- Что такое операционный усилитель
- Принцип действия ОУ
- Неинвертирующий усилитель
- Инвертирующий усилитель
- Виды и обозначения на схеме
- Схема инвертирующего усилителя
- Схема неинвертирующего усилителя
- Операционный усилитель в схеме вычитания (дифференциальный усилитель)
- Операционный усилитель в схеме сложения
- Основные характеристики
- Где применяются
- 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
- 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
Что такое операционный усилитель
ОУ — интегральная схема (ИС), основным назначением которой является усиление величины постоянного тока. Он имеет один выход, который называется дифференциалом. Этот выход имеет высокий коэффициент усиления сигнала (Ky). Операционные усилители применяются в основном при построении схем с отрицательной обратной связью (ООС), которая с основным коэффициентом усиления ТХ определяет Ку исходной схемы. Операционные усилители применяются не только в виде отдельных интегральных схем, но и в составе различных блоков сложных устройств.
ОУ имеет 2 входа и 1 выход, а также имеет выходы для подключения источника питания (ИП). Принцип работы операционного усилителя прост. За основу взяты 2 правила. Правила описывают простые процессы работы ИС, происходящие в операционной системе, а как работает ИС понятно даже дуракам. На выходе разность напряжений (U) равна 0, а входы ОУ почти не потребляют ток (I). Один вход называется неинвертирующим (V+), а другой инвертирующим (V-). Кроме того, входы операционного усилителя имеют высокое сопротивление (R) и почти не потребляют I.
Микросхема сравнивает значения U на входах и выдает сигнал после его усиления. Ку ОУ имеет высокое значение, достигающее 1000000. Если на вход подать низкое U, то на выходе можно получить значение, равное U от источника питания (Uip). Если U на входе V+ больше, чем на V-, то на выходе будет максимальное положительное значение. При питании с положительным U от инвертирующего входа, выход будет иметь максимальное отрицательное напряжение.
Основным требованием для работы ОС является использование биполярного ИП. Можно использовать однополярный ИП, но возможности ОУ сильно ограничены. Если использовать одну батарейку и принять ее положительную сторону за 0, то при измерении значений получится 1,5 В. Если взять 2 батарейки и соединить их последовательно, то прибавится U, то есть прибор покажет 3 В.
Если мы возьмем отрицательную клемму батареи за ноль, то устройство будет отображать 3 В. В противном случае, если мы возьмем положительную клемму за 0, мы получим -3 В. Когда мы используем точку между двумя батареями как ноль, мы получаем IP примитивный биполярный. Проверить состояние ОУ можно только при подключении его к схеме.
Принцип действия ОУ
Подаем на усилитель через входы, отмеченные здесь символом We (+) так называемый неинвертирующий вход и/или We (-) так называемый инвертирующий вход некоторого сигнала. У вас может быть даже очень небольшой стресс. Разница во входном напряжении называется дифференциальным напряжением.
Этот усилитель является своего рода компаратором: он будет сравнивать оба сигнала друг с другом и вести себя по-разному в зависимости от того, какой сигнал сильнее:
We (+) > We (-) => Wy ~ Upit — Uwo
Если на неинвертирующий вход We (+) подать более высокое напряжение, чем на инвертирующий вход We (-), то выходное напряжение будет близко к напряжению Uпит, приложенному к усилителю, за вычетом падения напряжения на усилителе Uwo.
We (+) < We (-) => Wy ~ 0 В
Если мы подадим на вход неинвертирующего вывода We (+) более низкое напряжение, чем на вход инвертирующего вывода We (-), выход будет близок к нулю.
We (+) = We (-) => Wy ~ 0 В
Если мы подадим один и тот же сигнал на оба входа (называемый в данном случае недифференциальным сигналом), выходное напряжение будет близко к нулю.
Операционный усилитель, который мы будем тестировать, имеет обозначение LM358 (вероятно, это самая распространенная микросхема операционного усилителя). Согласно документации, это усилитель с двойным напряжением (т.е два усилителя в одном корпусе), поэтому он имеет восемь контактов:
Слева — операционный усилитель LM358; Справа ваша схема контактов
Контакт 8 (напряжение питания) и контакт 4 (земля) являются общими для обоих усилителей. Остальные ноги разделены:
- первый усилитель состоит из ветвей: 3 (Us (+)), 2 (Us (-)), 1 (out).
- второй усилитель состоит из ножек: 5 (Us (+)), 6 (Us (-)), 7 (out)
Если вы внимательно присмотритесь, то заметите небольшое углубление на одной стороне корпуса. На схеме заметки вместо дырочки рядом с цифрой 1 черная точка. Это стандартный способ маркировки лицевой стороны чипа. Ноги всегда нумеруются последовательно, начиная с метки (или точки) и двигаясь против часовой стрелки.
Операционный усилитель LM358 с ключевой маркой
Посмотрим, как это выглядит на практике — будем собирать макетную плату. Напряжение питания 6 В. Для желто-зеленого светодиода выбран резистор номиналом 220 Ом. Потенциометр P1 10 кОм.
Внимание! Перед подключением источника питания к печатной плате убедитесь, что операционный усилитель подключен правильно, иначе это может привести к его повреждению.
Вариант 1. Резистор R1 и светодиод D1 (желтый) подключаются между плюсом источника питания и выходом ОУ; неинвертирующий вход We (+) (третий вывод усилителя) также подключен к плюсу питания.
Цепь питания B1, операционный усилитель LM358, резистор R1, потенциометр P1 и диод D1
Напряжение на входе We(+) (вывод 3) больше, чем напряжение на входе We(-) (вывод 2), поэтому на выходе усилителя (вывод 1) мы получаем напряжение, близкое к входному, минус падение напряжения на усилителе. Разность потенциалов между источником питания B1 и выходом операционного усилителя будет слишком мала для питания светодиода, поэтому он останется выключенным.
Вариант 2. Резистор R1 и светодиод R1 (желтый в моем случае) подключаются между «плюсом» блока питания и выходом ОУ; неинвертирующий вход We (+) (третий выход усилителя) соединен с землей.
Напряжение на входе We (+) (вывод 3) меньше напряжения на входе We (-) (вывод 2), поэтому на выходе усилителя (вывод 1) будет близко к 0 В. Разность потенциалов между источника питания В1 и выхода ОУ будет достаточно для включения светодиода, поэтому он будет светиться.
Вариант 3: Резистор R1 и светодиод D1 (теперь зеленый) подключены между выходом операционного усилителя и землей; неинвертирующий вход УС(+) (третий вывод усилителя) подключается к «плюсу» источника питания.
Напряжение на входе We(+) (вывод 3) больше, чем напряжение на входе We(-) (вывод 2), поэтому на выходе усилителя (вывод 1) мы получаем напряжение, близкое к входному минус падение напряжения на усилителе. Разности потенциалов между выходом ОУ и землей будет достаточно для включения светодиода, поэтому он будет светиться.
Вариант 4. Резистор R1 и светодиод D1 (зеленый) подключаются между выходом ОУ и землей; неинвертирующий вход We (+) (третий выход усилителя) соединен с землей.
Напряжение на входе We (+) (вывод 3) ниже, чем напряжение на входе We (-) (вывод 2), поэтому на выходе усилителя (вывод 1) будет близкое к 0 В. Разность потенциалов между ними отсутствует выход операционного усилителя и заземление предотвратят включение светодиода, поэтому он останется выключенным.
Результаты экспериментов собраны в следующей таблице:
Результаты эксперимента: эффект от подключения Мы (+), третья нога усилителя и яркость светодиода
Приведенная выше диаграмма верна для всех операционных усилителей? Нет. Возьмем, к примеру, еще один очень похожий операционный усилитель, LM393. Он может проводить электричество только из точки с более высоким потенциалом в цепи (аналогично строкам 1 и 2 в таблице). Он не проводит ток с выхода усилителя в точку цепи с меньшим потенциалом напряжения, например на землю (позиции 3 и 4 в таблице). Другими словами, если бы мы использовали усилитель LM393 для эксперимента, который мы только что провели, зеленый светодиод не включался бы независимо от входных сигналов. Почему это происходит? Здесь мы более подробно рассмотрим внутреннюю структуру обоих усилителей:
Схема внутреннего устройства операционных усилителей: а) LM358; б) ЛМ393
На схеме слева (а) показана внутренняя структура усилителя LM358, а на схеме справа (б) показан LM393. Обе схемы сложные, поэтому не будем вдаваться в подробности. Давайте сосредоточимся только на транзисторах, размещенных перед выходом (обозначенным OUT или OUTPUT). LM358 имеет два транзистора непосредственно перед выходом, которые проводят электричество в разных направлениях (обведены красным). LM393 имеет только один транзистор непосредственно перед выходом (также обведен красным), что предотвращает протекание тока усилителя через выход на землю (или в часть цепи с более низким потенциалом).
ОУ адаптирован для работы с внешней цепью отрицательной обратной связи. Дело в том, что часть выходного сигнала может подаваться обратно на вход или наоборот со входа на выход усилителя. Конфигураций, использующих операционный усилитель и усилитель с обратной связью, может быть несколько (например, суммирующий, вычитающий, интегрирующий и дифференцирующий усилители), но здесь мы рассмотрим только два самых простых и популярных: неинверторы и инверторы.
Неинвертирующий усилитель
Графический символ неинвертирующего усилителя
Напряжение, подаваемое на вход We (+), больше, чем подаваемое на We (-), поэтому выходной сигнал большой, поскольку он близок к напряжению питания Up за вычетом падения напряжения на усилителе Uwo (We (+)).) > We (-) => Wy ~ Upit — Uwo). Часть выходного сигнала возвращается через сопротивление на вход We (-), поэтому этот сигнал становится больше напряжения на We (+), а напряжение на выходе приближается к 0 В (We (+) < We (-)) => Wy ~ 0 В). Из-за падения напряжения на выходе (и отсутствия усиления сигнала на We(-)) напряжение на We(+) снова будет больше We (-).
На практике быстро устанавливается состояние равновесия, при котором выходной сигнал будет постоянным. Его размер легко рассчитать по формуле:
Uwy = Uwe (+) x (R1 + R2) / R1
Предположим, что на вход We(+) подается напряжение 0,5 В, а на выходе мы хотим получить в 5 раз больше, то есть 2,5 В. Подставим данные в формулу:
Uwy = Uwe (+) x (R1 + R2) / R1
2,5 В = 0,5 В × (R1 + R2) / R1
(R1 + R2) / R1 = 2,5 В / 0,5 В
(R1 + R2) / R1 = 5
Отношение суммы сопротивлений резисторов R2 и R1 к R1 должно дать нам 5. Итак, предположим, что резистор R2 = 10 кОм и R1 = 2,2 кОм (ваше отношение резисторов равно 5,54).
Собираем все на макетной плате по следующей схеме:
Прежде всего, необходимо убедиться, что на вход We (+) подается правильное напряжение. Для этого подключите вольтметр между землей и третьей ногой усилителя, а затем поверните ручку потенциометра, пока мультиметр не покажет 0,5 В (или как можно ближе к этому значению).
Теперь измерьте напряжение на выходе усилителя, то есть между первым контактом и землей. Теоретически вы должны получить результат, близкий к 2,5 В. Между тем показания вольтметра составляют 2,88 В.
Откуда эта разница? Помните, мы не используем резисторы с коэффициентом 5,54 и не 5. Давайте снова подставим данные (на этот раз реальные) в формулу:
Uwy = Uwe (+) x (R1 + R2) / R1
Uwy = 0,51 В x (2,16 кОм + 10 кОм) / 2,16 кОм
Uwy = 0,51 В x 5,63
УВ = 2,87 В
Теоретически и практически мы получили практически одинаковый результат: 2,87 В.
Инвертирующий усилитель
Схема инвертирующего усилителя
Принцип работы поясню на схеме:
Некоторыми из новинок схемы выше являются два блока питания (В1, В2), каждый из которых будет иметь напряжение 3 В. Но в нашем распоряжении имеется только одна аккумуляторная батарея. Это не будет проблемой — подключите кабель из центра за вторым аккумулятором. Таким образом, мы получаем два блока питания по 3 В каждый.
Также для сборки указанной схемы на макетной плате используйте: P1 — потенциометр, R1 — резистор 2,2 кОм, R2 — резистор 10 кОм (резисторы будут иметь те же номиналы, что и в предыдущем опыте), D1 — зеленый светодиод, D2 — красный ВЕЛ.
Подключим узел между источниками напряжения к земле; теоретически это будет нулевая точка. Это только для целей расчета.
Теперь давайте посмотрим, что произойдет, если ползунок потенциометра повернут как можно ближе к земле. Красный светодиод будет гореть тускло. Почему? Когда потенциометр P1 подключен к земле, вход We (+) усилителя больше, чем We (-). Рассчитаем, какое напряжение мы ожидаем получить на выходе в этом случае.
Uwy = — (R2 / R1) x Uwe (-)
Uwe (-) в данной ситуации связывается с точкой, которая по отношению к нашей нулевой точке (теоретической массе) имеет напряжение -3 В, и это значение подставляется в формулу:
Uwy = -(10 кОм / 2,2 кОм) x -3 В
Uwy = -4,54 х -3 В
УВ = 13,62 В
Ожидаем на выходе 13,62 В, почему? Ведь мы питали схему всего от 4-х аккумуляторов общим напряжением 6 В! Можно ли получить на выходе 13,62В? Конечно, нет. Наш теоретический результат только доказывает, что усилитель полностью насыщается. В этой ситуации мы можем получить только максимальное напряжение питания на выходе за вычетом падения напряжения на самом усилителе. На практике результат был: 1,57 В.
Теперь осторожно поверните ручку потенциометра. В какой-то момент красный светодиод погаснет, а зеленый загорится. Чем дальше потенциометр от земли, тем большее напряжение подается на вход We (-), пока оно не превысит напряжение на входе We (+). Согласно сказанному, если сигнал на входе We(-) больше сигнала на входе We(+), мы получим на выходе напряжение, близкое к 0 В. Но помните, что резистор R2 подключенный к входу Мы (-) к выходу, становясь, таким образом, каналом для тока, который каким-то образом минует усилитель и подключается к выходному току. Какое напряжение мы ожидаем на выходе?
Uwy = — (R2 / R1) x Uwe (-)
Uwe(-) в данной ситуации ассоциируется с точкой, которая имеет напряжение +3 В по отношению к нулевой точке (теоретической массе), и именно это значение мы подставим в формулу:
Uwy = — (10 кОм / 2,2 кОм) х + 3 В
Uwy = -4,54 х 3 В
Uви = -13,62 В
Мы получили тот же результат, что и раньше, но со знаком минус.
Почему они не получили одинаковые значения, но с противоположными знаками? Причина может заключаться в том, что усилитель работает на пределе, поэтому результат может быть неверным. По этой причине мы проведем другие измерения в диапазоне, в котором усилитель работает линейно.
Для этого поместите ручку потенциометра немного вправо и немного влево от центра.
Вариант 1. Подать на усилитель напряжение +0,2 В (разумеется, относительно теоретического нуля). Для этого поднесите красный провод вольтметра к центральной ножке потенциометра, а черный провод к третьей ножке усилителя. Осторожно поворачивайте ручку потенциометра, пока мультиметр не покажет 0,2 В (в этом эксперименте светодиоды можно убрать, чтобы они не мешали измерениям).
Теперь измерьте напряжение на выходе: черный щуп к третьему, а красный щуп к первому выводу усилителя. Как и положено настоящему инвертирующему усилителю, после подачи небольшого положительного напряжения мы получаем на выходе гораздо большее напряжение, но со знаком минус!
Вариант 2. Подадим на усилитель напряжение — 0,21 В (опять же относительно теоретического нуля). Для этого поднесите красный провод вольтметра к центральной ножке потенциометра, а черный провод к третьей ножке усилителя. Осторожно поворачивайте ручку потенциометра, пока мультиметр не покажет -0,21 В.
Измерьте выходное напряжение так же, как и раньше (черный щуп к 3-му, красный щуп к 1-му контакту усилителя). Результат будет таким же, но на этот раз со знаком плюс.
Для обобщения информации об инвертирующем и неинвертирующем усилителе будут использованы два графика:
Неинвертирующий усилитель: слабый сигнал на входе (положительный) даст большой сигнал на выходе (тоже положительный)
Инвертирующий усилитель: слабый сигнал на входе (положительный) даст большой сигнал на выходе (отрицательный), а слабый сигнал на входе (отрицательный) даст большой сигнал на выходе (положительный).
Конечно, это самые простые схемы включения ОУ, а нюансов всяких там еще очень много, но если вы хотя бы в этом хорошо разберетесь, то вы уже подниметесь на более высокий уровень радиолюбителя!
Виды и обозначения на схеме
С развитием электрических схем операционные усилители постоянно совершенствуются и появляются новые модели.
Классификация по применению:
- Индустриал — дешевый вариант.
- Точность (точное измерительное оборудование).
- Электрометрический (малое значение Iin).
- Микромощность (низкое энергопотребление).
- Программируемый (токи регулируются внешним I).
- Мощный или сильноточный (дающий потребителю более высокое значение I).
- Низковольтные (работают при U<3 В).
- Высоковольтные (рассчитаны на высокие значения U).
- Быстрый отклик (высокая скорость отклика и частота усиления).
- С низким уровнем шума.
- Звуковой тип (низкие гармоники).
- Для двухполярного и однополярного питания.
- Разница (возможность измерения низкого U с высоким уровнем шума) используется в производных.
- Усилительные каскады готового типа.
- Специализированный.
По входным сигналам ОУ делятся на 2 типа:
- С 2 билетами.
- С 3 билетами. Вход 3 используется для расширения функциональности. Имеет внутреннюю ООС.
Схема ОУ довольно сложна и смысла в ее изготовлении нет, а радиолюбителю нужно только знать правильную схему включения ОУ, но для этого он должен понимать расшифровку его выводов.
Основные обозначения выводов ИС:
- V+ — неинвертирующий вход.
- V- — инвертирующий вход.
- Vout — выход Vs+ (Vdd, Vcc, Vcc+) — плюсовой вывод ИП.
- Vs- (Vss, Vee, Vcc-) — меньше IP.
Практически в любом ОУ есть 5 выводов. Однако у некоторых сортов может отсутствовать V-. Есть модели, которые имеют дополнительные выводы, расширяющие возможности ОУ.
Выводы для блока питания маркировать не обязательно, т к это повышает читабельность схемы. Выходная клемма питания или положительный полюс IP находится в верхней части цепи.
Схема инвертирующего усилителя
Это основная схема, в которой работает ОУ. Работа ОУ характеризуется не только усилением (или ослаблением) входного сигнала, но и изменением его фазы. Выигрыш обозначается буквой k. На следующем графике показано влияние операционного усилителя на такую схему:
Синий представляет собой график входного сигнала, а красный представляет собой график выходного сигнала, являющегося коэффициентом усиления системы 2 (k=2). Как видите, амплитуда выходного сигнала в два раза превышает амплитуду входного сигнала, а также видно, что сигнал инвертирован.
Схема такого усилителя достаточно проста и представлена на рисунке ниже:
Эта схема демонстрирует, почему операционные усилители так популярны. Чтобы рассчитать значения элементов, нам просто нужно использовать следующую формулу:
Как видите, резистор R3 не влияет на усиление схемы, и можно было бы обойтись без него, подключив плюсовой вход усилителя к минусу блока питания. В этом случае в качестве защиты используется резистор R3.
Схема неинвертирующего усилителя
В схеме неинвертирующего усилителя ситуация очень похожа на инвертирующий усилитель, с той лишь разницей, что здесь сигнал не инвертируется, т.е фаза сохраняется. На следующем графике показано, что происходит с усиленным сигналом:
Как и в предыдущей схеме, коэффициент усиления равен k=2, а на вход подается синусоидальный сигнал. Как видно, изменилась только амплитуда сигнала.
Ниже приведена принципиальная схема использования операционного усилителя в качестве неинвертирующего усилителя:
Схема этого усилителя тоже очень простая, там два резистора. Входной сигнал подается на положительный вход операционного усилителя. Для расчета выигрыша применяют формулу:
Из формулы видно, что коэффициент усиления не может быть меньше единицы, то есть такая схема не позволяет подавить сигнал.
Операционный усилитель в схеме вычитания (дифференциальный усилитель)
Другим типом схемы операционного усилителя является дифференциальный усилитель, который позволяет получить разницу между двумя входными сигналами, которую затем можно усилить. На следующей диаграмме показано, как работает система.
Следующая схема позволяет реализовать такой ОУ:
Схема сложнее предыдущих. Для расчета выходного напряжения применим формулу:
Первая часть уравнения представляет собой усиление (или затухание), а вторая часть представляет собой разницу между двумя напряжениями.
Операционный усилитель в схеме сложения
Этот тип функции является полной противоположностью функции вычитания. Интересной его особенностью является то, что здесь можно обрабатывать более двух сигналов. Все аудио микшеры основаны на этом принципе.
Как видно из схемы, много сигналов можно складывать вместе, схема проста и интуитивно понятна. Для расчета используем формулу:
Лабораторный блок питания 30В/10АПодробнее
Основные характеристики
ОУ, как и другие радиодетали, имеют ТХ, которые можно разделить на типы:
- Усиление
- Вход.
- Выходные.
- Энергия.
- Дрифт.
- Частота.
- Представление.
Коэффициент усиления является основной характеристикой операционного усилителя. Он характеризуется соотношением между выходным сигналом и входным. Его также называют амплитудным, или ТХ переносом, который представляется в виде графиков зависимости. Вход включает все значения для входа операционного усилителя: Rin, токи смещения (Ism) и смещения (Iin), дрейф и максимальный входной дифференциал U (Udifmax).
Icm используется для управления операционным усилителем на входах. Iвх нужен для работы входного каскада ОУ. Iin shift: разница Icm для двух полупроводниковых входов операционного усилителя.
При построении схемы эти I необходимо учитывать при подключении резисторов. Если не учитывать Iвх, это может привести к созданию дифференциального U, что приведет к неисправности ОУ.
Udifmax — U, который подается между входами ОУ. Его значение характеризует исключение повреждения полупроводников из дифференциального каскада.
Для надежной защиты 2 диода и один стабилитрон включены встречно-параллельно между входами ОУ. Дифференциальный вход R характеризуется значением R между двумя входами, а синфазный вход R представляет собой значение между двумя входами операционного усилителя, которые объединяются, и землей (землей). Выходные параметры операционного усилителя включают выход R (Rout), максимальный выход U и I. Параметр Rout должен быть установлен на меньшее значение для улучшения характеристик усиления.
Чтобы добиться небольшого Rout, вам нужно использовать эмиттерный повторитель. Iout изменяется с помощью коллектора I. Энергия TX оценивается максимальной мощностью, потребляемой операционной системой. Причиной некорректной работы операционного усилителя является распространение ТХ полупроводников дифференциального усилительного каскада, зависящее от температурных показателей (температурный дрейф). Частотные параметры ОУ являются основными. Они способствуют усилению гармонических и импульсных (скоростных) сигналов).
В ИС ОУ общего и специального вида включен конденсатор для предотвращения генерации высокочастотных сигналов. На частотах с низким значением схемы имеют большой коэффициент К без обратной связи (ОС). Операционная система использует неинвертирующее соединение. Также в некоторых случаях, например, при изготовлении инвертирующего усилителя, операционная система не используется. Кроме того, ОУ имеет динамические характеристики:
- Скорость изменения Uвых (SN Uвых).
- Время стабилизации Uвых (отклик операционного усилителя на скачке U).
Где применяются
Существует 2 типа схем операционных усилителей, которые отличаются способом их подключения. Главный недостаток ОУ — несогласованность Ку, которая зависит от режима работы. Основные области применения — усилители: инвертирующие (ИУ) и неинвертирующие (НИО). В схеме НРУ Ку по U задается резисторами (сигнал должен быть подан на вход). OU содержит OOS последовательного типа. Это соединение выполнено на одном из резисторов. Подается только в V-.
В тестируемом устройстве сигналы не совпадают по фазе. Для изменения знака отрицательного выходного напряжения необходима параллельная обратная связь по U. Вход, являющийся неинвертирующим, должен быть соединен с землей. Входной сигнал подается через резистор на инвертирующий вход. Если неинвертирующий вход замыкается на землю, то разность U между входами операционного усилителя равна 0.
Вы можете выбрать устройства, которые используют ОС:
- Предусилители
- Усилители сигналов звуковой и видео частоты.
- У компараторов.
- Диффузоры.
- Дифференциаторы.
- Интеграторы.
- Фильтрующие элементы
- Выпрямители (повышение точности выходных параметров).
- U и I стабилизаторы.
- Тип аналогового калькулятора.
- АЦП (аналого-цифровые преобразователи).
- ЦАПы (цифро-аналоговые преобразователи).
- Устройства для генерации различных сигналов.
- Вычислительная технология.
Операционные усилители и их применение широко используются в различной аппаратуре.
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.
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.