Схемы включения оу с однополярным питанием

Содержание

Однополярный или двуполярный источник питания?

Хотя схемы с операционными усилителями выгодно применять при питании от симметричного двуполярного источника, существует множество практических приложений, в которых, по соображениям экономичности или другим, необходима или желательна работа от источника питания с одной полярностью. Например, батарейная система питания автомобильного или судового оборудования обеспечивает только одну полярность. Даже такое оборудование с сетевым питанием, как компьютеры, может иметь только однополярный источник питания, формирующий для системы постоянное напряжение 5 или 12 В. При обработке аналоговых сигналов характерной чертой схемотехники с однополярным питанием оказывается необходимость применения дополнительных компонентов в каждом каскаде для формирования соответствующего смещения напряжения сигнала. Если это тщательно не продумать и не реализовать, возможно возникновение неустойчивости и других проблем.

Типичные проблемы при формировании смещения резисторами

Устройствам на операционных усилителях с однополярным питанием свойственны проблемы, обычно не встречающиеся в схемах с симметричным питанием. Главная из них заключается в том, что если необходимо обеспечить возможность смещения сигнала, как в положительную, так и в отрицательную сторону относительно напряжения некоторой общей шины, то уровень этого напряжения должен быть установлен между потенциалами шин питания. Основное преимущество использования двух источников питания состоит в том, что их общая точка является стабильной, низкоимпедансной шиной с нулевым потенциалом. Напряжения питания обеих полярностей обычно равны и противоположны по знаку, но эти условия не являются обязательными. При однополярном питании средняя точка источника должна быть создана искусственно введением дополнительных цепей смещения для поддержания постоянной составляющей сигнала на целесообразном уровне половины напряжения питания.

Поскольку при больших уровнях выходного сигнала обычно желательна симметричность ограничения, смещение как правило устанавливается в середине номинального диапазона выходного напряжения усилителя или, для простоты, на уровне половины напряжения питания. Наиболее эффективным способом достижения этого является применение стабилизатора, однако чаще используется деление напряжения питания двумя резисторами. Очевидная простота этого способа не исключает его недостатки.

Поясним некоторые конструктивные недостатки схемы неинвертирующего усилителя переменного тока на рис. 1. Сигнал поступает на вход и снимается с выхода через конденсаторы. Постоянная составляющая на входе с емкостной развязкой смещена до уровня VS/2 делителем RA – RB, а коэффициент усиления в полосе пропускания составляет G = 1 + R2/R1. "Шумовое усиление" по постоянному току снижено до единичного конденсаторной развязкой цепи обратной связи от общей шины, тогда нуль АЧХ устанавливается элементами R1 и C1, а постоянная составляющая выходного напряжения равна напряжению смещения. Это устраняет искажения, вызванные ненужным усилением постоянной составляющей дифференциального входного напряжения усилителя. Коэффициент усиления усилителя с обратной связью снижается от (1 + R2/R1) на высокой частоте до единичного на постоянном токе, значения частот среза составляют f = 1/2R1C1 и f = 1/2(R1+R2)C1, дополнительный сдвиг по фазе суммируется со сдвигами, возникающими во входных и выходных цепях.

Рисунок 1. Схема потенциально неустойчивого операционного усилителя с однополярным питанием

Эта простая схема имеет также другие серь╦зные ограничения. Во-первых, свойство операционного усилителя подавлять изменения питающего напряжения оказывается бесполезным, поскольку любое отклонение напряжения питания непосредственно влияет на напряжение смещения VS/2, установленное резистивным делителем. Хотя это не созда╦т проблем на постоянном токе, любой синфазный шум, присутствующий на выводах источника питания, будет усилен вместе с входным сигналом (кроме самых низких частот). При коэффициенте усиления 100 фоновая пульсация в 20 мВ на 60 Гц будет усилена до уровня 1 В на выходе.

Хуже того, в схемах, где операционный усилитель должен отдавать большие выходные токи в нагрузку, может возникнуть неустойчивость. Если источник питания не будет хорошо стабилизирован (и блокирован конденсаторами), на шине питания могут появиться значительные напряжения наводок от сигнала. Поскольку имеется цепь связи неинвертирующего входа операционного усилителя и шины питания, то эти наводки поступят снова на вход усилителя, зачастую с таким сдвигом фазы, который вызовет низкочастотную генерацию типа "моторный шум" или самовозбуждение другого вида.

Вместо чрезвычайно тщательной компоновки платы, блокирования большим количеством конденсаторов выводов источника питания, звездообразной разводки проводников заземления и корректной разводки проводников питания на печатной плате, что снизит наводки и обеспечит устойчивость схемы, целесообразнее внести изменения в схему для улучшения подавления наводок от источника питания. Несколько таких способов предложено здесь.

Развязка цепи формирования смещения от питания

Одним из возможных решений будет блокировка конденсатором делителя напряжения смещения и использование дополнительного резистора, что привед╦т к изменению схемы, как показано на рис. 2. Для восстановления подавления переменной наводки от источника питания средняя точка делителя напряжения теперь блокирована для сигнала переменного тока конденсатором C2. Резистор RBX, заменяющий RA/2 в качестве входного сопротивления для переменного сигнала, кроме того служит для прохождения входного тока неинвертирующего входа.

Рисунок 2. Цепь формирования смещения операционного усилителя с однополярным питанием и развязкой

Номиналы RA и RB, конечно, должны быть возможно меньшими; выбор значений 100 кОм обусловлен стремлением минимизировать потребляемый ток, что может оказаться желательным в устройствах с батарейным питанием. Величину блокирующего конденсатора также следует выбирать осмотрительно. При номиналах делителя напряжения RA = RB = 100 кОм и значении ╦мкости C2 0,1 мкФ или около того, ширина полосы пропускания этой цепи по уровню -3 дБ, определяемая параллельным соединением RA, RB и С2, окажется равной 1/2p(RA/2)C2 = 32 Гц. Несмотря на лучшие характеристики, чем в схеме на рис. 1, подавление синфазной помехи на частотах ниже 32 Гц снижается, что может вызвать существенную обратную связь через источник питания на низких частотах. В результате необходим конденсатор большего номинала во избежание самовозбуждения с генерацией типа "моторный шум" и других проявлений неустойчивости.

Практический подход состоит в увеличении номинала конденсатора C2 настолько, чтобы он эффективно блокировал делитель напряжения на всех частотах в пределах полосы пропускания схемы. Согласно хорошему эмпирическому правилу, соответствующий полюс АЧХ следует располагать в 10 раз ниже частоты среза входного сигнала по уровню -3 дБ, которая определяется постоянными времени RBXCBX и R1C1.

Коэффициент усиления по постоянному току по-прежнему составляет единицу. Даже в этом случае следует учитывать входные токи операционного усилителя. Резистор RBX вместе с делителем напряжения RA/RB вносит значительное сопротивление, последовательно включенное с выводом неинвертирующего входа операционного усилителя. Чтобы сохранить потенциал выхода операционного усилителя близким к половине напряжения питания при использовании обычных операционных усилителей с обратной связью по напряжению, имеющих симметричные входы, необходимо сбалансировать схему выбором величины R2.

В зависимости от напряжения питания, типовые значения, составляющие разумный компромисс между повышенным потреблением тока и повышенной восприимчивостью к входному току усилителя, составят от 100 кОм при однополярном питании 15 или 12 В, до 42 кОм при питании 5 В и 27 кОм для 3,3 В.

Для усилителей, предназначенных для высокочастотных устройств (особенно для усилителей с обратной связью по току), следует использовать малые сопротивления на входе и в цепи обратной связи, чтобы обеспечить нужную полосу пропускания в присутствии паразитных емкостей. Операционный усилитель типа AD811, который был разработан для быстродействующих видеоустройств, будет в общем случае иметь оптимальные характеристики при использовании резистора R2 = 1 кОм. Поэтому в устройствах таких типов следует использовать значительно меньшие номиналы резисторов в делителе напряжения RA/RB (и большие блокировочные ╦мкости) для снижения влияния входного тока на смещение и во избежание неустойчивости на низких частотах.

В устройствах на современных операционных усилителях с полевыми транзисторами на входе, благодаря их малому входному току, потребность в симметрии резисторов входов не столь велика, если только схема не предназначена для работы в очень широком диапазоне температур. В таких случаях симметризация сопротивлений во входных цепях усилителей по-прежнему оста╦тся разумной мерой предосторожности.

Рис. 3 показывает одну из возможных реализаций цепей смещения и блокировки в схеме инвертирующего усилителя.

Рисунок 3. Схема усилителя с однополярным питанием и развязкой цепи смещения

Методика формирования смещения резистивным делителем дешева и обеспечивает равенство постоянного выходного напряжения операционного усилителя значению VS/2, но подавление операционным усилителем синфазных помех по-прежнему зависит от постоянной времени RC-цепи, образованной RA и конденсатором C2. Использование номинала C2, обеспечивающего по крайней мере 10-кратное превышение значения постоянной времени входной RC-цепи (R1/C1 и RBX/CBX), поможет обеспечить разумный коэффициент подавления синфазных помех. Для резисторов RA и RB по 100 кОм реальные значения C2 могут оставаться довольно малыми, если полоса среза цепи не слишком низка.

Формирование смещения стабилитроном

Более эффективный способ создания необходимого смещения VS/2 при работе с однополярным питанием состоит в использовании стабилизатора на стабилитроне, как изображено на рис. 4. Здесь ток через стабилитрон определяет резистор RZ. Конденсатор CN препятствует проникновению шума стабилитрона на вход операционного усилителя.

Рисунок 4. Неинвертирующий усилитель с однополярным питанием с формированием смещения стабилитроном

Следует выбирать стабилитрон с рабочим напряжением, близким к VS/2. Резистор RZ должен быть выбран так, чтобы создать достаточно большой ток для работы стабилитрона при устойчивом номинальном напряжении и обеспечить низкий выходной шум стабилитрона. Кроме того, также важно снизить потребляемую мощность (и нагрев), и избегать повреждения стабилитрона. Поскольку от источника опорного напряжения вход операционного усилителя потребляет небольшой ток, желательно выбирать маломощный диод. Лучше использовать прибор с номинальной мощностью 250 мВт, но также приемлемы шире распростран╦нные разновидности на 500 мВт. Оптимальный ток стабилитрона различен у разных изготовителей, но практические значения IZ от 500 мкА (для устройства 250 мВт) и до 5 мА (для устройства 500 мВт) обычно считаются хорошим компромиссом для такого применения.

В пределах рабочего диапазона стабилитрона, схема на рис. 4 по существу обеспечивает низкое значение внутреннего сопротивления источника опорного напряжения, которое позволяет использовать подавление синфазных помех источника питания операционным усилителем. Выгоды существенны, но за это приходится платить: большее потребление мощности, постоянное выходное напряжение операционного усилителя определяются напряжением стабилитрона, а не VS/2. В случае существенного снижения напряжения источника питания, при больших амплитудах может происходить асимметричное ограничение. Кроме того, по-прежнему следует учитывать влияние входных токов. Резисторы RBX и R2 должны быть близки к тем же самым значениям, чтобы исключить возникновение существенной ошибки напряжения смещения из-за входных токов.

Читайте также:  Чертеж точилки для ножей размеры

На рис. 5 показана схема инвертирующего усилителя с использованием того же самого способа смещения стабилитроном.

Рисунок 5. Инвертирующий усилитель с однополярным питанием с формированием смещения стабилитроном

В таблице приведены параметры некоторых стабилитронов, которые могут быть выбраны для создания напряжения смещения, приблизительно равного половине напряжения питания при различных уровнях напряжения питания. Для удобства номиналы RZ подобраны так, чтобы обеспечить токи диодов 5 и 0,5 мА на схемах 4 и 5. Для снижения шума схемы, оптимальный ток стабилитрона может быть подобран по рекомендациям изготовителя.

Таблица 1. Предлагаемые наименования стабилитронов (номенклатура Motorola) и номиналы RZ для применения в сх. по рис. 4 и 5

Напряжение питания, В Опорное напряжение, В Наименование диода Ток стабилитрона, мА Значение RZ, Ом
15 7,5 1N4100 0,5 15000
15 7,5 1N4693 5 1500
12 6,2 1N4627 0,5 11500
12 6,2 1N4691 5 1150
9 4,3 1N4623 0,5 9310
9 4,3 1N4687 5 931
5 2,4 1N4617 0,5 5230
5 2,7 1N4682 5 464

Формирование смещения операционного усилителя с использованием линейного стабилизатора напряжения

Для схем с операционными усилителями, работающих при стандартном напряжении 3,3 В, необходимо напряжение смещения 1,65 В. Обычно доступны стабилитроны только свыше 2,4 В, хотя аналогично стабилитронам могут использоваться параллельные стабилизаторы с выходным напряжением, пропорциональным ширине запрещ╦нной зоны (bandgap), на 1,225 В типа AD589 и AD1580, чтобы сформировать фиксированное, но не половинное относительно питания напряжение с низким выходным сопротивлением. Простейшим способом формирования произвольных значений напряжения смещения с низким выходным сопротивлением (например VS/2) будет применение линейного регулятора напряжения, например, ADM663A или ADM666A, как изображено на рис. 6. Его выходное напряжение может быть установлено от 1,3 до 16 В, что да╦т возможность формировать напряжения смещения с низким выходным сопротивлением для однополярного питания от 2 до 16,5 В.

Рисунок 6. Схема формирования смещения операционного усилителя с однополярным питанием с использованием линейного регулятора напряжения

Схемы усилителей постоянного тока с однополярным питанием

До сих пор обсуждались только схемы операционных усилителей переменного тока. При применении входных и выходных конденсаторов подходящих больших номиналов схема переменного тока может работать на частотах значительно ниже 1 Гц, однако в некоторых устройствах требуются усилители постоянного тока. Формирующие постоянные напряжения с низким выходным сопротивлением схемы, например, обсуждаемые выше стабилитроны и регуляторы, могут использоваться для формирования напряжения "виртуальной земли".

В качестве альтернативы, резисторы смещения до VS/2 на рис. 1 – 3 могут быть буферизованы операционным усилителем для формирования цепи "виртуального заземления" с низким выходным сопротивлением, как изображено на рис. 7. Если источником питания является низковольтная батарея, к примеру 3,3 В, то необходим операционный усилитель типа rail-to-rail, имеющий допустимый размах входных и выходных сигналов, близкий к уровням питания, который способен эффективно работать во вс╦м диапазоне питающих напряжений. Операционный усилитель также должен быть способен создавать положительный или отрицательный выходной ток, достаточно большой для выполнения требований обеспечения тока в нагрузке основной схемы. Конденсатор C2 шунтирует делитель напряжения, чтобы снизить шум резисторов. В этой схеме не требуется подавление синфазных наводок из напряжения питания, поскольку общий вывод в ней ("виртуальная земля") всегда имеет потенциал половины напряжения питания.

Рисунок 7. Использование операционного усилителя в схеме формирования "виртуальной земли" для батарейных устройств, работающих с сигналами постоянного тока

Проблемы, связанные с переходными процессамипри включении схем

В заключение следует рассмотреть вопросы оценки времени переходных процессов при включении схем. Ориентировочно время переходного процесса будет зависеть от постоянной времени RC-цепочки используемого фильтра с самой низкой частотой среза.

Во всех отображ╦нных здесь схемах с пассивным смещением следует обеспечить превышение постоянной времени цепи делителя напряжения RAIIR?B-C2 в 10 и более раз относительно постоянных времени цепей входа или выхода. Это должно упростить расч╦т схем (так как на полосу пропускания по входу влияют до тр╦х полюсов разных RC-фильтров). Эта наибольшая постоянная времени также обеспечивает "включение" цепи смещения после входных и выходных цепей операционного усилителя, позволяя таким образом постепенное нарастание выходного напряжения операционного усилителя от нуля до VS/2, без выброса к напряжению шины положительного питания. Требуемая частота среза по уровню -3 дБ составляет 1/10 часть таковой для R1/C1 и RНАГР/CВЫХ. Например, на рис. 2 при полосе пропускания цепи 10 Гц и коэффициенте усиления 10, C2 номиналом 3 мкФ обеспечит частоту среза по уровню -3 дБ в 1 Гц.

При RAIIRB = 50000 Ом, конденсатор 3 мкФ обеспечивает постоянную времени RC-цепи в 0,15 секунды. Поэтому на выходе операционного усилителя потребуется приблизительно от 0,2 до 0,3 с для установления напряжения достаточно близко к VS/2. Тем временем, входные и выходные RC-цепи перезарядятся в десять раз быстрее.

В устройствах, где время переходных процессов схемы может оказаться чрезмерно большим, лучшим выбором может оказаться способ формирования смещения стабилитроном или активный способ.

Перевод сделан при содействии фирмы AUTEX Ltd. (АВТЭКС)

Рубрикатор

События

Наши новости

Новости

Подписка на новости

Опрос

Нужны ли комментарии к статьям? Комментировали бы вы?

Реклама

Китчин Чарльз

По сравнению с усилителями, собранными на дискретных полупроводниковых элементах, операционные и инструментальные усилители (ОУ и ИУ) предоставляют разработчику большие удобства. Опубликовано огромное количество остроумных, полезных и привлекательных схем. Но очень часто схема, смонтированная поспешно, без учета некоторых основных требований, не работает как положено. В этой статье рассмотрено несколько наиболее характерных ошибок в применении этих устройств и предложены практические решения.

Отсутствует цепь для отвода тока смещения при связи по переменному току

Одна из наиболее распространенных ошибок при применении связи по переменному току в схемах с операционными или инструментальными усилителями — это отсутствие цепи постоянного тока для стекания тока смещения. На рис. 1 включение последовательно с неинвертирующим входом (+) ОУ конденсатора для связи по переменному току является простым способом не пропустить постоянную составляющую, имеющуюся во входном напряжении (VIN). Это особенно полезно для схем с большим усилением, где даже небольшое постоянное напряжение на входе может ограничить динамический диапазон или вызвать насыщение выхода. Однако емкостная связь на высокоомном входе приведет к неприятностям, если не обеспечить цепь постоянному току, текущему в неинвертирующий вход или из него.

В такой схеме входные токи смещения будут течь через разделительный конденсатор, заряжая его, пока синфазное напряжение на входе не достигнет максимально допустимого значения или пока выход не достигнет предельного напряжения. В зависимости от направления входного тока смещения конденсатор будет заряжаться или до положительного, или до отрицательного напряжения питания. Напряжение смещения усиливается коэффициентом усиления при замкнутой ОС по постоянному току.

Этот процесс может занять длительное время. Например, усилитель с полевыми транзисторами на входе с током смещения 1 пА с конденсатором развязки 0,1 мкФ будет заряжаться со скоростью I/C 10 –12 /10 –7 = 10 мкВ/с или 600 мкВ в минуту. Если коэффициент усиления равен 100, выходное напряжение будет меняться на 0,06 В в минуту. Таким образом, испытания в лаборатории (с помощью осциллографа с входом по переменному току) могут не выявить эту проблему, и схема будет работоспособна в течение нескольких часов. Разумеется, очень важно не допустить подобной проблемы.

На рис. 2 показано решение этой весьма распространенной задачи. Для обеспечения цепи протекания тока смещения здесь вход ОУ соединен с «землей» с помощью резистора. Для минимизации входных напряжений смещения, вызванных токами смещения, которые отслеживают друг друга в биполярных ОУ, сопротивление резистора R1 выбирают равным сопротивлению параллельно включенных R2 и R3.

Однако отметим, что данный резистор будет всегда привносить в схему некоторый шум, так что должен быть компромисс между входным импедансом схемы, требуемой емкостью входного развязывающего конденсатора, и тепловым шумом, добавляемым резистором. Типичные значения сопротивления резистора лежат в диапазоне от 100 кОм до 1 МОм.

Аналогичная проблема может иметь место и в схеме с инструментальным усилителем. На рис. 3 показана схема с ИУ с двумя разделительными конденсаторами, не обеспечивающая цепь для протекания входного тока смещения. Эта проблема обычна для инструментальных усилителей, работающих как в схеме с двухполярным питанием (рис. 3a), так и в схеме с одним источником питания (рис. 3б).

Подобная проблема может возникнуть и при трансформаторной связи, как на рис. 4, если нет цепи для постоянного тока на «землю» на стороне вторичной обмотки трансформатора.

Простые решения этих проблем показаны на рис. 5 и 6. Здесь между каждым входом и «землей» добавлены высокоомные резисторы RA и RB. Это простое и практичное решение для схем на ИУ с двухполярным питанием.

Эти резисторы обеспечивают путь для стекания входного тока смещения на «землю». В схеме с двухполярным источником питания (рис. 5a) теперь оба входа связаны по постоянному току с «землей». В схеме с однополярным питанием на рис. 5б оба входа соединены или с «землей» (при VCM, подключенной к «земле»), или с напряжением смещения, обычно равным половине максимального размаха входного напряжения.

Точно такой принцип может быть использован для входов с трансформаторной связью (рис. 6), за исключением случая, когда обмотка трансформатора имеет среднюю точку. Средняя точка трансформатора может быть соединена с «землей» или с VCM.

В этих схемах погрешность в виде небольшого напряжения смещения нуля возникает из-за несовпадения номиналов входных резисторов или несовпадения входных токов смещения. Для минимизации таких погрешностей между двумя резисторами можно подключить третий резистор с величиной сопротивления около 1/10 сопротивления этих двух (но больше, чем дифференциальное сопротивление источника), таким образом шунтируя эти резисторы.

Подача опорного напряжения на ОУ, ИУ и АЦП

На рис. 7 приведена схема с однополярным питанием, в которой напряжение на несимметричный вход аналого-цифрового преобразователя (АЦП) подается с инструментального усилителя. Опорное напряжение усилителя обеспечивает напряжение смещения, соответствующее нулевому дифференциальному входному напряжению, а опорное напряжение АЦП обеспечивает коэффициент масштабирования. Для снижения внеполосного шума между выходом ИУ и входом АЦП часто применяется простой сглаживающий RC-фильтр нижних частот. Разработчики часто соблазняются простыми решениями — например, для подачи опорного напряжения на ИУ и АЦП применяют резистивные делители вместо низкоомного источника. Для некоторых ИУ это может послужить причиной появления погрешности.

Корректная подача опорного напряжения в ИУ

Часто полагают, что вход для подачи опорного напряжения высокоомный (поскольку это вход). Так, разработчики могут соблазниться подключить высокоомный источник, например резистивный делитель, к выводу ИУ для опорного напряжения. С некоторыми типами инструментальных усилителей это может привести к значительным погрешностям (рис. 8).

Например, в конструкции популярного ИУ применено три ОУ, соединенных, как показано выше. Общий коэффициент усиления равен:

Коэффициент передачи для входа опорного напряжения равен единице (при подаче напряжения от источника с низким импедансом). Однако в рассматриваемом случае вывод опорного напряжения ИУ подключен к простому делителю напряжения на резисторах. Это приводит к разбалансу схемы вычитания и нарушает коэффициент деления делителя напряжения. В свою очередь, это снижает коэффициент подавления синфазного сигнала в ИУ и точность его коэффициента усиления. Однако если бы внутренний резистор R4 был нам доступен, то при снижении его сопротивления на величину, равную параллельному соединению двух резисторов делителя напряжения (здесь 50 кОм), схема вела бы себя так, будто к изначальному сопротивлению резистора R4 подключен низкоомный источник, равный (в данном примере) половине напряжения питания, и точность схемы вычитания была бы сохранена.

Читайте также:  Какое масло можно заливать в бензопилу

Этот подход невозможен, если ИУ — интегральная схема в закрытом корпусе. Еще одна проблема заключается в том, что температурные коэффициенты сопротивления (ТКС) внешних резисторов делителя отличаются от ТКС резистора R4 и других резисторов схемы вычитания. И, наконец, такой подход не позволяет регулировать значение опорного напряжения. Если, с другой стороны, попытаться использовать в делителе напряжения низкоомные резисторы, чтобы влияние их добавленного сопротивления было бы пренебрежимо малым, то ток потребления от источника питания и рассеиваемая мощность схемы увеличатся. В любом случае, такой метод «грубой силы» не приносит успеха.

На рис. 9 показано лучшее решение — применение буфера на ОУ с малым потреблением энергии между делителем напряжения и входом опорного напряжения ИУ. Это ликвидирует необходимость подбора сопротивления и проблему резисторов с разными ТКС, а также дает возможность легко регулировать опорное напряжение.

Сохранение коэффициента ослабления отклонений напряжения источника питания (КОНИП) при формировании опорного напряжения для усилителей делителями из напряжения источника питания

Часто при анализе не учитывается тот факт, что любой шум, импульсные помехи и дрейф напряжения источника питания VS, подаваемого на вход опорного напряжения напрямую, добавляются к выходному напряжению, ослабленные только коэффициентом деления делителя. Практические решения включают в себя развязывание конденсаторами, фильтрацию и, возможно, даже генерацию опорного напряжения прецизионными интегральными схемами, например ADR121, вместо ответвления напряжения VS.

Этот анализ особенно важен, когда разрабатываемые схемы содержат и операционные, и инструментальные усилители. Методика ослабления отклонений питающего напряжения применяется для того, чтобы изолировать усилитель от помех, шумов и других кратковременных изменений напряжения, присутствующих на шине питания. Это важно, потому что многие практические схемы содержат, подключаются или существуют в окружении далеко не идеальных источников напряжений питания. Кроме того, существующие на шинах питания переменные составляющие могут проникнуть в схему, усилиться и при нормальных условиях возбуждать паразитные колебания.

Современные операционные и инструментальные усилители обеспечивают значительное ослабление низкочастотных отклонений напряжения источника питания. У разработчиков это считается как бы само собой разумеющимся. Многие современные ОУ и ИУ имеют в спецификациях значение КОНИП 80 и даже более 100 дБ, что ослабляет действие флуктуаций напряжения питания от 10 000 до 100 000 раз. Даже весьма умеренный КОНИП в 40 дБ ослабляет влияние флуктуаций питания на усилитель в 100 раз. Тем не менее, высокочастотные блокировочные конденсаторы (которые изображены на рис. 1–7) всегда желательны, и часто без них не обойтись.

Когда разработчики применяют простой резистивный делитель сшины питания и буфер на ОУ для подачи на вход опорного напряжения ИУ, все флуктуации напряжения источника питания проходят через эту схему с небольшим ослаблением и непосредственно добавляются к выходному уровню ИУ. Таким образом, пока не обеспечена низкочастотная фильтрация, высокое значение КОНИП интегральной схемы не дает существенных преимуществ.

На рис. 10 к делителю напряжения добавлен конденсатор, отфильтровывающий флуктуации напряжения питания в выходном напряжении и позволяющий сохранить значение КОНИП.

Полюс –3 дБ этого фильтра устанавливается сопротивлением параллельно включенных R1/R2 и емкости конденсатора C1. Частота этого полюса должна быть примерно в 10 раз ниже, чем самая низкая частота сигнала.

При параметрах компонентов, приведенных на рисунке, спад –3 дБ будет на частоте 0,03 Гц. Конденсатор с маленькой емкостью (0,01 мкФ), включенный параллельно R3, минимизирует шумы резистора.

Фильтру для заряда после включения требуется время. При приведенных номиналах время заряда составляет 10–15 с (несколько постоянных времени фильтра, T = R3Cƒ = 5 c).

В схеме на рис. 11 предложены дальнейшие улучшения. Здесь буфер на ОУ работает как активный фильтр, что позволяет применить конденсаторы с меньшими емкостями для тех же значений развязывания источника питания. Кроме того, активный фильтр можно сделать высокодобротным, что уменьшит время включения.

Результаты испытаний

С указанными на схеме номиналами элементов и при источнике питания 12 В на входе ИУ было обеспечено 6 В опорного отфильтрованного напряжения. При коэффициенте усиления ИУ, равном единице, питающее напряжение 12 В было промодулировано синусоидальным сигналом с размахом 1 В с разными частотами. При этих условиях, при снижении частоты примерно до 8 Гц на экране осциллографа не наблюдалось переменного сигнала на опорном напряжении и на выходе ИУ. При небольших уровнях сигнала на входе ИУ измеренный диапазон напряжений питания для этой схемы составил от 4 до 25 В и более. Время включения схемы примерно 2 с.

Развязывание напряжения питания схем на ОУ с однополярным питанием

Чтобы работать с положительными и отрицательными полуволнами переменного сигнала, схемам на ОУ с однополярным питанием требуется синфазное смещение входа. При использовании для реализации такого смещения шины питания, для сохранения значения КОНИП требуется соответствующее развязывание.

Обычной и неправильной практикой для смещения неинвертирующего входа на уровень VS/2 является применение резистивного делителя 100/100 кОм с развязывающим конденсатором емкостью 0,1 мкФ. При таких номиналах элементов развязывание напряжения источника питания недостаточно, так как частота полюса составляет всего 32 Гц. Часто возникает нестабильность схемы (низкочастотная генерация типа «шум мотора»), особенно при работе на индуктивную нагрузку.

На рис. 12 (неинвертирующая схема) и рис. 13 (инвертирующая схема) показаны улучшенные схемы для получения развязанного напряжения смещения VS/2. В обеих схемах смещение подведено к неинвертирующему входу, обратная связь приводит инвертирующий вход к той же величине смещения, и единичный коэффициент усиления на постоянном токе смещает оба входа на одинаковое напряжение. Развязывающий конденсатор C1 понижает коэффициент усиления ниже частоты BW3 до единицы.

При использовании делителя 100/100 кОм хорошим эмпирическим правилом является применение конденсатора C2 с емкостью не менее 10 мкФ для получения спада на –3 дБ на частоте 0,3 Гц. Значение емкости 100 мкФ (полюс на частоте 0,03 Гц) достаточно практически для всех схем.

Другие статьи по данной теме:

Если Вы заметили какие-либо неточности в статье (отсутствующие рисунки, таблицы, недостоверную информацию и т.п.), просьба сообщить нам об этом. Пожалуйста укажите ссылку на страницу и описание проблемы.

Блог о электронике

Что то часто мне стали задавать вопросы по аналоговой электронике. Никак сессия студентов за яцы взяла? 😉 Ладно, давно пора двинуть небольшой ликбезик. В частности по работе операционных усилителей. Что это, с чем это едят и как это обсчитывать.

Что это
Операционный усилитель это усилок с двумя входами, невье… гхм… большим коэфициентом усиления сигнала и одним выходом. Т.е. у нас Uвых= K*Uвх а К в идеале равно бесконечности. На практике, конечно, там числа поскромней. Скажем 1000000. Но даже такие числа взрывают мозг при попытке их применить напрямую. Поэтому, как в детском саду, одна елочка, две, три, много елочек — у нас тут много усиления 😉 И баста.

А входа два. И один из них прямой, а другой инверсный.

Более того, входы высокоомные. Т.е. их входное сопротивление равно бесконечности в идеальном случае и ОЧЕНЬ много в реальном. Счет там идет на сотни МегаОм, а то и на гигаомы. Т.е. оно замеряет напряжение на входе, но на него влияет минимально. И можно считать, что ток в ОУ не течет.

Напряжение на выходе в таком случае обсчитывается как:

Очевидно, что если на прямом входе напряжение больше чем на инверсном, то на выходе плюс бесконечность. А в обратном случае будет минус бесконечность.

Разумеется в реальной схеме плюс и минус бесконечности не будет, а их замещать будет максимально высокое и максимально низкое напряжение питания усилителя. И у нас получится:

Компаратор
Устройство позволяющее сравнивать два аналоговых сигнала и выносить вердикт — какой из сигналов больше. Уже интересно. Применений ему можно придумать массу. Кстати, тот же компаратор встроен в большую часть микроконтроллеров и как им пользоваться я показывал на примере AVR в статьях про использование аналогового компаратора и про создание на его базе АЦП. Также компаратор замечательно используется для создания всяких ШИМ сигналов.

Но одним компаратором дело не ограничивается, ведь если ввести обратную связь, то из ОУ можно сделать очень многое.

Обратная связь
Если мы сигнал возьмем со выхода и отправим прямиком на вход, то возникнет обратная связь.

Положительная обратная связь
Возьмем и загоним в прямой вход сигнал сразу с выхода.

Что получим? А ничего интересного, процесс пойдет по следующей цепочке событий.

В общем, выход мгновенно свалится в бесконечные минуса, а в реале ляжет на шину отрицательного питания и усе. Поэтому такое включение применяется крайне редко. Например в триггере Шмитта для обеспечения гистерезиса.

Триггер Шмитта
Представим себе компаратор включенный по такой вот схеме и запитанный от +/- 15 вольт:

  • Напряжение U1 больше нуля — на выходе -15 вольт
  • Напряжение U1 меньше нуля — на выходе +15 вольт

А что будет если напряжение будет равно нулю? По идее на выходе должен быть ноль. Но в реальности напряжение НИКОГДА не будет равно нулю. Ведь даже если на один электрон заряд правого перевесит заряд левого, то уже этого достаточно, чтобы на бесконечном усилении вкатить потенциал на выход. И на выходе начнется форменный ад — скачки сигнала то туда, то сюда со скоростью случайных возмущений, наводящихся на входы компаратора.

Для решения этой проблемы вводят гистерезис. Т.е. своего рода зазор между переключениями из одного состояния в другое. Для этого вводят положительную обратную связь, вот так:

Считаем, что на инверсном входе в этот момент +10 вольт. На выходе с ОУ минус 15 вольт. На прямом входе уже не ноль, а небольшая часть выходного напряжения с делителя. Примерно -1.4 вольта Теперь, пока напряжение на инверсном входе не снизится ниже -1.4 вольта выход ОУ не сменит своего напряжения. А как только напряжение станет ниже -1.4, то выход ОУ резко перебросится в +15 и на прямом входе будет уже смещение в +1.4 вольта.

И для того, чтобы сменить напряжение на выходе компаратора сигналу U1 надо будет увеличиться на целых 2.8 вольта, чтобы добраться до верхней планки в +1.4.

Читайте также:  Заточка маникюрных и парикмахерских инструментов

Возникает своеобразный зазор где нет чувствительности, между 1.4 и -1.4 вольтами. Ширина зазора регулируется соотношениями резисторов в R1 и R2. Пороговое напряжение высчитывается как Uout/(R1+R2) * R1 Скажем 1 к 100 даст уже +/-0.14 вольт.

Но все же ОУ чаще используют в режиме с отрицательной обратной связью.

Отрицательная обратная связь
Окей, воткнем по другому:

В случае отрицательной обратной связи у ОУ появляется интересное свойство. Он всегда будет пытаться так подогнать свое выходное напряжение, чтобы напряжения на входах были равны, в результате давая нулевую разность.
Пока я в великой книге от товарищей Хоровица и Хилла это не прочитал никак не мог вьехать в работу ОУ. А оказалось все просто.

Повторитель
И получился у нас повторитель. Т.е. на входе U1, на инверсном входе Uout = U1. Ну и получается, что Uout = U1.

Спрашивается нафига нам такое счастье? Можно же было напрямую кинуть провод и не нужен будет никакой ОУ!

Можно, но далеко не всегда. Представим себе такую ситуацию, есть датчик выполненный в виде резистивного делителя:

Нижнее сопротивление меняет свое значение, меняется расклад напряжений выхода с делителя. А нам надо снять с него показания вольтметром. Но у вольтметра есть свое внутреннее сопротивление, пусть большое, но оно будет менять показания с датчика. Более того, если мы не хотим вольтметр, а хотим чтобы лампочка меняла яркость? Лампочку то сюда никак не подключить уже! Поэтому выход буфферизируем операционным усилителем. Его то входное сопротивление огромно и влиять он будет минимально, а выход может обеспечить вполне ощутимый ток (десятки миллиампер, а то и сотни), чего вполне хватит для работы лампочки.
В общем, применений для повторителя найти можно. Особенно в прецезионных аналоговых схемах. Или там где схемотехника одного каскада может влиять на работу другого, чтобы разделить их.

Усилитель
А теперь сделаем финт ушами — возьмем нашу обратную связь и через делитель напряжения подсадим на землю:

Теперь на инверсный вход подается половина выходного напряжения. А усилителю то по прежнему надо уравнять напряжения на своих входах. Что ему придется сделать? Правильно — поднять напряжение на своем выходе вдвое выше прежнего, чтобы компенсировать возникший делитель.

Теперь будет U1 на прямом. На инверсном Uout/2 = U1 или Uout = 2*U1.

Поставим делитель с другим соотношением — ситуация изменится в том же ключе. Чтобы тебе не вертеть в уме формулу делителя напряжения я ее сразу и дам:

Мнемонически запоминается что на что делится очень просто:

Таким образом, можно очень легко умножать аналоговые значения на числа больше 1. А как быть с числами меньше единицы?

Инвертирующий усилитель
Тут поможет только инверсный усилитель. Разница лишь в том, что мы берем и прямой вход коротим на землю.

При этом получается, что входной сигнал идет по цепи резисторов R2, R1 в Uout. При этом прямой вход усилителя засажен на нуль. Вспоминаем повадки ОУ — он постарается любыми правдами и неправдами сделать так, чтобы на его инверсном входе образовалось напряжение равное прямому входу. Т.е. нуль. Единственный вариант это сделать — опустить выходное напряжение ниже нуля настолько, чтобы в точке 1 возник нуль.

Итак. Представим, что Uout=0. Пока равно нулю. А напряжение на входе, например, 10 вольт относительно Uout. Делитель из R1 и R2 поделит его пополам. Таким образом, в точке 1 пять вольт.

Пять вольт не равно нулю и ОУ опускает свой выход до тех пор, пока в точке 1 не будет нуля. Для этого на выходе должно стать (-10) вольт. При этом относительно входа разность будет 20 вольт, а делитель обеспечит нам ровно 0 в точке 1. Получили инвертор.

Но можно же и другие резисторы подобрать, чтобы наш делитель выдавал другие коэффициенты!
В общем, формула коэффициента усиления для такого усилка будет следующей:

Ну и мнемоническая картинка для быстрого запоминания ху из ху.

Вычитающая схема
Однако никто же не мешает подать на прямой вход не ноль, а любое другое напряжение. И тогда усилитель будет пытаться приравнять свой инверсный вход уже к нему. Получается вычитающая схема:

Допустим U2 и U1 будет по 10 вольт. Тогда на 2й точке будет 5 вольт. А выход должен будет стать таким, чтобы на 1й точке стало тоже 5 вольт. То есть нулем. Вот и получается, что 10 вольт минус 10 вольт равняется нуль. Все верно 🙂

Если U1 станет 20 вольт, то выход должен будет опуститься до -10 вольт.
Сами посчитайте — разница между U1 и Uout станет 30 вольт. Ток через резистор R4 будет при этом (U1-Uout)/(R3+R4) = 30/20000 = 0.0015А, а падение напряжения на резисторе R4 составит R4*I4 = 10000*0.0015 = 15 вольт. Вычтем падение в 15 вольт из входных 20 и получим 5 вольт.

Таким образом, наш ОУ прорешал арифметическую задачку из 10 вычел 20, получив -10 вольт.

Более того, в задачке есть коэффициенты, определяемые резисторами. Просто у меня, для простоты, резисторы выбраны одинакового номинала и поэтому все коэффициенты равны единице. А на самом деле, если взять произвольные резисторы, то зависимость выхода от входа будет такой:

Мнемотехника для запоминания формулы расчета коэффициентов такова:
Прям по схеме. Числитель у дроби вверху поэтому складываем верхние резисторы в цепи протекания тока и множим на нижний. Знаменатель внизу, поэтому складываем нижние резисторы и множим на верхний.

Если же вводные резисторы (R4 и R5) равны друг другу. И резистор обратной связи и резистор на землю (R3 и R6) тоже равны друг другу. То формула упрощается до

Таким образом, на одном усилке можно два сигнала сначала вычесть, а потом умножить на константу. Этим, кстати, я воспользовался в схеме реобаса, чтобы привести милливольтный сигнал с датчика температуры к вменяемому виду.

Раз можно вычитать, то можно и суммировать

Тут все просто. Т.к. точка 1 у нас постоянно приводится к 0, то можно считать, что втекающие в нее токи всегда равны U/R, а входящие в узел номер 1 токи суммируются. Соотношение входного резистора и резистора в обратной связи определяет вес входящего тока.

Ветвей может быть сколько угодно, я же нарисовал всего две.

Резисторы на входе (R1, R2) определяют величину тока, а значит общий вес входящего сигнала. Если сделать все резисторы равными, как у меня, то вес будет одинаковым, а коэффициент умножения каждого слагаемого будет равен 1. И Uout = -1(U1+U2)

Сумматор неинвертирующий
Тут все чуток посложней, но похоже.

Причем резисторы в обратной связи должны быть такими, чтобы соблюдалось уравнение R3/R4 = K1+K2

В общем, на операционных усилителях можно творить любую математку, складывать, умножать, делить, считать производные и интегралы. Причем практически мгновенно. На ОУ делают аналоговые вычислительные машины. Одну такую я даже видел на пятом этаже ЮУрГУ — дура размером в пол комнаты. Несколько металлических шкафов. Программа набирается соединением разных блоков проводочками 🙂

Продолжение следует, когда-нибудь 🙂

191 thoughts on “Операционный усилитель”

> с двумя входами. Невье… гхм… большим
А не лучше ли запятую вместо точки?
> Поэтому такое включение не применяется. ОУ сконструирован для отрицательной обратной связи.
Ну ПОС тоже применяют, получая триггер Шмитта. В том же реобасе используется. Так что можно было и его описать)

О, точняк. Про него я чето запамятовал.

Моар спеллчека.
> Например в Триггере Шмидта
1) «Триггер» с малой буквы
2) Согласно вики — таки Шмитта.

Да ну? Я иначе как Шмидт его ни разу не видел.

Шмидт и Шмитт это разные люди 🙂
Один летчиком был, именем другого триггер назван.
Шмидт — это который лейтинант («Дети лейтинанта Шмидта» все помнят),
а триггер он Шмитта.

Неплохо бы написать мануал по выбору усилка. А то их всяких разных уж больно много развелось…

А что там много параметров? Для повседневных нужд тока частота, питающее напряжение, райл2райл или нет. КОрпус еще. Ну а для прецезионных затрахов там свои приколы и я их сам не знаю. Т.к. с аналоговой точной техникой дело имел мало да и не нужно оно особо в быту.

ещё полоса пропускания для переменных сигналов.
в своё время для космических систем в одном месте не нашлось ничего лучше, чем 744уд2 именно по этому параметру, так до сих пор и живём )

Стоило бы чуть-чуть коснуться практики применения ОУ с однополярным питанием (подозреваю что начинающим будет трудновато адаптировать твои рассуждения самостоятельно).
Ещё: привести вариант какой-нить простой схемы (например, http://easyelectronics.ru/img/starters/OPAMPS/5_noinvert.GIF), но добавить конденсатор с намёком что по переменному току сопротивление цепочки будет другое (более того, будет меняться с изменением частоты), а значит можно строить усилители с нелинейной АЧХ.
Ну, и grammar nazi тут подсказывает что «буфер» пришеццо с одной «ф». Тебе прям по всем статьям надо пройтись поиском-заменой, а то режет очень 🙂

Во, как справочник самое то! А то иногда приходится выводить эти формулы по ходу составления схемы, отвлекаясь от обдумывания более важных вещей. Давно хотел себе оформить это в виде листа, прилепленного на стенку 🙂

Я как справочник юзаю статью из Википедии (Применение операционных усилителей). Там базовые схемы и формулы есть.

Да, про вики я забыл. Там иногда тоже нужные вещи пишут

Обратная связь это когда сигнал с выхода поступает опять на вход, но не наоборот!

Странно как…
Столько картинок и ни одного канализационно-водопроводного аналога… 🙂

А если серьёзно — правильно делаешь, что пишешь про аналог. Хоть миром и правит цифрровая электроника, но без аналога у неё будут большие проблемы в «общении» с этим самым миром.

Еще я что-то не заметил (может плохо смотрел) схемы для измерения тока (падение на шунтирующем резисторе) или хотя-бы её описания.

З.Ы. Есть у меня хорошая (на мой взгляд) книжка — «Что нужно знать цифровому разработчику об аналоговой электронике» (авт. Бонни Бэйкер). Довольно хорошо написана (правда местами скучно..). Посмотри на досуге — может добавишь в раздел «книги».

Да будет продолжение где наброшу практики. Вроде того же виртуального нуля, способов питания, ограничений всяких. Применение и так далее.

Книга, кстати, очень удобная. Мне ее подарили на TI Technology day. Просто, доступно, с примерами.

>>Если мы сигнал возьмем со входа и отправим прямиком на выход, то возникнет обратная связь.
Перепутал местами.

>>Uout = -1(R3*U1/R9 + R3*U2/R8)
Индексы не соответствуют картинке!