Что такое операционный усилитель?

Параметры реального ОУ

В реальном ОУ коэффициент усиления с разомкнутой обратной связью A_OL хоть и очень велик, но все же конечен, из-за чего выражение коэффициента усиления реального ОУ с замкнутой обратной связью  А _CLR принимает следующий вид:

А_CLR = А_CL/[1 + (A_OL/А_CL)] (10)

При корректном выборе ОУ ошибка усиления будет невелика. Например, при А_CL = 10 и A_OL = 100 000 получим А_CLR = 0,9999А_CL.

Даже самая совершенная производственная технология не позволяет изготовить абсолютно одинаковые транзисторы в дифференциальном входном каскаде (рис. 2). Поэтому при одинаковом входном напряжении на выходе дифференциального каскада имеется напряжение смещения V_OS, которое приведет к появлению нежелательного выходного напряжения V_ВЫХ= А_CL * V_OS. Высокий температурный дрейф напряжения приведет к нарушению повторяемости результатов измерения, что недопустимо для прецизионных схем.

Если требуется получить очень высокую точность, рекомендуем использовать ОУ с автоматической компенсацией смещения, которые функционально представляют собой систему из нескольких усилителей. Их стоимость довольно высока, но у них нет альтернативы, если требуется добиться очень высокой точности повторяемости результатов измерения.

Еще одним источником ошибки может стать синфазное напряжение V_CC, о котором мы писали выше. При неинвертирующем включении (рис. 3б) выполняется соотношение V_ВХ = V_CC. Реальный ОУ не только усиливает входное напряжение V_ВХ, но и передает с выхода на вход напряжение V_CC,при этом ослабляя его в КОСС (в англоязычной транскрипции CMRR) раз. Таким образом, выходное напряжение определится из соотношения (11):

V_ВЫХ= А_CL *V_ВХ + (V_ВХ/КОСС)] (11)

В современных ОУ КОСС варьируется в пределах 60–120 дБ. Необходимо учесть, что КОСС зависит от частоты: примерный вид зависимости приведен на рис. 4. Обычно производители приводят подобный график в документации.

Рис. 4. Зависимость КОСС от частоты

Оказывает влияние на работу ОУ и напряжение питания: его изменение сказывается на входном напряжении смещения V_OS. Ослабление влияния напряжение питания на работу ОУ характеризуется коэффициентом ослабления нестабильности питания (КОНИП), в англоязычной литературе – PSRR. КОНИП определяется следующим образом:

КОНИП = Δ(V_CС)/Δ(V_OS) (12)

Рис. 5. Зависимость КОНИП от частоты

Так же, как КОСС, КОНИП зависит от частоты. Примерный вид такой зависимости показан на рис. 5. К сожалению, далеко не всегда производители указывают значение КОНИП и приводят его график. Учтите, что приведенная зависимость справедлива при синусоидальном изменении напряжения питания. «Иголки» и «пички» на шинах питания подавляются гораздо хуже и легко «пролезают» на вход, поэтому топология шин питания имеет очень большое значение при разработке печатной платы.

Рис. 6. Амплитудно- и фазо-частотная характеристики ОУ

При выборе ОУ обязательно нужно обращать на его динамические характеристики. Амплитудно- и фазо-частотная характеристики ОУ схематично изображены на рис. 6. В документации производитель указывает границу полосы единичного усиления (GBW в англоязычной литературе). Вернемся к формуле (10) и уточним, что погрешность усиления зависит от частоты сигнала.

Еще одним важным динамическим параметром является скорость нарастания SR выходного сигнала ОУ. Она определяет полосу пропускания большого сигнала. Величина SR  определяется из простого соотношения:

SR = Δ(V_ВЫХ)/Δt  (13)

SR выражается в В/нс.

Полоса пропускания большого сигнала BW_LS определяется из формулы:

BW_LS = SR/(0,707 * 2π * V_PLS) (14)

Где: V_PLS– амплитуда большого сигнала.

Отличия реальных ОУ от идеального[править | править код]

Параметры ОУ, характеризующие его неидеальность, можно разбить на группы:

Параметры по постоянному токуправить | править код

• Ограниченное усиление: коэффициент G_openloop не бесконечен (тпичное значение 105 ÷ 106 на постоянном токе). Этот эффект заметно проявляется только в случаях, когда коэффициент передачи каскада с ОУ отличается от парметра G_openloop в небольшое число раз (усиление каскада отличается от G_openloop на 1÷2 порядка или еще меньше).
• Ненулевой входной ток (или, что почти то же самое, ограниченное входное сопротивление): типичные значения входного тока составляют 10-9 ÷ 10-12 А. Это накладывает ограничения на максимальное значение сопротивлений в цепи обратной связи, а также на возможности с источником сигнала. Некоторые ОУ имеют на входе дополнительные цепи для защиты входа от чрезмерного напряжения — эти цепи могут значительно ухудшить входное сопротивление. Поэтому некоторые ОУ выпускаются в защищенной и незащищенной версии.
• Ненулевое . Данное ограничение не имеет большого значения, так как наличие обратной связи эффективно уменьшает выходное сопротивление каскада на ОУ (практически до сколь угодно малых значений).
• Ненулевое напряжение смещения: требование о равенстве входных напряжений в активном состоянии для реальных ОУ выполняется не совсем точно — ОУ стремится поддерживать между своими входами не точно ноль вольт, а некоторое небольшое напряжение (напряжение смещения). Другими словами, реальный ОУ ведет себя как идеальный ОУ, у которого внутри последовательно с одним из входов включен генератор напряжения с ЭДС U_см. Напряжение смещения — очень важный параметр, он ограничивает точность ОУ, например, при сравнении двух напряжений. Типичные значения U_см составляют 10-3 ÷ 10-6 В.
• Ненулевое усиление синфазного сигнала. Идеальный ОУ усиливает только разницу входных напряжений, сами же напряжения значения не имеют. В реальных ОУ значение входного синфазного напряжения оказывает некоторое влияние на выходное напряжение. Данный эффект определяется параметром коэффициент ослабления синфазного сигнала (КОСС, англ. common-mode rejection ratio, CMRR), который показывает, во сколько раз приращение напряжения на выходе меньше, чем вызвавшее его приращение синфазного напряжения на входе ОУ. Типичные значения: 104 ÷ 106.

Параметры по переменному токуправить | править код

• Ограниченная полоса пропускания. Любой усилитель имеет конечную полосу пропускания, но фактор полосы особенно значим для ОУ, поскольку они имеют внутреннюю частотную коррекцию для увеличения запаса по фазе.
• Ненулевая входная ёмкость. Образует паразитный фильтр низких частот.

Нелинейные эффекты:править | править код

• Насыщение — ограничение диапазона возможных значений выходного напряжения. Обычно выходное напряжение не может выйти за пределы напряжения питания. Насыщение имеет место в случае, когда выходное напряжение «должно быть» больше максимального или меньше минимального выходного напряжения. ОУ не может выйти за пределы, и выступающие части выходного сигнала «срезаются» (то есть ограничиваются).
• Ограниченая скорость нарастания. Выходное напряжение ОУ не может измениться мгновенно. Скорость изменения выходного напряжения измеряется в вольтах за микросекунду, типичные значения 1÷100 В/мкс. Параметр обусловлен временем, необходимым для перезаряда внутренних емкостей.

Ограничения, обусловленные питаниемправить | править код

• Ограниченный выходной ток. Большинство ОУ широкого применения имеют встроенную защиту от превышения выходного тока — типичное значение максимального тока 25 мА. Защита предотвращает перегрев и выход ОУ из строя.
• Ограниченная выходная мощность. Большинство ОУ предназначено для применений, не требовательных к мощности: сопротивление нагрузки не должно быть менее 2 кОм.

Синфазный сигнал

ОУ конструируют так, чтобы они как можно больше изменяли Uвых при изменении Uдиф и как можно меньше изменяли Uвых при одинаковом (синфазном) изменении Uвх1 и Uвх2.

На рисунках: а) действует только синфазный сигнал Uсф = Uвх1 = Uвх2, при этом Uдиф = 0; б) график зависимости Uвых от Uсф.

Если модуль |Uсф| сравнительно мал, то синфазный сигнал слабо влияет на напряжение Uвых. Иначе его влияние, как следует из графика, может быть очень существенным. Если синфазный сигнал оказывается чрезмерно большим по модулю, то операционный усилитель может выйти из строя. Влияние синфазного сигнала при его малых по модулю значениях характеризуют коэффициентом усиления синфазного сигнала Kсф и коэффициентом ослабления синфазного сигнала Kос.сф

Коэффициент К всегда положителен. Коэффициенты Kсф и Kос.сф могут быть как положительными, так и отрицательными. Но в справочных данных обычно указывают модули этих коэффициентов. Модуль коэффициента Kсф обычно близок к единице, поэтому модуль коэффициента Kос.сф обычно такого же порядка, что и коэффициент K, т.е. 104…105.

Операционные усилители — начало истории

08.11.2013 | Рубрика: Операционный усилитель

Без обратной связи

Первые усилители, тогда еще не операционные, строились либо без обратной связи (ОС), либо разработчики не придавали ей значение. Это приводило к серьезному дрейфу характеристик усилителей от внешних факторов, в основном от температуры. Этот дрейф обуславливался, в первую очередь, дрейфом активных компонентов, пассивные же компоненты играли незначительную роль в дестабилизации характеристик устройств с усилителями. В 1930 году Гарри Блэк (Harry Black) придумал такое решение, при котром характеристики усилителя зависели преимущественно от пассивных компонентов. Вскоре началась эра операционных усилителей, и подробно о ней — под катом…

Решение

Решение состояло в том, что, во-первых, надо было построить усилитель с коэффициентом усиления намного больше требуемого значения. Затем часть выходного сигнала следовало вернуть на вход в противофазе с входным сигналом через цепь отрицательной обратной связи (ОС), выполненной на пассивных компонентах. При достаточно глубокой ОС коэффициент усиления такой схемы зависит скорее от параметров цепи ОС, а не от усиления усилителя.

Этот приём, называемый отрицательной обратной связью, является основополагающим принципом работы всех современных операционных усилителей. Гарри во время своей поездки на пароме придумал намеренно вводить обратную связь в усилительные схемы. И хотя не все были согласны с идеями об обратной связи, время подтвердило правоту Гарри, хотя и существовала одна небольшая проблемка, которую Гарри не стал обсуждать в деталях. А именно проблема самовозбуждения.

Оказалось, что схемы, имеющие большой коэффициент усиления при разомкнутой цепи ОС, иногда возбуждаются при замыкании цепи ОС. Множество людей исследовали эту нестабильность, и довольно хорошее понимание этого явления сформировалось в 1940 году, но обеспечение стабильности требовало длительных, утомительных и запутанных вычислений.

В 1945 году Хендрик В. Боде (H. W. Bode) представил систему для анализа стабильности устройств с обратной связью, основанную на использовании графических методов. До этого времени анализ систем с ОС выполнялся с помощью операций умножения и деления, так что расчёты передаточных функций были длительной и трудной задачей. Вспомним, что до 1970-х годов инженеры не имели в своём распоряжении электронных калькуляторов или компьютеров. Боде предложил технику логарифмирования, которая преобразовала сложный процесс расчёта стабильности систем с обратной связью в графический анализ, который был простым и перспективным. Конструирование систем с ОС ещё оставалось сложным, но оно больше не было сродни искусству, доступному лишь нескольким инженерам-электронщикам. Любой инженер мог использовать метод Боде для поиска условий стабильности систем с ОС, так что применение ОС в различных устройствах начало расти. Пожалуй, в области разработки электронных систем с ОС не было более крупного шага вперед до наступления эры компьютеров и трансдьюсеров.

В дальнейшем ОУ развивались по принципу — быстрее, выше, сильнее! До 60х годов ОУ делались на лампах, после — на транзисторах, микросхемах. Первые ОУ требовали грамотного выбора компонентов для обвязки, ОС, цепей коррекции. Современные ОУ редко встречаются с цепями коррекции, а также смогут гарантированно работать при выполнении пары-тройки простейших рекомендаций из документации (datasheet) на микросхему.

Список статей про операционный усилители

1. Идеальный операционный усилитель — это то, с чего обычно начинают изучение ОУ.
2. Идеальный ОУ — Неинвертирующий усилитель — одно из основных включений ОУ.
3. Идеальный ОУ — Инвертирующий усилитель — этот режим не очень популярен во времена однополярного питания.
4. Идеальный ОУ — Сумматор. Все пишут о сумматорах на ОУ, и я напишу.
5. Идеальный ОУ — Дифференциальный усилитель — усиливает разность сигналов на входах.
6. Идеальный ОУ — Примитивный метод анализа фильтров на ОУ.
7. Идеальный ОУ — Вместо заключения, или почему идеальные ОУ разрушили бы Вселенную.
8. Однополярное питание ОУ — почему именно используется однополярное питание, достоинства и недостатки применение ОУ с однополярным питанием.
9. Разбор основных схем использования ОУ с однополярным питанием, в статье рассмотрены конкретные типы ОУ.
10. Учимся считать ОУ — приведена методика расчета резисторов ОС и цепей смещения для ОУ при однополярном питании.

… продолжение следует

Примеры применения (схемы включения) усилителя LM358

Компаратор с гистерезисом

Микросхемы UA741, LM324, LM393, LM339, NE555, LM358

Допустим, что потенциал, поступающий на инвертирующий вход, плавно возрастает. При достижении его уровня чуть выше опорного (Vh -Vref), на выходе компаратора возникнет высокий логический уровень. Если после этого входной потенциал начнет медленно снижаться, то выход компаратора переключится на низкий логический уровень при значении немного ниже опорного (Vref – Vl). В данном примере разница между (Vh -Vref) и (Vref – Vl) будет значение гистерезиса.

Дифференциальный усилитель на LM358

Назначение данной схемы — усиление разности двух входящих сигналов, при этом каждый из них умножается на определенную постоянную величину.

Операционный усилитель

Развитие микроэлектроники изменяет подход к проектированию полупроводниковых усилительных устройств. Раньше при создании усилителей на дискретных компонентах разработчики старались найти наиболее простое решение устройств, в первую очередь стремились уменьшить число активных компонентов схемы (диодов, транзисторов) такой подход обеспечивал снижение стоимости аппаратуры и ее высокую надежность. Ныне при разработке аппаратуры на ИМС разработчик старается использовать готовые ИМС массового выпуска, именно такие ИМС обладают наименьшей стоимостью, их схемные решения тщательно проработаны и обеспечивают высокие показатели работы аппаратуры. Поэтому предприятия, выпускающие ИМС, стремятся к выпуску наиболее универсальных узлов, которые применялись бы в самых разнообразных устройствах, это обеспечивает увеличение выпуска данного типа ИМС и снижение их стоимости. Именно поэтому ИМС создаются не на основе наиболее простого решения, а наиболее совершенного, обладающего универсальными достоинствами. Применение таких ИМС оправдано и в тех случаях, если ряд их параметров в конкретном устройстве будет недоиспользован.

Наиболее распространенной усилительной ИМС является операционный усилитель (ОУ), в котором сосредоточены основные достоинства усилительных схем . Идеальный операционный усилитель имеет:

– чрезвычайно высокий коэффициент усиления по напряжению:

К_и=и_вых1и_вх^^-, (2.35)

• – большое входное сопротивление R_BX ->0О ;
• – малое выходное сопротивление R_tta —> 0.

ОУ является усилителем постоянного тока, то есть усиливает широкий спектр частот вплоть до постоянной составляющей. При этом дрейф нуля ОУ очень мал. ОУ (рис. 2.34) имеет дифференциальный вход:

“_вых = KAu_exl -и_вх2), (2.36)

при подаче сигнала на прямой вход выходное напряжение:

и = К.-и., (2.37)

вых U вх9 х /

при подаче сигнала на инвертирующий вход:

и_вых =~ки -««Л2- (2-38)

Рис. 2.34. Структурная схема ОУ

Первый каскад выполняется по схеме симметричного дифференциального каскада (ДК), в которой максимально компенсируется дрейф нуля.

В качестве второго каскада часто используется ДК с несимметричным выходом.

Третий выходной каскад выполняется по схеме эмиттерного повторителя (каскад с ОК), что обеспечивает малое выходное сопротивление ОУ.

Свойства реальных ОУ в большей или меньшей степени приближаются к свойствам идеального ОУ .

Пример маркировки ОУ: К553УД2 (рис. 2.35) .

Вход В — неинвертирующий вход.

Входы С — для подключения двуполярного ИП.

Входы D — выводы для подключения цепей коррекции.

ОУ подразделяются по следующим признакам:

• – ОУ общего применения;
• – мощные ОУ;
• – ОУ с управляемыми параметрами;
• – быстродействующие ОУ.

К основным параметрам ОУ относятся следующие:

• – напряжение ИП;
• – коэффициент усиления;
• – входное сопротивление;
• – потребляемый от ИП ток или потребляемая мощность;
• – коэффициент ослабления синфазного сигнала .

Скорость нарастания выходного напряжения. Она показывает быстродействие ОУ (В/мкс) (рис. 2.36).

Рис. 2.35. Операционный усилитель К553УД2

(2.39)

Рис. 2.36. Быстродействие ОУ

В технической литературе встречается устаревшее У ГО ОУ, изображенное на рис. 2.37.

Так как ОУ имеет очень большой коэффициент усиления и достаточно сложную схему, то при работе на определенных частотах возможно появление нежелательных фазовых сдвигов, приводящих к образованию положительных ОС и, как следствие, к самовозбуждению усилителя.

Для устранения этих возможностей применяются цепи коррекции, представляющие различные RC-цепочки. Цепи коррекции могут быть как внешними, то есть при помощи навесных элементов, так и внутренними, то есть внутри корпуса микросхемы. Причем цепи коррекции разрабатываются на этапе проектирования ОУ и являются индивидуальными для каждого конкретного типа ОУ .

Фильтры 2-го порядка на ОУ

В основе построения фильтра 2-го порядка широко используются свойства ОУ, которые позволяют рассматривать его как:

q ИНУН – источник напряжения управляемый напряжением. В простейшем случае – не инвертирующий усилитель, у которого

Rвх Þ ¥

Rвых Þ 0

Uвых = kUвх

q ИТУН – источник тока, управляемый напряжением. Это источник тока на ОУ.

q ИНУТ – источник напряжения, управляемый током. Это инвертирующий усилитель.

q ИТУТ – источник тока, управляемый током. Это источник тока на ОУ в не инвертирующем включении.

Наиболее простая – ИНУН.

Фильтры на этих усилителях называют фильтрами Саллена и КИ или фильтры на основе ИНУН.

ФНЧ

ФВЧ

Используется не инвертирующее включение ОУ, в результате ОУ не нагружает фильтр. Включение С1 и R1 (для ФВЧ) в ОС обеспечивает необходимую крутизну передаточной функции фильтров. Т. к. это связь положительная, то необходимо, чтобы кb < 1 (для ПОС), в противном случае такая схема возбуждается и становится просто генератором. Поэтому существуют ограничения на выбор R3 и R4, т. к.

Ku = 1 + R3/R4, то

R3/R4 = 2 — a, где a — коэффициент затухания фильтра и определяет тип фильтра.

Фильтры 2-го порядка в зависимости от вида передаточной функции делятся на следующие типы:

I. Фильтры Баттерворта

v a = 1,414

v наклон характеристики = 40 дб/дек

v в пределах полосы пропускания характеристика гладкая

v фазовая характеристика нелинейная

Т. к. имеет место в схеме ПОС, то крутизна переходной характеристики может быть как больше, так и меньше 40 дб/дек.

II. Фильтр Чебышева

v a = 1,578¸0,766

Фильтр Чебышева имеет колебания в пределах полосы пропускания, но более крутую характеристику в переходной полосе. Чем круче переходная полоса, тем больше выбросы. Имеет более нелинейную ФЧХ, чем фильтр Баттерворта. Нелинейность ФЧХ для этих фильтров приводит к тому, что при прохождении импульсных сигналов появляются выбросы на них.

III. Фильтр Бесселя

v a = 1,732

Гладкая спадающая характеристика в пределах полосы пропускания и плавная в пределах переходной области, но скорость спада < 40 дб.

«+» линейная ФЧХ, т. е. Dj = 1/кw (кw)

Это эквивалентно тому, что все сигналы задерживаются линейно в полосе пропускания. Эти фильтры не искажают импульсные сигналы.

Фильтры используются для выравнивания и компенсации задержек, возникающих в линиях связи.

Также используются эллиптические фильтры, которые имеют неравномерную характеристику, как в полосе пропускания, так и в полосе заграждения, и более крутую характеристику в переходной области, чем фильтр Чебышева.

Возможно, вам также будет интересно

При работе любого импульсного преобразователя на основе IGBT- или MOSFET-транзисторов неминуемо возникают коммутационные паразитные импульсы тока и напряжения. Неизбежность этих импульсов обусловлена паразитными составляющими топологии преобразователя и токами рекуперации при выключении. Создать преобразователь, не имеющий данных импульсов, практически не представляется возможным, а вот спроектировать преобразователь, в котором эти импульсы будут приводить к выходам из строя,

Встроенные защиты драйвера На сегодня драйвер IGBT-транзисторов — это законченный узел со сложившимся перечнем функций. Помимо основной функции — гальванически развязанной передачи логического сигнала управления в сигнал управления затвором транзистора, — драйвер выполняет и защитные функции. При этом практически все драйверы всех производителей содержат одинаковые виды защиты, список которых представлен в таблице. Таблица. Встроенные защиты

Компания SEMIKRON представляет новое поколение модулей седьмого поколения IGBT с сигнальными выводами, подключаемыми методом прессовой посадки (Press-Fit).
Семейство модулей IGBT в конструктиве SEMiX3p press-fit (Econo Dula) пополнилось новым, седьмым поколением компонентов с номинальным током 200, 300, 450, 600 и 700 А. Самым мощным элементом семейства является SEMiX703GB12M7p, отличающийся высшими показателями плотности мощности для IGBT в конструктиве 17 мм. Расположение сигнальных выводов SEMiX3p совместимо с топологией контактов серийно выпускаемых модулей Econo Dual, что дает …

Схема работы компаратора и применение

Обычно в электронике компаратор используется для сравнения двух напряжений или токов, подаваемых на два входа компаратора. Это означает, что он берет два входных напряжения, затем сравнивает их и выдает дифференциальное выходное напряжение высокого или низкого уровня. Компаратор используется для определения момента, когда произвольно изменяющийся входной сигнал достигает опорного уровня или определенного порогового уровня. Компаратор может быть разработан с использованием различных компонентов, таких как диоды, транзисторы, операционные усилители . Компараторы используются во многих электронных приложениях для управления логическими схемами.

Символ компаратора

Операционный усилитель как компаратор

Когда мы внимательно посмотрим на символ компаратора, мы узнаем его как операционного усилителя (операционного усилителя) символ , так что отличает этот компаратор от операционного усилителя; Операционный усилитель предназначен для приема аналоговых сигналов и вывода аналогового сигнала, тогда как компаратор выдает только выходной сигнал в виде цифрового сигнала; хотя в качестве компараторов можно использовать обычный операционный усилитель (операционные усилители, такие как LM324, LM358 и LM741, не могут использоваться непосредственно в схемах компаратора напряжения.

Операционные усилители часто могут использоваться в качестве компараторов напряжения, если к выходу усилителя добавлен диод или транзистор), но реальный компаратор разработан так, чтобы иметь более быстрое время переключения по сравнению с многоцелевыми операционными усилителями. Таким образом, можно сказать, что компаратор – это модифицированная версия операционных усилителей, специально разработанная для работы с цифровым выходом.

Сравнение выходной схемы операционного усилителя и компаратора

Базовая схема работы компаратора

Схема компаратора работает, просто принимая два аналоговых входных сигнала, сравнивая их и затем вырабатывая логический выход с высоким «1» или низким «0».

Цепь неинвертирующего компаратора Схема неинвертирующего компаратора

Путем подачи аналогового сигнала на вход + компаратора, называемый «неинвертирующим», и – вход, называемый «инвертирующим», схема компаратора будет сравнивать эти два аналоговых сигнала, если аналоговый вход на неинвертирующем входе больше, чем аналоговый вход на при инвертировании выходной сигнал перейдет в высокий логический уровень, и это заставит с транзистор открытым коллектором Q8 на эквивалентной схеме LM339, приведенной выше, включиться. Когда аналоговый вход на неинвертирующем входе меньше аналогового входа на инвертирующем входе, тогда на выходе компаратора будет низкий логический уровень.

Это выключит транзистор Q8. Как мы видели на изображении эквивалентной схемы LM339 выше, LM339 использует на выходе транзистор с открытым коллектором Q8, поэтому мы должны использовать «подтягивающий» резистор, который подключен к выводу коллектора Q8 с помощью Vcc, чтобы заставить этот транзистор Q8 работать. Согласно таблице данных LM339, максимальный ток, который может протекать через этот транзистор Q8 (выходной ток стока), составляет около 18 мА. V- можно рассчитать следующим образом.

V- = R2.Vcc / (R1 + R2)

Неинвертирующий вход компаратора подключен к потенциометру 10 K, который также формирует схему делителя напряжения, где мы можем регулировать начало напряжения V + с Vcc до 0 вольт. Во-первых, когда V + равно Vcc, выход компаратора перейдет в высокий логический уровень (Vout = Vcc), потому что V + больше, чем V-.

Это выключит транзистор Q8 и погаснет светодиод . Когда напряжение V + падает ниже V- вольт, выход компаратора переходит в низкий логический уровень (Vout = GND), что включает транзистор Q8 и загорается светодиод.

Путем замены аналогового входа; делитель напряжения R1 и R2, подключенный к неинвертирующему входу (V +), и потенциометр, подключенный к инвертирующему входу (V-), мы получим противоположный выходной результат.

Схема инвертирующего компаратора

Опять же, используя принцип делителя напряжения, напряжение на неинвертирующем входе (V +) составляет около V- вольт, поэтому, если мы начинаем инвертирующее входное напряжение (V-) с Vcc вольт, V + ниже, чем V-, это включит транзистор Q8, выход компаратора перейдет в низкий логический уровень. Когда мы регулируем V- ниже V +. После выключения транзистора Q8 выход компаратора перейдет в высокий логический уровень, потому что теперь V + больше, чем V-, и светодиод погаснет.

Неинвертирующий усилитель

Схема неинвертирующего усилителя изображена на рис. 3. Неинвертирующий усилитель характеризуется тем, что входной сигнал поступает на неинвертирующий вход операционного 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.

Рис. 3 – Схема неинвертирующего усилителя на ОУ

Основные параметры данной схемы описываются соотношением:

Отсюда в коэффициент усиления неинвертирующего усилителя:

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.

Коэффициент обратной связи такого усилителя :

В данном случае фаза
сигнала на входе и на выходе совпадает.
Основное отличие от
инвертирующего усилителя заключается в повышенном входном сопротивлении,
которое может достигать 10 МОм и выше. R_вых почти 0.

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 100 кОм, как показано на рис. 4.

Рис. 4 – Схема неинвертирующего усилителя на ОУ с разделительным конденсатором

Антилогарифмический усилитель или экспоненциальный усилитель

Антилогарифмический или экспоненциальный усилитель представляет собой конфигурацию схемы операционного усилителя, выходной сигнал которой пропорционален экспоненциальному значению или антилогарифмическому значению входа. Антилогарифмический усилитель делает полную противоположность логарифмическому усилителю. Антилогарифмические усилители вместе с логарифмическими усилителями используются для выполнения аналоговых вычислений над входными сигналами. Схема антилогарифмического усилителя на ОУ показана ниже:

Поменяв местами транзистор и резистор, можно заставить логарифмический усилитель работать как антилогарифмический усилитель. Напряжение база-коллектор транзистора поддерживается на уровне потенциала земли в соответствии с концепцией виртуальной земли. Ток I_E для транзистора определяется выражением:

I_E = I_S.[eq(Vbe)/kT – 1]

Для транзистора с заземленной базой I_E = I_C , определяется:

I_C = I_S.[eq(Vbe)/kT – 1]

Где I_S — ток насыщения транзистора,

V_out = I_C.R₁

V_out = I_S.[eq(Vbe)/kT – 1].R₁

Кроме того, для приведенной выше схемы V_in = -V_be , определяется:

V_out = R₁.I_S.[eq(-V_in)/kT – 1]

Усилители с антилогарифмическим эффектом также имеют нестабильный выходной сигнал из-за различий в I_S для разных транзисторов и зависимости от температуры. Можно добавить компенсационные цепи для стабилизации выходного сигнала от таких изменений.

Компаратор напряжения операционного усилителя

Простой компаратор операционного усилителя

Операционный усилитель (ОУ) имеет хорошо сбалансированный разностный вход и очень высокий коэффициент усиления . Это соответствует характеристикам компараторов и может быть заменено в приложениях с низкими требованиями к производительности.

Схема компаратора сравнивает два напряжения и выдает либо 1 (напряжение на положительной стороне), либо 0 (напряжение на отрицательной стороне), чтобы указать, какое из них больше. Компараторы часто используются, например, для проверки того, достиг ли вход некоторого заранее определенного значения. В большинстве случаев компаратор реализован с использованием специальной ИС компаратора, но в качестве альтернативы можно использовать операционные усилители. На схемах компараторов и схемах операционных усилителей используются одни и те же символы.

На рисунке 1 выше показана схема компаратора

Прежде всего обратите внимание, что схема не использует обратную связь. Схема усиливает разницу напряжений между Vin и VREF, и выводит результат на Vout

Если Vin больше VREF, тогда напряжение на Vout повысится до положительного уровня насыщения; то есть к напряжению на положительной стороне

Если Vin ниже VREF, то Vout упадет до своего отрицательного уровня насыщения, равного напряжению на отрицательной стороне.

Если Vin больше VREF, тогда напряжение на Vout повысится до положительного уровня насыщения; то есть к напряжению на положительной стороне. Если Vin ниже VREF, то Vout упадет до своего отрицательного уровня насыщения, равного напряжению на отрицательной стороне.

На практике эту схему можно улучшить, включив диапазон напряжения гистерезиса, чтобы снизить ее чувствительность к шуму. Например, схема, показанная на Рисунке 1, будет обеспечивать стабильную работу, даже если сигнал Vin несколько зашумлен.

Это происходит из-за разницы в характеристиках операционного усилителя и компаратора, использование операционного усилителя в качестве компаратора имеет ряд недостатков по сравнению с использованием специального компаратора:

1. Операционные усилители предназначены для работы в линейном режиме с отрицательной обратной связью. Следовательно, операционный усилитель обычно имеет длительное время восстановления после насыщения. Почти все операционные усилители имеют внутренний компенсационный конденсатор, который накладывает ограничения на скорость нарастания для высокочастотных сигналов. Следовательно, операционный усилитель создает неаккуратный компаратор с задержками распространения, которые могут достигать десятков микросекунд.
2. Поскольку операционные усилители не имеют внутреннего гистерезиса, для медленных входных сигналов всегда необходима внешняя сеть гистерезиса.
3. Характеристики тока покоя операционного усилителя действительны только при активной обратной связи. Некоторые операционные усилители показывают повышенный ток покоя, когда входы не равны.
4. Компаратор предназначен для создания хорошо ограниченных выходных напряжений, которые легко взаимодействуют с цифровой логикой. Совместимость с цифровой логикой должна быть проверена при использовании операционного усилителя в качестве компаратора.
5. Некоторые многосекционные операционные усилители могут демонстрировать экстремальное взаимодействие канал-канал при использовании в качестве компараторов.
6. Многие операционные усилители имеют встречные диоды между входами. Входы операционных усилителей обычно следуют друг за другом, так что это нормально. Но входы компаратора обычно не совпадают. Диоды могут вызвать неожиданный ток через входы.