Триггер шмитта на оу с однополярным питанием: Компараторы и триггеры Шмитта на ОУ

Компараторы и триггеры Шмитта на ОУ

Всем доброго времени суток. В предыдущих статьях я рассказывал о применении операционных усилителей в линейных схемах, где ОУ охвачен отрицательной обратной связью, которая позволяет строить усилители, параметры которых будут в основном определяться элементами обвязки ОУ. Данная статья расскажет о применении ОУ без обратной связи или даже с положительной обратной связью (ПОС).

Для сборки радиоэлектронного устройства можно преобрески DIY KIT набор по ссылке.

Работа операционного усилителя без обратной связи

Как известно напряжение на выходе ОУ U_ВЫХ определяется произведением входного дифференциального напряжения U_Д (разность напряжений между входными выводами) на коэффициент усиления ОУ по напряжению К_U

Операционные усилители имеют очень большой коэффициент усиления ОУ по напряжению К_U = 10⁵ … 10⁶, а выходное напряжение не может выйти за пределы напряжения питания (обычно несколько меньше). Поэтому, для того чтобы ОУ работал в качестве усилителя напряжения максимальное входное дифференциальное напряжение не должно превышать нескольких десятков мкВ (при U_ПИТ = 15 В, К_U = 10⁵, U_Д ≈ 150 мкВ). С учётом вышесказанного можно сделать вывод, что без применения отрицательной обратной связи, которая снижает усиление ОУ в схеме, применение ОУ бесполезно, так как при входных напряжениях в несколько милливольт ОУ войдёт в насыщение с выходным напряжением равным напряжению питания.

Но существуют схемы, в которых операционные усилители применяются без обратной отрицательной связи, а в некоторых случаях специально вводят положительную обратную связь (ПОС) для увеличения коэффициента усиления схем. Одним из видов таких схем являются пороговые устройства, в состав которых входят различные компараторы, триггеры Шмитта, детекторы уровней напряжения.

Принцип работы компаратора

Простейшим пороговым устройством является компаратор. Он сравнивает напряжение, которое поступает на один из его входов, с опорным напряжением, которое присутствует на другом его входе. Простейший компаратор получается из операционного усилителя, в котором отсутствует отрицательная обратная связь. Рассмотрим принцип работы компаратора напряжений на основе ОУ, схема которого изображена ниже

Использование ОУ в качестве компаратора и графики входного и выходного напряжений.

В основе компаратора лежит ОУ на инвертирующий вход, которого поступает входное напряжение U_BX, а неинвертирующий вход соединён с источником опорного напряжения U_ОП. Принцип работы компаратора изображённого на рисунке заключается в следующем: когда входное напряжение U_BX больше опорного U_ОП, то выходное напряжение принимает значение отрицательного напряжения насыщения –U_НАС и остаётся неизменным пока входное напряжение U_BX не уменьшиться ниже опорного напряжения U_ОП, в этом случае на выходе будет напряжение положительного насыщения +U_НАС.

На рисунке изображен компаратор с инвертирующим выходным сигналом по отношению к входному сигналу. Для того, чтобы не происходило инверсии на выходе необходимо поменять подключение выводов ОУ, то есть входной сигнал должен поступать на неивертирующий вход, а опорное напряжение на инвертирующий вывод. Тогда при превышении опорного напряжения на выходе ОУ будет положительное напряжение насыщения, а при входном напряжении меньше, чем опорное напряжение на выходе будет присутствовать отрицательное напряжение насыщения ОУ.

Основные схемы компаратора

Существует много разновидностей компараторов, но в из основе лежат две основные схемы: одновходовая и двухвходовая. Одновходовая схема позволяет сравнивать разнополярные напряжения по модулю, то есть по абсолютной величине. Двухвходовый же компаратор сравнивает два напряжения с учётом знака. Расссмотрим обе схемы подробнее.

Схема одновходового компаратора.

На рисунке выше изображён одновоходовый компаратор, позволяющий сравнивать два разнополярных напряжения по абсолютному значению (по модулю). В его основе лежит инвертирующий сумматор, в котором отсутствует отрицательная обратная связь, поэтому ослабления коэффициент усиления операционного усилителя не происходит. В результате чего на инвертирующем входе ОУ происходит суммирование входного напряжения U_BX и опорного напряжения U_ОП приведённого к инвертирующему входу U_ПРИВ, а результат суммирования усиливается ОУ и выводится на его выход. Для того чтобы происходило сравнение необходимо фактически производить операцию вычитания, то есть напряжения на входах U_BX и U_ПРИВ должны иметь разную полярность.

Приведённое напряжение U_ПРИВ можно вычислить по следующему выражению

Резистор R3 предназначен для компенсации входного тока смещения и должен быть равен величине параллельно соединённых резисторов R1 и R2

Основным недостатком данной схемы является необходимость использования стабилизированного отрицательного напряжения, что приводит к усложнению схемы. Поэтому одновходовый компаратор не получил широкого распространения.

Наибольшее распространение получила схема двухвходового компаратора, в котором отсутствует необходимость в отрицательном напряжении. Схема данного компаратора приведена ниже

Схема двухвходового компаратора.

В основе двухвходового компаратора лежит дифференциальный усилитель, в котором отсутствует отрицательная обратная связь, поэтому разность между входным напряжением U_BX и U_ОП опорным напряжение усиливается ОУ, не имеющего снижения коэффициента усиления из-за отсутствуя ООС, и выделяется на выходе ОУ. В данной схеме входные резисторы R1 и R2 имеют одинаковое значение.

Компараторы применяются в широком спектре схем:

1. Триггеры Шмитта и в схемах формирования сигнала, преобразующих сигнал произвольной формы в прямоугольный или импульсный сигнал.
2. Детекторы уровня – схемы, в которых происходит индицирование момента достижения входным сигналом заданного уровня опорного напряжения.
3. Генераторы импульсных сигналов, например, треугольной или прямоугольной формы.

При использовании компаратора в схемах, где входное напряжение медленно меняется и амплитуда сигнала очень близка к опорному напряжению, то шумы на входном выводе могут вызвать ложные срабатывания компаратора и на его выходе могут появиться дополнительные импульсы, что продемонстрировано на рисунке ниже

Появление ложных импульсов на выходе компаратора.

Для устранения таких ложных срабатываний компаратора, в его схему вводится некоторый гистерезис, путём добавления положительной обратной связи (ПОС) к операционному усилителю.

Триггер Шмитта

Как сказано выше для устранения ложных срабатываний компаратора, известных, как «дребезг контактов» необходимо использовать схему компаратора с петлёй гистерезиса, которая получила название триггера Шмитта.

В одной из статей я рассказывал о триггере Шмитта выполненном на транзисторах. Он характеризуется тем, что в отличие от компаратора имеет так называемую петлю гистерезиса. То есть компаратор переключается из высокого уровня напряжения в низкий при одной и той же величине входного напряжения, а триггер Шмитта имеет два уровня (порога) переключения. Данное различие иллюстрирует изображение ниже

Изменение входного и выходного напряжения компаратора (справа) и триггера Шмитта (слева).

Уровни напряжения, при которых происходит переключение триггера Шмитта называются верхним уровнем (порогом) срабатывания триггера U_ВП и нижним уровнем (порогом) срабатывания триггера U_НП.

Для реализации триггера Шмитта применяют ОУ охваченные положительной обратной связью (ПОС), которая реализуется подачей на неинвертирующий вход части выходного напряжения. Схема триггера Шмитта изображена ниже

Триггер Шмитта на операционном усилителе.

Работа триггера Шмитта во многом похожа на работу компаратора, только в отличие от него в триггере опорное напряжение не постоянно, а зависит от разности выходного и опорного напряжений, то есть имеет различные значения.

Рассмотрим инвертирующий триггер Шмитта. В исходном входное напряжение не превышает верхнего уровня срабатывания триггера U_ВП, поэтому на выходе присутствует положительное напряжение насыщения U_НАС+ (примерно на 1 – 2 В ниже положительного напряжения питания U_ПИТ+). Когда входное напряжение достигает верхнего порога переключения U_ВП выходное напряжение резко упадёт до уровня отрицательного напряжения насыщения U_НАС-(примерно на 1 – 2 В выше отрицательного напряжения питания U_ПИТ-). Верхний уровень напряжения переключения триггера Шмитта определяется следующим выражением

Далее триггер остаётся в устойчивом состоянии до тех пор, пока входное напряжение не станет меньше нижнего порога срабатывания U_НП, а на выходе триггера установится положительное напряжение насыщения U_НАС+. Нижний порог срабатывания триггера определяется следующим выражением

Таким образом, петля гистерезиса будет зависеть от соотношения резисторов R2 и R3, а ширина петли гистерезиса U_ГИС определяется разностью верхнего порога срабатывания U_ВП и нижнего порога срабатывания U_НП

Триггеры Шмитта на ОУ являются основой для построения различных генераторов импульсов, поэтому важнейшими характеристиками ОУ работающих в импульсных схемах является быстродействие, которое зависит от задержек срабатывания и времени нарастания выходного напряжения.

Ограничение уровня выходного напряжения компаратора и триггера Шмитта

Применение положительной обратной связи (ПОС) в компараторах и триггерах Шмитта ускоряет переключение схем, но в связи с тем, что выходное напряжение U_ВЫХ изменяется от U_НАС+ до U_НАС-, то время переключения составляет довольно значительную величину (от долей до единиц микросекунд).

Кроме того существует проблема несовместимостей уровней выходного напряжения, к примеру, при напряжении питания ОУ U_ПИТ = ±15 В, выходное напряжение составит U_ВЫХ ≈ ±14 В (U_НАС+ ≈ +14 В, а U_НАС- ≈ -14 В), в то время как уровни ТТЛ микросхем составляют около +5 В или 0 В.

Для устранения вышеописанных проблем применяют так называемую привязку или ограничение уровня выходного напряжения, для этого в компаратор или триггер Шмитта вводят ООС в виде различных схем ограничения. Простейшими ограничительными схемами являются диоды или стабилитроны. Схема триггера Шмитта с ограничение выходного напряжения показана ниже

Триггер Шмитта с ограничением выходного напряжения при помощи стабилитрона в цепи ООС.

Ограничение выходного напряжения в триггере Шмитта работает следующим образом. При поступлении на инвертирующий вход напряжения меньше, чем напряжение опорного уровня (U_ВХОП), то выходное напряжение U_ВЫХ начинает изменяться в положительном направлении и при достижении напряжения стабилизации стабилитрона U_СТ напряжение на выходе перестанет расти, а будет изменяться только ток. При этом выходное напряжение будет равняться напряжению стабилизации стабилитрона (U_ВЫХ = U_СТ).

В случае если входное напряжение начнёт увеличиваться, выше опорного напряжения, то на выходе напряжение начнёт уменьшаться и в этом случае направление тока через стабилитрон начнёт изменяться на противоположный, а стабилитрон начнёт вести себя как диод. В результате падение напряжения на нём составит примерно 0,7 В независимо от величины протекающего через него тока, а на выходе напряжение составит -0,7 В.

Таким образом, при использовании стабилитрона выходное напряжение триггера Шмитта составит: U_ВЫХ1 = U_СТ (при отсутствии ограничения U_НАС+) или U_ВЫХ2 ≈ 0,7 (при отсутствии ограничения U_НАС-).

Для симметричного ограничения выходного напряжения могут применяться последовательно включенные диоды или стабилитроны, что показано на рисунке ниже

Триггер Шмитта с симметричным ограничением выходного напряжения.

В данной схеме реализуется симметричное ограничение выходного напряжения относительно опорного напряжения, причем выходное напряжение выше опорного напряжения ограничивается стабилитроном VD1, а напряжение при этом составит на 0,7 В больше напряжения стабилизации. В случае же выходного напряжения ниже опорного, то выходное напряжение будет на 0,7 В ниже напряжения стабилизации стабилитрона VD2.

При расчёте компараторов и триггеров Шмитта с ограничением выходного напряжения в качестве U_НАС+ необходимо использовать U_СТ (когда используется один стабилитрон) или U_СТVD1 (при двухстороннем ограничении). А вместо U_НАС- необходимо использовать значение падения напряжения на диоде примерно 0,7 В (при одном стабилитроне) или U_СТVD2 (при двухстороннем ограничении).

Теория это хорошо, но без практического применения это просто слова.Здесь можно всё сделать своими руками.

Триггер Шмитта на операционном усилителе (ОУ)

Триггера Шмитта является очень полезным элементом при проектировании проектировать схем различных устройств.

Применение триггера Шмитта

Триггера Шмитта используется во многих областях электроники и связи. Довольно часто используется в цифровых схемах для сопряжения аналогового сигнала. Триггер срабатывает при определенном напряжении на его входе, выдавая сигнал логического уровня в зависимости от уровня напряжения на входе.

Например, для восстановления цифрового сигнала в зашумленных линиях связи, в системах цифро-аналогового преобразования и так далее.

Триггер Шмитта на операционном усилителе

Для построения триггера Шмитта используют компаратор на обычном операционном усилителе (ОУ) или же применяют специальную микросхему компаратора, и это встречается чаще.

Необходимо обратить внимание, что при использовании ОУ в триггере Шмитта, если входной сигнал является медленно нарастающим или имеет шумы, то существует вероятность того, что выход будет многократно переключаться, вследствие неполного закрытия-открытия выходного транзистора ОУ. Это связано с таким параметром ОУ как входное напряжение смещения.

Обычный компаратор может быть легко преобразован в триггер Шмитта путем добавления положительно-обратной связи (ПОС) операционного усилителя или компаратора. Это обеспечивается добавлением резистора R3 в приведенной ниже схеме.

Эффект от данного резистора (R3) проявляется в том, что он смещает порог переключения зависящий от выходного состояния компаратора или операционного усилителя.

 Когда выходной сигнал компаратора является высоким, то это напряжение подается обратно на неинвертирующий вход операционного усилителя. В результате порог переключения становится выше. Когда же на выходе напряжение падает, то порог переключения также снижается. Это придает схеме так называемый гистерезис.

Применение положительно-обратной связи создает более высокий коэффициент усиления и, следовательно, переключение происходит быстрее. Это особенно полезно, когда входной сигнал медленно изменяющийся. Так же для увеличения скорости переключения триггера Шмита, параллельно резистору ПОС подключают так называемый скоростной конденсатор емкостью 10…100 пФ.

Довольно легко подобрать резисторы, необходимые для работы триггера Шмитта. Уровень напряжения, при котором необходимо, чтобы триггер переходил в свое противоположное состояние, задается делителем напряжения из резисторов R1 и R2. Это первое что необходимо сделать. Затем уже подбирается резистор обратной связи R3.

Особенности построения Триггера Шмитта на ОУ

При использовании ОУ в качестве компаратора, необходимо соблюдать осторожность. Операционный усилитель спроектирован для функционирования в схемах с отрицательной обратной связью. В результате, производители ОУ не гарантируют, что ОУ будут также надежно работать в цепях без обратной связи, либо с положительной обратной связью, как и в случае с триггером Шмитта.

Операционные усилители с однополярным питанием: примеры применения

11 февраля

Бонни Бейкер (Microchip Technology)

Ведущий инженер Microchip рассказывает о схемах базовых функциональных узлов на операционных усилителях (ОУ), типовых схемах систем управления на их базе и типичных ошибках при проектировании устройств на ОУ.

Операционный усилитель (ОУ) представляет собой основной после транзистора функциональный элемент для построения аналоговых схем. С помощью ОУ легко реализуются такие базовые функции как усиление сигнала, изоляция нагрузки, инвертирование сигнала, смещение уровня, сложение и/или вычитание сигналов. Также на базе ОУ можно реализовать и более сложные схемы, такие как инструментальные усилители, преобразователи тока в напряжение и фильтры. Независимо от сложности схемы собственно операционного усилителя, знание основных принципов его работы позволит сэкономить много времени на начальных этапах проектирования.

В курсе изучения операционных усилителей дается множество важной и полезной информации. Однако при этом часто упускают из виду вопросы, касающиеся практического применения ОУ. Так, при проектировании схем с операционными усилителями разработчики постоянно забывают о такой «мелочи» как блокировочные конденсаторы по питанию. С теоретической точки зрения эти компоненты не нужны. В то же время при отсутствии блокировочного конденсатора схема усилителя может возбудиться и в ней возникнут колебания, чего в теории быть не должно. Если же при проектировании схемы использовались только готовые решения из книг, эта проблема может оказаться трудноразрешимой.

Данное руководство состоит из трех частей. В первой части рассматриваются схемы базовых функциональных узлов на ОУ вместе с уравнениями для их расчета. Эти схемы были выбраны с учетом их применимости во встраиваемых системах.

Во второй части руководства рассматриваются более сложные аналоговые схемы для встраиваемых систем управления, построенные с использованием базовых функциональных узлов.

В третьей части руководства приведены наиболее распространенные ошибки, которые допускаются при проектировании схем на ОУ с однополярным питанием. Данный перечень ошибок – результат многолетней работы множества разработчиков по поиску неисправностей в аналоговых схемах. Большей части этих ошибок можно избежать, если применить рекомендации, приведенные в данной статье.

Основные принципы работы операционных усилителей

Операционный усилитель – это такой же «кирпичик» для построения аналоговых схем, как логический элемент – для цифровых. При помощи операционных усилителей мы можем кардинально изменять аналоговые сигналы, подобно тому как с помощью инверторов и логических элементов И/ИЛИ мы изменяем цифровые сигналы. В этой части мы рассмотрим такие базовые функциональные узлы на ОУ как повторитель напряжения, неинвертирующий и инвертирующий усилители, расщепитель питания (формирователь искусственной средней точки), дифференциальный и суммирующий усилители, а также преобразователь тока в напряжение.

Повторитель напряжения

Начнем с самой простой схемы – схемы буферного усилителя (рисунок 1). Буферный усилитель применяется для управления большими нагрузками для согласования входных/выходных сопротивлений или для развязки силовых цепей и чувствительных прецизионных схем.

Рис. 1. Буферный усилитель (повторитель напряжения)

Буферный усилитель, показанный на рисунке 1, может быть реализован на любом ОУ с однополярным питанием, устойчиво работающем при единичном коэффициенте усиления. В этой схеме, как и во всех схемах с ОУ, должен присутствовать блокировочный конденсатор по питанию. Для усилителей с однополярным питанием, работающих в полосе частот от нуля до единиц мегагерц, как правило, достаточно конденсатора емкостью 1 мкФ. Если полоса частот усилителя составляет десятки мегагерц, может потребоваться конденсатор меньшей емкости. В этом случае обычно используют конденсатор емкостью 0,1 мкФ. При отсутствии блокировочного конденсатора или при неправильном выборе его емкости операционный усилитель может самовозбудиться.

Коэффициент усиления схемы, приведенной на рисунке 1, равен +1 В/В. Обратите внимание, что хотя усиление всей схемы положительно, цепь обратной связи с выхода усилителя подключена к инвертирующему входу. Полагать, будто бы схема на ОУ, имеющая положительное усиление, требует наличия положительной обратной связи – очень распространенное заблуждение. Если мы охватим ОУ положительной обратной связью, то на выходе усилителя, скорее всего, установится уровень одной из шин питания.

Данная схема обеспечивает хорошую линейность в пределах всей полосы пропускания усилителя. Однако существуют и определенные ограничения – уровень синфазного сигнала на входе и размах выходного сигнала не должны выходить за определенные границы. Указанные ограничения обсуждаются в разделе «Подводные камни проектирования схем с ОУ».

Если эта схема предназначена для управления мощной нагрузкой, то примененный ОУ должен обеспечивать необходимый уровень выходного тока. Также данная схема может применяться для управления емкостной нагрузкой. Следует отметить, что далеко не каждый ОУ способен сохранять устойчивость при работе на емкостную нагрузку. Если усилитель рассчитан на управление емкостной нагрузкой, то в его документации это будет явно указано. С другой стороны, если ОУ не может работать на емкостную нагрузку, то в его документации это, как правило, особо не оговаривается.

Кроме того, буферный усилитель используется для решения задачи согласования входного и выходного сопротивлений. Это может потребоваться в том случае, если источник аналогового сигнала имеет достаточно высокое выходное сопротивление по сравнению со входным сопротивлением схемы. При прямом подключении источника к схеме уровень сигнала уменьшится из-за падения напряжения на делителе, образованном выходным сопротивлением источника и выходным сопротивлением схемы. Буферный усилитель прекрасно решает эту проблему. Входное сопротивление неинвертирующего входа КМОП ОУ может достигать значения 10¹³ Ом. В то же время выходное сопротивление буферного усилителя обычно не превышает 10 Ом.

Еще один вариант использования буферного усилителя – изоляция чувствительной прецизионной схемы от источника тепла, как показано на рисунке 2. Представьте, что схема, к которой подключен буферный усилитель, усиливает сигнал величиной 100 мкВ.

Рис. 2. Развязка нагрузки с использованием буферного усилителя

Усиление подобных сигналов – непростая задача, независимо от требуемой точности. При таких прецизионных измерениях из-за изменения выходного тока схемы усилителя может легко возникнуть погрешность. Увеличение тока нагрузки вызывает саморазогрев кристалла, что в свою очередь приводит к росту напряжения смещения. В таких ситуациях для управления мощной нагрузкой лучше использовать отдельный аналоговый буфер, а входным каскадам оставить только прецизионные измерения.

Усиление аналоговых сигналов

Буфер позволяет решить многие проблемы, связанные с передачей аналогового сигнала, однако на практике часто возникает необходимость усиления сигнала. Для этого можно использовать усилители двух типов.

В усилителе первого типа, схема которого приведена на рисунке 3, сигнал не инвертируется. Этот вариант усилителя очень удобен для схем с однополярным питанием, в которых отрицательные сигналы, как правило, отсутствуют.

Рис. 3. Неинвертирующий усилитель на ОУ

Примечание. Когда в данной публикации говорится об однополярном питании, то подразумевается, что отрицательный вывод питания операционного усилителя соединен с общим проводом, а положительный вывод питания подключен к линии +5 В. Все рассуждения в этой статье можно экстраполировать и на другие значения напряжения питания, если напряжение однополярного источника превышает 5 В или же если используется двуполярное питание.

В данном случае входной сигнал подается на высокоимпедансный неинвертирующий вход операционного усилителя. Выходное напряжение данной схемы определяется по формуле 1:

$$V_{OUT}=\left(1+\frac{R_{2}}{R_{1}} \right)\times V_{IN}\qquad{\mathrm{(}}{1}{\mathrm{)}}$$

В схемах с однополярным питанием значение сопротивления резистора R₂, как правило, берется не менее 2 кОм. Сопротивление резистора R₁ выбирается исходя из требуемого значения коэффициента усиления с учетом уровня шумов операционного усилителя и входного напряжения смещения, указанных в технической документации на ОУ. Стоит отметить, что данная схема имеет некоторые ограничения, касающиеся величины входного и выходного сигналов. Так, напряжение на неинвертирующем входе ОУ не должно превышать максимально допустимого для данного ОУ значения синфазного напряжения. Размах выходного сигнала ОУ также ограничен; допустимый диапазон указывается в технической документации на усилитель. Как правило, большая часть ошибок возникает из-за ограничения слишком большого выходного сигнала усилителя, а не из-за слабого сигнала на входе. При возникновении ограничения выходного сигнала коэффициент усиления схемы следует уменьшить.

Схема инвертирующего усилителя приведена на рисунке 4. Эта схема усиливает и инвертирует сигнал, поданный на входной резистор (R₁). Выходное напряжение этой схемы определяется по формуле 2:

$$V_{OUT}=-\left(\frac{R_{2}}{R_{1}} \right)\times V_{IN}+\left(1+\frac{R_{2}}{R_{1}} \right)\times V_{BIAS}\qquad{\mathrm{(}}{2}{\mathrm{)}}$$

Рис. 4. Инвертирующий усилитель на ОУ

Сопротивления резисторов R₁ и R₂ выбираются из тех же соображений, что и для схемы неинвертирующего усилителя, приведенной на рисунке 3.

При использовании этой схемы в условиях однополярного питания легко допустить ошибку. Пусть, к примеру, R₂ равен 10 кОм, R₁ равен 1 кОм, V_BIAS равно 0 В, а напряжение на входном резисторе R₁ равно 100 мВ. В этом случае выходное напряжение, казалось бы, должно быть равно -1 В. Однако это значение выходит за границы диапазона выходного напряжения ОУ, поэтому на выходе ОУ установится минимально возможное положительное напряжение.

Для решения этой проблемы следует добавить в схему источник напряжения смещения V_BIAS. Вернемся к предыдущему примеру. Если бы мы подали на вход V_BIAS напряжение 225 мВ, то выходной сигнал оказался бы смещен на 2,475 В. Соответственно, вместо отрицательного напряжения на выходе ОУ было бы напряжение 2,475 В – 1 В = 1,475 В. Как правило, схемы рассчитывают таким образом, чтобы среднее значение выходного напряжения ОУ было равно половине напряжения питания V_DD/2.

Схемы с однополярным питанием и расщепители питания

Как было показано на примере схемы инвертирующего усилителя (рисунок 4), при однополярном питании часто требуется смещать уровень сигнала, чтобы он оставался в пределах диапазона, определенного потенциалами выводов питания. Такое смещение можно обеспечить с использованием одного ОУ и нескольких пассивных элементов, как показано на рисунке 5. Во многих случаях эту схему можно реализовать на обычном буферном усилителе без конденсаторов частотной коррекции. В других ситуациях, например, при использовании этой схемы в качестве источника опорного напряжения аналого-цифрового преобразователя (АЦП), ее нагрузка будет динамически изменяться. В подобных приложениях напряжение смещения должно оставаться неизменным, иначе может возникнуть ошибка преобразования.

Рис. 5. Расщепитель питания на одном операционном усилителе. Данная схема особенно полезна при однополярном питании

Неизменное напряжение смещения можно легко сформировать, используя делитель напряжения (R₃ и R₄) или источник опорного напряжения с последующей буферизацией посредством ОУ. Выходное напряжение схемы, приведенной на рисунке 5, определяется по формуле 3:

$$V_{OUT}=V_{DD}\times \left(\frac{R_{4}}{R_{3}+R_{4}} \right)\qquad{\mathrm{(}}{3}{\mathrm{)}}$$

Схема, представленная на рисунке 5, имеет дополнительную цепь коррекции, обеспечивающую работу на большую емкостную нагрузку C₁. Такая большая емкость используется потому, что имеет очень маленькое сопротивление переменному току по входу опорного напряжения АЦП. Этот конденсатор сглаживает кратковременные скачки тока, которые обязательно присутствуют на входе опорного напряжения АЦП.

Дифференциальный (разностный) усилитель

Дифференциальный усилитель представляет собой сочетание неинвертирующего и инвертирующего усилителей (рисунки 3 и 4). Схема дифференциального усилителя приведена на рисунке 6.

Рис. 6. Дифференциальный усилитель на ОУ

Выходное напряжение этой схемы определяется по формуле 4:

$$V_{OUT}=\left(V_{1}-V_{2} \right)\times \left(\frac{R_{2}}{R_{1}} \right)+V_{REF}\qquad{\mathrm{(}}{4}{\mathrm{)}}$$

Данная схема будет усиливать разность двух сигналов с хорошей точностью с условием, что выходное сопротивлении источников этих сигналов мало. Если выходные сопротивления этих источников окажутся большими по сравнению с сопротивлением R₁, то уровень сигнала на входах ОУ снизится из-за влияния делителя напряжения, созданного выходным сопротивлением источника и входными резисторами дифференциального усилителя. Помимо этого, погрешности могут создавать различные значения выходных сопротивлений источников сигналов. Коэффициент усиления данной схемы может превышать или равняться единице.

Суммирующий усилитель

Суммирующие усилители (рисунок 7) используются, когда необходимо объединить несколько сигналов путем их сложения или вычитания. Дифференциальный усилитель, обрабатывающий только два сигнала, представляет собой частный случай суммирующего усилителя.

Рис. 7. Суммирующий усилитель на ОУ

Выходное напряжение этой схемы определяется по формуле 5:

$$V_{OUT}=\left(V_{1}+V_{2}-V_{3}-V_{4} \right)\times \left(\frac{R_{2}}{R_{1}} \right)\qquad{\mathrm{(}}{5}{\mathrm{)}}$$

На инвертирующий и неинвертирующий входы ОУ в этой схеме можно подавать любое равное количество сигналов через резисторы с одинаковым сопротивлением.

Преобразователь тока в напряжение

Операционный усилитель может применяться для преобразования токового сигнала от датчика, такого как фотодиод, в напряжение. Для этого в цепь обратной связи включается единственный резистор и (опционально) конденсатор, как показано на рисунке 8.

Свет, попадая на фотодиод, вызывает протекание через него обратного тока. При использовании операционного усилителя, изготовленного по технологии КМОП, который обладает высоким входным сопротивлением, весь ток фотодиода (I_D1) будет течь по цепи с наименьшим сопротивлением – через резистор обратной связи R₂. А благодаря очень малому входному току смещения КМОП-усилителей (обычно менее 200 пА), обусловленная им погрешность также будет невелика. Неинвертирующий вход операционного усилителя подключен к общему проводу, то есть все сигналы в схеме отсчитываются относительно общего провода. Обе схемы будут работать только в том случае, если ОУ допускает подачу на свои входы нулевого синфазного напряжения.

На рисунке 8 приведены две схемы. Верхняя схема обеспечивает измерение освещенности с высокой точностью. В ней напряжение на фотодиоде близко к нулю и равно напряжению смещения операционного усилителя. При такой конфигурации основным источником тока, протекающего через резистор R₂, является воздействие света на фотодиод.

Рис. 8. Преобразователь тока в напряжение на ОУ и одном резисторе: схема (а) измерения освещенности обеспечивает повышенную точность, а схема (б) обладает повышенным быстродействием

Схема измерения освещенности, изображенная в нижней части рисунка 8, обеспечивает более высокое быстродействие. Это достигается путем смещения фотодиода в обратном направлении, в результате чего уменьшается его паразитная емкость. Недостатком данной схемы является увеличенная погрешность по постоянному току из-за большого обратного тока фотодиода.

Применение базовых схем

Инструментальный усилитель

Инструментальные усилители находят применение в самых разных областях: от медицинского оборудования до промышленных контроллеров. Инструментальный усилитель аналогичен дифференциальному усилителю в том смысле, что он тоже вычитает один аналоговый сигнал из другого, однако его входной каскад построен совершенно иначе. Классическая схема инструментального усилителя на трех ОУ приведена на рисунке 9.

Рис. 9. Инструментальный усилитель на трех ОУ

В этой схеме оба входных сигнала поступают на высокоомные неинвертирующие входы операционных усилителей. Поэтому, в отличие от дифференциального усилителя, данную схему можно использовать в случае, если выходные сопротивления источников сигналов велики и/или различаются. Коэффициент усиления входного каскада определяется сопротивлением резистора R_G.

Второй каскад представляет собой обычный дифференциальный усилитель. Этот каскад подавляет синфазное напряжение входных сигналов и вычитает один сигнал из другого. Выходные сопротивления источников сигналов, поступающих на вход дифференциального усилителя, малы, имеют одинаковое значение и их легко контролировать.

Напряжение смещения дифференциального каскада измерительного усилителя можно изменять в широких пределах. В схемах с однополярным питанием напряжение смещения обычно выбирается равным половине напряжения питания. Для формирования напряжения смещения можно использовать расщепитель питания, схема которого приведена на рисунке 5. Выходное напряжение инструментального усилителя определяется по формуле 6:

$$V_{OUT}=\left(V_{1}-V_{2} \right)\times \left(1+\frac{2R_{2}}{R_{G}} \right)\times \left(\frac{R_{4}}{R_{3}} \right)+V_{REF}\qquad{\mathrm{(}}{6}{\mathrm{)}}$$

Другая схема инструментального усилителя показана на рисунке 10. В этой схеме оба ОУ служат для изоляции нагрузки и усиления сигнала. Кроме того, второй ОУ работает как дифференциальный усилитель.

Рис. 10. Инструментальный усилитель на двух ОУ. Эта схема лучше всего подходит, если нужно обеспечить высокий коэффициент усиления (более 3 В/В)

На первый ОУ можно подать напряжение смещения. Как правило, в схемах с однополярным питанием напряжение смещения выбирают равным половине напряжения питания. Выходное напряжение этой схемы определяется по формуле 7:

$$V_{OUT}=\left(V_{1}-V_{2} \right)\times \left(1+\frac{R_{1}}{R_{2}}+\frac{2R_{1}}{R_{G}} \right)+V_{REF}\qquad{\mathrm{(}}{7}{\mathrm{)}}$$

Плавающий источник тока

Плавающий источник тока может пригодиться для задания тока, протекающего через элемент с изменяющимся сопротивлением, например, резистивного термодатчика (RTD). Схема, приведенная на рисунке 11, представляет собой источник тока величиной 1 мА для RTD-датчика, хотя можно установить и любое другое значение тока.

Рис. 11. Плавающий источник тока, построенный на двух ОУ и прецизионном источнике опорного напряжения

В этой схеме из-за наличия резистора R1 напряжение V_REF уменьшается на величину V_R1. Соответственно, напряжение на неинвертирующем входе верхнего в схеме ОУ равно V_REF – V_R1. Это напряжение после усиления в два раза дает на выходе ОУ напряжение, равное 2 × (V_REF – V_R1). При этом выходное напряжение нижнего ОУ  схемы составляет V_REF – 2 × V_R1. Вычитая выходное напряжение верхнего ОУ из напряжения на неинвертирующем входе нижнего ОУ, получаем:

2(V_REF – V_R1) – (V_REF – 2V_R1), что равно V_REF.

Величина тока, формируемого данной схемой, определяется по формуле 8:

$$I_{OUT}=\frac{V_{REF}}{R_{L}}\qquad{\mathrm{(}}{8}{\mathrm{)}}$$

Фильтры

На входе любого АЦП крайне желательно наличие полосового или низкочастотного фильтра, позволяющего удалить нежелательные составляющие сигнала. Фильтр нижних частот, схема которого приведена на рисунке 12, имеет два полюса, которые можно сконфигурировать таким образом, чтобы получить фильтр Баттерворта. Фильтры Баттерворта имеют плоскую АЧХ в полосе пропускания и хорошие характеристики в целом.

Рис. 12. Активные фильтры нижних частот с двумя полюсами легко реализовать на одном операционном усилителе

С другой стороны, на переходной характеристике фильтра этого типа присутствует небольшой выброс, а также звон. Это может быть проблемой, а может и не быть – все зависит от требований конкретного приложения. Коэффициент усиления этого фильтра определяется сопротивлением резисторов R₃ и R₄.

Обратите внимание на сходство уравнений для вычисления коэффициента усиления данного фильтра и неинвертирующего усилителя, показанного на рисунке 3.

Фильтры этого типа также называют антиалиасинговыми, если они используются для устранения составляющих сигнала, частота которых превышает половину частоты Найквиста конкретной дискретной системы. Таким образом, из спектра сигнала удаляются высокочастотные помехи, которые в противном случае наложились бы на полезный сигнал.

Коэффициент усиления по постоянному току схемы, приведенной на рисунке 12, определяется по формуле 9:

$$\frac{V_{OUT}}{V_{IN}}=\left(1+\frac{R_{4}}{R_{3}} \right)\qquad{\mathrm{(}}{9}{\mathrm{)}}$$

Полосовой фильтр, схема которого приведена на рисунке 13, имеет частотную характеристику с одним нулем и двумя полюсами и предназначен для обработки речевых сигналов. Фильтр высоких частот первого порядка реализован на конденсаторе C₁ и резисторах R₁ и R₂, соединенных параллельно. Обратите внимание, что резисторы R₁ и R₂ также образуют делитель, формирующий на неинвертирующих входах операционных усилителей напряжение смещения. Это обеспечивает работу обеих ОУ в линейной области. На втором операционном усилителе U2 и компонентах R₃, R₄, C₃ и C₄ реализован фильтр низких частот второго порядка.

Рис. 13. Полосовой фильтр можно реализовать на двух ОУ: первый ОУ будет работать как фильтр верхних частот, а второй – как фильтр нижних частот

Этот фильтр подавляет высокочастотные помехи, которые в противном случае могли бы наложиться на полезный сигнал при аналого-цифровом преобразовании. Выходное напряжение данной схемы определяется по формуле 10:

$$V_{OUT}=V_{IN}\times \left(\frac{R_{3}}{R_{4}} \right)\times \left(\frac{R_{2}}{R_{1}+R_{2}} \right)\qquad{\mathrm{(}}{10}{\mathrm{)}}$$

Для получения дополнительной информации о фильтрах нижних частот ознакомьтесь с руководством по применению AN699 «Anti-Aliasing Analog Filters for Data Acquisitions Systems» («Антиалиасинговые аналоговые фильтры для систем сбора данных»).

Соединяем все вместе

Схема, приведенная на рисунке 14, реализует законченное устройство измерения температуры с однополярным питанием. В этой схеме применены четыре операционных усилителя и 12-разрядный аналого-цифровой преобразователь. В качестве датчика температуры используется RTD-датчик, который требует возбуждения током. Этот ток формируется плавающим источником тока, схема которого была приведена на рисунке 11. Усилительный каскад и антиалиасинговый фильтр реализованы по схеме, приведенной на рисунке 13.

Рис. 14. Законченная схема с однополярным питанием для измерения температуры

Сигнал с RTD-датчика поступает на усилительный каскад, который представляет собой комбинацию инвертирующего и неинвертируюшего усилителей.

С выхода этого усилительного каскада сигнал поступает на фильтр нижних частот второго порядка с коэффициентом усиления 6 В/В. Такое усиление было выбрано в соответствии со входным диапазоном аналого-цифрового преобразователя. Полагая, что частота дискретизации АЦП, также известная как частота Найквиста, равна 75 кГц, частота среза антиалиасингового фильтра (U4) была задана равной 10 кГц. Такой полосы пропускания фильтра достаточно для эффективного подавления составляющих сигнала с частотами, меньшими чем половина частоты Найквиста. В качестве аналого-цифрового преобразователя используется 12-битный АЦП последовательного приближения, выход которого подключен к микроконтроллеру PIC12C509.

Подводные камни проектирования схем с ОУ

В этой части руководства перечислены типичные проблемы, связанные с работой операционных усилителей, установленных на печатную плату. Эти проблемы разбиты на четыре категории:

• общие советы;
• входные каскады;
• ширина полосы пропускания ОУ;
• ОУ класса «rail-to-rail» при однополярном питании.

Общие советы

• Соблюдайте осторожность при выборе напряжений, подаваемых на выводы питания ОУ. Не превышайте значений, указанных в спецификации на операционный усилитель, и, в то же время, не делайте их слишком маленькими. Высокие значения напряжений приведут к повреждению компонента, а низкие не смогут обеспечить требуемое смещение транзисторов на кристалле ОУ, необходимое для нормальной работы усилителя.
• Убедитесь, что отрицательный вывод питания (обычно – земля) действительно подключен к шине с низким потенциалом. Кроме того, убедитесь, что источник положительного напряжения действительно обеспечивает требуемое напряжение относительно отрицательного вывода питания ОУ. Для проверки подключите вольтметр между отрицательным и положительным выводами питания ОУ.
• Тщательно проверьте земляную шину, особенно при наличии на плате цифровых узлов. Хорошо продумайте трассировку земляной шины. Если схема содержит много цифровых цепей, подумайте над использованием отдельных слоев земли и питания. Очень сложно, а зачастую просто невозможно убрать из аналогового сигнала помехи, вызванные работой цифровых компонентов.
• Развязывайте цепи питания операционных усилителей с помощью блокировочных конденсаторов, располагая их как можно ближе к ОУ. Для КМОП-усилителей обычно рекомендуется использовать конденсаторы емкостью 0,1 мкФ. Также выполните развязку самого источника питания с помощью конденсатора емкостью 10 мкФ.
• Используйте короткие проводники на входах ОУ. Если вы применяете для макетирования беспаечные макетные платы, то имейте в виду, что они могут стать причиной появления в схеме паразитных шумов и колебаний. Можно надеяться, что эти проблемы не возникнут при реализации схемы на печатной плате.
• Операционные усилители чувствительны к статическому электричеству. Если микросхема будет повреждена, то ОУ либо просто перестанет работать, либо возникнут непонятные погрешности (например, изменится напряжение смещения или входной ток смещения), которые со временем будут только увеличиваться.

Входные каскады

• Учитывайте диапазон входных напряжений вашего ОУ. Если напряжение на любом из входов усилителя выйдет за допустимые пределы, то на выходе, скорее всего, установится напряжение одной из шин питания.
• Если ваша схема имеет большой коэффициент усиления, не забывайте о напряжении смещения ОУ. Это напряжение усиливается вместе с полезным сигналом и может «забить» полезный сигнал на выходе усилителя.
• Не используйте ОУ со входами типа «rail-to-rail», если в этом нет прямой необходимости. Заметим, что такие ОУ обычно требуются только для буферных усилителей и, в некоторых случаях, для реализации инструментальных усилителей. Если схема имеет усиление, то ограничение выходного сигнала в любом случае наступит до возникновения проблем со входом.

Ширина полосы пропускания ОУ

• Учитывайте ширину полосы пропускания ОУ. Если у вас реализован усилитель с коэффициентом усиления 10, а величина выходного сигнала переменного тока намного меньше ожидаемой, то вам, возможно, следует подыскать усилитель с более широкой полосой пропускания.
• Для обеспечения устойчивости ОУ обычно достаточно установить конденсатор параллельно резистору в цепи обратной связи усилителя. Но это помогает не всегда. Если усилитель теряет устойчивость, быстрый ее расчет укажет проблему и, возможно, подскажет пути ее решения.

ОУ класса «rail-to-rail» при однополярном питании

• Операционный усилитель способен отдавать в нагрузку ограниченный ток.
• Емкостная нагрузка опасна для ОУ. Убедитесь, что используемый усилитель рассчитан на нагрузки, имеющиеся в вашей схеме.
• Большая редкость, когда операционный усилитель с однополярным питанием действительно обеспечивает полный размах выходного напряжения. На практике предельные значения выходного напряжения большинства таких усилителей отличаются от напряжения каждой из шин питания на 50…200 мВ. Проверьте это по технической документации на ваш усилитель.

Литература

1. Sergio Franco, “Design with Operational Amplifiers and Analog Integrated Circuits”, McGrawHill, 2001
2. Thomas Frederiksen, “Intuitive Operational Amplifiers: From Electron to Op Amp”, McGraw Hill, 1988
3. Jim Williams, “Analog Circuit Design”, Butterworth-Heinemann, 1991
4. Bonnie Baker, “AN699 – Anti-aliasing Analog Filters for Data Acquisition Systems”, Microchip Technology Inc., DS00699, 1999
5. Bonnie Baker, “AN722 – Operational Amplifier Topologies and DC Specifications”, Microchip Technology Inc., DS00722, 1999
6. Bonnie Baker, “AN723 – Operational Amplifier AC Specifications and Applications”, Microchip Technology Inc., DS00723, 2000

Оригинал статьи

Перевел Андрей Евстифеев по заказу АО КОМПЭЛ

 

 

•••

Наши информационные каналы

Операционный усилитель, принцип работы для чайников!

Приветствую вас дорогие друзья! Вот наконец добрался я  до своего компьютера,  приготовил себе чайку с печеньками  и понеслась…

Для тех кто впервые на моем блоге и не совсем понимает что здесь происходит спешу напомнить, меня зовут Владимир Васильев и на этих страницах я делюсь со своими читателями сакральными знаниями из области электроники и не только электроники. Так что может быть и вы здесь найдете  для себя что-то полезное, по крайней мере я на это надеюсь.  Обязательно подпишитесь, тогда вы ничего не пропустите.

А сегодня речь пойдет о таком электронном устройстве как операционный усилитель.  Эти усилители   применяются повсеместно, везде где требуется усилить сигнал по мощности найдется работенка для операционника.

Особенно распространено применение  операционных усилителей в аудиотехнике. Каждый аудиофилл стремится усилить звучание своих музыкальных колонок и поэтому старается прикрутить усилитель по мощнее. Вот здесь мы и сталкиваемся с операционными усилителями,  ведь многие аудиосистемы просто нашпигованы ими.  Благодаря  свойству операционного усилителя усиливать сигнал по мощности мы ощущаем более мощное давление на свои барабанные перепонки когда слушаем композиции на своих аудио колонках. Вот так вот в быту мы оцениваем  качество работы операционного усилителя  на слух.

В  этой статье на слух мы оценивать ничего не будем но постараемся рассмотреть все детально и  разложим все по полочкам чтобы стало понятно даже самому самоварному чайнику .

---

[contents]

---

Что такое операционный усилитель ?

Операционные усилители представляют собой микросхемы которые могут выглядеть по-разному.

Например на этой картинке изображены два операционных усилителя российского производства. Слева операционный усилитель К544УД2АР в  пластмассовом DIP корпусе а справа изображен операционник в металлическом  корпусе.

По началу, до знакомства с операционниками,     микросхемы в таких металлических корпусах я постоянно путал с транзисторами.  Думал что это такие хитромудрые  многоэмиттерные транзисторы 🙂

Условное графическое обозначение (УГО)

Условное обозначение операционного усилителя выглядит следующим образом.

Итак  операционный усилитель (ОУ) имеет два входа и один выход. Также имеются выводы для подключения питания но на условных графических обозначениях их обычно не указывают.

Для такого усилителя есть два правила которые помогут понять принцип работы:

 

1. Выход операционника стремится к тому, чтобы разность напряжений на его входах была равна нулю
2. Входы операционного усилителя ток не потребляют

Вход 1  обозначается знаком «+»  и называется неинвертирующим а вход 2 обозначается как «-» и является инвертирующим.

Входы операционника обладают высоким входным сопротивлением или иначе говорят высоким импедансом.

Это говорит о том, что  входы операционного усилителя ток почти не потребляют (буквально какие-то наноамперы). Усилитель просто оценивает величину напряжений на входах и в зависимости от этого выдает сигнал на выходе усиливая его.

Коэффициент усиления операционного усилителя имеет просто огромное значение,  может достигать миллиона, а это очень большое значение!  Значит это то, что если мы ко входу приложим небольшое напряжение, хотябы 1 мВ, то на выходе  получим сразу максимум,  напряжение почти равное напряжению источника питания ОУ. Из-за этого свойства операционники практически никогда не используют без обратной связи (ОС). Действительно какой смысл во входном сигнале если на выходе мы всегда получим максимальное напряжение, но об этом поговорим чуть позже.

Входы ОУ работают так, что если величина на неинвертирующем входе окажется больше чем на инвертирующем, то на выходе будет  максимальное положительное значение +15В. Если на инвертирующем входе величина напряжения  окажется более положительной то  на выходе будем наблюдать максимум отрицательной величины, где-то -15В.

Действительно операционный усилитель может выдавать значения напряжений как положительной так и отрицательной полярности. У новичка может возникнуть вопрос о том как же такое возможно? Но такое действительно возможно и это связано с применением источника питания с расщепленным  напряжением, так называемым двуполярным питанием. Давайте рассмотрим питание операционника чуток подробнее.

Правильное питание ОУ

Наверное не будет секретом, что для того, чтобы операционник работал, его нужно запитать, т.е. подключить его к источнику питания. Но есть интересный момент, как мы убедились чуток ранее операционный усилитель может выдавать на выход напряжения как положительной так и отрицательной полярности. Как такое может быть?

А такое быть может! Это связано с применением двуполярного источника питания, конечно возможно использование и однополярного источника но в этом случае возможности операционного усилителя будут ограничены.

Вообще в работе с источниками питания многое зависит от того что мы взяли за точку отсчета т.е. за 0 (ноль). Давайте с этим разберемся.

Пример на батарейках

 Обычно примеры проще всего приводить на пальцах но  в электронике думаю подойдут и пальчиковые батарейки 🙂

Допустим у нас есть обычная пальчиковая батарейка (батарейка типа АА). У нее есть два полюса плюсовой и минусовой. Когда минусовой полюс мы принимаем за ноль, считаем нулевой точкой отсчета то соответственно плюсовой полюс батарейки будет у нас показывать + 5В (значение с плюсом).

Это мы можем увидеть с помощью мультиметра (кстати статья про мультиметры в помощь), достаточно подключить   минусовой черный щуп к минусу батарейки а красный щуп к плюсу и вуаля. Здесь все просто и логично.

Теперь немножко усложним задачу и возьмем точно такую же вторую батарейку. Подключим батарейки последовательно и  рассмотрим как меняются показания измерительных приборов (мультиметров или вольтметров) в зависимости от различных точек приложения щупов.

Если мы за ноль приняли минусовой полюс крайней батарейки  а измеряющий щуп подключим к плюсу батарейки то  мультиметр нам покажет значение в +10 В.

Если за точку отсчета будет принят положительный полюс батарейки а измеряющий щуп был подключен к минусу то любой вольтметр нам покажет -10 В.

Но если за точку отсчета будет принята точка между двумя батарейками то в результате мы сможем плучить простой источник двуполярного питания. И вы можете в этом убедиться, мультиметр нам подтвердит что так оно и есть. У нас в наличии   будет напряжение как положительной полярности +5В так и  напряжение отрицательной полярности -5В.

Схемы источников двуполярного питания

Примеры на батарейках я привел для примера, чтобы было более понятно. Теперь давайте рассмотрим несколько примеров  простых схем источников расщепленного питания которые можно применять в своих радиолюбительских конструкциях.

Схема с трансформатором,  с отводом от «средней» точки

И первая схема источника питания для ОУ перед вами. Она достаточно простая но я немножко поясню принцип ее работы.

Схема питается от привычной нам домашней  сети  поэтому нет ничего удивительного что на первичную обмотку трансформатора приходит переменный ток в 220В. Затем трансформатор преобразует переменный ток 220В в такой же переменный но уже в 30В. Вот такую  вот нам захотелось произвести трансформацию.

Да на вторичной обмотке будет переменное напряжение в 30В но обратите внимание на отвод от средней точки вторичной обмотки. На вторичной обмотке сделано ответвление, причем количество витков до этого ответвления равно числу витков после ответвления.

Благодаря этому ответвлению мы можем получить на выходе вторичной обмотки переменное напряжение как в 30 В так и переменку в 15В. Это знание мы берем на вооружение.

Далее нам нужно переменку выпрямить и превратить в постоянку поэтому диодный мост нам в помощь. Диодный мост с этой задачей справился и на выходе мы получили не очень стабильную постоянку в 30В. Это напряжение будет нам показывать мультиметр если  мы подключим шупы к выходу диодного моста, но нам нужно помнить про ответвление на вторичной обмотке.

Это ответвление мы ведем далее и подключаем между электролитическими конденсаторами и затем между следующией парой высокочастотных кондерчиков. Чего мы этим добились?

Мы добились нулевой точки отсчета между полюсами потенциалов положительной и отрицательной полярности. В результате на выходе мы имеем достаточно стабильное  напряжение как +15В так и -15В. Эту схему конечно можно еще более улучшить если добавить стабилитроны или интегральные стабилизаторы но тем не менее приведенная схема уже вполне может справиться с задачей питания операционных усилителей.

Схема с двумя диодными мостами

Эта схема на мой взгляд проще, проще в том ключе, что нет необходимости искать трансформатор с ответвлением от середины или формировать вторичную обмотку самостоятельно. Но здесь придется раскошелиться на второй диодный мост.

Диодные мосты включены так, что положительный потенциал формируется с катодов диодиков первого моста, а отрицательный потенциал выходит с анодов диодов второго моста.  Здесь нулевая точка отсчета выводится между  двумя мостами. Упомяну также, что здесь используются разделительные конденсаторы, они оберегают один диодный мост от воздействий со стороны второго.

Эта схема также легко подвергается различным улучшениям, но самое главное она решает основную задачу — с помощью нее можно запитать операционный усилитель.

Обратная связь ОУ

Как я уже упоминал операционные усилители почти всегда используют с обратной связью (ОС). Но что представляет собой обратная связь и для чего она нужна? Попробуем с этим разобраться.

С обратной связью мы сталкиваемся постоянно: когда хотим налить в кружку чая или даже сходить в туалет по малой нужде 🙂 Когда человек управляет автомобилем или велосипедом то здесь также работает обратная связь. Ведь для того, чтобы ехать легко и непринужденно  мы вынуждены постоянно контролировать управление в зависимости от различных факторов: ситуации на дороге, технического состояния средства передвижения и так далее.

Если на дороге стало скользко ? Ага мы среагировали, сделали коррекцию и дальше двигаемся более осторожно.

В операционном усилителе все происходит подобным образом.

Без обратной связи при подаче на вход определенного сигнала на выходе мы всегда получим одно и тоже значение напряжения. Оно будет близко напряжению питания (так как коэффициент усиления очень большой). Мы не контролируем выходной сигнал. Но если часть сигнала с выхода мы отправим обратно на вход то что это даст?

Мы сможем контролировать выходное напряжение. Это управление будет на столько эффективным, что можно просто забыть про коэффициент усиления, операционник  станет послушным и предсказуемым потому что его поведение будет зависеть лишь от обратной связи. Далее я расскажу как можно эффективно управлять выходным сигналом  и как его контролировать, но для этого нам нужно знать некоторые детали.

Положительная обратная связь,  отрицательная обратная связь

Да, в  операционных усилителях применяют обратную связь и очень широко. Но обратная связь   может быть как положительной так и отрицательной. Надо бы разобраться в чем суть.

Положительная обратная связь это когда часть выходного сигнала поступает обратно на вход причем она (часть выходного) суммируется с входным.

Положительная обратная связь в операционниках применяется не так широко как отрицательная. Более того положительная обратная связь чаще бывает нежелательным побочным явлением некоторых схем и положительной связи стараются избегать.  Она является нежелательной потому, что эта связь может усиливать искажения в схеме и в итоге привести к нестабильности.

С другой стороны положительная обратная связь не уменьшает коэффициент усиления операционного усилителя что бывает полезно. А нестабильность также находит свое применение в компараторах, которые  используют в АЦП (Аналого-цифровых преобразователях).

Отрицательная обратная связь это такая связь когда часть выходного сигнала поступает обратно на вход но при этом она вычитается из входного

А вот отрицательная обратная связь просто создана для операционных усилителей. Несмотря на то, что она способствует некоторому ослаблению коэффициента усиления, она приносит в схему стабильность и управляемость.  В результате схема становится независимой от коэффициента усиления, ее свойства полностью управляются отрицательной обратной связью.

При использовании отрицательной обратной связи операционный усилитель приобретает одно очень полезное свойство. Операционник контролирует состояния своих входов и стремится к тому, потенциалы на его входах были равны. ОУ подстраивает свое выходное напряжение так, чтобы результирующий входной потенциал (разность Вх.1 и Вх.2) был нулевым.

Подавляющая часть схем на операционниках строится с применением отрицательной обратной связи! Так что для того чтобы разобраться как работает отрицательная связь нам нужно рассмотреть схемы включения ОУ.

Схемы включения операционных усилителей

Схемы включения операционных усилителей могут быть весьма разнообразны поэтому мне врятля удастся  рассказать о каждой но  я постараюсь рассмотреть основные.

Компаратор на ОУ

Формулы для  компараторной схемы будут следующие:

Т.е. в результате будет напряжение соответствующее логической единице.

Т.е. в результате будет напряжение соответствующее логическому нулю.

Схема компаратора обладает высоким входным сопротивлением (импедансом) и низким выходным.

Рассмотрим для начала вот такую схему включения  операционника  в режиме компаратора.  Эта схема включения лишена обратной связи.  Такие схемы применяются в цифровой схемотехнике когда нужно оценить сигналы на входе, выяснить какой больше  и выдать результат в цифровой форме. В итоге на выходе будет логическая 1 или логический ноль (к примеру 5В это 1 а 0В это ноль).

Допустим  напряжение стабилизации стабилитрона  5В,  на вход один мы приложили 3В а к входу 2 мы приложили 1В. Далее в компараторе происходит следующее, напряжение на прямом входе 1  используется как есть (просто потому что это неинвертирующий вход) а напряжение на инверсном входе 2 инвертируется. В результате где было 3В так и остается 3В а где был 1В будет -1В.

В результате 3В-1В =2В, но благодаря коэффициенту усиления операционника на выход пойдет напряжение равное напряжению источника питания, т.е. порядка 15В. Но стабилитрон отработает и на выход пойдет 5В что соответствует логической единице.

Теперь представили, что на вход 2 мы кинули 3В а на вход 1 приложили 1В. Операционник все это прожует, прямой вход оставит без изменений, а инверсный (инвертирующий)  изменит на противоположный  из 3В сделает -3В.

В результате 1В-3В=-2В, но согласно логике работы на выход пойдет минус источника питания т.е. -15В. Но у нас стоит стабилитрон и он это не пропустит и на выходе у нас будет величина близкая нулю. Это и будет логический ноль для цифровой схемы.

Триггер Шмитта на ОУ

Чуть ранее мы рассматривали такую схему включения ОУ как компаратор. В компараторе сравниваются два напряжения на входе и выдается результат на выходе. Но чтобы сравнивать входное напряжение с нулем нужно воспользоваться схемой представленной чуть выше.

Здесь сигнал подается на инвертирующий вход а прямой вход посажен на землю, на ноль.

Если на входе у нас напряжение больше нуля то на выходе будем иметь  -15В. Если напряжение меньше нуля то на выходе будет+15В.

Но что случится если мы захотим подать напряжение равное нулю? Такое напряжение никогда не получится сделать, ведь идеального нуля не бывает и сигнал на входе хоть на доли микровольт но обязательно будет меняться в ту или другую сторону.  В результате на выходе будут полный хаос, выходное напряжение будет многократно скакать  максимума до минимума что на практике совершенно не удобно.

Для избавления от подобного хаоса вводит гистерезист — это некий зазор в пределах которого сигнал на выходе не будет меняться.

Этот зазор позволяет реализовать данная схема посредством положительной обратной связи.

Представим, что на вход мы подали 5В , на выходе в первое мгновение получится сигнал напряжением в -15В. Далее начинает отрабатывать положительная обратная связь.  Обратная связь образует делитель напряжения в результате чего на прямом входе операционника появится напряжение -1,36В.

На инверсном входе у нас сигнал более положительный поэтому  операционный усилитель отработает следующим образом.  Внутри него сигнал в 5В инвертируется и становится -5В, далее два сигнала складываются и получается отрицательное значение. Отрицательное значение благодаря коэффициенту усиления станет -15В. Сигнал на выходе не изменится пока сигнал на входе не опустится менее -1,36В.

Пусть сигнал на входе изменился и стал -2В. В нутрях это -2В инвертируется и станет +2В, а -1,36В как был так и останется. Далее все это складывается и получается положительное значение которое на выходе превратится в +15В.  На прямом входе значение -1,36В благодаря обратной связи превратится в +1,36В. Теперь чтобы изменить значение на выходе на противоположное нужно подать сигнал более 1,36В.

Таким образом у нас появилась зона с нулевой чувствительностью с диапазоном от -1,36В до +1,36В. Такая зона нечувствительности носит название гистерезис.

Повторитель

Наиболее простой обладатель отрицательной обратной связи это повторитель.

Повторитель выдает на выходе то напряжение, которое было подано на его вход. Казалось бы для чего  это нужно ведь от этого ничего не меняется. Но в этом есть смысл, ведь вспомним свойство операционника, он обладает высоким входным сопротивлением и низким выходным. В схемах повторители выступают в роли буфера, который оберегает от перегрузок хилые выходы.

Чтобы понять как он работает отмотаете чуток назад, там где мы обсуждали отрицательную обратную связь. Там я упоминал, что в случае с отрицательной обратной связью операционник всеми возможными способами стремится к равному потенциалу по своим входам.  Для этого он подстраивает напряжение на своем выходе так, чтобы разность потенциалов на его входах равнялась нулю.

Так допустим на входе у нас 1В. Чтобы потенциалы на входах были раны на инвертирующем входе должен быть также 1В. На то  он и повторитель.

Неинвертирующий усилитель

Схема неинвертирующего усилителя очень похожа на схему повторителя, только здесь обратная связь представлена делителем напряжения и посажена на землю.

Посмотрим как все это работает. Допустим на вход подано 5В, резистор R1 = 10Ом, резистор R2 = 10Ом. Чтобы напряжение на входах были равны, операционник вынужден поднять напряжение на выходе так, чтобы потенциал на инверсном входе сравнялся с прямым. В данном случае делитель напряжения делит пополам, получается, что напряжение на выходе должно быть  в два раза больше напряжения на входе.

Вообще чтобы применять эту схему включения даже не нужно  ничего ворошить в голове, достаточно воспользоваться формулой, где достаточно узнать коэффициент К.

Инвертирующий усилитель

И сейчас мы рассмотрим работу такой схемы включения как инвертирующий усилитель.  Для инвертирующего усилителя  есть такие формулы:

Инвертирующий усилитель позволяет усиливать сигнал одновременно инвертируя (меняя знак ) его . Причем коэффициент усиления мы можем задать любой. Этот коэффициент усиления мы формируем посредством отрицательной обратной связи, которая представляет собой делитель напряжения.

Теперь попробуем его в работе, допустим на входе у нас сигнал в 1В, резистор R2 = 100Ом, резистор R1 = 10Ом. Сигнал со входа идет через R1, затем R2  и на выход.  Допустим сигнал на выходе невероятным образом стал 0В. Рассчитаем делитель напряжения.

1В/110=Х/100, отсюда Х = 0,91В

Получается что в точке А потенциал равен 0,91В,  но это противоречит правилу операционного усилителя. Ведь операционник стремится уравнять потенциалы на своих входах. Поэтому потенциал в точке А будет равен нулю и равен потенциалу в точке B.

Как сделать так чтобы на входе был 1В а в точке А  был 0В?

Для этого нужно уменьшать напряжение на выходе.  И в результате мы получаем

 

К сожалению инвертирующий усилитель обладает одним явным недостатком — низким входным сопротивлением, которое равняется резистору R1.

Сумматор инвертирующий

 

А эта схема включения позволяет складывать множество входных напряжений. Причем напряжения могут быть как положительными так и отрицательными. По истине на операционниках можно строить аналоговые компьютеры. Так чтож давайте разбираться.

Основой сумматора служит все тот же инвертирующий усилитель только с одним отличием, вместо одного входа он может иметь этих входов сколько угодно. Вспомним формулку и инвертирующего усилка.Потенциал точки Х будет равен нулю поэтому сумма токов входящих с каждого входа будет выглядеть вот так:Если нашей целью является чистое сложение входных напряжений то все резисторы в этой схеме выбираются одного номинала.  Это приводит также что коэффициент усиления для каждого входа будет равен 1. Тогда формула для инвертирующего усилителя принимает вид: 

Ну чтож, я думаю что с работой сумматора и других схем включения на операционниках разобраться не трудно. Достаточно немножко попрактиковаться и попробовать собрать эти схемы и посмотреть что происходит с входными и выходными сигналами.

А я на этом пожалуй остановлюсь ведь в работе с операционными усилителями применяются очень много различных схем включения, это различные преобразователи ток-напряжение,  сумматоры, интеграторы и логарифмирующие усилители и все их рассматривать можно очень долго.

Если вас заинтересовали другие схемы включения и хотите с ними разобраться то советую полистать книжку П.Хоровица и У.Хилла,  все обязательно встанет на свои места.

А на этом я буду завершать, тем более статья получилась достаточно объемной и  после написания ее нужно чутка подшлифовать и навести марафет.

Друзья, не забывайте подписываться на обновления блога, ведь чем больше читателей подписано на обновления тем больше я понимаю что  делаю что-то важное и полезное и это чертовски мотивирует на новые статьи и материалы.

Кстати друзья, у меня возникла одна классная идея и мне очень важно слышать ваше мнение. Я подумываю выпустить обучающий материал   по операционным усилителям, этот материал будет в виде обычной pdf книжки или видеокурса, еще не решил. Мне кажется что несмотря на большое обилие информации в интернете и в литературе все=таки не хватает наглядной практической информации, такой, которую сможет понять каждый.

Так вот, напишите пожалуйста в комментариях какую информацию вы хотели бы видеть в этом обучающем материале чтобы я мог выдавать не просто полезную информацию а информацию которая действительно востребована.

А на этом у меня все, поэтому я желаю вам удачи, успехов и прекрасного настроения, даже не смотря на то что за окном зима!

С н/п Владимир Васильев.

P.S. Друзья, обязательно подписывайтесь на обновления! Подписавшись вы будете получать новые материалы себе прямо на почту! И кстати каждый подписавшийся получит полезный подарок!

23) Нелинейный режим работы оу. Компараторы и триггер Шмитта на оу.

Нелинейный режим работы ОУ

рис 1рис 2

Важнейшими характеристиками ОУ являются амплитудные (передаточные) характеристики U_вых(U_вх) (рис. 2). На линейных (наклонных) участках кривых коэффициент усиления K_U = U_вых / U_вх остается неизменным. В нелинейном режиме уровни входного сигнала ОУ превышают значения U_вх для линейного участка (U_вх > U_вх.л или U_вх < –U_вх.л).

При этом режиме U_вых принимает одно из двух значений:  +U_{вых max} или –U_{вых max}.

Нелинейный режим работы ОУ используют при создании импульсных устройств на базе ОУ: мультивибраторов, компараторов и др.

Компоратор

Компараторы определяют знак входного сигнала. Компораторы — это устройства, которые позволяют сравнивать 2 напряжения и в момент их равенства изменять состояние выхода. Компараторы являются связующим элементом между аналоговыми и цифровыми схемами. Для реализации компаратора может использоваться операционный усилитель без обвязывающих цепей Zвх, Zос.

Триггер Шмитта на ОУ.

Триггер Шмитта строится на основе компаратора, но добавляется положительная обратная связь.. В этой схеме на неинвертирующий вход через делитель R1R2 подана часть выходного напряжения, причем знак напряжения на неинвертирующем входе зависит от знака выходного напряжения.

Принцип работы:

24) Дифференциальный каскад усиления. Принцип действия, усилительные параметры.

Для дальнейшего повествования необходимо ввести такие понятия как дифференциальные и синфазные сигналы, которые действуют в дифференциальном усилителе.

Дифференциальные сигналы называют сигналы одинаковой амплитуды, но противоположные по фазе, присутствующие на входах дифференциального усилителя независимо от точки заземления усилителя.

Синфазные сигналы – это сигналы, имеющие одинаковую амплитуду и фазу одновременно присутствующие на обоих входах дифференциального усилителя.

Объяснить значение данных сигналов достаточно просто, как указывалось выше, дифференциальный усилитель предназначен для усиления разности между сигналами на его входах. Таким образом, если одновременно на входы усилителя пришли сигналы с разным уровнем напряжения, то это дифференциальные сигналы, а если на входы пришли в один момент времени одинаковые по уровню напряжения сигналы то это синфазные сигналы. Дифференциальные сигналы приходят на вход усилителя, если использовать симметричный вход или несимметричные входа для разных сигналов в схемах сравнения. Синфазными сигналами являются, например, сигнал помехи или тепловые токи, действующие на входы усилителя одновременно с одинаковым уровнем напряжения.

Таким образом, сигналы на входах дифференциального усилителя поступают в виде суммы дифференциального и синфазного сигналов

Следовательно, входной уровень дифференциального сигнала будет равен

а коэффициент усиления дифференциального сигнала будет равен

Аналогично с синфазным сигналом. Входной уровень синфазного сигнала

а коэффициент усиления синфазного сигнала будет равен

Триггер Шмитта — это… Что такое Триггер Шмитта?

Петля гистерезиса идеального триггера Шмитта.

Триггер Шмитта (не Шмидта) — электронный двухпозиционный релейный (переключающий) элемент, статическая характеристика которого имеет зону неоднозначности (петлю гистерезиса). Триггер Шмитта используется для восстановления цифрового сигнала, искаженного в линиях связи, фильтрах дребезга, в качестве двухпозиционного регулятора в системах автоматического регулирования, в двухпозиционных стабилизаторах-регуляторах напряжения. Этот триггер стоит особняком в семействе триггеров: он имеет один аналоговый вход и цифровой выход.

Фазовая траектория (статическая характеристика) триггера Шмитта представляет собой характеристику переключателя, но с прямоугольной петлёй гистерезиса. Неоднозначность статической характеристики позволяет утверждать, что триггер Шмитта, как и другие триггеры обладает свойством памяти — его состояние в зоне неоднозначности определяется предысторией — ранее действовавшим входным сигналом.

В триггере Шмитта весь входной диапазон возможных напряжений делится входным троичным компаратором на три нечётких поддиапазона в нечёткой (fuzzy) троичной логике, которым присваиваются три чётких значения (трит) в чёткой троичной логике, в верхнем из которых (трит = +1) триггер устанавливается в «1», в среднем из которых (трит = 0) действия не производятся, а в нижнем из которых (трит = -1) триггер устанавливается в «0». Логическая часть триггера Шмитта выполняет сложную унарную троичную логическую функцию с памятью — «повторитель (F107₃ = F8₁₀) с запоминанием в RS-триггере двух (трит = +1 и трит = -1) из трёх возможных состояний трита».

Описание

Триггер Шмитта представляет собой RS-триггер, управляемый одним входным аналоговым сигналом, с двумя разными напряжениями переключения в «1» и в «0», причём, напряжение переключения в «1» выше напряжения переключения в «0».

Простые реализации (быстродействующие, без обратной связи) состоят из RS-триггера и троичного компаратора на входе RS-триггера, в котором два напряжения сравнения, для переключения в «0» и для переключения в «1», устанавливаются раздельно^[1][2][3][4].

Триггер Шмитта с обратной связью

В более сложных реализациях (с обратной связью, которая снижает быстродействие) цифровой выходной сигнал используется для переключения напряжения сравнения в обычном двоичном компараторе, превращая его и в троичный компаратор и в триггер на одних и тех же элементах. При «1» на выходе обратная связь уменьшает напряжение переключения, при «0» на выходе обратная связь увеличивает напряжение переключения. В таких реализациях затруднена раздельная установка напряжений переключения в «1» и в «0»^[5].

Реализации

Простой (без обратной связи)

Аппаратный

Прецизионный триггер Шмитта с RS-триггером состоит из троичного компаратора на двух двоичных компараторах, среднее состояние которого не используется, и асинхронного RS-триггера^[1][2][3]. Применён в интегральном таймере NE555 (КР1006ВИ1)^[6], выпущенном в 1971 г.

Программный

В «программном прецизионном триггере Шмитта с RS-триггером» двумя компараторами троичного компаратора являются два оператора IF-THEN, а RS-триггером является нулевой разряд (бит) целой переменной RStrigger%, с двумя значениями («0» и «1»)^[7].

При логических элементах с одинаковым временем задержки аппаратный триггер Шмитта имеет значительно большее быстродействие (t_{задержки} = 3dt, где dt — время задержки в одном логическом элементе), чем программный.

Более сложный (с обратной связью)

На аналоговых элементах

В аналоговой схемотехнике триггер Шмитта обычно реализуется на базе компаратора (операционного усилителя, охваченного резистивной положительной обратной связью) цифровой выходной сигнал которого, по этой же обратной связи, через время задержки, определяемое сопротивлением резистора обратной связи и распределённой ёмкостью, изменяет напряжение сравнения компаратора. В результате, компаратор становится троичным с двумя разными напряжениями переключения в «1» и в «0». Из-за этого в статической характеристике устройства появляется гистерезис, т.е. устройство приобретает свойства триггера.
Из-за дополнительной задержки в цепи обратной связи, может оказаться, что триггер Шмитта с обратной связью работает медленнее, чем триггер Шмитта без обратной связи. Кроме этого, в триггере Шмитта с обратной связью, после переключения триггера, существует интервал на котором действует предыдущее значение напряжения сравнения до прихода сигнала переключения напряжения сравнения по цепи обратной связи. Если на этом интервале произойдёт резкое изменение входного сигнала в другую сторону, то триггер переключится по предыдущему напряжению сравнения, т.е. преждевременно.
Использование аналоговых элементов, как цифрового триггера, создаёт триггер, но низкого качества, и ухудшает компараторные свойства устройства.

На цифровых логических элементах

Простейшая реализация триггера Шмитта на цифровых логических элементах — это два последовательно включенных инвертора, охваченные резистивной обратной связью, цифровой выходной сигнал которых через обратную связь изменяет напряжение переключения на входе. Скорость нарастания выходного сигнала не зависит от скорости нарастания входного сигнала, для данной технической реализации является величиной постоянной (зависит от быстродействия логических вентилей).
Использование цифрового логического элемента, как аналогового компаратора, ухудшает компараторные свойства устройства, а резистивная обратная связь ухудшает триггерные свойства устройства.

См. также

Примечания

Триггер Шмитта изобрёл американский биофизик и инженер Отто Герберт Шмитт.

Литература

• Калабеков Б. А. Цифровые устройства и микропроцессорные системы —М.: Телеком, 2000 г.
• Потёмкин И. С. Функциональные узлы цифровой автоматики —М.: Энергоатомиздат, 1988 г., c. 166…. 206.

Ссылки

Что такое триггер Шмитта, как он работает и приложения

Что такое триггер Шмитта?

Триггер Шмитта представляет собой схему компаратора (не только), которая использует положительную обратную связь (небольшие изменения на входе приводят к большим изменениям на выходе в той же фазе) для реализации гистерезиса (модное слово для обозначения задержки) и используется для удаления шума из аналогового сигнала при его преобразовании в цифровой.

ИНВЕРТИРОВАНИЕ И НЕИНВЕРТИРОВАНИЕ ТРИГГЕРОВ SCHMITT С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ LM193 (ОТНОСИТЕЛЬНЫЙ LM393)

Он был изобретен еще в 1937 году Отто Х.Шмитт (чье наследие несколько преуменьшено) назвал это «термоэмиссионным триггером».

Почему триггеры Шмитта?

Компараторы по своей природе очень быстрые, поскольку им не хватает компенсирующего конденсатора, который есть в их собратьях по операционным усилителям. Компараторы не ограничены скоростью нарастания выходного сигнала, а время перехода составляет порядка наносекунд. Компараторы также имеют особенно чувствительные входы из-за их очень высокого коэффициента усиления — даже незначительные изменения на входе могут вызвать мгновенное изменение состояния на выходе.

Эта проблема усугубляется, когда дифференциальные входные сигналы достигают мертвой зоны, то есть минимального входного дифференциального напряжения, необходимого для поддержания стабильного выхода. В этом узком диапазоне компаратор не знает, что делать со своим выходом, что приводит к так называемой моторной лодке, то есть к колебаниям выхода. Эта проблема также возникает с сигналами, которые имеют медленное время перехода — входной сигнал проводит достаточно времени в мертвой зоне (со ссылкой на опорное напряжение, конечно), чтобы создать несколько переходов вывода, как показано на рисунке, приведенном ниже.

МНОЖЕСТВЕННЫЕ ПЕРЕХОДЫ ВЫХОДА БЕЗ ГИСТЕРЕЗИСА (СИНИЙ ВХОД, ЖЕЛТЫЙ ВЫХОД)

Если вы внимательно заметили, входной сигнал изменяется с размахом выходного сигнала, и на шине питания присутствует много шума (как видно на выходе через подтягивающий резистор), что является результатом плохой развязки!

Если к выходу подключена какая-либо логика (что в большинстве случаев верно), она обнаружит несколько переходов и вызовет хаос — триггеры будут переключаться несколько раз, что может привести к сбросу чего-то важного.

Это то, что можно исправить с помощью гистерезиса — в данном случае добавлением единственного резистора между инвертирующим выводом (который в данном случае является опорным) и выходом. Разница заметна снова на рисунке.

ЧИСТЫЙ ПЕРЕХОД С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ HYSTERISIS

Опять же, обратите внимание на нестабильный источник опорного напряжения.

Как работает триггер Шмитта?

Триггер Шмитта использует положительную обратную связь — он берет образец выходного сигнала и подает его обратно на вход, чтобы, так сказать, «усилить» выходной сигнал, что является полной противоположностью отрицательной обратной связи. , который пытается аннулировать любые изменения вывода.

Это усиливающее свойство полезно — оно заставляет компаратор определять состояние выхода, которое он хочет, и заставляет его оставаться там, даже в пределах того, что обычно является мертвой зоной.

Рассмотрим эту простую схему:

ИНВЕРТИРУЮЩИЙ КОМПАРАТОР С ГИСТЕРЕЗИСОМ

Предположим, что входное напряжение ниже, чем опорное напряжение на неинвертирующим штифтом и выходной сигнал поэтому высока.

V * является опорным входным напряжением, которое создает фиксированные смещения на неинвертирующий входе.Поскольку выход высок через резистор нагрузочного, это создает путь тока через резистор обратной связи, слегка увеличивая опорное напряжение.

Когда вход поднимается выше опорного напряжения, выход переходит на низкий уровень. Как правило, это не должно влиять на опорное напряжение в любом случае, но так как есть резистор обратной связи, опорное напряжение падает немного ниже номинального значения, так как обратная связь и нижний опорный резистор теперь параллельно по отношению к земле (с низким выходом закорачивает этот вывод резистора на массу).Так как не опорное напряжение понижается, нет никаких шансов на небольшое изменение входного вызывает множественные переходы — другими словами, нет больше мертвая зона.

Чтобы выходной сигнал стал высоким, вход должен теперь пересечь новый нижний порог. После пересечения выход становится высоким, и схема «сбрасывается» в исходную конфигурацию. Вход должен пересечь порог только один раз, что приведет к единственному чистому переходу. Схема теперь имеет два эффективных порога или состояния — она ​​бистабильная.

Это можно резюмировать в виде графика:

КРИВАЯ ГИСТЕРЕЗИСА

Это можно понимать в обычном смысле — ось x — это вход, а ось y — выход. Прослеживая линию от x до y, мы обнаруживаем, что после пересечения нижнего порога гистерезис становится высоким и наоборот.

Работа неинвертирующего компаратора аналогична — выход снова изменяет конфигурацию цепи резисторов, чтобы изменить порог, чтобы предотвратить нежелательные колебания или шум.

Применение триггеров Шмитта

Триггеры Шмитта

находят широкое применение в основном в качестве логических входов. Опять же, нехорошо иметь единый логический порог, в случае зашумленных или медленных сигналов может возникнуть несколько переходов на выходе. Читая техническое описание любой логической микросхемы, вы обнаружите, что указаны два порога — один для нарастающего фронта и один для спадающего фронта — это свидетельство входного действия Шмитта.

Иногда логические вентили изображаются с маленьким символом «молнии» внутри них, это стилизованная кривая гистерезиса, указывающая на то, что устройство имеет триггерные входы Шмитта.

1. Простые генераторы

Наличие двух пороговых значений дает триггерам Шмитта 555-подобную способность действовать как предсказуемые осцилляторы.

ПРОСТОЙ ОСЦИЛЛЯТОР SCHMITT TRIGGER

Предположим, что конденсатор изначально не заряжен.

Гейт определяет это как входной низкий уровень и устанавливает высокий выходной уровень, поскольку это инвертирующий вентиль. Конденсатор начинает заряжаться через резистор R. Как только достигается верхний порог, затвор переключается на низкий выходной сигнал, разряжая конденсатор до нижнего порога, обеспечивая предсказуемую выходную частоту.

Выражение для частоты можно получить с помощью небольшого математического жонглирования:

Где R и C — сопротивление и емкость, V _T + — верхний порог, V _T — нижний порог и V _DD — напряжение питания. Обратите внимание на символ «примерно равно».

2. Отключение переключателя

Механические переключатели в качестве логических входов — не самая лучшая идея. Контакты переключателя имеют тенденцию быть несколько упругими, вызывая много нежелательного дрожания, которое снова может вызвать множественные переходы и сбои в дальнейшем.

Использование триггера Шмитта с простой RC-цепью может помочь смягчить эти проблемы.

ВЫКЛЮЧАТЕЛЬ SCHMITT TRIGGER DEBOUNCER

Когда переключатель нажат, он разряжает конденсатор и на мгновение устанавливает высокий уровень на выходе, пока конденсатор снова не зарядится, создавая чистый импульс на выходе.

Где я могу найти триггеры Шмитта?

Триггеры Шмитта более известны в мире логики как буферы или инверторы, но будьте осторожны, не все вентили являются триггерами Шмитта.Как и вся логика, они доступны в форме DIP или SMD с несколькими воротами в одном корпусе. Хорошим примером является 74HC04, шестнадцатеричный инвертор с триггерными входами Шмитта.

Конечно, и другие логические элементы, такие как 4-й элемент И 4081, также имеют входы Шмитта.

Заключение

Триггеры Шмитта

полезны, когда речь идет о шумных сигналах — они убирают шум и предотвращают нежелательные множественные переходы и колебания.

Операционный усилитель Триггер Шмитта »Электроника

Триггер Шмитта — это широко используемая схема, используемая с компаратором для обеспечения помехоустойчивости и уменьшения вероятности множественных переключений, вызванных шумом на входе

---

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

---

Триггер Шмитта представляет собой схему компаратора, которая имеет гистерезис или разные уровни переключения входа для изменения выхода между двумя состояниями.

Компаратор имеет в своей основе дифференциальный усилитель, и действие компаратора означает, что аналоговый вход фактически заменяется цифровым выходом в зависимости от напряжений на входе.

При использовании гистерезиса эффект шума на входе, который может вызвать несколько переключений на выходе, когда входное напряжение приближается к напряжению переключения, значительно уменьшается.

Сущность триггера Шмитта — это дифференциальный усилитель: операционные усилители часто используются в этой роли, но гораздо лучше использовать в этой роли конкретную микросхему компаратора.

Что такое гистерезис

Гистерезис встречается во многих случаях в науке, но в случае триггера Шмитта гистерезис означает, что схема срабатывает при разных напряжениях для переключения выхода из одного состояния в другое.

Для того, чтобы объяснить это более подробно, рассмотрим пример, когда опорное напряжение, скажем, 5 вольт. При повышении напряжения в зависимости от схемы оно составляет, например, 5,5 В. Затем, чтобы переключиться в другую сторону, входное напряжение должно упасть, например, до 4.5 вольт.

Таким образом, существует разница в 1 вольт между переключением в любом направлении, и это обеспечивает значительную помехозащищенность.

Концепция гистерезиса, используемая в схеме триггера Шмитта

Проблема отсутствия гистерезиса с компаратором заключается в том, что если входной сигнал растет медленно, то шум на форме волны вызовет множественные переключения состояния выхода компаратора. Эта проблема решается с помощью гистерезиса, если только уровень шума не очень высок.Схема триггера Шмитта идеально подходит для решения этой проблемы во многих приложениях. К счастью, прямой компаратор в большинстве случаев может быть преобразован в триггер Шмитта путем добавления одного электронного компонента.

Множественные переключатели выхода из-за шума могут вызвать множество проблем со следующими цифровыми схемами, и во многих случаях инженеры-проектировщики электронных схем потратили много часов на отладку схем с этим типом проблемы, поскольку их может быть трудно отследить иногда.

Основы триггера Шмитта

Схема триггера Шмитта широко используется в течение многих лет. Его изобрел американский ученый Отто Шмитт. Триггер Шмитта переключается при разных напряжениях в зависимости от того, движется ли он от низкого к высокому или от высокого к низкому, используя то, что называется гистерезисом.

Что касается того факта, что триггер Шмитта имеет гистерезис, то в условном обозначении одной из этих схем присутствует символ гистерезиса. Соответственно, все триггеры Шмитта используют этот символ.

Обозначение цепи триггера Шмитта

Цепь триггера Шмитта

Стандартная схема компаратора обычно может быть преобразована в триггер Шмитта на этапе проектирования электроники путем введения положительной обратной связи путем добавления дополнительного электронного компонента. В схеме ниже это обеспечивается добавлением резистора R3.

Операционный усилитель Схема триггера Шмитта

Эффект нового резистора R3 состоит в том, чтобы придать схеме различные пороги переключения в зависимости от состояния выхода компаратора или операционного усилителя.Когда на выходе компаратора высокий уровень, это напряжение возвращается на неинвертирующий вход операционного усилителя компаратора. В результате порог переключения становится выше. Когда выход переключается в обратном направлении, порог переключения понижается. Это дает схеме то, что называется гистерезисом.

Тот факт, что положительная обратная связь, применяемая в схеме, обеспечивает более высокий коэффициент усиления и, следовательно, более быстрое переключение. Это особенно полезно, когда входной сигнал может быть медленным.Однако в схеме триггера Шмитта можно использовать конденсатор ускорения, чтобы еще больше увеличить скорость переключения.

Поместив конденсатор на резистор положительной обратной связи R3, можно увеличить усиление во время переключения, что сделает переключение еще быстрее. Этот конденсатор, известный как конденсатор ускорения, может быть от 10 до 100 пФ в зависимости от схемы.

Подсчитать резисторы, необходимые в цепи триггера Шмитта, довольно просто. Среднее напряжение, относительно которого должна переключаться схема, определяется цепью делителя потенциала, состоящей из резисторов R1 и R2.Это следует выбрать в первую очередь. Затем можно рассчитать резистор обратной связи R3. Это обеспечит уровень гистерезиса, равный размаху выходного сигнала схемы, уменьшенному на деление потенциала, образованное в результате R3 и параллельной комбинации резисторов R1 и R2.

Применение триггера Шмитта

Триггер Шмитта используется во множестве приложений, где необходимо определять уровень. Даже если используется только небольшой гистерезис, он уменьшает количество переходов, которые могут происходить вокруг точки переключения.

Таким образом, триггеры Шмитта включают множество различных областей проектирования электронных схем.

• Цифро-аналоговое преобразование: Триггер Шмитта фактически представляет собой однобитовый аналого-цифровой преобразователь. Когда сигнал достигает заданного уровня, он переключается из одного состояния в другое. Затем его можно использовать для управления другими цифровыми схемами.
• Обнаружение уровня: Схема триггера Шмитта может обеспечить обнаружение уровня.При выполнении этого приложения необходимо, чтобы при проектировании электронной схемы учитывалось напряжение гистерезиса, чтобы схема включала требуемое напряжение.
• Линия приема: При запуске линии данных, которая могла уловить шум в логический вентиль, необходимо гарантировать, что уровень логического выхода изменяется только по мере изменения данных, а не в результате паразитного шума, который может были подобраны. Использование триггера Шмитта в широком смысле позволяет размаху шума достичь уровня гистерезиса до того, как может произойти ложный запуск.

Меры предосторожности при использовании триггера Шмитта

При использовании операционного усилителя в качестве компаратора необходимо соблюдать осторожность. Сама микросхема операционного усилителя оптимизирована для работы в замкнутом контуре с отрицательной обратной связью. В результате производители операционных усилителей не гарантируют, что их операционные усилители могут использоваться в схемах без обратной связи или с положительной обратной связью, как в случае триггера Шмитта.

Одна из проблем заключается в том, что при использовании операционного усилителя вместо компаратора скорость переключения не будет такой высокой, а также маловероятно, что она так сильно ударит по рельсам.

Обычно компараторы разрабатываются для условий разомкнутой цепи или даже используются с положительной обратной связью в случае триггера Шмитта. Они также имеют конфигурацию схемы с открытым коллектором, которая предназначена для жесткого переключения на шины напряжения, как это требуется для логических схем. По этой и многим другим причинам компараторы обеспечат гораздо лучшие характеристики переключения, чем когда-либо мог бы сделать операционный усилитель.

Другие проблемы, которые могут возникнуть в некоторых случаях, заключаются в том, что, когда операционный усилитель сильно загнан в рельсы, он потребляет больше энергии, чем обычно.Дополнительная проблема, которая может возникнуть, связана с фиксацией, когда операционный усилитель будет фиксироваться на шине напряжения и оставаться там, не переключаясь, независимо от входных уровней.

Триггер Шмитта используется во множестве различных электронных схем, где аналоговые сигналы необходимо обнаруживать и преобразовывать в цифровой формат. Схема используется в течение многих лет и обеспечивает очень полезную функцию во многих современных конструкциях электронных схем.

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».. .

Цепь мультивибратора операционного усилителя

»Электроника + радио

---

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

---

Генераторы мультивибратора используются во многих схемах, и их легко построить.Их можно построить с помощью пары транзисторов, но также можно построить очень простую схему мультивибраторного генератора с использованием операционного усилителя. Схема может использоваться в различных приложениях, где требуется простая схема генератора прямоугольной формы.

Использование интегральной схемы операционного усилителя идеально со многих точек зрения. Хотя схемы могут быть изготовлены с использованием всего двух транзисторов, операционные усилители также очень дешевы в наши дни, и часто есть небольшой выбор с точки зрения стоимости.

Ввиду того, что операционные усилители очень дешевы и просты в получении, они часто предпочтительнее транзисторов, потому что мультивибратор операционного усилителя будет использовать меньше компонентов и, следовательно, будет проще в сборке и, следовательно, более удобен.

Схема мультивибратора

Схема мультивибратора сравнительно проста и требует наличия секции операционного усилителя вместе с тремя резисторами и одним конденсатором, как показано ниже.

Операционный усилитель, мультивибратор, генератор

Период времени для генерации определяется по формуле:

Хотя многие схемы мультивибратора могут быть обеспечены с использованием простых логических вентилей, эта схема имеет то преимущество, что ее можно использовать для создания генератора, который будет генерировать гораздо более высокий выходной сигнал, чем тот, который может исходить от логической схемы, работающей от источника питания 5 В.В дополнение к этому схема генератора мультивибратора очень проста и требует всего одного операционного усилителя (операционного усилителя), трех резисторов и одного конденсатора.

Схема работы мультивибратора

Схема мультивибратора операционного усилителя состоит из двух частей. Обратная связь с конденсатором обеспечивается резистором R1, а гистерезис обеспечивается двумя резисторами R2 и R3.

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».. .

Схемы и приложения операционного усилителя »Электроника

Существует очень много схем операционных усилителей, которые можно использовать и проектировать, приложения включают в себя все, от усилителей до фильтров и интеграторов, до нестабильных и мультивибраторов.

---

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

---

Операционные усилители — это особенно универсальные схемные блоки.Они находят применение во множестве различных схем, где их атрибуты высокого усиления, высокого входного импеданса, низкого выходного сопротивления и дифференциального входа позволяют им создать высокопроизводительную схему с минимумом компонентов.

Используя отрицательную, а иногда и положительную обратную связь вокруг микросхемы операционного усилителя, они могут использоваться во многих приложениях и схемах для обеспечения множества различных функций от усилителей и фильтров до генераторов, интеграторов и многих других функций.

Существует множество схем операционных усилителей, которые покрывают большинство необходимых аналоговых функций. В результате операционные усилители стали «рабочей лошадкой» для разработчиков аналоговой электроники.

Схема инвертирующего усилителя ОУ с микросхемами ОУ

Схемы ОУ

Операционные усилители могут использоваться во множестве различных схем и приложений. Будучи почти идеальным дифференциальным усилителем, что, безусловно, необходимо для большинства приложений, их высокий входной импеданс, высокий коэффициент усиления и дифференциальный вход делают их идеальным схемным блоком.

• Инвертирующий усилитель на операционном усилителе: Инвертирующий усилитель на операционном усилителе, вероятно, является наиболее широко используемой конфигурацией схемы операционного усилителя. Он не только обеспечивает усиление, но также может использоваться в качестве виртуального усилителя заземления.

  В этой схеме операционного усилителя имеется резистор между выходом и инвертирующим входом для обеспечения обратной связи и резистор между инвертирующим входом и входом всей схемы. Фактическое входное сопротивление схемы низкое и соответствует входному сопротивлению.

  Схема проста в использовании и может обеспечить полезный низкий импеданс для согласования низкого импеданса в приложениях, возможно, где используются микрофоны с низким импедансом. Низкое сопротивление также уменьшает паразитные наводки на входе, что является еще одним полезным атрибутом для многих аудиоприложений.

  
  

  ---

• Суммирующий усилитель ОУ: Эта схема, основанная на схеме инвертирующего усилителя с его виртуальной точкой суммирования на землю, идеально подходит для суммирования аудиовходов.Он широко используется в аудиомикшерах и многих других приложениях, где необходимо суммировать напряжения.

  При использовании в радиомикшерах эта схема операционного усилителя идеальна, поскольку виртуальная точка суммирования заземления приводит к тому, что разные входы не влияют друг на друга независимо от входных напряжений и уровней импеданса.

  В результате инвертирующий усилитель используется практически во всех аналоговых аудиомикшерах, кроме общих приложений суммирования напряжений, для которых он находит применение.

  
  

  ---

• Неинвертирующий усилитель на операционном усилителе: Схема неинвертирующего усилителя обеспечивает усиление, а также очень высокий входной импеданс. Соответственно, он широко используется во многих входных каскадах усилителей.

  Схема неинвертирующего операционного усилителя обеспечивает основу для приложений, где требуется высокий входной импеданс — она ​​даже используется в качестве повторителя напряжения, подавая выход непосредственно на инвертирующий вход.Очень высокий коэффициент усиления схемы означает, что входное напряжение отслеживается очень точно и поддерживается очень высокий входной импеданс, чтобы гарантировать отсутствие нагрузки на предыдущем этапе.

  
  

  ---

• Компаратор операционного усилителя: Схема компаратора часто используется для обеспечения высокого или низкого сигнала в зависимости от относительных состояний двух входов. Для этого приложения обычно используются специальные микросхемы компаратора, но они основаны на тех же основных принципах, что и операционные усилители.

  Хотя операционные усилители часто используются в качестве компараторов во многих схемах, обычно лучше использовать соответствующий компаратор, поскольку операционные усилители могут блокироваться при некоторых обстоятельствах. Кроме того, компараторы намного быстрее и разработаны для приложений сравнения напряжений, они работают намного лучше в этом приложении.

  
  

  ---

• Фильтр верхних частот операционного усилителя: Операционные усилители могут обеспечивать простые в проектировании одно-, двух- и трехполюсные фильтры с использованием одного операционного усилителя.

  Можно довольно легко создать однополюсную схему, добавив к ней конденсатор, но более высокие уровни производительности достигаются за счет включения цепи верхних частот в обратную связь и значительного повышения производительности.

  Используя простую математику, очень легко спроектировать схему операционного усилителя, которая обеспечивает достаточно высокую производительность для большинства приложений. Однако, если необходимо использовать фильтр определенного типа, это также возможно.

  
  

  ---

• Фильтр нижних частот операционного усилителя: Операционные усилители могут быть хорошо использованы в приложениях фильтра нижних частот.Если требуется только очень плавный спад, можно просто поместить конденсатор на резистор обратной связи и точку разрыва двух компонентов, сконфигурированную для обеспечения правильного отклика.
  Схема фильтра активного ОУ нижних частот Также возможно разработать двухполюсный фильтр, который даст гораздо лучшие характеристики и лучшую характеристику спада.

  Расчеты для простого фильтра, подходящего для большинства приложений, очень просты, но для тех, кому нужен конкретный отклик фильтра, это тоже возможно.

  
  

  ---

• Полосовой фильтр операционного усилителя: Хотя фильтры верхних и нижних частот очень полезны, полосовые фильтры, пропускающие только полосу частот, также необходимы и могут быть легко реализованы с использованием операционных усилителей.

  Полосовые фильтры часто необходимы, когда требуется определенная полоса частот. Хотя операционные усилители, как правило, используются для более низких частот, есть много случаев, когда можно использовать схему активного полосового фильтра.

  
  

  ---

• Режекторный фильтр операционного усилителя: Режекторный фильтр используется там, где необходимо удалить одну частоту или узкую полосу частот. Эти схемы операционного усилителя можно использовать в приложениях, где необходимо удалить одну частоту или небольшую полосу частот. Одним из приложений может быть удаление линейного / сетевого гула из аудиосигнала.

  Эти фильтры могут быть реализованы с использованием одного операционного усилителя. Если требуется более глубокая выемка, можно подать в суд на другие каскады операционного усилителя.

  В то время как некоторые схемы предлагают фиксированную частоту режекции, которая идеально подходит для удаления нежелательных сигналов на фиксированной известной частоте, другие схемы могут обеспечивать режекторную полосу переменной частоты. Другие схемы могут обеспечивать переменную Q-выемку.

  
  

  ---

• Триггер Шмитта операционного усилителя: Триггер Шмитта представляет собой форму схемы компаратора, которая имеет разные уровни переключения в зависимости от того, переключается ли схема с высокого на низкий или наоборот.Это обеспечивает помехоустойчивость схемы до уровня разницы между двумя уровнями переключения.
  Типичный отклик режекторного фильтра Как и в случае со стандартной схемой компаратора, разумно использовать интегральную схему компаратора вместо операционного усилителя, поскольку компаратор будет работать намного лучше в этом типе приложений.
  

  ---

• Мультивибратор на операционном усилителе: Мультивибраторы используются в самых разных приложениях. Схемы операционного усилителя часто являются эффективным решением.

  Хотя это не первая идея, которая может прийти в голову, когда думаешь о схеме или приложениях операционного усилителя, схема, тем не менее, существует и может найти хорошее применение в ряде случаев.

  
  

  ---

• Бистабильные операционные усилители: Операционные усилители могут использоваться в качестве бистабильных в некоторых приложениях. Хотя они и не подходят для этого приложения, в большинстве случаев они все же работают хорошо.
  

  ---

• Аналоговый интегратор операционного усилителя: Операционные усилители идеально подходят для использования в качестве интеграторов.Высокий входной импеданс и коэффициент усиления подходят для этого приложения, хотя для длительного времени интеграции могут потребоваться микросхемы с очень высоким входным импедансом. В этом приложении для создания аналоговых компьютеров использовались операционные усилители

  — их высокий входной импеданс и высокое усиление означало, что они были в состоянии обеспечить отличную основу для схемы интегратора операционного усилителя.

  
  

  ---

• Аналоговый дифференциатор операционного усилителя: Дифференциатор операционного усилителя — это еще одна схема, используемая в аналоговых вычислениях и находящая применение в других областях.

  Эта схема, возможно, менее широко используется, но, тем не менее, является ключевым элементом в наборе инструментов аналоговых разработчиков. Одна из проблем может заключаться в том, что дифференциатор может улавливать шум. Сама функция дифференцирования означает, что у него есть возрастающая характеристика с частотой.

  
  

  ---

• Мостовой генератор Вина на операционном усилителе: Мостовой генератор Вина на операционном усилителе может работать как хорошая схема генератора сигналов.

  Основанный на мостовой схеме, генератор моста Win может обеспечить хорошую производительность, если усиление увеличивается слишком сильно, уровень искажений значительно возрастает.

  
  

  ---

• Генератор синусоидального сигнала с фазовым сдвигом на операционном усилителе: Схема генератора с фазовым сдвигом способна обеспечить хороший выходной сигнал синусоидальной волны.

  Преимущество схемы генератора с фазовым сдвигом на операционном усилителе заключается в том, что она может обеспечивать очень низкие уровни искажений, что делает ее излюбленной схемой или конфигурацией для приложений синусоидального генератора.

  
  

  ---

Операционные усилители — идеальный структурный блок для разработчиков аналоговых схем.Эти интегральные схемы сочетают в себе достаточно близкие и идеальные усилители для большинства приложений, поэтому на них можно подавать иски, позволяя проектировать и реализовывать высокопроизводительные схемы с минимальным количеством компонентов.

Поскольку операционные усилители широко доступны во многих формах, некоторые в качестве операционных усилителей общего назначения, а другие обеспечивают широкую полосу пропускания, высокое входное сопротивление или низкие смещения и т. Д., А также они доступны во многих корпусах, часто с более чем одним операционным усилителем. В комплекте эти микросхемы идеально подходят для использования во многих аналоговых схемах для многих приложений.

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 запуска Шмитта с использованием операционного усилителя — Пример 1

Эта схема триггера Шмитта использует совместимый с 741 операционный усилитель (операционный усилитель) для преобразования медленно меняющейся формы входного сигнала в сигнал с резкими переходами.Эти типы схем также известны как регенеративный , потому что они изменяют свое выходное состояние, когда входной сигнал пересекает заранее определенные пороговые уровни. Это достигается за счет использования положительной обратной связи, чтобы получить гистерезис . В приведенном выше примере схемы резистор 7,5 кОм обеспечивает обратную связь с неинвертирующим входом. Кроме того, пара резисторов 10 кОм на шинах источника питания образует схему делителя потенциала, которая определяет пороговые уровни срабатывания.Хотя R1 и R2 явно образуют схему потенциального делителя для определения уровней срабатывания, следует помнить, что R3 также эффективно является частью этой сети. Представьте резистор R3, имеющий болтающийся конец (DE), который может либо подключаться к положительной шине, и в этом случае он становится параллельным R1, либо он может подключаться к шине заземления, и в этом случае он становится параллельным R2.

Поскольку выход операционного усилителя будет колебаться от +12 В до 0 В, он несовместим с компьютерными системами TTL, которые ожидают уровни напряжения от 5 В до 0.Следовательно, резистор R и стабилитрон, фиксирует выходного напряжения до 5,1 В и поэтому действует как ограничитель. Пока мы игнорируем их в схеме и сосредотачиваемся на вычислении уровней переключения.

Расчет верхнего уровня переключения

Когда на выходе +12 В, переход DE R3 эффективно подключается к положительной шине питания внутри через операционный усилитель и, следовательно, фактически параллельно с R1.

Когда R1 и R3 параллельны, мы используем следующую формулу для расчета общего сопротивления.

Rtu = (R1 × R3) / (R1 + R3)

Rtu = (10000 × 7500) / (10000 + 7500)

Rtu = 4285,71, иначе известное как 4,29 кОм

Для расчета верхнего уровня переключения (USL) используется стандартная формула делителя потенциала.

Vo = Vs × R2 / (R1 + R2)

Однако для R1 мы используем рассчитанное полное сопротивление Rtu, потому что R3 параллельно R1.

Vo = Vs × R2 / (Rtu + R2)

USL = 12 × 10000 / (4290 + 10000)

USL = 8.397 В

Расчет нижнего уровня переключения

Когда на выходе 0 В, DE эффективно подключается к шине питания заземления (0 В) внутри через операционный усилитель, и, следовательно, фактически параллельно с R2.

Когда R2 и R3 параллельны, мы используем следующую формулу для расчета общего сопротивления.

Rtl = (R2 × R3) / (R2 + R3)

Rtl = (10000 × 7500) / (10000 + 7500)

Rtl = 4285,71, иначе известный как 4,29 кОм (сюрприз!)

Для расчета нижнего уровня переключения (LSL) мы используем стандартную формулу делителя потенциала.

Vo = Vs × R2 / (R1 + R2)

Однако для R2 мы используем рассчитанное полное сопротивление Rtl, потому что на этот раз R3 подключен параллельно R2.

Vo = Vs × Rtl / (R1 + Rtl)

USL = 12 × 4290 / (10000 + 4290)

USL = 3,602 В

Как избежать проблем с нестабильностью операционных усилителей в приложениях с однополярным питанием

Одиночное или двойное питание?

Несмотря на то, что выгодно реализовать схемы операционного усилителя со сбалансированным двойным источником питания, существует множество практических приложений, где из соображений энергосбережения или по другим причинам работа с однополярным питанием необходима или желательна.Например, аккумуляторная батарея в автомобильном и судостроительном оборудовании обеспечивает только одну полярность. Даже оборудование с сетевым питанием, такое как компьютеры, может иметь только однополярный встроенный источник питания, обеспечивающий для системы +5 В или +12 В постоянного тока. При обработке аналоговых сигналов общей особенностью работы с однополярным питанием является необходимость в дополнительных компонентах на каждом этапе для соответствующего смещения сигнала. Если это не будет тщательно продумано и выполнено, могут возникнуть нестабильность и другие проблемы.

Распространенные проблемы с подмагничиванием резистора

Приложениям с ОУ с однополярным питанием присущи проблемы, которые обычно не встречаются в схемах с двойным питанием. Фундаментальная проблема состоит в том, если сигнал качаться как положительным, так и отрицательным по отношению к «общий», это опорное напряжение нулевой сигнал должен быть на фиксированном уровне между поставку рельсов. Основное преимущество двойных источников питания заключается в том, что их общее соединение обеспечивает стабильный нулевой опорный сигнал с низким сопротивлением.Два напряжения питания обычно равны и противоположны (и часто отслеживаются), но это не абсолютная необходимость. При однополярном источнике питания такой узел должен быть создан искусственно путем введения дополнительных схем, обеспечивающих некоторую форму смещения, чтобы поддерживать общий сигнал при соответствующем среднем напряжении питания.

Поскольку обычно желательно, чтобы большие выходные значения ограничивались симметрично, смещение обычно устанавливается в средней точке номинального диапазона выходного сигнала усилителя или (для удобства) на уровне половины напряжения питания.Самый эффективный способ добиться этого — использовать регулятор, как показано на рисунке 6; однако популярный метод заключается в снятии напряжения питания с помощью пары резисторов. Несмотря на кажущуюся простоту, с этим есть проблемы.

Проиллюстрируя проблему, схема на Рисунке 1, имеющая несколько конструктивных недостатков, представляет собой неинвертирующий усилитель со связью по переменному току. Сигнал имеет емкостную связь на входе и выходе. Средний уровень входного сигнала со связью по переменному току смещен до V _s /2 парой делителей R _A -R _B , а внутриполосное усиление составляет G = 1 + R2 / R1.«Шумовое усиление» постоянного тока уменьшается до единицы за счет емкостной связи обратной связи с нулем, установленным R1 и C1, так что уровень постоянного тока на выходе равен напряжению смещения. Это позволяет избежать искажений из-за чрезмерного усиления входного напряжения смещения усилителя. Коэффициент усиления усилителя с обратной связью снижается от (1 + R2 / R1) на высокой частоте до единицы при постоянном токе с частотами излома при f = 1 / [2π R1 C1] и f = 1 / [2π (R1 + R2) C1. ], вводя фазовые сдвиги, которые добавляют к сдвигам, связанным со схемами связи входов и выходов.

Рис. 1. Потенциально нестабильная схема операционного усилителя с однополярным питанием.

Эта простая схема имеет дополнительные потенциально серьезные ограничения. Во-первых, неотъемлемая способность операционного усилителя подавлять колебания напряжения питания бесполезна, поскольку любое изменение напряжения питания напрямую изменяет напряжение смещения V _s /2, устанавливаемое резистивным делителем. Хотя это не представляет проблемы при постоянном токе, любой синфазный шум, появляющийся на клеммах источника питания, будет усиливаться вместе с входным сигналом (за исключением самых низких частот).При усилении 100, 20 милливольт пульсации 60 Гц и гул будут усилены до уровня 1 вольта на выходе.

Еще хуже, нестабильность может возникать в цепях, где операционный усилитель должен обеспечивать большие выходные токи в нагрузке. Если источник питания не отрегулирован (и не включен в обход), в линии питания будут появляться значительные сигнальные напряжения. Поскольку неинвертирующий вход операционного усилителя напрямую связан с питающей линией, эти сигналы будут подаваться обратно в операционный усилитель, часто в таком соотношении фаз, которое будет вызывать «мотор-лодку» или другие формы колебаний.

Хотя использование чрезвычайно тщательной компоновки, байпаса источника питания с несколькими конденсаторами, заземления по схеме «звезда» и печатной платы «power plane» — все это помогает снизить шум и поддерживать стабильность схемы, лучше внести изменения в конструкцию схемы, которые улучшат отказ источника питания. Здесь предлагается несколько.

Отсоединение сети смещения от источника питания

Один из шагов к решению — обойти делитель напряжения смещения и предоставить отдельный входной возвратный резистор, модифицируя схему, как показано на рисунке 2.Точка ответвления на делителе напряжения теперь блокируется для сигналов переменного тока конденсатором C2, чтобы восстановить подавление подачи переменного тока. Резистор Rin, который заменяет Ra / 2 в качестве входного импеданса схемы для сигналов переменного тока, также обеспечивает обратный путь постоянного тока для входа +.

Рис. 2. Изолированная схема смещения операционного усилителя с однополярным питанием.

Разумеется, значения R _A и R _B должны быть настолько низкими, насколько это возможно; Выбранные здесь значения 100 кОм предназначены для экономии тока питания, как это может быть желательно в приложениях с батарейным питанием.Также следует тщательно выбирать номинал байпасного конденсатора. С делителем напряжения 100 кОм / 100 кОм для R _A и R _B и значением емкости 0,1 мкФ или аналогичным значением для C2, полоса пропускания -3 дБ для полного сопротивления этой сети, устанавливаемая параллельной комбинацией R _A , R _B и C2, равно 1 / [2π (R _A /2) C2] = 32 Гц. Хотя это улучшение по сравнению с рис. 1, подавление синфазного сигнала падает ниже 32 Гц, обеспечивая значительную обратную связь через источник питания на низких частотах сигнала.Для этого требуется конденсатор большего размера, чтобы избежать «катания на лодке» и других проявлений нестабильности.

Практический подход — увеличить емкость конденсатора C2. так что он достаточно велик, чтобы эффективно обходить делитель напряжения на всех частотах в полосе пропускания схемы. Хорошее практическое правило — установить этот полюс на одну десятую ширины входной полосы по уровню –3 дБ, установленной R _IN / C _IN и R ₁ / C ₁ .

Коэффициент усиления усилителя на постоянном токе все еще равен единице.Даже в этом случае необходимо учитывать входные токи смещения операционного усилителя. R _IN , последовательно с делителем напряжения R _A / R _B , добавляет значительное сопротивление последовательно с положительной входной клеммой операционного усилителя. Поддержание выхода операционного усилителя близко к среднему источнику питания с помощью обычных операционных усилителей с обратной связью по напряжению, которые имеют симметричные симметричные входы, можно достичь путем балансировки этого сопротивления путем выбора R2.

В зависимости от напряжения питания типичные значения, обеспечивающие разумный компромисс между повышенным током питания и повышенной чувствительностью к току смещения усилителя, варьируются от 100 кОм для одиночных источников питания + 15 В или + 12 В до 42 кОм для питание 5 В и 27 кОм для 3.3 В.

Усилители

, предназначенные для высокочастотных приложений (особенно типов с обратной связью по току), должны использовать низкое входное сопротивление и сопротивление обратной связи для сохранения полосы пропускания при наличии паразитной емкости. Операционный усилитель, такой как AD811, который был разработан для приложений скорости видео, обычно будет иметь оптимальную производительность при использовании резистора 1 кОм для R2. Следовательно, в этих типах приложений необходимо использовать резисторы гораздо меньшего номинала в делителе напряжения R _A / R _B (и более высокие байпасные емкости), чтобы минимизировать входной ток смещения и избежать низкочастотной нестабильности.

Из-за их низкого тока смещения потребность в балансировочных входных резисторах не так велика в приложениях с современными операционными усилителями на полевых транзисторах, если только схема не должна работать в очень широком диапазоне температур. В этом случае балансировка сопротивления на входных клеммах операционного усилителя по-прежнему является разумной мерой предосторожности.

На рис. 3 показано, как смещение и обход могут применяться в случае инвертирующего усилителя.

Рис. 3. Схема инвертирующего усилителя с развязкой и однополярным питанием.

Метод смещения резистивного делителя недорогой и поддерживает выходное напряжение постоянного тока операционного усилителя на уровне В _S /2, но подавление синфазного сигнала операционного усилителя по-прежнему зависит от постоянной времени RC, формируемой R _A || R _B и конденсатор C2. Использование значения C2, которое обеспечивает как минимум 10-кратную постоянную времени RC входной цепи RC-связи (R1 / C1 и R _в / C _в ), поможет обеспечить разумный коэффициент подавления синфазного сигнала. С резисторами 100 кОм для R _A и R _B практические значения C2 могут быть довольно небольшими, если полоса пропускания схемы не слишком мала.

Смещение стабилитрона

Более эффективный способ обеспечить необходимое смещение V _S /2 для работы с однополярным питанием — использовать стабилизатор на стабилитроне, такой как показанный на рисунке 4. Здесь ток подается на стабилитрон через резистор R. Конденсатор. C _N помогает уменьшить генерируемый стабилитроном шум на входе операционного усилителя.

Рисунок 4. Неинвертирующий усилитель с однополярным питанием и смещением на стабилитроне.

Следует выбрать стабилитрон с рабочим напряжением, близким к В _S /2.Резистор R _Z должен быть выбран так, чтобы обеспечить достаточно высокий ток для работы стабилитрона при его стабильном номинальном напряжении и поддерживать низкий уровень шума на выходе стабилитрона. Тем не менее, также важно минимизировать потребление энергии (и нагрев) и избежать повреждения стабилитрона. Поскольку вход операционного усилителя потребляет небольшой ток от эталона, рекомендуется выбрать маломощный диод. Лучше всего устройство с номинальной мощностью 250 мВт, но приемлемы и более распространенные типы мощностью 500 мВт. Идеальный ток стабилитрона варьируется от каждого производителя, но практические уровни I _z от 500 мкА (устройство 250 мВт) до 5 мА (устройство 500 мВт) обычно являются хорошим компромиссом для этого приложения.

в рабочих пределах стабилитрона, схема на фиг.4 в основном обеспечивает низкий опорный уровень импеданс, который восстанавливает отказ источника питания операционного усилителя. Преимущества существенны, но есть цена: потребляется больше энергии, а выход постоянного тока операционного усилителя фиксируется напряжением стабилитрона, а не на уровне V _S /2. Если напряжение источника питания существенно упадет, на больших сигналах может произойти асимметричное ограничение. Также необходимо учитывать входные токи смещения.Резисторы R _{, IN} и R2 должны иметь одинаковое значение, чтобы входные токи смещения не создавали существенную ошибку напряжения смещения.

На рис. 5 показана схема инвертирующего усилителя, использующая тот же метод смещения стабилитрона.

Рис. 5. Инвертирующий усилитель с однополярным питанием и смещением на стабилитроне.

В таблице 1 показаны некоторые распространенные типы стабилитронов, которые можно выбрать для обеспечения половинного смещения питания для различных уровней напряжения питания. Для удобства предусмотрены практические значения R _Z для обеспечения 5 мА и 0.Токи устройства 5 мА в цепях 4 и 5. Для снижения шума цепи можно выбрать оптимальный ток Зенера, обратившись к паспорту производителя.

Таблица 1. Предлагаемые номера деталей стабилитронов (типы Motorola) и значения Rz для использования на рисунках 4 и 5.

Напряжение питания	Ссылка Напряжение	Диод Тип	Стабилитрон Ток	Rz Значение Ом
+ 15В	7.5В	1N4100	0,5 мА	15к
+ 15В	7,5 В	1N4693	5 мА	1,5 к
+ 12В	6,2 В	1N4627	0,5 мА	11.5к
+ 12В	6,2 В	1N4691	5 мА	1,15k
+ 9В	4,3 В	1N4623	0,5 мА	9,31к
+ 9В	4,3 В	1N4687	5 мА	931
+ 5В	2.4В	1N4617	0,5 мА	5.23k
+ 5В	2,7 В	1N4682	5 мА	464

Смещение операционного усилителя с использованием линейного регулятора напряжения

Для схем операционного усилителя, работающих от стандарта +3,3 В, необходимо напряжение смещения + 1,65 В.Стабилитроны обычно доступны только с напряжением до +2,4 В, хотя шунтирующие регуляторы шириной запрещенной зоны AD589 и AD1580 на 1,225 В могут использоваться как стабилитроны для обеспечения фиксированного, но не центрированного напряжения при низком импедансе. Самый простой способ обеспечить произвольные значения напряжения смещения при низком импедансе (например, V _S /2) — использовать линейный регулятор напряжения, такой как ADM663A или ADM666A, как показано на рисунке 6. Его выход можно регулировать. от 1,3 до 16 В и обеспечит низкоомное смещение для однополярных напряжений от 2 В до 16.5 В.

Рисунок 6. Схема смещения ОУ с однополярным питанием и линейным стабилизатором напряжения.

Цепи одинарного питания со связью по постоянному току

До сих пор обсуждались только схемы операционных усилителей с переменным током. Хотя при использовании подходящих больших входных и выходных разделительных конденсаторов схема со связью по переменному току может работать на частотах значительно ниже 1 Гц, для некоторых приложений требуется настоящая связь по входу и выходу постоянного тока. Цепи, которые обеспечивают постоянное постоянное напряжение при низком импедансе, такие как стабилитроны и регуляторы, описанные выше, могут использоваться для обеспечения напряжения «нулевого уровня».

В качестве альтернативы резисторы смещения V _S /2 на рисунках 1–3 могут быть буферизованы операционным усилителем для создания низкоомной цепи «фантомного заземления», как показано на рисунке 7. Если источником питания является низковольтная батарея источник, скажем + 3,3 В, операционный усилитель должен быть устройством типа «rail-to-rail», способным эффективно работать во всем диапазоне напряжений питания. Операционный усилитель также должен иметь возможность подавать положительный или отрицательный выходной ток, достаточный для удовлетворения требований нагрузки главной цепи.Конденсатор C2 шунтирует делитель напряжения, чтобы уменьшить шум резистора. Эта схема не должна обеспечивать отказ от источника питания, потому что она всегда будет управлять общей клеммой («землей») при половине напряжения питания.

Рис. 7. Использование операционного усилителя для обеспечения «фантомного заземления» для приложений с прямым подключением с батарейным питанием.

Проблемы времени включения цепи

Еще одна проблема, которую необходимо учитывать, — это время включения цепи. Приблизительное время включения будет зависеть от постоянной времени RC используемого фильтра с самой низкой полосой пропускания.

Все схемы с пассивным смещением, показанные здесь, должны требовать, чтобы цепь делителя напряжения R _A || R _B -C2 имела постоянную времени в 10 раз больше, чем постоянная времени входной или выходной цепи. Это сделано для упрощения конструкции схемы (поскольку входная полоса пропускания устанавливается до трех разных полюсов RC). Эта длительная постоянная времени также помогает удерживать схему смещения от «включения» перед входными и выходными цепями операционного усилителя, тем самым позволяя выходу операционного усилителя постепенно повышаться от нуля вольт до V _S /2, не приводя к напряжению. положительная линия питания.Требуемая частота излома 3 дБ составляет 1/10 от частоты R1C1 и R _{при нагрузке} C _{на выходе} . Например: на рисунке 2 для полосы пропускания цепи 10 Гц и коэффициента усиления 10 значение C2, равное 3 мкФ, обеспечивает полосу пропускания 3 дБ на уровне 1 Гц.

С R _A || R _B = 50 000 Ом, конденсатор емкостью 3 мкФ обеспечивает постоянную времени RC 0,15 секунды.