Делитель напряжения на операционном усилителе. Операционный усилитель. Схемы источников двуполярного питания
В неинвертирующем усилителе входной сигнал подаётся на неинвертирующий вход ОУ (+), в этом основное отличие неинвертирующего усилителя на ОУ от . При этом источник сигнала «видит» бесконечное входное сопротивление ОУ. Напряжение смещения нуля равно нулю, и поэтому инвертирующий вход ОУ должен иметь тот же потенциал, что и неинвертирующий. Ток с выхода ОУ создаёт падение напряжения на резисторе R G , которое должно быть равно входному напряжению V IN .
Рис. 1. Неинвертирующий ОУ
Для расчета выходного напряжения V OUT и коэффициента усиления воспользуется правилом расчета делителя напряжения:
После преобразования получается выражение для коэффициента усиления в следующем виде:
Важно отметить, что в выражении (2) присутствуют только номиналы пассивных элементов.
Если сопротивление резистора R G выбрать намного больше, чем R F , то отношение (R F /R G) стремится к нулю, а при нулевом сопротивлении R F выражение (2) преобразуется в
В этом случае неинвертирующий усилитель превращается в буфер (повторитель сигнала) с единичным коэффициентом передачи, с бесконечным входным и нулевым выходным сопротивлениями. Резистор R G в этом случае тоже может быть исключён из схемы. На практике некоторые ОУ могут «сгореть» при включении без резистора R F . По этой причине во многих конструкциях буферов этот резистор присутствует. Его функция - защищать инвертирующий вход от бросков напряжения путём ограничения тока на безопасном уровне. Часто используемый номинал этого резистора 20 кОм. В схемах усилителей стоковой обратной связью резистор R F определяет стабильность и требуется всегда. Впрочем, не поленитесь и полистайте datasheet на операционник. Если там описано включение как на рис. 2 — смело используйте!
Усилители на ОУ используют отрицательную обратную связь (ООС), поэтому есть несколько простых правил, которые определяют поведение такого усилителя. Следует воспользоваться тремя упрощающими предположениями о свойствах ОУ: коэффициент усиления ОУ без обратной связи и входное сопротивления бесконечно велики, выходное сопротивление равно нулю.
При анализе следует помнить, что большой коэффициент усиления по напряжению ОУ приводит к тому, что изменение напряжения между входами на несколько долей милливольта вызывает изменение выходного напряжения в пределах его полного диапазона. Из этого следует первое правило: ОУ усиливает разность напряжения между входами и за счет внешней схемы ООС передает напряжение с выхода на вход таким образом, что разность напряжений между входами практически равна нулю.
Входное сопротивление различных типов ОУ находится в пределах от мегаом до тысяч мегаом, входные токи - от долей наноампер до пикоампер. Это дает основание сформулировать второе правило: входы операционного усилителя токов не потребляют. Эти правила дают достаточную основу для анализа схем на ОУ. Схема инвертирующего усилителя на ОУ приведена на рис.
Рис. Инвертирующий усилитель на ОУ
Анализируя эту схему с учетом сформулированных выше правил, можно показать, что при заземленном неинвертирующем входе ОУ напряжение на инвертирующем входе также равно нулю. Это означает, что падение напряжения на резисторе RОС равно UВЫХ, а падение напряжения на резисторе R1 равно UВХ. Если входные токи ОУ равны нулю, то UВЫХ / RОС = -UВХ / R1, коэффициент усиления по напряжению КU = UВЫХ / UВХ = -RОС / R1. Знак «минус» показывает, что выходной сигнал инвертирован относительно входного (сдвинут на 180º).
Данная схема является усилителем постоянного тока В этой схеме реализована параллельная ООС по напряжению, поскольку сигнал ООС оказывается включенным не последовательно с входным сигналом, а подается параллельно с ним на один и тот же вход.
Как известно, параллельная ООС уменьшает входное сопротивление усилителя. В схеме потенциал точки соединения R1 и RОС всегда равен нулю, а эта точка называется «виртуальный ноль» (мнимая земля). Следовательно, входное сопротивление схемы RВХ = R1. Выходное сопротивление схемы мало и равно долям ома. Таким образом, недостатком схемы является малое входное сопротивление, особенно для усилителей с большим коэффициентом усиления по напряжению, в которых резистор R1, как правило, бывает небольшим. Достоинством схемы является малое значение синфазного напряжения, практически равного нулю. Тот факт, что коэффициент усиления определяется всего лишь соотношением двух сопротивлений, делает применение инвертирующего усилителя очень гибким.
Практическое использование усилителей на ОУ имеет ряд особенностей. ОУ должен находиться в активном режиме, его входы и выходы не должны быть перегружены. Например, если подать на вход усилителя чересчур большой сигнал, то это приведет к тому, что выходной сигнал станет равным напряжению насыщения (обычно его величина меньше напряжения питания на 2 В).
В схеме ОУ обязательно должны быть предусмотрена цепь обратной связи по постоянному току, в противном случае ОУ обязательно попадет в режим насыщения. Многие ОУ имеют довольно малое предельно допустимое дифференциальное входное напряжение. Максимальная разность напряжений между инвертирующим и неинвертирующим входами может быть ограничена величиной 5 В для любой полярности напряжения. Если пренебречь этим условием, то возникнут большие входные токи.
Из-за наличия входного напряжения смещения, при нулевом напряжении на входе напряжение на выходе равно UВЫХ=KUUСМ. Для усилителя, имеющего коэффициент усиления, равный 100 и входное напряжение смещения 2 мВ, выходное напряжение смещения может достигать значения ±0,2 В. Для решения этой проблемы нужно использовать цепи внешней коррекции нуля (используя ОУ с такими возможностями), выбирать ОУ с малым значением смещения. Если усиление постоянного тока не нужно, то можно использовать разделительные емкости в последовательной цепи передачи входного и выходного сигнала.
Если в инвертирующем усилителе один из входов заземлен, то даже при условии идеальной настройки (UСМ = 0), на выходе усилителя будет присутствовать отличное от нуля выходное напряжение. Это связано с тем, что входной ток смещения IВХсоздает падение напряжения на резисторах, которое затем усиливается схемой усилителя. В этой схеме сопротивление со стороны инвертирующего входа определяется резисторами R1║RОС, но ток смещения воспринимается как входной сигнал, подобный току, текущему через R1, а поэтому он порождает смещение выхода UСМ = IСМRОС.Для уменьшения ошибок, вызванных входным током смещения, используют включение дополнительного резистора между неинвертирующим входом и общим проводом. Величина этого резистора должна быть равна R2 = R1║RОС. Для приведенного примера R1 = 10кОм, RОС= 100кОм, R2 = 9,1 кОм.
Рис. Усилитель на ОУ с компенсационным резистором
С целью уменьшения токов смещения и их температурных дрейфов в практических схемах входные сопротивления имеют типичное значение от 1 до 100 кОм.
Усилители мощности. Линейные схемы на ОУ.
ОУ широко применяется в аналоговых устройствах электроники. Функции, реализуемые ОУ с ООС, удобно рассматривать, если представить ОУ в виде идеальной модели, у которой:
- Входное сопротивление операционного усилителя равно бесконечности, токи входных электродов равны нулю (Rвх > ∞, i+ = i- = 0).
- Выходное сопротивление операционного усилителя равно нулю, т.е. операционный усилитель со стороны входа является идеальным источником напряжения (Rвых = 0).
- Коэффициент усиления по напряжению (коэффициент напряжения дифференциального сигнала) равен бесконечности, а дифференциальный сигнал в режиме усиления равен нулю (при этом не допускается закорачивания выводов операционного усилителя).
- В режиме насыщения напряжение на выходе равно по модулю напряжению питания, а знак определяется полярностью входного напряжения. Полезно обратить внимание на тот факт, что в режиме насыщения дифференциальный сигнал нельзя всегда считать равным нулю.
- Синфазный сигнал не действует на операционный усилитель.
- Напряжение смещения нуля равно нулю.
Инвертирующий усилитель на ОУ
Схема инвертирующего усилителя, охваченного параллельной ООС по напряжению показана на рисунках:
ООС реализуется за счет соединения выхода усилителя со входом резистором R2.
На инвертирующем входе ОУ происходит суммирование токов. Поскольку входной ток ОУ i- = 0, то i1 = i2 . Так как i1 = Uвх /R1, а i2 = -Uвых /R2, то . Ku = = -R2/R1. Знак "-" говорит о том, что происходит инверсия знака входного напряжения.
На рисунке (б) в цепь неинвертирующего входа включен резистор R3 для уменьшения влияния входных токов ОУ, сопротивление которого определяется из выражения:
Входное сопротивление усилителя на низких частотах приблизительно равно Rвх.ос = ≈ R1
Выходное сопротивление Rвых.ос = существенно меньше Rвых собственно ОУ.
Неинвертирующий усилитель на ОУ
Схема неинвертирующего усилителя, охваченного последовательной ООС по напряжению, показана на рисунке:
ООС реализуется при помощи резисторов R1, R2.
Используя принятые ранее допущения для идеальной модели получим
Входное сопротивление: Rвх.ос → ∞
Выходное сопротивление: Rвых.ос = → 0
Недостатком усиления является наличие на входах синфазного сигнала, равного Uвх .
Повторитель напряжения на ОУ
Схема повторителя, полученная из схемы неивертирующего усилителя, при R1 → ∞, R2 → 0, показана на рисунке:
Коэффициент β = 1, Ku.ос = K/1+K ≈ 1, т.е. напряжение на входе и выходе ОУ равны: Uвх = Uвых .
Сумматор напряжений на ОУ (инвертирующий сумматор)
Схема инвертирующего усилителя с дополнительными входными цепями показана на рисунке:
Учитывая, что i+ = i- = 0, ioc = - Uвых /Rос = Uвх1 /R1 + Uвх2 /R2 + ... + Uвхn /Rn, получим: Uвых = -Rос (Uвх1 /R1 + Uвх2 /R2 + ... + Uвхn /Rn)
Если Rос = R1 = R2 = ... = Rn, то Uвых = - (Uвх1 + Uвх2 + ... + Uвхn ).
ОУ работает в линейном режиме.
Для уменьшения влияния входных токов ОУ в цепь неинвертирующего входа включают резистор Rэ (на рисунке показан пунктиром) с сопротивлением: Rэ = R1//R2//…//Rn//Roc .
Вычитающий усилитель на ОУ
Схема усилителя с дифференциальным входом показана на рисунке:
Усилитель является сочетанием инвертирующего и неинвертирующего усилителей. В рассматриваемом случае напряжение на выходе определяется из выражения:
Uвых = Uвх2 · R3/(R3+R4) · (1+R2/R1) - Uвх1 · R2/R1
При R1 = R2 = R3 = R4: Uвых = Uвх2 - Uвх1 – т.е. зависит от разности входных сигналов.
Интегрирующий усилитель на ОУ
Схема интегратора, в которой в цепи ООС установлен конденсатор, показана на рисунке:
Пусть на вход подается прямоугольный импульс Uвх . На интервале t1...t2 амплитуда Uвх равна U. Так как входной ток ОУ равен нулю, то |iвх | = |-ic |, iвх = Uвх /R1, ic = C · dUвых /dt.
Uвх
/R1 = C · dUвых
/dt или 
где Uвых (0) – напряжение на выходе (конденсаторе С) к моменту начала интегрирования (к моменту t1).
τ = R1 · C – постоянная времени интегрирования, т.е. время, в течение которого Uвых изменится на величину ΔUвых = U.
Таким образом выходное напряжение на интервале t1...t2 изменяется по линейному закону и представляет интеграл от входного напряжения. Постоянная времени должна быть такой, чтобы до конца интегрирования Uвых < Eпит .
Дифференцирующий усилитель
Поменяв местами R1 и C1 в интеграле, получим схему дифференцирующего усилителя:
По аналогии с интегрирующим усилителем запишем:
Ic = C·dUвх /dt, IR2 = -Uвых /R
Т.к. |Ic | = |-IR2 |, то Uвых = - CR · dUвх /dt
τ = CR – постоянная дифференцирования.
Применение ОУ далеко не исчерпывается приведенными выше схемами.
Активные фильтры
В электронике широко применяются устройство для выделения полезного сигнала из ряда входных сигналов с одного одновремённым ослаблением мешающих сигналов за счёт использования фильтров.
Фильтры подразделяются не пассивные, выполненные на основе конденсаторов, индуктивностей и резисторов, и активные на базе транзисторов и операционных усилителей.
В информационной электронике обычно используются активные фильтры. Термин "активный" объясняется включением в схему RLC - фильтра активного элемента (с транзистора или ОУ) для компенсации потерь на пассивных элементах.
Фильтром называют устройство, которое пропускает сигналы в полосе пропускания и задерживает их в остальном диапазоне частот.
По виду АЧХ фильтры подразделяются на фильтры нижних частот (ФНЧ), и на фильтры верхних частот (ФВЧ), полосовые фильтры и режекторные фильтры.
Схема простейшего ФНЧ и его АЧХ приведены на рисунке:
В полосе пропускания 0 - fc полезный сигнал проходит через ФНЧ без искажений.
Fс
– fз
– переходная полоса,
fз
- ∞ – полоса задерживания,
fс
– частота среза,
fз
– частота задерживания.
ФВЧ пропускает сигналы верхних частот и задерживает сигналы нижних частот.
Полосовой фильтр пропускает сигналы одной полосы частот, расположенной в некоторой внутренней части оси частот.
Схема фильтра получила название моста Вина. На частоте f0 =
Мост Вина имеет коэффициент передачи β = 1/3. При R1 = R2 = R и C1 = C2 = C
Режекторный фильтр не пропускает сигналы, лежащие в некоторой полосе частот, и пропускает сигналы с другими частотами.
Схема фильтра называется несимметричным двойным Т-образным мостом.
Где R1 = R2 = R3 = R, C1 = C2 = C3 = C.
В качестве примера рассмотрим двухполюсный (по числу конденсаторов) активный ФНЧ.
ОУ работает в линейном режиме. При расчёте задаются fс . Коэффициент усиления в полосе пропускания должен удовлетворять условию: К0 ≤ 3.
Если принять С1 = С2 = С, R1 = R2 = R, то C = 10/fc , где fс – в Гц, С – в мкФ,
Для получения более быстрого изменения коэффициента усиления на удаление от полосы пропускания последовательно включают подобные схемы.
Поменяв местами резисторы R1, R2 и конденсаторы С1, С2, получим ФВЧ.
Избирательные усилители
Избирательные усилители позволяют усиливать сигналы в ограниченном диапазоне частот, выделяя полезные сигналы и ослабляя все остальные. Это достигается применением специальных фильтров в цепи обратной связи усилителя. Схема избирательного усилителя с двойным Т-образным мостом в цепи отрицательной обратной связи показана на рисунке:
Коэффициент передачи фильтра (кривая 3) уменьшается от 0 до 1. АЧХ усилителя иллюстрируется кривой 1. На квазирезонансной частоте коэффициент передачи фильтра в цепи отрицательной обратной связи равен нулю, Uвых максимально. При частотах слева и справа от f0 коэффициент передачи фильтра стремится единице и Uвых = Uвх . Таким образом фильтр выделяет полосу пропускания Δf, а усилитель осуществляет операцию аналогового усиления.
Генераторы гармонических колебаний
В системах управления используются генераторы сигналов различного вида. Генератором гармонических колебаний называют устройство, создающее переменное синусоидальное напряжение.
Структурная схема такого генератора показана на рисунке:
Входной сигнал отсутствует. Uвых = К · Uос .
Для возникновения синусоидальных колебаний должно выполняться условие самовозбуждения только для одной частоты:
К · γ = 1 – баланс амплитуд,
φ + ψ = 2πn – баланс фаз,
где К – коэффициент усиления усилителя,
γ – коэффициент передачи звена положительной обратной связи,
φ – сдвиг по фазе для усилителя,
ψ – сдвиг по фазе для цепи обратной связи,
n = 0, 1, ...
Основной генераторов синусоидальных сигналов являются фильтры, например мост Вина. Генератор на основе ОУ, содержащий мост Вина, представлен на рисунке:
Генератор вырабатывает синусоидальный сигнал частотой .
На частоте f0 коэффициент передачи фильтра β = 1/3. Усилитель должен иметь коэффициент усиления К ≥ 3, который задаётся резисторами R1 и R2. Важной проблемой является стабилизация амплитуды Uвых , которая обеспечивается в ведением резистора R3 и стабилитронов VD1 и VD2. При малых Uвых напряжение на VD1 и VD2 меньше напряжения стабилизации и R3 не зашунтировано стабилитронами. При этом К > 3 и Uвых возрастает. При достижении напряжения на стабилитронах, равного напряжения стабилизации, тот или иной стабилитрон открывается и пара стабилитронов шунтирует сопротивление R3. Коэффициент усиления становится равным и напряжение Uвых начинает уменьшатся, коэффициент усиления снова становится больше 3 и Uвых снова будет уменьшатся, но уже и в противоположном направлении. Таким образом стабилитроны предотвращают насыщение.
При использовании данного генератора нагрузку желательно подключать через буферный каскад.
Материал для подготовеки к аттестацииПрактическое применение операционных усилителей.Часть первая.
Часть первая.
Всем привет.
В этой статье мы обсудим некоторые аспекты практического применения операционных усилителей в повседневной жизни радиолюбителя.
Не растекаясь мыслею по древу и не вдаваясь в дремучие теоретические основы работы вышеозначенного усилителя, давайте все же обозначим некоторые основные термины и понятия, с которыми нам предстоит столкнуться в дальнейшем.
Итак - операционный усилитель. Далее будем называть его ОУ, а то очень лень писать каждый раз полностью.
На принципиальных схемах, чаще всего, он обозначается следующим образом:
На рисунке обозначены три самых главных вывода ОУ - два входа и выход. Разумеется, есть еще выводы питания и иногда выводы частотной коррекции, хотя последнее встречается все реже - у большинства современных ОУ она встроенная. Два входа ОУ - Инвертирующий и Неинвертирующий названы так по присущим им свойствам. Если подать сигнал на Инвертирующий вход, то на выходе мы получим инвертированный сигнал, то бишь сдвинутый по фазе на 180 градусов - зеркальный; если же подать сигнал на Неинвертирующий вход, то на выходе мы получим фазово не измененный сигнал.
Так же как и основных выводов, основных свойств ОУ тоже три - можно назвать их ТриО (или ООО - кому как нравится): Очень высокое сопротивление входа, Очень высокий коэффициент усиления (10000 и более), Очень низкое сопротивление выхода.
Еще один очень важный параметр ОУ называется скорость нарастания напряжения на выходе (slew rate на буржуинском). Обозначает он фактически быстродействие данного ОУ - как быстро он сможет изменить напряжение на выходе при изменение оного на входе.
Измеряется этот параметр в вольтах в секунду (В/сек).
Этот параметр важен прежде всего для товарищей, конструирующих УЗЧ, поскольку, если ОУ недостаточно быстрый, то он не будет успевать за входным напряжением на высоких частотах и возникнут изрядные нелинейные искажения. У большинства современных ОУ общего назначения скорость нарастания сигнала от 10В/мксек и выше. У быстродействующих ОУ этот параметр может достигать значения 1000В/мксек.
Оценить - подходит ли тот или иной ОУ для ваших целей по скорости нарастания сигнала можно по формуле:
где, fmax - частота синусоидального сигнала, Vmax - скорость нарастания сигнала, Uвых - максимальное выходное напряжение.
Ну да не будем больше тянуть кота за хвост - приступим к главной задаче этого опуса - куда, собственно, эти клевые штуки можно воткнуть и что из этого можно получить.
Первая схема включения ОУ - инвертирующий усилитель .
Наиболее популярная и часто встречающаяся схема усилителя на ОУ. Входной сигнал подается на инвертирующий вход, а неинвертирующий вход подключается к общему проводу.
Коэффициент усиления определяется соотношением резисторов R1 и R2 и считается по формуле:
Почему "минус"? Потому что, как мы помним, в инвертирующем усилителе фаза выходного сигнала "зеркальна" фазе входного.
Входное сопротивление определяется резистором R1. Ежели его сопротивление, например 100кОм, то и входное сопротивление усилителя будет 100кОм.
Следующая схема - инвертирующий усилитель с повышенным входным сопротивлением
.
Предыдущая схема всем хороша, за исключением одного нюанса - соотношение входного сопротивления и коэффициента усиления может не подойти для реализации какого-либо специфического проекта. Ведь что получается - допустим, нам нужен усилитель с К=100. Тогда, исходя из того, что значения резисторов должны быть в разумных пределах берем R2=1Мом, а R1=10кОм. То есть, входное сопротивление усилителя будет равным 10 кОм, что в некоторых случаях недостаточно.
В этих самых случая можно применить следующую схему:
В данном случае, коэффициент усиления считается по следующей формуле:
То есть, при том же коэффициенте усиление сопротивление R1 можно увеличить, а значит и повысить входное сопротивление усилителя.
Коэффициент усиления определяется так:
В данном случае, как видите, никаких минусов нет - фаза сигнала на входе и на выходе совпадает.
Основное отличие от инвертирующего усилителя заключается в повышенном входном сопротивлении, которое может достигать 10Мом и выше.
Если при реализации данной схемы в практических конструкциях, необходимо предусмотреть развязку с предыдущими каскадами по постоянному току - установить разделительный конденсатор, то нужно между входом ОУ и общим проводом включить резистор сопротивлением около 100кОм, как показано на рисунке.
Как уже отмечалось, операционные усилители в настоящее время используются в самых различных электронных устройствах. Их широко применяют как в аналоговых, так и в импульсных устройствах электроники. В то же время существуют и часто используются типовые линейные схемы на основе операционных усилителей. Такие типовые схемы должен знать каждый инженер, использующий электронные устройства. Именно такие схемы рассматриваются ниже.
Очень полезно овладеть достаточно простыми приемами ручного анализа электронных схем на основе операционных усилителей. Это значительно облегчит понимание принципа действия конкретных устройств электроники и будет способствовать получению достоверных результатов машинного анализа. Указанные приемы анализа основаны на ряде допущений, принимаемых в предположении, что используемые операционные усилители достаточно близки к идеальным. Практика расчетов показывает, что результаты, получаемые на основе допущений, имеют вполне приемлемую погрешность.
Примем следующие допущения:
● Входное сопротивление операционного усилителя равно бесконечности, токи входных электродов равны нулю (R вх → ∞, i + = i −).
● Выходное сопротивление операционного усилителя равно нулю, т. е. операционный усилитель со стороны выхода является идеальным источником (R вых = 0).
● Коэффициент усиления по напряжению (коэффициент усиления дифференциального сигнала) равен бесконечности, а дифференциальный сигнал в режиме усиления равен нулю (при этом не допускается закорачивания выводов операционного усилителя).
● В режиме насыщения на выходе равно по модулю напряжению питания, а знак определяется полярностью входного напряжения. Полезно обратить внимание на тот факт, что в режиме насыщения дифференциальный сигнал нельзя всегда считать равным нулю.
● Синфазный сигнал не действует на операционный усилитель.
● смещения нуля равно нулю.
Рассмотрим схему инвертирующего усилителя (рис. 2.25), из которой видно, что в ней действует параллельная обратная связь по напряжению.
Так как i − = 0, то в соответствии с первым законом Кирхгофа i 1 = i 2 .
Предположим, что операционный усилитель работает в режиме усиления, тогда uдиф = 0. В соответствии с этим на основании второго закона Кирхгофа получим i 1 = uвх/ R 1 i 2 = − uвых/ R 2
Учитывая, что i 1 = i 2 , получаем uвых= −uвх· R 2 / R 1
Таким образом, инвертирующий усилитель характеризуется коэффициентом усиления по напряжению, равным Кu= −R2/R1
Например, если R1= 1кОм,R2=10 кОм, тогда uвых= − 10 ·uвх
Для уменьшения влияния входных токов операционного усилителя на выходное в цепь неинвертирующего входа включают резистор с сопротивлением R 3 (рис. 2.26), которое определяется из выражения R3=R1//R2=R1·R2/ (R1+R2) 
Входное сопротивление инвертирующего усилителя на низких частотах значительно ниже собственного входного сопротивления операционного усилителя. Это полностью соответствует сделанному раннее выводу о том, что параллельная отрицательная обратная связь, имеющая место в схеме, уменьшает входное сопротивление. Учитывая, что uдиф~ 0, легко заметить, что иходное сопротивление усилителя на низких частотах приблизительно равно R 1 .
Выходное сопротивление инвертирующего усилителя на низких частотах R вых.ос существенно меньше выходного сопротивления на низких частотах R вых собственно операционного усилителя. Это является следствием действия отрицательной обратной связи по напряжению.
Можно показать, что R вых.ос = R вых / (1 + К ·R1/R2) где К - коэффициент усиления по напряжению операционного усилителя.
