Операционный усилитель в режиме компаратора: портал и журнал для разработчиков электроники

Содержание

Операционный усилитель в режиме компаратора

Компараторы, не имеющие внутреннего гистерезиса, в принципе могут использоваться в качестве операционных усилителей в низкочастотных схемах. Это удобно при применении многоканальных компараторов, таких, как LM139, в тех случаях, когда схема содержит несколько компараторов и один усилитель. Можно также использовать один из компараторов микросхемы в качестве ОУ для реализации источника опорного напряжения.

Применение компараторов в качестве ОУ ограничено в основном двумя обстоятельствами: сложностью обеспечения устойчивости при наличии отрицательной обратной связи и асимметрией выхода. Для устойчивой работы приходится ограничивать полосу пропускания компаратора (с помощью внешних корректирующих цепей) несколькими килогерцами, что чрезвычайно снижает скорость нарастания выходного напряжения. Компараторы не имеют внутренней частотной коррекции или выводов для подключения внешних корректирующих элементов, хотя часто содержат три каскада усиления напряжения (а это сильно ухудшает условия устойчивости. Поэтому частотная коррекция должна осуществляться внешними цепями. На Рис. 11 показана наиболее простая схема коррекции для компаратора LM139, при которой параллельно выходу компаратора включается конденсатор довольно большой емкости.

Рис. 11. Схема усилителя на компараторе LM139 Рис. 12. Частотные характеристики усилителей на основе компаратора LM139

Рис. 13. Усилитель на интегральном компараторе с внешним

умощняющим транзистором и фазоопережающей коррекцией

Видно, что полоса пропускания усилителя ограничена частотой 100 Гц. Цепь обратной связи Rx и R2 определяет коэффициент усиления, равный 101. Схема имеет малую нагрузочную способность из-за большого сопротивления резистора Rq. В ы х о дможет быть умощнен внешним транзистором VT, включенным по схеме с общим коллектором. Полоса пропускания усилителя, выполненного по этой схеме, может быть расширена до 20 кГц применением более сложной схемы коррекции с фазоопережением (Рис. 13).

Логические элементы

Многие компараторы представляют собой логические схемы с широким диапазоном легко настраиваемых уровней. Это позволяет обеспечить более высокую помехоустойчивость по сравнению с обычными логическими элементами. Кроме того, разработчик может оказаться в ситуации, когда в корпусе многоканальной ИМС может остаться неиспользуемый компаратор, который можно включить как логический элемент с тем, чтобы не вводить дополнительную логическую микросхему.

Логические элементы

Элемент И/И-НЕ

Трехвходовая схема И представлена на Рис. 14.

Рис. 14. Схема И(ИЛИ) на компараторе

Делитель на резисторах R1 и R2 устанавливает опорное напряжение на инвертирующем входе компаратора

(4.21)

На неинвертирующий вход поступает сумма напряжений на логических входах Х1 Х2, Х3, поделенная делителями напряжения на резисторах R3, R4, R5 и Аб. При равенстве сопротивлений входных резисторов /? 3 = Л4= Л5= R напряжение на неинвертирующем входе КР равно

— (4.22)

Если высокий уровень входных сигналов совпадает с напряжением питания схемы Г8, а низкий — с нулем, то (при наличии на входе двух сигналов высокого уровня из трех) необходимая величина опорного напряжения определяется неравенством

(4.23 )

Если требуются равные запасы помехозащищенности «сверху» и «снизу», то

из (4.23) с учетом (4.21) получим

(4 24)

С увеличением числа входов помехозащищенность схемы уменьшается, поэтомувместо резистивной входной цепи лучше включить обычную диоднуюсхему И. В таком случае следует установить опорное напряжение равным половине Vs. Для преобразования этой схемы в И-НЕ достаточно поменять местами подключение входов компаратора. Для ускорения переключения можно ввести небольшой гистерезис.

16 сентября 2019

Статья является частью руководства, посвященного практическим аспектам и особенностям проектирования электроники с использованием операционных усилителей (ОУ) – от выбора типа ОУ до тайных приемов опытного разработчика и хитростей отладки. Руководство написано Брюсом Трампом, инженером-разработчиком с почти тридцатилетним стажем, успевшим до Texas Instruments поработать в легендарной компании Burr-Brown. В настоящее время Трамп является ведущим блогером информационного ресурса Texas Instruments “E2E” по аналоговой тематике и готовит к печати книгу об операционных усилителях.

Мы публикуем перевод руководства Трампа на нашем сайте регулярно – дважды в месяц.

Многие разработчики (и я тоже) иногда используют операционные усилители в качестве компараторов. Обычно так происходит, когда нужен только один простой компаратор, и у вас остался «запасной» операционный усилитель в микросхеме, содержащей четыре ОУ в одном корпусе. Фазовая компенсация, необходимая для устойчивой работы операционного усилителя, приводит к тому, что из ОУ может получиться только очень медленный компаратор. Однако если требования по быстродействию являются скромными, то ОУ может быть достаточно. Иногда возникают вопросы по такому режиму использованию ОУ. В то время как некоторые операционные усилители работают нормально, другие работают не так, как ожидалось. Давайте разберемся, почему так происходит.

Многие операционные усилители имеют защитные ограничительные диоды, подключенные между входами. Чаще всего используют параллельное включение двух разнонаправленных диодов. Они защищают переход «база-эмиттер» входных транзисторов от обратного пробоя. Для многих ИС пробой перехода «база-эмиттер» начинается при подаче дифференциального входного напряжения около 6 В. Это приводит к повреждению транзисторов или нарушению их работы. На рисунке 73 защиту входного каскада из NPN-транзисторов обеспечивают диоды D1 и D2.

Рис. 73. Внутренние дифференциальные ограничительные диоды, подключенные между входами, предотвращают повреждение транзисторов, но могут помешать работе ОУ в режиме компаратора

В большинстве схем с операционными усилителями входное напряжение близко к нулю, и защитные диоды никогда не включаются. Но очевидно, что эти диоды могут стать проблемой при работе ОУ в режиме компаратора. Мы имеем ограниченный дифференциальный диапазон напряжения (около 0,7 В), при превышении которого один вход будет перетягивать другой, подтягивая его напряжение. Это не исключает возможность работы ОУ в качестве компаратора, но здесь требуется выполнение ряда условий. Эти условия в некоторых схемах могут быть абсолютно неприемлемыми.

Проблема заключается в том, что TI и другие производители операционных усилителей не всегда сообщают о наличии защитных диодов в документации. Даже когда информация о них присутствует, все равно нет четкого предупреждения о возможных проблемах. Наверное, следовало бы прямо говорить: «Будьте осторожны при использовании данного ОУ в качестве компаратора!». На самом деле авторы документации часто предполагают, что операционный усилитель будет использоваться только по прямому назначению. Мы провели встречу с нашей командой разработчиков и решили, что в будущем будем сообщать пользователям о потенциальных проблемах более четко. Но как быть с уже существующими ОУ? Ниже приведены некоторые рекомендации, которые могут помочь.

В большинстве случаев операционные усилители со входными NPN-транзисторами имеют защитные диоды. Примерами могут служить OP07

, OPA227, OPA277 и многие другие. Исключением является старый усилитель μA741. У него, кроме входных NPN-транзисторов, имеются дополнительные последовательно включенные PNP-транзисторы, которые обеспечивают встроенную защиту для NPN (рисунок 74).

Рис. 74. ОУ с дополнительными последовательно включенными PNP-транзисторами лучше подходят для работы в качестве компаратора

Усилители общего назначения со входными PNP-транзисторами обычно не имеют встроенных ограничительных диодов (рисунок 75). В качестве примера можно привести LM324, LM358, OPA234, OPA2251 и OPA244. Обычно это ОУ с однополярным питанием “single-supply”, у которых диапазон входных синфазных напряжений начинается от нуля или даже немного ниже. Такие ОУ можно легко распознать: для них в документации указывается отрицательное значение входного тока смещения, то есть он вытекает из усилителя. Стоит особо отметить, что высокоскоростные ОУ со входными каскадами из PNP-транзисторов обычно имеют встроенные ограничительные диоды, так как эти транзисторы имеют невысокое напряжение пробоя.

Рис. 75. LM324 на базе PNP-транзисторов с высоким пробивным напряжением лучше подходит для работы в качестве компаратора

Усилители с JFET- и КМОП-входами, которые работают с более высокими напряжениями (до 20 В и более), могут как иметь, так и не иметь защитных диодов. Для них требуется дополнительная проверка. Особенности технологии изготовления и вид используемых транзисторов определяют, присутствуют ли внутри защитные диоды или нет.

У большинства низковольтных КМОП-усилителей нет встроенных диодов. Существует особое исключение для ОУ с автоматической коррекцией нуля (Auto-zero или чоппер), которые ведут себя так, как будто имеют встроенные защитные диоды.

И в заключение хочется сказать, что если вы рассматриваете возможность использования ОУ в качестве компаратора, будьте осторожны. Получите максимум информации из документации, в том числе вынесенной в примечания. Проверяйте поведение схемы на макете или прототипе, контролируйте взаимное влияние входов. Не полагайтесь на результаты моделирования со SPICE-макромоделями. Некоторые макромодели могут не включать дополнительные компоненты, симулирующие защитные диоды. Кроме того, особенности поведения, возникающие при подаче напряжений, близких к границе допустимых входных диапазонов, могут быть смоделированы неточно.

Список ранее опубликованных глав

Переведено Вячеславом Гавриковым по заказу АО КОМПЭЛ

Вообще говоря, сделать из операционного усилителя хороший компаратор невозможно. Чтобы получить оптимальные характеристики и не тратить дополнительное время на отладку, лучше всего использовать специализированную микросхему компаратора.

Компаратор – отличная схема, поскольку обеспечивает почти идеальный переход от аналогового сигнала к цифровому. Компаратор выглядит как устройство с двумя линейными входными сигналами, уровень цифрового выхода которого может быть либо высоким, либо низким, в зависимости от соотношения входных сигналов. Просто, но очень полезно.

Если в вашем устройстве должна быть подобная схема, лучше всего использовать микросхему компаратора, предназначенную именно для таких приложений. Однако многим разработчикам известно, что стандартный операционный усилитель (ОУ) также можно использовать в качестве компаратора. Это особенно привлекательно в тех случаях, когда в устройстве остается незадействованный ОУ, и его использование не потребует ни дополнительных затрат, ни места на печатной плате.

Однако, весьма вероятно, что получившийся из ОУ компаратор не оправдает ваших ожиданий, и его характеристики, возможно, будут далеки от оптимальных. Ошибки, обусловленные непрофессиональным подходом, могут привести к тому, что время разработки и отладки намного превысит планируемое. Лучше всего, если вам нужен компаратор, и вы хотите избежать проблем и получить наилучший возможный результат, использовать микросхему компаратора.

В чем реальные различия между операционным усилителем и компаратором?

Основные различия между ними следующие:

  • Встроенные цепи фазовой коррекции, необходимые для обеспечения устойчивости ОУ, делают устройство слишком медленным для операций переключения.
  • Входные каскады ОУ обычно защищены диодами или дополнительными транзисторами, которые нередко препятствуют использованию ОУ в схеме компаратора.
  • Выходной каскад ОУ рассчитан на использование в линейном режиме. При двуполярном питании его выходное напряжение изменяется от одной шины питания до другой, и для использования в цифровых схемах требует смещения уровней.
  • Выходной каскад истинного компаратора сконструирован для работы в режиме насыщения со стандартными логическими уровнями сигналов. Часто его выход делается по схеме с отрытым коллектором (стоком).
  • Для установки коэффициента усиления и других характеристик схемы ОУ обычно включается с резисторами обратной связи. Компаратор, как правило, работает с разомкнутой петлей, то есть, без обратной связи.
  • По сравнению с ОУ компараторы имеют меньшие времена задержки и очень высокую скорость нарастания выходного напряжения.

Несмотря на внешнее сходство, две схемы различны и предназначены для разных приложений.

Так можно ли использовать ОУ в качестве компаратора? [1] Возможно. Многие инженеры используют. Нередко так делают, когда требуется лишь один компаратор, а в корпусе счетверенного ОУ остался «свободный» усилитель. Необходимая для устойчивой работы ОУ фазовая коррекция означает, что такой компаратор будет очень медленным, но если особых требований к быстродействию не предъявляется, может быть достаточно и операционного усилителя. Иногда такой подход вполне приемлем, но в некоторых случаях он непригоден.

Работа компаратора

Один из способов разобраться с работой компаратора – изучить базовую конфигурацию ОУ, показанную на Рисунке 1а. Усилитель имеет очень большой коэффициент усиления без обратной связи (AOL >> 1000). То, что он усиливает, – это разность между двумя входами V1 и V2. Выходное напряжение равно

Из-за высокого коэффициента усиления для положительного или отрицательного насыщения выхода большого входного дифференциального сигнала (V2 – V1) не требуется. Например, при напряжении источника питания ±5 В и коэффициенте усиления без обратной связи, равном 100,000, выходное напряжение достигнет шины питания при дифференциальном входном сигнале с уровнем 5/100,000 = 50 мкВ или выше. Передаточная характеристика вход-выход изображена на Рисунке 1б.

Рисунок 1. Операционный усилитель в инвертирующем включении (а)
и его передаточная характеристика вход-выход (б).

Истинный компаратор работает от одного источника питания, как правило, того же, который используется для цифровой логики. Выход через подтягивающий резистор подключен к шине питания (Рисунок 2а). На входы компаратора поданы опорное напряжение VREF и сигнал VIN, уровень которого сравнивается с опорным уровнем. В качестве опорного и сигнального может использоваться любой из двух выходов компаратора. Обычно опорное напряжение постоянно, а входной сигнал изменяется. Компаратор может включаться в двух основных конфигурациях:

Использование ОУ в качестве компаратора

Компаратор — это устройство, которое подает на свой выход сигнал равный разнице между двумя входными сигналами, умноженной на очень большой коэффициент. Тоже-самое делает и операционный усилитель. Разница лишь в том, что компаратор работает без обратной связи и выдает логический уровень, а ОУ предназначен для работы с обратной связью и выдает аналоговый сигнал.

Недавно, думал над проектом в котором уже использовались ОУ и, нужны были компараторы. Естественно, появился соблазн использовать ОУ в качестве компараторов. Но можно ли так делать?



Если кратко, то лучше — не нужно, если длинно, то вот почему:

Скорость
ОУ рассчитаны для работы с маленькой разницей между входными сигналами. При большой разнице, транзисторы где-то в недрах микросхемы могут насыщаться и от этого скорость может упасть на порядки. Тоесть, если у нас есть 10МГц ОУ, это совсем не значит что из него получится компаратор с временем реакции в 100нс. Получается такая парадоксальная ситуация — разница между напряжениями входов увеличивается, а время реакции компаратора уменьшается.

Конечно, не все ОУ насыщаются и это нужно проверять, если вам нужна скорость.

Входные цепи
Опять-же, из-за того, что ОУ рассчитывают для работы с маленькой разницей входных напряжений, входные цепи могут повести себя совсем не так как вы думаете. К примеру, там могут стоять защитные диоды, которые просто замкнут входы друг на друга.

На такую проблему я нарвался, когда пытался использовать LVDS-приемники spartan3 в качестве компараторов.

Кроме того, у ОУ есть такое явление, как инверсия фазы. Когда внутренние цепи входят в насыщение, выходной сигнал внезапно меняет фазу и получается вот такая картина:

Практически все современные ОУ не страдают такой болезнью, но лучше проверить это на макетке, если вы, все-таки, собираетесь использовать ОУ в качестве компаратора. Производители обычно не пишут о том, что ОУ страдает инверсией фазы, зато, с радостью, сообщают если инверсии фазы нет.

Выходное напряжение
Компараторы часто рассчитываются для работы с определенным логическим стандартом, а вот ОУ — нет. И есть шанс не попасть в логические уровни. Не забывайте, что размах напряжений на выходе ОУ ограничен и неплохо бы проверить — совместим ли он с вашей логикой. Конечно, это не касается rail-to-rail ОУ.

Если напряжение питания ОУ больше чем логические напряжения, придется строить согласователь уровней и вот тут вся экономия на покупке отдельного компаратора, скорее-всего, пропадет.

Вывод
А вывод очень прост — постарайтесь не использовать ОУ в качестве компараторов если это возможно. В большинстве случаев, это принесет больше проблем, чем выгоды. Но, если вы все-таки решились, тщательно изучите даташит на ваш ОУ и протестируйте его на макете перед тем, как делать окончательное решение.

Операционный усилитель. Руководство по применению. Глава 21-31 Deneb-80

Приветствую!

Продолжаем знакомиться ближе с операционным усилителем.

Оригинал на английском языке в формате pdf

  A compendium of blog posts on op amp design topics by Bruce Trump (17,1 MiB, 496 hits)

<< Предыдущие главы 1-10 | 11-20

  • ГЛАВА 21 – Время установления: взгляд на форму сигнала

Время установления (Settling time) – это время, необходимое операционному усилителю, чтобы отреагировать на прямоугольный импульс входного напряжения, а затем достичь дифференциального сигнала ошибки, который бы соответствовал конечному значению выходного напряжения. Эта характеристика важна для многих приложений. Таких, например, в которых быстроменяющиеся сигналы с выхода ОУ оцифровываются аналого-цифровым преобразователем (АЦП). Но давайте заглянем за пределы сухих определений и сосредоточимся на характере изменения формы сигналов.

В главе 20 мы рассмотрели, как ОУ переходит из состояния ограничения скорости нарастания в область малых сигналов (рисунок 52). При этом можно заметить, что чем больше коэффициент усиления, тем более плавно выходной сигнал приближается к конечному значению.

Читать полностью …


  • ГЛАВА 22 – Шум резисторов: обзор основных понятий

Общий уровень шума усилителя сильно зависит от шума Джонсона, сопротивления источника питания и резисторов обратной связи. Почти каждый знает, что резисторы имеют собственный шум, но некоторые детали этого явления могут быть не вполне ясными. Давайте рассмотрим эту тему в рамках подготовки к будущему обсуждению шумов в схемах усилителей.

Шумовая модель резистора (модель Тевенина) состоит из бесшумного резистора, включенного последовательно с источником шумового напряжения (рисунок 55).

Читать полностью …


  • ГЛАВА 23 – Шумы операционного усилителя: неинвертирующая схема

Давайте рассмотрим некоторые базовые основы шумов усилителя с учетом особенностей, выявленных в предыдущей части. Неинвертирующая схема усилителя является наиболее распространенной для малошумящих приложений, поэтому я сосредоточусь именно на ней.

Модель источника входного сигнала на рисунке 58 представлена в виде источника шумового напряжения с последовательным сопротивлением RS. Известно, что сопротивление RS обладает собственным шумом, пропорциональным корню сопротивления (прямая линия на рисунке 59). Цель малошумящего усилителя состоит в том, чтобы добавлять как можно меньше дополнительного шума к уже имеющемуся шуму источника сигнала.

Читать полностью …


  • ГЛАВА 24 – Шумы ОУ: как насчет резисторов обратной связи?

В предыдущей главе я исследовал шум неинвертирующего усилителя, но не поднял вопроса о вкладе компонентов цепи обратной связи в общий шум схемы. Итак, как насчет шумов от R1 и R2 на рисунке 60?

Общий шум на инвертирующем входе включает тепловой шум резисторов обратной связи и шумовой ток ОУ, взаимодействующий с R1 и R2. Вы можете рассчитать выходной сигнал, вызываемый этими источниками шума, используя базовые соотношения операционного усилителя:

  • напряжение теплового шума R1 усиливается с коэффициентом усиления -R2/R1;
  • напряжение теплового шума R2 поступает напрямую на выход;
  • шумовой ток инвертирующего входа, протекая через R2, формирует на выходе шум, равный IN ⋅ R2.

Эти источники шума не коррелированы, поэтому при расчете общего шума необходимо суммировать квадраты шумовых составляющих (формула 2). Существует более наглядный и интуитивно понятный способ оценить влияние этих источников шума. Было бы гораздо удобнее работать с источниками шума, если бы все они были подключены к неинвертирующему входу. Для этого можно разделить значение общего шума на выходе на значение коэффициента усиления. Этот способ приведения ко входу позволяет легко сравнивать влияние источников шума со входным сигналом.

Читать полностью …


  • ГЛАВА 25 – 1/f-шум: фликкер-шум

Низкочастотный 1/f-шум – довольно загадочное явление, его также называют фликкер-шумом (flicker-noise). На осциллографе с высоким разрешением развертки он имеет вид медленно меняющегося сигнала, на который накладывается более высокочастотный шум (рисунок 61). Еще одно название этого шума – розовый шум – также предполагает наличие значительных низкочастотных составляющих. Кажется, что фликкер-шум присутствует во всех физических системах и во всех естественных науках. Например, погодные/климатические модели имеют 1/f-компонент. Рассуждать о причинах его наличия в полупроводниках – слишком глубокая тема для данного руководства.

Читать полностью …


  • ГЛАВА 26 – ОУ, стабилизированные прерыванием: действительно ли они шумные?

Операционные усилители, стабилизированные прерыванием (Chopper op amps) отличаются очень малым значением напряжения смещения, что значительно уменьшает низкочастотный 1/f-шум. Как это происходит?

На рисунке 63 показан входной каскад операционного усилителя, стабилизированного прерыванием. Этот каскад построен на базе усилителя тока, управляемого напряжением. Входное дифференциальное напряжение на его входе преобразуется в дифференциальный выходной ток. Стабилизация прерыванием осуществляется с помощью коммутирующих переключателей, которые синхронно меняют полярность подключения на входах и выходах. Поскольку дифференциальные входы и выходы переключаются одновременно, то на выходном конденсаторе C1 присутствует сигнал постоянной полярности.

Читать полностью …


  • ГЛАВА 27 – Развязывающие конденсаторы: они нужны, но зачем?

Всем известно, что операционные усилители должны иметь развязывающие конденсаторы по цепям питания, расположенные рядом с выводами микросхемы. Но почему, например, какой-то усилитель вдруг оказывается более склонным к самовозбуждению без надлежащей развязки? Ответы на эти вопросы расширят ваш кругозор и облегчат понимание ситуации.

Коэффициент подавления шумов напряжения питания (Power supply rejection) характеризует способность операционного усилителя подавлять колебания и пульсации, возникающие на выводах питания. Например, на рисунке 65 показано, что коэффициент подавления шумов очень высок на низкой частоте, но с увеличением частоты уменьшается. Таким образом, на высоких частотах наблюдается более слабое подавление возникающих помех.

Читать полностью …


  • ГЛАВА 28 – Неиспользуемые операционные усилители: что с ними делать?

Когда я говорю о неиспользуемых операционных усилителях, я не имею в виду микросхемы, лежащие у вас на полке (для их хранения следует использовать антистатические пакеты). Что делать с теми ОУ, которые находятся на печатной плате? Например, неиспользуемым может оказаться один из усилителей в микросхеме, содержащей четыре или два интегральных ОУ.

В таких случаях лучшим вариантом будет подключение неиспользованных ОУ по схеме с обратной связью (рисунок 67). Схема буфера с единичным усилением является очевидным выбором, поскольку она не требует дополнительных компонентов (рисунок 67б). Оставшийся вход следует подключить к напряжению в пределах допустимого входного диапазона. Не стоит оставлять входы неподключенными. Также следует избегать подключений, которые могут вызвать перегруз входа или выхода либо перевести усилитель в неопределенное состояние с высоким уровнем шумов (рисунок 67а).

Читать полностью …


ГЛАВА 29 – Защита входов от перенапряжений

При проектировании операционного усилителя разработчики часто задаются вопросом, как будут подключаться входы ОУ, будут ли обращаться с ними с осторожностью или есть вероятность того, что их могут небрежно подключить напрямую к сети переменного тока? Мы все хотим сделать свое оборудование надежным, способным выдерживать самое жесткое обращение, поэтому в этом разделе я объясню, как входы ОУ защищают от электрических перенапряжений (Electrical over-stress, EOS).

OPA320 – типичный представитель операционных усилителей. В перечне его предельных рабочих параметров приводятся значения максимального напряжения питания, максимального входного напряжения и тока (см. таблица, рисунок 68). В примечании указано, что если вы ограничиваете входной ток, то вам не нужно ограничивать входное напряжение. Внутренние ограничительные диоды выдерживают ток до ±10 мА. Однако ограничение тока при высоковольтных перегрузках может потребовать использования значительного последовательного входного сопротивления, которое приведет к увеличению шума, уменьшению полосы пропускания и, возможно, созданию других ошибок.

 

Ограничительные диоды начинают включаться, когда значение входного напряжения превышает значение напряжения питания примерно на 0,6 В. Многие устройства обычно выдерживают более высокое значение тока, но прямое падение напряжения при этом резко возрастает, увеличивая вероятность повреждения.

Вы можете значительно повысить устойчивость ОУ к высоким входным токам и увеличить уровень защиты путем добавления внешних диодов. Обычные сигнальные диоды, например, популярные 1N4148, как правило, имеют более низкое значение прямого падения напряжения, чем встроенные защитные диоды.

В стендовых тестах я обнаружил, что у всех диодов 1N4148 падение напряжения как минимум на 100 мВ меньше, чем у встроенных  диодов в рассматриваемых нами усилителях. При параллельном подключении внешних диодов большая часть тока будет течь именно через них.

Диоды Шоттки имеют еще меньшее прямое падение напряжения и могут обеспечить более высокую защиту. Однако у них, как правило, есть общий недостаток, который заключается в высоких значениях тока утечки. При комнатной температуре величина утечки достигает единиц микроампер или даже больше. При этом с ростом температуры это значение увеличивается.

Читать полностью …


ГЛАВА 30 – Могут ли дифференциальные ограничительные диоды на входе ОУ влиять на его работу?

В следующей части я буду писать об использовании операционных усилителей в качестве компараторов. В ней мы рассмотрим влияние встроенных ограничительных диодов на работу таких компараторов. Сейчас же я задаю вопрос: могут ли эти диоды влиять на штатную работу ОУ? Напряжение между входами ОУ должно быть практически равным нулю, не так ли? Таким образом, эти диоды никогда не будут пропускать ток при нормальной работе ОУ…или все таки будут?

А сейчас давайте поговорим о дифференциальных ограничительных диодах, которые могут присутствовать в некоторых ОУ (рисунок 70).

Изменения в поведении ОУ зачастую можно заметить в базовых неинвертирующих схемах, в том числе — при работе простого буферного повторителя G = 1. Рассмотрим воздействие ступенчатого импульса напряжения. Выход не может сразу же отреагировать на появление сигнала на входе. Если напряжение импульса больше 0,7 В, то D1 откроется, а сигнал на неинвертирующем входе будет искажен. В течение этого периода, пока операционный усилитель формирует напряжение на выходе, на входе будет наблюдаться бросок тока высокого значения (рисунок 71). В конце концов, когда сигнал на выходе «догонит» сигнал на входе, все снова придет в норму.

Читать полностью …


ГЛАВА 31 – ОУ в режиме компаратора: допустимо ли это?

Многие разработчики (и я тоже) иногда используют операционные усилители в качестве компараторов. Обычно так происходит, когда нужен только один простой компаратор, и у вас остался «запасной» операционный усилитель в микросхеме, содержащей четыре ОУ в одном корпусе. Фазовая компенсация, необходимая для устойчивой работы операционного усилителя, приводит к тому, что из ОУ может получиться только очень медленный компаратор. Однако если требования по быстродействию являются скромными, то ОУ может быть достаточно. Иногда возникают вопросы по такому режиму использованию ОУ. В то время как некоторые операционные усилители работают нормально, другие работают не так, как ожидалось. Давайте разберемся, почему так происходит.

Многие операционные усилители имеют защитные ограничительные диоды, подключенные между входами. Чаще всего используют параллельное включение двух разнонаправленных диодов. Они защищают переход «база-эмиттер» входных транзисторов от обратного пробоя. Для многих ИС пробой перехода «база-эмиттер» начинается при подаче дифференциального входного напряжения около 6 В. Это приводит к повреждению транзисторов или нарушению их работы. На рисунке 73 защиту входного каскада из NPN-транзисторов обеспечивают диоды D1 и D2.

В большинстве схем с операционными усилителями входное напряжение близко к нулю, и защитные диоды никогда не включаются. Но очевидно, что эти диоды могут стать проблемой при работе ОУ в режиме компаратора. Мы имеем ограниченный дифференциальный диапазон напряжения (около 0,7 В), при превышении которого один вход будет перетягивать другой, подтягивая его напряжение. Это не исключает возможность работы ОУ в качестве компаратора, но здесь требуется выполнение ряда условий. Эти условия в некоторых схемах могут быть абсолютно неприемлемыми.

Проблема заключается в том, что TI и другие производители операционных усилителей не всегда сообщают о наличии защитных диодов в документации. Даже когда информация о них присутствует, все равно нет четкого предупреждения о возможных проблемах. Наверное, следовало бы прямо говорить: «Будьте осторожны при использовании данного ОУ в качестве компаратора!». На самом деле авторы документации часто предполагают, что операционный усилитель будет использоваться только по прямому назначению. Мы провели встречу с нашей командой разработчиков и решили, что в будущем будем сообщать пользователям о потенциальных проблемах более четко. Но как быть с уже существующими ОУ? Ниже приведены некоторые рекомендации, которые могут помочь.

В большинстве случаев операционные усилители со входными NPN-транзисторами имеют защитные диоды. Примерами могут служить OP07OPA227OPA277 и многие другие. Исключением является старый усилитель μA741. У него, кроме входных NPN-транзисторов, имеются дополнительные последовательно включенные PNP-транзисторы, которые обеспечивают встроенную защиту для NPN (рисунок 74).

Читать полностью …


<< Предыдущие главы 1-10 | 11-20

Оставить сообщение:

[contact-form-7 id=”3550″ title=”Контактная форма 1″]

См. также:

Операционный усилитель в режиме компаратора

Компараторы, не имеющие внутреннего гистерезиса, в принципе могут использоваться в качестве операционных усилителей в низкочастотных схемах. Это удобно при применении многоканальных компараторов, таких, как LM139, в тех случаях, когда схема содержит несколько компараторов и один усилитель. Можно также использовать один из компараторов микросхемы в качестве ОУ для реализации источника опорного напряжения.

Применение компараторов в качестве ОУ ограничено в основном двумя обстоятельствами: сложностью обеспечения устойчивости при наличии отрицательной обратной связи и асимметрией выхода. Для устойчивой работы приходится ограничивать полосу пропускания компаратора (с помощью внешних корректирующих цепей) несколькими килогерцами, что чрезвычайно снижает скорость нарастания выходного напряжения. Компараторы не имеют внутренней частотной коррекции или выводов для подключения внешних корректирующих элементов, хотя часто содержат три каскада усиления напряжения (а это сильно ухудшает условия устойчивости. Поэтому частотная коррекция должна осуществляться внешними цепями. На Рис. 11 показана наиболее простая схема коррекции для компаратора LM139, при которой параллельно выходу компаратора включается конденсатор довольно большой емкости.

Рис. 11. Схема усилителя на компараторе LM139 Рис. 12. Частотные характеристики усилителей на основе компаратора LM139

Рис. 13. Усилитель на интегральном компараторе с внешним

умощняющим транзистором и фазоопережающей коррекцией

Видно, что полоса пропускания усилителя ограничена частотой 100 Гц. Цепь обратной связи Rx и R2 определяет коэффициент усиления, равный 101. Схема имеет малую нагрузочную способность из-за большого сопротивления резистора Rq. В ы х о дможет быть умощнен внешним транзистором VT, включенным по схеме с общим коллектором. Полоса пропускания усилителя, выполненного по этой схеме, может быть расширена до 20 кГц применением более сложной схемы коррекции с фазоопережением (Рис. 13).

Логические элементы

Многие компараторы представляют собой логические схемы с широким диапазоном легко настраиваемых уровней. Это позволяет обеспечить более высокую помехоустойчивость по сравнению с обычными логическими элементами. Кроме того, разработчик может оказаться в ситуации, когда в корпусе многоканальной ИМС может остаться неиспользуемый компаратор, который можно включить как логический элемент с тем, чтобы не вводить дополнительную логическую микросхему.

Логические элементы

Элемент И/И-НЕ

Трехвходовая схема И представлена на Рис. 14.

Рис. 14. Схема И(ИЛИ) на компараторе

Делитель на резисторах R1 и R2 устанавливает опорное напряжение на инвертирующем входе компаратора

(4.21)

На неинвертирующий вход поступает сумма напряжений на логических входах Х1 Х2, Х3, поделенная делителями напряжения на резисторах R3, R4, R5 и Аб. При равенстве сопротивлений входных резисторов /? 3 = Л4= Л5= R напряжение на неинвертирующем входе КР равно

– (4.22)

Если высокий уровень входных сигналов совпадает с напряжением питания схемы Г8, а низкий — с нулем, то (при наличии на входе двух сигналов высокого уровня из трех) необходимая величина опорного напряжения определяется неравенством

(4.23 )

Если требуются равные запасы помехозащищенности «сверху» и «снизу», то

из (4.23) с учетом (4.21) получим

(4 24)

С увеличением числа входов помехозащищенность схемы уменьшается, поэтомувместо резистивной входной цепи лучше включить обычную диоднуюсхему И. В таком случае следует установить опорное напряжение равным половине Vs. Для преобразования этой схемы в И-НЕ достаточно поменять местами подключение входов компаратора. Для ускорения переключения можно ввести небольшой гистерезис.

Чтобы управлять компонентами электронных схем, используют разные приспособления, которые могут осуществлять настройку и разделять сигналы. Для быстрого сравнения нескольких различных импульсов принято использовать специальный компаратор с однополярным питанием.

Основные технические характеристики

Компаратором называется устройство, сравнивающее несколько напряжений и силу электрического тока, выдающее окончательный силовой сигнал, указывающее на наибольшее значение параметров и одновременно делающее точный расчет их соотношения. У изделия существует несколько аналоговых входов и один цифровой выход. Чтобы визуально отобразить сигнал, в устройстве применяется световой индикатор.

Несколько десятилетий назад применялся лишь интегрированный компаратор электрического напряжения, который принято называть высокоскоростным. Ему необходимо некоторое дифференциальное напряжение в обозначенном диапазоне, которое намного меньше, чем напряжение питающей сети. Подобные устройства не пропускают остальные внешние сигналы, находящиеся за диапазоном питающей сети.

Типы компараторов

Специалисты разделяют компараторы на такие типы:

  • аналоговые изделия;
  • компараторы на операционном усилителе.

Аналоговый компаратор

В данное время довольно часто применяется аналоговый компаратор, который оснащен специальным транзисторным входом. Входящий потенциал сигнала в устройстве имеет значение не меньше 0,4 вольта и никогда не увеличивается. Изделие часто делают очень быстрого реагирования, из-за чего входящий сигнал будет меньше указанного диапазона, например, 0,3 вольта. Зачастую подобный диапазон может ограничиваться лишь определенным входным напряжением на транзисторе.

Компаратор на операционном усилителе

Кроме простого устройства, еще изготавливают видеоспектральный компаратор на операционном усилителе. Такое изделие обладает довольно точной балансировкой разницы входного напряжения и большим сопротивлением сигнала на выходе. Из-за такого свойства, компаратор на операционном усилителе можно применять в низко проводимых электрических цепях с маленьким напряжением.

Другими словами, операционный усилитель частоты способен работать совместно с открытым контуром и используется как изделие небольшой производительности. В процессе работы, не инвертирующий вход имеет более высокое значение напряжения, нежели инвертирующий вход. Большое усиление сигнала, который выходит из усилителя, провоцирует выход маленького напряжения на входе устройства.

Если не инвертирующий вход спадает меньше инвертирующего, то сигнал на выходе способен насытиться при отрицательном уровне напряжения, но он будет проводить электрические импульсы. Значение напряжения на выходе операционного усилителя может ограничиваться лишь напряжением питающей сети. Вся электрическая цепь усилителя работает только в линейном режиме при отрицательном значении обратной связи. Этому способствует специальный хорошо сбалансированный источник питания. Практически вся аппаратура, которая работает вместе с компаратором, оборудована функцией фиксации полученной информации. Подобные электронные принципы не способны работать в схемах, в которых применяются плохо проводящие радиоэлементы и разомкнутые контуры.

Недостатки устройства на операционном усилителе

У компаратора с операционным усилителем есть такие недостатки:

  1. Подобные усилители способны работать только в линейном режиме с отрицательным значением обратной связи. Однако операционные усилители довольно долго восстанавливаются.
  2. Практически все усилители оборудованы специальным конденсатором для внутренней компенсации, который способен ограничить скорость увеличения напряжения на выходе для сигналов с большой частотой. Другими словами, подобная схема может задержать электрический импульс.
  3. Устройство не обладает внутренним гистерезисом.

Обладая такими недостатками, компаратор для управления разными цепями применяется без операционного усилителя. Единственным исключением можно считать только генератор. Это устройство необходимо для различных процессов с ограничительным значением напряжения на выходе, которое способно осуществлять взаимодействие с цифровой логикой. Именно поэтому они применяются в разной термической аппаратуре. А также его используют, чтобы сравнивать электрические сигналы и сопротивления таких приборов, как стабилизатор или таймер.

Как работает компаратор

Чтобы наглядно показать принцип работы быстрого компаратора с гистерезисом, необходимо рассмотреть устройство с несколькими выходами.

Применяя аналоговый сигнал в первом входе, который принято называть не инвертируемым, и выходе, считающимся инвертируемым, изделие использует пару одинаковых сигналов разной полярности. Когда значение аналогового входа больше, чем у его выхода, то такой выход будет положительной полярности. Это должно включить подготовленный коллектор транзистора в его цепи, который и необходимо было запустить. Однако когда вход имеет отрицательную полярность, то электрический сигнал будет очень маленького значения, поэтому коллектор транзистора будет оставаться закрытым.

Почти всегда фазовый компаратор способен воздействовать на входы в схемах логических элементов, и поэтому работает по уровню напряжения питающей сети. Другими словами, это устройство способно преобразовывать аналоговый сигнал в цифровой формат. Подобный принцип работы помогает не уточнять значение нужного выходного сигнала, потому что устройство постоянно обладает захватом петли гистерезиса и конечным коэффициентом усиления.

Назначение и применение компаратора

Подобное изделие нашло применение в простых схемах персональных компьютеров, в которых необходимо быстро сравнивать сигналы напряжения входа. А также это может быть устройство для зарядки телефона или другого гаджета, электронные весы, датчик напряжения, микроконтроллер, таймер и подобные изделия. Иногда его используют в разных интегральных микросхемах, которые обязаны контролировать импульсы на входе, обеспечивать связь от источника импульса до места его назначения.

Наилучшим примером можно считать регулятор Шиммера, который способен работать в многоканальном режиме. Таким образом, он может сравнить большое количество электрических сигналов. А также этот компаратор используется для восстановления цифрового сигнала, который может искажать связь в зависимости от значения напряжения и расстояния до источника сигналов. Это устройство принято считать аналогом обычного компаратора, который обладает широкими функциональными возможностями и способен обеспечить измерение большого количества входящих электрических сигналов.

Сейчас выпускается специальный компаратор шероховатости. Подобное изделие может быстро определить качество поверхности, которая до этого момента была механически обработана. Использование такого устройства обосновано необходимостью определения допусков поверхности, которая подверглась обработке.

Блог о электронике

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

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

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

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

Напряжение на выходе в таком случае обсчитывается как:

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Отрицательная обратная связь
Окей, воткнем по другому:

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Мнемонически запоминается что на что делится очень просто:

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

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

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

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

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

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

Ну и мнемоническая картинка для быстрого запоминания ху из ху.

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

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

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

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

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

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

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

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

Раз можно вычитать, то можно и суммировать

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

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

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

Сумматор неинвертирующий
Тут все чуток посложней, но похоже.

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

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

Продолжение следует, когда-нибудь 🙂

191 thoughts on “Операционный усилитель”

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

О, точняк. Про него я чето запамятовал.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

«Операционный» усилитель

Добавлено 18 ноября 2018 в 18:44

Сохранить или поделиться

Задолго для появления цифровых электронных технологий были созданы компьютеры с электронным выполнением вычислений, использующие напряжения и токи для представления числовых величин . Это было особенно полезно для моделирования физических процессов. Например, изменяющееся напряжение может представлять скорость или силу в физической системе. Благодаря использованию резистивных делителей напряжения и усилителей напряжения, математические операции деления и умножения на этих сигналах могут быть легко выполнены.

Реактивные свойства конденсаторов и катушек индуктивности хорошо подходят для моделирования переменных, связанных с функциями математического анализа. Помните, как ток через конденсатор был функцией скорости изменения напряжения, и как эта скорость изменения была обозначена в математическом анализе как производная? Ну, если напряжение на конденсаторе представляло скорость объекта, то ток через конденсатор представлял бы силу, необходимую для ускорения или замедления этого объекта, а емкость конденсатора представляла бы массу этого объекта:

\[i_C = C {dv \over dt}\]

где

  • iC – мгновенный ток через конденсатор;
  • C – емкость в фарадах;
  • dv/dt – скорость изменения напряжения во времени.

\[F = m {dv \over dt}\]

где

  • F – сила, прикладываемая к объекту;
  • m – масса объекта;
  • dv/dt – скорость изменения скорости во времени.

Это аналоговое электронное вычисление производной математического анализа известно как дифференцирование, и это естественная функция тока конденсатора по отношению к приложенному напряжению. Обратите внимание, что данная схема для выполнения этой относительно сложной математической функции не требует «программирования», как это делал бы цифровой компьютер.

Электронные схемы очень просты и недороги для создания по сравнению со сложными физическими системами, поэтому подобный аналоговый электронный симулятор широко использовался в исследованиях и разработках механических систем. Однако для реалистичного моделирования в этих ранних компьютерах были нужны схемы усилителей высокой точности и простой настройки.

В ходе аналогового компьютерного проектирования было обнаружено, что дифференциальные усилители с чрезвычайно высоким коэффициентом усиления по напряжению удовлетворяют этим требованиям к точности и настройки лучше, чем несимметричные усилители с заданными коэффициентами усиления. Используя простые компоненты, подключенные к входам и выходу дифференциального усилителя с высоким коэффициентом усиления, из общей схемы могут быть получены практически любой коэффициент усиления и любая функция без регулировки или изменения внутренней схемы самого усилителя. Эти дифференциальные усилители с высоким коэффициентом усиления стали известны как операционные усилители, или ОУ, из-за своего использования в математических операциях аналоговых компьютеров.

Современные операционные усилители, такие как популярная модель 741, представляют собой высокопроизводительные, недорогие интегральные микросхемы. Их входные импедансы довольно высоки, входы потребляют токи в диапазоне половины микроампера (максимум) для 741 и намного меньше для операционных усилителей, использующих на входе полевые транзисторы. Выходной импеданс обычно довольно низок, около 75 Ом для модели 741, и многие модели имеют встроенную защиту от короткого замыкания на выходе, что означает, что их выходы могут быть напрямую закорочены на землю без причинения вреда внутренней схеме. Из-за прямой связи между внутренними транзисторными каскадами операционные усилители могут усиливать сигналы постоянного напряжения так же хорошо, как и переменного (до определенных максимальных пределов времени нарастания напряжения). Если не требуется высокая мощность, создание сравнимой схемы на дискретных транзисторах будет стоить гораздо больше денег и времени, чтобы соответствовать такой же производительности. По этим причинам операционные усилители используются в большинстве приложений везде, кроме устаревших усилителей сигналов на дискретных транзисторах.

На следующем рисунке показана распиновка микросхем одиночных операционных усилителей (включая 741), когда они помещаются в 8-выводный DIP корпус.

Типовая 8-выводная DIP микросхема одиночного операционного усилителя

Некоторые модели операционных усилителей поставляются двумя в одном корпусе; например, популярные модели TL082 и 1458. Они называются «двойными» и обычно размещаются в 8-выводном DIP корпусе со следующей распиновкой:

8-выводная DIP микросхема двойного операционного усилителя

Операционные усилители также доступны в корпусах с четырьмя усилителями, как правило, это 14-выводные DIP корпуса. К сожалению, назначение выводов у этих «четверных» операционных усилителей не является стандартным, как у одиночных и «двойных». Поэтому подробности необходимо искать в технических описаниях от производителя.

Коэффициенты усиления по напряжению реальных операционных усилителей составляют 200000 или более, что делает их практически бесполезными в качестве самостоятельных дифференциальных усилителей. Для операционного усилителя с коэффициентом усиления по напряжения (AV) 200000 и максимальным колебанием выходного напряжения +15В/-15В всё, что требуется, чтобы довести его до насыщения или отсечки, – это дифференциальное напряжения 75 мкВ (микровольт)! Прежде чем мы рассмотрим, как используются внешние компоненты, чтобы снизить коэффициент усиления до приемлемого уровня, давайте рассмотрим применения «голого» операционного усилителя самого по себе.

Одно из приложений называется компаратором. Для всех практических приложений можно сказать, что выход операционного усилителя будет полностью насыщен положительно, если вход (+) более положителен, чем вход (-), и будет полностью насыщен отрицательно, если вход (+) менее положителен, чем вход (-). Другими словами, чрезвычайно высокий коэффициент усиления операционного усилителя делает его полезным как устройство для сравнения двух напряжений и изменения состояний выходного напряжения, когда один входной сигнал превышает другой входной сигнал по мгновенной амплитуде.

Схема компаратора на операционном усилителе

В приведенной выше схеме у нас есть операционный усилитель, подключенный как компаратор, сравнивающий входное напряжение с опорным напряжением, установленным потенциометром (R1). Если Vвх падает ниже напряжения, установленного R1, выход операционного усилителя насыщается до +V, из-за чего загорается светодиод. В противном случае, если Vвх выше опорного напряжения, светодиод остается выключенным. Если Vвх – это напряжение сигнала, создаваемое измерительным прибором, данная схема компаратора может функционировать как «низкоуровневая» авария с точкой срабатывания, установленной R1. Вместо светодиода выходной сигнал операционного усилителя может приводить в действие реле, транзистор, SCR тиристор или любое другое устройство, способное переключать питание на нагрузку, например, соленоидный клапан для принятия мер в случае низкоуровневой аварии.

Еще одно приложение для показанной схемы компаратора представляет собой преобразователь прямоугольного сигнала. Предположим, что входное напряжение, подаваемое на инвертирующий (-) вход, представляет собой переменный синусоидальный сигнал, а не неизменное постоянное напряжение. В этом случае выходное напряжение будет переходить между противоположными состояниями насыщения, когда входное напряжение было равно опорному напряжению, выдаваемому потенциометром. Результатом будет прямоугольный сигнал:

Преобразователь синусоидального сигнала в прямоугольный

Подстройка потенциометра приведет к изменению опорного напряжения, подаваемого на неинвертирующий (+) вход, что может изменить точку, в которой синусоида будет пересекать опорное напряжение, изменяя соотношение включен/выключен, или коэффициент заполнения, или скважность прямоугольного сигнала:

Изменение скважности выходного сигнала преобразователя синусоидального сигнала в прямоугольный

Должно быть, очевидно, что входное переменное напряжение не обязательно должно быть синусоидой, в частности, для этой схемы для выполнения той же функции. Входное напряжение может быть треугольной формы, пилообразной формы или любой другой формы, которая плавно переходит от положительной полярности к отрицательной и обратно к положительной. Такая схема компаратора очень полезна для создания прямоугольных сигналов для изменяющегося коэффициента заполнения. Этот метод иногда упоминается как широтно-импульсная модуляция, или ШИМ (RWM), (изменение или модулирование сигнала в соответствии с управляющим сигналом, в данном случае с сигналом, создаваемым потенциометром).

Другим применением компаратора является драйвер столбчатого (полоскового) индикатора. Если бы у нас было несколько операционных усилителей, подключенных в качестве компараторов, каждый со своим опорным напряжением, подключенным к инвертирующему входу, но каждый из этих компараторов контролировал бы один и тот же сигнал напряжения на своем неинвертирующем входе, мы могли бы построить индикатор в виде столбчатого индикатора (барграфа), который мы можем часто увидеть на лицевой панели радиоприемников и графических эквалайзеров. По мере увеличения напряжения сигнала (представляющего уровень радиосигнала или аудиосигнала) каждый компаратор будет «включаться» последовательно и подавать питание на соответствующий светодиод. При каждом переключении компаратора на «включен» на разных уровнях аудиосигнала, количество подсвеченных светодиодов будет указывать, насколько большим был уровень сигнала.

Драйвер столбчатого индикатора (барграфа) на базе операционных усилителей

В схеме, показанной выше, светодиод LED1 будет загораться первым, когда входное напряжение будет увеличиваться в положительном направлении. По мере того, как входное напряжение продолжает увеличиваться, другие светодиоды будут загораться последовательно, пока не зажгутся все.

Эта же технология используется в некоторых аналого-цифровых преобразователях, а именно в АЦП прямого преобразования, чтобы преобразовать уровень аналогового сигнала в последовательность напряжений «вкл/выкл», представляющую цифровое число.

Резюме

  • Фигура треугольника является обобщенным обозначением схемы усилителя, широкий конец обозначает входную сторону, а противоположная вершина обозначает выход.
  • Если не указано иное, все напряжения на схеме усилителя имеют общую точку земли, обычно подключенную к одному из выводов источника питания. Таким образом, мы можем говорить о том, что определенная величина напряжения подана на один провод, при этом понимая, что напряжение всегда измеряется между двумя точками.
  • Дифференциальный усилитель усиливает разность напряжений между двумя сигнальными входами. В такой схеме один вход склонен управлять выходным напряжением в той же полярности, что и входной сигнал, в то время как другой вход действует противоположным способом. Следовательно, первый вход называется неинвертирующим (+) входом, а второй – инвертирующим (-) входом.
  • Операционным усилителем (или ОУ) является дифференциальный усилитель с чрезвычайно высоким коэффициентом усиления (AV = 200000 и более). Его название происходит от первоначального использования в аналоговых компьютерных схемах (выполнение математических операций).
  • Операционные усилители обычно имеют высокие входные импедансы и довольно низкий выходной импеданс.
  • Иногда операционные усилители используются в качестве компараторов сигналов, работающих в режиме полных отсечки и насыщения, в зависимости от того, какой вход (инвертирующий или неинвертирующий) имеет наибольшее напряжение. Компараторы полезны для обнаружения условий сигналов «больше чем» (сигналы сравниваются друг с другом).
  • Одно из применений компараторов называется широтно-импульсным модулятором, который выполняет сравнение синусоидального сигнала переменного напряжения с опорным постоянным напряжением. Поскольку постоянное опорное напряжение подстраивается, выходной сигнал компаратора меняет свой коэффициент заполнения (или другой параметр, характеризующий время положительного напряжения относительно всей продолжительности периода – скважность). Таким образом, элементы управления опорного постоянного напряжения управляют или модулируют ширину импульса выходного напряжения.

Оригинал статьи:

Теги

ОбучениеОУ (операционный усилитель)Электроника

Сохранить или поделиться

MAX951ESA+, Операционный усилитель, ОУ + компаратор + опорный источник, 1 Усилитель, 20 кГц, 12.5 В/мс

Минимальная Рабочая Температура -40 C
Максимальная Рабочая Температура 85 C
Количество Выводов 8вывод(-ов)
Полоса Пропускания 20кГц
Диапазон Напряжения Питания 2.8В до 7В
Стиль Корпуса Усилителя NSOIC
Скорость нарастания 12.5В/мс
Количество Усилителей 1 Усилитель
GBP - Произведение коэффициента усиления на ширину полосы пропускания (fT) 20 kHz
Ib - Входной ток смещения 0.05 nA
Pd - рассеивание мощности 471 mW
PSRR - Коэффициент подавления помех по питанию 0.07 mV/V
Vos - Входное напряжение смещения нуля 14 mV
Вид монтажа SMD/SMT
Диапазон входного напряжения - макс. 7 V
Другие названия товара № MAX951
Категория продукта Специальные усилители
Количество каналов 1 Channel
Коэффициент усиления V/V 10 V/V
Максимальная рабочая температура + 85 C
Минимальная рабочая температура 40 C
Подкатегория Amplifier ICs
Рабочее напряжение питания 7 V
Рабочий ток источника питания 7 uA
Размер фабричной упаковки 100
Серия MAX951
Тип продукта Special Purpose Amplifiers
Тип усилителя Op Amp, Comparator, Reference
Торговая марка Maxim Integrated
Упаковка Tube
Упаковка / блок SOIC-8
Applications Smart Card
Base Product Number MAX951 ->
ECCN EAR99
HTSUS 8542.33.0001
Moisture Sensitivity Level (MSL) 1 (Unlimited)
Mounting Type Surface Mount
Package Tube
Package / Case 8-SOIC (0.154"", 3.90mm Width)
REACH Status REACH Unaffected
RoHS Status ROHS3 Compliant
Supplier Device Package 8-SOIC
Type Amplifier, Comparator, Reference
Вес, г 0.09

Входной полномасштабный усилитель для КМОП-компараторов и операционных усилителей с низким напряжением питания Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

УДК 681.324.687

Радиотехника и связь

ВХОДНОЙ ПОЛНОМАСШТАБНЫЙ УСИЛИТЕЛЬ ДЛЯ КМОП-КОМПАРАТОРОВ И ОПЕРАЦИОННЫХ УСИЛИТЕЛЕЙ С НИЗКИМ НАПРЯЖЕНИЕМ ПИТАНИЯ

В.С. Кононов

Проведен анализ входного диапазона синфазных напряжений и переходных характеристик наиболее известных полномасштабных усилителей. Установлено, что при низких напряжениях питания 1,8 В ± 5% и типовых пороговых напряжениях около 0,9 В входной диапазон составляет всего 0,9-1,3 В в зависимости от типа усилителя. Показано, что полномасштабные усилители на основе двух дифференциальных пар РМОП и ММОП транзисторов фактически не имеют внутреннего участка шкалы с одинаковой переходной характеристикой, на котором РМОП и ММОП транзисторы одновременно активны. В полномасштабных усилителях другого типа с одной дифференциальной парой внутренний участок шкалы составляет около 400 мВ, что достигнуто ценой ухудшения входного сопротивления. В статье рассматривается новый полномасштабный усилитель с входным диапазоном, равным напряжению питания, и высоким входным сопротивлением. Предложено два варианта усилителя, которые отличаются наличием нейтрализатора помех в одном из этих вариантов. Усилители предназначены для использования при создании низковольтных компараторов и ОУ

Ключевые слова: КМОП, усилитель, диапазон, компаратор, ОУ

Входной диапазон синфазных напряжений (шкала) в большинстве современных низковольтных КМОП-компараторов и операционных усилителей (ОУ) с однополярным питанием обычно меньше напряжения питания, что в ряде случаев создает проблемы при проектировании таких изделий. Одним из таких случаев является двухсекционный безконденсатор-ный 12-разрядный КМОП-АЦП со складывающей архитектурой (по английски - folding), напряжением питания 1,8 В ± 5% и частотой преобразования 1 ГГц (рис. 1). В этом АЦП с 24 компараторами на входе каждой секции и ОУ на выходе 1 секции (на рис. 1 не показаны) при типичном коэффициенте усиления ОУ Ку ~ 4 входная шкала 1 секции, как нетрудно вычислить, должна составлять около 1,6 В, что близко к минимальному напряжению питания 1,71 В.12

ЦС

АС ■

Рис.1. Блок-схема 12-разрядного КМОП-АЦП: ■ аналоговый сигнал; ЦС - цифровой сигнал

Кононов Владимир Сергеевич - ОАО «СКТБ ЭС», канд. техн. наук, науч. сотрудник, тел. 8(473)223-46-79

Понятно, что при таких условиях на входе 1 секции невозможно использовать не только обычные дифференциальные усилители, но и известные, так называемые, полномасштабные (по английски - гаП4о-гаП) каскады, как, например, каскад, показанный на рис. 2 [1]. Недостатки «полномасштабных» каскадов хорошо известны. Они характеризуются ухудшением линейности на краях входной шкалы, когда происходит резкое замедление переходной характеристики при переходе из внутренней части шкалы, в которой РМОП- и КМОП-транзисторы одновременно активны.

— Вх-

-Вых2+ "Вых2-

Рис. 2. Типовой «полномасштабный» каскад

В каскаде, показанном на рис. 3 [2], обеспечивается некоторое расширение внутреннего участка шкалы за счет использования внутреннего ОУ на основе 4 МОП-транзисторов с общим истоком. Однако достигнутый таким образом выигрыш на практике не превышает ~ 200 мВ для каждого края шкалы.

Кроме того, как видно из рис. 3, входные цепи каскада содержат последовательно соединенные резисторы и МОП-транзисторы обоих типов. При таком подходе трудно обеспечить высокое входное сопротивление, которое необходимо для хорошего согласования этого каскада с другими схемами.

Рис. 3. Полномасштабный каскад с расширенной шкалой

Целью данной статьи является создание истинно полномасштабного усилительного каскада, свободного от недостатков каскадов (рис. 2, 3).

Наилучшим решением является истинно полномасштабный усилитель (рис. 4).

Как видно из этого рисунка, в каждом плече усилителя используются две пары РМОП- и NМОП-транзисторов, одни из которых соединены с входами Вх+, Вх_, а другие - с входом Вхссн. Такое соединение транзисторов позволяет плавно перераспределять токи между транзисторами в каждой паре при изменении входных напряжений от 0 до ип. Когда один из транзисторов отсекается, например, РМОП-

транзистор в верхней паре левого плеча усилителя при ип - ивх+ < и0, другой транзистор из этой пары «забирает» на себя весь ток, протекающий в левом плече при ивх+ > ип - и0. Аналогичным образом происходит перераспределение тока между нижними NМОП-транзисторами при ивх+ < и0.

Благодаря плавному перераспределению токов переходная характеристика усилителя (рис. 4) сохраняется практически одинаковой на всех участках шкалы, где оба транзистора, подключенные к входу Вх+ или Вх-, активны или активен только один из них.

Несмотря на очевидные достоинства, усилитель (рис. 4) имеет один недостаток, который не позволяет обеспечивать подавление входных помех как это осуществляет обычный дифференциальный усилитель. В самом деле, если посмотреть на электрическую схему (рис. 4), то можно увидеть, что предложенный усилитель фактически представляет собой комбинацию двух инвертирующих усилителей, практически автономных по отношению друг к другу.

Рис. 4. Электрическая схема истинно полномасштабного усилителя:

Вхссн - вход стабилизации синфазного напряжения на выходе усилителя

Для устранения отмеченного недостатка такой усилитель целесообразно использовать совместно с дифференциальным усилителем на его выходе, который будет выполнять функцию нейтрализатора помех и, при необходимости, обеспечивать дополнительное усиление полезного сигнала (рис. 5).

Как показали исследования, общее усиление двухкаскадного усилителя (рис. 5) без обратной связи может достигать 20-36 дБ при использовании транзисторов с минимальной длиной каналов 0,18-0,2 мкм. В этом случае полоса частот единичного усиления составляет около 1,8-2,2 ГГц. При увеличении длины каналов в

2-3 раза усиление возрастает до 40-80 дБ, что, одновременно, приводит к уменьшению полосы единичного усиления практически во столько же раз.

Выводы.

1. Предложенный усилитель имеет истинно полномасштабную шкалу и линейную переходную характеристику, благодаря плавному перераспределению токов между транзисторами. Однако прямое использование усилителя не

ип

Вх+

обеспечивает подавление внешних помех.

2. Для подавления внешних помех предложенный усилитель целесообразно использовать совместно с обычным дифференциальным усилителем на его выходе, добавление которого приводит к образованию полноценного двухкаскадного усилителя с истинно полномасштабным входом.

Вых+

Рис. 5. Двухкаскадный усилитель с входным истинно полномасштабным каскадом

Литература

1. Кестер У. Аналого-цифровое преобразование [Текст] : монография / У. Кестер; пер. с англ. Е.Б. Володина. - М.: Техносфера, 2007. - 1016 с.

2. Duque-Carrillo J.F. 1-V Rail-to-Rail Operational Amplifiers in Standard CMOS Technology [Text] / J.F. Duque-Carrillo and el // IEEE JSSC. - 2000. - Vol. 35. - №>. 1. - P. 33-44.

ОАО «Специализированное конструкторско-технологическое бюро электронных систем», г. Воронеж

INPUT RAIL-TO-RAIL AMPLIFIER FOR CMOS-COMPARATORS AND OPERATIONAL AMPLIFIERS WITH LOW SUPPLY VOLTAGE

V.S. Kononov, Candidate of Technical Sciences, Research Officer, JSC SKTB ES, Voronezh, Russian Federation, email: [email protected]

Analysis of input common-mode voltage range and transfer functions of well-known rail-to-rail amplifiers is done. It is found, that at low supply voltage of 1,8 ± 5% and typical threshold voltages of 0,9 V, input voltage range is 0,9-1,3 V depending on type of amplifier. It is shown, that rail-to-rail amplifiers based on two differential pairs of PMOS and NMOS transistors, don't have internal scale area with similar transfer function, where PMOS and NMOS transistors are simultaneously in active region. In rail-to-rail amplifiers with one differential pair internal scale area is about 400 mV, which is achieved at the cost of input resistance reduction. New rail-to-rail amplifier with input voltage range equal to supply voltage and high input resistance is considered in this paper. Two versions are offered, one of which has noise neutralizer. Amplifiers are intended for use in low-voltage comparators and operational amplifiers

Key words: CMOS, amplifier, range, comparator, operational amplifier

References

1. Kester W. Analogo-cifrovoe preobrazovanie [Analog-Digital Conversion] / W. Kester - Moscow. - Techno-sphera, 2007. - 1016 p.

2. Duque-Carrillo J.F. 1-V Rail-to-Rail Operational Amplifiers in Standard CMOS Technology [Text] / J.F. Duque-Carrillo and el // IEEE JSSC. - 2000. - Vol. 35. - №. 1. - P. 33-44.

741 IC Схема компаратора ОУ, схема, конструкция, рабочая

В этом посте мы обсудим операционный усилитель в качестве компаратора. Мы уже обсуждали другие применения операционного усилителя в схемах генератора прямоугольной формы, например, нестабильные (или автономные) мультивибраторы , моностабильные мультивибраторы (или одноразовые) и бистабильные мультивибраторы (или триггеры).

Чтобы лучше понять операционные усилители, щелкните здесь: - Operational Amplifiers (Op-amp)

Компаратор операционного усилителя

Компаратор находит свое применение в схемах, в которых необходимо сравнить два сигнала напряжения и определить, какой из них сильнее.Компаратор также является важной схемой при разработке генераторов сигналов несинусоидальной формы в качестве релаксационных генераторов.

В операционном усилителе с разомкнутым контуром, когда дифференциальный или одиночный входной сигнал имеет значение больше 0, высокий коэффициент усиления, который стремится к бесконечности, приводит к насыщению выходного сигнала операционного усилителя. Таким образом, операционный усилитель, работающий в конфигурации с разомкнутым контуром, будет иметь выходной сигнал, который переходит на положительный или отрицательный уровень насыщения или переключается между положительным и отрицательным уровнями насыщения и, таким образом, ограничивает выходной сигнал выше этих уровней.Этот принцип используется в схеме компаратора с двумя входами и выходом. Два входа, один из которых является опорным напряжением (Vref), сравниваются друг с другом.

Работа схемы компаратора ОУ 741 IC

Неинвертирующая схема компаратора ОУ 741 IC

Схема неинвертирующего компаратора ОУ 741 IC показана на рисунке ниже. Это называется схемой неинвертирующего компаратора, поскольку синусоидальный входной сигнал Vin подается на неинвертирующий вывод.Фиксированное опорное напряжение Vref подается на инвертирующий вывод (-) операционного усилителя.

Когда значение входного напряжения Vin больше, чем опорное напряжение Vref, выходное напряжение Vo переходит в положительное насыщение. Это связано с тем, что напряжение на неинвертирующем входе больше, чем на инвертирующем входе.

741 IC Схема неинвертирующего компаратора

Когда значение входного напряжения Vin меньше, чем опорное напряжение Vref, выходное напряжение Vo переходит в состояние отрицательного насыщения.Это связано с тем, что напряжение на неинвертирующем входе меньше напряжения на инвертирующем входе. Таким образом, выходное напряжение Vo изменяется от положительной точки насыщения к отрицательной точке насыщения всякий раз, когда изменяется разница между Vin и Vref. Это показано на диаграмме ниже. Компаратор можно назвать детектором уровня напряжения, поскольку при фиксированном значении Vref можно определить уровень напряжения Vin.

На принципиальной схеме показаны диоды D1 и D2. Эти два диода используются для защиты операционного усилителя от повреждения из-за увеличения входного напряжения.Эти диоды называются фиксирующими диодами, поскольку они ограничивают дифференциальное входное напряжение до 0,7 В или -0,7 В. Большинству операционных усилителей не нужны фиксирующие диоды, поскольку в большинстве из них уже есть встроенная защита. Сопротивление R1 подключено последовательно с входным напряжением Vin, а R подключено между инвертирующим входом и опорным напряжением Vref. R1 ограничивает ток через фиксирующие диоды, а R уменьшает проблему смещения.

741 IC Неинвертирующий компаратор операционного усилителя Форма сигнала

Инвертирующая схема компаратора ОУ 741 IC

Инвертирующая схема компаратора операционного усилителя 741 IC показана на рисунке ниже.Это называется схемой инвертирующего компаратора, поскольку синусоидальный входной сигнал Vin подается на инвертирующий вывод. Фиксированное опорное напряжение Vref подается на неинвертирующий вывод (+) операционного усилителя. Потенциометр используется в качестве схемы делителя напряжения для получения опорного напряжения на неинвертирующей входной клемме. Оба конца POT подключены к источнику постоянного напряжения + VCC и -VEE. Стеклоочиститель подключен к неинвертирующей входной клемме. Когда дворник поворачивается до значения, близкого к + VCC, Vref становится более положительным, а когда дворник поворачивается в сторону -VEE, значение Vref становится более отрицательным.Формы сигналов показаны ниже.

Схема инвертирующего компаратора микросхемы ОУ 741
Форма волны инвертирующего компаратора ОУ 741 IC

Характеристики компаратора

1. Рабочая скорость - В соответствии с изменением условий на входе схема компаратора переключается с хорошей скоростью между уровнями насыщения, и реакция мгновенная.

2. Точность - Точность схемы компаратора обуславливает следующие характеристики: -

(a) Усиление высокого напряжения - Считается, что схема компаратора имеет характеристику усиления высокого напряжения, что приводит к требованию меньшего напряжения гистерезиса.В результате выходное напряжение компаратора переключается между верхним и нижним уровнями насыщения.

(b) Высокий коэффициент подавления синфазного сигнала (CMRR) - Параметры входного синфазного напряжения, такие как шум, подавляются с помощью высокого коэффициента подавления синфазного сигнала.

(c) Очень малый входной ток смещения и входное напряжение смещения - Незначительное количество входного тока смещения и входного напряжения смещения вызывает меньшее количество проблем смещения. Чтобы уменьшить дальнейшие проблемы смещения, можно использовать схемы компенсации напряжения смещения и резисторы, минимизирующие смещение.

Компараторы OPAMP - Electronics-Lab.com

Введение

В большинстве предыдущих руководств по операционным усилителям в схемах была петля обратной связи с инвертирующим входом. Эта конструкция является наиболее распространенной, поскольку она действительно обеспечивает стабильность и позволяет избежать нежелательных эффектов насыщения, и ее также принято называть линейным режимом .

С другой стороны, когда к инвертирующему входу не применяется обратная связь, операционный усилитель, как говорят, работает в нелинейном режиме , мы также можем сказать, что в конфигурации с разомкнутым контуром . Компараторы - это специальные схемы операционных усилителей, которые предназначены для работы в нелинейном режиме и могут использоваться в качестве простых логических вентилей.

Представление схемы вместе с основными сведениями о компараторах дается в первом разделе.

Во втором разделе мы увеличиваем сложность схемы, чтобы показать, как преобразовать так называемую «точку перелома» или «порог» компаратора. Мы показываем, что возможность преобразования этого значения важна для правильного проектирования детекторов уровня.

Триггеры Шмитта обсуждаются в третьем абзаце, мы увидим, как работают такие компараторы и как их можно использовать в реальных приложениях. Более того, мы подчеркиваем их преимущества, сравнивая их с базовыми компараторами.

Презентация

Неинвертирующий компаратор

Самый простой компаратор состоит из операционного усилителя без резистора или контура обратной связи, сигнал для сравнения - V 1 и подает неинвертирующий вход, опорный сигнал V ref подает инвертирующий вход, выход помечен V из , а мощность питания - V S + и V S- , которые могут быть симметричными или нет.

рис 1: Представление схемы неинвертирующего компаратора

В этом разделе презентации мы представим и допустим, что V ref составляет основу, и поэтому V ref = 0. Более того, допустим, что питание симметричное (V S + = -V S- ).

Принцип действия этой схемы чрезвычайно прост и может быть резюмирован в зависимости от значения V 1 :

  • Если V 1 > V ref , V out = V S +
  • Если V 1 ref , V out = V S-

Отсутствие обратной связи на инвертирующем входе заставляет усилитель насыщаться до уровня мощности источника питания, когда дифференциальный вход V в = V 1 -V ref = V 1 становится немного выше нуля в абсолютное значение

Входная / выходная характеристика, связанная со схемой Рисунок 1 - это функция, подобная Хевисайду, показанная на Рисунке 2 ниже:

рис 2: Передаточная характеристика неинвертирующего компаратора

Если синусоидальный сигнал применяется в качестве входа, компаратор может использоваться для преобразования синусоидального сигнала в прямоугольный:

рис. 3: Зависящий от времени выход компаратора с входным синусом
Инвертирующий компаратор

В предыдущем подразделе сигнал для сравнения подавался на неинвертирующий вход, в то время как опорный сигнал был на инвертирующем входе операционного усилителя.Однако роли можно поменять местами, чтобы получить инвертирующий компаратор, такой как показано на Рис. 4 :

. рис. 4: Представление схемы инвертирующего компаратора

В этом случае значение выхода определяется этими двумя условиями:

  • Если V 1 ref , V out = V S +
  • Если V 1 > V ref , V out = V S-

Передаточная характеристика для этой конфигурации также является функцией Хевисайда, но с положительным насыщением, происходящим для V 1 <0 и отрицательным для V 1 > 0:

рис. 5: Передаточная характеристика инвертирующего компаратора

Перемещение точки опрокидывания

Некоторая сложность может быть добавлена ​​делителем напряжения в опорной ветви либо неинвертирующего, либо инвертирующего компаратора, чтобы преобразовать точку опрокидывания.Переломный момент - это значение V 1 , для которого выходной сигнал внезапно меняется с высокого (соответственно низкого) на низкий (соответственно высокий) значение. В предыдущем разделе переломный момент всегда наступал для V 1 = 0.

Рассмотрим компаратор, представленный на рис. 6 :

рис.6: Неинвертирующий компаратор с положительной точкой опрокидывания

Благодаря делителю напряжения на инвертирующий вход операционного усилителя подается альтернативное опорное напряжение, обозначенное как V ’ ref .Этот новый эталон удовлетворяет формуле делителя напряжения: V ’ ref + = + V S (R 2 / (R 1 + R 2 )). Обратите внимание, что на делитель напряжения также может подаваться отрицательный источник питания V S-, в этом случае альтернативная ссылка представляет собой отрицательный знак (мы обозначаем ее как V ’ ref-).

Эти наблюдения можно обобщить в следующих передаточных характеристиках:

рис. 7: Передаточные характеристики неинвертирующего компаратора с положительной (слева) и отрицательной (справа) точкой перегиба

Если мы рассмотрим инвертирующий компаратор, действие той же схемы делителя напряжения будет иметь противоположный эффект.Действительно, если на делитель напряжения подается положительный (соответственно отрицательный) источник питания, то смещение точки опрокидывания будет отрицательным (соответственно положительным). Кроме того, сигнал инвертируется, как показано на Рисунок 5 .

Вход, зависящий от времени

Перемещение точки перелома позволяет установить пороговый уровень компаратора на ненулевой уровень. Когда в схему подается переменный входной сигнал, такой как выход датчика света или температуры, с помощью этого базового компаратора можно создать простой датчик уровня.

рис 8: Работа датчика уровня

Триггер Шмитта

Триггер неинвертирующий

Перенос точки перелома также может быть реализован путем добавления схемы делителя напряжения в качестве контура обратной связи в неинвертирующей ветви, инвертирующая ветвь заземлена (V ref = 0). Полная конфигурация показана ниже на рис. 9 , рис. 9 , он также известен как триггер Шмитта , мы возьмем в качестве примера неинвертирующий компаратор:

рис. 9: Представление схемы неинвертирующего триггера Шмитта

В ситуации, предложенной в рис. 9 , дифференциальный вход может быть записан как V в формате = V + -V ref = V + .Более того, напряжение V + может быть записано как суперпозиция V 1 и V из благодаря теореме Миллмана:

Дифференциальный вход равен нулю, когда V 1 = -V out (R 1 / R 2 ). Поскольку выходное значение может быть равно только V S или -V S , есть два значения V 1 , которые можно рассматривать как точки перелома, мы обозначаем их V T + и V . Т- для «порога»:

  • V T + = V S (R 1 / R 2 ) - верхний порог, для которого V out = V S- → V S +
  • V T- = -V S (R 1 / R 2 ) - нижний порог, для которого V out = V S + → V S-

Входная / выходная характеристика неинвертирующего триггера Шмитта представляет собой график гистерезиса, представленный на Рис. 10 :

рис 10: Передаточная характеристика неинвертирующего триггера Шмитта
Инвертирующий триггер

Мы также можем рассмотреть такой же положительный отзыв для инвертирующей конфигурации:

Рис 11: Инвертирование схемы триггера Шмитта

В этом случае дифференциальный вход может быть записан как V in = V out (R 1 / (R 1 + R 2 )) - V 1 , входное напряжение V 1 , которое отменяет дифференциальный вход, поэтому определяется как V 1 = -V out (R 1 / (R 1 + R 2 )).

В зависимости от знака V out могут быть определены два пороговых значения, характерные для конфигурации инвертирования:

  • V T + = -V S (R 1 / (R 1 + R 2 ))
  • V T- = + V S (R 1 / (R 1 + R 2 ))

Соответствующий график гистерезиса для инвертирующего триггера Шмитта приведен на Рисунок 12 :

рис. 12: Передаточная характеристика инвертирующего триггера Шмитта
Приложения

Триггеры и компараторы Шмитта в целом, как мы кратко представили в рис. 8 , в основном используются для преобразования аналоговых сигналов в цифровые.

Однако «базовые» компараторы обладают тем недостатком, что их срабатывает фоновый шум. Одним из наиболее ценных свойств триггеров Шмитта является их помехозащищенность , что означает, что компаратор будет переключаться между низким и высоким выходным состояниями только тогда, когда вход эффективно запускает его. Более того, поскольку высокое выходное состояние запускается верхним порогом, а низкое выходное состояние - нижним порогом, триггеры Шмита обычно добавляют задержку по сравнению с «базовыми компараторами».

При повторном рассмотрении Рис. 8 мы можем представить, что во время второго глобального изменения освещенности два пика могут быть связаны с некоторым шумом (например, исходящим от пользователя).

Благодаря гистерезису, который может быть достигнут с помощью триггера Шмитта , если нижний порог установлен ниже минимального уровня шума, фоновый шум не запускает компаратор:

рис. 13: Сравнение «базового» компаратора и триггера Шмитта для приложения определения уровня

Заключение

Компараторы

- это операционные усилители, которые специально разработаны для работы в разомкнутом контуре или с положительной обратной связью , что является одновременно нестабильным и нелинейным режимами.Их выход может быть равен только двум различным значениям, которые приблизительно соответствуют напряжениям источника питания. Выходное или насыщающее напряжение, в зависимости от входного сигнала. Этот вход сравнивается с опорным напряжением, которое устанавливает порог компаратора.

Во втором разделе мы увидели, что пороговое напряжение может быть изменено путем добавления простой схемы делителя напряжения к инвертирующей ветви операционного усилителя. Базовые компараторы работают в разомкнутом контуре и имеют только один порог, что упрощает их проектирование и обеспечивает быстрый отклик.

Третий раздел посвящен триггерам Шмитта , которые обладают тем преимуществом, что их не запускает фоновый шум, как, например, базовый компаратор. Триггеры Шмитта не работают в конфигурации с разомкнутым контуром, а вместо этого работают с положительной обратной связью на их неинвертирующий вход. Это позволяет им иметь два пороговых уровня (высокий и низкий), как следствие, их передаточная характеристика является гистерезисом.

Операционный усилитель

: основы, типы и применение | Статья

.

СТАТЬЯ


Получайте ценные ресурсы прямо на ваш почтовый ящик - рассылается раз в месяц

Мы ценим вашу конфиденциальность

Что такое операционный усилитель?

Операционный усилитель (ОУ) - это блок аналоговой схемы, который принимает входное дифференциальное напряжение и выдает несимметричный выходной сигнал напряжения.

Операционные усилители

обычно имеют три клеммы: два входа с высоким сопротивлением и выходной порт с низким сопротивлением. Инвертирующий вход обозначается знаком минус (-), а неинвертирующий вход использует положительный знак (+). Операционные усилители работают для усиления разности напряжений между входами, что полезно для множества аналоговых функций, включая цепочку сигналов, питание и приложения управления.

Классификация операционных усилителей

Существует четыре способа классификации операционных усилителей:

  • Усилители напряжения принимают напряжение и создают напряжение на выходе.
  • Усилители тока получают токовый вход и выдают токовый выход.
  • Усилители крутизны преобразуют входное напряжение в выходной ток.
  • Трансрезистивные усилители преобразуют входной ток и выдают выходное напряжение.

Поскольку большинство операционных усилителей используются для усиления напряжения, в этой статье основное внимание будет уделено усилителям напряжения.

Операционные усилители: основные характеристики и параметры

Операционные усилители (см. Рисунок 1) имеют много различных важных характеристик и параметров.Эти характеристики более подробно описаны ниже.

Рисунок 1: Схема операционного усилителя

Коэффициент усиления без обратной связи

Коэффициент усиления разомкнутого контура: Коэффициент усиления разомкнутого контура («A» на рис. 1 ) операционного усилителя является мерой усиления, достигаемого при отсутствии обратной связи в схеме. Это означает, что цепь обратной связи разомкнута. Коэффициент усиления без обратной связи часто должен быть чрезвычайно большим (10 000+), чтобы быть полезным сам по себе, за исключением компараторов напряжения.

Компараторы

напряжения сравнивают напряжения на входных клеммах. Даже при небольших перепадах напряжения компараторы напряжения могут направлять выходной сигнал либо на положительную, либо на отрицательную шины. Высокие коэффициенты усиления без обратной связи полезны в конфигурациях с обратной связью, поскольку они обеспечивают стабильное поведение схемы при изменении температуры, процесса и сигнала.

Входное сопротивление

Другой важной характеристикой операционных усилителей является то, что они обычно имеют высокий входной импеданс («Z IN » на рис. 1 ).Входное сопротивление измеряется между отрицательной и положительной входными клеммами, и его идеальное значение равно бесконечности, что минимизирует нагрузку на источник. (На самом деле происходит небольшая утечка тока.) Размещение схемы вокруг операционного усилителя может значительно изменить эффективное входное сопротивление источника, поэтому внешние компоненты и контуры обратной связи должны быть тщательно настроены. Важно отметить, что входное сопротивление определяется не только входным сопротивлением постоянному току. Входная емкость также может влиять на поведение схемы, поэтому это также необходимо учитывать.

Выходное сопротивление

Операционный усилитель в идеале должен иметь нулевой выходной импеданс («Z OUT » на рис. 1 ). Однако выходное сопротивление обычно имеет небольшое значение, которое определяет величину тока, который он может выдавать, и насколько хорошо он может работать в качестве буфера напряжения.

Частотная характеристика и полоса пропускания (BW)

Идеальный операционный усилитель должен иметь бесконечную полосу пропускания (BW) и поддерживать высокий коэффициент усиления независимо от частоты сигнала.Однако все операционные усилители имеют конечную полосу пропускания, обычно называемую «точкой -3 дБ», где коэффициент усиления начинает падать с увеличением частоты. Затем коэффициент усиления усилителя уменьшается со скоростью -20 дБ / декаду, а частота увеличивается. Операционные усилители с более высокой полосой пропускания обладают улучшенными характеристиками, поскольку они поддерживают более высокий коэффициент усиления на более высоких частотах; однако этот более высокий выигрыш приводит к большему энергопотреблению или увеличению стоимости.

Рисунок 2: Кривая частотной характеристики разомкнутого контура операционного усилителя

Продукт усиления полосы пропускания (GBP)

Как следует из названия, GBP - это произведение коэффициента усиления и полосы пропускания усилителя.GBP является постоянной величиной на кривой, и ее можно рассчитать с помощью Уравнение (1):

$$ GBP = Прирост x Полоса пропускания = A x BW $$

GBP измеряется в точке частоты, в которой коэффициент усиления операционного усилителя достигает единицы. Это полезно, потому что позволяет пользователю рассчитать коэффициент усиления разомкнутого контура устройства на разных частотах. GBP операционного усилителя обычно является мерой его полезности и производительности, поскольку операционные усилители с более высоким коэффициентом полезного действия могут использоваться для достижения лучших характеристик на более высоких частотах.

Это основные параметры, которые следует учитывать при выборе операционного усилителя в вашей конструкции, но есть много других факторов, которые могут повлиять на вашу конструкцию, в зависимости от приложения и требований к производительности. Другие общие параметры включают входное напряжение смещения, шум, ток покоя и напряжения питания.

Отрицательная обратная связь и усиление с обратной связью

В операционном усилителе отрицательная обратная связь реализуется путем подачи части выходного сигнала через внешний резистор обратной связи и обратно на инвертирующий вход (см. Рисунок 3) .

Рисунок 3: Отрицательная обратная связь с инвертирующим операционным усилителем

Отрицательная обратная связь используется для стабилизации усиления. Используя отрицательную обратную связь, коэффициент усиления с обратной связью можно определить с помощью внешних компонентов обратной связи, которые могут иметь более высокую точность по сравнению с внутренними компонентами операционного усилителя. Это связано с тем, что внутренние компоненты операционного усилителя могут существенно отличаться из-за технологических сдвигов, изменений температуры, изменения напряжения и других факторов. Коэффициент усиления с обратной связью можно рассчитать с помощью Уравнение (2) :

$$ \ frac {V_ {OUT}} {V_ {IN}} = \ frac 1 f $$

Операционные усилители: преимущества и ограничения

Использование операционного усилителя дает множество преимуществ.Операционные усилители часто имеют форму ИС и широко доступны с бесчисленным количеством выбираемых уровней производительности для удовлетворения потребностей любого приложения. Операционные усилители имеют широкий диапазон применений и, как таковые, являются ключевым строительным блоком во многих аналоговых приложениях, включая конструкции фильтров, буферы напряжения, схемы компараторов и многие другие. Кроме того, большинство компаний предоставляют поддержку моделирования, такую ​​как модели PSPICE, чтобы дизайнеры проверяли свои проекты операционных усилителей перед созданием реальных проектов.

Ограничения на использование операционных усилителей включают тот факт, что они являются аналоговыми схемами, и требуют, чтобы разработчик понимал основы аналоговой обработки, такие как нагрузка, частотная характеристика и стабильность. Нет ничего необычного в том, чтобы спроектировать, казалось бы, простую схему операционного усилителя, только чтобы включить ее и обнаружить, что она колеблется. Из-за некоторых ключевых параметров, обсужденных ранее, разработчик должен понимать, как эти параметры влияют на его дизайн, что обычно означает, что разработчик должен иметь опыт аналогового проектирования от среднего до высокого.

Топологии конфигурации операционных усилителей

Существует несколько различных схем операционного усилителя, каждая из которых отличается по функциям. Ниже описаны наиболее распространенные топологии.

Повторитель напряжения

Самая простая схема операционного усилителя - это повторитель напряжения (см. Рисунок 4) . Эта схема обычно не требует внешних компонентов и обеспечивает высокий входной импеданс и низкий выходной импеданс, что делает ее полезным буфером.Поскольку входное и выходное напряжение равны, изменения на входе вызывают эквивалентные изменения выходного напряжения.

$$ V_ {OUT} = V_ {IN} $$

Рисунок 4: Повторитель напряжения

Наиболее распространенными операционными усилителями, используемыми в электронных устройствах, являются усилители напряжения, которые увеличивают величину выходного напряжения. Инвертирующая и неинвертирующая конфигурации - две наиболее распространенные конфигурации усилителей. Обе эти топологии являются замкнутыми (это означает, что существует обратная связь от выхода к входным клеммам), и, таким образом, коэффициент усиления по напряжению устанавливается соотношением двух резисторов.

Инвертирующий операционный усилитель

В инвертирующих операционных усилителях операционный усилитель заставляет отрицательную клемму равняться положительной клемме, которая обычно является землей. Следовательно, входной ток определяется соотношением V IN / R1 (см. Рисунок 5) .

Рисунок 5: Инвертирующий операционный усилитель

В этой конфигурации такой же ток течет через R2 к выходу. В идеале ток не течет на отрицательную клемму операционного усилителя из-за высокого уровня Z IN .Ток, протекающий от отрицательной клеммы через R2, создает инвертированную полярность напряжения по отношению к V IN . Вот почему эти операционные усилители имеют инвертирующую конфигурацию. Обратите внимание, что выход операционного усилителя может качаться только между положительным и отрицательным питанием, поэтому для создания отрицательного выходного напряжения требуется операционный усилитель с отрицательной шиной питания. V OUT можно рассчитать по формуле (3) :

$$ V_ {OUT} = - \ left ({R_2} \ over {R_1} \ right) x V_ {IN} $$

Неинвертирующий операционный усилитель

В схеме неинвертирующего усилителя входной сигнал от источника подключается к неинвертирующей (+) клемме (см. Рисунок 6) .

Рисунок 6: Неинвертирующий операционный усилитель

Операционный усилитель вынуждает инвертирующее (-) напряжение на клеммах равняться входному напряжению, что создает ток, протекающий через резисторы обратной связи. Выходное напряжение всегда находится в фазе с входным напряжением, поэтому эта топология известна как неинвертирующая. Обратите внимание, что с неинвертирующим усилителем коэффициент усиления по напряжению всегда больше 1, что не всегда имеет место в инвертирующих конфигурациях. VOUT можно рассчитать с помощью уравнения (4) :

$$ V_ {OUT} = \ left (1 + \ frac {{R_2}} {R_1} \ right) x V_ {IN} $$

Компаратор напряжения

Компаратор напряжения операционного усилителя сравнивает входное напряжение и подает выход на шину питания того входа, который выше.Эта конфигурация считается работой без обратной связи, потому что нет обратной связи. Компараторы напряжения работают намного быстрее, чем топологии с обратной связью, описанные выше (см. Рисунок 7) .

Рисунок 7: Компаратор напряжения

Как выбрать операционный усилитель для вашего приложения

В разделе ниже обсуждаются некоторые соображения при выборе подходящего операционного усилителя для вашего приложения.

Во-первых, выберите операционный усилитель, который может поддерживать ожидаемый диапазон рабочих напряжений.Эту информацию можно получить, посмотрев на напряжения питания усилителя. Напряжения питания, вероятно, будут либо V DD (+) и заземлением (одинарное питание), либо усилитель может поддерживать как положительное, так и отрицательное питание. Отрицательное питание полезно, если выход должен поддерживать отрицательное напряжение.

Во-вторых, рассмотрим GBP усилителя. Если ваше приложение должно поддерживать более высокие частоты или требует более высокой производительности и меньшего искажения, рассмотрите операционные усилители с более высоким коэффициентом полезного действия.

Следует также учитывать энергопотребление, поскольку для некоторых приложений может потребоваться работа с низким энергопотреблением. Рекомендуемые требования к питанию обычно можно найти в техническом описании детали и обычно указаны как ток питания и потребляемая мощность. Потребляемая мощность также может быть оценена как произведение тока и напряжения питания. Как правило, операционные усилители с более низкими токами питания имеют меньшее значение GBP и соответствуют более низким характеристикам схемы.

Для приложений, требующих более высокой точности, разработчик должен уделять особое внимание входному напряжению смещения усилителя, поскольку это напряжение приводит к смещению выходного напряжения усилителя.

Сводка

Операционные усилители широко используются во многих аналоговых и силовых приложениях. Преимущества использования операционного усилителя в том, что они, как правило, широко понятны, хорошо документированы и поддерживаются, а также довольно просты в использовании и внедрении. Операционные усилители полезны для многих приложений, таких как буферы напряжения, создание аналоговых фильтров и пороговых детекторов. Обладая более глубоким пониманием ключевых параметров и распространенных топологий, связанных с операционными усилителями, вы можете приступить к их внедрению в свои схемы.

_________________________

Вам это показалось интересным? Получайте ценные ресурсы прямо на свой почтовый ящик - рассылайте их раз в месяц!

Получить техническую поддержку

2.3: Простой компаратор операционного усилителя

Теперь, когда вы почувствовали, что такое операционный усилитель и каковы некоторые типичные параметры, давайте взглянем на приложение. Одна вещь, которая привлекает внимание большинства людей, - это очень высокий коэффициент усиления среднего операционного усилителя.Типичный LF411 показал значение \ (A_ {vol} \) на уровне примерно 200 000. При таком высоком усилении очевидно, что даже очень слабые входные сигналы могут вызвать насыщение (ограничение) на выходе. Взгляните на рисунок \ (\ PageIndex {1} \). Здесь операционный усилитель питается от \ (\ pm \) 15 В и управляет нагрузкой 10 к \ (\ Omega \). Как видно из нашей модели на рис. 2.2.5, \ (V_ {out} \) должно равняться дифференциальному входному напряжению, умноженному на коэффициент усиления операционного усилителя, \ (A_ {vol} \).

\ [V_ {out} = A_ {vol} (V_ {in +} - V_ {in-}) \ notag \]

\ [V_ {out} = 200 000 \ раз (0.1 \ V − 0 \ V) \ notag \]

\ [V_ {out} = 20,000 \ V \ notag \]

Рисунок \ (\ PageIndex {1} \): Компаратор (один вход).

Операционный усилитель не может выдавать 20 000 В. В таблице данных указано максимальное выходное напряжение только \ (\ pm \) 13,5 В при использовании источников питания \ (\ pm \) 15 В. Выходной сигнал будет усечен до 13,5 В. Если входной сигнал уменьшится только до 1 мВ, выходной сигнал все равно будет ограничен до 13,5 В. Это верно, даже если мы подадим сигнал на инвертирующий вход, как показано на рисунке \ (\ PageIndex {2} \).

\ [V_ {out} = A_ {vol} (V_ {in +} - V_ {in-}) \ notag \]

\ [V_ {out} = 200 000 \ раз (0,5 \ V − 0,3 \ V) \ notag \]

\ [V_ {out} = 40 000 \ V \ notag \]

\ [V_ {out} = 13,5 \ V, \ text {из-за обрезки} \ notag \]

Рисунок \ (\ PageIndex {2} \): Компаратор (двойной ввод).

Компьютерное моделирование

Моделирование рисунка \ (\ PageIndex {2} \) с использованием Multisim показано на рисунке \ (\ PageIndex {3} \). Операционный усилитель LF411 выбран из библиотеки компонентов, и вам пока не нужно беспокоиться о внутренней структуре модели.Эта конкретная модель включает эффекты ограничений источника питания (то есть выходного насыщения), которых нет в очень простой модели зависимого источника, представленной ранее. Для входных сигналов используются отдельные источники постоянного тока. Хотя сигналы переменного тока не применяются, вполне допустимо запускать моделирование переходного режима. Отображается первая миллисекунда выходного напряжения. Он проверяет ручной расчет, показывая уровень постоянного тока чуть более 13,5 В.

Рисунок \ (\ PageIndex {3a} \): Пример компаратора в Multisim.

Рисунок \ (\ PageIndex {3b} \): Выход компаратора.

Для любого разумного набора входов, пока неинвертирующий сигнал больше, чем инвертирующий сигнал, выход будет иметь положительное насыщение. Если вы торгуете входными сигналами так, чтобы инвертирующий сигнал был больше, верно обратное. Пока инвертирующий сигнал больше неинвертирующего сигнала, выходной сигнал будет иметь отрицательное насыщение. Если инвертирующий и неинвертирующий сигналы идентичны, \ (V_ {out} \) должно быть 0 В.В реальном мире этого не произойдет. Из-за незначительных расхождений и смещений в каскаде дифференциала может возникнуть либо положительное, либо отрицательное насыщение. У вас нет быстрого способа узнать, в каком направлении он пойдет. По этой причине непрактично усиливать очень слабый сигнал, скажем, около 10 \ (\ mu \) V. Тогда вы можете спросить: «Какая польза от этого усилителя, если он всегда сжимается? Как я могу заставить его усилить простой сигнал? » Что ж, для обычного использования усилителя нам придется добавить некоторые дополнительные компоненты, и, используя отрицательную обратную связь (следующая глава), мы создадим несколько очень хорошо управляемых и полезных усилителей.Это не означает, что наша бесполезная схема операционного усилителя бесполезна. Напротив, мы только что создали компаратор.

Компаратор имеет два выходных состояния: высокий и низкий. Другими словами, это цифровой логический выход. Наш компаратор имеет высокий потенциал состояния 13,5 В и низкий потенциал состояния -13,5 В. Входные сигналы, напротив, представляют собой непрерывно изменяемые аналоговые потенциалы. Таким образом, компаратор - это интерфейс между аналоговой и цифровой схемой. Один вход будет считаться эталонным, а другой вход - чувствительной линией.Обратите внимание, что дифференциальный входной сигнал - это разница между входным сигналом и опорным входом. Когда полярность дифференциального входного сигнала изменяется, логический выход компаратора меняет состояние.

Пример \ (\ PageIndex {1} \)

На рисунке \ (\ PageIndex {4} \) показан детектор утечки света, который можно использовать в темной комнате фотографа. В этой схеме используется элемент из сульфида кадмия (CdS), который используется в качестве светочувствительного резистора. Инвертирующий вход операционного усилителя используется в качестве опорного входа с уровнем 1 В постоянного тока.Неинвертирующий вход используется как вход считывания. В нормальных условиях (без света) ячейка CdS действует как очень высокое сопротивление, возможно, 1 M \ (\ Omega \). В этих условиях установлен делитель напряжения с резистором 10 кОм, выдающий около 150 мВ на неинвертирующем входе. Помните, что загрузка делителя не происходит, потому что LF411 использует вход JFET. Поскольку неинвертирующий вход меньше инвертирующего входа, выход компаратора имеет отрицательное насыщение, или приблизительно -13.5 В. Если уровень окружающего освещения повышается, сопротивление ячейки CdS падает, тем самым повышая сигнал, подаваемый на неинвертирующий вход. В конце концов, если уровень освещенности достаточно высок, неинвертирующий входной сигнал превысит опорное значение 1 В, и выход компаратора перейдет в положительное насыщение, около +13,5 В. Этот сигнал затем может быть использован для запуска той или иной формы звуковой сигнализации. В реальной схеме потребуется гибкость регулируемого опорного сигнала вместо фиксированного опорного напряжения 1 В.Поменяв местами ячейку CdS и резистор 10 кОм (\ Omega \) и отрегулировав опорное значение, можно создать инверсную схему (т. Е. Сигнал тревоги, который определяет темноту).

Цепи этого типа могут использоваться для определения различных условий превышения / недостаточного уровня, включая температуру и давление. Все, что нужно, - это подходящее чувствительное устройство. Компараторы также могут использоваться с входными сигналами переменного тока.

Рисунок \ (\ PageIndex {4} \): Световая сигнализация.

Пример \ (\ PageIndex {2} \)

Иногда необходимо преобразовать сигнал переменного тока в квадрат для дальнейшей обработки.То есть мы должны превратить его в эквивалентный импульсный сигнал. Одним из примеров этого может быть частотомер. Частотомер подсчитывает количество переходов от высокого к низкому или от низкого к высокому во входном сигнале за определенный промежуток времени. Для точного подсчета требуются хорошие переходы краев. Поскольку простая синусоидальная волна изменяется относительно медленно по сравнению с прямоугольной частотой равной частоты, в показаниях может возникать некоторая неточность. Мы можем превратить вход в импульсный выход, пропустив его через компаратор, показанный на рисунке \ (\ PageIndex {5} \).Обратите внимание, что опорный сигнал регулируется от -15 до +15 В. Обычно опорный сигнал устанавливается на 0 В. Каждый раз, когда входной сигнал больше, чем опорный, на выходе будет положительное насыщение. Когда входной сигнал меньше эталонного, выход будет иметь отрицательное насыщение. Делая эталон регулируемым, мы контролируем рабочий цикл выходного сигнала, а также можем компенсировать смещения постоянного тока на входном сигнале. Типичный набор входных / выходных сигналов показан на рисунке \ (\ PageIndex {6} \).

Рисунок \ (\ PageIndex {5} \): Схема «Прямоугольник».

Рисунок \ (\ PageIndex {6} \): Выход прямоугольной схемы.

У нашего простого компаратора операционного усилителя есть несколько ограничений. При очень быстрых изменениях сигнала обычный операционный усилитель не сможет точно отслеживать его выход. Кроме того, диапазон выходного сигнала достаточно широк и биполярен. Он совершенно не совместим с обычными логическими схемами TTL. Для правильного взаимодействия требуется дополнительная схема ограничения. Чтобы уменьшить эти проблемы, ряд схем был специально оптимизирован для работы с компараторами.Мы более подробно рассмотрим некоторые из них в седьмой главе.

Идеальный операционный усилитель (операционный усилитель)

Ultimate Electronics: практическое проектирование и анализ схем


Идеальная модель операционного усилителя является ключевым строительным блоком при разработке аналоговых фильтров, усилителей, генераторов, источников и многого другого. Читать 13 мин

Операционные усилители, обычно сокращаемые до «операционных усилителей», являются важным строительным блоком аналоговых электронных систем.В различных конфигурациях с несколькими другими компонентами операционные усилители могут использоваться для обработки и управления аналоговым сигналом напряжения множеством различных способов. Сюда входят многие виды фильтров (низкочастотный, высокочастотный, полосовой, интегратор, дифференциатор), усилители (буферные, инвертирующие, неинвертирующие, дифференциальные, суммирующие, измерительные), генераторы, компараторы, источники (напряжение, ток ), преобразователи (напряжение-ток, ток-напряжение) и даже некоторые нелинейные приложения.

Эти приложения чрезвычайно полезны, и мы рассмотрим каждое из них по отдельности в следующих разделах, но сначала давайте разберемся с идеальным операционным усилителем самостоятельно.


Сегодня операционный усилитель - это интегральная схема (ИС), содержащая несколько десятков отдельных транзисторов и пассивных компонентов. Исторически сложилось так, что до эпохи ИС (1960-1970-е годы) большинство усилителей или каскадов обработки аналоговых сигналов были специально разработаны для конкретного приложения, чтобы избежать относительно высокой сложности и стоимости операционного усилителя. Но теперь, когда операционные усилители на ИС имеют всего несколько выводов и стоят всего несколько копеек, обычно имеет смысл воспользоваться их огромным потенциалом для упрощения аналоговых схем.

Большинство операционных усилителей стремятся работать как идеальный операционный усилитель , теоретическая модель, которая хорошо работает при моделировании и позволяет легко решать схемы вручную. В результате большинство разработчиков и аналитиков рассматривают операционный усилитель как идеальный, и с этого мы начнем.

Позже мы обсудим, каким образом эта идеальность нарушается в реальных неидеальных операционных усилителях. Эти ограничения имеют решающее значение для понимания, когда вы можете приблизить свой анализ к идеальному операционному усилителю, а когда нет.Они также могут помочь вам выбрать правильный операционный усилитель для реализации вашего дизайна.


Идеальный операционный усилитель - это усилитель напряжения с двумя входами и одним выходом:

Два входа называются неинвертирующим входом (+) и инвертирующим входом (-) .

Внимательно следите за знаками + и - внутри треугольника! Операционный усилитель обычно рисуется в любом направлении, со знаком + сверху или снизу, в зависимости от того, что упрощает рисование остальной схемы.(В CircuitLab выберите операционный усилитель и нажмите «V», чтобы перевернуть символ по вертикали.) Если вы случайно поменяете местами два входа, ваш дизайн не будет работать ни на бумаге, ни в реальном мире!

Концептуально идеальный операционный усилитель вычитает два входа, а затем умножает эту разницу на огромное число, называемое усилением разомкнутого контура AOL :

Vout = AOL (V + −V-)

В качестве шагов обработки сигнала это вычитание и умножение выглядит так:

В качестве альтернативы, идеальный операционный усилитель можно смоделировать как источник напряжения с регулируемым напряжением (VCVS):

Если вы посмотрите внимательно, модель VCVS выше поднимает новый вопрос: почему внутри операционного усилителя внезапно появилась земля? Поскольку напряжения всегда относительны, это означает, что Voffset = 0 в более полном и правильном уравнении:

(Vout − Voffset) = AOL (V + −V-) Vout = AOL (V + −V -) + Voffset

Если мы возьмем операционный усилитель и закоротим входные клеммы так, чтобы V + −V- = 0 , на выходе будет Vout = Voffset .В реальном мире, в реальном операционном усилителе с закороченными входами, на выходе не обязательно будет какое-либо конкретное напряжение, и какое бы оно ни было напряжение, оно обязательно будет относительно того, что мы измеряем. Однако при анализе идеальной схемы операционного усилителя мы обычно предполагаем Voffset = 0. в качестве упрощающего предположения, потому что либо:

  • Операционный усилитель используется в конфигурации с обратной связью с обратной связью , где статическое смещение становится несущественным после применения правил обратной связи (особенно с учетом того, что коэффициент усиления AOL такой большой), или
  • Операционный усилитель используется в разомкнутой конфигурации без обратной связи, и в этом случае мы все равно быстро доводим выход до нелинейного, неидеального поведения.

Насколько велик выигрыш? В реальных неидеальных операционных усилителях типичные значения коэффициента усиления разомкнутого контура составляют от сотен тысяч до десятков миллионов:

AOL, неидеальный, тип = 105-107

Это действительно здорово! Разница в милливольтах на входах становится на выходе сотнями или тысячами вольт! Он настолько велик, что при анализе операционного усилителя идеального мы делаем еще одно упрощающее предположение, принимая предел, предполагающий, что коэффициент усиления стремится к бесконечности:

Vout = AOL (V + −V-) AOL, идеальный → ∞

Это алгебраическая модель идеального операционного усилителя : она вычитает напряжение на инвертирующем входе из неинвертирующего входа, а затем умножает разницу на очень большой коэффициент усиления, приближающийся к бесконечности.

Даже в реальных операционных усилителях таблица данных часто гарантирует только минимальное усиление при разомкнутом контуре , но не максимальное. Вы не можете и не должны разрабатывать схему, полагаясь на точное значение коэффициента усиления операционного усилителя в разомкнутом контуре.

Трудно думать о бесконечности! Один полезный мысленный трюк - приостановить время и представить, что происходит в динамике: вместо того, чтобы сразу прыгать в бесконечность, представьте, что при небольшой разнице входных сигналов выходное напряжение идеального операционного усилителя просто начинает расти, расти, приближаться к бесконечности! Позже мы представим различные конфигурации обратной связи с обратной связью, и вы увидите, что это быстрое повышение выходного напряжения в конечном итоге возвращается, чтобы повлиять на один или оба входа одного и того же операционного усилителя, так что не беспокойтесь: бесконечность долго не протянет.

С бесконечностями тоже может быть сложно справиться с алгеброй. Предлагается оставить AOL на месте в качестве переменной, и только в конце возьмем предел AOL → ∞ .


Идеальный операционный усилитель непрерывно измеряет напряжения на входах и регулирует выходное напряжение:

  • Если на неинвертирующем (+) входе напряжение на выше, чем на инвертирующем (-) входе, то операционный усилитель на увеличит свое выходное напряжение на .
  • Если неинвертирующий (+) вход находится на более низком напряжении , чем инвертирующий (-) вход, операционный усилитель уменьшит свое выходное напряжение на .

В форме уравнения:

Vout увеличивается, если V +> V-Vout уменьшается, если V +

Если обратная связь присутствует и в правильном направлении, то операционный усилитель будет постоянно корректировать свое выходное напряжение до тех пор, пока два входных напряжения не станут одинаковыми.


Есть ряд других предположений, которые инженеры делают об идеальных операционных усилителях. Все эти предположения будут нарушены для реальных (неидеальных) операционных усилителей, поэтому следите за тем, как они могут повлиять на вашу схему.

Узнав об этих предположениях об идеальности, мы можем решить, когда мы можем спроектировать схему, предполагая, что операционный усилитель идеален (и, следовательно, его намного легче анализировать), и когда эта упрощенная модель может вступить в противоречие с реальностью. Мы рассмотрим эти вопросы более подробно в следующих разделах.

Никакой ток не может течь на входные клеммы идеального операционного усилителя или выходить из них. Входные клеммы могут измерять только свое напряжение. От Thevenin Equivalent Circuits это все равно что сказать, что входной импеданс на входных клеммах бесконечен: Zin = ∞

Выход идеального операционного усилителя может удерживать Vout. и подавать любое количество тока, входящего или выходящего, без изменения напряжения.В эквивалентной модели Thevenin, если смотреть на выходную клемму (и землю), она выглядит как источник напряжения с нулевым сопротивлением - следовательно, с нулевым выходным сопротивлением: Zout = 0

В идеальных операционных усилителях мы предполагаем, что неинвертирующий и инвертирующий входы идеально сбалансированы, так что Vout = AOL (V + −V-) . В реальном мире из-за производственных процессов существует некоторое входное напряжение смещения, такое что Vout = AOL (V + −V- + Vinput offset) . Вы можете подумать об этом концептуально, просто добавив небольшой источник напряжения последовательно с одним из входов.Если точность постоянного тока имеет значение, это входное смещение (даже всего несколько милливольт!) Может иметь большое значение, особенно потому, что оно может дрейфовать во время работы схемы. Но в идеальном операционном усилителе мы предполагаем: смещение Vinput = 0

На схематическом изображении идеального операционного усилителя отсутствуют подключения к источнику питания, но настоящий операционный усилитель должен откуда-то получать питание и подавать питание на схему. В таблице это начинается с тока покоя операционного усилителя IQ. . (См. Раздел «Питание» для обсуждения учета мощности и энергии в цепях.В идеальных операционных усилителях мы рассматриваем это как VCVS: это активный источник, который может подавать питание на схему.

Скорость, с которой операционный усилитель может изменять свое выходное напряжение, называется скоростью нарастания . В реальных операционных усилителях существует предел скорости роста или падения выходной мощности, измеряемый в Vs. . (Это похоже на мысленный трюк с размышлением о бесконечном усилении разомкнутого контура, о котором говорилось выше.) В идеальных операционных усилителях мы допускаем бесконечную скорость нарастания напряжения: выходной сигнал может двигаться бесконечно быстро.

В дополнение к пределу скорости нарастания напряжения (который является нелинейным пределом), существует также ограничение полосы пропускания в реальных операционных усилителях: они не реагируют на все частоты.Реальные операционные усилители имеют коэффициент усиления без обратной связи, который зависит от частоты, AOL (f). , а на высоких частотах он уменьшается. В частности, произведение коэффициента усиления на полосу пропускания (GBW) - это частота, на которой коэффициент усиления разомкнутого контура операционного усилителя падает до 1. Примечательно, что коэффициент усиления начинает падать намного раньше этой частоты. Но в идеальных операционных усилителях мы предполагаем, что коэффициент усиления разомкнутого контура постоянный и большой (приближающийся к бесконечности) для всех частот.

Как подробно обсуждалось выше, мы предполагаем, что идеальные операционные усилители имеют коэффициент усиления, приближающийся к бесконечности.Реальные операционные усилители имеют конечное усиление без обратной связи, что может ограничивать степень усиления, которую мы можем получить от одного каскада операционного усилителя.

В идеальных операционных усилителях мы предполагаем, что если мы удвоим разницу входного напряжения, мы удвоим выходное напряжение. Настоящие операционные усилители состоят из нелинейных компонентов, и это неверно. Однако, поскольку операционные усилители используются в конфигурациях с обратной связью с обратной связью, обратная связь сохраняет разницу входного напряжения чрезвычайно малой, в пределах диапазона, в котором мы видим в основном линейное поведение.Можно с уверенностью предположить линейность идеального операционного усилителя.

Идеальный операционный усилитель может иметь входы любого значения; имеет значение только их различие. Но в реальном операционном усилителе будут ограничения на допустимые входные напряжения, чтобы предотвратить повреждение входных транзисторов. Вычитание не будет работать должным образом, если ваши входные данные превышают эти пределы, и ваша схема не будет работать так, как задумано. (Более тонко, вы получите нелинейные искажения до того, как достигнете жестких пределов.) В большинстве случаев пределы соответствуют положительному и отрицательному напряжению источника питания, но вы должны проверить таблицу, чтобы быть уверенным.

Идеальный операционный усилитель может выдавать любое напряжение. Но в реальном операционном усилителе вы ограничены возможностями выходных транзисторов. Эти пределы обычно соответствуют положительному и отрицательному напряжению источника питания, но вам следует проверить таблицу данных.

Идеальный операционный усилитель реагирует только на изменение напряжения на его неинвертирующих и инвертирующих входных контактах. Но настоящий операционный усилитель может «просачивать» некоторые отклонения от контактов источника питания на выход. (Это зафиксировано как спецификация коэффициента отклонения блока питания [PSRR] в таблице данных.) Это позволяет источнику питания с шумами испортить сигнал.

Идеальный операционный усилитель не добавляет шума к сигналу. Но в реальном операционном усилителе шум добавляется и, возможно, даже усиливается.


Идеальный операционный усилитель - это просто фантастика! К сожалению, все они распроданы. Настоящие операционные усилители на интегральных схемах, которые вы можете купить, не идеальны во всех отношениях, описанных выше, и производители полупроводников должны идти на собственные компромиссы, чтобы достичь своих целевых характеристик и ценовой категории.

В результате, если проблема аналогового дизайна, которую вы пытаетесь решить, особенно сложна в каком-либо направлении, вы, возможно, не захотите использовать операционный усилитель.Например, если вам нужно спроектировать каскад усилителя с абсолютно высокими частотными характеристиками или с абсолютно низким энергопотреблением, вы, вероятно, не собираетесь использовать операционный усилитель.

К счастью, в продаже есть тысячи различных моделей операционных усилителей, и все они делают разные компромиссы между этими неидеальными идеалами. Во многих случаях, понимая свою дизайнерскую проблему и то, как она соотносится с этими неидеальными идеалами, вы сможете найти тот, который отвечает вашим потребностям прямо из коробки!


Часто бывает полезно ослабить предположение о «неограниченном диапазоне выходного напряжения», приведенное выше, и вместо этого смоделировать идеальный операционный усилитель с шинами напряжения , где выходной сигнал должен находиться в пределах указанного диапазона.

Полезно запустить симуляцию DC Sweep, чтобы увидеть, как выглядит выходной сигнал идеального операционного усилителя с разомкнутым контуром, с шинами напряжения и без них. Две выходные кривые перекрываются посередине, когда пределы не превышены. Но с шинами напряжения линия В (Output_with) обрезается, чтобы стать плоской и горизонтальной после превышения пределов:

Exercise Щелкните, чтобы открыть и смоделировать приведенную выше схему, и посмотрите, как один выход кажется ограниченным при изменении входа.

(обратите внимание, что для многих реальных операционных усилителей его выход не может полностью качаться до положительной шины питания и не может полностью опускаться до отрицательной.)

Теперь, когда у нас есть идеальный операционный усилитель с шинами напряжения, мы можем использовать его в качестве компаратора напряжения без обратной связи. Бесконечное усиление идеального операционного усилителя на превосходит за счет ограничений по выходному напряжению, так что фактически:

Vout = Vlimit, posfor V +> V- + ϵVout = Vlimit, negfor V +

для очень маленьких ϵ .

Это можно продемонстрировать, подключив два генератора синусоидальных функций с разными частотами к двум входам операционного усилителя:

Exercise Щелкните, чтобы открыть и смоделировать схему выше. Посмотрите, как выходной сигнал достигает крайних значений при пересечении входов.

В реальном мире операционный усилитель - не лучший аналоговый компаратор напряжения: есть гораздо лучшие специализированные детали. Однако это одно из немногих приложений операционных усилителей без обратной связи, так что вы можете создать и протестировать его в своей лаборатории.


Полезно моделировать схемы операционного усилителя в области Лапласа, потому что мы можем решать системы обратной связи алгебраически. В частности, полезная модель для идеального операционного усилителя предполагает наличие конечного коэффициента усиления без обратной связи AOL. :

Еще более полезная модель включает в себя конечное произведение коэффициента усиления на полосу пропускания GBW. . Это моделируется как имеющий конечный коэффициент усиления AOL. на постоянном токе, с однополюсным фильтром нижних частот с угловой частотой fc = GBWAOL . ФНЧ имеет передаточную функцию Glpf (s) = 11 + sω. , где ω = 2πfc .Сочетание усиления и низких частот дает:

G (s) = AOL1 + s (AOL2πGBW)

и может быть реализован в CircuitLab, как показано:

Мы будем использовать эту модель в следующих разделах приложения для алгебраического решения примеров обратной связи с обратной связью.


Насколько полезно иметь усилитель с действительно огромным (в идеале бесконечным!) Усилением? Само по себе не так уж и много. В этом разделе мы изучили поведение разомкнутого контура, и наиболее полезным результатом является посредственный аналоговый компаратор напряжения.

Но как только мы построим схему вокруг идеального операционного усилителя, мы сможем «замкнуть контур» и приручить дико огромное усиление во что-то, что мы можем спроектировать и управлять с помощью с обратной связью с обратной связью . Оказывается, наличие компонента вычитания и умножения на бесконечность является почти магически полезным строительным блоком для широкого спектра потребностей обработки аналоговых сигналов. Мы рассмотрим их в следующих нескольких разделах, начиная с одного из самых простых: буфера напряжения операционного усилителя.


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

Операционный усилитель

как компаратор (компаратор напряжения)

Компараторы напряжения

Прежде чем анализировать операционный усилитель как компаратор, давайте посмотрим, что такое компаратор. Компараторы - это нелинейные схемы, которые, как следует из названия, служат для сравнения двух сигналов (один из которых обычно является опорным напряжением) и определения, какой из них больше или меньше.

Выходное напряжение имеет два состояния (двоичное) и работает как 1-битный аналого-цифровой преобразователь. Его использование очень важно в приложениях для генерации сигналов, обнаружения, модуляции сигналов и т. Д. И составляет базовый аналоговый блок во многих схемах. Функция компаратора заключается в сравнении двух напряжений, в результате чего получается высокое (VOH) или низкое (VOL) напряжение.

На втором изображении ниже показан символ компараторов, аналогичный тому, который используется для операционных усилителей.Эта операция компаратора, представленная в VTC на рисунке, может быть выражена как:

В случае, если напряжение Vn установлено на 0, тогда выходное напряжение V0 = VOL или V0 = VOH в зависимости от того, Vpp> 0, соответственно. Компаратор принимает аналоговые сигналы на входе и выдает двоичные сигналы на выходе. Этот элемент является связующим звеном между аналоговым и цифровым миром.

Операционные усилители могут работать как компараторы, когда дифференциальное усиление в разомкнутом контуре велико (> 10 000) и скорость не является критическим фактором.Например, операционный усилитель 741 работает как линейный входной элемент, если входное напряжение дифференциального режима находится между значениями –65 мкВ d <+ 65 мкВ.

За пределами этого диапазона выходной каскад усилителя переходит в режим насыщения и может работать как компаратор.

На рисунке ниже показано простое применение ОУ 741 в качестве компаратора. В усилителе отсутствует обратная связь, и VTC на изображении указывает, что всякий раз, когда Vi> VT, выходной сигнал низкий, и наоборот, если ViT выходной сигнал высокий.

Пределы высокого и низкого Vo устанавливаются напряжением питания; в данном случае ± 15В. На этом изображении показан пример работы этой схемы на аналоговом входе Vi.

Хотя операционные усилители могут функционально действовать как компараторы, их ограничения делают их непригодными для использования во многих приложениях. У них есть важное ограничение частоты, низкая скорость нарастания и настолько большие задержки, что они действительны только на низких частотах.

Кроме того, операционные усилители предназначены для работы в качестве усилителей и включают методы частотной компенсации, которые не нужны при работе в качестве компараторов.Иногда необходимо добавить дополнительные схемы, когда уровни напряжения должны быть совместимы с TTL, ECL или CMOS.

Из-за этих ограничений монолитные компараторы были разработаны специально для приложений сравнения.

Ошибка разрыва связи

    Приборная панель

    ECE 1050-005 Весна 2019

    Перейти к содержанию Приборная панель
    • Авторизоваться

    • Панель приборов

    • Календарь

    • Входящие

    • История

    • Помощь

    Закрывать