Операционный усилитель высокий выходной ток

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.

Примечания[править | править код]

  1. Единственным исключением является простейший аналоговый компаратор
  2. Казалось бы, это бессмысленное допущение, поскольку при этом на выходе было бы бесконечное напряжение всегда, за исключением редкого случая, когда напряжения на входах V— и V+ равны. В действительности выходное напряжение даже в теоретичесокой модели всегда ограничено из-за использования отрицательной обратной связи.
  3. Путём изменения выходного напряжения
  4. Если система (ОУ с ОС) устойчива
  5. Это очень упрощённый подход, в действительности необходимо учитывать другие возможные состояния равновесия, а также ряд других факторов.

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.

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.

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.

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:

Параметры операционных усилителей

Современные операционные усилители обладают колоссальным входным сопротивлением. У того же дешевого и распространенного TL062 входное сопротивление составляет 1012 Ом. Для сдвоенного операционного усилителя (TL062, TL072, NE5532, LM833….) в корпусе DIP-8 или SO-8, включение по схеме повторителя показано ниже:

У операционных усилителей по мере увеличения коэффициента усиления сужается частотный диапазон и снижается верхняя передаваемая частота. Но в режиме повторителя, работая с единичным коэффициентом усиления, ОУ способен работать до максимально возможных для него частот.

Так или иначе, при выборе ОУ для повторителя, желательно иметь запас по частоте в несколько раз, лучше в 10. В таком случае можно однозначно не беспокоиться о каких либо фазовых искажения вносимых самим операционным усилителем.

При выборе микросхемы для повторителя, помимо ширины частотного диапазона, важной характеристикой является также выходной ток, который ОУ способен дать в нагрузку. Если операционный усилитель не способен обеспечить требуемый для нагрузки выходной ток, то начинаются просадки и искажения

Поэтому если речь идет о низкоомной нагрузке, для которой требуется ток более 100 мА, то с таким справится далеко не каждый операционный усилитель.

Простейший неинвертирующий усилитель на ОУ[править | править код]

Из рассмотрения принципа работы идеального ОУ следует очень простая методика проектирования схем:

Таким образом, требуемое состояние системы будет устойчивым состоянием равновесия, и система будет в нем находиться неограниченно долго. Пользуясь этим упрощённым подходом, несложно получить простейшую схему усилителя.

Обозначение операционного усилителя на схемах, неинвертирующая схема включения

От усилителя требуется наличие на выходе напряжения, превышающего входное в K раз. В соответствии с приведённой выше методикой подадим на неинвертирующий вход ОУ сам входной сигнал, а на инвертирующий — выходной сигнал, поделённый в K раз резистивным делителем напряжения.

Пусть, K — коэффициент деления напряжения резистивным делителем R1R2:

K = R1 / (R1 + R2)

тогда для неидеального ОУ (с конечным коэффициентом усиления Gopenloop) имеем:

V+ = Vin V− = K Vout Vout = Gopenloop(Vin − K Vout)

Решая данную систему относительно Vout / Vin, получаем:

Vout/Vin = Gopenloop/(1 + GopenloopK)

то есть получен усилитель, коэффициент усиления которого зависит от усиления ОУ и номиналов резисторов. Если же ОУ имеет очень большой коэффициент усиления Gopenloop (много больший, чем 1/K), то коэффициент Gopenloop в выражении сокращается и получаем более простое выражение:

Vout/Vin = 1/K = 1 + (R2/R1)

Таким образом, коэффициент передачи усилителя, построенного на ОУ с достаточно большим усилением, практически зависит только от параметров обратной связи. Это полезное свойство позволяет проектировать системы с очень стабильным коэффициентом передачи, необходимые, например, при измерениях и обработке сигналов.

Классификация обратных связей в усилителях

Обратные связи бывают полезными, если мы их создаем сами, и паразитными (вредными), если они возникают в схемах помимо нашего желания.

По месту нахождения по отношению к усилителю ОС могут быть внутренними, если передача сигнала с выхода на вход происходит через внутренние элементы усилителя, и внешними, если они охватывают усилитель снаружи.

По воздействию на величину коэффициента усиления ОС бывают положительными, если увеличивают его, и отрицательными, если уменьшают.

Реализация полезных обратных связей может быть различной. Различают 4 вида обратных связей:

На рисунках изображены: а) последовательная ОС по напряжению б) параллельная ОС по напряжению в) последовательная ОС по току г) параллельная ОС по току

Для определения вида обратной связи (ОС) нужно «закоротить» нагрузки. Если при этом сигнал обратной связи обращается в нуль, то это ОС по напряжению, если сигнал ОС не обращается в нуль, то это ОС по току. При обратной связи по напряжению сигнал обратной связи, поступающий с выхода усилителя на вход, пропорционален выходному напряжению. При обратной связи по току сигнал обратной связи пропорционален выходному току. При последовательной обратной связи (со сложением напряжений) в качестве сигнала обратной связи используется напряжение, которое вычитается (для отрицательной обратной связи) из напряжения внешнего входного сигнала. При параллельной обратной связи (со сложением токов) в качестве сигнала обратной связи используется ток, который вычитается из тока внешнего входного сигнала.

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!

Компаратор операционного усилителя

Компаратор операционного усилителя, или компаратор напряжения, или компаратор — это электронное устройство, которое сравнивает два входных напряжения и обеспечивает ориентировочный выходной сигнал. Выход показывает, какое из двух входных напряжений имеет более необычные значения.

Операционный усилитель спроектирован с разомкнутой схемой для использования операционного усилителя в качестве компаратора.

  • Если напряжение на неинвертирующем выводе выше, чем напряжение на инвертирующем выводе, выход переключается на положительное напряжение насыщения операционного усилителя.
  • Если напряжение инвертирующей клеммы больше, чем напряжение на неинвертирующей клемме, реле переключается на отрицательное напряжение насыщения операционного усилителя.

Ссылки[править | править код]

  • Хоровиц П., Хилл У. Искусство схемотехники: В 3-х томах: Т. 1. Пер. с англ.— 4-е изд., перераб. и доп.— М.: Мир, 1993.—413 с., ил. ISBN 5-03-002337-2.
  • Курс лекций
  • Викиучебник по операционным усилителям(англ.)
  • Описание некоторых стандартных применений ОУ(англ.)
  • Большая коллекция схем на ОУ с однополярным питанием(англ.)
  • Коллекция типовых схем с использованием ОУ фирмы National Instruments(англ.)
  • Operational Amplifier Basics by Harry Lythall.(англ.) Основы приенения ОУ.
  • Op-Amp Handbook.(англ.) Большая книга по применению ОУ.
  • Логарифмические и другие преобразователи на ОУ(англ.)
  • Operational amplifiers(англ.) Познавательная статья об ОУ.

Синхронизируемые ПНЧ

Точность ПНЧ определяется точностью вольт-секундной площади импульса обратной связи, поэтому вместо одновибратора в синхронизируемых ПНЧ длительность импульса обратной связи формируется равной периоду опорной частоты тактового генератора с кварцевой стабилизацией.

Рассмотрим микросхемы AD7741/AD7742 (рис. 3, 4), заявленные фирмой Analog Devices как новое поколение синхронизируемых ПНЧ.

Рис. 3. Типовая схема включения AD7741

Рис. 4. Схема включения AD7742

AD7741 — это одноканальная версия в 8-выводном корпусе (DIP/SOIC), а AD7742 — многоканальная в 16-выводном (DIP/SOIC). Микросхема AD7741 имеет один буферизированный вход и работает с однополярным входным напряжением в диапазоне 0–VREF. AD7742 имеет четыре буферизированных входа, которые могут быть использованы как два дифференциальных или три псевдодифференциальных для работы с дифференциальным входным сигналом в диапазоне ±VREF/GAIN.

AD7742 имеет вход GAIN установки коэффициента усиления 1 или 2 и вход UNI/BIP задания униполярного/биполярного преобразования. Обе микросхемы содержат встроенный источник опорного напряжения VREF = +2,5 В, но предоставляют пользователю возможность подключать внешний источник. Обе питаются напряжением +5 В, потребляя ток 6 мА. Микросхемы также содержат блок логики понижения энергопотребления, который позволяет снизить потребление тока до 35 мкА в «спящем» режиме.

Входной сигнал через усилитель подается на емкостной модулятор, который преобразует входное напряжение в выходную последовательность импульсов фиксированной длительности. Выходной импульс генерируется по фронту сигнала тактового генератора (рис. 5). Длительность выходного импульса равна длительности тактового, а задержка между фронтом последнего и фронтом импульса на выходе обычно составляет 9 нс.

Рис. 5. Многоканальное аналого-цифровое преобразование с использованием синхронизируемых ПНЧ

Характерной особенностью AD7741/AD7742 является смещенный диапазон выходной частоты: нижней границе входного диапазона соответствует выходная частота 0,05FCLKIN, а верхней — 0,45FCLKIN (рис. 6). Таким образом, диапазон выходной частоты составляет 0,4FCLKIN. Максимально допустимая частота тактового генератора — 6 МГц.

Рис. 6. Характеристика преобразования: а)AD7741, б)AD7742 в биполярном режиме

Выход обеспечивает КМОП-уровни и позволяет подключать одну ТТЛ-нагрузку. Для управления светодиодом оптопары требуется усилитель или специальная схема с входным током менее 1,6 мА.

Удобно использовать ПНЧ совместно с микроконтроллерами, имеющими встроенные таймеры/счетчики. В восьмиканальном модуле ввода аналоговых сигналов AIN8 комплекса Decont производства АОЗТ «ДЭП» применен PIC-процессор. На встроенный счетчик сигналы с выходов ПНЧ подаются по очереди через мультиплексор.

Одновременное многоканальное преобразование требует большого числа счетчиков. Реализовать массив счетчиков со схемой управления и выходом в магистраль микропроцессора можно в программируемой логической интегральной схеме, как это сделано в модуле аналоговых сигналов A16 производства АО «ТЕКОН» (Москва).

Большинство микросхем ПНЧ могут быть использованы для обратного преобразования «частота—напряжение» (ПЧН). Рисунок 7 иллюстрирует включение VFC32 для работы в режиме интегрирующего ЦАП, выходное напряжение которого пропорционально среднему значению частоты входного сигнала. ПЧН полезны в схемах гальванической развязки аналоговых сигналов, в тахометрах, в электроприводе, в телеметрии.

Рис. 7. Схема включения VFC32 в режиме ПЧН

Для электронных счетчиков электроэнергии созданы преобразователи произведения двух напряжений в частоту следования импульсов , например AD7750.

В
Таблице 1 собрана информация о микросхемах ПНЧ ведущих фирм производителей электронных компонентов для аналого-цифрового преобразования:

  • Analog Devices (AD537, AD650, AD652, AD654, ADVFC32, AD7741, AD7742, AD7750);
  • Burr-Brown (VFC32, VFC320, VFC100, VFC101, VFC110, VFC121);
  • National Semiconductor (LM231, LM331);
  • TelCom (TC9400, TC9401, TC9402);
  • ПО «Альфа», г. Рига (КР1108ПП1).

При выборе ПНЧ следует учитывать:

  • количество внешних компонентов, требования к их качеству, цену;
  • точность ПНЧ (характеризуется интегральной нелинейностью, смещением и дрейфом нуля, смещением и дрейфом коэффициента преобразования);
  • диапазон выходной частоты (Df = fmax – fmin) для получения требуемой разрешающей способности за время измерения;
  • входное сопротивление или входной ток для согласования с датчиками;
  • энергопотребление (количество и уровни напряжений питания, ток потребления);
  • возможность прямого подключения оптрона к выходу ПНЧ.

Повторитель напряжения

Повторитель напряжения представляет собой неинвертирующий усилитель, обладающий единичным коэффициентом усиления. Реализуется это замыканием отрицательной обратной связи и подачей полезного сигнала на неинвертирующий вход.

При таком включении операционный усилитель старается обеспечить на выходе точную копию сигнала приходящего на его вход. В каждый момент времени , поэтому описываемая схема и называется повторителем.

Рис. 13 — Схема повторителя напряжения на ОУ

, R1 — бесконечно велико;

Ku=1;
Kос=1;
Rвх очень велико, Rвых почти 0.

Усилитель с единичным коэффициентом усиления называют также буфером или буферным каскадом. Обладая большим входным и малым выходным импедансами, повторитель, как нельзя лучше, подходит для согласования каскадов по сопротивлению. Таким образом соблюдается главное правило схемотехники — входное сопротивление следующего каскада должно быть минимум в 3, а лучше в 10 раз больше выходного сопротивления предыдущего каскада. В таком случае сигнал не претерпевает искажений.

Фильтр высоких частот

Фильтр высоких частот (ФВЧ) требуется для отсекания сигнала, частота которого ниже определенного порога, который называется, кстати, частотой среза. Схема простейших ФВЧ показаны на рис. 6.

a) б)

Рис. 6 — Схемы простейших ФВЧ
а) — с неинвертирующим включением ОУ,
б) — с инвертирующим включением ОУ

Это фильтр первого порядка с ослаблением ненужного сигнала крутизной — 6дБ на октаву. Определить частоту среза можно, рассчитывая реактивное сопротивление конденсатора. Оно равно сопротивлению резистора, включенного последовательно с конденсатором.

где
   — частота в Герцах,
   — емкость в Фарадах.

Если крутизна фильтра первого порядка кажется недостаточной, можно использовать фильтр второго порядка с крутизной 12 дБ на октаву как показано на рисунке.

Рис. 7 — Схемы ФВЧ второго порядка (фильтр Баттерворта)

Чтобы посчитать его граничную частоту можно воспользоваться следующими соотношениями:

При выборе резисторов надо учесть, что их номиналы должны
лежать в пределах 10-100 кОм, поскольку выходное сопротивление фильтра
растет вместе с частотой и если номиналы резисторов выходят за
вышеуказанные рамки это может сказаться отрицательно на работе фильтра.

Каскады усиления мощности.

Каскад
усиления мощности класса
А.

Для
усилителя мощности класса А
применяют трансформаторную связь с
нагрузкой. В режиме покоя за счет
напряжения смещения UCM
,подаваемого на базу, протекают токиIБ,
П

и IК,
П

(ток базы покоя и ток коллектора покоя).IК,
П
=IБ,
П
+(+1)IКБО.

+Максимальный
КПД достигается при больших значениях
,
т.е. при усилении больших сигналов.

+Мощность
потребляемая от источника Р,не
зависит от передаваемого сигнала.

+Максимальная
мощность потерь РК
имеет место в режиме покоя, т.к. UВХ=0.


низкий КПД, особенно при малых значениях
вх напряжения, мощность Р
не зависит от вх. сигнала и при малых
сигналах затрачивается впустую. Каскад
должен иметь трансформаторную связь
с нагрузкой, → невозможность передачи
однополярных сигналов.

Однотактный
каскад класса В
.

В
режиме покоя смещение на базу транзистора
не подается и ток коллектора покоя
равен IКЭО0.
Мощность РК=0,
т.е. нагрева транзистора в режиме покоя
практически не происходит. При подаче
на базу транзистора положительного вх
сигнала вых напряжение равно: UВЫХ=iКRН.
При отрицательном напряжении на входе
транзистор заперт: UВЫХ
=0. Такой усилитель класса Б
может усиливать только однополярные
сигналы. Определим КПД каскада: UВЫХ=UВЫХm.(UВЫХm
амплитуда выхода, является действующим
значением). PН=UВЫХm/RН=(EК)2/R.P=EКIК=EКUВЫХm/RН=EК2/RН.
=.

+КПД
каскада класса В выше, чем класса А
особенно для малых и средних сигналовUВХ.

+Мощность
потребляемая от источника ЕК
минимальна в режиме покоя и увеличивается
при росте UВХ.

+Мощность
потерь максимальна при средних значениях
,
но меньше чем максимальная мощность
потерь в усилителях класса А.

Двухтактный
каскад усиления мощности класса В

– усиливает двухполярные сигналы.

1)Двухтактный
каскад усиления с транзисторами разной
проводимости. В режиме покоя оба
транзистора заперты. При подаче
положительного UВХ
схема работает как однотактный каскад
класса В, транзистор V2
заперт. При UВХ<0,V1
заперт. Т.о. транзисторы вступают в
работу поочередно в зависимости от
полярности усиливаемого сигнала. Для
двухтактного каскада усиления мощности
класса В справедливы соотношения
однотактного усилителя класса В.

2)
На транзисторах одной проводимости.
При UВХ>0,V­1
открыт, V­2
заперт обратным напряжением на входе
(–кUВХ).
При UВХ<0,V­1
заперт, кUВХотпирает
транзистор V­
транзистор работает как эмиттерный
повторитель.

В
схеме один источник питания, но наличие
транф-ра в ней обязательно. Оба транзистора
работают по схеме с общим эмиттером.
На их базы подаются сигналы +UВХ
и –UВХ
, что обеспечивает при UВХ
>0, отпирание V1,
при UВХ<0
– отпирание V2.

Комбинированный подход

Глядя на операционные усилители в Таблице 4 можно заметить, что устройства с наибольшим выходным током, IOUT, не являются устройствами с наилучшей точностью по постоянному току, VOS и IB. Эта картина в значительной степени относится ко всем операционным усилителям. Тем не менее, существует альтернатива для прецизионных приложений, требующих выходной ток более нескольких десятков миллиампер. Подключив два операционных усилителя в конфигурации композитного усилителя (Рисунок 8), можно использовать скорость нарастания и выходной ток одного устройства и точность по постоянному току другого. Поскольку глобально замыкает контур обратной связи входной усилитель, неточный выходной усилитель может обеспечить необходимую мощность без добавления ошибки в систему.

Рисунок 8. Двухступенчатый композитный усилитель позволяет объединить преимущества двух операционных усилителей.

Цепь обратной связи, состоящая из RF, RG, RB, RIN и CIN, и цепь следящего питания, R1…R4 плюс два диода на Рисунке 8, такие же, как на Рисунке 6. Далее, уравнения для расчёта значений компонентов и параметры ошибок относятся одинаковы для обеих схем. Единственный компонент, номинал которого на Рисунке 8 опускается анализом Рисунка 6, это новый резистор обратной связи, RF2

Любой, кто знаком с операционными усилителями с токовой обратной связью, осознает важность этого резистора. Если используется операционный усилитель, отличный от AD811, необходимо выбрать значение RF2 на основе спецификации операционного усилителя, в которой обычно есть таблица рекомендуемых значений для разных коэффициентов усиления

Значения, превышающие рекомендованные, уменьшают пропускную способность и скорость нарастания выходного напряжения операционного усилителя. Значения меньшие, чем рекомендуемые, ухудшают стабильность, что может привести к самовозбуждению. Если в качестве выходного используется операционный усилитель с обратной связью по напряжению, номинал RF2 может быть снижен до 0 Ом или заменён коротким замыканием.

В Таблице 5 показано несколько операционных усилителей, которые хорошо подходят в схему, показанную на Рисунке 8. AD825 или OP97 хорошо работают в качестве входных усилителей, а преимущества усилителей с обратной связью по току AD811 или AD815 проявляются в выходном каскаде. Операционные усилители с обратной связью по току обычно являются плохим выбором для схем следящего питания из-за их чувствительности к сопротивлению цепи обратной связи. Однако они отлично подходят в качестве выходных усилителей в этой композитной схеме, потому что они подключаются в простом режиме с единичным усилением, а пути глобальной обратной связи с высоким импедансом обрабатывает входной усилитель.

Нагрузочная способность по току входного усилителя, IOUT, не имеет значения, потому что на нагрузку работает выходной операционный усилитель (Таблица 5). Кроме того, входное напряжение смещения VOS выходного усилителя не приводит к ошибке на выходе, поскольку глобальную петлю обратной связи замыкает входной усилитель. Тщательно подобрав два операционных усилителя для композитной конфигурации можно добиться параметров, недостижимых для каждого устройства по отдельности.

Таблица 5. Некоторые операционные усилители, подходящие для композитного усилителя и их основные параметры

Название

Тип

VOS

IB

VIHRH

VIHRL

VOHRH

VOHRL

IOUT

GBP

SR

maxVs

AD825*

FET

1mV

10pA

1.5V

1.5V

1.6V

1.6V

26mA

46MHz

140V/μs

36V

OP97*

BIP

30μV

30pA

1V

1V

1V

1V

20mA

900KHz

0.2V/μs

40V

AD811*

CF

3mV

2μA

2V

2V

3V

3V

100mA

140MHz

2500V/μs

36V

AD815*

CF

10mV

2μA

1.5V

1.5V

1V

1V

750mA

120MHz

900V/μs

36V

* Устройство не подвержено реверсу фазы

Коэффициент усиления

Полученная схема — это неинвертирующий усилитель. Коэффициент усиления сигнала определяют резисторы R1 и R2. Его точное значение определяется формулой:

Будем считать, что на вход мы подаем сигнал с линейного выхода. В таком случае коэффициента усилия по напряжению равного 3 будет с хорошим запасом. Поэтому на три и будем ровняться.

От точности резисторов R1 и R2 зависит насколько одинаковым будет усиление у каналов. Поэтому желательно, чтобы резисторы имели точностью не хуже ±1%.Далеко не всегда в магазинах или в домашних запасах можно найти большой ассортимент номиналов резисторов хорошей точности. Но в данном случае можно обойтись резисторами одного номинала.

Так, в закромах шкафа были найдены прецизионные резисторы по 7,5 кОм которые и стали резисторами R1. В качестве R2 было использовано по два резистора в 7,5 кОм, которые были включены последовательно. Аналогично можно сделать, включив параллельно два резистора по 15кОм в качестве R1, и один резистора на 15кОм в качестве R2.

Для изменения коэффициента усиления лучше менять резистор R2. Для звуковых схем на ОУ, обычно рекомендуется использовать резисторы номиналом 1÷50 кОм. Любой резистор вносит шум в аудио тракт и чем больше номинал этого резистора — тем больше вносимый им шум.

Классификация ОУ[править | править код]

По области примененияправить | править код

Выпускаемые промышленностью операционные усилители постоянно совершенствуются, параметры ОУ приближаются к идеальным. Однако улучшить все параметры одновременно технически невозможно или нецелесообразно из-за дороговизны полученного чипа. Для того, чтобы расширить область применения ОУ, выпускаются различные их типы, в каждом из которых один или несколько параметров являются выдающимися, а остальные на обычном уровне (или даже чуть хуже). Это оправдано, так как в зависимости от сферы применения от ОУ требуется высокое значение того или иного параметра, но не всех сразу. Отсюда вытекает классификация ОУ по областям применения.

  • Индустриальный стандарт. Так называют широко применяемые, очень дешевые ОУ общего применения со средними характеристиками. Пример: LM324.
  • Прецизионные ОУ имеют очень малые напряжения смещения, применяются в точных измерительных схемах. Обычно ОУ на биполярных транзисторах по этому показателю несколько лучше, чем на полевых. Также от прецизионных ОУ требуется долговременная стабильность параметров. Исключительно малыми смещениями обладают стабилизированные прерыванием ОУ. Пример: AD707 с напряжением смещения 15 мкВ.
  • С малым входным током (электрометрические) ОУ. Все ОУ, имеющие полевые транзисторы на входе, обладают малым входным током. Но среди них существуют специальные ОУ с исключительно малым входным током. Чтобы полностью реализовать их преимущества, при проектировании устройств с их использованием необходимо даже учитывать утечку тока по печатной плате. Пример: AD549 с входным током 6·10-14 А.
  • Микромощные и программируемые ОУ потребляют малый ток на собственное питание. Такие ОУ не могут быть быстродействующими, так как малый потребляемый ток и высокое быстродействие — взаимоисключающие требования. Программируемыми называются ОУ, для которых все внутренние токи покоя можно задать с помощью внешнего тока, подаваемого на специальный вывод ОУ.
  • Мощные (сильноточные) ОУ могут отдавать большой ток в нагрузку.
  • Высоковольтные ОУ. Все напряжения для них (питания, синфазное входное, максимальное выходное) значительно больше, чем для ОУ широкого применения.
  • Быстродействующие ОУ имеют высокую скорость нарастания и частоту единичного усиления. Такие ОУ не могут быть микромощными.

Возможны также комбинации данных категорий, например, прецизионный быстродействующий ОУ.

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.

Смотрите это видео на YouTube

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.

Краткий обзор новых семейств ОУ

В полном соответствии с выбранными направлениями, новые семейства ОУ могут быть объединены в несколько основных групп (рисунок 2):

  • LOW POWER – ОУ с низким потреблением мощности. Ток потребления для ОУ из этой группы не превышает нескольких миллиампер. При этом для некоторых семейств напряжение питания может достигать 16 В. Эти ОУ обладают высокой живучестью (способны работать в расширенном температурном диапазоне -40…125°С, имеют встроенную защиту от статики) и идеально подходят для промышленных приложений и автомобильной электроники.
  • MICRO POWER – наиболее универсальная и совершенная группа ОУ. Сочетает низкие значения тока потребления (менее 100 мкА), низкие входные токи (типовое значение 10 пА для большинства семейств) и малые напряжения смещения (0,8 мВ для большинства семейств).
  • NANO POWER – группа включает одно семейство – TSU1x, главной особенностью которого является сверхмалое значение тока потребления, не превышающее нескольких сот наноампер.
  • Прецизионное семейство TSV7x с начальным напряжением смещения менее 0.2 мВ (25°С), и менее 1.2 мВ во всем рабочем температурном диапазоне (-40…125°С).
  • Прецизионное семейство TSZx с нулевым напряжением смещения.

Рис. 2. Портфолио новых ОУ производства компании STMicroelectronics

Следует четко понимать, что такое разделение на группы носит условный характер. Анализ показывает (рисунок 3), что прецизионные семейства TSV7x и TSZx имеют потребление на уровне десятков микроампер, что соответствуют потреблению группы MICRO POWER. То есть эти усилители вполне подходят для устройств с батарейным питанием.

Рис. 3. Потребление новых семейств ОУ производства компании STMicroelectronics

Можно заметить, что уровень потребления связан с частотными свойствами семейств. Семейства с большим потреблением обладают лучшими динамическими и частотными свойствами. Так, например, наиболее широким частотным диапазоном (до 16 МГц) обладает семейство TSX92x, потребление которого составляет 2.8 мА. Наименьшим потреблением и, вместе с тем, самым узким диапазоном частот обладает семейство TSU1x.

Анализ метрологических свойств новых ОУ также дает интересные результаты (рисунок 4). Семейства TSV6x, TSV56x, TSX63x, согласно приведенной выше классификации, относят к группе усилителей с микропотреблением, что не мешает им быть прецизионными. Действительно, несмотря на малые питающие токи, эти ОУ имеют достаточно малые значения напряжения смещения, что позволяет применять их в точных измерительных цепях.

Рис. 4. Напряжение смещения новых семейств ОУ производства компании STMicroelectronics

Вышеперечисленные факты позволяют сделать следующие выводы:

  • новые семейства ОУ в большей степени не конкурируют, а взаимно дополняют друг друга;
  • все новые ОУ обладают весьма низким потреблением;
  • большая часть новых семейств имеет отличные метрологические характеристики;
  • многообразие семейств и наименований дает возможность оптимально выбрать нужный усилитель.

Источник: ledsshop.ru

Стиль жизни - Здоровье!