Схема инвертирующего усилителя: Инвертирующий усилитель на ОУ | Практическая электроника

— Схема рабочего усилителя »Электроника

Схема операционного усилителя для инвертирующего усилителя обеспечивает высокую производительность с легко вычисляемыми значениями и множеством опций для источника питания, связи по переменному току и тому подобного.

Учебное пособие по операционному усилителю Включает:
Введение Сводка схем Инвертирующий усилитель Суммирующий усилитель Неинвертирующий усилитель Усилитель с регулируемым усилением Активный фильтр высоких частот Активный фильтр нижних частот Полосовой фильтр Режекторный фильтр Компаратор Триггер Шмитта Мультивибратор Бистабильный Интегратор Дифференциатор Генератор моста Вина Генератор фазового сдвига

Схема инвертирующего усилителя на операционном усилителе очень проста в разработке и может быть реализована с очень ограниченным количеством дополнительных электронных компонентов.

В своей простейшей форме инвертирующий усилитель на операционном усилителе требует только использования двух дополнительных резисторов, которые должны быть включены в процесс проектирования электронной схемы. Это делает схему очень простой и легкой в ​​реализации, при этом обеспечивая очень высокий уровень производительности.

Этот инвертирующий усилитель может также использоваться в качестве виртуального заземляющего смесителя или суммирующего усилителя, но также стоит отметить, что входной импеданс этой схемы операционного усилителя не такой высокий, как у инвертирующего формата.В качестве суммирующего усилителя эта схема операционного усилителя находит множество применений в аудиомикшерах, а также во многих других конструкциях электронных схем, где напряжения необходимо суммировать.

Для многих людей инвертирующий усилитель на операционном усилителе является их любимой формой схемы усилителя с простым процессом проектирования схемы и высоким уровнем производительности.

Схема инвертирующего усилителя ОУ

Базовая схема инвертирующего операционного усилителя довольно проста и требует всего лишь нескольких электронных компонентов, помимо самой интегральной схемы операционного усилителя.

Очевидно, что схема основана на операционном усилителе, который представляет собой дифференциальный усилитель с двумя входами: инвертирующим и неинвертирующим.

Схема состоит из резистора, соединяющего входной вывод с инвертирующим входом схемы, и другого резистора, подключенного от выхода к инвертирующему входу операционного усилителя. Неинвертирующий вход подключен к земле.

В этой схеме операционного усилителя обратная связь определяется резистором от выхода к инвертирующему входу и общим сопротивлением от инвертирующего входа к земле, т.е.е. входной резистор, а также сопротивление источника сигнала.

Коэффициент усиления инвертирующего усилителя

Одной из основных характеристик схемы инвертирующего усилителя является общий коэффициент усиления, который она производит. Подсчитать это довольно просто.

Коэффициент усиления этой схемы операционного усилителя легко определить. Коэффициент усиления по напряжению Av фактически представляет собой выходное напряжение (Vout), деленное на входное напряжение (Vin), то есть во сколько раз выходное напряжение превышает входное.

Также легко определить уравнение для усиления напряжения. Поскольку вход операционного усилителя не потребляет ток, это означает, что ток, протекающий через резисторы R1 и R2, одинаков. Используя закон Ома, Vout / R2 = -Vin / R1. Следовательно, коэффициент усиления по напряжению схемы Av можно принять как

Где:
Av = коэффициент усиления по напряжению
R2 — значение резистора обратной связи
R1 — значение входного резистора

Например, усилитель, требующий десятикратного усиления, можно построить, сделав R2 47 кОм и R1 4.7 кОм, так как соотношение между двумя резисторами равно десяти. В равной степени такое же усиление можно получить, используя резистор 33 кОм для R2 и резистор 3,3 кОм для R1.

Хотя для R1 и R2 можно выбрать практически любой набор значений, ключ к фактическому выбору часто основан на других аспектах, таких как входное сопротивление, как мы увидим ниже, а также на поддержании значений резисторов в разумных пределах, как подробно описано в разделе подсказок ниже.

Входное сопротивление инвертирующего усилителя

Часто необходимо знать входное сопротивление цепи, и в данном случае инвертирующего усилителя.Схема с низким входным импедансом может загрузить выход предыдущей схемы и вызвать такие эффекты, как изменение частотной характеристики, если разделительные конденсаторы невелики.

Определить входной импеданс цепи инвертирующего операционного усилителя очень просто. Это просто значение входного резистора R1.

Легко понять, почему входной импеданс схемы усилителя равен R1.

Неинвертирующий вход подключен к земле и, следовательно, имеет потенциал земли.

Коэффициент усиления операционного усилителя очень высок, это означает, что для выходов в пределах напряжения на шине, то есть для аналогового усилителя, разница напряжений между инвертирующим и неинвертирующим входами должна быть очень маленькой. Поскольку неинвертирующий вход находится на земле, инвертирующий вход должен быть практически на земле. По этой причине схему иногда называют усилителем виртуального заземления.

Советы и рекомендации по проектированию инвертирующего усилителя ОУ

Инвертирующий усилитель на операционном усилителе очень легко спроектировать, но, как и в случае с любой другой конструкцией, есть несколько советов, которые могут быть полезны.

• Не делайте R2 слишком высоким: Хотя входной импеданс операционных усилителей высокий, в любой схеме операционного усилителя всегда лучше убедиться, что значение R2 не выбрано слишком большим, иначе другая схема эффекты могут загрузить его, и значение усиления может оказаться не таким, как ожидается.Часто имеет смысл держать значение R2 ниже 100 кОм в качестве приблизительного практического правила.
• Не делайте R1 слишком низким: Также разумно не делать значение R1 слишком низким в этой схеме операционного усилителя. Помните, что он определяет входное сопротивление цепи инвертирующего усилителя. Если переменный ток связывает входную цепь, значение конденсатора последовательной связи необходимо выбрать так, чтобы его реактивное сопротивление было достаточно низким при самых низких необходимых частотах. Уменьшение значения R1 увеличивает емкость требуемого конденсатора.Кроме того, слишком низкое значение R1 увеличивает нагрузку на предыдущем этапе.
• Запомните полосу пропускания: Хотя операционные усилители имеют высокое значение усиления, оно начинает падать с увеличением частоты. Даже при наличии обратной связи в инвертирующем усилителе необходимо учитывать произведение коэффициента усиления на полосу пропускания. Не пытайтесь получить слишком большое усиление от схемы одноступенчатого операционного усилителя, иначе может пострадать частотная характеристика.

Инвертирующий усилитель несимметричного режима

Обычно схема операционного усилителя будет работать от дифференциальных источников питания, например.грамм. + 12В и -12В. Это вполне приемлемо во многих приложениях, но во многих конструкциях электронных схем может быть доступен только один источник питания.

В этих условиях относительно легко реализовать так называемую несимметричную версию схемы операционного усилителя инвертирующего усилителя — в ней используются только одно питание и земля.

Версия схемы ОУ с одним источником напряжения для схемы инвертирующего усилителя использует больше компонентов по сравнению с версией с двумя направляющими, но конструкция элементов усилителя остается той же.

Фактически создается промежуточная точка для неинвертирующего входа. Таким образом, операционный усилитель работает в тех же условиях, что и при работе от двойного источника питания.

Несколько моментов, на которые следует обратить внимание при проектировании электронной схемы:

• Точка половинного питания: Точка, равная половине напряжения питания, устанавливается для подключения к неинвертирующему входу. Это создается цепочкой делителя потенциала, состоящей из резисторов R3 и R4.Ввиду высокого входного импеданса операционного усилителя можно использовать значения около 47 кОм — ток, требуемый на входе операционного усилителя, будет небольшим, и эти значения подходят для большинства операционных усилителей. Если значения выбраны слишком высокими, импеданс инвертирующего входа может смещать напряжение.
• Развязка: Питание половинной шины требует развязки на землю, потому что инвертирующий вход должен выступать в качестве сигнальной земли, но при этом поддерживается на уровне половинного напряжения питания.Емкость конденсатора C1 выбрана таким образом, чтобы его импеданс был таким же, как у резисторов R3 и R4, включенных параллельно на самой низкой требуемой частоте — это дает точку -3 дБ на этой частоте. Если ниже этого значения требуется полностью ровный отклик, необходимо использовать конденсатор большего размера.

  При наличии резисторов с относительно высоким номиналом для R3 и R4 значение емкости конденсатора не должно быть слишком высоким, чтобы можно было получить низкое значение для точки низкочастотного разрыва.

• Выбор напряжения половинной шины: Напряжение половинной шины выбирается таким, чтобы оно составляло около 50% от напряжения шины.Таким образом, схема обеспечит максимальное колебание выходного напряжения вверх и вниз без ограничения.

  Необходимо следить за тем, чтобы общее напряжение на шине было достаточным для правильной работы операционного усилителя — сверьтесь с таблицей данных, чтобы убедиться, что выбранное значение шины приемлемо для выбранного операционного усилителя.

• Схема соединения: Инвертирующий усилитель ОУ с несимметричным выходом напряжения требует, чтобы входы были связаны по переменному току. Конденсаторы C2 и C3 следует выбирать так, чтобы пропускать самые низкие частоты сигнала без чрезмерного затухания.

  Эти конденсаторы следует выбирать таким образом, чтобы их полное сопротивление соответствовало сопротивлению цепи при минимальной требуемой частоте. Это делает эту точку точкой -3 дБ для каждой из этих цепей.

  Помните, что входное сопротивление схемы может быть таким же, как у R2, если предположить, что схема управляется источником с низким импедансом. Для выходной цепи можно предположить, что операционный усилитель имеет нулевой импеданс для этого расчета, и, следовательно, сопротивление или импеданс выходной цепи соответствует предполагаемой нагрузке.

Вариант схемы операционного усилителя с несимметричной рейкой находит применение, где доступна только одна шина питания. Часто цепи, работающие от батарейных источников питания, имеют только один источник питания, и это решение часто используется в этих приложениях.

Есть некоторые операционные усилители, которые предназначены для работы в несимметричном режиме, но этот подход может быть принят для доступных операционных усилителей.

Операционный усилитель — это дифференциальный усилитель, поэтому имеется два входа: для инвертирующего усилителя отрицательная обратная связь с выхода и входной сигнал подаются на инвертирующий вход, а неинвертирующий вход заземляется.

Схема операционного усилителя для инвертирующего усилителя предлагает множество преимуществ, включая относительно низкий входной импеданс, низкий выходной импеданс и требуемый уровень усиления (в пределах ОУ и требуемого усиления всей схемы. очень мало электронных компонентов для создания высокопроизводительной схемы.

Другие схемы и схемотехника:
Основы операционных усилителей Схемы операционных усилителей Цепи питания Конструкция транзистора Транзистор Дарлингтона Транзисторные схемы Схемы на полевых транзисторах Условные обозначения схем
Вернуться в меню «Конструкция схемы».. .

Схема, конфигурация, коэффициент усиления и практические примеры

Операционный усилитель (операционный усилитель) является основой аналоговой электроники. Операционный усилитель — это электронный компонент со связью по постоянному току, который усиливает напряжение с дифференциального входа с помощью резисторной обратной связи. Операционные усилители популярны благодаря своей универсальности, поскольку их можно настраивать разными способами и использовать в разных аспектах. Схема операционного усилителя состоит из нескольких переменных, таких как полоса пропускания, входное и выходное сопротивление, запас усиления и т. Д.Различные классы операционных усилителей имеют разные характеристики в зависимости от этих переменных. Существует множество операционных усилителей в различных корпусах интегральных схем (ИС), некоторые операционные усилители содержат два или более операционных усилителя в одном корпусе. LM358, LM741, LM386 — некоторые часто используемые ИС операционных усилителей. Вы можете узнать больше об операционных усилителях, следуя нашему разделу «Схемы операционных усилителей».

Операционный усилитель имеет два дифференциальных входных контакта и выходной контакт вместе с контактами питания. Эти два контакта дифференциального входа: , инвертирующий, или отрицательный, и , неинвертирующий, или положительный.Операционный усилитель усиливает разницу в напряжении между этими двумя входными контактами и обеспечивает усиленный выходной сигнал через свой Vout или выходной контакт.

В зависимости от типа входа операционный усилитель можно разделить на инвертирующий усилитель или неинвертирующий усилитель. В предыдущем руководстве по неинвертирующему операционному усилителю мы увидели, как использовать усилитель в неинвертирующей конфигурации. В этом руководстве мы изучим , как использовать операционный усилитель в инвертирующей конфигурации .

Он называется инвертирующим усилителем , потому что операционный усилитель изменяет фазовый угол выходного сигнала точно на 180 градусов не в фазе относительно входного сигнала.Как и раньше, мы используем два внешних резистора для создания цепи обратной связи и создания замкнутой цепи через усилитель.

В неинвертирующей конфигурации мы обеспечиваем положительную обратную связь через усилитель, но для инвертирующей конфигурации мы производим отрицательную обратную связь через схему операционного усилителя.

Давайте посмотрим на схему подключения для конфигурации инвертирующего ОУ

В вышеупомянутом инвертирующем операционном усилителе мы видим, что R1 и R2 обеспечивают необходимую обратную связь по схеме операционного усилителя.Резистор R2 — это резистор входного сигнала, а резистор R1 — резистор обратной связи. Эта цепь обратной связи вынуждает дифференциальное входное напряжение почти до ноль .

Обратная связь подключается к отрицательной клемме операционного усилителя, а положительная клемма подключается к земле. Потенциал напряжения на инвертирующем входе такой же, как потенциал напряжения на неинвертирующем входе. Таким образом, на неинвертирующем входе создается точка суммирования виртуальной Земли, имеющая тот же потенциал, что и земля или Земля.Операционный усилитель будет действовать как дифференциальный усилитель .

Итак, в случае инвертирующего операционного усилителя, ток на входной клемме не течет, также входное напряжение равно напряжению обратной связи на двух резисторах, поскольку оба они имеют один общий виртуальный источник заземления. Из-за виртуального заземления входное сопротивление операционного усилителя равно входному резистору операционного усилителя R2. Этот R2 связан с коэффициентом усиления замкнутого контура, и коэффициент усиления может быть установлен соотношением внешних резисторов, используемых в качестве обратной связи.

Поскольку на входной клемме нет тока, а дифференциальное входное напряжение равно нулю, мы можем рассчитать коэффициент усиления ОУ с обратной связью. Узнать больше о конструкции ОУ и его работе можно по ссылке.

На изображении выше показаны два резистора R2 и R1, которые представляют собой резисторы обратной связи делителя напряжения, используемые вместе с инвертирующим операционным усилителем. R1 — резистор обратной связи (Rf), а R2 — входной резистор (Rin).Если посчитать ток, протекающий через резистор, то —

  i = (Vin - Vout) / (Rin (R2) - Rf (R1))  

Поскольку Dout является средней точкой делителя, мы можем заключить, что

Как мы описали ранее, из-за виртуальной земли или той же точки суммирования узлов напряжение обратной связи равно 0, Dout = 0. Итак,

Итак, формула инвертирующего усилителя для коэффициента усиления замкнутого контура будет

  Усиление (Av) = (Vout / Vin) = - (Rf / Rin)  

Итак, из этой формулы мы получаем любую из четырех переменных, если доступны три другие переменные.Калькулятор коэффициента усиления операционного усилителя можно использовать для расчета коэффициента усиления инвертирующего операционного усилителя.

Как мы видим в формуле знак минус, выход будет сдвинут на 180 градусов по фазе в отличие от фазы входного сигнала.

На изображении выше показана конфигурация операционного усилителя, где два резистора обратной связи обеспечивают необходимую обратную связь в операционном усилителе.Резистор R2 — входной резистор, а R1 — резистор обратной связи. Входной резистор R2 имеет значение сопротивления 1 кОм, а резистор обратной связи R1 имеет значение сопротивления 10 кОм. Мы рассчитаем инвертирующее усиление операционного усилителя. Обратная связь обеспечивается отрицательной клеммой, а положительная клемма соединена с землей.

Формула инвертирования усиления схемы операционного усилителя —

  Усиление (Av) = (Vout / Vin) = - (Rf / Rin)  

В приведенной выше схеме Rf = R1 = 10k и Rin = R2 = 1k

  Итак, усиление (Av) = (Vout / Vin) = - (Rf / Rin) 
  Усиление (Av) = (Vout / Vin) = - (10k / 1k)  

Таким образом, усиление будет -10 раз, а выход будет сдвинут по фазе на 180 градусов.

Теперь, если мы увеличим коэффициент усиления операционного усилителя до -20 раз, каков будет номинал резистора обратной связи, если входной резистор будет таким же? Итак,

  Усиление = -20 и Rin = R2 = 1 кОм. 
  -20 = - (R1 / 1к) 
  R1 = 20 тыс.  

Итак, если мы увеличим значение 10k до 20k, коэффициент усиления операционного усилителя будет -20 раз.

Мы можем увеличить коэффициент усиления операционного усилителя, изменив соотношение резисторов , однако не рекомендуется использовать более низкое сопротивление в качестве Rin или R2.Поскольку меньшее значение сопротивления снижает входное сопротивление и создает нагрузку на входной сигнал. В типичных случаях для входного резистора используется значение от 4,7 кОм до 10 кОм.

Когда требуется высокое усиление и мы должны обеспечить высокий импеданс на входе, мы должны увеличить номинал резисторов обратной связи. Но также не рекомендуется использовать резистор очень большого номинала на Rf. Более высокий резистор обратной связи обеспечивает нестабильный запас по усилению и не может быть жизнеспособным выбором для операций, связанных с ограниченной полосой пропускания. Типичное значение 100 кОм или немного больше, чем используется в резисторе обратной связи .

Нам также необходимо проверить полосу пропускания схемы операционного усилителя для надежной работы при высоком усилении.

Инвертирующий операционный усилитель может использоваться в различных местах, например, как суммирующий усилитель на операционном усилителе . Одним из важных применений инвертирующего операционного усилителя является суммирующий усилитель или смеситель виртуальной земли.

На приведенном выше изображении показан виртуальный заземляющий смеситель или суммирующий усилитель, в котором инвертированный операционный усилитель смешивает несколько различных сигналов на своем инвертирующем выводе.Вход инвертирующего усилителя практически находится под потенциалом земли, что обеспечивает отличное приложение для микширования при работе, связанной с микшированием звука.

Как мы видим, разные сигналы суммируются на отрицательной клемме с использованием разных входных резисторов. Количество добавляемых различных сигнальных входов не ограничено. Коэффициент усиления каждого отдельного сигнального порта определяется соотношением резистора обратной связи R2 и входного резистора конкретного канала.

Также узнайте больше о применении операционного усилителя, изучив различные схемы на основе операционного усилителя.Эта конфигурация инвертирующего операционного усилителя также используется в различных фильтрах, таких как активный фильтр нижних частот или активный фильтр верхних частот.

Другое применение инвертирующего усилителя ОУ — это использование усилителя в качестве трансимпедансного усилителя.

В такой схеме операционный усилитель преобразует очень низкий входной ток в соответствующее выходное напряжение. Итак, трансимпедансный усилитель преобразует ток в напряжение .

Он может преобразовывать ток от фотодиода, акселерометра или других датчиков, вырабатывающих слабый ток, а с помощью трансимпедансного усилителя ток можно преобразовать в напряжение.

На изображении выше инвертированный операционный усилитель, используемый для создания трансимпедансного усилителя , который преобразует ток, полученный от фотодиода, в напряжение. Усилитель обеспечивает низкое сопротивление фотодиода и изоляцию от выходного напряжения операционного усилителя.

В приведенной выше схеме используется только один резистор обратной связи. R1 — это резистор обратной связи высокого номинала. Мы можем изменить коэффициент усиления, изменив номинал резистора R1.Высокий коэффициент усиления операционного усилителя использует стабильное состояние, при котором ток фотодиода равен току обратной связи через резистор R1.

Поскольку мы не обеспечиваем никакого внешнего смещения на фотодиоде, входное напряжение смещения фотодиода очень низкое, что приводит к большому усилению напряжения без какого-либо выходного напряжения смещения. Ток фотодиода будет преобразован в высокое выходное напряжение.

Другие применения инвертирующего операционного усилителя: —

1. Фазовращатель
2. Интегратор
3. В работах, связанных с балансировкой сигналов
4. Линейный смеситель RF
5. В различных датчиках на выходе используется инвертирующий операционный усилитель.

Инвертирующий усилитель операционного усилителя | Книга Ultimate Electronics

Ultimate Electronics: практическое проектирование и анализ схем

Схема операционного усилителя, образующая усилитель напряжения с отрицательным коэффициентом усиления, заданным соотношением двух резисторов. Читать 24 мин

В предыдущих разделах мы использовали два резистора плюс идеальный операционный усилитель для создания неинвертирующего усилителя с Av≥1. . Мы также показали, как переставить эти два резистора, чтобы создать опорное напряжение операционного усилителя с 0≤Av≤1. .Теперь мы позаботимся об отрицательных значениях усиления: мы переставим два резистора и создадим инвертирующий усилитель , где сигнал станет инвертированным: Av≤0 .

A усиление напряжения Av означает, что если входное напряжение увеличивается на ΔV , то выход рассчитан на увеличение AvΔV . Как следует из названия, для инвертирующего усилителя , коэффициент усиления всегда отрицательный Av≤0 . Когда вход увеличивается, выход падает.

Операционный усилитель может быть сконфигурирован как инвертирующий усилитель следующим образом:

1. Подключение резистора Rin между источником сигнала и инвертирующим (-) входом операционного усилителя и
2. Подключение резистора Rf с выхода операционного усилителя обратно на инвертирующий (-) вход, а
3. Подключение неинвертирующего (+) входа операционного усилителя к земле (или другому фиксированному опорному напряжению)

Усилитель имеет коэффициент усиления по напряжению Av = −RfRin как показано ниже:

Мы назовем нашу конструктивную выгоду k :

к = RfRin

, что является соотношением двух сопротивлений.Для наглядности оставим здесь знак минус, поэтому

Av = −k

Далее мы покажем несколько способов понять, почему коэффициент усиления равен -RfRin. .

Идеальный операционный усилитель изменяет свой выход до тех пор, пока два входа не станут равными. На входы идеального операционного усилителя никогда не протекает ток, поэтому единственный способ уравнять входы — это изменить выход и полагаться на внешнюю сеть обратной связи.

Применяя закон Кирхгофа к инвертирующему входному узлу, ток через Rin поэтому должен быть равен току через Rf .По закону Ома, если два резистора проводят одинаковый ток, их падение напряжения будет пропорционально соотношению их сопротивлений.

Когда все работает правильно, на выходе операционного усилителя будет все, что необходимо для поддержания напряжения инвертирующего входа на нуле, чтобы оно было равно заземленному неинвертирующему входу. Этот эффект означает, что инвертирующий входной узел операционного усилителя называется виртуальной землей . Виртуальная земля означает, что узел эффективно удерживается при фиксированном напряжении, но это происходит через обратную связь, а не непосредственно на землю.

Из-за виртуальной земли на инвертирующем входе мы знаем падение напряжения на резисторе Rin. просто Vin − 0 . Это говорит нам о падении напряжения на Rin , что прямо пропорционально перепаду Rf . И снова из-за виртуальной земли падение напряжения на Rf просто 0-Vout , поэтому мы знаем выходное напряжение.

Предположим, что Rin = Rf , а затем применим Vin = 1 V . После того, как цепь обратной связи установится, некоторое количество тока пройдет через оба резистора, так что падение напряжения на каждом резисторе будет одинаковым.Один вольт падает с Вин на неинвертирующий вход, и в равной степени еще один вольт падает с неинвертирующего входа на Vout , что дает Vout = −1 V .

Как и в случае с неинвертирующим усилителем, обозначим инвертирующий входной узел Vdiv так что мы можем видеть, как работает схема с обратной связью:

Закон Ома дает нам два уравнения для двух падений напряжения:

Вин-Vdiv = iRinVdiv-Vout = iRf

Мы можем объединить эти два уравнения, исключив текущий i :

Вин-VdivRin = Vdiv-VoutRf

Идеальный операционный усилитель дает нам еще одно уравнение, гарантирующее равенство двух его входов:

Vdiv = 0

Подставляя в предыдущее уравнение, находим:

Вин-0Rin = 0-VoutRfVinRin = -VoutRfAv = VoutVin = -RfRin

Коэффициент усиления по напряжению Av просто отрицательное отношение сопротивлений, −RfRin = −k .Если Rf> Rin , то (в абсолютном выражении) выходная амплитуда будет больше входной. Это имеет смысл, потому что тот же ток вызывает большее падение напряжения.

В любом случае прирост будет отрицательным, но любое значение Av≤0 может быть достигнуто с помощью этого устройства. В отличие от неинвертирующего усилителя, нет никаких ограничений относительно того, становится ли абсолютная величина сигнала больше или меньше в инвертирующем усилителе.

Мы можем сделать усилитель с отрицательным коэффициентом усиления 5, установив коэффициент резистора k = 5. .Например:

Exercise Щелкните, чтобы открыть и смоделировать схему выше. Какая связь между входными и выходными синусоидальными волнами?

Коэффициент усиления показанной схемы:

Av = VoutVin = -RfRin = -50 кОм 10 кОм = -5

И соотношение между вводом и выводом просто:

Vout = −5⋅Vin

Вместо того, чтобы просто предполагать , что операционный усилитель замыкает контур и выравнивает свои входы, как указано, давайте посмотрим на механизм, стоящий за ним.Это выявляет существенные ограничения инвертирующего усилителя.

Мы можем смоделировать операционный усилитель как источник напряжения, управляемый напряжением (VCVS) (как мы это делали в «Идеальном операционном усилителе» и более ранних разделах операционного усилителя, решая проблему буфера напряжения, опорного напряжения и неинвертирующего усилителя), чтобы позволить нам для более детального анализа того, как работает инвертирующий усилитель:

VCVS дает нам одно уравнение, выход, пропорциональный разнице на входах, умноженной на коэффициент усиления AOL без обратной связи. :

Vout = AOL (0 − Vdiv) Vout = −AOLVdiv

Отношение, полученное по закону Ома, все еще применяется:

Вин-VdivRin = Vdiv-VoutRf

Мы можем объединить это с уравнением VCVS, чтобы исключить Vdiv = −1AOLVout и решите для отношения чисто между вводом и выводом:

Vin + 1AOLVoutRin = −1AOLVout − VoutRf1RinVin = — (1Rf (1 + 1AOL) + 1RinAOL) VoutVoutVin = −1Rin (1Rf (1 + 1AOL) + 1RinAOL) VoutVin = −1Rin1RfRinAout ( = −RfAOLRin (AOL + 1) + Rf

Для идеального операционного усилителя возьмем предел AOL → ∞ .В знаменателе это приводит к несущественным членам Rin + Rf уйти, оставив нас с:

Av = VoutVin≈ − RfRin = −k

Это тот же выигрыш, который мы обнаружили ранее.

Есть ли максимальное усиление , которое мы можем получить от инвертирующего усилителя? Отметим, что когда мы взяли предел AOL → ∞ , алгебраическое приближение, которое мы сделали в знаменателе, справедливо только потому, что мы предположили, что RinAOL≫Rin + Rf . Давайте посмотрим на это поближе. Мы можем немного поправить это предположение:

РинаОЛ≫Рин + RfAOL≫Rin + RfRinAOL≫1 + RfRinAOL≫1 + к

Это говорит нам о том, что наше предположение об усилении справедливо, только если единица плюс наше проектное усиление (коэффициент резистора ) намного меньше, чем коэффициент усиления операционного усилителя в разомкнутом контуре.

Мы можем найти максимальное усиление алгебраически, вернувшись к последнему уравнению непосредственно перед тем, как мы взяли предел AOL → ∞ :

VoutVin = −RfAOLRin (AOL + 1) + Rf

На этот раз давайте сделаем другое предположение. Предположим, что верно обратное условие: теперь предположим, что расчетный коэффициент усиления k = RfRin теперь на больше, чем на , чем усиление разомкнутого контура операционного усилителя (k≫AOL) и посмотрим, что получится:

VoutVin = −RfAOLRin (AOL + 1) + RfVoutVin = −RfRinAOL (AOL + 1) + RfRinVoutVin = −kAOL (AOL + 1) + kVoutVin≈ − kAOLkVoutVin≈ − AOL

Если мы используем операционный усилитель с конечным усилением разомкнутого контура, как у всех реальных операционных усилителей, то наши возможности по созданию инвертирующего усилителя ограничиваются приблизительно (отрицательным) усилением разомкнутого контура операционного усилителя. .

Это демонстрируется посредством моделирования здесь:

Exercise Щелкните, чтобы открыть и смоделировать схему выше. На графике DC Sweep, каков наклон линии для Vout (ось Y) по сравнению с Vin (ось x)?

Мы не можем использовать операционный усилитель с AOL = 104 сделать инвертирующий усилитель с k = 105 (коэффициент усиления Av = −105 ). Если нам действительно нужно такое усиление, нам нужно либо найти операционный усилитель с более высоким коэффициентом усиления без обратной связи, либо разделить усиление на несколько каскадов. Нечто подобное произошло с математикой для неинвертирующего усилителя.

Важно понимать входное и выходное сопротивление каскадов усилителя, чтобы максимизировать передачу сигнала и минимизировать межкаскадную нагрузку.

Когда мы исследовали неинвертирующий усилитель в предыдущем разделе, мы не говорили о входном импедансе, потому что входной источник подключается непосредственно ко входу операционного усилителя. На вход операционного усилителя не течет ток, поэтому входное сопротивление неинвертирующего усилителя бесконечно.

Однако одно очень существенное различие между инвертирующим усилителем и неинвертирующим усилителем состоит в том, что инвертирующий усилитель имеет конечный входной импеданс .Это важно, потому что, если предыдущий каскад имеет конечный выходной импеданс, вы потеряете некоторый сигнал, соединяющий эти два каскада.

Один из способов избежать этого — добавить буфер напряжения операционного усилителя непосредственно перед инвертирующим усилителем. Это происходит за счет дополнительного операционного усилителя и дополнительного энергопотребления, но это означает, что поведение нашей схемы больше не зависит от выходного сопротивления предыдущего каскада.

Насколько велик входной импеданс количественно?

• Если мы проводим измерения на достаточно медленных частотах, чтобы операционный усилитель успевал замкнуть контур обратной связи и сохранить инвертирующий вход как виртуальную землю, то мы увидим только Rin если посмотреть на вход всей схемы в смысле эквивалентной схемы Тевенина.
• Если мы проводим измерения на более высоких частотах, значит, операционный усилитель не успел сохранить фиксированное инвертирующее входное напряжение. Вместо этого выход операционного усилителя можно считать фиксированным, потому что на высоких частотах он не успевает изменить напряжение. В этом случае мы увидим Rin + Rf. глядя на вход всей схемы. (Мы также добавили бы выходной импеданс операционного усилителя, но пока не будем это учитывать.)

Мы можем продемонстрировать, что входное сопротивление Rin для низких частот и Rin + Rf для высоких частот с помощью простого моделирования входного импеданса:

Exercise Щелкните, чтобы открыть и смоделировать схему выше.Обратите внимание на переход между двумя плоскими входными сопротивлениями. Каковы уровни двух плоских секций? Когда начинается переход?

В этой схеме I1 — это источник испытательного тока, установленный на 0 при постоянном токе, но используемый в качестве источника сигнала переменного тока для анализа слабого сигнала в частотной области. Мы можем посмотреть на величину и фазу результирующего напряжения на Vin и это дает нам комплексный импеданс для каждой частоты.

Входное сопротивление конфигурации инвертирующего усилителя довольно необычно, но полезно увидеть, насколько его легко понять и смоделировать по двум причинам:

• Входное сопротивление инвертирующего усилителя влияет на ваш выбор абсолютных значений резисторов, которые обсуждаются далее в этом разделе.
• Другие, более сложные схемы будут иметь другое поведение входного или выходного импеданса, и их легче начать с изучения того, как анализировать и проектировать на основе такого простого случая, как этот.

Переход входного импеданса между еще не виртуальным заземлением на высоких частотах и ​​виртуальным заземлением на низких частотах намекает на интересную переходную характеристику инвертирующего усилителя по мере его восстановления. Наблюдение за переходной характеристикой, будь то с помощью осциллографа или моделирования, помогает показать, что «виртуальная земля» — это иллюзия обратной связи, которая применяется только на низких частотах .

Давайте поместим единичный шаг напряжения в наш инвертирующий усилитель с отрицательным коэффициентом усиления 5:

Exercise Щелкните, чтобы открыть и смоделировать схему выше. Самый интересный след, на который стоит взглянуть, — это Vdiv. .

Сразу после шага от 0 до 1 в Vin , операционный усилитель еще не успел ответить, поэтому Vout = 0 как было до ступеньки. Это оставляет Рин и Rf чтобы сформировать делитель напряжения, в результате чего Vdiv = Vin⋅50 кОм 10 кОм + 50 кОм = 56≈0,833 В .

После шага операционный усилитель замечает разницу на своих входах и начинает снижать выходное напряжение до тех пор, пока входы снова не станут равными.

Это не происходит мгновенно. При моделировании мы настроили операционный усилитель так, чтобы произведение коэффициента усиления на полосу пропускания равнялось GBW = 1 МГц. , и вы можете заметить, что операционному усилителю требуется несколько микросекунд, чтобы прийти в норму с точностью до нескольких процентов от своего окончательного выходного значения. (Микросекунды могут показаться короткими, но в электронике это долгое время: если сигнал, который вам нужен, меняется достаточно быстро, у вас проблемы!)

В качестве упражнения: замените источник ступенчатого напряжения V1 на источник прямоугольной волны.Посмотрите, что происходит, когда вы управляете инвертирующим усилителем на различных частотах от 1 кГц. до 1 МГц . (Вам придется пропорционально отрегулировать время остановки симуляции и временной шаг, чтобы получить хороший обзор при изменении входной частоты.)

Если вы управляете инвертирующим усилителем так быстро, что он не успевает замкнуть контур обратной связи и вернуть виртуальный наземный узел на место, то усилитель не будет делать то, что мы планировали. Если вы полагаетесь на виртуальную землю, вам нужно набраться терпения. В отличие от реальной земли, виртуальная земля является точкой с низким сопротивлением только при медленном движении.

Как и в случае с неинвертирующим усилителем, усиление разомкнутого контура нашего операционного усилителя падает на высоких частотах, ограничивая эффективную полосу пропускания усилителя.

Как и в случае с неинвертирующим усилителем, заменим усиление AOL операционного усилителя. с G (s) , полное выражение для передаточной функции Лапласа идеального операционного усилителя без обратной связи:

G (s) = AOL1 + s (AOL2πGBW)

Это выражение включает коэффициент усиления без обратной связи AOL. который охватывает постоянный ток и низкие частоты, и включает в себя фильтр нижних частот, который падает после произведения коэффициента усиления на полосу пропускания GBW .

Мы можем заменить это на нашу модель инвертирующего усилителя VCVS, вставив G (s) вместо AOL только для DC :

Vout (s) Vin (s) = — RfG (s) Rin (G (s) +1) + RfVout (s) Vin (s) = — RfAOL1 + s (AOL2πGBW) Rin (AOL1 + s (AOL2πGBW) + 1) + RfVout (s) Vin (s) = — RfAOLRin (AOL + 1 + s (AOL2πGBW)) + Rf (1 + s (AOL2πGBW)) Vout (s) Vin (s) = — RfAOL (RinAOL + Rin + Rf) + s (AOL (Rin + Rf) 2πGBW)

В знаменателе воспользуемся тем фактом, что RinAOL≫ (Rin + Rf) чтобы упростить. Это позволит нам начать подставлять в расчетный коэффициент усиления k = RfRin также для упрощения:

Vout (s) Vin (s) ≈ − RfAOLRinAOL + s (AOL (Rin + Rf) 2πGBW) Vout (s) Vin (s) ≈ − RfRin + s (Rin + Rf2πGBW) Vout (s) Vin (s) ≈ −k1 + s (Rin + Rf2πGBWRin)

Чтобы упростить этот знаменатель, мы можем заметить, что Rf + RinRin = k + 1 :

Vout (s) Vin (s) ≈ − k1 + s (k + 12πGBW)

Эта общая передаточная функция состоит из коэффициента усиления −k на постоянном токе и низких частотах, умноженном на однополюсный фильтр нижних частот.Следуя тому же методу, который мы подробно решили в предыдущем разделе, угловую частоту можно найти, определив, где мнимая часть знаменателя равна по величине действительной части. (Просмотрите этот раздел, чтобы увидеть, как мы работаем над почти идентичной математикой.)

В результате угловая частота замкнутого контура усилителя fc это:

fc = GBWk + 1

Это почти идентично угловой частоте, которую мы нашли для неинвертирующего усилителя, у которого fc = GBWk. .Модификация знаменателя на k + 1 существенно отличается только при низких значениях усиления.

• Если коэффициент усиления k = 10 и GBW = 106 Гц , то fc = 106 Гц10 + 1 = 9,1 × 104 Гц = 91 кГц≈100 кГц

• Если коэффициент усиления k = 100 и GBW = 106 Гц , то fc = 106 Гц 100 + 1 = 9,9 × 103 Гц = 9,9 кГц ≈ 10 кГц

• Если коэффициент усиления k = 1000 и GBW = 106 Гц , тогда fc = 106 Гц1000 + 1 = 9,99 × 102 Гц = 999 Гц≈1 кГц

Мы можем легко продемонстрировать это на моделировании, где мы берем операционный усилитель с GBW = 1 МГц. и настроить его как инвертирующий усилитель с различными уровнями усиления:

Exercise Щелкните, чтобы открыть и смоделировать схему выше.Мы попросили симулятор повторно запустить эту схему для DC_GAIN = 1, 10, 100, 1000, 10000 и 100000. Попробуйте симуляцию в частотной области. По мере того как мы увеличиваем коэффициент усиления в 10 раз каждый раз (отложено на оси Y в логарифмической шкале децибел, поэтому они отображаются с равномерным интервалом +20 дБ) шагов), что происходит с −3 дБ угловая частота отклика усилителя?

Опять же, произведение коэффициента усиления на полосу пропускания не является волшебным. Это просто способ сказать, что, когда мы просим усилитель усилить больше, на это уходит больше времени! Существует прямой компромисс между усилением и полосой пропускания (частотой) , и он фиксируется как произведение коэффициента усиления на полосу пропускания (GBW) .

Если вам нужно большее усиление или более широкая полоса пропускания, чем позволяет произведение коэффициента усиления и полосы пропускания операционного усилителя, решения будут такими же, как уже обсуждалось для неинвертирующего усилителя, поэтому мы не будем их здесь повторять.

Как мы уже говорили о неинвертирующем усилителе, паразитная емкость присутствует везде, и мы должны больше всего беспокоиться об этом в узлах с высоким импедансом, таких как Vdiv. .

Давайте посмотрим, что происходит с переходной характеристикой усилителя с отрицательным коэффициентом усиления 10 и различными уровнями паразитной емкости:

Exercise Щелкните, чтобы открыть и смоделировать схему выше.Какая паразитная емкость требуется, чтобы в переходной характеристике началось превышение над ? Как насчет звонка ?

Как показывает моделирование, достаточно пикофарад непреднамеренной емкости, чтобы вызвать серьезный выброс или звон. Оба они обычно нежелательны, потому что искажают проходящий сигнал.

Не только ступенчатая характеристика скомпрометирована. Если вы запустите моделирование в частотной области, вы увидите, что выброс и звон соответствуют пику на графике амплитуды частотной характеристики: некоторый небольшой диапазон частот усиливается на больше , чем наш проектный выигрыш, из-за непреднамеренного резонансного поведения.

В качестве упражнения добавьте , 500p в конец пользовательского списка развертки для C1.C. Увеличьте время остановки моделирования до 40u . Что происходит с переходной характеристикой? Это демонстрирует, почему эта проблема называется нестабильностью , потому что операционный усилитель почти нестабилен и склонен к неопределенным колебаниям.

В качестве другого упражнения попробуйте уменьшить оба резистора в 0,1 раза. Это помогает или больно?

В качестве другого упражнения попробуйте изменить полосу пропускания операционного усилителя.

Как уже говорилось о неинвертирующих усилителях, есть несколько способов смягчить эту проблему стабильности:

1. Разместите физическую схему для уменьшения паразитной емкости.
2. Используйте меньшие сопротивления. (При той же емкости это увеличивает влияние конденсатора на более высокие частоты.) Это происходит за счет повышенного энергопотребления и большей чувствительности к входному сопротивлению источника.
3. Используйте более медленный операционный усилитель (меньшее значение GBW). Это происходит за счет более медленных ответов в обмен на стабильность.
4. Компенсация.

Компенсация означает небольшое изменение схемы путем добавления компонентов, которые противодействуют нежелательным паразитным эффектам. Мы подробно продемонстрировали компенсацию прямой связи на неинвертирующем усилителе. Мы можем сделать что-то подобное для инвертирующего усилителя, добавив конденсатор С2. параллельно с Rf :

Exercise Щелкните, чтобы открыть и смоделировать схему выше. Симулятор настроен на пробу диапазона различных значений для C2.Какое значение дает лучший отклик на скачок (небольшой звон или выброс)? Что произойдет, если C2 намного больше или намного меньше этого?

Мы не можем дать общую формулу для размера компенсационного конденсатора. Это зависит от слишком многих факторов, включая сопротивления, произведение коэффициента усиления на полосу пропускания и паразитную емкость. Вот почему мы используем моделирование, чтобы определить наилучшее значение.

В данном конкретном случае с паразитной емкостью C1 = 5 пФ , похоже, что лучший отклик на скачок получается где-то в районе C2≈0.3 ± 0,05 пФ . Если C2 намного меньше этого, этого недостаточно, и мы все равно слышим звон и перерегулирование. Если C2 намного больше, мы устраняем звон, но это также значительно замедляет переходную характеристику.

Где-то около 0,3 пФ является оптимальным, но это крошечная величина емкости . Он может даже присутствовать непреднамеренно из-за паразитной емкости в вашей физической цепи, просто из-за того, что следы печатной платы выхода и инвертирующего входа находятся в непосредственной близости.На высоких частотах крошечные количества емкости имеют значение, и если ваш операционный усилитель достаточно быстр (высокий GBW), вы имеете дело с высокими частотами независимо от того, нужны они вашему сигналу или нет!

Одна из причин того, что здесь требуется лишь крошечная емкость, заключается в том, что два конца компенсационного конденсатора подключены к напряжениям, которые естественным образом движутся в противоположных направлениях: как Vdiv поднимается, Vout падает из-за ОУ. Это означает, что даже небольшое изменение напряжения на стороне высокого импеданса фактически вызывает большое изменение напряжения на конденсаторе.Это называется эффектом Миллера .

Это может быть трудно понять, но в первую очередь мы можем подумать о паразитной емкости C1. как добавление заряда, хранящегося на инвертирующем входном узле Vdiv . Для увеличения Vdiv на + ΔV , нам нужно сохранить заряд ΔQ1 = C1ΔV . Для накопления заряда требуется время, что в первую очередь вызывает звон и колебания. (Это обсуждается более подробно в соответствующем разделе о неинвертирующих усилителях.)

В какой-то степени мы можем думать о компенсационном конденсаторе С2. как попытка отменить или удалить этот заряд, чтобы схема в целом вела себя больше как та, без какой-либо паразитной емкости.Когда Вин повышается на + ΔVin , потом в итоге Vout изменяется на −kΔVin , для чего требуется заряд ΔQ2 = kC2ΔVin течь в конденсатор. Обратите внимание, что емкость умножается на коэффициент усиления, Ceff = kC2 . Это эффект умножения Миллера на в действии!

В слове «в конечном итоге» скрывается много переходных процессов, поскольку схема операционного усилителя переходит в новое установившееся состояние, но на высоком уровне:

• Паразитная емкость C1 делает переходную характеристику хуже , требуя большего накопителя заряда в узле с высоким импедансом Vdiv .
• Компенсационный конденсатор С2 улучшает форму переходной характеристики на быстрее удаляя заряд из этого узла.

Компенсация — это продвинутая аналоговая магия, но она важна, если вы заботитесь о создании высокопроизводительных аналоговых схем. Если вы разрабатываете схемы операционного усилителя и обнаруживаете колебания, выбросы или звон, запомните этот раздел и вернитесь к нему. В литературе вы также найдете другие методы компенсации. Мой общий совет — обращать особое внимание на узлы с высоким импедансом и моделировать ступенчатые реакции, чтобы быстро увидеть эффекты паразитов и компенсации.

Все примеры показывают, что неинвертирующий вход операционного усилителя (+) подключен к земле, но довольно часто он подключается к другому напряжению постоянного тока Vref. вместо.

Один из распространенных случаев — системы с однополярным питанием и , где у нас есть положительная шина питания, но нет отрицательной. В этом случае вы можете захотеть, чтобы все было относительно средней точки между землей и положительной шиной, чтобы максимизировать доступный диапазон, симметричный относительно этой новой опорной средней точки.Сама средняя точка может быть сгенерирована делителем напряжения или опорным напряжением операционного усилителя.

Так как средняя точка подключена к неинвертирующему входу операционного усилителя и в противном случае не нагружена, нет необходимости иметь источник с особенно низким импедансом. Однако добавление развязывающего конденсатора может помочь уменьшить шум резистора и улучшить отклонение источника питания .

Пример схемы с однополярным питанием 5 В и усилителем с отрицательным коэффициентом усиления 10, закрепленным в средней точке, показан здесь:

Exercise Щелкните, чтобы открыть и смоделировать схему выше.Запустите моделирование DC Sweep и наблюдайте за тремя кусочно-линейными сегментами. Соответствует ли эта форма вашим ожиданиям?

(Если вы запустите моделирование во временной области, обратите внимание, что мы дали V1 смещение постоянного тока 2,5 В. Мы поговорим об этом в разделе «Связь по переменному току» чуть ниже.)

Земля — ​​это всегда произвольный выбор напряжения. Перемещение напряжения неинвертирующего входа лишь немного меняет наши уравнения. Теперь у нас:

Vout = Vref − k (Vin − Vref)

Если Vref = 0 как мы предполагали, когда неинвертирующий вход был заземлен, это упрощается до того же уравнения, которое у нас было выше:

Vout = 0 − k (Vin − 0) Vout = −kVinVoutVin = −k

Когда Vref ≠ 0 , больше нет смысла смотреть на коэффициент большого сигнала VoutVin .Вместо этого мы можем посмотреть на изменения, где ΔVoutΔVin = −k все еще применяется.

В приведенной выше схеме мы использовали резистивный делитель напряжения для создания Vref = 2,5 В. .

Мы также добавили конденсатор C1 = 22 мкФ. . В сочетании с резисторами делителя напряжения он образует RC-фильтр верхних частот с постоянной времени τ = (R1 // R2) C1 = 50 кОм⋅22 мкФ = 1,1 с. . (Если неясно, зачем рассматривать резисторы в параллельно , просмотрите эквивалент делителя напряжения Thevenin.) Эта постоянная времени довольно велика.Это соответствует частоте среза fc = 12πτ≈0,14 Гц. . Кратковременный (высокочастотный) шум от резисторов или высокочастотный шум от самого источника питания существенно снижается за счет добавления конденсатора.

Если вы запустите моделирование во временной области, вы увидите, что мы настроили источник генератора функций V1 для создания небольшой синусоидальной волны с центром вокруг средней точки. Это настраивается параметром DCOffset V1. Вы можете попробовать изменить его, чтобы увидеть влияние смещения постоянного тока на выходной сигнал.

В качестве упражнения: что произойдет, если вы увеличите амплитуду источника сигнала V1? Насколько большим он может быть, прежде чем вы столкнетесь с ограничением выходного сигнала из-за ограниченного диапазона питания операционного усилителя?

Можно добавить конденсатор Cin в серии с Рин . (Порядок не имеет значения.)

Для системы в установившемся режиме постоянного тока ток не может протекать через конденсатор, потому что протекание тока вызовет накопление заряда, вызывая изменение напряжения, которое недопустимо при постоянном токе.

Чтобы увидеть это математически, обратите внимание, что уравнение конденсатора Q = CV следует dVdt = 1CdQdt = 1CiC (t) , а поскольку ddt = 0 в установившемся режиме постоянного тока мы должны иметь iC (t) = 0 .

При постоянном токе одна пластина конденсатора приводится в действие значением постоянного тока входного сигнала. Другая пластина подключена к виртуальной земле Vdiv через резистор Rin , но нет постоянного тока и поэтому нет падения напряжения на Rin . Фактически, конденсатор заряжается, полностью компенсируя постоянный уровень Vin. .

Если теперь разрешить входному сигналу изменяться, мгновенное ступенчатое изменение входа ΔVin создает равное мгновенное изменение ΔVin_ac , потому что падение напряжения на конденсаторе не может измениться без времени, чтобы зарядить или разрядить его.Входные сигналы, которые меняются достаточно быстро, проходят через конденсатор, в то время как медленные сигналы уменьшаются.

Exercise Щелкните, чтобы открыть и смоделировать схему выше. Результаты могут вас удивить!

Входной конденсатор Cin образует RC-фильтр верхних частот, сопротивление которого равно входному сопротивлению усилителя. Как обсуждалось ранее, входной импеданс инвертирующего усилителя весьма интересен, но для частот, на которых операционный усилитель поддерживает виртуальное заземление, входное сопротивление просто равно Rin .

В показанной здесь схеме мы имеем постоянную времени RC τ = CinRin = 1 мкФ ⋅ 10 кОм = 0,01 с. . Это соответствует частоте среза фильтра верхних частот fc = 12πτ≈15,9 Гц. .

Качественно поведение конденсатора сильно отличается при низкочастотных и высокочастотных изменениях Vin. :

• f≪fc : Сигналы намного медленнее, чем fc будет поглощаться изменениями напряжения на конденсаторе , практически не влияя на Vin_ac .
• f≫fc : Сигналы намного быстрее, чем fc будет скопирован почти 1: 1 через конденсатор , изменив Vin_ac .Они слишком быстрые, чтобы конденсатор сильно заряжался или разряжался.

Связь по переменному току — полезный метод, когда сигнал, который вам нужен, не передается в сигнале постоянного тока. Любое смещение сигнала постоянного тока, особенно при объединении нескольких цепей вместе, может быть проблематичным. Это особенно неприятно, если мы пытаемся использовать большие значения усиления. Возможно, что большое усиление (тысячи или больше), умноженное даже на несколько милливольт непредусмотренного смещения постоянного тока, может привести к насыщению нашей системы исключительно из-за смещения.

В качестве упражнения запустите моделирование в частотной области и проверьте график Боде схемы, приведенной выше. Что будет, если изменить Cin = 0,1 мкФ и заново запустить симуляцию? Вы также можете использовать режим «Параметры развертки» на Cin.C и установить для него пользовательские значения 0,1u, 1u , чтобы симулятор запускал его для обоих значений, чтобы упростить сравнение двух графиков.

В качестве другого упражнения измените частоту V1 и запустите моделирование во временной области, чтобы увидеть, что происходит с сигналом, когда он проходит через усилитель.(При настройке частоты вам также следует отрегулировать время остановки моделирования и временной шаг, чтобы получить хорошее представление о том, что происходит.)

по переменному току также можно комбинировать с показанной выше виртуальной землей смещения. Результат выглядит примерно так:

Exercise Щелкните, чтобы открыть и смоделировать схему выше. Каковы отношения между входными и выходными синусоидами с точки зрения масштаба и смещения?

В качестве упражнения попробуйте удалить Cin и заменив его проводом.Что происходит с выходным сигналом?

Если мы удалим конденсатор и заменим его проводом, выходной сигнал будет плоской линией при Vout = 5 В независимо от изменений входного сигнала. Усилитель больше не работает, а вместо этого остается полностью насыщенным на положительной выходной шине. Это плохая конструкция усилителя!

чрезвычайно полезна при соединении подсхем вместе, избегая при этом насыщения из-за смещения постоянного тока.

Большинство проблем, связанных с выбором правильных абсолютных значений резистора для Rin и Rf такие же, как и соответствующее обсуждение неинвертирующего усилителя, поэтому мы не будем повторять эти обсуждения здесь.Если сопротивление слишком велико, могут возникнуть проблемы с шумом и стабильностью. Если сопротивление слишком низкое, возникают проблемы с выходным сопротивлением и потребляемой мощностью.

Однако у инвертирующего усилителя есть еще одна проблема. Как обсуждалось ранее, входной импеданс конфигурации инвертирующего усилителя равен Rin на низких частотах.

Если вы управляете инвертирующим усилителем с источником с низким сопротивлением Rs≪Rin ты в порядке.

Если вы управляете им от источника с относительно высоким импедансом Rs≫Rin , вы потеряете большую часть сигнала из-за межкаскадной загрузки.

Другой способ мышления заключается в том, что истинное преимущество дизайна — это RfRin + Rs. , где Рин и рупий появляются в сериале, потому что они есть! Любой ненулевой импеданс источника Rs снижает эффективное усиление инвертирующего усилителя. Вот как это выглядит:

рин + рупий добавить, потому что они неотличимы с точки зрения схемы. Эквивалентно, то есть ток, протекающий через Rf напряжение источника Vs деленное на общее сопротивление между напряжением источника и виртуальной точкой заземления, i = VsRs + Rin .Мы должны быть осторожны с тем, что мы называем источником напряжения, но это изменение названия Vin быть ненагруженным напряжением холостого хода предыдущего каскада — более распространенный способ думать о соединении вместе нескольких каскадов в сигнальной цепи.

Чтобы свести к минимуму эту непреднамеренную потерю усиления, вы можете:

• исполнение с неинвертирующим усилителем вместо (бесконечное входное сопротивление)
• добавить дополнительный буфер напряжения операционного усилителя для обеспечения выхода с низким импедансом для управления инвертирующим усилителем
• увеличение Рин и Rf до Rs≪Rin ценой проблем со стабильностью и шумом, о которых говорилось выше.

Инвертирующий усилитель принимает напряжение на входе, но если уронить резистор Rin , теперь это полезный преобразователь тока в напряжение, называемый трансимпедансным усилителем операционного усилителя, который является обычным строительным блоком для многих других схем операционного усилителя.

Роббинс, Майкл Ф. Ultimate Electronics: Практическое проектирование и анализ схем. CircuitLab, Inc., 2021, ultimateelectronicsbook.com. Доступно. (Авторское право © CircuitLab, Inc., 2021)

: как построить и смоделировать схему операционного усилителя с определенным коэффициентом усиления — Блог

29 июня 2020 г., 12:00 PDT · 0 комментариев »

В этом обучающем видео мы создаем и моделируем инвертирующий усилитель с выбранным усилением, используя операционный усилитель и другие пассивные элементы.Мы рассмотрим несколько ключевых концепций операционных усилителей, введем отрицательную обратную связь и построим схему, которая позволяет вам выбрать конкретное усиление для вашего инвертирующего усилителя.

Видео

Схема

Выписка:

Итак, я собираюсь открыть здесь свой редактор CircuitLab и найти секцию операционного усилителя, и я вставлю этот операционный усилитель в свою схему. Операционные усилители обладают множеством супер крутых свойств, но я собираюсь использовать два больших.

Во-первых, операционный усилитель принимает разницу двух входных напряжений и умножает эту разницу на действительно очень большое значение выходного напряжения. Этот коэффициент умножения представляет собой коэффициент усиления операционного усилителя без обратной связи. Мы можем увидеть это здесь в свойствах, это номер A_OL, обратите внимание, что все модели устройств имеют разные номера, но важно то, что это очень большое число, посмотрите, их все исчисляются сотнями тысяч или миллионы.

Другое свойство состоит в том, что ток (на самом деле очень маленький ток) не течет ни на одну из входных клемм или из них.Это будет важно позже.

Модели операционных усилителей CircuitLab моделируют реальные устройства на основе чисел в их таблицах данных. «Идеальный» операционный усилитель, с которым вы можете столкнуться с набором проблем, просто имеет эти свойства максимально верными, поэтому коэффициент усиления без обратной связи бесконечен, а входные токи фактически равны 0.

Давайте посмотрим на эти два свойства в нашем моделировании. [Показать усиление разомкнутого контура в редакторе CircuitLab]

Хорошо, так что это здорово, но не очень полезно, потому что я хочу иметь возможность контролировать это усиление, просто наличие произвольно большого числа здесь бесполезно.Итак, первая хитрость, которую я собираюсь использовать, — это отрицательная обратная связь.

Я возьму выходной терминал и давайте рассмотрим, что происходит, когда я подключаю его напрямую к минусовой входной клемме. В этой конфигурации, если что-то вроде небольшого шума во Вселенной должно было заставить это напряжение повышаться на неинвертирующем выводе, выход повышается, а инвертирующий вход повышается, что снижает выходное напряжение. Это снижение выходного сигнала борется с первоначальным изменением … И оно уравновешивается, когда нет разницы между двумя входными клеммами.

В этой конфигурации с отрицательной обратной связью операционный усилитель вычитает любую разницу между двумя входными клеммами. Это означает, что инвертирующий терминал будет следовать за неинвертирующим терминалом. Мы сделали последовательный кругооборот!

Итак, мы еще не закончили, давайте представим еще одну вещь. Я собираюсь добавить сюда источник напряжения и два резистора. И я назову этого Рф, а этого Рин. Давайте рассмотрим эту схему. Что у нас на выходе? Мы знаем, что в этой конфигурации разница между этими двумя терминалами равна 0.Единственный способ сделать это — изменить выходное напряжение, а затем снова измерить два входа. Мы также знаем, что ток не может течь ни через наши входные клеммы, ни из них. Поэтому я помещаю здесь напряжение сигнала, равное 1, и если операционный усилитель заставляет его быть равным 0, то наш верный друг V = IR говорит, что через этот резистор течет ток, другое правило операционного усилителя говорит, что ток может » t войти в этот вывод, поэтому он должен пройти через другой резистор Rf. И снова наш верный друг говорит, что если есть IR, должно быть падение напряжения, и, поскольку это те же I и R, я думаю, что это напряжение на out2 будет -1, и, черт возьми, это так.

Ну и что, если я сделаю этот Rf вдвое больше. Тот же вход V, то же Rin, поэтому этот ток такой же, но теперь r в два раза больше. Опять же V = IR, поэтому вдвое больше R, а то же I означает вдвое больше Vout. Это? Да, это чертовски интересно.

Это означает, что просто изменяя соотношение этих резисторов, я могу управлять этой схемой, чтобы получить произвольное усиление на ее выходе!

Вы можете найти ссылку на эту схему в описании этого видео, вы можете открыть ее, изменить и смоделировать ее самостоятельно, чтобы увидеть, что происходит.Если вы нашли это полезным, пожалуйста, оцените видео, и мы увидимся в следующий раз.

Пока комментариев нет. Будь первым!

Основы работы с усилителем с 6 примерами схем

Операционные усилители, широко известные как операционные усилители, являются наиболее распространенным типом строительных блоков в аналоговой электронике. Операционные усилители используются для выполнения всех задач в области электроники — для создания усилителей мощности, чувствительных предусилителей, логарифмических усилителей, RC-генераторов, генерирующих синусоидальные, треугольные и прямоугольные сигналы, LC-генераторов, фильтров с большой крутизной кривой и многого другого.

Операционный усилитель имеет два входа: инвертирующий терминал (обозначен «-») и неинвертирующий терминал (обозначен «+»). И имеет единственный выход. Первый вход называется инвертирующим, потому что выходное напряжение обратно пропорционально напряжению, приложенному на инвертирующем входе, умноженному на коэффициент усиления схемы усилителя. Если мы подадим сигнал на неинвертирующий вход, мы получим тот же сигнал на выходе, умноженный на усиление.

В большинстве схем операционных усилителей используется отрицательная обратная связь, чтобы ограничить идеальный бесконечный коэффициент усиления операционного усилителя до желаемого значения.При отрицательной обратной связи выходной сигнал, который сдвинут по фазе на 180 ° по отношению к входу, возвращается на тот же вход, обычно с помощью некоторой сети делителей. Это напряжение обратной связи с выхода, которое всегда имеет обратную полярность, чем входное, «подтягивает» фактический вход и делает общее входное напряжение меньше, чем напряжение, которое было фактически приложено на входе.

Эта обратная связь позволяет в значительной степени контролировать усиление операционного усилителя, так что коэффициент усиления схемы, использующей отрицательную обратную связь, определяется не коэффициентом усиления используемого устройства (операционный усилитель или транзистор), а самой обратной связью (до тех пор, пока усиление, определяемое обратной связью, значительно ниже, чем усиление используемого устройства).

Идеальный операционный усилитель имеет бесконечное усиление без обратной связи (разомкнутый контур), нулевой шум, бесконечное входное сопротивление, нулевое выходное сопротивление, бесконечную скорость нарастания и бесконечную полосу пропускания.

Обычные операционные усилители, такие как легендарные LM741 или LM358, LM324 (LM358 в квадрате) и BA4558, имеют коэффициент усиления разомкнутого контура около 100000, полосу пропускания с единичным усилением около 1 МГц и входное сопротивление Ом. около 1 МОм.

Параметры шума сильно различаются от операционного усилителя к операционному усилителю. Типичные эквивалентные параметры входного шума с полосой пропускания 20 кГц, как и в аудиосхемах (напряжение шума зависит от полосы пропускания, чем выше полоса пропускания, тем выше шум), ниже 7 мкВ (50 нВ / √ Гц), LM741 имеет 2,9 мкВ (20 нВ). / √Гц), BA4558 имеет 1,7 мкВ (12 нВ / √Гц) и даже 0,64 мкВ (4,5 нВ / √Гц) для μPC4570C.

ПРИМЕЧАНИЕ. Параметры шума могут быть измерены либо в мкВ в желаемой полосе пропускания, либо в нВ / √Гц, которые представляют собой нановольт шума на входе, деленный на квадратный корень из ширины полосы.

Скорость нарастания — это скорость, с которой операционные усилители могут изменять свои выходные сигналы. Он измеряется в В / мкс или в том, насколько быстро может увеличиваться выходное напряжение за одну микросекунду. LM358 имеет скорость нарастания около 0,55 В / мкс.

Существует 3 основных конфигурации усилителя операционных усилителей с отрицательной обратной связью:

• Усилитель без обратной связи (компаратор / дифференциатор)
• Неинвертирующий усилитель. Буфер единичного усиления (повторитель напряжения)
• Инвертирующий усилитель

Этот тип усилителя является особенным, поскольку для ограничения усиления не используется отрицательная обратная связь.Сигнал может быть подан на любой вход, но другой вход должен быть заземлен. Если сигнал слабый, скажем, 10 мкВ, и наш операционный усилитель имеет коэффициент усиления без обратной связи 100 000, выходной сигнал будет 1 В.

Такое большое усиление редко требуется само по себе, оно также дает возможность возникновения паразитных колебаний. Если параметр усиления разомкнутого контура не контролируется жестко во время производства, операционные усилители одного и того же типа могут давать разное усиление разомкнутого контура.Усилитель без обратной связи может также использоваться в качестве аналогового компаратора. Фактически, компараторы — это в основном операционные усилители с другим названием.

Неинвертирующий усилитель использует отрицательную обратную связь для уменьшения коэффициента усиления до требуемого значения. Таким образом, коэффициент усиления схемы определяется не коэффициентом усиления в разомкнутом контуре операционного усилителя, а набором резисторов обратной связи, что обеспечивает большую гибкость. Входной сигнал подается прямо на положительный вход усилителя, в результате чего входное сопротивление практически равно входному сопротивлению операционного усилителя на звуковых частотах.

Отрицательная обратная связь и, следовательно, коэффициент усиления (Av) устанавливаются соотношением резисторов R1 и R2 и всегда больше или равны единице.

Частным случаем неинвертирующего усилителя является буфер единичного усиления, где вместо цепи обратной связи отрицательный вход подключается непосредственно к выходу.Это приводит к тому, что коэффициент усиления по напряжению равен единице (равен единице, A _v = 1). Эта конфигурация используется в активных звуковых фильтрах, операционных усилителях для наушников и везде, где требуется буферный каскад с высоким входным импедансом. Эту схему можно сравнить с конфигурацией транзисторного усилителя с общим коллектором.

Инвертирующий усилитель отличается от неинвертирующего усилителя гораздо более низким входным импедансом (равным значению R1), а выходной сигнал в инвертирующем усилителе инвертируется по отношению к входному сигналу.Если сигнал 1 В постоянного тока подается на инвертирующий усилитель с коэффициентом усиления 10, мы получаем на выходе сигнал -10 В постоянного тока. Для сигналов переменного тока процесс аналогичен, но можно сказать, что сигнал сдвинулся на 180 °, как в усилителе с общим эмиттером.

Отрицательная обратная связь и, следовательно, усиление (Av) устанавливаются соотношением резисторов R2 и R1. Инвертирующая конфигурация допускает усиление как выше, так и ниже единицы.

Как и в других схемах операционного усилителя, напряжения на обоих входах оказываются одинаковыми (из-за свойств операционного усилителя).Следовательно, если положительный вход заземлен, отрицательный вход также будет заземлен или на 0 вольт. Теперь напряжение обратной связи с выхода комбинируется с входным напряжением, и, поскольку эти напряжения имеют противоположную полярность, результирующее напряжение равно нулю вольт, что объясняет низкий входной импеданс.

В целом, как инвертирующие, так и неинвертирующие усилители могут обеспечить хорошие характеристики, единственная разница заключается во входном сопротивлении.Низкое входное сопротивление инвертирующего усилителя полезно там, где требуется заданное входное сопротивление, например, в системах, в которых используются линии передачи с заданным сопротивлением или LC-фильтры.

Неинвертирующий усилитель полезен там, где необходим высокий входной импеданс, например, в каскадах, следующих за активными фильтрами, генераторами, аудиоусилителями, усилителями постоянного тока, используемыми в вольтметрах и т. Д. Еще одним преимуществом инвертирующего усилителя является то, что коэффициент усиления может быть ниже чем один, в отличие от неинвертирующего усилителя, у которого коэффициент усиления всегда больше единицы.

На всех схемах, представленных выше, показаны только резисторы обратной связи. Может возникнуть соблазн подумать, что это все, что вам нужно, чтобы операционный усилитель работал от одного источника питания, например, от одной батареи 9 В или 5 В от USB.

Это не сработает, поскольку положительный (+) и отрицательный (-) входы никоим образом не смещены. Операционные усилители должны быть смещены так же, как транзисторы, когда они используют одиночный источник питания вместо двойного (также известного как биполярный) положительного и отрицательного источника питания (вот почему LM741 имеет V + и V-, а не только V + и GND).Чтобы смещать их правильно, вам необходимо подключить резистор 100 кОм к источнику питания и еще 100 кОм к земле (если вы используете полевой транзистор или операционный усилитель с высоким входным сопротивлением, вы можете использовать два резистора 1 МОм). Если между выходом и входом подключен резистор, он будет смещать вход, поскольку напряжение постоянного тока на выходе операционного усилителя составляет примерно половину напряжения питания (4,5 В для источника питания 9 В), и это напряжение смещает усилитель.

Особым случаем является LM324, это операционный усилитель с однополярным питанием, что означает, что входы уже смещены и не нуждаются в каких-либо внешних резисторах, хотя в цепях переменного тока требуются конденсаторы, чтобы предотвратить присутствие этих напряжений смещения постоянного тока на входах. и выходы и в любом месте, где они не должны быть, а также там, где внешние резисторы обратной связи могут повлиять на смещение.

Цель: эту схему можно использовать для повышения селективности вашего мультиметра при измерении малых напряжений постоянного тока.

СХЕМА:

НЕОБХОДИМЫЕ КОМПОНЕНТЫ:

Работа неинвертирующего усилителя постоянного тока:

В этой схеме используется операционный усилитель LM741 BJT, но использование TL081 и 2,2 МОм может улучшить входное сопротивление примерно с 100 кОм до 1 МОм. Он имеет регулируемое усиление, которое может быть установлено на 10, для облегчения считывания выходного напряжения (1 мВ дает 10 мВ вместо 11 мВ для усиления 11 с резисторами 10 кОм и 100 кОм).

R1 — это элемент управления нулевым смещением — это триммер, который должен быть установлен на значение, поэтому напряжение на инвертирующем и неинвертирующем входе должно быть одинаковым.

R2 и R3 устанавливают коэффициент усиления, и он должен быть установлен на 10, чтобы было легче считывать напряжение. Его легко можно поставить с двумя батареями на 9 В, что делает его портативным.

Цель: Эта схема может действовать как предусилитель звука, либо сама по себе, либо как часть более крупного аудиоусилителя.

СХЕМА:

НЕОБХОДИМЫЕ КОМПОНЕНТЫ:

Работа инвертирующего предварительного усилителя звука:

Эта схема имеет усиление звука 10 и входное сопротивление 10 кОм. Его можно использовать в качестве предусилителя звука, отдельно или как часть более крупного аудиоусилителя. Его также можно использовать для управления парой наушников 32 Ом на 5 мВт или парой наушников с высоким сопротивлением 200 Ом на 40 мВт при питании 9 В и управлении с достаточно сильным сигналом. Такая низкая выходная мощность обусловлена ​​тем, что максимальный выходной ток LM741 составляет 25 мА, что типично для большинства операционных усилителей.Операционные усилители большей мощности дадут гораздо более высокую выходную мощность.

R1 и R2 смещают положительный вход (большинство операционных усилителей не могут работать с одним источником питания без смещения), C1 заземляет положительный вход для сигналов переменного тока (в инвертирующей конфигурации возможный вход должен быть заземлен для сигнала).

R3 и R4 обеспечивают отрицательную обратную связь, ограничивая коэффициент усиления до 10, кроме обратной связи R4 обеспечивают смещение к отрицательному входу, а R3 устанавливает входное сопротивление усилителя.

C3 развязывает блок питания от шума и пульсаций, его следует размещать как можно ближе к микросхеме усилителя.C4 пропускает через него только сигнал переменного тока, предотвращая прохождение любого напряжения постоянного тока на выходе операционного усилителя в динамик.

Цель: эту схему можно использовать для усиления очень слабого сигнала (<10 мВ) электретного микрофона перед выходом на выход динамика.

СХЕМА:

НЕОБХОДИМЫЕ КОМПОНЕНТЫ:

Работа цепи предусилителя электретного микрофона:

Коэффициент усиления по напряжению в этой цепи регулируется с помощью R4 от примерно 45 до 1.Вы можете заменить R4 резистором с заданным значением, если вы знаете требуемое усиление, но оно должно быть меньше 220 кОм.

R1 смещает электретный микрофон (M, из-за природы электретных микрофонов на них необходимо подавать питание, так как внутри них находится полевой транзистор).

C1 предотвращает влияние напряжения смещения постоянного тока из-за низкого сопротивления микрофона, в то время как R2 и R3 смещают положительный вход операционного усилителя. C3 фильтрует и развязывает источник напряжения и предотвращает паразитные колебания, R4 обеспечивает смещение на отрицательном входе, в то время как R4 и R5 вместе устанавливают отрицательную обратную связь и, следовательно, усиление.

C2 предотвращает влияние резистора R5 на смещение постоянного тока, поскольку его низкое сопротивление снижает отрицательное входное смещение с половины напряжения питания до долей вольта. C4 блокирует постоянное напряжение на выходе усилителя и пропускает только усиленный микрофонный сигнал переменного тока.

Цель: Эта простая схема представляет собой законченный аудиоусилитель, который может дать серьезную выходную мощность.

СХЕМА:

НЕОБХОДИМЫЕ КОМПОНЕНТЫ:

Рабочий класс AB Аудио усилитель мощности Схема:

В этой схеме используется двойной операционный усилитель, первая секция — это предусилитель с коэффициентом усиления около 200, вторая используется как драйвер с единичным усилением, который управляет силовыми транзисторами Q1 и Q2.

Очень сильная отрицательная обратная связь гарантирует, что звук не будет искажен.

R1 — регулятор громкости, R2 и R3 смещают положительный вход первого операционного усилителя.R4 и R5 устанавливают усиление предусилителя, при этом R4 также смещает отрицательный вход, C2 блокирует постоянный ток, в противном случае напряжение смещения постоянного тока будет уменьшено R4 и R5, действующими как делитель напряжения, и усилитель не будет работать. C3 и C4 развязывают питание от шума и гула 50 Гц. C5 блокирует постоянный ток и пропускает только усиленный аудиосигнал переменного тока на динамик.

Используемые транзисторы в зависимости от требуемой выходной мощности:

• 2N3904 и 2N3906 для 50 мВт при 4 Ом и 100 мВт при 8 Ом (питание 5–9 В),
• BD139 и BD140 для 4 Вт при 4 Ом и 7 Вт при 8 Ом (12 В)
• TIP120, TIP125 до 20 Вт при 4 Ом и 12 Вт при 8 Ом (12 В, больше при 24 В)

Цель: Эта схема действует как фильтр нижних частот 3000 Гц и усилитель.

СХЕМА:

НЕОБХОДИМЫЕ КОМПОНЕНТЫ:

Работа усилителя с активным фильтром нижних частот 3000 Гц:

Первый операционный усилитель формирует активный фильтр Саллена-Ки с гораздо большей производительностью, чем простой RC-фильтр (5 дБ / 1 кГц против 1.Спад на 6 дБ / кГц выше макс. частота). Второй операционный усилитель обеспечивает усиление около 11 и может использоваться для подключения пары наушников (с сопротивлением более 10 Ом) или другого каскада звукового усилителя. После каскада активного фильтра необходим усилитель, потому что, если на фильтр будет загружена нагрузка с низким импедансом, характеристики фильтра значительно ухудшатся.

R1, R2, C1 и C3 — устанавливает отрицательную обратную связь, частоту среза и добротность (насколько резкий фильтр) фильтра.C2 предотвращает попадание постоянного напряжения на вход.

R3 и R4 смещают положительный вход фильтра, отрицательный вход смещается от выхода фильтра (выход имеет половину напряжения питания, что идеально для смещения входа).

R5 и R6 обеспечивают отрицательную обратную связь и устанавливают коэффициент усиления (), C4 блокирует поток постоянного тока через R6, который изменит отрицательное входное смещение. Положительный вход не имеет резисторов смещения, потому что он смещен выходом первого операционного усилителя (выход операционного усилителя обычно имеет половину напряжения питания, как раз то, что нам нужно для смещения входа).

C5 развязывает источник питания и предотвращает паразитные колебания, тогда как C6 позволяет отфильтрованному усиленному входному сигналу на выход, одновременно предотвращая любое смещение постоянного тока.

Цель: построить схему релаксационного генератора с использованием LM741. Релаксационный генератор представляет собой очень простую схему генератора, которая дает высокую выходную амплитуду с прямоугольной формой волны.

СХЕМА:

НЕОБХОДИМЫЕ КОМПОНЕНТЫ:

Работа цепи генератора релаксации:

Релаксационный генератор представляет собой очень простую схему генератора, которая дает высокую выходную амплитуду с прямоугольной формой волны. С потенциометром 47 кОм он может работать от долей Гц до сотен кГц, при этом изменяются только значения C4, в зависимости от желаемого диапазона частот.Частота колебаний определяется по следующей формуле: где f в герцах, R в омах и C в фарадах.

В отличие от всех других схем, генераторы используют положительную обратную связь, здесь она применяется от выхода к положительному входу, аналогично тому, как отрицательная обратная связь используется в неинвертирующих усилителях.

R1 и R2 обеспечивают положительную обратную связь, C2 и C1 предотвращают прохождение постоянного тока через R1 на землю, а также не позволяют R1 и R2 действовать как делитель напряжения для положительного входа — это может привести к недостаточному смещению входа (вместо получения половины напряжение питания, которое ему нужно, он получит, потому что R1 и R2 делят напряжение пополам, и у нас уже есть половина питания на выходах), и операционный усилитель может работать неправильно.

Имеется конденсатор емкостью 100 нФ (C2), подключенный параллельно к C1, поскольку электролитические конденсаторы плохо работают на частотах выше 20 кГц — это предотвращает искажение прямоугольной волны на высоких частотах. C3 отделяет источник питания от помех, вызванных генератором, и предотвращает высокочастотный «звон» на выходной прямоугольной волне и паразитные колебания на частотах, отличных от той, которую мы хотим генерировать.

C4 и R3 определяют частоту колебаний, при этом R3 также смещает отрицательный вход операционного усилителя.C5 и C6 передают сгенерированный сигнал, останавливая постоянное напряжение на выходе. Как и в случае с конденсаторами C1 и C2, использование конденсатора емкостью 100 нФ параллельно с электролитическим конденсатором улучшает частотную характеристику. Этот генератор не дает идеальной прямоугольной волны с идеальным рабочим циклом 50% — если требуется идеальный рабочий цикл 50%, R2 следует заменить потенциометром / триммером 22k или 10k.

ИСТОЧНИКИ:

Дуглас Селф — «Электроника для винила»

Стэн Гибилиско и Саймон Монк — «Научитесь электричеству и электронике, шестое издание», McGraw-Hill Education, 2016, ISBN 978-1-25-958553-1

Несколько авторов — «Poradnik Radioamatora, Wydanie other zmienione», WKŁ, Варшава, 1983, ISBN 83-206-0307-2

Электроника-заметки.com

Википедия

Техас-инструменты (1)

Техас-инструменты (2)

Sim.okawa-denshi

CircuitDigest

Электроника-Учебники

Нравится:

Нравится Загрузка …

В этом руководстве мы узнаем о суммирующем усилителе, его конфигурациях, типах суммирующих усилителей (инвертирующих и неинвертирующих) и некоторых применениях суммирующего усилителя.

Одним из важных применений операционного усилителя является суммирующий усилитель, также известный как сумматор. Как следует из названия, суммирующий усилитель — это схема на базе операционного усилителя, в которой добавляются несколько входных сигналов с разными напряжениями.

Для получения информации об основах операционных усилителей прочтите «Основы операционных усилителей».

Введение

Многие приложения в электронных схемах требуют добавления или объединения двух или более аналоговых сигналов в один сигнал.Одним из лучших примеров такого требования являются приложения для музыкальной записи и вещания. В случае типичной настройки записи музыки, он имеет несколько входов от нескольких микрофонов, но все же выход является стереофоническим (левый и правый).

Именно здесь суммирующий усилитель может быть полезен, поскольку он объединяет несколько входов в один общий сигнал без шума и помех. По этой причине суммирующий усилитель также называется сумматором напряжения, поскольку его выход представляет собой сложение напряжений, присутствующих на его входной клемме.

Инвертирующий суммирующий усилитель

Наиболее часто используемый суммирующий усилитель — это расширенная версия конфигурации инвертирующего усилителя, то есть несколько входов подаются на инвертирующий входной терминал операционного усилителя, в то время как неинвертирующий входной терминал подключен к земле. Из-за этой конфигурации выход схемы сумматора напряжения сдвинут по фазе на 180 ^o относительно входа.

Общая конструкция суммирующего усилителя показана на следующей схеме.Схема нормального инвертирующего усилителя имеет только одно напряжение / вход на входной инвертирующей клемме. Если к инвертирующей входной клемме подключено больше входных напряжений, как показано, результирующий выходной сигнал будет суммой всех приложенных входных напряжений, но инвертированных.

Прежде чем анализировать приведенную выше схему, давайте обсудим важный момент в этой настройке: концепцию виртуальной земли. Поскольку неинвертирующий вход вышеуказанной схемы подключен к земле, клемма инвертирующего входа операционного усилителя находится на виртуальной земле.В результате инвертирующий входной узел становится идеальным узлом для суммирования входных токов.

Принципиальная схема суммирующего усилителя показана на рисунке выше. Вместо использования одного входного резистора все входные источники имеют собственные входные управляющие резисторы. Такая схема усиливает каждый входной сигнал. Коэффициент усиления для каждого входа определяется отношением резистора обратной связи R _f к входному сопротивлению в соответствующей ветви.

Расчет выходного напряжения инвертирующего суммирующего усилителя

Пусть R ₁ будет входным импедансом, а V ₁ будет входным напряжением первого канала.Аналогично, R ₂ — V ₂ для второго канала, R ₃ — V ₃ для третьего канала и так далее до R _n — V _n для n ^th канал.

Уже говорилось, что суммирующий усилитель — это, по сути, инвертирующий усилитель с более чем одним напряжением на инвертирующей входной клемме. Выходное напряжение для каждого канала можно рассчитать индивидуально, а конечное выходное напряжение будет суммой всех отдельных выходов.

Чтобы рассчитать выходное напряжение конкретного канала, мы должны заземлить все остальные каналы и использовать базовую формулу выходного напряжения инвертирующего усилителя для каждого канала.

Если все каналы заземлены, кроме первого канала, то выход для первого канала определяется как:

В _OUT1 = — (R _f / R ₁ ) V ₁

Где, — (R _f / R ₁ ) — коэффициент усиления по напряжению для первого канала (A _V1 ).

Аналогично, если все каналы заземлены, кроме второго канала, то выходной сигнал для второго канала будет иметь следующий вид:

V _OUT2 = — (R _f / R ₂ ) V ₂

Где , — (R _f / R ₂ ) — коэффициент усиления по напряжению для второго канала (A _V2 ).

Аналогично, выход для n ^{-го канала} задается следующим образом:

V _OUTn = — (R _f / R _n ) V _n

And — (R _f / R _n ) — коэффициент усиления по напряжению для канала n ^th (A _Vn ).

Выходной сигнал — это алгебраическая сумма отдельных выходов или, другими словами, это сумма всех входов, умноженная на их соответствующие коэффициенты усиления.

V _OUT = V _OUT1 + V _OUT2 +. . . + V _OUTn

V _OUT = — [(R _f / R ₁ ) V ₁ + (R _f / R ₂ ) V ₂ +. . . + (R _f / R _n ) V _n ]

V _OUT = V ₁ A _V1 + V ₂ A _V2 +.. . + V _n A _Vn

В суммирующем усилителе, если входные сопротивления не равны, схема называется масштабирующим суммирующим усилителем. Но если все входные сопротивления выбраны одинаковыми по величине, то говорят, что суммирующий усилитель имеет равновзвешенную конфигурацию, где коэффициент усиления для каждого входного канала одинаков.

Иногда необходимо просто добавить входные напряжения, не усиливая их. В таких ситуациях значение входного сопротивления R ₁ , R ₂ , R ₃ и т. Д.должен быть выбран равным резистору обратной связи R _f . В результате коэффициент усиления усилителя будет равен единице. Следовательно, выходное напряжение будет добавлением входных напряжений.

Теоретически мы можем подать на вход суммирующего усилителя столько входных сигналов, сколько потребуется. Однако следует отметить, что все входные токи суммируются, а затем возвращаются через резистор R _f , поэтому мы должны знать номинальную мощность резисторов.

Неинвертирующий суммирующий усилитель

Неинвертирующий суммирующий усилитель также может быть сконструирован с использованием конфигурации неинвертирующего усилителя операционного усилителя.Здесь входные напряжения прикладываются к неинвертирующей входной клемме операционного усилителя, а часть выхода возвращается на инвертирующую входную клемму через обратную связь смещения делителя напряжения.

Схема неинвертирующего суммирующего усилителя показана на следующем рисунке. Для удобства следующая схема состоит только из трех входов, но можно добавить и другие входы.

Прежде всего, даже если это также суммирующий усилитель, вычисления не так просты, как инвертирующий суммирующий усилитель, потому что нет преимущества виртуального узла суммирования заземления в неинвертирующем суммирующем усилителе.

Расчет выходного напряжения неинвертирующего суммирующего усилителя

Чтобы понять работу неинвертирующего суммирующего усилителя, мы должны разделить схему на две части:

• Секция входного резистора / источника
• Секция неинвертирующего усилителя

Если V _IN представляет собой комбинацию всех входных сигналов, то это применяется к неинвертирующей клемме операционного усилителя. Из приведенной выше схемы мы можем рассчитать выходное напряжение неинвертирующего усилителя с V _IN в качестве входа и R _f и R _i в качестве резисторов делителя обратной связи следующим образом:

V _OUT = V _IN (1 + (R _f / R _i ))

Поскольку выходное напряжение вычислено, мы должны теперь определить значение V _IN .Если V ₁ , V ₂ и V ₃ являются тремя основными входными источниками, а R ₁ , R ₂ и R ₃ являются их входными сопротивлениями, тогда V _IN1 , V _IN2 и V _IN3 являются входами соответствующих каналов, когда другие соответствующие каналы заземлены. Итак,

V _IN = V _IN1 + V _IN2 + V _IN3

Поскольку концепция виртуального заземления здесь не применяется, все каналы будут влиять на другие каналы.Давайте вычислим часть V _IN1 для V _IN и с помощью простой математики мы можем легко получить два других значения, то есть V _IN2 и V _IN3 .

Переходя к V _IN1 , когда V ₂ и V ₃ заземлены, их соответствующие резисторы нельзя игнорировать, поскольку они образуют сеть делителя напряжения. Итак,

V _IN1 = V ₁ [(R ₂ || R ₃ ) / (R ₁ + (R ₂ || R ₃ ))]

Аналогично , мы можем вычислить два других значения V _IN2 и V _IN3 как

V _IN2 = V ₂ [( _R || R ₃ ) / ( _R + ( R ₁ || R ₃ ))]

V _IN3 = V ₃ [(R ₁ || R ₂ ) / (R ₃ + ( _R | | R ₂ ))]

Итак,

V _IN = V _IN1 + V _IN2 + V _IN3

V _IN = V ₁ [(R ₂ || R ₃ ) / (R ₁ + (R ₂ || R ₃ ))] + V ₂ [(R ₁ || R ₃ ) / (R ₂ + ( _{рэндов 1} || _{рэндов 3} ))] + V ₃ [( _{рэндов 1 9 0014 || R 2 ) / (R 3 + (R 1 || R 2 ))]}

Наконец, мы можем рассчитать выходное напряжение V _OUT как

V _OUT = V _IN (1 + (R _f / R _i ))

V _OUT = (1 + (R _f / R _i )) {V ₁ [(R ₂ || R ₃ ) / (R ₁ + (R ₂ || R ₃ ))] + V ₂ [(R ₁ || R ₃ ) / (R ₂ + ( ₁ || ₃ ))] + V ₃ [( ₁ || ₂ ) / ( ₃ + ( ₁ || R ₂ ))]}

Если мы рассмотрим особое условие равных весов, когда все резисторы имеют одинаковые значения, то выходное напряжение будет:

В _OUT = (1 + (R _f / R _i )) ((V ₁ + V ₂ + V ₃ ) / 3)

Для проектирования неинвертирующей схемы суммирования сначала необходимо разработать неинвертирующий усилитель с требуемым усилением по напряжению.Затем выбираются входные резисторы как можно большего размера, чтобы соответствовать типу используемого операционного усилителя.

Пример сумматора напряжения

Три аудиосигнала управляют суммирующим усилителем, как показано на следующей схеме. Какое выходное напряжение?

Коэффициент усиления по напряжению в замкнутом контуре для каждого канала можно рассчитать как:

A _CL1 = — (R _f / R ₁ ) = — (100 кОм / 20 кОм) = — 5

A _CL2 = — (R _f / R ₂ ) = — (100 кОм / 10 кОм) => ACL2 = — 10

A _CL3 = — (R _f / R ₃ ) = — (100 кОм / 50 кОм) => ACL3 = — 2

Выходное напряжение суммирующего усилителя определяется как,

В _OUT = (A _CL1 V ₁ + A _CL2 V ₁ + A _CL3 V ₁ )

= — [(5 * 100 мВ) + (10 * 200 мВ) + (2 * 300 мВ)]

= — (0.5 В + 2 В + 0,6 В)

В _OUT = — 3,1 В

Приложения суммирующего усилителя

Аудиомикшер

Суммирующий усилитель является полезной схемой, когда необходимо добавить или объединить два или более сигналов, как в приложения для микширования звука. Звуки различных музыкальных инструментов могут быть преобразованы в определенный уровень напряжения с помощью преобразователей и подключены в качестве входа к суммирующему усилителю.

Эти разные источники сигнала будут объединены вместе суммирующим усилителем, и объединенный сигнал будет отправлен на аудиоусилитель.Примерная принципиальная схема суммирующего усилителя в качестве аудиомикшера показана на рисунке ниже.

Суммирующий усилитель может работать как многоканальный аудиомикшер для нескольких аудиоканалов. Никаких помех (обратная связь от одного канала к входу другого канала) возникать не будет, потому что каждый сигнал подается через резистор, а его другой конец подключен к клемме заземления.

Цифро-аналоговый преобразователь (DAC)

Цифро-аналоговый преобразователь (DAC) преобразует двоичные данные, подаваемые на его вход, в эквивалентное аналоговое значение напряжения.В приложениях промышленного управления в реальном времени часто используются микрокомпьютеры. Эти микрокомпьютеры выводят цифровые данные, которые необходимо преобразовать в аналоговое напряжение для управления двигателями, реле, исполнительными механизмами и т. Д.

В простейшей схеме цифроаналогового преобразователя используется суммирующий усилитель и цепь взвешенных резисторов. Типичная 4-битная схема ЦАП, использующая суммирующий усилитель, показана на рисунке ниже.

Входами в показанный выше суммирующий усилитель являются двоичные данные Q _A , Q _B , Q _C и Q _D , которые обычно составляют 5 В для представления логической 1 и 0 В для представления логический 0.

Если входные резисторы в каждой ветви выбраны таким образом, что значение каждого входного резистора в два раза превышает значение резистора в предыдущей входной ветви, то цифровое логическое напряжение на входе будет давать выход, который представляет собой взвешенную сумму приложенные входные напряжения.