Практическое введение в операционные усилители

Инвертирующий усилитель с однополярным питанием

В некоторых случаях нам даже иногда нужно переместить нулевой уровень на более высокий “пьедестал”, чтобы мы могли полностью усиливать сигнал, если дело касается однополярного питания. Работать с однополярным питанием всегда проще и удобнее, чем с двухполярным. Поэтому, в этом случае надо поднять нулевой уровень на некоторый пьедестал, чтобы полностью усиливать переменный сигнал. То есть добавить постоянную составляющую в сигнал. В этом случае схема примет чуть-чуть другой вид:

Как можно увидеть, сейчас мы питаем наш ОУ однополярным питанием. Что будет, если мы НЕинвертирующий выход посадим на землю?

То есть мы получили базовую схему инвертирующего усилителя, но только с однополярным питанием. Давайте ппросимулируем такую схему. Коэффициент усиления в данном случае будет равен-10, так как мы взяли соотношение резисторов 10 килоом и 1 килоом. Загоняю на вход сигнал амплитудой в 1 В.

Что имеем в итоге на виртуальном осциллографе?

Как вы видите, в этом случае усиленная полуволна сигнала вырезается полностью. Оно и понятно, так как напряжение питания у нас однополярное и проломить “пол” нулевого потенциала невозможно. Но можно сделать одну хитрость: поднять “уровень пола” и дать сигналу место для размаха.

В этом случае нам надо добавить Uсм , для того, чтобы поднять сигнал над уровнем “пола”. Но не все так просто, дорогие друзья!

Здесь уже будет использоваться более хитрая формула, а не просто вольтдобавка. Приблизительная формула выглядит вот так:

Итак, мы хотим усилить наш сигнал полностью без среза. Какое же должно быть значение Uвых ? Оно должно иметь значение половины Uпит , чтобы сигнал ходил туда-сюда без срезов. Но также надо учитывать и коэффициент усиления, иначе получится насыщение выхода, о чем мы писали выше.

В нашем случае мы хотим увеличить сигнал амплитудой в 1 В в 10 раз. То есть Uпит должно быть как минимум 20 Вольт. Так как ОУ поддерживают однополярное питание до 32 В, то давайте для красоты выставим Uпит = 30 В. Рассчитываем Uсм :

Проверяем симуляцию, все ок!

Как здесь можно увидеть, желтый выходной сигнал поднялся над нулевым уровнем и усилился без искажений. В данном случае желтый сигнал – это сумма постоянного напряжения и переменного синусоидального сигнала.

То есть получилось что-то типа вот этого:

Хорошо это или плохо, когда в переменном сигнале есть постоянная составляющая, то есть постоянное напряжение? В некоторых случаях это плохо, потому как такой сигнал трудно использовать, и поэтому чаще всего его прогоняют через конденсатор, так как он пропускает через себя только переменный ток и блокирует прохождение постоянного тока. А еще лучше поставить фильтр из , с помощью которого можно отсекать лишние частоты.

Схема неинвертирующего усилителя со смещением неинвертирующего входа

Исходные данные для проведения расчета представлены в таблице 68.

Таблица 68. Исходные данные для расчета неинвертирующего усилителя

Вход Выход Питание
ViMin ViMax VoMin VoMax Vcc Vee Vref
-1 В 3 В 0,05 В 4,95 В 5 В 0 В 2,5 В

Краткое описание схемы

Схема неинвертирующего усилителя со входным смещением используется для преобразования входного сигнала 1…3 В в положительный сигнал 0,05…4,95 В (рисунок 78). Она,  в частности, применяется для масштабирования и смещения сигнала датчика с целью дальнейшей оцифровки при помощи АЦП.

Рис. 78. Неинвертирующий усилитель со смещением неинвертирующего входа

Рекомендуем отметить, что:

  • следует использовать операционный усилитель в линейном рабочем диапазоне напряжений. Он определяется в схеме с разомкнутой обратной связью (AOL);
  • диапазон синфазных напряжений должен соответствовать диапазону входных напряжений;
  • источник опорного напряжения Vref должен обладать низким импедансом;
  • входное сопротивление схемы является суммой сопротивлений R3 и R4;
  • для обеспечения стабильности следует использовать резисторы обратной связи с номиналом менее 100 кОм. Использование высокоомных резисторов уменьшит запас по фазе и приведет к увеличению уровня собственных шумов схемы;
  • частота среза схемы зависит от произведения коэффициента усиления на полосу пропускания (GBP) выбранного ОУ;
  • дополнительная фильтрация может быть выполнена путем добавления конденсатора параллельно резистору R Этот конденсатор также повышает устойчивость схемы.

Порядок расчета 

Выходное напряжение определяется по формуле 1:

$$V_{o}=V_{i}\times \left(\frac{R_{4}}{R_{3}+R_{4}} \right)\times \left(\frac{R_{1}+R_{2}}{R_{2}} \right)+V_{ref}\times \left(\frac{R_{3}}{R_{3}+R_{4}} \right)\times \left(\frac{R_{1}+R_{2}}{R_{2}} \right)\qquad{\mathrm{(}}{1}{\mathrm{)}}$$

Рассчитаем коэффициент усиления схемы по формуле 2:

$$G_{Input}=\frac{V_{oMax}-V_{oMin}}{V_{iMax}-V_{iMin}}=\frac{4.95\:В-0.05\:В}{3\:В-(-1\:В)}=1.225\frac{В}{В}\qquad{\mathrm{(}}{2}{\mathrm{)}}$$

Выберем сопротивления резисторов R1 и R4. Пусть R1 = R4 = 1 кОм.

Учитывая, что:

$$G_{Input}=\left(\frac{R_{4}}{R_{3}+R_{4}} \right)\times \left(\frac{R_{1}+R_{2}}{R_{2}} \right),$$

Получаем формулу 3:

$$1.225\frac{В}{В}=\left(\frac{1\:кОм}{R_{3}+1\:кОм} \right)\times \left(\frac{1\:кОм+R_{2}}{R_{2}} \right)\qquad{\mathrm{(}}{3}{\mathrm{)}}$$

Делая вычисления по формуле 3 относительно R3 получаем формулу 4:

$$R_{3}=\frac{1\:кОм\times 1\:кОм+(1\:кОм\times R_{2})}{1.225\frac{В}{В}\times R_{2}}-1\:кОм\qquad{\mathrm{(}}{4}{\mathrm{)}}$$

Выбираем точку на передаточной функции в линейном диапазоне ОУ для задания необходимого смещения на выходе, например, используя минимальное входное или выходное напряжение (формула 5):

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

Подставляем известные значения и формулу 5 для R3, и определяем R2:

R2 = 1360,5 Ом ≈ 1370 Ом.

Определяем R3 по формуле 4, подставляя найденное значение R2, и получаем значение R3 = 412,18 Ом ≈ 412 Ом. 

Моделирование схемы 

Передаточная характеристика схемы представлена на рисунке 79.

Рис. 79. Передаточная характеристика схемы

Моделирование в режиме переменных токов (малосигнальный AC-анализ) изображено на рисунке 80.

Рис. 80. Частотная характеристика схемы

Рекомендации

Для получения дополнительной информации следует обратиться к документу “Designing Gain and Offset in Thirty Seconds”.

Параметры ОУ, используемого при расчете, приведены в таблице 69.

Таблица 69. Параметры ОУ, используемого при расчете неинвертирующего усилителя

MCP6292
Vss 2,4…5,5 В
VinCM Rail-to-rail
Vout Rail-to-rail
Vos 0,3 мВ
Iq 600 мкА
Ib 1 пА
UGBW 10 МГц
SR 6,5 В/мкс
Число каналов 1, 2, 4

В качестве альтернативы может использоваться ОУ, параметры которого представлены в таблице 70.

Таблица 70. Параметры альтернативного ОУ

OPA388
Vss 2,5…5,5 В
VinCM Rail-to-rail
Vout Rail-to-rail
Vos 0,25 мкВ
Iq 1,9 мА
Ib 30 пА
UGBW 10 МГц
SR 5 В/мкс
Число каналов 1, 2, 4

Перевел Вячеслав Гавриков по заказу АО КОМПЭЛ

•••

Инвертирующий усилитель

Блок-схема ( а и принципиальная схема входного каскада ( б усилителя с дифференциальным входом.

Использование инвертирующих усилителей для этой цели в ряде случаев нецелесообразно. Указанная задача может быть решена использованием решающего усилителя с дифференциальным входным каскадом.

Схема инвертирующего усилителя на операционном усилителе.

Схема инвертирующего усилителя на основе операционного усилителя представлена на рис. 7.2. Принципиальной характеристикой этого усилителя является отрицательная обратная связь. Часть выходного сигнала подается на инвертирующий вход усилителя. Так как коэффициент усиления очень большой, а неинвертирующий вход заземлен, то небольшое напряжение на инвертирующем входе вызывает большое выходное напряжение противоположного знака, т.е. для стабильного состояния усилителя необходимо поддерживать нулевую разницу напряжений между входами.

Схема инвертирующего усилителя на ОУ изображена на рис. 4.52. Входной сигнал от генератора с ЭДС Ег и внутренним сопротивлением RT поступает на инвертирующий вход ОУ. Кроме того, на инвертирующий вход с помощью делителя R R2 подается сигнал ОС. Неин-вертирующуй вход ОУ заземлен.

Схема инвертирующего усилителя ( рис. 3.13) на транзисторах п-р — п типа предназначена для усиления сигналов отрицательной полярности. Для входных сигналов положительной полярности динамический диапазон сильно ограничен и определяется начальным током выходного транзистора.

Пропущенный через инвертирующий усилитель У / выходной сигнал цепочки интеграторов попадает вновь на вход цепочки усиленным и в нужной фазе.

Рассмотренный выше инвертирующий усилитель на ОУ является УПТ. В некоторых случаях ( в частности, для уменьшения Uoai) возникает необходимость в создании усилителей только переменного тока на ОУ. На рис. 3.46 приведена принципиальная схема инвертирующего усилителя переменного тока на ОУ с разделительным конденсатором С во входной цепи. Здесь имеет место дозированная параллельная ООС по переменному напряжению и 100 % — ной ООС по постоянному напряжению.

Выходное сопротивление инвертирующего усилителя, как и неинвертирующего, мало.

Принципиальная схема универсального усилителя.

Особым видом инвертирующего усилителя является суммирующий усилитель, используемый для смешения в электроакустике.

Выходное сопротивление инвертирующего усилителя, как и неинвертирующего, мало.

Входное сопротивление инвертирующего усилителя с отрицательной ОС при идеальных параметрах ОУ равно Ri, так как благодаря отрицательной ОС и идеальным параметрам ОУ в точке А инвертирующего усилителя будет нулевой потенциал. Следовательно, сопротивление резистора RI не должно чрезмерно нагружать источник сигнала. Сопротивление резистора R2 выбирается из соображений балансировки ОУ. Таким образом, сумма сопротивлений R и R2 зависит от напряжения смещения и разности входных токов. Так оцениваются параметры инвертирующего усилителя, когда параметры ОУ близки к идеальным.

Выходное сопротивление инвертирующего усилителя, как и неинвертирующего, мало.

Входное сопротивление инвертирующего усилителя на ОУ Лвхинв имеет относительно небольшую величину, что определяется параллельной ООС.

Питание операционных усилителей

Если выводы питания не указаны, то считается, что на ОУ идет двухполярное питание +E и -E Вольт. Его также помечают как  +U и -U, VCC и VEE, Vc и VE. Чаще всего это +15 и -15 Вольт. Двухполярное питание также называют биполярным питанием. Как это понять – двухполярное питание?

Давайте представим себе батарейку

Думаю, все вы в курсе, что у батарейки есть “плюс” и есть “минус”.  В этом случае “минус” батарейки принимают за ноль,  и уже относительно нуля считают напряжение батарейки. В нашем случае напряжение батарейки равняется 1,5 Вольт.

А давайте возьмем еще одну такую батарейку и соединим их последовательно:

Итак, общее напряжение у нас будет 3 Вольта, если брать за ноль минус первой батарейки.

А что если взять на ноль минус второй батарейки и относительно него уже замерять все напряжения?

Вот здесь мы как раз и получили двухполярное питание.

Неинвертирующий усилитель

Исходные данные к расчету представлены в таблице 7.

Таблица 7. Исходные данные к расчету неинвертирующего усилителя

Вход Выход Частота Питание
VIMin VIMax VOMin VOMax f Vcc Vee
-1 В 1 В -10 В 10 В 20 кГц 15 В -15 В

Описание схемы

Схема усиливает входной сигнал VI с коэффициентом усиления 10 В/В (рисунок 8). Источник сигнала может иметь высокий импеданс (например, единицы МОм), так как собственный входной импеданс схемы определяется огромным входным импедансом операционного усилителя (например, единицы ГОм). Синфазное напряжение неинвертирующего усилителя равно входному напряжению.

Рис. 8. Схема неинвертирующего усилителя на ОУ

Рекомендуем обратить внимание:

  • следует работать в линейном рабочем диапазоне напряжений ОУ. Этот диапазон обычно определяется в схеме с разомкнутой обратной связью (AOL);
  • входное сопротивление схемы равно входному импедансу операционного усилителя;
  • использование высокоомных резисторов может уменьшить запас по фазе и внести дополнительные помехи в схему;
  • не следует подключать емкостную нагрузку непосредственно к выходу усилителя, иначе могут возникнуть проблемы с устойчивостью;
  • малосигнальную полосу пропускания можно определить по коэффициенту усиления схемы и произведению коэффициента усиления на полосу пропускания (GBP). Дополнительная фильтрация может быть выполнена путем добавления конденсатора параллельно резистору R Этот конденсатор также повышает устойчивость схемы;
  • при работе с большими сигналами полоса пропускания ограничивается скоростью нарастания ОУ. Чтобы минимизировать вносимые искажения, следует изучить график зависимости скорости нарастания от частоты, приведенный в документации;
  • для получения дополнительной информации о линейном рабочем диапазоне ОУ, стабильности, искажениях, емкостной нагрузке, управлении АЦП и пропускной способности читайте раздел «Рекомендации».

Порядок расчета

Выходное напряжение неинвертирующего усилителя определяется по формуле 1:

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

Расчет коэффициента усиления осуществляется по формуле 2:

$$G=\frac{V_{OMax}-V_{OMin}}{V_{IMax}-V_{IMin}}=\frac{10\:В-(-10\:В)}{1\:В-(-1\:В)}=10\frac{В}{В}\qquad{\mathrm{(}}{2}{\mathrm{)}}$$

Расчет резисторов происходит по формуле 3:

$$G=1+\frac{R_{1}}{R_{2}}\qquad{\mathrm{(}}{3}{\mathrm{)}}$$

Зададим значение R1 = 9,09 кОм. Тогда значение R2 составит:
$$R_{2}=\frac{R_{1}}{G-1}=\frac{9.09\:кОм}{10-1}=1.01\:кОм$$

Расчет минимально допустимой скорости нарастания, требуемой для минимизации искажений:

$$SP>2\times \pi \times f\times V_{p}=6.28\times 20\:кГц\times 10\:В=1.257\frac{В}{мкс}$$

Скорость нарастания для OPA171 составляет 1,5 В/мкс. Таким образом, условие выполнено.

Чтобы избежать проблем со стабильностью, необходимо убедиться, что нули частотной характеристики, созданные резисторами и входной емкостью, лежат ниже полосы пропускания схемы (формула 4).

$$\frac{1}{2\times \pi \times (C_{CM}+C_{DIFF})\times (R_{2}\parallel R_{1})}>\frac{GBP}{G}\qquad{\mathrm{(}}{4}{\mathrm{)}}$$
После подстановки значений получаем:

$$29.18\:МГц>300\:кГц$$

В данном случае ССМ и CDIFF – синфазная и дифференциальная входные емкости операционного усилителя OPA171 (СCM = CDIFF = 3 пФ). Так как 29,18МГц > 300 кГц, то требуемое условие выполняется.

Моделирование схемы

Результат моделирования в режиме постоянных токов (DC-анализ) в виде графика показан на рисунке 9.

Рис. 9. Зависимость выходного напряжения ОУ от входного

Моделирование в режиме переменных токов (малосигнальный AC-анализ) в виде графика показано на рисунке 10.

Рис. 10. Частотная характеристика схемы

Рекомендации

Параметры ОУ, используемые в расчете, приведены в таблице 8.

Таблица 8. Параметры ОУ, используемые в расчете

OPA171
Vss 2,7…36 В
VinCM (Vee – 0,1 В)…(Vcc – 2 В)
Vout Rail-to-rail
Vos 250 мкВ
Iq 475 мкА
Ib 8 пА
UGBW 3 МГц
SR 1,5 В/мкс
Число каналов 1, 2, 4

В качестве альтернативного ОУ может использоваться OPA191, параметры которого представлены в таблице 9.

Таблица 9. Параметры альтернативного ОУ OPA191

OPA191
Vss 4,5…36 В
VinCM Rail-to-rail
Vout Rail-to-rail
Vos 5 мкВ
Iq 140 мкА
Ib 5 пА
UGBW 2,5 МГц
SR 7,5 В/мкс
Число каналов 1, 2, 4

Перевел Вячеслав Гавриков по заказу АО КОМПЭЛ

•••

Список ранее опубликованных глав

      1. Поваренная книга разработчика аналоговых схем: Операционные усилители
      2. Инвертирующий усилитель
      3. Неинвертирующий усилитель
      4. Инвертирующий сумматор
      5. Дифференциальный усилитель
      6. Интегратор
      7. Дифференциатор
      8. Трансимпедансный усилитель
      9. Однополярная схема измерения тока
      10. Биполярная схема измерения тока
      11. Однополярная схема измерения тока с широким рабочим диапазоном (3 декады)
      12. ШИМ-генератор на ОУ
      13. Инвертирующий усилитель переменного напряжения (активный фильтр высоких частот)
      14. Неинвертирующий усилитель переменного напряжения (активный фильтр высоких частот)
      15. Активный полосовой фильтр
      16. Однополупериодный инвертирующий выпрямитель
      17. Выпрямитель на ОУ
      18. Низковольтный выпрямитель с однополярным питанием
      19. Ограничитель скорости изменения напряжения
      20. Схема формирования дифференциального сигнала
      21. Схема инвертирующего усилителя со смещением инвертирующего входа
      22. Схема неинвертирующего усилителя со смещением инвертирующего входа

Что такое операционный усилитель

ОУ – интегральная микросхема (ИМС), основным предназначением которой является усиление значения постоянного тока. Она имеет только один выход, который называется дифференциальным. Этот выход обладает высоким коэффициентом, усиливающим сигнал (Kу). ОУ в основном применяются при построении схем с отрицательной обратной связью (ООС), которая при основной ТХ по усилению и определяет Kу исходной схемы. ОУ применяются не только в виде отдельных ИМС, но и в разных блоках сложных устройств.

У ОУ 2 входа и 1 выход, а также есть выводы для подключения источника питания (ИП). Принцип действия операционного усилителя прост. Существует 2 правила, взятых за основу. Правила описывают простые процессы работы ИМС, происходящие в ОУ, и как работает ИМС, понятно даже чайникам. На выходе разность напряжений (U) равна 0, а входы ОУ почти не потребляют ток (I). Один вход называется неинвертирующим (V+), а другой является инвертирующим (V-). Кроме того, входы ОУ обладают высоким сопротивлением (R) и практически не потребляют I.

Чип сравнивает значения U на входах и выдает сигнал, предварительно усиливая его. Kу ОУ имеет высокое значение, достигающее 1000000. Если произойдет подача низкого U на вход, то на выходе возможно получить величину, равную U источника питания (Uип). Если U на входе V+ больше, чем на V-, то на выходе получится максимальное положительное значение. При запитывании положительным U инвертирующего входа на выходе будет максимальная величина отрицательного напряжения.

Начинающим  Операционные усилители 1Начинающим Операционные усилители 1

Основным требованием для работы ОУ является применение двухполярного ИП. Возможно применение однополярного ИП, но при этом возможности ОУ сильно ограничиваются. Если использовать батарейку и принять за 0 ее плюсовую сторону, то при измерении значений получится 1,5 В. Если взять 2 батарейки и соединить их последовательно, то произойдет сложение U, т.е. прибор покажет 3 В.

Если принять за ноль минусовой вывод батарейки, то прибор покажет 3 В. В другом случае, если принять за 0 плюсовой вывод, то получается -3 В. При использовании в качестве нуля точки между двумя батарейками получится примитивный двухполярный ИП. Проверить исправность ОУ можно только при подключении его в схему.

Инвертирующий усилитель на ОУ. Принцип работы

Инвертирующий усилитель является одним из самых простых и наиболее часто используемых аналоговых схем. С помощью всего двух резисторов, мы можем выставить необходимый нам коэффициент усиления. Ничего не мешает нам сделать коэффициент менее 1, тем самым ослабив входной сигнал.

Часто к схеме добавляют еще один резистор R3, сопротивление которого равно сумме R1 и R2.

Чтобы понять, как работает инвертирующий усилитель, смоделируем простую схему. У нас на входе напряжение 4В, сопротивление резисторов составляет R1=1к и R2=2к. Можно было бы, конечно, подставить все это в формулу и сразу вычислить результат, но давайте посмотрим, как именно работает эта схема.

Начнем с напоминания основных принципов работы операционного усилителя:

Обратите внимание, что неинвертирующий вход (+) соединен с массой, то есть на нем напряжение равное 0В. В соответствии с правилом №1 на инвертирующем входе (-) так же должно быть 0В

Итак, мы знаем напряжение, находящееся на выводах резистора R1 и его сопротивление 1к. Таким образом, с помощью закона Ома мы можем выполнить расчет, и рассчитать, какой ток течет через резистор R1:

Чтобы знать, куда дальше течет этот ток, мы должны знать еще принцип действия усилителя:

Таким образом, ток, протекающий через R1, течет далее через R2!

Снова воспользуемся законом Ома и вычислим, какое падение напряжения происходит на резисторе R2. Мы знаем его сопротивление и знаем какой ток через него, следовательно:

Получается, что на выходе мы имеем 8В? Не совсем так. Напомню, что это инвертирующий усилитель, т. е. если на вход мы подаем положительное напряжение, а на выходе снимаем отрицательное. Как же это происходит?

Это происходит вследствие того, что обратная связь установлена на инвертирующем входе (-), и для уравнивания напряжений на входе усилитель снижает потенциал на выходе. Соединения резисторов можно рассмотреть как простой делитель напряжения, поэтому чтобы потенциал в точке их соединения был равен нулю, на выходе должно быть минус 8 вольт: Uвых. = -(R2/R1)*Uвх.

Есть еще один подвох, связанный с 3 правилом:

То есть нужно проверить, что рассчитанные нами напряжения можно реально получить через усилитель. Часто начинающие думают, что усилитель работает как источник свободной энергии и вырабатывает напряжение из ничего. Но надо помнить, что для работы усилителя также нужно питание. Классические усилители работают от напряжения -15В и +15В. В такой ситуации наши -8В, которые мы рассчитали, являются реальным напряжением, так как находится в этом диапазоне.

Однако современные усилители часто работают с напряжением 5В и ниже. В такой ситуации нет никаких шансов, чтобы усилитель выдал нам минус 8В на выходе. Поэтому, при проектировании схем всегда помните, что теоретические расчеты всегда нужно подкреплять реальностью и физическими возможностями.

Необходимо отметить, что инвертирующий усилитель имеет один недостаток. Мы уже знаем, что повторитель напряжения не нагружает источник сигнала, поскольку входы усилителя имеют очень большое сопротивление, и потребляют ток так мало, что в большинстве случаев его можно игнорировать (правило №2).

Инвертирующий же усилитель имеет входное сопротивление равное сопротивлению резистора R1, на практике оно составляет от 1к…1М. Для сравнения, усилитель с входами на полевых транзисторах имеет сопротивление порядка сотен мегаом и даже гигаом! Поэтому иногда может быть целесообразно перед усилителем установить повторитель напряжения.

Читайте далее:

Принцип действия операционного усилителя

Генератор тока на операционном усилителе

Принцип работы усилителя звука

Биполярный транзистор принцип работы для чайников

Полевой транзистор принцип работы для чайников

Аналоговый сумматор

Думаю, все из вас помнят

Если, допустим, цена нашего квадратика 1 В, то на данной картинке мы видим постоянное напряжение амплитудой в 1 В. Суммировать постоянное напряжение – одно удовольствие. Для этого достаточно сложить амплитуды этих сигналов в любой момент времени.

На рисунке ниже мы видим два сигнала A и B и сумму этих сигналов: A+B. Если сигнал A = 2 В, сигнал B = 1 В, то сумма этих сигналов составит 3 В.

Все то же самое касается и сигналов с отрицательной полярностью

Как вы видите, при сложении сигналов с равной амплитудой, но разной полярности, мы в сумме получаем 0. То есть эти два сигнала взаимно себя скомпенсировали: 1 +(-1)=0. Все становится намного веселее, если мы начинаем складывать сигналы, которые меняются во времени, то есть переменные сигналы. Они могут быть как периодические, так и непериодические. 

Давайте для начала рассмотрим самый простой пример. Пусть у нас будут два синусоидальных сигнала с одинаковыми амплитудами, частотами и фазами. Подадим их на сумматор. Что получится в итоге?

Получим синусоиду с амплитудой в два раза больше. Как вообще она получилась? Вычисления производятся довольно просто. Каждая точка синусоиды A+B  – это сложение точек в одинаковый момент времени синусоид А и B. Для наглядности мы взяли 3 точки: t1 , tи t3 .

Как вы видите, в момент времени t1 у нас амплитуда сигнала А была равна 1 В, амплитуда сигнала В тоже 1 В. В сумме их результат в момент времени t1 будет равен 2 В, что мы и видим на сигнале A+B. В момент времени t2 амплитуда сигнала A была 0 В, амплитуда сигнала В тоже 0 В. Как нетрудно догадаться, 0+0=0, что мы и видим на сигнале A+B в момент времени t2 . Ну а в момент времени t3 амплитуда сигнала А = -1 В, амплитуда сигнала В = -1 В, в результате их сумма -1+(-1) = – 2 В, что мы как раз и видим на синусоиде А+B в момент времени t3 . Отсюда напрашивается вывод: для сложения сигналов надо суммировать амплитуды сигналов в одинаковые моменты времени.

А давайте сместим фазу одного из сигналов на 180 градусов, относительно другого, но при этом амплитуды и частоты сигналов оставим без изменения. Про такие сигналы говорят, что они находятся в противофазе. Как думаете, чему будет равняться их сумма? Долго не думая, смещаем второй сигнал на 180 градусов и суммируем их амплитуды в каждый момент времени. Нетрудно догадаться, что их сумма будет равняться нулю, что мы и видим на рисунке ниже.

Всего один биполярный транзистор

Самая простая схема для буферизации выходного тока операционного усилителя выглядит так:

Рисунок 1 – Схема для буферизации выходного тока операционного усилителя на биполярном транзисторе

А вот соответствующая схема LTspice:

Рисунок 2 – Схема для буферизации выходного тока операционного усилителя на биполярном транзисторе в LTspice

Давайте получим четкое понимание идеи этой схемы, прежде чем двигаться дальше. Входной сигнал подается на неинвертирующий вход операционного усилителя, а выход ОУ подключается непосредственно к базе биполярного транзистора. Операционный усилитель и биполярный транзистор могут использовать один и тот же положительный источник питания, но в этом случае мы предполагаем, что доступны два напряжения – источник питания 5 В для маломощных, малошумящих схем и 12 В для мощной части проекта. Значение резистора нагрузки очень низкое, поэтому выходные напряжения более 200 мВ, приложенные непосредственно к нагрузке, потребуют большего выходного тока, чем может обеспечить LT6203. Транзистор, выбранный в схеме LTspice, может работать с токами около 1000 мА, что означает, что он подходит для напряжений на нагрузке до 5 В.

Ключевым моментом этой схемы является соединение обратной связи. Помните «виртуальное короткое замыкание»: при анализе операционного усилителя в схеме с отрицательной обратной связью мы можем предположить, что напряжение на неинвертирующем входе равно напряжению на инвертирующем входе. Уже одно это говорит нам о том, что выходное напряжение (то есть напряжение на нагрузке) будет равно входному напряжению. Но давайте пойдем немного глубже, чтобы убедиться, что мы действительно понимаем, что происходит; виртуальное короткое замыкание – это своего рода суеверие, которое может отвлечь нас от реальной работы операционного усилителя. Операционный усилитель умножает дифференциальное входное напряжение на очень большой коэффициент усиления. Таким образом, с отрицательной обратной связью операционный усилитель быстро достигает равновесия, потому что большие изменения выходного напряжения уменьшают дифференциальное напряжение, которое вызывает эти самые выходные изменения. В этом состоянии равновесия выход стабилизируется при любом напряжении, что устраняет разницу между напряжениями на инвертирующем и неинвертирующем входах – иными словами, операционный усилитель автоматически регулирует свой выходной сигнал любым способом, необходимым для того, чтобы Vвх– было равно Vвх+.

В контексте этой схемы буферизации выходного сигнала операционный усилитель автоматически генерирует любое выходное напряжение, необходимое для того, чтобы сделать напряжение эмиттера биполярного транзистора равным входному напряжению. Подумайте, насколько сложно это было бы в ситуации разомкнутой петли – каким-то образом необходимо было бы рассчитать соотношение между входным и выходным сигналами усилителя, чтобы компенсировать падение напряжения база-эмиттер биполярного транзистора, которое не является ни линейным, ни предсказуемым. Но с операционным усилителем и некоторой отрицательной связью проблема становится тривиальной.

Давайте подкрепим это понимание идеи парой симуляций. Первая не очень захватывающая; она просто подтверждает, что выходное напряжение следует за входным напряжением (график входного напряжения Vin скрыт под графиком выходного напряжения Vout):

Рисунок 3 – График входного и выходного напряжений схемы

На следующем графике показано, что должно быть на выходном выводе операционного усилителя, чтобы обеспечить нужное напряжение на нагрузке.

Рисунок 4 – График входного напряжения схемы, выходного напряжения операционного усилителя и выходного напряжения схемы

Оцените статью
Рейтинг автора
5
Материал подготовил
Илья Коршунов
Наш эксперт
Написано статей
134
Добавить комментарий