есть максимально усиливать дифференциальный сигнал и как можно меньше синфазный сигнал.
Рассмотрим характеристики дифференциальных усилителей в сочетании с различными типами входных сигналов и выходов усилителя.
Свойства дифференциального усилителя с симметричным выходом.
С дифференциальным входным сигналом
На рис. 7а,б показаны схемы управления с дифференциальным входным сигналом, где в разные полупериоды входного сигнала показаны пути прохождения переменного тока с указанием их направления (синие стрелки).
Как видно на рис. 7а, при подаче на вход VT1 сигнала генератора в первом полупериоде его положительная фаза открывает Т1, а отрицательная фаза закрывает Т2. В результате в это время коллекторное напряжение на Т 1 будет отрицательным, а на Т2 положительным (с указанием полярности напряжения в кружке).
Во втором полупериоде (рис. 7б) все происходит ровно наоборот: Т1 закрывается, Т2 открывается, и коллекторные напряжения на Т1 положительные, на Т2 — отрицательные. Нагрузкой коллекторных токов являются резисторы Rн и 2Rк = Rк1 + Rк2, включенные параллельно.
Таким образом, его полное сопротивление равно:
Рт сим = 2РкРн/(2Рк+Рн).
В этом случае дифференциальный усилитель ведет себя как генератор переменного тока с внешним возбуждением и параллельной нагрузкой.
На рисунках видно, что в каждом полупериоде переменные токи противофазны (красные стрелки) и при полной симметрии компенсируют друг друга. Поэтому через резистор Re и источники тока Е1, Е2 переменный ток не протекает.
На рис. 7а, б показаны только входные и выходные цепи переменного тока. Переменное выходное напряжение на обоих концах нагрузки равно разнице между напряжениями на обоих выходах:
Uвых разн сим = Uвых1 — Uвых2
При суммарном сопротивлении коллекторных токов Rt сим < 10 кОм анализ показывает, что коэффициент усиления по напряжению при симметричном выходе равен:
Дифференциал Ku sim ≈ h21eRt/h11e = h21eRkRn/h11e(2Rk + Rn) = 0,5SRt sim,
где h21e — коэффициент передачи тока транзистора с ОЭ;
h11э — входное сопротивление;
S = h21э/h11э — наклон вольтамперной характеристики транзистора в точке срабатывания.
При отключенной нагрузке, когда Rn = ∞, получаем Ku дифф.сим = SRk, и эта формула аналогична выражению для определения коэффициента усиления усилителя по схеме ОЭ. Из формул видно, что сопротивление Re в них не фигурирует и не влияет на усиление ДУ.
В усилителе с симметричным входом входной сигнал за один период проходит через два транзистора, соединенных с ОЭ. Следовательно, входное сопротивление переменного тока равно:
Rin диф сим = 2Rin тр оэ = 2h11e,
и выходное сопротивление
Сим дифф путь = 2рк.
С синфазным входным сигналом
Схема такого пульта представлена на рис. 8. Здесь входные цепи обоих транзисторов включены параллельно генератору.
При приложении положительной полуволны входного напряжения к базам транзисторов идеально симметричного дифференциального усилителя они открываются и на коллекторах появляются одинаковые напряжения Uвых1 и Uвых2 и, следовательно, синфазное напряжение на выходе будет быть равным:
Выход Usf = Usain1 — Usain2 = 0.
А если нет выходного напряжения, то пульт не усиливает синфазное входное напряжение и поэтому:
Кусф = 0.
При отрицательной полуволне входного напряжения транзисторы закрыты и напряжение на коллекторах отсутствует.
Коэффициент ослабления синфазного сигнала (КОСС)
Как уже упоминалось, хороший пульт дистанционного управления должен максимально усиливать дифференциальный сигнал и как можно меньше синфазный сигнал. Для определения качества дифференциального усилителя используется коэффициент ослабления синфазного сигнала, равный отношению коэффициентов усиления:
КОСС = Ку диф / Ку сф — в безразмерной величине и
КОСС = 20 lg (Ку диф/Ку сф) дб — в децибелах.
В идеальном случае Ku sf = 0, поэтому КОРР будет бесконечно большим. Но на самом деле КОСС = 103 ÷ 106.
Дифференциальный усилитель с несимметричным выходом.
Схема с несимметричным выходом применяется, как правило, для согласования дифференциального усилителя с каскадами, выполненными на отдельных транзисторах. При этом резистор в схеме транзистора, не подключенный к выходу усилителя, обычно может отсутствовать. Если каскад с несимметричным выходом должен быть подключен к дифференциальному усилителю, то напряжение неиспользуемого входа обычно устанавливается на постоянный уровень. Для этого можно использовать дополнительный делитель напряжения.
С дифференциальным входным сигналом
Такая схема показана на рис. 9, где выходной сигнал снимается с коллектора VT1. На коллекторе VT2 резистора R2 может и не быть. Значит входное сопротивление VT1 равно:
Перевезено Rt = RkRn / (Rk + Rn).
При Rn ≤ 10 кОм основные зависимости будут следующими:
Транспортируемый дифференциал Ку ≈ 0,5х21к Рк Рн / h11э (Рк + Рн) = 0,5SRт перевозимого,
Rin дифф перевезено = 2х11е,
Дифференциальная несущая = Rk.
С синфазным входным сигналом
Для этого типа включения показана схема на рис 10. В этом случае входное сопротивление VT1 такое же, как и при дифференциальном вводе:
Перевезено Rt = RkRn / (Rk + Rn).
При Rn ≤ 10 кОм выполняются следующие основные зависимости:
Ku sf транспортируется = SRн/(1 + 2SRе) ≈ Rн/2Re,
Rin sf транспортируется = 0,5х11э (1 + 2SRe),
Маршрут sf выполнен = Rk,
КОСС ≈ 1 + 2SRe.
Теперь, зная, как работает дифференциальный усилитель, рассмотрим случай, когда на пульт подаются полезные и синфазные (помехи) сигналы (рис. 11).
В этом примере входной импульс имеет только положительную амплитуду. Для подавления помех необходимо преобразовать однофазный входной сигнал в дифференциальный. Для этого он инвертируется и вместе с неизмененным входным сигналом подается на дифференциальные входы ДУ. При этом на вход будет воздействовать синфазный сигнал помехи, наведенный по входным цепям, который суммируется с полезным сигналом. Пульт вычитает импульсы помех, которые уже не совпадают по фазе, и с несимметричного положительного выхода снимается полезный сигнал.
Основные принципы работы операционных усилителей
ОУ — это такой же «кирпичик» для построения аналоговых схем, как логический элемент для цифровых. С помощью операционных усилителей мы можем кардинально изменить аналоговые сигналы точно так же, как мы можем изменить цифровые сигналы с помощью инверторов и логических элементов И/ИЛИ. В этой части мы рассмотрим основные функциональные узлы операционного усилителя, такие как повторитель напряжения, инвертирующий и неинвертирующий усилители, делитель мощности (искусственный формирователь средней точки), дифференциальные усилители и сумматоры, а также преобразователь тока в ток. Напряжение.
Повторитель напряжения
Начнем с самой простой схемы: схемы буферного усилителя (рис. 1). Буферный усилитель используется для управления большими нагрузками для согласования входных и выходных импедансов или для развязки силовых цепей и чувствительных прецизионных цепей.
Рис. 1. Буферный усилитель (повторитель напряжения)
Буферный усилитель, показанный на рис. 1, может быть реализован на любом операционном усилителе с однополярным питанием, стабильно работающем при единичном усилении. В этой схеме, как и во всех схемах с ОУ, должен быть блокировочный конденсатор по питанию. Для усилителей с однополярным питанием, работающих в полосе частот от нуля до нескольких мегагерц, как правило, достаточно конденсатора емкостью 1 мкФ. Если полоса пропускания усилителя составляет десятки мегагерц, может потребоваться меньший конденсатор. В этом случае обычно используется конденсатор емкостью 0,1 мкФ. При отсутствии шунтирующего конденсатора или при неправильном подборе его емкости ОУ может самовозбуждаться.
Коэффициент усиления схемы, показанной на рисунке 1, составляет +1 В/В. Обратите внимание, что хотя коэффициент усиления всей схемы положительный, петля обратной связи выхода усилителя подключена к инвертирующему входу. Это очень распространенное заблуждение, что схема операционного усилителя с положительным коэффициентом усиления требует положительной обратной связи. Если мы накроем ОУ положительной обратной связью, то выход ОУ, скорее всего, будет установлен на уровне одной из шин питания.
Эта схема обеспечивает хорошую линейность во всей полосе пропускания усилителя. Однако есть определенные ограничения: уровень синфазного сигнала на входе и амплитуда выходного сигнала не должны выходить за определенные пределы. Эти ограничения обсуждаются в разделе «Подводные камни при проектировании схем операционных усилителей».
Если эта схема предназначена для управления мощной нагрузкой, то применяемый ОУ должен обеспечивать требуемый уровень выходного тока. Также эту схему можно использовать для управления емкостной нагрузкой. Следует отметить, что не все ОУ могут сохранять стабильность при работе с емкостной нагрузкой. Если усилитель предназначен для управления емкостной нагрузкой, это будет четко указано в его документации. С другой стороны, если ОУ не может работать с емкостной нагрузкой, то, как правило, в его документации это специально не оговаривается.
Также буферный усилитель используется для решения проблемы согласования входного и выходного импедансов. Это может быть необходимо, если источник аналогового сигнала имеет достаточно высокое выходное сопротивление по сравнению с входным сопротивлением схемы. Когда источник подключен непосредственно к цепи, уровень сигнала будет падать из-за падения напряжения на делителе, образованном выходным сопротивлением источника и выходным сопротивлением цепи. Буферный усилитель отлично решает эту проблему. Входное сопротивление неинвертирующего входа ОУ на КМОП может быть до 1013 Ом. При этом выходное сопротивление буферного усилителя обычно не превышает 10 Ом.
Другой способ использования буферного усилителя состоит в том, чтобы изолировать чувствительную прецизионную схему от источника тепла, как показано на рис. 2. Представьте, что схема, к которой подключен буферный усилитель, усиливает сигнал напряжением 100 мкВ.
Рис. 2. Развязка нагрузки с помощью буферного усилителя
Усиление таких сигналов — непростая задача, независимо от требуемой точности. При таких точных измерениях легко может возникнуть ошибка из-за изменения выходного тока схемы усилителя. Увеличение зарядного тока вызывает саморазогрев кристалла, что, в свою очередь, приводит к увеличению напряжения смещения. В таких ситуациях лучше использовать отдельный аналоговый буфер для управления мощной нагрузкой и оставить только прецизионные измерения для передних каскадов.
Усиление аналоговых сигналов
Буфер решает многие проблемы, связанные с передачей аналогового сигнала, но на практике часто возникает необходимость усилить сигнал. Для этого можно использовать два типа усилителей. В усилителе первого типа, схема которого показана на рис. 3, сигнал не инвертируется. Этот вариант усилителя очень удобен для схем с одним питанием, где обычно отсутствуют отрицательные сигналы.
Рис. 3. Неинвертирующий усилитель на ОУ
Примечание. Когда в этом посте говорится об одиночном источнике питания, это означает, что отрицательная клемма питания операционного усилителя подключена к земле, а положительная клемма питания подключена к линии + 5 В. Все обсуждение в этой статье можно экстраполировать на другие напряжения если напряжение однополярного питания превышает 5 В или используется двухполярное питание.
В этом случае входной сигнал подается на высокоимпедансный неинвертирующий вход операционного усилителя. Выходное напряжение этой схемы определяется по формуле 1:
$$V_{OUTPUT}=left(1+frac{R_{2}}{R_{1}} right)times V_{INPUT}qquad{mathrm{(}}{1}{mathrm{)}}$
В схемах с однополярным питанием значение сопротивления резистора R2, как правило, принимают не менее 2 кОм. Сопротивление резистора R1 выбирают исходя из требуемой величины коэффициента усиления с учетом уровня шума ОУ и входного напряжения смещения, указанного в технической документации ОУ. Следует отметить, что эта схема имеет некоторые ограничения относительно величины входных и выходных сигналов. Поэтому напряжение на неинвертирующем входе ОУ не должно превышать максимально допустимого значения синфазного напряжения для данного ОУ. Размах выходного сигнала операционного усилителя также ограничен; допустимый диапазон указан в технической документации усилителя.
Схема инвертирующего усилителя показана на рис. 4. Эта схема усиливает и инвертирует сигнал, поступающий на входной резистор (R1). Выходное напряжение этой схемы определяется по формуле 2:
$$V_{OUTPUT}=-left(frac{R_{2}}{R_{1}} right)times V_{INPUT}+left(1+frac{R_{2}}{R_ {1}} right)times V_{BIAS}qquad{mathrm{(}}{2}{mathrm{)}}$
Рис. 4. Инвертирующий усилитель на операционном усилителе
Сопротивления резисторов R1 и R2 выбираются из тех же соображений, что и для схемы неинвертирующего усилителя, показанной на рисунке 3.
При использовании этой схемы в среде с одним источником питания легко совершить ошибку. Например, пусть R2 равно 10 кОм, R1 равно 1 кОм, VBIAS равно 0 В, а напряжение на входном резисторе R1 равно 100 мВ. При этом выходное напряжение, по-видимому, должно быть равно -1 В. Однако это значение находится за пределами диапазона выходных напряжений ОУ, поэтому на выходе ОУ будет установлено минимально возможное положительное напряжение.
Чтобы решить эту проблему, в схему необходимо добавить источник напряжения смещения VBIAS. Вернемся к предыдущему примеру. Если бы мы подали на вход VBIAS напряжение 225 мВ, выходной сигнал был бы смещен на 2,475 В. Следовательно, вместо отрицательного напряжения напряжение на выходе ОУ было бы 2,475 В — 1 В. = 1,475 В. Как правило, схемы рассчитываются таким образом, чтобы среднее значение выходного напряжения ОУ было равно половине напряжения питания VDD/2.
Схемы с однополярным питанием и расщепители питания
Как показано на примере схемы инвертирующего усилителя (рис. 4), при однополярном питании часто необходимо изменять уровень сигнала, чтобы оставаться в диапазоне, определяемом потенциалами выводов питания. Такое смещение может быть достигнуто с помощью одного операционного усилителя и нескольких пассивных элементов, как показано на рис. 5. Во многих случаях эту схему можно реализовать в обычном буферном усилителе без выравнивающих конденсаторов. В других ситуациях, например, при использовании этой схемы в качестве опорного напряжения аналого-цифрового преобразователя (АЦП), ее нагрузка будет динамически изменяться. В таких приложениях напряжение смещения должно оставаться постоянным, иначе может возникнуть ошибка преобразования.
Рис. 5. Делитель мощности в операционном усилителе. Эта схема особенно полезна для однополярного источника питания
Постоянное напряжение смещения можно легко создать с помощью делителя напряжения (R3 и R4) или источника опорного напряжения, а затем буферизовать с помощью операционного усилителя. Выходное напряжение схемы, показанной на рисунке 5, определяется по формуле 3:
$$V_{OUTPUT}=V_{DD}timesleft(frac{R_{4}}{R_{3}+R_{4}} right)qquad{mathrm{(}}{3} { матрм{)}}$
Схема, показанная на рис. 5, имеет дополнительную цепь коррекции, обеспечивающую работу на большую емкостную нагрузку С1. Эта большая емкость используется потому, что она имеет очень малое сопротивление переменному току на входе опорного напряжения АЦП. Этот конденсатор сглаживает кратковременные всплески тока, обязательно присутствующие на входе опорного напряжения АЦП.
Дифференциальный (разностный) усилитель
Дифференциальный усилитель представляет собой комбинацию инвертирующего и неинвертирующего усилителей (рис. 3 и 4). Схема дифференциального усилителя показана на рисунке 6.
Рис. 6. Дифференциальный усилитель на операционном усилителе
Выходное напряжение этой схемы определяется по формуле 4:
$$V_{OUTPUT}=left(V_{1}-V_{2} right)times left(frac{R_{2}}{R_{1}} right)+V_{REF} qquad { mathrm {(}} {4} { mathrm{)}}$
Эта схема будет усиливать разность двух сигналов с хорошей точностью, пока выходное сопротивление источников этих сигналов невелико. Если выходные сопротивления этих источников окажутся большими по сравнению с сопротивлением R1, то уровень сигнала на входах ОУ уменьшится из-за влияния делителя напряжения, создаваемого выходным сопротивлением источника и входные сопротивления дифференциального усилителя. Также ошибки могут создавать разные значения выходных импедансов источников сигнала. Коэффициент усиления этой схемы может быть больше или равен единице.
Суммирующий усилитель
Суммирующие усилители (рис. 7) используются, когда необходимо объединить несколько сигналов путем их сложения или вычитания. Дифференциальный усилитель, который обрабатывает только два сигнала, является частным случаем суммирующего усилителя.
Рис. 7. Суммирующий усилитель операционного усилителя
Выходное напряжение этой схемы определяется по формуле 5:
$$V_{OUTPUT}=left(V_{1}+V_{2}-V_{3}-V_{4} right)times left(frac{R_{2}}{R_{1} } right)qquad{mathrm{(}}{5}{mathrm{)}}$
На инвертирующий и неинвертирующий входы ОУ в этой схеме можно подать любое равное количество сигналов через резисторы с одинаковым сопротивлением.
Преобразователь тока в напряжение
Операционный усилитель можно использовать для преобразования токового сигнала от датчика, такого как фотодиод, в напряжение. Для этого в цепь обратной связи включают одиночный резистор и (опционально) конденсатор, как показано на рисунке 8.
Свет, падающий на фотодиод, вызывает протекание через него обратного тока. При использовании КМОП-операционного усилителя с высоким входным сопротивлением весь ток с фотодиода (ID1) будет протекать через цепь наименьшего сопротивления, резистор обратной связи R2. А из-за очень низкого входного тока смещения КМОП-усилителей (обычно менее 200 пА) результирующая погрешность также будет небольшой. Неинвертирующий вход операционного усилителя соединен с землей, что означает, что все сигналы в цепи относятся к земле. Обе эти схемы будут работать только в том случае, если операционный усилитель позволяет подавать на свои входы нулевое синфазное напряжение.
На рис. 8 показаны две диаграммы. Превосходная схема обеспечивает высокоточное измерение освещенности. В нем напряжение на фотодиоде близко к нулю и равно напряжению смещения ОУ. При такой конфигурации основным источником тока, протекающего через резистор R2, является воздействие света на фотодиод.
Рис. 8. Преобразователь ток-напряжение на ОУ и резисторе: схема (а) измерения освещенности обеспечивает более высокую точность, а схема (б) — более быстродействующую
Схема измерения освещенности, показанная в нижней части рисунка 8, обеспечивает более быструю реакцию. Это достигается путем обратного смещения фотодиода, уменьшая его паразитную емкость. Недостатком этой схемы является большая погрешность по постоянному току из-за большого обратного тока фотодиода.
Классическая схема дифференциального усилителя на ОУ
Коэффициент усиления указанной схемы равен K=R2/R1. Для обеспечения высокого значения CMRR необходимо обеспечить точное согласование резисторов. Для этого желательно использовать резисторы с точностью до 0,01%.
Резисторы такой точности достаточно дороги и не всегда есть в продаже. Поэтому при первой же возможности для использования в таких схемах лучше приобрести резисторы номиналом 100 кОм с указанной точностью.
Если все резисторы имеют одинаковый номинал, что вполне допустимо, то коэффициент усиления дифференциального усилителя будет равен 1. При необходимости можно сделать дальнейшее усиление дополнительными каскадами, но наличие синфазных помех уже устранено
Дифференциальный усилитель с большим коэффициентом усиления
Когда необходимо получить от дифференциального усилителя очень большой коэффициент усиления, применяют Т-образную обратную связь, как показано на рисунке.
Преимущество этой схемы в том, что она позволяет использовать удобные номиналы резисторов и не создает опасности паразитной емкости, которую всегда нужно учитывать при работе с большими резисторами.
Итак, если R2 = R5 = 100 кОм и R6 = 1 кОм, то представленная схема работает как одиночный резистор сопротивлением 10 МОм.
Повторители для повышения входного сопротивления дифференциального усилителя
Для обеих схем дифференциального усилителя импеданс источника должен быть меньше 25 Ом, чтобы обеспечить CMRR 100 дБ. Однако это неприемлемые требования для большинства источников, в частности, стандартная головка микрофона имеет сопротивление 600 Ом, а датчик нагрузки имеет внутреннее сопротивление примерно 350 Ом.
Для решения этой проблемы прибегают к использованию ретрансляторов, установленных на подъездах, как показано на следующей схеме.
При таком включении и использовании современных ОУ можно получить колоссальное значение входного импеданса, поэтому проблемы с импедансом источника вас больше не должны волновать. Однако это справедливо только для низких частот, так как для высоких частот входная емкость в сочетании с сопротивлением источника образует делитель напряжения.
Буфер сигнала входного напряжения
Еще одно конструктивное ограничение этого усилителя заключается в том, что его входное сопротивление довольно низкое по сравнению с другими схемами операционных усилителей, в основном по сравнению с неинвертирующим (несимметричным) усилителем. Каждый источник входного напряжения должен обеспечивать ток через сопротивление, которое значительно меньше входного сопротивления отдельного операционного усилителя. Решение этой проблемы, к счастью, довольно простое. Все, что нам нужно, это «буфер» для каждого сигнала входного напряжения через повторитель напряжения следующим образом:
Использование буферных повторителей напряжения на входах дифференциального усилителя
Теперь входные линии V1 и V2 напрямую подключены к входам двух повторителей напряжения на операционных усилителях, что дает очень высокий импеданс. Два операционных усилителя слева теперь обеспечивают ток через резисторы вместо подачи входного напряжения. Увеличение сложности нашей схемы минимально для получения значительной выгоды.
Краткое описание работы операционного усилителя
Этот усилитель (операционный усилитель) может быть идеальным с бесконечным усилением и полосой пропускания при использовании в режиме без обратной связи с типичным коэффициентом усиления по постоянному току более 100 000 или 100 дБ. Дифференциальный усилитель тока на ОУ имеет два входа, один из которых инвертирован. Усиленная разность этих входов выводится как напряжение. Идеальный операционный усилитель имеет бесконечно высокий коэффициент усиления. Это должно выражать символ бесконечности новым символом. Операционный усилитель питается от двойного положительного (+V) или соответствующего отрицательного (-V) источника питания или может питаться от одного источника постоянного напряжения.
Два основных закона, связанных с ОУ
Они заключаются в том, что такой усилитель имеет бесконечный входной импеданс (Z = ∞), в результате чего на одном из двух его входов не протекает ток, а входное напряжение смещения V1 = V2 равно нулю. Операционный усилитель также имеет нулевое выходное сопротивление (Z = 0). Оптические усилители обнаруживают разницу между сигналами напряжения, подаваемыми на их две входные клеммы, а затем умножают их на некоторый заданный коэффициент усиления (A). Этот коэффициент усиления (A) часто называют коэффициентом разомкнутого контура. Операционные усилители могут быть подключены в двух основных конфигурациях: инвертирующей и неинвертирующей.
Для отрицательной обратной связи, если напряжение обратной связи на входе двухтактное, общее усиление уменьшается. При положительной обратной связи, когда напряжение обратной связи находится в «фазе», входной сигнал усилителя увеличивается. При повторном подключении выхода к отрицательной входной клемме достигается 100% обратная связь, в результате чего получается повторитель напряжения (буфер) с постоянным коэффициентом усиления, равным 1 (единица). Заменив фиксированный резистор обратной связи (Rƒ) потенциометром, схема будет иметь регулируемое усиление.
Технические характеристики
Главный:
- Остаточный входной ток (входной ток смещения) в состоянии покоя, на двух входах могут протекать разные токи. На практике это означает искажение напряжения для источников сигнала с высоким внутренним сопротивлением, так как источники подвергаются разным уровням напряжения.
- Входное сопротивление можно измерить относительно земли на входах, если другой вход подключен к земле. Недостатком здесь являются источники с большим внутренним сопротивлением, которые частично нагружаются входным сопротивлением.
- Входная емкость: конденсаторы подключены параллельно входным резисторам. Они мешают, особенно на высоких частотах, потому что емкости создают дополнительные параллельные входные импедансы, зависящие от частоты. В дифференциальном усилителе от этого показателя зависит принцип работы.
- Низкое усиление (увеличение усиления сигнала) указывает на усиление, полученное без обратной связи. Оно определяется сопротивлением нагрузки 2 кОм и размахом выходного напряжения ± 10 В. На практике указанное значение 200 000 никогда не достигается и обычно в 10 раз ниже.
- Коэффициент отклонения напряжения питания. При изменении напряжения питания на один вольт смещение изменяется на 0,3 мкВ. Однако при усилении в 300 раз ошибка увеличивается на 0,1 мВ.
- Размах выходного напряжения. Операционный усилитель никогда не сможет генерировать полное входное напряжение на своем выходе. В любом случае максимальное выходное напряжение при входном напряжении ±15 В будет значительно выше, чем ±10 В. При нормальных нагрузках около ±13 В и в идеале всего на 1 В ниже напряжения питания.
- Выходное сопротивление — это эффективное сопротивление переменному току на выходе только для низких и смещенных выходных сигналов. Практически применим только в крайних случаях.
- Выходной ток короткого замыкания.
- Подача тока через ненагруженный операционный усилитель, тип 1,7 мА.
- Производительность: Потери мощности, разумеется, в ненагруженном ОУ вызваны током питания и зависят от рабочего напряжения. Транзисторному дифференциальному усилителю требуется определенное время отклика, и он ухудшает входной сигнал скачками. Это относится к нагрузке 2 кОм || 100 пФ и коэффициент усиления «единица» (единичный коэффициент усиления).
- Скорость поворота, чтобы избежать неконтролируемого поворота. Если выходное напряжение изменяется на 10 В, операционному усилителю обычно требуется время 5 мкс. Это становится критическим на высоких частотах, так как его выходной сигнал сильно затухает.
Граничные условия применения
Главный:
- Максимальное напряжение питания ±18В. Большинство схем работают при ±15 В, так что это безопасно.
- Максимальные потери мощности (рассеиваемая мощность) зависят от версии шкафа и максимально допустимой температуры. Один 8-контактный пластиковый корпус может выдерживать 310 мВт, а 14-контактный двухрядный корпус — примерно в два раза больше.
- Входные напряжения и перепады могут быть в диапазоне -15…+15 В. Сварка. Во время пайки клеммы нагревают до 300°С в течение одной минуты. Припаивание к клеммам производится не одновременно, а друг за другом и только после полного остывания всего компонента.
- Короткое замыкание на стороне выхода. По словам производителя, короткое замыкание на выходе может длиться бесконечно долго, если соблюдены все предельные условия.
- Ограничение: Температура корпуса не должна превышать 125°C, поэтому температура окружающей среды не должна превышать 75°C
Дифференциальный усилитель
Исходные данные для расчета представлены в табл. 13.
Таблица 13. Исходные данные для расчета
Вход 1 (Vi2-Vi1) Выход CMRR мин. Электропитание
Видифф Мин | Видифф Макс | Рвота | Вомакс | дБ | VDC | Ви | Vref |
-1,25 В | 1,25 вольта | -2,5 В | 2,5 В | пятьдесят | 2,75 вольта | -2,75 В | 0В |
Описание схемы
Выходной сигнал схемы определяется разностью входных сигналов Vi1 и Vi2 (рис. 16). Источники сигнала обычно должны иметь низкое сопротивление, так как входное сопротивление схемы определяется резисторами R1 и R2. Дифференциальные усилители обычно используются для усиления разности напряжений входного сигнала и удаления синфазной составляющей. Синфазное напряжение дифференциального усилителя равно суммарному напряжению, приложенному к обоим входам. Эффективность подавления синфазного сигнала характеризуется коэффициентом подавления синфазного сигнала (CMRR) или CMRR. КОСС дифференциального усилителя определяется точностью используемых резисторов.
Рис. 16. Схема дифференциального усилителя на операционном усилителе
Рекомендуем обратить внимание на:
- он должен работать в линейном диапазоне рабочего напряжения операционного усилителя. Этот диапазон обычно определяется в схеме с разомкнутым контуром (AOL). Напряжение синфазного сигнала на входах ОУ не должно превышать допустимых значений;
- входное сопротивление схемы определяется сопротивлением входных резисторов. Его значение должно быть намного больше, чем сопротивление источников выходного сигнала;
- использование высокоомных резисторов может уменьшить запас по фазе и внести в схему дополнительные помехи;
- не подключайте емкостную нагрузку напрямую к выходу усилителя во избежание проблем со стабильностью;
- полоса пропускания малого сигнала может быть определена из усиления шума (NG) (или неинвертирующего усиления) и произведения усиления на полосу пропускания (GBP). Дополнительную фильтрацию можно осуществить, добавив конденсаторы параллельно резисторам R3 и R4. Эти конденсаторы также повышают стабильность схемы;
- при работе с большими сигналами полоса пропускания ограничена скоростью нарастания операционного усилителя. Для минимизации вносимых искажений следует изучить приведенный в документации график зависимости скорости вращения от частоты;
- дополнительные сведения о линейном рабочем диапазоне, стабильности, искажениях, емкостной нагрузке, управлении АЦП и полосе пропускания операционного усилителя см в разделе «Рекомендации».
Порядок расчета
Выходное напряжение дифференциального усилителя определяется по формуле 1:
$$V_{O}=V_{I1}times left(-frac{R_{3}}{R_{1}} right)+V_{I2}times left(frac{R_{4) }}{R_{2}+R_{4}} right)times left(1+frac{R_{3}}{R_{1}} right)+V_{REF}times left(frac{R_{2}}{R_{2}+R_{4}} right)times left(1+frac{R_{3}}{R_{1}} right)qquad{ математика{(}}{1}{mathrm{)}}$
Если R1 = R2 и R3 = R4, то формула для VO сильно упрощается (формула 2):
$$V_{O}=left(V_{I2}-V_{I1} right)times left(frac{R_{3}}{R_{1}} right)+V_{REF} qquad { mathrm {(}} {2} { mathrm{)}}$
- Подбираем номиналы резисторов R1 и R2. Выбор необходимо делать с учетом импеданса источников входного сигнала, так как это влияет на величину коэффициента усиления шума. Пусть R1 = R2 = 10 кОм.
- Рассчитываем выигрыш (формула 3):
$$mid G_{VI1}mid =frac{V_{OMáx}-V_{OMin}}{V_{IdiffMax}-V_{IdiffMin}}=frac{2.5:V-(-2.5:V)}{1,25:V-(-1,25:V)}=2frac{V}{V}=6,02:дБqquad{mathrm{(}}{3}{mathrm{)}}$
- Рассчитаем сопротивление резисторов R3 и R4 (формула 4):
$$G=2frac{R}{R}=frac{R_{3}}{R_{1}}rightarrow R_{3}=R_{4}=2times R_{1}=20 : кОм qquad { mathrm {(}} {4} { mathrm{)}}$
- Рассчитаем допустимую погрешность резисторов для достижения минимального значения коэффициента подавления синфазного сигнала CCMR. Для минимального (наихудшего случая) КОСС α = 4. Однако для типичного значения КОСС α = 0,33 (формула 5).
$$CMRR_{дБ}cong 20log_{10} left(frac{1+G}{alpha times varepsilon} right)$
$ $ varepsilon = frac {1 + G} { alpha times 10 ^ { frac {CMRR_ {dB}} {20}}} = frac {1 + 2} {4 times 10 ^ { frac {50}{20}}}=0,24%qquad{mathrm{(}}{5}{mathrm{)}}$
Поэтому необходимо использовать резисторы с точностью 0,1%.
- Для наглядности в таблице 14 приведены рассчитанные ошибки сопротивления и значения CMRR для G = 1 и G = 2. Как видите, с увеличением коэффициента усиления растет и CMRR.
Таблица 14 Расчет CMRR и допусков сопротивления
Ошибка КОСС, дБG = 1 мин G = 1 типичный G = 2 мин G = 2 типичный
0,01% = 0,0001 | 74 | 95,6 | 77,5 | 99,2 |
0,1% = 0,001 | 54 | 75,6 | 57,5 | 79,2 |
0,5% = 0,005 | 40 | 61,6 | 43,5 | 65,2 |
1% = 0,01 | 3. 4 | 55,6 | 37,5 | 59,2 |
5% = 0,05 | 20 | 41,6 | 23,5 | 45,2 |
Моделирование схемы
На рис. 17 показано моделирование постоянного тока (анализ постоянного тока).
Рис. 17. Зависимость выходного напряжения ОУ от входного дифференциального напряжения Видифф
Результаты моделирования CMRR показаны на рисунке 18.
Рис. 18. Частотная зависимость КОСС
Рекомендации
Дополнительную информацию о параметрах операционных усилителей см в TI Precision Labs.
Для получения дополнительной информации об CMRR дифференциальных усилителей см. «Упуская из виду очевидное: входной импеданс дифференциального усилителя.
Параметры СО, использованные в расчете, приведены в таблице 15.
Таблица 15. Параметры СО, использованные в расчете
TLV6001
В, В | 1,8…5,5 |
ВинСМ | Рельс к рельсу |
За пределами | Рельс к рельсу |
Вы, мкВ | 750 |
IQ, мкА | 75 |
Иб, па | а |
Полоса пропускания, МГц | а |
SR, В/мкс | 0,5 |
Количество каналов | 1, 2, 4 |
В качестве альтернативы можно использовать ОУ, параметры которого представлены в таблице 16.
Таблица 16. Альтернативные параметры операционных усилителей
OPA320
В, В | 1,8…5,5 |
ВинСМ | Рельс к рельсу |
За пределами | Рельс к рельсу |
Вы, мкВ | 40 |
IQ, мА | 1,5 |
Иб, па | 0,2 |
Полоса пропускания, МГц | 20 |
SR, В/мкс | 10 |
Количество каналов | 12 |
Оригинальная статья
Дифференциальный усилитель с использованием BJT
Принцип его работы показан на следующей схеме.
Он построен на двух согласованных транзисторах с общим эмиттером, эмиттеры которых соединены между собой. Простая схема, способная усиливать слабые сигналы, подаваемые между двумя входами, и в то же время подавлять шумовые сигналы, общие для обоих входов.
Дифференциальный усилитель на биполярных транзисторах (BJT) имеет уникальную топологию: два входа и два выхода. Хотя вы можете использовать сигнал только с одного выхода, разница между двумя выходами обеспечивает двойное усиление! Кроме того, улучшается подавление синфазного сигнала (CMR), когда сигнал синфазного сигнала является источником шума или смещения по постоянному току относительно предыдущего каскада.
Конфигурация транзисторного вычислителя
В зависимости от методов ввода и вывода дифференциальные усилители могут иметь четыре различные конфигурации, как показано ниже.
- Несимметричный однофазный выход.
- Балансный выход с одним входом.
- Двойной входной несимметричный выход.
- Балансный выход с двумя входами.
Принципиальная схема усилителя постоянного тока
При разработке базовых аналоговых компонентов (различные типы предусилителей, фильтров и др.) важно, наряду с разработкой современных решений для глубинных субмикронных технологий, уделять внимание новым конструктивным решениям традиционных усилительных устройств.
Дифференциальный усилитель постоянного тока (DC-DC), выходное напряжение которого пропорционально разнице между двумя входными напряжениями. Это можно выразить в виде уравнения следующим образом: Vout=A*((Vin+)-(Vin-)), где A = коэффициент усиления.
Практическое применение
В практических схемах дистанционное управление используется для усиления: импульсов по длинным проводам, звука, радиочастот, управления двигателями и серводвигателями, электрокардиограмм, информации на магнитных запоминающих устройствах.
Недостатки
Дифференциальный усилитель имеет ряд недостатков, несколько ограничивающих его применение в электронике:
- Низкое значение входного сопротивления в зависимости от сопротивления, например, при слабом сигнале с термопары — пульт выдаст ошибочный результат измерения.
- Трудно регулируемый коэффициент усиления, что потребует изменения номинала двух резисторов, что практически трудно реализовать, а введение в схему дополнительных элементов (потенциометров или мультиплексоров) излишне усложнит схему.
Применение базовых схем
Инструментальный усилитель
Инструментальные усилители используются в самых разных приложениях, от медицинского оборудования до промышленных контроллеров. Инструментальный усилитель похож на дифференциальный усилитель тем, что он также вычитает один аналоговый сигнал из другого, но его входной каскад устроен иначе. Классическая схема инструментального усилителя с тремя операционными усилителями показана на рисунке 9.
Рис. 9. Инструментальный усилитель с тремя операционными усилителями
В этой схеме оба входных сигнала подаются на высокоомные неинвертирующие входы операционных усилителей. Поэтому, в отличие от дифференциального усилителя, эту схему можно использовать, если выходные сопротивления источников сигнала велики и/или различны. Коэффициент усиления входного каскада определяется сопротивлением резистора RG.
Второй каскад представляет собой обычный дифференциальный усилитель. Этот каскад удаляет синфазное напряжение из входных сигналов и вычитает один сигнал из другого. Выходные сопротивления источников сигналов на входе дифференциального усилителя малы, равны по величине и легко управляемы.
Напряжение смещения дифференциального каскада измерительного усилителя можно изменять в широких пределах. В цепях с одним источником питания напряжение смещения обычно выбирают равным половине напряжения питания. Для формирования напряжения смещения можно использовать делитель мощности, схема которого показана на рисунке 5. Выходное напряжение инструментального усилителя определяется по формуле 6:
$$V_{OUTPUT}=left(V_{1}-V_{2} right)times left(1+frac{2R_{2}}{R_{G}} right)times left ( frac {R_ {4}} {R_ {3}} right) + V_ {REF} qquad { mathrm {(}} {6} { mathrm{)}}$
Еще одна схема инструментального усилителя показана на рисунке 10. В этой схеме оба операционных усилителя служат для изоляции нагрузки и усиления сигнала. Кроме того, второй операционный усилитель действует как дифференциальный усилитель.
Рис. 10. Инструментальный усилитель на двух операционных усилителях. Эта схема лучше всего подходит для высокого коэффициента усиления (более 3 В/В)
На первый операционный усилитель можно подать напряжение смещения. Как правило, в схемах с однополярным питанием напряжение смещения выбирают равным половине напряжения питания. Выходное напряжение этой схемы определяется по формуле 7:
$$V_{OUTPUT}=left(V_{1}-V_{2} right)times left(1+frac{R_{1}}{R_{2}}+frac{2R_{1 }}{R_{G}} right)+V_{REF}qquad{mathrm{(}}{7}{mathrm{)}}$
Плавающий источник тока
Плавающий источник тока может быть полезен для настройки тока, протекающего через элемент переменного сопротивления, такой как датчик температуры сопротивления (RTD). Схема, показанная на рисунке 11, представляет собой источник тока 1 мА для RTD, хотя можно настроить любой другой ток.
Рис. 11. Плавающий источник тока на основе двух операционных усилителей и прецизионного источника опорного напряжения
В этой схеме благодаря наличию резистора R1 напряжение VREF уменьшается на величину VR1. Следовательно, напряжение на неинвертирующем входе топового ОУ схемы равно VREF — VR1. Это напряжение после усиления в два раза дает на выходе ОУ напряжение, равное 2×(VREF — VR1). В этом случае нижнее выходное напряжение ОУ схемы равно VREF — 2×VR1. Вычитая выходное напряжение верхнего ОУ из напряжения на неинвертирующем входе нижнего ОУ, получаем:
2(VREF — VR1) — (VREF — 2VR1), что равно VREF.
Величина тока, генерируемого этой цепью, определяется по формуле 8:
$$I_{OUTPUT}=frac{V_{REF}}{R_{L}}qquad{mathrm{(}}{8}{mathrm{)}}$
Фильтры
На входе любого АЦП настоятельно рекомендуется иметь полосовой фильтр или фильтр нижних частот, позволяющий удалить нежелательные составляющие сигнала. Фильтр нижних частот, показанный на рис. 12, имеет два полюса, которые можно настроить для формирования фильтра Баттерворта. Фильтры Баттерворта имеют плоскую частотную характеристику полосы пропускания и хорошие общие характеристики.
Рис. 12. Двухполюсные активные фильтры нижних частот легко реализовать в одном операционном усилителе
С другой стороны, в ступенчатой характеристике этого типа фильтра есть небольшое перерегулирование и гудение. Это может быть проблемой, а может и не быть, в зависимости от требований конкретного приложения. Коэффициент усиления этого фильтра определяется сопротивлением резисторов R3 и R4.
Обратите внимание на сходство уравнений для расчета коэффициента усиления этого фильтра и неинвертирующего усилителя, показанных на рисунке 3.
Фильтры этого типа также называют сглаживающими, если они используются для удаления составляющих сигнала, частота которых превышает половину частоты Найквиста конкретной дискретной системы. Таким образом, из спектра сигнала удаляются высокочастотные помехи, которые в противном случае перекрывали бы полезный сигнал.
Коэффициент усиления по постоянному току схемы, показанной на рисунке 12, определяется уравнением 9:
$$frac{V_{OUTPUT}}{V_{INPUT}}=left(1+frac{R_{4}}{R_{3}} right)qquad{mathrm{(}}{9 }{mathrm{)}}$
Полосовой фильтр, схема которого показана на рисунке 13, имеет АЧХ с одним нулем и двумя полюсами и предназначен для обработки речевых сигналов. Фильтр верхних частот первого порядка реализован с конденсатором С1 и резисторами R1 и R2, соединенными параллельно. Отметим, что резисторы R1 и R2 также образуют делитель, формирующий напряжение смещения на неинвертирующих входах ОУ. Это обеспечивает работу обоих ОУ в линейной области. Второй операционный усилитель U2 и компоненты R3, R4, C3 и C4 реализуют фильтр нижних частот второго порядка.
Рис. 13. Полосовой фильтр можно реализовать на двух операционных усилителях: первый операционный усилитель будет работать как фильтр верхних частот, а второй — как фильтр нижних частот
Этот фильтр удаляет высокочастотный шум, который в противном случае накладывался бы на полезный сигнал во время аналого-цифрового преобразования. Выходное напряжение этой схемы определяется по формуле 10:
$$V_{OUTPUT}=V_{INPUT}times left(frac{R_{3}}{R_{4}} right)times left(frac{R_{2}}{R_{1 }+R_{2}} right)qquad{mathrm{(}}{10}{mathrm{)}}$
Дополнительные сведения о фильтрах нижних частот см в примечаниях по применению AN699 «Аналоговые фильтры сглаживания для систем сбора данных»).
Соединяем все вместе
Схема, показанная на рисунке 14, реализует полное устройство измерения температуры с одним источником питания. В этой схеме используются четыре операционных усилителя и 12-разрядный аналого-цифровой преобразователь. Датчик RTD используется в качестве датчика температуры, который требует возбуждения током. Этот ток генерируется плавающим источником тока, схема которого показана на рисунке 11. Усилительный каскад и сглаживающий фильтр реализованы по схеме, показанной на рисунке 13.
Рис. 14. Полная схема с одним источником питания для измерения температуры
Сигнал от датчика RTD подается на усилительный каскад, представляющий собой комбинацию инвертирующего и неинвертирующего усилителя.
С выхода этого усилительного каскада сигнал поступает на ФНЧ второго порядка с коэффициентом усиления 6 В/В. Этот коэффициент усиления был выбран в соответствии с входным диапазоном аналого-цифрового преобразователя. Предполагая, что частота дискретизации АЦП, также известная как частота Найквиста, составляет 75 кГц, частота среза сглаживающего фильтра (U4) была установлена на 10 кГц. Этой полосы пропускания фильтра достаточно для эффективного удаления компонентов сигнала с частотами менее половины частоты Найквиста. В качестве аналого-цифрового преобразователя используется 12-разрядный АЦП последовательного приближения, выход которого подключен к микроконтроллеру PIC12C509.
Подводные камни проектирования схем с ОУ
В этой части руководства перечислены распространенные проблемы, связанные с операционными усилителями на печатной плате. Эти проблемы делятся на четыре категории:
- общие советы;
- входные каскады;
- пропускная способность операционной системы;
- Операционный усилитель класса Rail-to-Rail с однополярным питанием.
Общие советы
- Будьте осторожны при выборе напряжения, подаваемого на выводы питания операционного усилителя. Не превышайте характеристики операционного усилителя и в то же время не делайте их слишком маленькими. Высокие напряжения повредят компонент, а низкие напряжения не обеспечат требуемого смещения транзисторов в микросхеме ОУ, необходимого для нормальной работы ОУ.
- Убедитесь, что отрицательный контакт питания (обычно заземленный) действительно подключен к низковольтной шине. Кроме того, убедитесь, что источник положительного напряжения действительно обеспечивает требуемое напряжение относительно отрицательного вывода питания операционного усилителя. Для проверки подключите вольтметр между отрицательной и положительной клеммами питания операционного усилителя.
- Внимательно проверьте шину заземления, особенно если на плате есть цифровые узлы. Тщательно продумайте маршрутизацию наземной шины. Если цепь содержит много цифровых цепей, рассмотрите возможность использования отдельных слоев питания и земли. Очень сложно, а часто и невозможно удалить шум из аналогового сигнала, вызванный работой цифровых компонентов.
- Разделите цепи питания операционного усилителя с помощью развязывающих конденсаторов, расположив их как можно ближе к операционному усилителю. Для КМОП-усилителей обычно рекомендуется использовать конденсаторы емкостью 0,1 мкФ. Также отключите блок питания конденсатором 10 мкФ.
- Используйте короткие выводы на входах ОУ. Если вы используете макетные платы без пайки для макетирования, имейте в виду, что они могут вносить в схему паразитные шумы и вибрации. Ожидается, что эти проблемы не возникнут, когда схема реализована на печатной плате.
- Операционные усилители чувствительны к статическому электричеству. При повреждении микросхемы ОУ просто перестанет работать, либо возникнут непонятные ошибки (например, изменится входное напряжение смещения или ток смещения), которые со временем будут только увеличиваться.
Входные каскады
- Учитывайте диапазон входного напряжения вашего операционного усилителя. Если напряжение на любом из входов усилителя превышает допустимые пределы, то выход, скорее всего, настроен на напряжение одной из шин питания.
- Если ваша схема имеет высокий коэффициент усиления, не забывайте о напряжении смещения операционного усилителя. Это напряжение усиливается вместе с полезным сигналом и может «забивать» полезный сигнал на выходе усилителя.
- Не используйте операционный усилитель с входами rail-to-rail без крайней необходимости. Обратите внимание, что такие операционные усилители обычно требуются только для буферных усилителей и, в некоторых случаях, для инструментальных реализаций. Если в схеме есть усиление, отсечение выходного сигнала все равно произойдет до того, как возникнут проблемы со входом.
Ширина полосы пропускания ОУ
- Рассмотрим полосу пропускания операционного усилителя. Если вы внедрили усилитель с коэффициентом усиления 10, а выходная мощность переменного тока намного ниже, чем ожидалось, возможно, вам придется поискать усилитель с более широкой полосой пропускания.
- Для обеспечения стабильности ОУ обычно достаточно установить конденсатор параллельно резистору в цепи обратной связи усилителя. Но это не всегда помогает. Если усилитель становится нестабильным, быстрый расчет укажет на проблему и, возможно, предложит решение.
ОУ класса «rail-to-rail» при однополярном питании
- Операционный усилитель способен подавать на нагрузку ограниченный ток.
- Емкостная нагрузка опасна для ОУ. Убедитесь, что используемый вами усилитель рассчитан на нагрузку в вашей цепи.
- Очень редко операционный усилитель с одним источником питания обеспечивает полный размах выходного напряжения. На практике пределы выходного напряжения большинства этих усилителей отличаются от напряжения каждой из шин питания на 50…200 мВ. Уточните это в технической документации вашего усилителя.
Оптимизирование характеристик дифференциального адаптера
Необходимость оптимизации габаритов оборудования связана с увеличением показателя затухания диамагнитного сигнала. Самый элементарный способ — обеспечить увеличение сопротивления эмиттерного резисторного элемента (R5 на схеме). Однако этот вариант не может быть реализован, так как для сохранения установившегося принципа работы транзисторов необходимо повысить напряжение сети, сопротивление такого ключа можно увеличить только более чем на 3…6 кОм. Существует наиболее оптимальный и приемлемый способ повышения КОСС: использование первичных источников тока.
Определенным образом можно объяснить оптимизацию работы дифференциальной ступени со стабилизирующей составляющей.
Устройство стабилизатора в эмиттерной цепи каскада дифференцирования не допускает изменения суммарного тока транзисторных элементов VT1 и VT2. Следовательно, входные дроссели, изменяя сопротивление внутри этих частей транзистора, распределяют параметры по другим компонентам транзистора. Поэтому диамагнитные сигнальные дроссели никак не изменяют кратный ток коллектора транзисторных элементов, а выходное напряжение остается на прежнем уровне.
Импульсы сигнала дискриминации, подаваемые на входные концы, в каскаде распределяют ток, который задается токорегулирующим элементом, изменяя тем самым напряжение на выходном конце. Например, на входе In.1 (выход) показатель намного выше, чем на выходе In.2. Следовательно, ток транзистора VT1 увеличивается за счет тока элемента транзистора VT2, изменяя выходное напряжение.