Операционный усилитель, принцип работы для чайников!

Инвертирующий усилитель с однополярным питанием

В некоторых случаях нам даже иногда нужно переместить нулевой уровень на более высокий “пьедестал”, чтобы мы могли полностью усиливать сигнал, если дело касается однополярного питания. Работать с однополярным питанием всегда проще и удобнее, чем с двухполярным. Поэтому, в этом случае надо поднять нулевой уровень на некоторый пьедестал, чтобы полностью усиливать переменный сигнал. То есть добавить постоянную составляющую в сигнал. В этом случае схема примет чуть-чуть другой вид:

Как можно увидеть, сейчас мы питаем наш ОУ однополярным питанием. Что будет, если мы НЕинвертирующий выход посадим на землю?

То есть мы получили базовую схему инвертирующего усилителя, но только с однополярным питанием. Давайте ппросимулируем такую схему. Коэффициент усиления в данном случае будет равен-10, так как мы взяли соотношение резисторов 10 килоом и 1 килоом. Загоняю на вход сигнал амплитудой в 1 В.

Что имеем в итоге на виртуальном осциллографе?

Как вы видите, в этом случае усиленная полуволна сигнала вырезается полностью. Оно и понятно, так как напряжение питания у нас однополярное и проломить “пол” нулевого потенциала невозможно. Но можно сделать одну хитрость: поднять “уровень пола” и дать сигналу место для размаха.

В этом случае нам надо добавить U_см , для того, чтобы поднять сигнал над уровнем “пола”. Но не все так просто, дорогие друзья!

Здесь уже будет использоваться более хитрая формула, а не просто вольтдобавка. Приблизительная формула выглядит вот так:

Итак, мы хотим усилить наш сигнал полностью без среза. Какое же должно быть значение U_вых ? Оно должно иметь значение половины U_пит , чтобы сигнал ходил туда-сюда без срезов. Но также надо учитывать и коэффициент усиления, иначе получится насыщение выхода, о чем мы писали выше.

В нашем случае мы хотим увеличить сигнал амплитудой в 1 В в 10 раз. То есть U_пит должно быть как минимум 20 Вольт. Так как ОУ поддерживают однополярное питание до 32 В, то давайте для красоты выставим U_пит = 30 В. Рассчитываем U_см:

Проверяем симуляцию, все ок!

Как здесь можно увидеть, желтый выходной сигнал поднялся над нулевым уровнем и усилился без искажений. В данном случае желтый сигнал – это сумма постоянного напряжения и переменного синусоидального сигнала.

То есть получилось что-то типа вот этого:

Хорошо это или плохо, когда в переменном сигнале есть постоянная составляющая, то есть постоянное напряжение? В некоторых случаях это плохо, потому как такой сигнал трудно использовать, и поэтому чаще всего его прогоняют через конденсатор, так как он пропускает через себя только переменный ток и блокирует прохождение постоянного тока. А еще лучше поставить фильтр из , с помощью которого можно отсекать лишние частоты.

Логарифмирующий преобразователь

Одной из схем на операционном усилителе, которые нашли применение, является логарифмирующий преобразователь. В данном схеме используется свойство диода или биполярного транзистора. Схема простейшего логарифмического преобразователя представлена ниже

Логарифмирующий преобразователь.

Данная схема находит применение, прежде всего в качестве компрессора сигналов для увеличения динамического диапазона, а так же для выполнения математических функций.

Рассмотрим принцип работы логарифмического преобразователя. Как известно ток, протекающий через диод, описывается следующим выражением

где I_O – обратный ток диода,
е – число е, основание натурального логарифма, e ≈ 2,72,
q – заряд электрона,
U – напряжение на диоде,
k – постоянная Больцмана,
T – температура в градусах Кельвина.

При расчётах можно принимать I_O ≈ 10-9 А, kT/q = 25 мВ. Таким образом, входной ток данной схемы составит

тогда выходное напряжение

Простейший логарифмический преобразователь практически не используется, так как имеет ряд серьёзных недостатков:

Высокая чувствительность к температуре.
Диод не обеспечивает достаточной точности преобразования, так как зависимость между падением напряжения и током диода не совсем логарифмическая.

Вследствие этого вместо диодов применяют транзисторы в диодном включении или с заземлённой базой.

Пара Дарлингтона

Рисунок 1 – Схема для буферизации выходного тока операционного усилителя на паре Дарлингтона

Условное обозначение на схеме рассказывает большую часть истории. Пара Дарлингтона – это два биполярных транзистора с общим коллектором, объединенных в один корпус. В результате получается устройство, которое работает очень похоже на обычный биполярный транзистор, но с чрезвычайно высоким h_FE – общий коэффициент усиления по току приблизительно равен h_FE первого транзистора, умноженному на h_FE второго транзистора. В этот момент вы можете подумать: «У меня много транзисторов 2N2222, я просто подключу их в стиле Дарлингтона и скажу, что это круто». Ну, это не так просто. Взгляните на эквивалентную схему для транзистора Дарлингтона TIP142T от Fairchild:

Рисунок 2 – Эквивалентная схема транзистора Дарлингтона TIP142T от Fairchild

В дополнение к биполярным транзисторам у нас тут защитный диод и два резистора. Резисторы уменьшают время выключения, обеспечивая путь разряда для емкости перехода база-эмиттер правого транзистора, и они обеспечивают определенное состояние для базы правого транзистора, которая в противном случае висела бы в воздухе, когда пара Дарлингтона находится в режиме отсечки. Они также приводят к снижению h_FE, потому что часть тока базы идет в обход переходов база-эмиттер. Это уменьшение усиления на самом деле во многих ситуациях выгодно, потому что оно уменьшает влияние тока утечки – и дело в том, что вам на самом деле не нужен весь коэффициент усиления по току, который был бы примерно равен 10 000, если предположим, что каждый биполярный транзистор имеет h_FE = 100. Суть в том, что, вероятно, лучше купить устройство Дарлингтона, а не делать свое собственное из двух отдельных биполярных транзисторов.

Вот схема LTspice с парой Дарлингтона вместо одного биполярного транзистора.

Рисунок 3 – Схема для буферизации выходного тока операционного усилителя на паре Дарлингтона в LTspice

В LTspice по умолчанию нет устройств Дарлингтона, но вы можете зайти , чтобы скачать файлы подсхем и условных обозначений для TIP142.

Вот график входного напряжения V_IN, выходного напряжения V_OUT и напряжения, приложенного к базе транзистора Дарлингтона (выходного напряжения ОУ), V_BASE.

Рисунок 4 – График входного напряжения схемы, выходного напряжения схемы и напряжения, приложенного к базе транзистора Дарлингтона (выходного напряжения ОУ)

Как и в схеме с одним биполярным транзистором, выходное напряжение повторяет входное напряжение (график входного напряжения VIN скрыт под графиком выходного напряжения VOUT)

Обратите внимание, что напряжение на базе транзистора Дарлингтона VBASE приблизительно на 1,3–1,4 В выше напряжения на нагрузке; это потому, что теперь у нас есть два падения напряжения база-эмиттер вместо одного. Таким образом, вы должны быть особенно осторожны, чтобы убедиться, что ваши напряжения питания транзистора Дарлингтона и операционного усилителя достаточно высоки, чтобы обеспечить весь диапазон напряжений нагрузки (более подробно об этом см

раздел «Просто, но без «защиты от дурака»» в конце предыдущей статьи).

Следующий график показывает ток нагрузки и ток, протекающий через базу транзистора Дарлингтона.

Рисунок 5 – График ток нагрузки и тока базы первого транзистора пары Дарлингтона

Таким образом, при токе нагрузки 360 мА ток базы составляет 169 мкА, что соответствует h_FE ≈ 2130. Техническое описание указывает, что коэффициент усиления по току должен быть около 1000; возможно, эта конкретная модель SPICE не так точна, как могла бы быть. В любом случае нам удалось значительно снизить выходной ток, требующийся от операционного усилителя.

Другой способ справиться с операционным усилителем, который не может обеспечить достаточный выходной ток, – это использовать MOSFET-транзистор вместо биполярного транзистора. Мы рассмотрим реализацию с MOSFET в следующей статье.

Подача опорного напряжения на ОУ, ИУ и АЦП

На рис. 7 приведена схема с однополярным питанием, в которой напряжение на несимметричный вход аналого-цифрового преобразователя (АЦП) подается с инструментального усилителя. Опорное напряжение усилителя обеспечивает напряжение смещения, соответствующее нулевому дифференциальному входному напряжению, а опорное напряжение АЦП обеспечивает коэффициент масштабирования. Для снижения внеполосного шума между выходом ИУ и входом АЦП часто применяется простой сглаживающий RC-фильтр нижних частот. Разработчики часто соблазняются простыми решениями — например, для подачи опорного напряжения на ИУ и АЦП применяют резистивные делители вместо низкоомного источника. Для некоторых ИУ это может послужить причиной появления погрешности.

Рис. 7. Типичная схема подачи сигнала с ИУ на АЦП с однополярным питанием

Основные характеристики

ОУ, как и другие радиодетали, имеют ТХ, которые можно разделить на типы:

Усилительные.
Входные.
Выходные.
Энергетические.
Дрейфовые.
Частотные.
Быстродействие.

Коэффициент усиления является основной характеристикой ОУ. Он характеризуется отношением выходного сигнала ко входному. Его еще называют амплитудной, или передаточной ТХ, которая представлена в виде графиков зависимости. К входным относятся все величины для входа ОУ: Rвх, токи смещения (Iсм) и сдвига (Iвх), дрейф и максимальное входное дифференциальное U (Uдифмакс). Iсм служит для работы ОУ на входах. Iвх нужен для функционирования входного каскада ОУ. Iвх сдвига — разность Iсм для 2 входных полупроводников ОУ.

Во время построения схем нужно учитывать эти I при подключении резисторов. Если Iвх не учитывать, то это может привести к созданию дифференциального U, которое приведет к некорректной работе ОУ. Uдифмакс — U, которое подается между входами ОУ. Его величина характеризует исключение повреждения полупроводников каскада дифференциального исполнения.

Для надежной защиты между входами ОУ подключаются встречно-параллельно 2 диода и стабилитрона. Дифференциальное входное R характеризуется R между двумя входами, а синфазное входное R — величина между 2 входами ОУ, которые объединены, и массой (земля). К выходным параметрам ОУ относятся выходное R (Rвых), максимальное выходное U и I. Параметр Rвых должен быть меньшим по значению для обеспечения лучших характеристик усиления.

Для достижения маленького Rвых нужно применять эмиттерный повторитель. Iвых изменяется при помощи коллекторного I. Энергетические ТХ оцениваются максимальной мощностью, которую потребляет ОУ. Причина некорректной работы ОУ — разброс ТХ полупроводников дифференциального усилительного каскада, зависящего от температурных показателей (температурный дрейф). Частотные параметры ОУ являются основными. Они способствуют усилению гармонических и импульсных сигналов (быстродействие).

В ИМС ОУ общего и специального вида включается конденсатор, предотвращающий генерацию высокочастотных сигналов. На частотах с низким значением схемы обладают большим коэффициентом Kу без обратной связи (ОС). При ОС используется неинвертирующее включение. Кроме того, в некоторых случаях, например при изготовлении инвертирующего усилителя, ОС не используется. Кроме того, у ОУ есть динамические характеристики:

Скорость нарастания Uвых (СН Uвых).
Время установления Uвых (реакция ОУ при скачке U).

Интегрирующий усилитель на ОУ

Схема интегратора, в которой в цепи ООС установлен конденсатор, показана на рисунке:

Пусть на вход подается прямоугольный импульс Uвх
. На интервале t1…t2 амплитуда Uвх
равна U. Так как входной ток ОУ равен нулю, то |iвх
| = |-ic
|, iвх
= Uвх
/R1, ic
= C · dUвых
/dt.

Uвх
/R1 = C · dUвых
/dt или

где Uвых
(0) – напряжение на выходе (конденсаторе С) к моменту начала интегрирования (к моменту t1).

τ = R1 · C – постоянная времени интегрирования, т.е. время, в течение которого Uвых
изменится на величину ΔUвых
= U.

Таким образом выходное напряжение на интервале t1…t2 изменяется по линейному закону и представляет интеграл от входного напряжения. Постоянная времени должна быть такой, чтобы до конца интегрирования Uвых

Повторитель напряжения

Первая схема, о которой я расскажу, является схема усилителя с единичным усилением (единичный усилитель) или так называемый повторитель напряжения. Схема данного усилителя показана ниже

Усилитель с единичным усилением (повторитель напряжения).

Данная схема представляет собой модификацию неинвертирующего усилителя, отличие состоит в том, что отсутствуют резистор обратной связи и резистор на инвертирующем входе. Таким образом, напряжение с выхода ОУ полностью поступает на инвертирующий вход ОУ, а, следовательно, коэффициент передачи обратной связи равен единице (β = 1).

Как известно, входное сопротивление ОУ с обратной связью определяется следующим выражением

где R_BX – входное сопротивление ОУ без ОС,
β – коэффициент передачи цепи ОС,
К – коэффициент усиления ОУ без ОС.

Тогда для повторителя напряжения входное сопротивление будет иметь вид

Выходное сопротивление ОУ с обратной связью представляет собой следующее выражение

где R_BЫX – входное сопротивление ОУ без ОС,
β – коэффициент передачи цепи ОС,
К – коэффициент усиления ОУ без ОС.

Так как у повторителя напряжения коэффициент передачи обратной связи равен единице (β = 1), то выходное сопротивление будет иметь следующий вид

Экспоненциальный преобразователь

Схема экспоненциального преобразователь получается из логарифмического преобразователя путём перемены места диода и резистора в схеме. А работа такой схемы так же как и логарифмического преобразователя основана на логарифмической зависимости между падение напряжения на диоде и током протекающим через диод. Схема экспоненциального преобразователя показана ниже

Экспоненциальный преобразователь.

Работа схемы описывается известными выражениями

Таким образом, выходное напряжение составит

Также как и логарифмический преобразователь, простейший экспоненциальный преобразователь с диодом на входе применяют редко, вследствие вышеописанных причин, поэтому вместо диодов на входе используют биполярные транзисторы в диодном включении или с общей базой.

Схемы включения операционных усилителей, описанные выше, не являются исчерпывающими, а лишь только призваны дать основные понятия. Более подробно схемы включения операционных усилителей я рассмотрю в следующих статьях. Всем удачи.

Теория это хорошо, но без практического применения это просто слова.Здесь можно всё сделать своими руками.

Однополярное питание операционных усилителей

Если за точку отсчета будет принят положительный полюс батарейки а измеряющий щуп был подключен к минусу то любой вольтметр нам покажет В. Теория это хорошо, но без практического применения это просто слова. Схемы включения операционных усилителей, описанные выше, не являются исчерпывающими, а лишь только призваны дать основные понятия. При превышении напряжения на входе величины основного опорного напряжения, на выходе получается наибольшее напряжение, которое равно положительному питающему напряжению.
Поэтому интегратор может действовать в качестве активного фильтра низких частот.
И в результате мы получаем К сожалению инвертирующий усилитель обладает одним явным недостатком — низким входным сопротивлением, которое равняется резистору R1.
Как следует из схемы на рис.
Скорее она связана с неприятностями, так как в схеме с отрицательной ОС на высокой частоте могут возникать достаточно большие сдвиги по фазе, приводящие к возникновению положительной ОС и нежелательным автоколебаниям. Усилитель с единичным коэффициентом усиления называют иногда буфером, так как он обладает изолирующими свойствами большим входным импедансом и малым выходным.
Более подробно смещение ОУ при однополярном питании рассматривается в . Сигнала поступает на усилитель с бесконечным входным сопротивлением, а напряжение на неинвертирующем входе имеет такое же значение, как и на инвертирующем входе.
Здесь было бы уместно вспомнить транзистор включенный по схеме с ОЭ. В современной измерительной аппаратуре в качестве линейных усилителей используются операционные усилители.
Электроника от простого к сложному. Урок 8. Первые схемы на оу. (PCBWay)

TDA2030 как повторитель напряжения

Для примера рассмотрим микросхему TDA2030, т.к. две другие являются её более мощными собратья. Исходно микросхема разрабатывалась и применяется в усилителях звука. Подавляющее большинство бытовых усилителей, особенно систем 2.1 и 5.1 построено на этой микросхеме. Что логично и понятно — микросхема дешевая и при этом обладает хорошими характеристиками.

Микросхема реализована в пяти-выводном корпусе и требует минимум деталей для работы. При включении по схеме повторителя для нормальной работы требуются только конденсаторы по питанию. Лучше оставить еще и резистор по входу для привязки входа к земле по постоянному напряжению, хотя и он не обязателен.

Стандартная схема включения микросхемы в качестве усилителя звуковой частоты:

В штатном включении микросхемы (показанном выше), предлагаемом дата шитом, коэффициент усиления задается около 20. При этом полоса рабочих частот ограничивается тем же дата шитом в 140кГц. Однако при работе по схеме повторителя напряжения с единичным коэффициентом усиления микросхема может работать до частот в 0,5…1 МГц. По крайней мере микросхема отлично себя проявила, при работе на частоте 100кГц, подаваемой с генератора синусоидального сигнала на мосту Вина, для умощнения выхода которого она и была применена.

Изящно, красиво, а главное — работает. Микросхема солидно греется и желательно применять радиатор с достаточной площадью поверхности. Отлично подойдет радиатор процессора ПК. Однако тепловыделение зависит от режима работы и сопротивления нагрузки. Не рекомендуется включение микросхемы без радиатора.

В авторском варианте микросхема запитанна стабилизированным напряжением ±9Вольт для обеспечения стабильности амплитуды сигнала. Работа микросхемы предполагалась с мощностью 2-3 Ватта, по этой причине стабилизация питания выполнена на кренках 7809 и 7909, способных обеспечивать ток до 1А(при условии наличия радиаторов). Диапазон питающих напряжений для микросхемы TDA2030 составляет ±6 … ±18 Вольт.

Неинвертирующий усилитель на оу.

Схема
неинвертирующего усилителя показана
на рис. 9.6. Выражение для коэффициента
усиления по напряжению для этой схемы
получим, так же, как и для предыдущей,
из уравнений, составленных по закону
Кирхгофа

С
учетом (9.13) выражение для коэф- фициента
усиления будет иметь вид

Из
следует, что коэффициент усиления по
напряжению в схеме неин- вертирующего
усилителя всегда больше 1. В отличие от
схемы инвертирующего усилителя в данной
схеме ОУ охвачен цепью ООС по напряжению,
последовательной по входу. Поэтому
входное сопро- тивление этой схемы
значительно больше входного сопротивления
ОУ без ОС:

Выходное
сопротивление определяется, как и для
инвертирующего усилителя, согласно
(9.16).

Высокочастотные операционные усилители

EL5166,EL5167 – операционные усилители с полосой частот до 1400 МГц

Микросхемы рассчитаны на работу в сверхшироком диапазоне частот – до 1.4GHz при единичном усилении и 800MHz при усилении, равном 2.

Области применения – видеооборудование, мониторы, аппаратура RF и IF диапазонов.

Основные характеристики

Напряжение питания	От 5 до 12 В
Ток потребления	8.5 мА
Низкий уровень шумов	1.7 нВ/ÖHz
Полоса частот	12 МГц (на уровне -3 дБ)
Рабочий диапазон температур	от -40 до +125°C

Наличие входа разрешения (только в EL5166), потребляемый ток уменьшается до 13 мкА

EL5160,EL5161,EL5260,EL5261,EL5360 – серия недорогих 200-МГц ОУ

В данную группу входят также следующие микросхемы ОУ:

EL5164 и EL5165 — полоса частот до 600 МГц
EL5162 и EL5163 — полоса частот до 400 МГц
EL5160 и EL5161- полоса частот до 200 МГц

Микросхема ISL55211 характеризуется также низкими уровнями собственных шумов и искажений сигнала. Имеется вход Power Down.

Основные характеристики

Напряжение питания	от 3 до 4,5 В
Ток потребления	37 мА
Выходной ток	±30 мА
Полоса частот	до 1600 МГц (на уровне -3 дБ при к-те усиления 2)
Фиксированные значения коэффициентов усиления	2, 4, или 5 В/В
Уровень собственных шумов	12 nV/√Hz
Корпус	TQFN-16

EL5111T – недорогой RRIOОУ с полосой частот 60 МГц и большим выходным током

Основные характеристики

Напряжение питания	от 4,5 до 19 В
Ток потребления	3 мА
Выходной ток	±70 мА
Полоса частот	60 МГц (на уровне -3 дБ)

Идеальный операционный усилитель и его свойства

Так как наш мир не является идеальным, так и идеальных операционных усилителей не существует. Однако параметры современных ОУ находятся на достаточно высоком уровне, поэтому анализ схем с идеальными ОУ даёт результаты, очень близкие к реальным усилителям.

Для понимания работы схем с операционными усилителями вводится ряд допущений, которые приводят реальные операционные усилители к идеальным усилителям. Таких допущений всего пять:

Ток, протекающий через входы ОУ, принимается равным нулю.
Коэффициент усиления ОУ принимается бесконечно большим, то есть выходное напряжение усилителя может достичь любых значений, однако в реальность ограничено напряжением питания.
Разность напряжений между входами идеального ОУ равна нулю, то есть если один из выводов соединён с землёй, то и второй вывод имеет такой же потенциал. Отсюда также следует, что входное сопротивление идеального усилителя бесконечно.
Выходное сопротивление идеального ОУ равно нулю.
Амплитудно-частотная характеристика идеального ОУ является плоской, то есть коэффициент усиления не зависит от частоты входного сигнала.

Близость параметров реального операционного усилителя к идеальным определяет точность, с которой может работать данный ОУ, а также выяснить ценность конкретного операционного усилителя, быстро и правильно сделать выбор подходящего ОУ.

Исходя из вышеописанных допущений, появляется возможность проанализировать и вывести соотношения для основных схем включения операционного усилителя.

Экспоненциальный преобразователь

Экспоненциальный преобразователь.

Работа схемы описывается известными выражениями

Таким образом, выходное напряжение составит

Неинвертирующий сумматор

В продолжение темы неинвертрующих усилителей расскажу о неинвертирующем сумматоре, который выполняет функцию сложения входных сигналов и находит своё применение в качестве линейных смесителей сигналов (микшеров), например, когда сигналы из нескольких источников необходимо скомбинировать и подать на вход усилителя мощности. Схема неинвертирующего сумматора представлена ниже

Схема двухвходового неинвертирующего сумматора.

Данная схема представляет собой неинвертирующий усилитель с двумя входами и состоит из ОУ DA1, токоограничительных входных резисторов R1 и R2, резистора смещения R3 и резистора обратной связи R4.

Для данной схемы основные соотношения соответствуют схеме простого неинвертирующего усилителя, с учётом того что входное напряжение в схеме соответствует среднему напряжению входных выводов

А сопротивление резисторов должны соответствовать следующему условию

Коэффициенты усиления по разным каналам определяются следующим выражением

R_N – сопротивление входного резистора,

K_N – коэффициент усиления соответствующего канала усиления.

Основным недостатком схемы неинвертирующего сумматора является отсутствие точки нулевого потенциала, поэтому коэффициент усиления по различным входам не являются независимыми. Данный недостаток проявляет себя в тех случаях, когда внутреннее сопротивление источников входных напряжений или только одного из них известно приблизительно или изменяется в процессе работы.

Теория это хорошо, но без практического применения это просто слова.Здесь можно всё сделать своими руками.