Неинвертирующий операционный усилитель: схема включения на дискретных элементах

Что такое операционный усилитель ?

Операционные усилители — это микросхемы, которые могут выглядеть по-разному.

Например, на этом изображении показаны два операционных усилителя российского производства. Слева ОУ К544УД2АР в пластиковом DIP-корпусе и справа ОУ в металлическом корпусе.

Поначалу, до знакомства с ОУ, я постоянно путал микросхемы в металлических корпусах с транзисторами. Я думал это такие умные многоэмиттерные транзисторы

Условное графическое обозначение (УГО)

Символ операционного усилителя выглядит следующим образом.

Итак, операционный усилитель (ОУ) имеет два входа и один выход. Также имеются кабели для подключения питания, но они обычно не обозначаются условными графическими обозначениями.

Для такого усилителя есть два правила, которые помогут понять принцип работы:

1. Выход операционного усилителя стремится к тому, чтобы разность напряжений на его входах была равна нулю
2. Входы операционного усилителя не потребляют ток

Вход 1 отмечен знаком «+» и называется неинвертирующим, а вход 2 отмечен знаком «-» и называется инвертирующим.

Входы операционных усилителей имеют высокое входное сопротивление, или, иначе говоря, высокое сопротивление.

Это говорит о том, что входы операционного усилителя почти не потребляют ток (буквально несколько наноампер). Усилитель просто оценивает величину напряжений на входах и в зависимости от этого выдает сигнал на выходе, усиливая его.

Коэффициент усиления ОУ просто огромен, он может достигать миллиона, а это очень большая величина! Это означает, что если мы подадим на вход небольшое напряжение, хотя бы 1мВ, то сразу же получим максимум на выходе, напряжение почти равное напряжению питания ОУ. Благодаря этому свойству ОУ почти никогда не используются без обратной связи (ОС). На самом деле, какой смысл от входного сигнала, если мы всегда получаем максимальное напряжение на выходе, но об этом мы поговорим чуть позже.

Входы операционного усилителя работают таким образом, что если значение на неинвертирующем входе больше, чем на инвертирующем, на выходе будет максимальное положительное значение +15В. Если на инвертирующем входе напряжение окажется более положительным, то на выходе мы увидим максимальное отрицательное значение, где-то в районе -15В.

Фактически операционный усилитель может выводить значения напряжения как положительной, так и отрицательной полярности. Новичок может задаться вопросом, как это возможно? Но это на самом деле возможно и связано с использованием источника питания с разделенным напряжением, так называемого двухполярного источника питания. Рассмотрим подробнее блок питания операционного усилителя.

Интегратор на операционном усилителе

Эта схема получается добавлением емкости в обратную связь.

Эта схема аналогична схеме инвертирующего усилителя, с той лишь разницей, что наличие конденсатора в цепи обратной связи делает работу системы зависимой от частоты входного сигнала.

В работе интегратора можно наблюдать очень интересное свойство: переход между типами сигналов: прямоугольный входной сигнал становится треугольным, треугольный — синусоидальным…

Как мы уже говорили, система ведет себя по-разному в зависимости от частоты. Частота влияет на коэффициент усиления, который можно рассчитать по следующей формуле:

Стоит немного подумать над этой формулой. Наша переменная здесь ω = 2πf увеличивается с увеличением частоты, а это означает, что чем выше частота, тем ниже коэффициент усиления (k). Именно по этой причине интегратор может работать как активный фильтр нижних частот.

Дифференциатор на операционном усилителе

Что касается дифференциатора, то здесь ситуация обратная: на входе стоит конденсатор, а в цепи обратной связи установлен резистор.

Как следует из названия, схема усилителя работает с перепадами, ее коэффициент усиления тем больше, чем быстрее меняется сигнал. Это свойство дифференциатора позволяет строить активные фильтры верхних частот.

Расчет коэффициента усиления (k) дифференциатора можно выполнить по следующей формуле:

Эта формула является обратной формуле интегратора, k увеличивается (в отрицательном направлении) с увеличением частоты.

Простой операционный усилитель на дискретных элементах

Компоненты и материалы

• источник постоянного напряжения 12 В (на схеме вместо него используются две батареи по 6 вольт);
• четыре транзистора NPN (рекомендуемые модели 2N2222 или 2N3403);
• два транзистора PNP (рекомендуются модели 2N2907 или 2N3906);
• два однооборотных линейных потенциометра на 10 кОм;
• резистор 270 кОм;
• три резистора по 100 кОм;
• резистор 10 кОм.

Вспомогательная информация

• Основы электроники и схем, том 3, глава 4: «Биполярные транзисторы»
• Основы электроники и схем, том 3, глава 8: Операционные усилители

Темы обучения

• Разработка схемы дифференциального усилителя с использованием токовых зеркал.
• Влияние отрицательной обратной связи на дифференциальный усилитель с большим коэффициентом усиления.

Принципиальная схема

Рисунок 1 – Схема простого операционного усилителя на дискретных элементах

Макет

Рисунок 2 – Конструкция простого операционного усилителя на дискретных элементах

Инструкции

Эта схема является усовершенствованием схемы дифференциального усилителя, показанной в предыдущей статье. Вместо резисторов, управляющих падением напряжения на дифференциальной паре, в этой схеме используется набор токовых зеркал, что приводит к более высокому коэффициенту усиления по напряжению и более предсказуемым характеристикам. При более высоком коэффициенте усиления по напряжению эта схема может работать как рабочий операционный усилитель.

Операционные усилители составляют основу многих современных аналоговых полупроводниковых схем, поэтому важно понимать их внутреннюю работу. PNP-транзисторы Q1 и Q2 образуют токовое зеркало, которое пытается равномерно распределить ток между двумя транзисторами в дифференциальной паре Q3 и Q4. NPN-транзисторы Q5 и Q6 образуют еще одно токовое зеркало, которое устанавливает общий ток дифференциальной пары на уровне, установленном резистором Rprog.

Измерьте выходное напряжение (напряжение коллектора Q4 относительно земли) при изменении входного напряжения. Обратите внимание, как два потенциометра по-разному влияют на выходное напряжение: один вход посылает выходное напряжение в том же направлении, в котором оно изменяется (неинвертирующий вход), а другой посылает выходное напряжение в противоположном направлении (инвертирующий вход).

Вы заметите, что выходное напряжение наиболее чувствительно к изменениям на входе, когда два входа почти равны друг другу.

После того, как дифференциальное поведение схемы было проверено (выходное напряжение резко скачет от одного крайнего значения к другому, когда одно входное напряжение регулируется выше и ниже уровня напряжения на другом входе), вы готовы использовать эту схему в качестве реального операционного усилителя.

Вы можете начать с простой схемы операционного усилителя, называемой повторителем напряжения. Чтобы создать схему повторителя напряжения, подключите напрямую выход усилителя к его инвертирующему входу. Это означает подключение клемм коллектора и базы Q4 и снятие «инверторного» потенциометра:

Рисунок 3 – Схема повторителя напряжения в ОУ на дискретных элементах
Рисунок 4 – Конструкция повторителя напряжения в ОУ на дискретных элементах

Обратите внимание на треугольный символ операционного усилителя, показанный на нижней диаграмме. Инвертирующий и неинвертирующий входы отмечены (-) и (+) соответственно, выход находится в правом верхнем углу треугольника. Провод обратной связи, соединяющий выход с инвертирующим входом, показан красным на схемах выше.

Как следует из названия «повторитель напряжения», выходное напряжение должно очень близко «следовать» входному напряжению, отклоняясь не более чем на несколько сотых вольта. Эта схема является гораздо более точным повторителем, чем однотранзисторная схема с общим коллектором, описанная в одном из предыдущих экспериментов!

Более сложная схема операционного усилителя называется неинвертирующим усилителем и использует пару резисторов в контуре обратной связи для «возврата» части выходного напряжения на инвертирующий вход, заставляя усилитель выводить напряжение, равное к напряжению на неинвертирующем входе, умноженному на некоторое значение.

Если мы используем два резистора одинакового номинала, напряжение обратной связи будет составлять половину выходного напряжения, в результате чего выходное напряжение будет в два раза больше напряжения, приложенного к неинвертирующему входу. Итак, у нас есть усилитель напряжения с коэффициентом усиления ровно 2:

Рисунок 5 – Схема неинвертирующего усилителя в операционном усилителе на дискретных элементах
Рисунок 6 – Конструкция неинвертирующего усилителя в операционном усилителе на дискретных элементах

При тестировании схемы неинвертирующего усилителя вы можете заметить небольшие различия между входным и выходным напряжениями. Основываясь на номиналах резисторов обратной связи, коэффициент усиления по напряжению должен быть ровно 2. Однако вы можете увидеть отклонения порядка нескольких сотых вольта между выходным напряжением и тем, каким оно должно быть. Эти отклонения связаны с несовершенством схемы дифференциального усилителя и могут быть значительно уменьшены, если мы добавим дополнительные каскады усилителя для увеличения коэффициента усиления по дифференциальному напряжению.

Однако один из способов добиться наибольшей точности от этой схемы — заменить резистор Rprog. Этот резистор устанавливает более низкую уставку токового зеркала и, таким образом, влияет на многие рабочие характеристики операционного усилителя. Попробуйте заменить этот резистор резистором в диапазоне от 10 кОм до 1 МОм. Не используйте сопротивления менее 10 кОм, иначе транзисторы токовых зеркал могут начать перегреваться и может начаться «тепловой разгон».

Некоторые операционные усилители, доступные в виде ИС, позволяют пользователю аналогичным образом «программировать» текущее зеркало дифференциальной пары и называются программируемыми операционными усилителями. Большинство операционных усилителей не программируются, а уставки их внутренних токовых зеркал фиксируются внутренним резистором, настроенным на точное значение на заводе.

Введение в неинвертирующий усилитель

Неинвертирующий усилитель — это еще один режим работы стандартного усилителя. Как известно, типовые усилители имеют два выхода: инвертирующий и неинвертирующий. Когда входы проходят через неинвертирующие клеммы, этот режим работы известен как неинвертирующий усилитель.

Теория неинвертирующего усилителя

Принцип работы или теория неинвертирующего усилителя такие же, как у инвертирующего усилителя, а для неинвертирующего усилителя вход подается на неинвертирующий терминал. Усилитель усиливает выходной сигнал с некоторым усилением и подает его на выход. Коэффициент усиления зависит от номиналов резисторов, а система обратной связи подключена к инвертирующему усилителю для создания отрицательной обратной связи в системе. Поскольку система имеет отрицательную обратную связь, этот усилитель имеет большую стабильность, но меньший коэффициент усиления, чем инвертирующий усилитель с теми же значениями резисторов.

Принципиальная схема неинвертирующего усилителя

На следующем изображении показана принципиальная схема неинвертирующего усилителя. На изображении ниже Vin — входное напряжение усилителя, R1 — первичный резистор, Rf — резистор обратной связи, а «I» — ток через резистор обратной связи. Внимательно изучите изображение, так как в статье будет называться изображение неинвертирующего усилителя.

Фото фото: индуктивная нагрузка, неинвертирующий операционный усилитель, общественное достояние, больше на Викискладе

Конструкция неинвертирующего усилителя

Разработка неинвертирующего усилителя — довольно простая и понятная задача. Изначально на ОУ устанавливается положительная и отрицательная полярность, опорное напряжение и заземляющие контакты выполняются в соответствии с требованиями. Теперь, поскольку это неинвертирующий усилитель, входное напряжение подается на неинвертирующий контакт, а инвертирующий контакт подключается к земле через резистор, а стандартный резистор обратной связи подключается к инвертирующему усилителю для обеспечения — вы видите обратная связь в схеме неинвертирующего усилителя.

Как работает неинвертирующий усилитель?

Неинвертирующий усилитель усиливает входной сигнал, подаваемый на неинвертирующий усилитель, а резисторы в конструкции усилителя действуют как усиление в конкретном математическом уравнении. Из-за виртуального заземления напряжение из точки B также появляется на конце «A». Таким образом, узел A имеет то же напряжение, что и входное напряжение. Опять же, через инвертирующий вывод будет течь тот же ток, что и в петле обратной связи.

Схема неинвертирующего усилителя со смещением неинвертирующего входа

Исходные данные для расчета представлены в таблице 68.

Таблица 68. Исходные данные для расчета неинвертирующего усилителя

ВводВыводЕда

Вимин	ВиМакс	Рвота	Вомакс	VDC	Ви	Vref
-1В	3 вольта	0,05 В	4,95 вольта	5 вольт	0В	2,5 В

Краткое описание схемы

Схема неинвертирующего усилителя со смещением на входе используется для преобразования входного сигнала 1…3 В в положительный сигнал 0,05…4,95 В (рис. 78). Он используется, в частности, для масштабирования и смещения сигнала датчика для дальнейшей оцифровки АЦП.

Рис. 78. Неинвертирующий усилитель с неинвертирующим входным смещением

Мы рекомендуем иметь в виду, что:

• операционный усилитель должен использоваться в линейном диапазоне рабочего напряжения. Он определяется в цепи с разомкнутым контуром (AOL);
• диапазон синфазного напряжения должен соответствовать диапазону входного напряжения;
• опорное напряжение Vref должно иметь низкий импеданс;
• входное сопротивление цепи равно сумме сопротивлений R3 и R4;
• для обеспечения стабильности следует использовать резисторы обратной связи номиналом менее 100 кОм. Использование резисторов с высоким сопротивлением уменьшит запас по фазе и повысит уровень шума схемы;
• частота среза схемы зависит от произведения усиления на полосу пропускания (GBP) выбранного операционного усилителя;
• дополнительную фильтрацию можно выполнить, добавив конденсатор параллельно резистору R. Этот конденсатор также повышает стабильность схемы.

Порядок расчета

• Выходное напряжение определяется по формуле 1:

$$V_{o}=V_{i}times left(frac{R_{4}}{R_{3}+R_{4}} right)times left(frac{R_{1}) +R_{2}}{R_{2}} right)+V_{ref}times left(frac{R_{3}}{R_{3}+R_{4}} right)times влево ( frac {R_ {1} + R_ {2}} {R_ {2}} right) qquad { mathrm {(}} {1} { mathrm{)}}$

• Рассчитайте коэффициент усиления схемы по формуле 2:

$$G_{Input}=frac{V_{oMax}-V_{oMin}}{V_{iMax}-V_{iMin}}=frac{4.95:V-0.05:V}{3:V -(-1:B)}=1,225frac{B}{B}qquad{mathrm{(}}{2}{mathrm{)}}$

• Подберем сопротивления резисторов R1 и R4. Пусть R1 = R4 = 1 кОм.

Учитывая:

$$G_{Ввод}=left(frac{R_{4}}{R_{3}+R_{4}} right)times left(frac{R_{1}+R_{2}} {R_{2}}справа),$

Получаем формулу 3:

$$1.225frac{V}{V}=left(frac{1:kΩ}{R_{3}+1:kΩ} right)times left(frac{1:kΩ+R_ {2}}{R_{2}} right)qquad{mathrm{(}}{3}{mathrm{)}}$

• Делая расчеты по формуле 3 относительно R3, получаем формулу 4:

$$R_{3}=frac{1:kΩtimes 1:kΩ+(1:kΩtimes R_{2})}{1,225frac{V}{V}times R_{2} }-1:кОмqquad{mathrm{(}}{4}{mathrm{)}}$

• Выбираем точку на передаточной функции в линейном диапазоне ОУ для установки необходимого смещения выхода, например, используя минимальное входное или выходное напряжение (формула 5):

$$V_{oMin}=V_{iMin}times left(frac{R_{4}}{R_{3}+R_{4}} right)times left(frac{R_{1}) +R_{2}}{R_{2}} right)+V_{ref}times left(frac{R_{3}}{R_{3}+R_{4}} right)times влево ( frac {R_ {1} + R_ {2}} {R_ {2}} right) qquad { mathrm {(}} {5} { mathrm{)}}$

Подставляем известные значения и формулу 5 вместо R3, и определяем R2:

R2 = 1360,5 Ом ≈ 1370 Ом.

• Определяем R3 по формуле 4, подставляя найденное значение R2, и получаем значение R3 = 412,18 Ом ≈ 412 Ом.

Моделирование схемы

Передаточная характеристика схемы показана на рисунке 79.

Рис. 79. Передаточная характеристика цепи

Моделирование в режиме переменного тока (анализ малых сигналов переменного тока) показано на рисунке 80.

Рис. 80. АЧХ цепи

Рекомендации

Для получения дополнительной информации см документ «Проект усиления и компенсации за тридцать секунд”.

Параметры СО, использованные в расчете, показаны в таблице 69.

Таблица 69. Параметры операционного усилителя, использованные при расчете неинвертирующего усилителя

MCP6292

Против	2,4…5,5 В
ВинСМ	Рельс к рельсу
За пределами	Рельс к рельсу
Ты	0,3 мВ
Уровень интеллекта	600 мкА
Иб	1 пА
UGBW	10 МГц
РС	6,5 В/мкс
Количество каналов	1, 2, 4

В качестве альтернативы можно использовать ОУ, параметры которого представлены в таблице 70.

Табл. 70. Альтернативные параметры ОУ

OPA388

Против	2,5…5,5 В
ВинСМ	Рельс к рельсу
За пределами	Рельс к рельсу
Ты	0,25 мкВ
Уровень интеллекта	1,9 мА
Иб	30 пА
UGBW	10 МГц
РС	5 В/мкс
Количество каналов	1, 2, 4

Схема инвертирующего усилителя с двухполярным питанием

Базовая схема двухполярного инвертирующего усилителя выглядит так:

Здесь мы видим два резистора и сам ОУ. Подаем сигнал на вход и уже снимаем усиленный сигнал с выхода. Как видите, неинвертирующий вход ОУ подключен к земле. Как работает система? Здесь мы видим комментарии. То есть с выхода сигнал подается обратно на вход через резистор R2. Наш усилитель является инвертирующим, потому что выходной сигнал не совпадает по фазе с входным сигналом на 180 градусов. Это означает, что в узле, где подключены два резистора и инвертирующий вход, выходной сигнал будет приходить со знаком минус. Этот тип обратной связи называется отрицательной обратной связью (НОО). Уменьшаем высокий коэффициент усиления ОУ до нужных нам значений.

В неинвертирующем усилителе обратная связь — это напряжение, а в инвертирующем усилителе — ток.

Если вы читали статью об операционном усилителе, вы, вероятно, помните, что если один из входов операционного усилителя подключен к земле, другой вход имеет точно такой же потенциал. В этом случае НЕинвертирующий вход подключен к земле, поэтому инвертирующий вход будет иметь точно такой же потенциал, то есть 0 Вольт. Такой ввод еще называют мнимой (виртуальной) землей. Как говорит Википедия, «воображаемое есть ложное, фальсифицированное, ложное».

Коэффициент усиления по напряжению любого усилителя выражается формулой

Так что же мы имеем в итоге?

Входное напряжение из приведенной выше формулы

Но так как наш усилитель инвертирует входной сигнал, следовательно, на выходе у нас будет напряжение со знаком минус, то есть -Uвых.

Отсюда находим выигрыш

Поскольку входное сопротивление инвертирующего входа бесконечно велико, ток будет течь только по цепи R1->R2. В ответвлении не может быть двух разных токов, поэтому получается, что

В результате наша формула сокращается и мы получаем

Компаратор напряжения — выход с открытым коллектором

Обычно выход компаратора напряжения представляет собой выход с открытым коллектором.

Выход с открытым коллектором имеет отрицательную полярность. Это означает, что на этом выходе нет положительного сигнала и между этим выходом и источником питания должна быть подключена нагрузка.

В некоторых схемах к выходу компаратора подключается нагрузочный (подтягивающий) резистор для подачи сигнала высокого уровня на вход следующего элемента схемы.

Операционные усилители (операционные усилители), такие как LM324, LM358 и LM741, обычно не используются в электронных схемах в качестве компараторов напряжения из-за их биполярных выходов. Однако эти операционные усилители можно использовать в качестве компараторов напряжения, подключив диод или транзистор к выходу операционного усилителя, чтобы создать выход с открытым коллектором.

Ниже приведена логика компаратора с выходом с открытым коллектором:

Ток будет течь через открытый коллектор, когда напряжение на входе (+) меньше, чем напряжение на входе (-). И, следовательно, через открытый коллектор не будет протекать ток, когда напряжение на входе (+) больше, чем напряжение на входе (-).

Пример работы инвертирующего усилителя

Давайте посмотрим, как работает наш усилитель в симуляторе цепей Proteus. Здесь мы собираем базовую биполярную схему

В Протеусе это будет выглядеть так:

Здесь мы принимаем номинал резисторов R2=10 кОм и R1=1 кОм, следовательно, коэффициент усиления указанной схемы будет -10. Знак минус в этом случае просто инвертирует усиленный сигнал, что мы видим на следующем сигнале. Вход — это розовый сигнал, а выход — желтый сигнал. Выходной сигнал находится в противофазе по отношению к входному, то есть инвертирует его. Отсюда и название «инвертирующий усилитель».

Насыщение выхода инвертирующего усилителя

Представим себе такую ​​ситуацию. Имеем входное переменное напряжение с амплитудой 1 В. Коэффициент усиления равен 50. По нашим расчетам, на выходе мы должны получить сигнал с амплитудой 50 В. Но как нам получить 50 В, если питание нашего усилителя составляет, скажем, +-15 В? Невозможно получить усиленный сигнал с амплитудой более 15 В. Хотя типичное падение напряжения во внутренних цепях реальных ОУ составляет порядка 0,5-1,5 В. То есть максимум размаха сигнала, который мы можем получить в этом случае на выходе будет 27-29 вольт.

Хотя в наше время есть ОУ, которые еще позволяют получить +-Uпит на выходе. Это свойство некоторых операционных усилителей называется Rail-to-Rail. Буквально переводится как «от рельса к рельсу» или «от шины к шине». Есть такие опции, как Rail-to-Rail input (ввод Rail-to-Rail). Здесь мы можем подать сигналы на вход вплоть до операционного усилителя Upit. Иногда в техническом описании указывается, можно ли обращаться к этому параметру с отрицательной или положительной шины питания. Также есть съезд Rail-to-Rail. Вот на выходе мы можем получить напряжение +-Uпит. Если усиленный сигнал на выходе не укладывается в этот диапазон, он будет обрезан. Это свойство операционного усилителя называется выходным насыщением. То есть нужно всегда помнить, что если амплитуда сигнала превышает +-Uпит усилителя.

Давайте продемонстрируем это в симуляторе Proteus. Итак, подадим на вход синусоидальный сигнал с амплитудой 1 В и сделаем коэффициент усиления 20, подобрав правильные резисторы. То есть по нашим расчетам мы должны получить синус с амплитудой 20 вольт. Смотрим на форму волны

На вход подаем синусоиду, а на выходе получаем синусоиду с обрезанными пиками и амплитудой 14 В. Одна ячейка в данном случае составляет 2 В. Как видите, мы не можем получить сигнал с амплитудой более +-Uпит. Всегда помните об этом, особенно при проектировании электронных устройств.

Ток смещения и смещение выхода

Входы реального операционного усилителя потребляют небольшой ток, называемый током смещения. В англоязычных спецификациях это называется входным током смещения. Если входные цепи ОУ построены на биполярных транзисторах, то такой ток смещения будет порядка нескольких десятков наноампер, в отличие от ОУ, где входные цепи построены на полевых транзисторах транзисторов с эффектом смещения ток смещения оценивается в десятых долях пикоампер. Поэтому ток смещения очень важен для ОУ, входные цепи которых построены на биполярных транзисторах.

Почему ток смещения так важен? Давайте еще раз посмотрим на схему

Даже если мы не будем подавать на вход никакого сигнала, у нас все равно будет небольшое постоянное напряжение на выходе. Почему так происходит? Во всем виноват ток смещения. Создайте падение напряжения на резисторе обратной связи. В данном случае это резистор R2. А как известно, чем больше сопротивление, тем больше падает напряжение. То есть, если номинал резистора R2 будет очень большим, будет падать большое напряжение, которое просто пойдет на выход нашего ОУ.

Предположим, что ток смещения равен 0,1 мкА, а сопротивление резистора R2 = 1 МОм, то каким будет в этом случае падение напряжения на резисторе? Помним закон Ома: I=U/R, следовательно, U=IR= 0,1 В. То есть на выходе у нас уже будет постоянное напряжение 0,1 В! При подаче на вход такого усилителя полезного сигнала с током смещения 0,1 мкА этот сигнал будет усиливаться на выходе и добавляться с постоянной составляющей 0,1 В. В нашем случае смещается нулевой уровень. Наглядно — на рисунке ниже.

Способы борьбы с током смещения

В некоторых случаях током смещения можно пренебречь, если он не сильно влияет на ваши требования к сигналу. Но если все же вы разрабатываете какое-то точное устройство, где выходной сигнал должен строго укладываться в рамки технического задания, то в этом случае можно прибегнуть к следующим методам:

1) Поместите низкоомный резистор в петлю обратной связи.

На маленьком сопротивлении падает небольшое напряжение. Таким образом, на выходе уже будет более низкое постоянное напряжение. Стандартный диапазон сопротивлений составляет от нескольких кОм до 50 кОм.

2) Ввести в схему компенсационный резистор

В этом случае она будет определяться по формуле:

Однако, если выходной сигнал соответствует вашим ожиданиям без РК, то лучше его не ставить, так как любой резистор вносит в сигнал шумовые искажения. Зачем лишний раз добавлять шум в схему?

3) Использовать ОУ с входными цепями на основе полевых транзисторов, либо выбрать ОУ с малыми токами смещения, так как сейчас технология производства таких ОУ сильно продвинулась вперед.

Входное напряжение смещения компаратора

Компараторы не являются идеальными устройствами, и на их работу может повлиять влияние такого параметра, как входное напряжение смещения. Входное напряжение смещения для многих компараторов может составлять всего несколько милливольт, и им можно пренебречь в большинстве схем.

В основном, проблема входного напряжения смещения возникает, когда входное напряжение изменяется очень медленно. Конечным результатом входного напряжения смещения является то, что выходной транзистор не включается или не выключается полностью, когда входное напряжение близко к опорному напряжению.

Следующая диаграмма иллюстрирует эффект компенсации входного напряжения, возникающий в результате медленного изменения входного напряжения. Этот эффект усиливается по мере увеличения выходного тока транзистора. Поэтому для уменьшения этого эффекта необходимо обеспечить максимальное сопротивление резистора R4.

Влияние входного напряжения смещения можно уменьшить, добавив в схему гистерезис. Это вызовет изменение опорного напряжения, когда на выходе компаратора высокий или низкий уровень.

Инвертирующий усилитель с однополярным питанием

В некоторых случаях нам иногда даже нужно переместить нулевой уровень на более высокий «пьедестал», чтобы мы могли полностью усилить сигнал, когда речь идет об однополярной мощности. Работать с однополярным питанием всегда проще и комфортнее, чем с биполярным. Поэтому в этом случае необходимо поднять нулевой уровень на некоторый пьедестал, чтобы полностью усилить переменный сигнал. То есть добавить к сигналу постоянную составляющую. В этом случае схема примет несколько иной вид:

Как видите, теперь мы питаем наш операционный усилитель однополярным питанием. Что произойдет, если мы заземлим неинвертирующий выход?

То есть мы получили базовую схему инвертирующего усилителя, но только с однополярным питанием. Смоделируем такую ​​схему. Коэффициент усиления в этом случае будет -10, так как мы берем соотношение резисторов 10 кОм и 1 кОм. На вход подаю сигнал с амплитудой 1 В.

Что мы получаем в итоге на виртуальном осциллографе?

Как видите, в этом случае усиленная полуволна сигнала полностью обрезается. Оно и понятно, так как у нас однополярное напряжение питания и пробить «пол» нулевого потенциала невозможно. Но можно пойти на хитрость: поднять «уровень пола» и дать сигналу возможность раскачиваться.

В этом случае нам нужно добавить Usm, чтобы поднять сигнал выше уровня «пола». Но не все так просто, дорогие друзья!

Здесь уже будет использоваться более сложная формула, а не просто повышение напряжения. Приблизительная формула выглядит так:

Итак, мы хотим полностью усилить наш сигнал без ограничения. Каким должно быть значение Uout? Он должен иметь значение половины Uпит, чтобы сигнал приходил и уходил без перерывов. Но также необходимо учитывать усиление, иначе на выходе произойдет насыщение, как мы писали выше.

В нашем случае мы хотим усилить сигнал с амплитудой 1 В в 10 раз. То есть на Упите должно быть не менее 20 вольт. Так как ОУ поддерживают однополярное питание до 32 В, для красоты зададим Uпит = 30 В. Рассчитываем Uсм :

Проверяем симуляцию, все нормально!

Как вы можете видеть здесь, выход желтого цвета был выше нуля и усилен без искажений. В этом случае желтый сигнал представляет собой сумму напряжения постоянного тока и синусоидального сигнала переменного тока.

То есть произошло что-то вроде этого:

Хорошо или плохо, что в переменном сигнале присутствует постоянная составляющая, то есть постоянное напряжение? В некоторых случаях это плохо, потому что сигнал трудно использовать, и поэтому большую часть времени он проводится через конденсатор, поскольку он пропускает только переменный ток и блокирует постоянный ток. А еще лучше поставить фильтр схемы дифференциатора, с помощью которого можно обрезать ненужные частоты.

Давайте вместе разберемся в её работе.

Наиболее понятно, что работа этой схемы представляется как работа некоторого постоянного устройства сравнения, которое постоянно сравнивает сигнал 1 и сигнал 2, подаваемые на вход компаратора. Установите вывод на основе следующего:

Сигнал 1 имеет более высокое напряжение, чем сигнал 2?

Если да, выход устанавливается на 10 В (напряжение питания операционного усилителя). Если нет, то 0В.

На первый взгляд в работе этой схемы нет ничего необычного, но приложений для работы этой схемы бесчисленное множество. В основном это устройства, которые переводят аналоговый сигнал в какое-то логическое значение: ДА или НЕТ. Это может быть индикатор заряда аккумулятора, датчик критического уровня жидкости в емкости или любой другой аналоговый сигнал, проходящий определенное значение.