Инвертирующий усилитель на оу

Инвертирующий усилитель

Наибольшее распространение среди схем на ОУ, получила схема инвертирующего усилителя и производные от данной схемы: различные типы инвертирующих сумматоров. Схема инвертирующего усилителя показана ниже

Инвертирующий усилитель.

Данная схема состоит из операционного усилителя DA1 и резисторов R1 и R2. В данной схеме операционный усилитель DA1 охвачен параллельной отрицательной обратной связью (ООС) по напряжению.

Для рассмотрения работы данной схемы вспомним одно из основных соотношений в идеальном ОУ: напряжение между входами равно нулю. Исходя из этого, неинвертирующий и инвертирующий входы ОУ имеют одинаковый потенциал относительно общего вывода, в данном случае этот потенциал равен нулю (часто точку соединения резисторов R1 и R2 называют виртуальной землёй). Вследствие этого токи протекающие через резисторы R1 и R2 должны уравновешивать друг друга, то есть быть одинаковыми по значению но разными по знаку

где I_R1, I_R2 – токи, протекающие через резисторы R1 и R2 соответственно.

Исходя из этого, коэффициент усиления данной схемы составит

Знак «-» показывает, что выходной сигнал инвертирован по отношению к входному .

Входное сопротивление данной схемы получается из последовательно соединённых сопротивлений R1 и параллельно соединённых входного сопротивления ОУ R_BX.ОУ и уменьшенного в 1+K_ОУ раз сопротивления обратной связи R2

где К_ОУ – коэффициент усиления ОУ.

В общем случае, когда коэффициент усиления операционного усилителя К_ОУ имеет достаточно большую величину можно считать, что входное сопротивления инвертирующего ОУ будет равно сопротивлению R1.

Выходное сопротивление инвертирующего усилителя, состоящего из ОУ охваченного параллельной ООС по напряжению, вычисляется по той же формуле, что и неинвертирующий усилитель.

Как рассчитать величину тока, который должен обеспечивать ОУ ?

Очень просто! Допустим, что в роли нагрузки выступает резистор сопротивлением в 10 Ом. На повторитель приходит напряжение в 5 вольт, которое он должен передать нагрузке. В таком случае, применяя закон ома (I=U/R), выясняем, что для поддержания 5 вольт на резисторе операционнику требуется обеспечивать ток в 0.5 ампера. (Это грубая прикидка, но вполне применимая на практике)

Обычные ОУ не смогут справиться с такой задачей. Конечно выход можно умощнить транзистором, но тогда применение повторителя на ОУ становится менее оправданным.

Для таких целей предлагается использовать TDA2030, TDA2040 или TDA2050 включенных по схеме повторителя. Микросхемы представляют собой уже готовые, умощненые транзисторами, операционные усилители, которые между собой отличаются максимальной выходной мощность.

Корректная подача опорного напряжения в ИУ

Часто полагают, что вход для подачи опорного напряжения высокоомный (поскольку это вход). Так, разработчики могут соблазниться подключить высокоомный источник, например резистивный делитель, к выводу ИУ для опорного напряжения. С некоторыми типами инструментальных усилителей это может привести к значительным погрешностям (рис. 8).

Рис. 8. Неправильное использование простого делителя напряжения для непосредственной подачи опорного напряжения в инструментальный усилитель из трех ОУ

Например, в конструкции популярного ИУ применено три ОУ, соединенных, как показано выше. Общий коэффициент усиления равен:

где R2/R1 = R4/R3.

Коэффициент передачи для входа опорного напряжения равен единице (при подаче напряжения от источника с низким импедансом). Однако в рассматриваемом случае вывод опорного напряжения ИУ подключен к простому делителю напряжения на резисторах. Это приводит к разбалансу схемы вычитания и нарушает коэффициент деления делителя напряжения. В свою очередь, это снижает коэффициент подавления синфазного сигнала в ИУ и точность его коэффициента усиления. Однако если бы внутренний резистор R4 был нам доступен, то при снижении его сопротивления на величину, равную параллельному соединению двух резисторов делителя напряжения (здесь 50 кОм), схема вела бы себя так, будто к изначальному сопротивлению резистора R4 подключен низкоомный источник, равный (в данном примере) половине напряжения питания, и точность схемы вычитания была бы сохранена.

Этот подход невозможен, если ИУ — интегральная схема в закрытом корпусе. Еще одна проблема заключается в том, что температурные коэффициенты сопротивления (ТКС) внешних резисторов делителя отличаются от ТКС резистора R4 и других резисторов схемы вычитания. И, наконец, такой подход не позволяет регулировать значение опорного напряжения. Если, с другой стороны, попытаться использовать в делителе напряжения низкоомные резисторы, чтобы влияние их добавленного сопротивления было бы пренебрежимо малым, то ток потребления от источника питания и рассеиваемая мощность схемы увеличатся. В любом случае, такой метод «грубой силы» не приносит успеха.

На рис. 9 показано лучшее решение — применение буфера на ОУ с малым потреблением энергии между делителем напряжения и входом опорного напряжения ИУ. Это ликвидирует необходимость подбора сопротивления и проблему резисторов с разными ТКС, а также дает возможность легко регулировать опорное напряжение.

Рис. 9. Подача опорного напряжения на ИУ с низкоимпедансного выхода ОУ

Применение аналогового сумматора

В настоящее время аналоговый сумматор используется в схемах, где надо суммировать два и более аналоговых сигналов. Это могут быть микшеры звукового диапазона, где надо объединить выходные сигналы от микрофонов, а также от устройств, которые создают различные спецэффекты и которые потом можно добавить к основной звуковой дорожке. Вся прелесть микшеров на ОУ заключается в том, что входные сигналы никак не влияют друг на друга. А также это могут быть схемы операционной обработки сигналов для выполнения арифметической обработки сигналов (сложение/вычитание).

при участии JEER

Рекомендую посмотреть классное видео про сумматор:

Активные фильтры

Для оценки требуемого значения GBW обычно используется формула:

где:GBW – частота единичного усиления скомпенсированного операционного усилителя;G – усиление в полосе пропускания;F3 – частота среза фильтра по уровню −3 dB;Q – добротность фильтра;100 – запас усиления.

Здесь появляется дополнительный множитель, Q. Дело в том, что ФНЧ с Q > 0.707 имеет пик на АЧХ и необходимо учесть его величину. Величина этого пика:

Что будет, если забыть про требование к GBW?

Для примера возьмём ФНЧ Баттерворта на 250 кГц для которого ожидается плоская АЧХ в полосе пропускания. ОУ с GBW 1 МГц.

ФНЧ 250 кГц на идеальном ОУ и с GBW 1 МГц

Появился пик около 0.5 дБ в полосе пропускания, а сама она сузилась.

Для ФНЧ дополнительное уменьшение усиления с ростом частоты может быть даже полезным, позволяя получить большее ослабление нежелательных частот. Пик тоже может быть полезным, им можно скомпенсировать спад АЧХ других каскадов

Однако, если поведение вблизи частоты излома важно, влияние GBW можно попробовать скомпенсировать. Прочитать об этом можно там, тут и здесь

Зачем использовать инструментальные усилители?

Когда я учился в колледже, один из моих преподавателей сравнил работу инженера-электронщика с разнорабочим с поясом с инструментами, набитым оборудованием. Успешный разнорабочий будет стремиться иметь широкий набор инструментов и знать, как и когда использовать каждый из них. Точно так же инженер-электронщик имеет свой «пояс с инструментами» из знаний и применений компонентов, схемотехники и способов решения задач. Столкнувшись с задачей, успешный инженер будет знать, какие инструменты использовать для достижения цели проектирования.

Один из таких инструментов, который должен иметь каждый инженер, – это инструментальные (или измерительные) усилители. Инструментальные усилители играют жизненно важную роль во многих областях электротехники; все, от промышленной автоматики для тяжелых условий эксплуатации до прецизионных медицинских устройств, используют инструментальные усилители в своих интересах. Прежде чем мы перейдем ко всем применениям, мы должны кратко рассмотреть конструкцию инструментальных усилителей, и почему их нужно использовать вместо обычных операционных усилителей, которые обычно дешевле.

Давайте сначала взглянем на классическую схему дифференциального усилителя:

Рисунок 1 – Дифференциальный усилитель

Такой конфигурации может быть достаточно для некоторых дифференциальных применений; он может усиливать сигнал с измерительного моста и иметь хороший CMRR (КОСС, коэффициент ослабления синфазного сигнала), но у него есть несколько проблем. Во-первых, мы можем ясно видеть, что входные импедансы не приближаются к бесконечности; фактически входное сопротивление на инвертирующем входе относительно низкое. Входные сопротивления в этой схеме не совпадают, и иногда входные сопротивления инвертирующего и неинвертирующего входов могут сильно различаться. Эта схема также требует очень тщательного согласования резисторов и согласования с импедансом источника. Мы, конечно, могли бы увеличить входной импеданс, сделав резисторы обратной связи очень большими, но при номинале 1 МОм для резисторов R1 и R2 потребуется, чтобы R3 и R4 были равны 100 МОм для достижения коэффициента усиления хотя бы 100; а для очень слабых сигналов обычно требуется больший коэффициент усиления. Использование резисторов большого номинала также создает новые проблемы. Резисторы с большим сопротивлением создают шум, и их очень сложно подобрать с высокой точностью; кроме того, резисторы большого номинала могут вызвать появление паразитной емкости, которая отрицательно скажется на CMRR на высоких частотах.

Решением было бы использовать перед каждым входом неинвертирующие буферы, но мы всё равно хотели бы добиться более высокого коэффициента усиления. Взгляните на инструментальный усилитель, показанный ниже.

Рисунок 2 – Инструментальный усилитель

Два буферных усилителя обеспечивают практически бесконечное входное сопротивление и усиление, а дифференциальный усилитель обеспечивает дополнительное усиление и несимметричный выход. В результате получается схема с очень высоким CMRR, высоким коэффициентом усиления и входным сопротивлением порядка 1010 Ом.

Корпусы операционных усилителей

Операционные усилители размещаются в контейнерах, называемых корпусами. Четыре наиболее распространенных типов корпусов это: ТО-5 (корпус транзисторного типа), DIP (плоский корпус с двухрядным расположением выводов), мини — DIP и плоский корпус с планарными выводами.

Штырьки корпуса операционного усилителя используются в качестве выводов, с их помощью операционный усилитель соединяется с остальной схемой. Операционные усилители либо непосредственно припаиваются к монтажной плате, либо вставляются в колодку, которая припаяна к плате. Если операционный усилитель вставлен в колодку, его легко можно извлечь при помощи специального пинцета, предназначенного для этих целей.

Виртуальное короткое замыкание

Одно из этих предположений называется виртуальным коротким замыканием. На самом деле, это не является одной из фундаментальных характеристик идеального операционного усилителя. Скорее, виртуальное короткое замыкание является теоретической ситуацией, которая возникает из-за одной из основных характеристик идеального операционного усилителя, а именно, бесконечного коэффициента усиления без обратной связи.

Давайте представим, что у нас есть операционный усилитель, включенный как инвертирующий усилитель. Как почти всегда в случае схем на ОУ, работа схемы основана на использовании отрицательной обратной связи.

Рисунок 1 – Инвертирующий усилитель на операционном усилителе

Стандартный метод получения формулы коэффициента усиления по напряжению этой схемы состоит в предположении, что напряжение на неинвертирующем входном выводе (V_вх+) равно напряжению на инвертирующем входном выводе (V_вх–). Поскольку неинвертирующий вход соединен с землей, V_вх+ = 0 В, и, следовательно, V_вх– = 0 В. Но почему? Почему мы можем предположить, что эти два разных напряжения равны?

Бесконечный коэффициент усиления

Предположить, что эти два разных напряжения равны, можно потому, что на самом деле разница между этими напряжениями очень мала, а разница между напряжениями очень мала, потому что коэффициент усиления очень велик. Рассмотрим следующую диаграмму и формулу:

Рисунок 2 – Определение выходного напряжения

Операционный усилитель – это дифференциальный усилитель. Он создает выходное напряжение, применяя коэффициент усиления без обратной связи (обозначенный A) к разности напряжений на неинвертирующем и инвертирующем входах. Если мы перестроим эту формулу так, чтобы разностное напряжение было отделено от коэффициента усиления, то получим следующее:

Обратите внимание, что происходит при увеличении коэффициента усиления без обратной связи (для заданного Vвых): разность напряжений уменьшается. Когда коэффициент усиления приближается к бесконечности, разность напряжений приближается к нулю

Другими словами, если коэффициент усиления бесконечен, Vвх+ должно быть равно Vвх–, а это и есть виртуальное короткое замыкание.

Конечный коэффициент усиления

Невозможность создания усилителя с бесконечным коэффициентом усиления не отменяет практическую ценность виртуального короткого предположения. Почему? Потому что «виртуальное короткое замыкание» – это просто еще один способ сказать, что между двумя входными напряжениями операционного усилителя существует нулевая разница, а в реальных схемах эта разница «достаточно близка» к нулю. Коэффициент усиления без обратной связи реальных операционных усилителей может превышать 100 дБ. Это отношение выходного напряжения к входному не менее 100 000. Допустим, у нас есть операционный усилитель с A = 100 дБ, который выдает выходное напряжение 2,5 В.

Это 25 мкВ. Когда коэффициент усиления без обратной связи достаточно высок, чтобы создавать (очень) маленькое разностное напряжение, виртуальное короткое замыкание является надежным инструментом для практического проектирования, несмотря на то, что оно нереально. И на самом деле, оно не только нереально. Оно совершенно парадоксально.

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.

Дифференциатор

Дифференциатор по своему действию противоположен работе интегратора, то есть выходной сигнал пропорционален скорости изменения входного сигнала. Схема простейшего дифференциатора показана ниже

Дифференциатор на операционном усилителе.

Дифференциатор реализует операцию дифференцирование над входным сигналом и аналогичен действию дифференцирующих RC и RL цепочек, кроме того имеет лучшие параметры по сравнению с RC и RL цепочками: практически не ослабляет входной сигнал и обладает значительно меньшим выходным сопротивлением. Основные расчётные соотношения и реакция на различные импульсы аналогична дифференцирующим цепочкам.

Выходное напряжение составит

LM358 DataSheet на русском, описание и схема включения

Микросхема LM358 как написано в его DataSheet является универсальным решением, так как схема включения большинства популярных устройств весьма проста, в случаях отсутствия жестких требований к высокому быстродействию, рассеиваемой мощности и нестандартному питающему напряжению. Небольшая стоимость, отсутствие необходимости подключения дополнительных элементов частотной коррекции, возможность использования во всем диапазоне стандартных питающих напряжений (до +32В) и низкий потребляемый ток, делают его кандидатом номер один для электронных проектов с ОУ.

LM358 цоколевка

LM358 состоит из двух ОУ, каждый имеет по 4 вывода, имеющих свое назначение. Всего получается 8 контактов. Производятся в нескольких видах корпусного исполнения, для объемного DIP и поверхностного монтажа на плату SO. Так же могут встречается в усовершенствованных корпусах SOIC, VSSOP, TSSOP.

Назначение контактов для всех видов корпусов совпадает: 2,3, 5,6, — входы, 1,7 – выходы, 4 – минус источника питания, 8 – плюс источника питания.

Технические характеристики

Ниже указаны предельные допустимые значения условий эксплуатации для диапазона рабочих температур окружающей среды TA от 0 до +70 °C, если не указано иное.

Основные электрические характеристики, при температуре окружающей среды TA = 25 °C.

Рекомендуемые условия эксплуатации в диапазоне рабочих температур окружающей среды, если не указано иное:

Подверженность устройства повреждению от электростатического разряда (ESD):

Также у данного устройства есть тепловые характеристики:

Схемы подключения

Ниже приведем несколько простых схем включения lm358 которые могут вам пригодится. Все они являются ознакомительными, так что обязательно проверяйте все перед внедрением в производственной сфере.

Схема в мощном неинвертирующим усилителе.

Преобразователь напряжения — ток.

Схема с дифференциальным усилителем.

Неинвертирующий усилитель средней мощности.

Аналоги

Аналогами LM358 можно считать микросхемы в которых указываются идентичные характеристики. К таким относятся: LM158, LM258, LM2904, LM2409. Эти микросхемы незначительно отличаются от описываемой своими тепловыми параметрами и подойдут в качестве замены для большинства проектов.

Для ее замены можно использовать: GL 358, NE 532, OP 04, OP 221, OP 290, OP 295, OPA 2237, TA7 5358-P, UPC 358C, AN 6561, CA 358E, HA 17904. Отечественные аналоги lm358: КР 1401УД5, КР 1053УД2, КР 1040УД1.

Для замены также может подойти аналог по электрическим параметрам, но уже c четырьмя ОУ в одной микросхеме — LM324.

Маркировка

Префикс LM сначала использовался при маркировке общего назначения компанией National Semiconductor. Цифры “358” это ее серийный номер. В 2011 году эта компания была приобретена другим производителем электроники Texas Instruments. С этого года префикс “LM” является кодом производителя Texas Instruments, но несмотря на это, этот код используют и другие производители при маркировке своей продукции. Микросхемы LM358, LM358-N и LM358-P имеют одинаковые технические параметры. У большинства компаний-производителей символами “-N” , “-P” обозначаются пластиковые корпуса PDIP.

В технических описания встречается такие виды: LM358A, LM358B, LM358BA. Так указывается версии следующего поколения промышленного стандарта LM358. Устройства «B» могут быть доступны в более современных микрокорпусах TSOT и WSON.

Применение

Lm358 широко используется в:

устройствах типа «мигающий маяк»;
блоках питания и зарядных устройствах;
схемах управления двигателем;
материнских платах;
сплит системах внутреннего и наружного применения;
бытовой технике: посудомоечные, стиральные машины, холодильные установки;
различных видах инверторов;
источниках бесперебойного питания;
контроллерах и др.

Возможности применения микросхемы производители обычно указывают в технических описаниях на свои устройства.

Виды и обозначения на схеме

С развитием электросхемотехники операционные усилители постоянно совершенствуются и появляются новые модели.

Классификация по сферам применения:

Индустриальные – дешевый вариант.
Презиционные (точная измерительная аппаратура).
Электрометрические (малое значение Iвх).
Микромощные (потребление малого I питания).
Программируемые (токи задаются при помощи I внешнего).
Мощные или сильноточные (отдача большего значения I потребителю).
Низковольтные (работают при U<3 В).
Высоковольтные (рассчитаны на высокие значения U).
Быстродействующие (высокая скорость нарастания и частота усиления).
С низким уровнем шума.
Звуковой тип (низкий коэффициент гармоник).
Для двухполярного и однополярного типа электрического питания.
Разностные (способны измерять низкие U при высоких помехах). Применяются в шунтах.
Усилительные каскады готового типа.
Специализированные.

По входным сигналам ОУ делятся на 2 типа:

С 2 входами.
С 3 входами. 3 вход применяется для расширения функциональных возможностей. Обладает внутренней ООС.

Схема операционного усилителя достаточно сложная, и не имеет смысла его изготавливать, а радиолюбителю нужно только знать правильную схему включения операционного усилителя, но для этого следует понимать расшифровку его выводов.

Основные обозначения выводов ИМС:

V+ – неинвертирующий вход.
V- – инвертирующий вход.
Vout – выход.Vs+ (Vdd, Vcc, Vcc+) – плюсовая клемма ИП.
Vs- (Vss, Vee, Vcc-) – минус ИП.

Практически в любом ОУ присутствуют 5 выводов. Однако в некоторых разновидностях может отсутствовать V-. Существуют модели, которые обладают дополнительными выводами, которые расширяют возможности ОУ.

Выводы для питания необязательно обозначать, т.к. это увеличивает читабельность схемы. Вывод питания от положительной клеммы или полюса ИП располагают вверху схемы.

Где применяются

Существует 2 вида схем ОУ, которые различаются способом подключения. Главный недостаток ОУ — непостоянство Kу, зависящего от режима функционирования. Основные сферы применения — усилители: инвертирующий (ИУ) и неинвертирующий (НИУ). В схеме НИУ Kу по U задается резисторами (сигнал нужно подавать на вход). ОУ содержит ООС последовательного типа. Эта связь выполнена на одном из резисторов. Она подается только на V-.

В ИУ происходит сдвиг сигналов по фазе. Для изменения знака выходного отрицательного напряжения необходима параллельная ОС по U. Вход, который является неинвертирующим, нужно заземлить. Входной сигнал через резистор подается на инвертирующий вход. Если неинвертирующий вход уходит на землю, то разность U между входами ОУ равна 0.

Можно выделить устройства, в которых применяются ОУ:

Предусилители.
Усилители звуковых и видеочастотных сигналов.
Компараторы U.
Дифусилители.
Диференциаторы.
Интеграторы.
Фильтрующие элементы.
Выпрямители (повышенная точность выходных параметров).
Стабилизаторы U и I.
Вычислители аналогового типа.
АЦП (аналого-цифровые преобразователи).
ЦАП (цифро-аналоговые преобразователи).
Устройства для генерации различных сигналов.
Компьютерная техника.

Операционные усилители и их применение получили широкое распространение в различной аппаратуре.

Что такое биполярный транзистор и какие схемы включения существуют

Что такое триггер, для чего он нужен, их классификация и принцип работы

Что такое аттенюатор, принцип его работы и где применяется

Что такое компаратор напряжения и для чего он нужен

Как работает микросхема TL431, схемы включения, описание характеристик и проверка на работоспособность

Что такое делитель напряжения и как его рассчитать?

Обозначение на схеме операционного усилителя

На схемах операционный усилитель обозначается вот так:

или так

Чаще всего ОУ на схемах обозначаются без выводов питания

Итак, далее по классике, слева два входа, а справа – выход.

Вход со знаком «плюс» называют НЕинвертирующий, а вход со знаком «минус» инвертирующий. Не путайте эти два знака с полярностью питания! Они НЕ говорят о том, что надо в обязательном порядке подавать на инвертирующий вход сигнал с отрицательной полярностью, а на НЕинвертирующий сигнал с положительной полярностью, и далее вы поймете почему.

Пример работы инвертирующего усилителя

Давайте посмотрим, как работает наш усилитель в программе-симуляторе электронных схем Proteus. Здесь мы собираем базовую схему с двухполярным питанием

В Proteus она будет выглядеть вот так:

Здесь мы взяли значение резисторов R2=10 кОм и R1=1 кОм, следовательно, коэффициент усиления такой схемы будет равен -10. Знак “минус” в данном случае просто инвертирует усиленный сигнал, что мы и видим на осциллограмме ниже. Входной сигнал – это розовая осциллограмма, а выходной – это желтая осциллограмма. Выходной сигнал находится в противофазе относительно входного, то есть инвертирует его. Отсюда и название “инвертирующий усилитель”.

Применение в биомедицине

Если к вам в больнице когда-либо подключали какое-либо электронное оборудование для снятия с вас показаний, то вы были подключены к датчикам, управляемым инструментальным усилителем. Схемы инструментальных усилителей находят широкое применение почти в каждом медицинском устройстве, как из-за вышеупомянутых преимуществ, так и из-за того, что инструментальные усилители также являются прецизионными усилительными устройствами.

Для инструментальных усилителей не требуются внешние резисторы обратной связи; вместо этого они содержат резисторы, изготовленные в самой микросхеме с использованием лазерной подгонки, и используют только один внешний настроечный резистор для настройки коэффициента усиления, что избавляет от несовпадения номиналов резисторов. Это позволяет устройству устанавливать точное значение коэффициента усиления в зависимости от требований схемы. Большинство биомедицинских датчиков, такие как датчики артериального давления, ультразвуковые преобразователи, поляризованные и неполяризованные электроды и датчики радиационной термометрии, имеют очень высокий импеданс и генерируют очень слабые сигналы.

Эти датчики требуют очень высокого импеданса, обеспечиваемого инструментальным усилителем, поскольку характеристики биопотенциальных электродов могут подвергаться воздействию нагрузки, что может вызвать искажение сигнала. Кроме того, усилители должны иметь высокий уровень подавления шума; больницы – одна из самых шумных сред, в которых датчик должен будет работать, с сотнями беспроводных устройств, работающих поблизости, и постоянно присутствующим фоном 50 Гц от света и электросети. Эти неустойчивые шумовые сигналы часто на несколько порядков больше, чем сигнал от биопотенциального электрода, который сам по себе составляет всего несколько милливольт. Легко узнаваемое медицинское применение таких усилителей – это электрокардиографы или аппараты ЭКГ, которые отслеживают изменения в дипольном электрическом поле сердца. Ниже приведен пример применения инструментального усилителя Analog Device серии AD82X в ЭКГ из руководства по применению.

Рисунок 4 – Применение инструментального усилителя Analog Device серии AD82X в ЭКГ

Все три инструментальных усилителя снимают разность сигналов с электродов датчиков, а последний электрод «F» действует как земля. Для этого устройства используются измерительные усилители, поскольку биопотенциальные электроды улавливают огромное количество шума от линий электросети, который необходимо ослаблять, чтобы устройство могло давать точные показания.

Дифференцирующий усилитель на оу.

Дифференцирующий
усилитель (дифференциатор) предназначен
для получения выходного сигнала
пропорционального скорости изменения
входного. При дифференцировании сигнала
ОУ должен пропускать только переменную
составляющую входного напряжения, а
коэффициент усиления дифференцирующего
звена должен возрастать при увеличении
скорости изменения входного напряжения.
Схема дифференциатора, на входе которого
включен конденсатор С, а в цепи ОС –
резистор, представлена на рис. 11.13.
Полагая, что ОУ идеальный, ток через
резистор обратной связи можно считать
равным току через конденсатор Iс+Ir=0,

,
тогда

Рассмотренный
дифференциатор используется редко
из-за следующих недостатков:

1.
Низкого входного сопротивления на
высоких частотах, определяемого емкостью
С;

2.
Относительно высокого уровня шумов
на выходе обусловленного большим
усилением на высоких частотах;

3.
Склонности к самовозбуждению. (данная
схема может быть неустойчивой в области
частот, где частотная характеристика
дифференциатора (кривая 1 на рис.11.14),
имеющая подъем 20 дБ/дек, пересекается
с АЧХ скорректированного ОУ, имеющего
спад −20дБ/ дек (кривая 2 на рис. 11.14).
Амплитудно-частотная характеристика
разомкнутой системы в некоторой части
частотного диапазона имеет

спад
–40 дБ/дек, который определяется
разностью наклона кривых 1 и 2, а фазовый
сдвиг ϕ = –180°, что и указывает на
возможность самовозбуждения.)

Чтобы
избежать проявления этих недостатков
дифференциатора принимаются следующие
схемотехнические решения:

1.
Резистор обратной связи шунтируется
конденсатором, ёмкость которого
выбирается такой, чтобы участок АЧХ ОУ
со спадом -20 дБ/дек начинался на частоте
более высокой, чем максимальная частота
полезного дифференциального сигнала.
Это приводит к уменьшению высокочастотных
составляющих шума в выходном сигнале.
Такой участок начинается на частоте
f=1/(2πRocCoc).

2.
Последовательно со входным конденсатором
С включается резистор, который ограничивает
коэффициент усиления на высоких частотах
дифференциатора. Это обеспечивает
динамическую устойчивость и снижает
входной ёмкостной ток от источника
сигнала.

3.
Использование ОУ с низким напряжением
смещения и малыми входными токами, а
также конденсаторов с малыми токами
утечек и малошумящих резисторов.

Практическая
схема дифференциатора и его АЧХ
приведены на

рис.
11.15. Введение резистора R приводит к
появлению на частотной характеристике
(кривая 1 на рис. 11.15,б) горизонтального
участка, где не происходит дифференцирования
на частотах, превышающих частоту

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 IO – 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 IO ≈ 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.