Меню

Что такое ток управления операционного усилителя

Введение

В настоящее время у человечества стоит задача автоматизировать и роботизировать наиболее опасные, трудоемкие, не интересные виды человеческой деятельности. Наиболее актуальна роботизация при выполнении боевых задач, видов деятельности, сопряженных с риском для жизни человека.

Схемотехника аналоговых устройств является ключевым звеном в процессе создания высокопроизводительных автоматизированных производств, роботов, высокотехнологичных и высокодоходных изделий оборонного и гражданского назначения.

Особую ценность имеет возможность роботизированного или ручного гибкого производства новых уникальных устройств, собираемых из не большого набора не дорогих широкодоступных электронных компонентов на слабооборудованных рабочих местах или в полевых условиях.

1 Операционные усилители (ОУ)

Операционный усилитель (ОУ) — это интегральный усилитель постоянного тока, имеющий большой коэффициент усиления. Добавление к операционному усилителю нескольких электронных компонентов позволяет осуществить отрицательную обратную связь (ООС) для управления значением коэффициента усиления.

Идеальный операционный усилитель имеет большой коэффициент усиления напряжения K → ∞ , большое входное сопротивление R вх → ∞ и, следовательно, малые входные токи I вх → 0, малое выходное сопротивление R вых → 0 .

Реальный операционный усилитель имеет высокий коэффициент усиления по напряжению и постоянному току, высокое входное и низкое выходное сопротивления, малые входные токи.

Присоединение к ОУ одного-двух простых не дорогих электронных компонентов, таких как сопротивление и конденсатор, позволяет быстро получить широкий спектр аналоговых устройств. По размерам и цене ОУ не значительно отличаются от транзисторов, но обеспечивают возможность конструирования, изобретения и роботизированного производства множества новых устройств, поэтому операционные усилители получили наиболее широкое применение в аналоговой схемотехнике.

Питание операционного усилителя осуществляется двумя разнополярными источниками питания. По отношению к заземлению один источник питания дает положительный потенциал. Отрицательный контакт этого источника питания подключается к заземлению, а положительный — подключается к ОУ. Другой источник питания по отношению к заземлению дает отрицательный потенциал. Положительный контакт этого источника питания подключается к заземлению, а отрицательный — подключается к ОУ.

Операционный усилитель имеет два входа (инвертирующий и неинвертирующий) и один выход. Инвертирующий вход на схеме обозначается кружком и (или) знаком «-», неинвертирующий вход может обозначаться знаком «+».

Выходное напряжение операционного усилителя в K раз больше входного

где K — коэффициент усиления по напряжению.

Коэффициент усиления по напряжению

обычно достигает сто тысяч — десять миллионов K = 10 5 — 10 7 . Это приводит к тому, что малейшее напряжение на входе дает на выходе напряжение равное напряжению питания. Поэтому ОУ обычно не применяются без отрицательной обратной связи, управляющей значением коэффициента усиления. В о всех описываемых нами схемах, построенных на операционных усилителях, обратная связь осуществляется проводом, сопротивлением или конденсатором.

ОУ первоначально выполняли математические операции с электрическими аналоговыми сигналами, поэтому и были названы операционными усилителями.

1.1 Основные параметры операционных усилителей

— Коэффициент усиления по напряжению K .

— Частота единичного усиления f ед – это частота при которой коэффициент усиления по напряжению равен единице K = 1.

— Входное сопротивление R вх достигает больших значений.

— Выходное сопротивление R вых не превышает обычно сотен Ом .

1.2 Инвертирующий усилитель

Инвертирующие усилители в рамках конструктивных характеристик операционного усилителя могут модифицироваться для получения любых коэффициентов усиления.

В инвертирующем усилителе (см. рисунок 1) входное напряжение подается на инвертирующий вход, поэтому, входное и выходное напряжения имеют разную полярность, а также изменяются в противофазе. Поэтому усилитель называется инвертирующим. Инверсия в электронике — это замена положительного сигнала на отрицательный. При битовых операциях инверсия — это логическое НЕ, то есть замена 0 на 1, а 1 на 0. Неинвертирующий вход заземлен, следовательно, на него подается напряжение 0 В.

Рисунок 1 — Инвертирующий усилитель

Коэффициент усиления инвертирующего усилителя, собранного на операционном усилителе ОУ1 (см. рисунок 1) определяется по формуле

где R 1 – сопротивление, Ом.

R 2 – сопротивление, выполняющее роль отрицательной обратной связи, Ом.

1.3 Неинвертирующий усилитель

Неинвертирующие усилители в рамках конструктивных характеристик операционного усилителя могут модифицироваться для получения коэффициентов усиления от 1 и более.

В неинвертирующем усилителе (см. рисунок 2) входное напряжение подается на неинвертирующий вход, поэтому, входное и выходное напряжения имеют одинаковую полярность, выходной сигнал не инвертируется по отношению к входному и совпадает по фазе. Инвертирующий вход заземлен через резистор R 1 . Сопротивление R 2 выполняет роль отрицательной обратной связи.

Рисунок 2 — Неинвертирующий усилитель

Коэффициент усиления неинвертирующего усилителя, собранного на операционном усилителе ОУ1 (см. рисунок 3) определяется по формуле

Отсюда отношение сопротивлений

Задавая одно сопротивление не менее 1 кОм из ряда номиналов резисторов, например, из ряда E24 [1], можно получить значение второго сопротивления по одной из формул

Окончательное значение сопротивления подбирается из ряда номиналов резисторов, например, E24.

Выходное напряжение u 21 неинвертирующего усилителя в K раз больше входного u 11 напряжения

Усилитель неинвертирующий, поэтому фазы входного и выходного сигналов равны. Изменяется лишь амплитуда (максимальное значение) выходного напряжения

Характер входного сигнала неинвертирующего усилителя, например, синусоидальный

сохраняется и на выходе

где ω — частота, c -1 .

где f — частота, c -1 .

При гармонических изменениях напряжения п ериод, с

Графики входного u 11 = u 11 ( t ) и выходного напряжения u 21 = u 21( t ) имеют одинаковый вид, например, синусоида или косинусоида одновременно.

1.4 Повторитель напряжения

Повторитель напряжения точно сохраняет на выходе значение напряжения на входе, но значительно увеличивает ток на выходе, по сравнению с очень маленьким током на входе. Это позволяет разгрузить слабые источники сигнала, датчики. Повторитель напряжения позволяет использовать радиокомпоненты с малым выходным током, например, фотоэлемент или микрофон. Схема повторителя получается из неинвертирующего усилителя при прямом соединении инвертирующего входа с выходом (см. рисунок 3). Провод, соединяющий инвертирующий вход и выход выполняет функцию отрицательной обратной связи. Коэффициент усиления по напряжению повторителя напряжения равен единице K = 1.

Рисунок 3 — Повторитель напряжения

1.5 Дифференциальный усилитель

Дифференциальный усилитель позволяет получить выходное напряжение как разность входных сигналов. Если к полезному сигналу на оба входа примешиваются синфазные (с одинаковой фазой) и одинаковой амплитудой шумы, то дифференциальный усилитель не учитывает одинаковые уровни сигналов, а вычисляет полезный сигнал как разность напряжений на двух входах.

Если требуется определить различие между двумя входными сигналами без усиления их разности потенциалов, то вместе с ОУ достаточно использовать 4 одинаковых сопротивления (см. рисунок 4).

Рисунок 4 — Дифференциальный усилитель с K = 1

Выходное напряжение u 21 в этом случае (при K = 1) будет равно разности входных напряжений

Но обычно на вход усилителя поступают очень слабые сигналы, поэтому дифференциальный усилитель используют еще и для усиления разности входных сигналов путем использования 2-х пар одинаковых сопротивлений (см. рисунок 5).

Рисунок 5 — Дифференциальный усилитель с K ≠ 1

Выходное напряжение u 21 в этом случае (при K ≠ 1) будет равно отношению сопротивлений, умноженному на разность входных напряжений

Такая схема дифференциального усилителя имеет коэффициент усиления

Сопротивление R 2 выполняет роль отрицательной обратной связи.

1.6 Суммирующий инвертирующий усилитель

Суммирующий усилитель позволяет получить выходное напряжение как сумму напряжений нескольких входных сигналов (см. рисунок 6). Сопротивление R 3 выполняет роль отрицательной обратной связи.

Рисунок 6 — Суммирующий инвертирующий усилитель

Коэффициенты усиления суммирующего инвертирующего усилителя, собранного на ОУ1 (см. рисунок 6) обычно нумеруются от верхнего входа K ∑1 к нижнему на схеме входу K ∑2. Из формулы коэффициента усиления верхнего на схеме входного сигнала

можно определить выходное сопротивление

Из формулы коэффициента усиления нижнего на схеме входного сигнала

можно определить выходное сопротивление

Можно приравнять левую и правые части уравнений

Задаваясь R 1 и R 2 в соответствии с рядом номиналов резисторов, например, E24, можно определить выходное сопротивление R 3 , которое должно получиться не менее 1 кОм и с оответствовать ряду номиналов резисторов.

Суммирующий инвертирующий усилитель суммирует умноженные на соответствующие коэффициенты усиления входные напряжения u 11 и u 12 :

1.7 Интегрирующий усилитель

Интегрирующим усилителем (интегратором) называется электронное устройство, выходной сигнал у которого пропорционален интегралу по времени от входного сигнала (см. рисунок 7). Интегрирование осуществляется при решении дифференциальных уравнений, генерировании и обработке аналоговых сигналов.

Рисунок 7 — Интегрирующий усилитель

Коэффициент усиления K И интегрирующего усилителя, собранного на ОУ1 (см. рисунок 7 ) на частоте входного сигнала определяется по формуле

где C 1 — емкость конденсатора, Ф (фарад) .

Конденсатор C 1 выполняет роль отрицательной обратной связи.

Задавая R 1 не менее 1 кОм согласно ряду номиналов резисторов [1], можно получить для интегрирующего усилителя значение емкости конденсатора

Емкость подбирается согласно ряда номиналов конденсаторов [1], например, E24.

Для интегрирующего усилителя выходное напряжение

где u(0) – начальное значение напряжения, В.

Интегрирование изменяет синусоидальный входной сигнал на изменяющийся по закону косинуса выходной сигнал, поэтому график выходного напряжения интегратора u 21 = u 21( t ) может быть косинусоидой.

1.8 Дифференцирующий усилитель

Дифференцирующий усилитель ( дифференциатор ) предназначен для получения выходного сигнала, изменяющегося пропорционально скорости изменения входного сигнала. Дифференцирующий усилитель (см. рисунок 8) не стоит путать с дифференциальным усилителем.

Рисунок 8 — Дифференцирующий усилитель

Коэффициент усиления дифференцирующего усилителя , собранного на ОУ1 (см. рисунок 8 ) на частоте входного сигнала

Отсюда можно определить емкость конденсатора дифференциатора

Подбираются ближайшие емкости или сопротивления из рядов номиналов резисторов или емкостей, например, E24.

Читайте также:  План урока физики 8 класс белага работа электрического тока закон джоуля ленца

Сопротивление R 1 выполняет роль отрицательной обратной связи.

Для дифференцирующего усилителя выходное напряжение

Если входное напряжение дифференциатора изменяется по закону синуса, то график выходного напряжения u 21 = u 21( t ) изменяется по закону косинуса, так как при дифференцировании синус меняется на косинус.

Конденсатор после того, как один раз зарядится, не проводит постоянный ток. Поэтому, если входное напряжение постоянное

(частота равна нулю ω = 0) , то выходное напряжение равно нулю u 21=0, так как при дифференцировании постоянной величины получается ноль. График входного постоянного напряжения является прямой линией, параллельной оси времени, а график выходного напряжения совпадает с осью t .

Если входное напряжение прямоугольной формы, то на участках постоянного входного напряжения выходное напряжение равно нулю.

Перечень условных обозначений, символов, единиц и терминов

АЭУ – аналоговое электронное устройство;

К – коэффициент усиления неинвертирующего усилителя;

K И — коэффициент усиления интегрирующего усилителя на частоте входного сигнала;

K д — коэффициент усиления дифференцирующего усилителя по основной гармонике входного напряжения;

КΣ1 , КΣ2 — коэффициенты усиления суммирующего усилителя;

U m 1 — амплитуда входного напряжения;

ƒ — частота синусоидального напряжения;

Т — период входного напряжения, с;

ОУ – операционный усилитель;

ОС – обратная связь;

ООС — отрицательная обратная связь.

Список использованных источников

ГОСТ 28884-90 (МЭК 63-63). Ряды предпочтительных значений для резисторов и конденсаторов.

Важенин В. Г. Аналоговые устройства на операционных усилителях : учебное пособие / В. Г. Важенин, Ю. В. Марков, Л. Л. Лесная ; под общ. ред. В. Г. Важенина. — Екатеринбург: Изд-во Урал. ун-та, 2014. — 107 с.

Схемотехника электронных средств : учеб. пособие для студ. высш. учеб. заведений / Б.Ф. Лаврентьев. — М.: Издательский центр «Академия», 2010. 336 с.

Павлов В.Н., Ногин В.Н. Схемотехника аналоговых электронных устройств: Учебник для вузов – М.: Горячая линия — Телеком, 2005. – 320 с.

Консультации Ольшевского Андрея Георгиевича по Skype da . irk . ru

Теоретические основы электротехники (ТОЭ), электроника, схемотехника, основы цифровой, аналоговой электроники, электродинамика и распространение радиоволн.

Понятное объяснение теории, ликвидация пробелов в понимании, обучение приемам решения задач, консультирование при написании курсовых, дипломов.

Искусственный интеллект. Обучение созданию шахматной программы.

Генерация, внедрение идей. Основы научных исследований, методы генерации, внедрения научных, изобретательских, бизнес идей. Обучение приемам решения научных проблем, изобретательских задач. Научное, изобретательское, писательское, инженерное творчество. Постановка, выбор, решение наиболее ценных научных, изобретательских задач, идей.

Публикации результатов творчества. Как написать и опубликовать научную статью, подать заявку на изобретение, написать, издать книгу. Теория написания, защиты диссертаций. Зарабатывание денег на идеях, изобретениях. Консультирование при создании изобретений, написании заявок на изобретения, научных статей, заявок на изобретения, книг, монографий, диссертаций. Соавторство в изобретениях, научных статьях, монографиях.

Подготовка студентов и школьников по математике, физике, информатике, школьников желающих получить много баллов (часть C) и слабых учеников к ОГЭ (ГИА) и ЕГЭ. Одновременное улучшение текущей успеваемости путем развития памяти, мышления, понятного объяснения сложного, наглядного преподнесения предметов. Особый подход к каждому ученику. Подготовка к олимпиадам, обеспечивающим льготы при поступлении. 15-летний опыт улучшения успеваемости учеников.

Высшая математика, алгебра, геометрия, теория вероятностей, математическая статистика, линейное программирование.

Авиационные, ракетные и автомобильные двигатели. Гиперзвуковые, прямоточные, ракетные, импульсные детонационные, пульсирующие, газотурбинные, поршневые двигатели внутреннего сгорания — теория, конструкция, расчет, прочность, проектирование, технология изготовления. Термодинамика, теплотехника, газовая динамика, гидравлика.

Авиация, аэромеханика, аэродинамика, динамика полета, теория, конструкция, аэрогидромеханика. Сверхлегкие летательные аппараты, экранопланы, самолеты, вертолеты, ракеты, крылатые ракеты, аппараты на воздушной подушке, дирижабли, винты — теория, конструкция, расчет, прочность, проектирование, технология изготовления.

Теоретическая механика (теормех), сопротивление материалов (сопромат), детали машин, теория механизмов и машин (ТММ), технология машиностроения, технические дисциплины.

Аналитическая геометрия, начертательная геометрия, инженерная графика, черчение. Компьютерная графика, программирование графики, чертежи в Автокад, Нанокад, фотомонтаж.

Логика, графы, деревья, дискретная математика.

OpenOffice и LibreOffice Basic, Visual Basic, VBA, NET, ASP.NET, макросы, VBScript, Бэйсик, С, С++, Делфи, Паскаль, Delphi, Pascal, C#, JavaScript, Fortran, html, Маткад. Создание программ, игр для ПК, ноутбуков, мобильных устройств. Использование бесплатных готовых программ, движков с открытыми исходными кодами.

Создание, размещение, раскрутка, программирование сайтов, интернет-магазинов, заработки на сайтах, Web-дизайн.

Информатика, пользователь ПК: тексты, таблицы, презентации, обучение методу скоропечатания за 2 часа, базы данных, 1С, Windows, Word, Excel, Access, Gimp, OpenOffice, Автокад, nanoCad, Интернет, сети, электронная почта.

Устройство, ремонт компьютеров стационарных и ноутбуков.

Видеоблогер, создание, редактирование, размещение видео, видеомонтаж, зарабатывание денег на видеоблогах.

Выбор, достижение целей, планирование.

Обучение зарабатыванию денег в Интернет: блогер, видеоблогер, программы, сайты, интернет-магазин, статьи, книги и др.

Вы можете поддержать развитие сайта с помощью платежной формы ниже.

Также Вы можете оплатить консультационные и прочие услуги Ольшевского Андрея Георгиевича

Источник

ElectronicsBlog

Обучающие статьи по электронике

Схемы включения операционных усилителей

Прошлая статья открыла цикл статей про строительные кирпичики современной аналоговой электроники – операционные усилители. Было дано определение ОУ и некоторые параметры, также приведена классификация операционных усилителей. Данная статья раскроет такое понятие как идеальный операционный усилитель, и будут приведены основные схемы включения операционного усилителя.

Для сборки радиоэлектронного устройства можно преобрески DIY KIT набор по ссылке.

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:

  1. Ток, протекающий через входы ОУ, принимается равным нулю.
  2. Коэффициент усиления ОУ принимается бесконечно большим, то есть выходное напряжение усилителя может достичь любых значений, однако в реальность ограничено напряжением питания.
  3. 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.
  4. Выходное сопротивление идеального ОУ равно нулю.
  5. 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.

Основные схемы включения операционного усилителя

Как указывалось в предыдущей статье, операционные усилители работают только с обратными связями, от вида которой зависит, работает ли операционный усилитель в линейном режиме или в режиме насыщения. Обратная связь с выхода ОУ на его инвертирующий вход обычно приводит к работе ОУ в линейном режиме, а обратная связь с выхода ОУ на его неинвертирующий вход или работа без обратной связи приводит к насыщению усилителя.

Неинвертирующий усилитель

Неинвертирующий усилитель характеризуется тем, что входной сигнал поступает на неинвертирующий вход операционного усилителя. Данная схема включения изображена ниже

Схема включения неинвертирующего усилителя.

Схема включения неинвертирующего усилителя.

Работа данной схемы объясняется следующим образом, с учётом характеристик идеального ОУ. Сигнала поступает на усилитель с бесконечным входным сопротивлением, а напряжение на неинвертирующем входе имеет такое же значение, как и на инвертирующем входе. Ток на выходе операционного усилителя создает на резисторе R2 напряжение, равное входному напряжению.

Таким образом, основные параметры данной схемы описываются следующим соотношением

20160101

Отсюда выводится соотношение для коэффициента усиления неинвертирующего усилителя

20160102

Таким образом, можно сделать вывод, что на коэффициент усиления влияют только номиналы пассивных компонентов.

Необходимо отметить особый случай, когда сопротивление резистора R2 намного больше R1 (R2 >> R1), тогда коэффициент усиления будет стремиться к единице. В этом случае схема неинвертирующего усилителя превращается в аналоговый буфер или операционный повторитель с единичным коэффициентом передачи, очень большим входным сопротивлением и практически нулевым выходным сопротивлением. Что обеспечивает эффективную развязку входа и выхода.

Инвертирующий усилитель

Инвертирующий усилитель характеризуется тем, что неинвертирующий вход операционного усилителя заземлён (то есть подключен к общему выводу питания). В идеальном ОУ разность напряжений между входами усилителя равна нулю. Поэтому цепь обратной связи должна обеспечивать напряжение на инвертирующем входе также равное нулю. Схема инвертирующего усилителя изображена ниже

Схема инвертирующего усилителя

Схема инвертирующего усилителя.

Работа схемы объясняется следующим образом. Ток протекающий через инвертирующий вывод в идеальном ОУ равен нулю, поэтому токи протекающие через резисторы R1 и R2 равны между собой и противоположны по направлению, тогда основное соотношение будет иметь вид

20160201

20160202
20160203

20160204

Тогда коэффициент усиление данной схемы будет равен

20160205

Знак минус в данной формуле указывает на то, что сигнал на выходе схемы инвертирован по отношению к входному сигналу.

Интегратор

Интегратор позволяет реализовать схему, в которой изменение выходного напряжения пропорционально входному сигналу. Схема простейшего интегратора на ОУ показана ниже

Читайте также:  Корпус каски должен обеспечивать защиту от электрического тока в электроустановках напряжением

интегратор

Интегратор на операционном усилителе.

Данная схема реализует операцию интегрирования над входным сигналом. Я уже рассматривал схемы интегрирования различных сигналов при помощи интегрирующих RC и RL цепочек. Интегратор реализует аналогичное изменение входного сигнала, однако он имеет ряд преимуществ по сравнению с интегрирующими цепочками. Во-первых, RC и RL цепочки значительно ослабляют входной сигнал, а во-вторых, имеют высокое выходное сопротивление.

Таким образом, основные расчётные соотношения интегратора аналогичны интегрирующим RC и RL цепочкам, а выходное напряжение составит

20160301

Интеграторы нашли широкое применение во многих аналоговых устройствах, таких как активные фильтры и системы автоматического регулирования

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 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

20160302

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

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

20160401

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

20160402

тогда выходное напряжение

20160403

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

  1. Высокая чувствительность к температуре.
  2. 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.

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

Экспоненциальный преобразователь.

Работа схемы описывается известными выражениями

20160401

20160501

Таким образом, выходное напряжение составит

20160502

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.

Источник



Что такое операционный усилитель?

В радиоэлектронике и микросхемотехнике широкое распространение получил операционный усилитель (ОУ). Он обладает отличными техническими характеристиками (ТХ) по усилению сигналов. Чтобы понять сферы применения ОУ, нужно узнать его принцип действия, схему подключения и основные ТХ.

operacionniy-usilitel

Что такое операционный усилитель

ОУ — интегральная микросхема (ИМС), основным предназначением которой является усиление значения постоянного тока. Она имеет только один выход, который называется дифференциальным. Этот выход обладает высоким коэффициентом, усиливающим сигнал (Kу). ОУ в основном применяются при построении схем с отрицательной обратной связью (ООС), которая при основной ТХ по усилению и определяет Kу исходной схемы. ОУ применяются не только в виде отдельных ИМС, но и в разных блоках сложных устройств.

У ОУ 2 входа и 1 выход, а также есть выводы для подключения источника питания (ИП). Принцип действия операционного усилителя прост. Существует 2 правила, взятых за основу. Правила описывают простые процессы работы ИМС, происходящие в ОУ, и как работает ИМС, понятно даже чайникам. На выходе разность напряжений (U) равна 0, а входы ОУ почти не потребляют ток (I). Один вход называется неинвертирующим (V+), а другой является инвертирующим (V-). Кроме того, входы ОУ обладают высоким сопротивлением (R) и практически не потребляют I.

Чип сравнивает значения U на входах и выдает сигнал, предварительно усиливая его. Kу ОУ имеет высокое значение, достигающее 1000000. Если произойдет подача низкого U на вход, то на выходе возможно получить величину, равную U источника питания (Uип). Если U на входе V+ больше, чем на V-, то на выходе получится максимальное положительное значение. При запитывании положительным U инвертирующего входа на выходе будет максимальная величина отрицательного напряжения.

Основным требованием для работы ОУ является применение двухполярного ИП. Возможно применение однополярного ИП, но при этом возможности ОУ сильно ограничиваются. Если использовать батарейку и принять за 0 ее плюсовую сторону, то при измерении значений получится 1,5 В. Если взять 2 батарейки и соединить их последовательно, то произойдет сложение U, т.е. прибор покажет 3 В.

Если принять за ноль минусовой вывод батарейки, то прибор покажет 3 В. В другом случае, если принять за 0 плюсовой вывод, то получается -3 В. При использовании в качестве нуля точки между двумя батарейками получится примитивный двухполярный ИП. Проверить исправность ОУ можно только при подключении его в схему.

Виды и обозначения на схеме

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

Классификация по сферам применения:

  1. Индустриальные — дешевый вариант.
  2. Презиционные (точная измерительная аппаратура).
  3. Электрометрические (малое значение Iвх).
  4. Микромощные (потребление малого I питания).
  5. Программируемые (токи задаются при помощи I внешнего).
  6. Мощные или сильноточные (отдача большего значения I потребителю).
  7. Низковольтные (работают при U Читайте также: Что такое диодный мост, принцип его работы и схема подключения

Основные характеристики

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

  1. Усилительные.
  2. Входные.
  3. Выходные.
  4. Энергетические.
  5. Дрейфовые.
  6. Частотные.
  7. 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.

Что такое операционный усилитель?

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:

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

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:

  1. Предусилители.
  2. Усилители звуковых и видеочастотных сигналов.
  3. Компараторы U.
  4. Дифусилители.
  5. Диференциаторы.
  6. Интеграторы.
  7. Фильтрующие элементы.
  8. Выпрямители (повышенная точность выходных параметров).
  9. Стабилизаторы U и I.
  10. Вычислители аналогового типа.
  11. АЦП (аналого-цифровые преобразователи).
  12. ЦАП (цифро-аналоговые преобразователи).
  13. Устройства для генерации различных сигналов.
  14. Компьютерная техника.

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

Что такое операционный усилитель?

Что такое компаратор напряжения и для чего он нужен

Что такое операционный усилитель?

Что такое биполярный транзистор и какие схемы включения существуют

Что такое операционный усилитель?

Что такое делитель напряжения и как его рассчитать?

Что такое операционный усилитель?

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

Что такое операционный усилитель?

Описание характеристик, назначение выводов и примеры схем включения линейного стабилизатора напряжения LM317

Что такое операционный усилитель?

Режимы работы, описание характеристик и назначение выводов микросхемы NE555

Источник

Операционный усилитель

Что такое операционный усилитель

Операционный усилитель (ОУ) англ. Operational Amplifier (OpAmp), в народе – операционник, является усилителем постоянного тока (УПТ) с очень большим коэффициентом усиления. Словосочетание «усилитель постоянного тока» не означает, что операционный усилитель может усиливать только постоянный ток. Имеется ввиду, начиная с частоты в ноль Герц, а это и есть постоянный ток.

Термин «операционный» укрепился давно, так как первые образцы ОУ использовались для различных математических операций типа интегрирования, дифференцирования, суммирования и тд. Коэффициент усиления ОУ зависит от его типа, назначения, структуры и может превышать 1 млн!

Обозначение на схеме операционного усилителя

На схемах операционный усилитель обозначается вот так:

операционный усилитель обозначение на схеме

операционный усилитель обозначение на старых схемах

Чаще всего ОУ на схемах обозначаются без выводов питания

операционный усилитель обозначение на схеме

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

ОУ

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.

Питание операционных усилителей

Если выводы питания не указаны, то считается, что на ОУ идет двухполярное питание +E и -E Вольт. Его также помечают как +U и -U, VCC и VEE, Vc и VE. Чаще всего это +15 и -15 Вольт. Двухполярное питание также называют биполярным питанием. Как это понять – двухполярное питание?

Давайте представим себе батарейку

Операционный усилитель

Думаю, все вы в курсе, что у батарейки есть “плюс” и есть “минус”. В этом случае “минус” батарейки принимают за ноль, и уже относительно нуля считают напряжение батарейки. В нашем случае напряжение батарейки равняется 1,5 Вольт.

А давайте возьмем еще одну такую батарейку и соединим их последовательно:

операционный усилитель двухполярное питание

Итак, общее напряжение у нас будет 3 Вольта, если брать за ноль минус первой батарейки.

А что если взять на ноль минус второй батарейки и относительно него уже замерять все напряжения?

операционный усилитель питание

Вот здесь мы как раз и получили двухполярное питание.

Идеальная и реальная модель операционного усилителя

Для того, чтобы понять суть работы ОУ, рассмотрим его идеальную и реальную модели.

1) Входное сопротивление идеального ОУ бесконечно большое.

входное сопротивление операционный усилитель

В реальных ОУ значение входного сопротивления зависит от назначения ОУ (универсальный, видео, прецизионный и т.п.) типа используемых транзисторов и схемотехники входного каскада и может составлять от сотен Ом и до десятков МОм. Типовое значение для ОУ общего применения – несколько МОм.

2) Второе правило вытекает из первого правила. Так как входное сопротивление идеального ОУ бесконечно большое, то входной ток будет равняться нулю.

Операционный усилитель

На самом же деле это допущение вполне справедливо для ОУ с полевыми транзисторами на входе, у которых входные токи могут быть меньше пикоампер. Но есть также ОУ с биполярными транзисторами на входе. Здесь уже входной ток может быть десятки микроампер.

3) Выходное сопротивление идеального ОУ равняется нулю.

Операционный усилитель

Это значит, что напряжение на выходе ОУ не будет изменяться при изменении тока нагрузки. В реальных ОУ общего применения выходное сопротивление составляет десятки Ом (обычно 50 Ом).
Кроме того, выходное сопротивление зависит от частоты сигнала.

4) Коэффициент усиления в идеальном ОУ бесконечно большой. В реальности он ограничен внутренней схемотехникой ОУ, а выходное напряжение ограничено напряжением питания.

5) Так как коэффициент усиления бесконечно большой, следовательно, разность напряжений между входами идеального ОУ равняется нулю. Иначе если даже потенциал одного входа будет больше или меньше хотя бы на заряд одного электрона, то на выходе будет бесконечно большой потенциал.

6) Коэффициент усиления в идеальном ОУ не зависит от частоты сигнала и постоянен на всех частотах. В реальных ОУ это условие выполняется только для низких частот до какой-либо частоты среза, которая у каждого ОУ индивидуальна. Обычно за частоту среза принимают падение усиления на 3 дБ или до уровня 0,7 от усиления на нулевой частоте (постоянный ток).

Схема простейшего ОУ на транзисторах выглядит примерно вот так:

операционный усилитель внутреннее строение

Принцип работы операционного усилителя

Давайте рассмотрим, как работает ОУ

Операционный усилитель

Принцип работы ОУ очень прост. Он сравнивает два напряжения и на выходе уже выдает отрицательный, либо положительный потенциал питания. Все зависит от того, на каком входе потенциал больше. Если потенциал на НЕинвертирующем входе U1 больше, чем на инвертирующем U2, то на выходе будет +Uпит, если же на инвертирующем входе U2 потенциал будет больше, чем на НЕинвертирующем U1, то на выходе будет -Uпит. Вот и весь принцип ;-).

Давайте рассмотрим этот принцип в симуляторе Proteus. Для этого выберем самый простой и распространенный операционный усилитель LM358 (аналоги 1040УД1, 1053УД2, 1401УД5) и соберем примитивную схему, показывающую принцип работы

Операционный усилитель

Подадим на НЕинвертирующий вход 2 Вольта, а на инвертирующий вход 1 Вольт. Так как на НЕинвертирующем входе потенциал больше, то следовательно, на выходе мы должны получить +Uпит. Мы получили 13,5 Вольт, что близко к этому значению

Операционный усилитель

Но почему не 15 Вольт? Виновата во всем сама внутренняя схемотехника ОУ. Максимальное значение ОУ не всегда может равняться положительному либо отрицательному напряжению питания. Оно может отклоняться от 0,5 и до 1,5 Вольт в зависимости от типа ОУ.

Но, как говорится, в семье не без уродов, и поэтому на рынке уже давно появились ОУ, которые могут выдавать на выходе допустимое напряжение питания, то есть в нашем случае это значения, близкие к +15 и -15 Вольтам. Такая фишка называется Rail-to-Rail, что в дословном переводе с англ. “от рельса до рельса”, а на языке электроники “от одной шины питания и до другой”.

Давайте теперь на инвертирующий вход подадим потенциал больше, чем на НЕинвертирущий. На инвертирующий подаем 2 Вольта, а на НЕинвертирующий подаем 1 Вольт:

операционный усилитель работа

Как вы видите, в данный момент выход “лег” на -Uпит, так как на инвертирующем входе потенциал был больше, чем на НЕинвертирующем.

Чтобы не качать лишний раз программный комплекс Proteus, можно в онлайне с помощью программы Falstad сэмулировать работу идеального ОУ. Для этого выбираем вкладку Circuits—Op-Amps—>OpAmp. В результате на вашем экране появится вот такая схемка:

Операционный усилитель

На правой панели управления увидите бегунки для добавления напряжения на входы ОУ и уже можете визуально увидеть, что получится на выходе ОУ при изменении напряжения на входах.

Операционный усилитель

Что будет на выходе ОУ, если на обоих входах будет ноль вольт?

Итак, мы рассмотрели случай, когда напряжение на входах может различаться. Но что будет, если они будут равны? Что нам покажет Proteus в этом случае? Хм, показал +Uпит.

операционный усилитель принцип работы

А что покажет Falstad? Ноль Вольт.

Операционный усилитель

Кому верить? Никому! В реале, такое сделать невозможно, чтобы на два входа загнать абсолютно равные напряжения. Поэтому такое состояние ОУ будет неустойчивым и значения на выходе могут принимать значения или -E Вольт, или +E Вольт.

Давайте подадим синусоидальный сигнал амплитудой в 1 Вольт и частотой в 1 килоГерц на НЕинвертирующий вход, а инвертирующий посадим на землю, то есть на ноль.

операционный усилитель схема Proteus

Смотрим, что имеем на виртуальном осциллографе:

Операционный усилитель

Что можно сказать в этом случае? Когда синусоидальный сигнал находится в отрицательной области, на выходе ОУ у нас -Uпит, а когда синусоидальный сигнал находится в положительной области, то и на выходе имеем +Uпит.

Скорость нарастания выходного напряжения

Также обратите внимание на то, что напряжение на выходе ОУ не может резко менять свое значение. Поэтому, в ОУ есть такой параметр, как скорость нарастания выходного напряжения VUвых .

Этот параметр показывает насколько быстро может измениться выходное напряжение ОУ при работе в импульсных схемах. Измеряется в Вольт/сек. Ну и как вы поняли, чем больше значение этого параметра, тем лучше ведет себя ОУ в импульсных схемах. Для LM358 этот параметр равен 0,6 В/мкс.

При участии Jeer

Также смотрите видео “Что такое операционный усилитель (ОУ) и как он работает”

Источник