В следующей статье мы обсудим основные параметры операционных усилителей и связанные с ними основные схемы применения операционных усилителей с помощью уравнений для определения значений их конкретных компонентов.
Операционные усилители (операционные усилители) представляют собой специализированный тип интегральных схем, которые включают усилитель с высоким коэффициентом усиления с прямой связью и общей характеристикой отклика, регулируемой обратной связью.
Операционный усилитель получил свое название из-за того, что он может выполнять широкий спектр математических вычислений. Из-за своего отклика операционный усилитель также известен как линейная интегральная схема и является основным компонентом многих аналоговых систем.
Операционный усилитель имеет чрезвычайно высокий коэффициент усиления (возможно, близкий к бесконечности), который можно регулировать с помощью обратной связи. Добавление конденсаторов или катушек индуктивности в цепь обратной связи может привести к изменению коэффициента усиления в зависимости от частоты, влияя на общее рабочее состояние интегральной схемы.
Как показано на рисунке выше, основной операционный усилитель представляет собой устройство с тремя выводами, имеющее два входа и один выход. Входные клеммы классифицируются как «инвертирующие» или «неинвертирующие».
Параметры ОУ
При одинаковом входном напряжении выход идеального операционного усилителя или «операционного усилителя» равен нулю или «0 вольт».
VIN 1 = VIN 2 дает VOUT = 0
Практические операционные усилители имеют неидеально сбалансированный вход, из-за чего через входные клеммы протекают неравномерные токи смещения. Чтобы сбалансировать выход операционного усилителя, между двумя входными клеммами должно быть предусмотрено входное напряжение смещения.
1) Входной ток смещения
Когда выход сбалансирован или когда V ВНЕ = 0, входной ток смещения (I Б ) равно половине суммарных отдельных токов, поступающих на два входных соединения. Часто это очень маленькое число; например, я Б = 100 нА является нормальным значением.
2) Входной ток смещения
Разница между каждым отдельным током, достигающим входных клемм, известна как входной ток смещения (I это ). Опять же, это часто имеет крайне низкую ценность; например, обычное значение I это = 10 нА.
3) Входное напряжение смещения
Чтобы операционный усилитель был сбалансирован, входное напряжение смещения V это необходимо применить через входной терминал. Обычно значение V это = 1 мВ.
Ценности I это и В это оба могут меняться в зависимости от температуры, и это изменение обозначается как I это дрейф и В это дрейф соответственно.
4) Коэффициент подавления источника питания (PSRR)
Отношение изменения входного напряжения смещения к соответствующему изменению напряжения источника питания известно как коэффициент ослабления источника питания или PSRR. Часто оно находится в диапазоне от 10 до 20 мкВ/В.
Дополнительные параметры для операционных усилителей, которые могут быть упомянуты:
5) Усиление без обратной связи/Усиление с обратной связью
Усиление без обратной связи относится к усилению операционного усилителя без цепи обратной связи, тогда как усиление с обратной связью относится к усилению операционного усилителя со схемой обратной связи. Он обычно представлен как A г .
6) Коэффициент подавления синфазного сигнала (CMRR)
Это отношение разностного сигнала к синфазному сигналу служит мерой производительности дифференциального усилителя. Мы используем децибелы (дБ), чтобы выразить это отношение.
7) Скорость нарастания
Скорость нарастания — это скорость, с которой выходное напряжение усилителя изменяется в условиях сильного сигнала. Он представлен в единицах В/мкс.
Схемы основных приложений операционных усилителей
В следующих параграфах мы узнаем о нескольких интересных базовых схемах операционных усилителей. Каждая из основных конструкций объясняется формулами для определения значений и характеристик их компонентов.
УСИЛИТЕЛЬ ИЛИ БУФЕР
Схему инвертирующего усилителя или инвертора можно увидеть на рисунке 1 выше. Коэффициент усиления схемы определяется выражением:
Выкл = - R2/R1
Обратите внимание, что усиление отрицательное, что указывает на то, что схема работает как фазоинвертирующий повторитель напряжения, если два сопротивления равны (т. Е. R1 = R2). Выход будет идентичен входу, но с обратной полярностью.
В действительности, резисторы могут быть удалены для единичного усиления и заменены прямыми перемычками, как показано на рис. 2 ниже.
Это возможно, потому что в этой схеме R1 = R2 = 0. Обычно R3 удаляется из схемы инвертирующего повторителя напряжения.
Выход операционного усилителя будет усиливать входной сигнал, если R1 меньше R2. Например, если R1 равен 2,2 К, а R1 равен 22 К, коэффициент усиления можно выразить следующим образом:
Выкл = - 22 000/2 200 = -10
Отрицательный символ обозначает инверсию фазы. Входная и выходная полярности меняются местами.
Сделав R1 больше, чем R2, та же самая схема может также ослабить (уменьшить силу) входной сигнал. Например, если R1 равен 120 К, а R2 равен 47 К, коэффициент усиления схемы будет примерно равен:
Выкл = 47 000/120 000 = - 0,4
Опять же, полярность выхода обратна полярности входа. Хотя значение R3 не особенно важно, оно должно быть примерно равно параллельной комбинации R1 и R2. Который:
R3 = (R1 x R2)/(R1 + R2)
Чтобы продемонстрировать это, рассмотрим наш предыдущий пример, где R1 = 2,2 К и R2 = 22 К. Значение R3 в этой ситуации должно быть примерно:
R3 = (2200 x 22000)/(2200 + 22000) = 48 400 000/24 200 = 2000 Ом
Мы можем выбрать ближайшее стандартное значение сопротивления для R3, потому что точное значение не требуется. В этом случае можно использовать резистор на 1,8 К или 2,2 К.
Инверсия фазы, создаваемая схемой на рис. 2, может оказаться неприемлемой в некоторых ситуациях. Чтобы использовать операционный усилитель в качестве неинвертирующего усилителя (или простого буфера), подключите его, как показано на рис. 3 ниже.
Коэффициент усиления в этой схеме выражается следующим образом:
Выкл = 1 + R2/R1
Выход и вход имеют одинаковую полярность и находятся в фазе.
Имейте в виду, что коэффициент усиления всегда должен быть минимум 1 (единица). Невозможно ослабить (уменьшить) сигналы с помощью неинвертирующей схемы.
Коэффициент усиления схемы будет сравнительно выше, если значение R2 значительно больше, чем R1. Например, если R1 = 10 К и R2 = 47 К, коэффициент усиления операционного усилителя будет таким, как показано ниже:
Выкл = 1 + 470 000/10 000 = 1 + 47 = 48
Однако, если R1 значительно больше, чем R2, коэффициент усиления будет лишь несколько больше единицы. Например, если R1 = 100 К и R2 = 22 К, усиление будет:
Выкл = 1 + 22 000/100 000 = 1 + 0,22 = 1,22
В случае, если два сопротивления идентичны (R1 = R2), усиление всегда будет равно 2. Чтобы убедиться в этом, попробуйте уравнение усиления в нескольких сценариях.
Конкретной ситуацией является ситуация, когда оба сопротивления установлены на 0. Другими словами, как видно на рис. 4 ниже, вместо резисторов используются прямые соединения.
Выигрыш в этом случае ровно один. Это соответствует формуле выигрыша:
Выкл = 1 + R2/R1 = 1 + 0/0 = 1
Вход и выход идентичны. Применение этой неинвертирующей схемы повторителя напряжения включает согласование импеданса, изоляцию и буфер.
ADDER (суммирующий усилитель)
Ряд входных напряжений можно добавить с помощью операционного усилителя. Как показано на рис. 5 ниже, входные сигналы V1, V2,… Vn подаются на операционный усилитель через резисторы R1, R2,… Rn.
Затем эти сигналы объединяются для получения выходного сигнала, который равен сумме входных сигналов. Следующая формула может быть использована для расчета реальной производительности операционного усилителя как сумматора:
VOUT = - Ro ((V1/R1) + (V2/R2) . . . + (Vn/Rn))
См. отрицательный символ. Это означает, что выход инвертирован (перепутана полярность). Другими словами, эта схема представляет собой инвертирующий сумматор.
Схема может быть изменена для работы в качестве неинвертирующего сумматора путем переключения соединений на инвертирующий и неинвертирующий входы операционного усилителя, как показано на рис. 6 ниже.
Выходное уравнение можно упростить, предположив, что все входные резисторы имеют одинаковые значения.
Vвых = - Ro ((V1 + V2 . . . + Vn)/R)
ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЙ УСИЛИТЕЛЬ
На рис. 7 выше изображена базовая схема дифференциального усилителя. Значения компонентов устанавливаются таким образом, чтобы R1 = R2 и R3 = R4. Следовательно, производительность схемы можно рассчитать по следующей формуле:
VВЫХ = ВИН 2 - ВИН 1
Только до тех пор, пока операционный усилитель может принять, что входы 1 и 2 имеют разные импедансы (вход 1 имеет импеданс R1, а вход 2 имеет импеданс R1 плюс R3).
СУММИТЕЛЬ/ВЫЧИТАТЕЛЬ
На рис. 8 выше показана конфигурация схемы сумматора/вычитателя на операционном усилителе. В случае, когда R1 и R2 имеют одинаковые значения, а R3 и R4 также установлены на одинаковые значения, тогда:
Vвых = (V3 + V4) - (V1 - V2)
Другими словами, Vout = V3 + V4 — это сумма входов V3 и V4, в то время как это вычитание входов V1 и V2. Значения R1, R2, R3 и R4 выбираются в соответствии с характеристиками операционного усилителя. R5 должен быть равен R3 и R4, а R6 должен быть равен R1 и R2.
МНОЖИТЕЛЬ
Простые операции умножения можно выполнять с помощью схемы, показанной на рис. 9 выше. Имейте в виду, что это та же схема, что и на рис. 1. Для достижения постоянного коэффициента усиления (и впоследствии умножения входного напряжения на отношение R2/R1) и точных результатов используются прецизионные резисторы с заданными значениями R1 и R2. должен быть использован. Примечательно, что эта схема инвертирует выходную фазу. Напряжение на выходе будет равно:
VOUT = - (VIN x Выкл.)
где Av — коэффициент усиления, определяемый резисторами R1 и R2. VOUT и VIN — выходное и входное напряжения соответственно.
Как видно на рис. 10 выше, постоянная умножения может быть изменена, если R2 представляет собой переменное сопротивление (потенциометр). Вокруг вала управления можно установить шкалу калибровки с метками для различных общих коэффициентов усиления. Постоянная умножения может быть считана непосредственно с этой шкалы с использованием калиброванного показания.
ИНТЕГРАТОР
Операционный усилитель, по крайней мере, теоретически будет функционировать как интегратор, когда инвертирующий вход соединен с выходом через конденсатор.
Как показано на рис. 11 выше, к этому конденсатору должен быть подключен параллельный резистор, чтобы поддерживать стабильность постоянного тока. Эта схема реализует следующее соотношение для интегрирования входного сигнала:
Значение резистора R2 следует выбирать в соответствии с параметрами операционного усилителя, например:
VВЫХ = R2/R1 x VIN
ДИФФЕРЕНЦИАТОР
Схема операционного усилителя дифференциатора включает в себя конденсатор во входной линии, который соединяется с инвертирующим входом, и резистор, который соединяет этот вход с выходом. Однако эта схема имеет четкие ограничения, поэтому предпочтительнее было бы включить резистор и конденсатор параллельно, как показано на рис. 12 выше.
Следующее уравнение определяет, насколько хорошо работает эта схема:
VOUT = - (R2 x C1) dVIN/dt
УСИЛИТЕЛИ ЛОГА
Основная схема (рис. 13 выше) использует NPN-транзистор и операционный усилитель для генерации выходного сигнала, пропорционального логарифму входного сигнала:
VOUT = (- k log 10 ) ПТ/ПТ О
«Перевернутая» схема, работающая как основной антилогарифмический усилитель, изображена на нижней диаграмме. Как правило, конденсатор имеет небольшую емкость (например, 20 пФ).
АУДИОУСИЛИТЕЛЬ
Операционный усилитель, по сути, является усилителем постоянного тока, но также может применяться для приложений переменного тока. Простой аудиоусилитель показан на рисунке 14 выше.
АУДИО МИКШЕР
На этой схеме показана модификация аудиоусилителя (рис. 15 выше). Вы можете видеть, как это похоже на схему сумматора на рис. 5. Различные входные сигналы смешиваются или объединяются. Входной потенциометр каждого входного сигнала позволяет регулировать уровень. Таким образом, относительные пропорции различных входных сигналов на выходе могут регулироваться пользователем.
РАЗДЕЛИТЕЛЬ СИГНАЛА
Схема разветвителя сигнала, показанная на рис. 16 выше, является полной противоположностью смесителя. Один выходной сигнал разделяется на несколько одинаковых выходов, которые питают различные входы. С помощью этой схемы несколько сигнальных линий отделены друг от друга. Для регулировки необходимого уровня каждая выходная линия включает отдельный потенциометр.
ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ НАПРЯЖЕНИЯ В ТОК
Схема, представленная на рис. 17 выше, заставит сопротивление нагрузки R2 и R1 испытывать одинаковый ток.
Значение этого тока будет пропорционально напряжению входного сигнала и не зависит от нагрузки.
Однако из-за высокого входного сопротивления, обеспечиваемого неинвертирующей клеммой, ток будет иметь относительно низкое значение. Этот ток имеет значение, прямо пропорциональное VIN/R1.
ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ТОКА В НАПРЯЖЕНИЕ
Если выходное напряжение равно IIN x R2 и используется конструкция (рис. 18 выше), ток входного сигнала может протекать прямо через резистор обратной связи R2.
Другими словами, входной ток преобразуется в пропорциональное выходное напряжение.
Цепь смещения, созданная на инвертирующем входе, устанавливает нижний предел тока, который предотвращает протекание любого тока через резистор R2. Для устранения «шума» в эту цепь можно добавить конденсатор, как показано на рисунке.
ИСТОЧНИК ТОКА
На приведенном выше рисунке 19 показано, как операционный усилитель можно использовать в качестве источника тока. Значения резисторов можно рассчитать, используя следующие уравнения:
Р1 = Р2
Р3 = Р4 + Р5
Выходной ток можно оценить по следующей формуле:
Iвых = (R3 x VIN) / (R1 x R5)
МУЛЬТИВИБРАТОР
Вы можете адаптировать операционный усилитель для использования в качестве мультивибратора. На рис. 20 выше показаны две основные схемы. Конструкция в левом верхнем углу представляет собой свободно работающий (нестабильный) мультивибратор, частота которого регулируется:
Схема моностабильного мультивибратора, которая может активироваться входным импульсом прямоугольной формы, видна на нижней правой диаграмме. Приведенные номиналы компонентов относятся к операционному усилителю CA741.
ГЕНЕРАТОР ПРЯМОУГОЛЬНЫХ ВОЛН
На рис. 21 выше показана функциональная схема генератора прямоугольных импульсов, сосредоточенная вокруг операционного усилителя. Эта схема генератора прямоугольных импульсов может быть самой простой. В дополнение к самому операционному усилителю необходимы всего три внешних резистора и один конденсатор.
Двумя основными элементами, определяющими постоянную времени цепи (выходную частоту), являются резистор R1 и конденсатор C1. Однако подключение положительной обратной связи на основе резисторов R2 и R3 также влияет на выходную частоту. Хотя уравнения часто несколько сложны, их можно упростить для определенных соотношений R3/R2. Для иллюстрации:
Если R3/R2 ≈ 1,0, то F ≈ 0,5/(R1/C1)
или же,
Если R3/R2 ≈ 10, то F ≈ 5/(R1/C1)
Наиболее практичным методом является использование одного из этих стандартных соотношений и изменение значений резисторов R1 и C1 для достижения требуемой частоты. Для R2 и R3 можно использовать обычные значения. Например, отношение R3/R2 будет равно 10, если R2 = 10K и R3 = 100K, таким образом:
F = 5/(R1/C1)
В большинстве случаев мы уже будем знать требуемую частоту, и нам нужно будет только выбрать соответствующие значения компонентов. Самый простой способ — сначала выбрать значение C1, которое кажется разумным, а затем изменить уравнение, чтобы найти R1:
R1 = 5/(F x C1)
Давайте посмотрим на типичный пример частоты 1200 Гц, которую мы ищем. Если C1 подключен к конденсатору 0,22 мкФ, то R1 должен иметь значение, указанное в следующей формуле:
R1 = 5/(1200 x 0,00000022) = 5/0,000264 = 18,940 Ом
Типичный резистор 18K можно использовать в большинстве приложений. Потенциометр может быть добавлен последовательно с резистором R1 для повышения полезности и адаптивности этой схемы, как показано на рис. 22 ниже. Это позволяет вручную регулировать выходную частоту.
Для этой схемы используются те же расчеты, однако значение R1 изменено, чтобы соответствовать последовательной комбинации постоянного резистора R1a и настроенного значения потенциометра R1b:
R1 = R1a + R1b
Постоянный резистор вставлен, чтобы гарантировать, что значение R1 никогда не упадет до нуля. Диапазон выходных частот определяется фиксированным значением R1a и наибольшим сопротивлением R1b.
ГЕНЕРАТОР С ПЕРЕМЕННОЙ ШИРИНОЙ ИМПУЛЬСА
Прямоугольная волна полностью симметрична. Рабочий цикл сигнала прямоугольной формы определяется как отношение времени высокого уровня к общему времени цикла. Квадратные волны по определению имеют рабочий цикл 1:2.
С помощью всего двух дополнительных компонентов генератор прямоугольных импульсов из предыдущего раздела можно преобразовать в генератор прямоугольных сигналов. На рис. 23 выше показана обновленная схема.
Диод D1 ограничивает прохождение тока через R4 в отрицательные полупериоды. R1 и C1 составляют постоянную времени, выраженную в следующем уравнении:
T1 = 5/(2C1 x R1)
Однако в положительные полупериоды диод может проводить ток, и параллельная комбинация R1 и R4 вместе с C1 определяет постоянную времени, как показано в следующем расчете:
T2 = 5/(2C1 ((R1 R4)/(R1 + R4)))
Общая длина цикла - это просто сумма двух постоянных времени полупериода:
Тт = Т1 + Т2
Выходная частота является обратной общей постоянной времени всего цикла:
F = 1/Tt
Здесь рабочий цикл не будет равен 1:2, потому что постоянная времени для участков высокого и низкого уровня цикла будет различаться. В результате будут получены асимметричные формы сигналов. Можно сделать регулируемыми R1 или R4 или даже оба, но имейте в виду, что это изменит как выходную частоту, так и рабочий цикл.
СИНУСОЛИЧЕСКИЙ ГЕНЕРАТОР
Синусоидальная волна, показанная на рис. 24 ниже, является основным из всех сигналов переменного тока.
В этом исключительно чистом сигнале нет абсолютно никаких гармоник. У синусоиды есть только одна основная частота. На самом деле, создать абсолютно чистую синусоиду без искажений довольно сложно. К счастью, используя схему генератора, построенную на операционном усилителе, мы можем приблизиться к оптимальной форме сигнала.
На рис. 25 выше показана обычная схема синусоидального генератора, включающая операционный усилитель. Двойная Т-образная схема, служащая режекторным (или режекторным) фильтром, служит цепью обратной связи. Конденсатор C1 и резисторы R1 и R2 составляют один T. C2, C3, R3 и R4 составляют другой T. На схеме это наоборот. Для правильной работы этой схемы значения компонентов должны иметь следующие соотношения:
Следующая формула определяет выходную частоту:
F = 1/(6,28 х R1 х С2)
Изменяя значение R4, можно несколько изменить настройку сети обратной связи с двойным T. Как правило, это может быть крошечный подстроечный потенциометр. Потенциометр устанавливается на максимальное сопротивление, а затем постепенно уменьшается до тех пор, пока цепь не остановится на грани колебаний. Выходная синусоида может быть искажена, если сопротивление установлено слишком низко.
ТРИГГЕР ШМИТТА
С технической точки зрения триггер Шмитта можно назвать регенеративным компаратором. Его основная функция заключается в преобразовании медленно изменяющегося входного напряжения в выходной сигнал при определенном входном напряжении.
Другими словами, у него есть свойство «люфта», называемое гистерезисом, которое действует как «триггер» напряжения. Операционный усилитель становится основным строительным блоком для работы триггера Шмитта (см. рис. 26 выше). Следующие факторы определяют напряжение срабатывания или отключения:
В путешествие = (В вне х R1) / (-R1 + R2)
В этом типе цепи гистерезис в два раза превышает напряжение срабатывания.
На рис. 27 ниже изображена еще одна схема триггера Шмитта. В этой схеме говорят, что выход «срабатывает», когда вход постоянного тока достигает примерно одной пятой напряжения питания.
Напряжение питания может составлять от 6 до 15 вольт, поэтому в зависимости от выбранного напряжения питания триггер можно настроить на работу от 1,2 до 3 вольт. При необходимости фактическую точку срабатывания также можно изменить, изменив значение R4.
Выход будет таким же, как напряжение питания, как только он сработает. Если выход подключен к лампе накаливания или светодиоду (через последовательный балластный резистор), лампа (или светодиод) загорится, как только входное напряжение достигнет значения срабатывания, показывая, что этот точный уровень напряжения был достигнут на входе.
Подведение итогов
Итак, это были несколько основных схем операционных усилителей с объяснением их параметров. Надеюсь, вы поняли все характеристики и формулы, связанные с операционным усилителем.
Если у вас есть какие-либо другие базовые схемы операционных усилителей, которые, по вашему мнению, должны быть включены в приведенную выше статью, не стесняйтесь упоминать их в комментариях ниже.
