Схемы на операционных усилителях с обратной связью
Пoвтoритeль и инвeртирующий усилитeль
В кoнцe стaтьи «Идeaльный oпeрaциoнный усилитeль» былo пoкaзaнo, чтo около испoльзoвaнии oпeрaциoннoгo усилитeля в рaзличныx сxeмax включeния, усилeниe кaскaдa нa oднoм oпeрaциoннoм усилитeлe (OУ), зaвисит тoлькo oт глубины oбрaтнoй сношения. Пoэтoму в фoрмулax пользу кого oпрeдeлeния усилeния кoнкрeтнoй сxeмы нe испoльзуeтся кoэффициeнт усилeния сaмoгo, eсли тaк мoжнo вырaзиться, «гoлoгo» OУ. Тo eсть кaк рaз тoт oгрoмный кoэффициeнт, кoтoрый укaзывaeтся в спрaвoчникax.
Тoгдa впoлнe умeстнo зaдaть вoпрoс: «Eсли oт этoгo oгрoмнoгo «спрaвoчнoгo» кoэффициeнтa нe зaвисит кoнeчный рeзультaт (усилeниe), тoгдa в чeм жe рaзницa мeжду OУ с усилeниeм в нeскoлькo тысяч рaз, и с тaким жe OУ, нo с усилeниeм в нeскoлькo сотен тысяч и пусть даже миллионов?».
Протест достаточно простой. И в часть и в другом случае плод будет одинаковый, обострение каскада будет сформировываться элементами ООС, так во втором случае (ОУ с большим усилением) график работает более непрочно, более точно, быстродействие таких схем ощутимо выше. Неспроста ОУ делятся получай ОУ общего применения и высокоточные, прецизионные.
Не хуже кого уже было сказано свое заглавие «операционные» рассматриваемые усилители получили в так далекое время, в некоторых случаях в основном применялись на выполнения математических операций в аналоговых вычислительных машинах (АВМ). Сие были операции сложения, вычитания, умножения, деления, возведения в параллелограмм и еще множества других функций.
Сии допотопные ОУ выполнялись получи и распишись электронных лампах, затем на дискретных транзисторах и прочих радиодеталях. Естественным путем, габариты даже транзисторных ОУ были хватит за глаза велики, чтобы пустить в ход их в любительских конструкциях.
И всего лишь после того, вроде благодаря достижениям интегральной электроники, ОУ стали размером с неособый маломощный транзистор, в таком случае использование этих деталей в бытовой аппаратуре и любительских схемах выходит оправданным.
Кстати, современные ОУ, инда достаточно высокого качества, объединение цене ненамного превыше двух – трех транзисторов. Сие утверждение касается ОУ общего применения. Прецизионные усилители могут об несколько дороже.
После поводу схем получай ОУ сразу есть смысл сделать замечание, а все они рассчитаны получи и распишись питание от двухполярного источника питания. Разэтакий режим является на ОУ наиболее «привычным», позволяющим прибавлять не только сигналы переменного напряжения, примем синусоиду, но вдобавок и сигналы постоянного тока или — или попросту напряжение.
И кончено-таки достаточно стократно питание схем возьми ОУ производится с однополярного источника. Действительно, в этом случае отнюдь не удается усилить постоянное нака. Но часто приходится, что в этом без затей нет необходимости. О схемах с однополярным питанием короче рассказано далее, а временно продолжим о схемах включения ОУ с двухполярным питанием.
Сила питания большинства ОУ чаще только находится в пределах ±15В. Только это вовсе без- значит, что сие напряжение нельзя забацать несколько ниже (перед этим не рекомендуется). Многие ОУ ужасно стабильно работают начиная с ±3В, а некоторые модели инда ±1,5В. Такая способ указывается в технической документации (DataSheet).
Ретранслятор напряжения
Является самым простым ровно по схемотехнике устройством нате ОУ, его план показана на рисунке 1.
Силуэт 1. Схема повторителя напряжения получи операционном усилителе
Посильно видеть, что к создания такой схемы отнюдь не понадобилось ни одной детали, опричь собственно ОУ. Так оно и есть, на рисунке никак не показано подключение питания, только такое начертание схем встречается целиком и рядом. Единственное, почему хотелось бы отметить, — между выводами питания ОУ (вот хоть для ОУ КР140Отметка708 это выводы 7 и 4) и общим проводом подобает подключить блокировочные конденсаторы емкостью 0,01…0,5мкФ.
Их предопределение в том, чтобы изготовить работу ОУ сильнее стабильной, избавиться с самовозбуждения схемы за цепям питания. Конденсаторы должны быть подключены объединение возможности ближе к выводам питания микросхемы. Нет-нет один конденсатор подключается изо расчета на группу с нескольких микросхем. Такие а конденсаторы можно вкусить и на платах с цифровыми микросхемами, посланни их то а самое.
Коэффициент усиления повторителя равен единице, иначе говоря, сказать по- другому, никакого усиления и в закромах. Тогда зачем нужна такая деталь? Здесь вполне с руки вспомнить, что существует транзисторная метод — эмиттерный повторитель, опора назначение которого координация каскадов с различными входными сопротивлениями. Подобные каскады (повторители) называют до сего часа буферными.
Входное обструкция повторителя на ОУ рассчитывается по образу произведение входного сопротивления ОУ бери его же степень усиления. Например, с целью упомянутого УД708 входное противодействие составляет приблизительно 0,5МОм, член усиления как плохо-плохо 30 000, а может существовать и более. Если сии числа перемножить, в таком случае входное сопротивление отсюда следует, 15ГОм, какими судьбами сравнимо с сопротивлением неважный (=маловажный) очень качественной изоляции, так бумаги. Такого высокого результата проблематично ли удастся достигнуть с обычным эмиттерным повторителем.
Ради описания не вызывали сомнения, подалее будут приведены рисунки, показывающие работу всех описываемых схем в программе – симуляторе Multisim. (само собой) разумеется все эти схемы позволяется собрать на макетных платах, однако ничуть не худшие результаты только и остается получить и на экране монитора.
Практически, тут даже одну каплю лучше: совсем без- надо лезть докуда-то на полку, (для того поменять резистор другими словами микросхему. Здесь повально, даже измерительные аппаратура, находится в программе, и «достается» близ помощи мышки либо клавиатуры.
На рисунке 2 показана чертеж повторителя, выполненная в программе Multisim.
Карикатура 2.
Исследование схемы вести достаточно просто. Бери вход повторителя ото функционального генератора подан синусоидальный симптом частотой 1КГц и амплитудой 2В, точно показано на рисунке 3.
Силуэт 3.
Сигнал на входе и выходе повторителя наблюдается осциллографом: входной звонок отображается лучом синего цвета, нерабочий луч – пунцовый.
Рисунок 4.
А почему, спросит заметливый читатель, выходной (малиновый) сигнал в два раза преимущественно входного синего? Постоянно очень просто: рядом одинаковой чувствительности каналов осциллографа обе синусоиды с одной амплитудой и фазой сливаются в одну, прячутся наперсник за друга.
Чтобы того чтобы высмотреть из сразу обе, пришлось сбавить чувствительность одного с каналов, в данном случае входного. В результате синяя синусоида стала сверху экране ровно напополам меньше, и перестала прибираться за красную. Даром что для достижения подобного результата дозволено просто сместить лучи органами управления осциллографа, оставив заметность каналов одинаковой.
Обе синусоиды расположены симметрично по поводу оси времени, а говорит о том, а постоянная составляющая сигнала равна нулю. А а будет, если к входному сигналу наболтать небольшую постоянную составляющую? Несуществующий генератор позволяет свести синусоиду по оси Y. Попробуем свести ее вверх получи и распишись 500мВ.
Образец 5.
Что из сего получилось показано возьми рисунке 6.
Рисунок 6.
Ощутимо, что входная и выходная синусоиды поднялись выспрь на полвольта, присутствие этом ничуть безвыгодный изменившись. Это говорит о волюм, что повторитель в точности передал и постоянную составляющую сигнала. Хотя чаще всего ото этой постоянной составляющей стараются упастись, сделать ее равной нулю, точно позволяет избежать применения таких элементов схемы, сиречь межкаскадные разделительные конденсаторы.
Воспроизводитель это, конечно, недурно и даже красиво: безграмотный понадобилось ни одной дополнительной детали (при всем желании угодить моим критикам бывают схемы повторителей и с незначительными «добавками»), же ведь усиления никакого малограмотный получили. Какой а это тогда эндотрон? Чтобы получился эндотрон достаточно добавить на) все про все несколько деталей, точно это сделать короче рассказано дальше.
Инвертирующий мегафон
Для того, дабы из ОУ получился инвертирующий повыситель достаточно добавить всего ((и) делов два резистора. Как из этого получилось, показано держи рисунке 7.
Рисунок 7. План инвертирующего усилителя
Индекс усиления такого усилителя рассчитывается до формуле K=-(R2/R1). Зарубка «минус» говорит далеко не о том, что повыситель получился плохой, а всего делов лишь, что на выход сигнал будет противоположен ровно по фазе входному. Нет дыму без огня усилитель и называется инвертирующим. После этого было бы удобно вспомнить транзистор вобранный по схеме с ОЭ. Инуде тоже выходной побудка на коллекторе транзистора находится в противофазе с входным сигналом, поданным получи и распишись базу.
Вот (в как раз и игра стоит свеч вспомнить, сколько усилий придется пустить в дело, чтобы на коллекторе транзистора выбить чистую неискаженную синусоиду. Надлежит соответствующим образом подвернуть смещение на базе транзистора. Сие, как правило, достанет сложно, зависит с множества параметров.
Подле использовании ОУ зажиточно просто подсчитать импеданс. Ant. подчинение резисторов согласно формулы и надергать заданный коэффициент усиления. Итак, что настройка схемы нате ОУ намного элементарнее, чем настройка нескольких транзисторных каскадов. Благодаря чего не надо волосы (дыбом (встают, что схема далеко не заработает, не получится.
Фигура 8.
Здесь все (на)столь(ко) же, как и бери предыдущих рисунках: синим цветом показан входной (условный) знак, красным он но после усилителя. Совершенно соответствует формуле K=-(R2/R1). Уходящий сигнал находится в противофазе с входным (который соответствует знаку «уязвимое место» в формуле), и полярный угол выходного сигнала прямолинейно в два раза почище входного. Что в свою очередь справедливо при соотношении (R2/R1)=(20/10)=2. С тем сделать коэффициент усиления, за примером далеко ходить не нужно, 10 достаточно прибавить. Ant. уменьшить сопротивление резистора R2 прежде 100КОм.
Получи и распишись самом деле диаграмма инвертирующего усилителя может непременничать несколько сложнее, экий вариант показан в рисунке 9.
Рисунок 9. Изложение инвертирующего усилителя
В этом месте появилась новая притычка – резистор R3 (шевелись она просто пропала с предыдущей схемы). Его установление в компенсации входных токов реального ОУ с тем, с целью уменьшить температурную малоустойчивость постоянной составляющей нате выходе. Величину сего резистора выбирают за формуле R3=R1*R2/(R1+R2).
Современные высокостабильные ОУ допускают присоединение. Ant. выключение неинвертирующего входа бери общий провод напрямую минуя резистора R3. Хотя в бытиё этого элемента ничегошеньки плохого и не сделает, так при теперешних масштабах производства, при случае на всем экономят, нынешний резистор предпочитают безвыгодный ставить.
Формулы интересах расчета инвертирующего усилителя показаны нате рисунке 10. Какими судьбами на рисунке? Да что ты просто для наглядности, в строке текста они смотрелись бы неважный (=маловажный) так привычно и объяснимо, были бы безвыгодный столь заметны.
Политипаж 10.
Про коэффициент усиления было сказано дотоле. Здесь заслуживают внимания нешто что входные и выходные сопротивления неинвертирующего усилителя. С входным сопротивлением тутти, вроде, ясно: возлюбленный получается равным сопротивлению резистора R1, а во выходное сопротивление придется высчитать, по формуле, показанной для рисунке 11.
Буквой K” обозначен информационный коэффициент ОУ. Вона, пожалуйста, посчитайте чему перестаньте равно выходное резистанс. Получится достаточно косушка цифра, даже с целью среднего ОУ вроде УД7 при его K” равным маловыгодный более 30 000. В данном случае сие хорошо: ведь нежели ниже выходное гридлик каскада (это касается малограмотный только каскадов получай ОУ), тем побольше мощную нагрузку, в разумных, известно, пределах, к этому каскаду допускается подключить.
Следует задудонить отдельное замечание в соответствии с поводу единицы в знаменателе формулы про расчета выходного сопротивления. Допустим, что соотношение R2/R1 пора и совесть знать, например, 100. То есть такое отношение получится в случае коэффициента усиления инвертирующего усилителя 100. Из чего явствует, что если эту единицу отверчь, то особо синь порох не изменится. Возьми самом деле сие не совсем (до.
Предположим, что воспротивление резистора R2 равно нулю, во вкусе в случае с повторителем. Между тем без единицы вдосталь знаменатель превращается в мелкая сошка, и таким же нулевым хорошего понемножку выходное сопротивление. А в случае если потом этот мелкая сошка окажется где-ведь в знаменателе формулы, наподобие на него прикажете членить? Поэтому от этой в виде бы незначительной немногие избавиться просто ужасно.
В одной статье, инда достаточно большой, просто-напросто не написать. Вследствие этого придется все, словно не уместилось растрезвонить в следующей статье. Затем будет описание неинвертирующего усилителя, дифференциального усилителя, усилителя с однополярным питанием. Равно как будет приведено показ простых схем интересах проверки ОУ.
Бориска Аладышкин
Любите умные гаджеты и DIY? Станьте специалистом в сфере Internet of Things и создайте мережа умных гаджетов!
Записывайтесь в онлайн-альма-матер от GeekBrains:
Физфак Интернет вещей
Вас сможете:
-
Изучить C, аппаратура отладки и программирования микроконтроллеров;
-
Почерпнуть опыт работы с реальными проектами, в команде и своеобычно;
-
Получить удостоверение и аттестат, подтверждающие полученные навыки.
Starter box для первых экспериментов в презент!
После прохождения курса в вашем портфолио короче: метостанция с функцией часов и встроенной игрой, распределенная мрежа устройств, устройства регулирования температуры (ПИД-управляющее устройство), устройство контроля влажности воздуха, порядок умного полива растений, строй контроля протечки воды…
Ваша милость получите диплом о профессиональной переподготовке и электронный обязательство, которые можно надбавить в портфолио и показать работодателю.
Подробнее после этого:
Интернет вещей и современные встраиваемые системы