Меню

Как изменить входное напряжение усилителя



Диапазоны входных и выходных рабочих напряжений ОУ. Устраняем путаницу

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 будем публиковать перевод руководства Трампа на нашем сайте регулярно, дважды в месяц.

У разработчиков зачастую возникают вопросы по поводу допустимых значений питающих напряжений, диапазонов входных и выходных напряжений операционных усилителей (ОУ). Я попытаюсь прояснить ситуацию, чтобы устранить часто возникающую путаницу.

Во-первых, у обычного ОУ нет вывода земли. Стандартный операционный усилитель «не знает», какой потенциал считать нулевым. Таким образом, ОУ не различает, работает он с биполярным питанием (dual supply, ±) или с однополярным (single power supply). Схема будет прекрасно функционировать, пока значения питающих, а также входных и выходных напряжений будут находиться в рамках допустимых диапазонов.

Есть три наиболее важных диапазона рабочих напряжений:

  • Диапазон питающих напряжений (supply-voltage range) определяется как полное напряжение между выводами питания. Например, при заявленном диапазоне ±15 В полный размах напряжения составит 30 В. Диапазон рабочих напряжений питания для ОУ может быть обозначен как 6…36 В. Тогда минимальный размах напряжений составляет ±3 или +6 В. Максимальный размах будет ±18 или +36 В. Диапазон напряжений питания может составлять и вовсе 6/+30 В. И – да, несимметричное питание также может использоваться, если учесть замечания следующих пунктов.
  • Входное синфазное напряжение (common-mode voltage range, СМ) обычно указывается относительно значений рабочих напряжений питания, как показано на рисунке 1. В этом случае в документации используется формульная запись, например, для гипотетического ОУ с синфазным напряжением на 2 В больше отрицательного напряжения питания и на 2,5 В меньше положительного напряжения будет использована примерно такая запись: от (V-)+2 В до (V+)-2,5 В.
  • Диапазон выходного напряжения (output-voltage range) или размах выходного напряжения (output-swing capability) так же, как и в предыдущем случае, указывается относительно значений питающих напряжений. В приведенном примере – от (V-)+1 В до (V+)-1,5 В.

На рисунках 1, 2 ,3 представлена буферная схема повторителя напряжения с коэффициентом усиления G = 1. Ключевая особенность схемы заключается в том, что выходное напряжение усилителя на рисунке 1 будет на 2 В больше, чем значение отрицательного напряжения питания, и на 2,5 В меньше, чем значение положительного напряжения питания. Так получается из-за ограниченного значения входного синфазного напряжения CM. Вам потребуется изменить коэффициент усиления, чтобы расширить диапазон выходных напряжений до максимума.

Схема на рисунке 1 является типовой для ОУ с биполярным питанием. Однако использовать однополярное питание также возможно, если не выходить за границы разрешенных диапазонов напряжений.

Рис. 1. Диапазоны входных и выходных напряжений типового ОУ с биполярным питанием (dual supply)

Рис. 1. Диапазоны входных и выходных напряжений типового ОУ с биполярным питанием (dual supply)

На рисунке 2 представлен так называемый ОУ с однополярным питанием (single-supply op amp). Для него допустимое синфазное напряжение может быть равно размаху напряжения питания, а зачастую даже выходит за его границы. Это позволяет использовать такой ОУ в широком перечне схем, которые работают с близкими к нулю потенциалами. ОУ, который не заявлен как усилитель с однополярным питанием, на самом деле также способен работать в однополярной конфигурации в некоторых схемах, однако реальный однополярный усилитель оказывается более универсальным.

Рис. 2. Диапазоны входных и выходных напряжений типового ОУ с однополярным питанием (single-supply op amp)

Рис. 2. Диапазоны входных и выходных напряжений типового ОУ с однополярным питанием (single-supply op amp)

В буферной схеме с коэффициентом усиления G = 1 такой ОУ обеспечивает потенциал выхода на 0,5 В выше уровня отрицательного напряжения питания за счет ограничения выходного диапазона и на 2,2 В ниже значения положительного напряжения питания за счет ограничения входного синфазного напряжения.

На рисунке 3 показан rail-to-rail ОУ. Вход rail-to-rail способен работать со входными напряжениями, равными или даже превосходящими уровни питающих напряжений. Выход типа rail-to-rail подразумевает, что выходные напряжения ОУ максимально близки к значениям напряжений питания, и обычно отличаются от них всего на 10…100 мВ. Некоторые ОУ обозначают только как усилители с выходом типа «rail-to-rail» и не упоминают о входных характеристиках, показанных на рисунке 3. Технологию «Rail-to-rail» чаще всего применяют для ОУ с однополярным питанием 5 В и ниже, чтобы максимально эффективно использовать ограниченный диапазон питающих напряжений.

Читайте также:  Защита от скачков высокого напряжения

Рис. 3. Диапазоны входных и выходных напряжений типового rail-to-rail ОУ

Рис. 3. Диапазоны входных и выходных напряжений типового rail-to-rail ОУ

Усилители rail-to-rail весьма привлекательны благодаря менее жестким ограничениям диапазонов используемых напряжений, однако они не всегда являются оптимальным выбором. Как правило, приходится искать компромиссы с учетом значений других параметров. Именно для этого и нужны разработчики аналоговых схем.

Список опубликованных глав

    1. Диапазоны входных и выходных рабочих напряжений ОУ. Устраняем путаницу
    2. Что нужно знать о входах rail-to-rail
    3. Работа с напряжениями близкими к земле: случай однополярного питания
    4. Напряжение смещения и коэффициент усиления с разомкнутым контуром обратной связи — двоюродные братья
    5. SPICE-моделирование напряжения смещения: как определить чувствительность схемы к напряжению смещения
    6. Где выводы подстройки? Некоторые особенности выводов коррекции напряжения смещения
    7. Входной импеданс против входного тока смещения
    8. Входной ток смещения КМОП- и JFET-усилителей
    9. Температурная зависимость входного тока смещения и случайный вопрос на засыпку
    10. Использование входных резисторов для устранения входного тока смещения. Действительно ли они нужны?
    11. Использование входных резисторов для устранения входного тока смещения. Действительно ли они нужны?
    12. Почему в схемах с ОУ возникают колебания: интуитивный взгляд на две наиболее частые причины
    13. Приручаем нестабильный ОУ
    14. Приручаем колебания: проблемы с емкостной нагрузкой
    15. SPICE-моделирование устойчивости ОУ
    16. Входная емкость: синфазная? дифференциальная? или…?
    17. Операционные усилители: с внутренней компенсацией и декомпенсированные
    18. Инвертирующий усилитель с G = -0,1: является ли он неустойчивым?
    19. Моделирование полосы усиления: базовая модель ОУ
    20. Ограничение скорости нарастания выходного сигнала ОУ
    21. Время установления: взгляд на форму сигнала
    22. Шум резисторов: обзор основных понятий
    23. Шумы операционного усилителя: неинвертирующая схема
    24. Шумы ОУ: как насчет резисторов обратной связи?
    25. 1/f-шум: фликкер-шум
    26. ОУ, стабилизированные прерыванием: действительно ли они шумные?
    27. Развязывающие конденсаторы: они нужны, но зачем?
    28. Неиспользуемые операционные усилители: что с ними делать?
    29. Защита входов от перенапряжений
    30. Могут ли дифференциальные ограничительные диоды на входе ОУ влиять на его работу?
    31. ОУ в режиме компаратора: допустимо ли это?

Перевел Вячеслав Гавриков по заказу АО КОМПЭЛ

Источник

Инвертирующий усилитель на ОУ

Схема инвертирующего усилителя с двухполярным питанием

Базовая схема инвертирующего усилителя с двухполярным питанием выглядит вот так:

инвертирующий усилитель

Здесь мы видим два резистора и сам ОУ. На вход подаем сигнал, а с выхода уже снимаем усиленный сигнал. Как можно заметить, НЕинвертирующий вход ОУ заземлен. Как же работает схема? Здесь мы видим обратную связь. То есть с выхода сигнал подается обратно на вход через резистор R2. Наш усилитель является инвертирующим, так как сигнал на выходе на 180 градусов сдвинут по фазе относительно входного сигнала. Значит, в узле, где соединяются два резистора и инвертирующий вход, выходной сигнал будет приходить со знаком “минус”. Такая обратная связь называется отрицательной обратной связью (ООС). Она уменьшает высокий коэффициент усиления ОУ до нужных нам значений.

В НЕинвертирующем усилителе обратная связь идет по напряжению, а в инвертирующем усилителе – по току.

Если вы читали статью про ОУ, то, наверное, помните, что если один из входов ОУ соединен с землей, то и другой вход имеем точно такой же потенциал. В данном случае НЕинвентирующий вход у нас соединен с землей, следовательно, на инвертирующем входе будет точно такой же потенциал, то есть 0 Вольт. Такой вход еще называют мнимой (виртуальной) землей. Как говорит на Википедия, “мнимый – это фальшивый, поддельный, ложный”.

Инвертирующий усилитель на ОУ

Коэффициент усиления по напряжению любого усилителя выражается формулой

коэффициент усиления по напряжению формула

Итак, что получаем в итоге?

инвертирующий усилитель двухполярный

Инвертирующий усилитель на ОУ

Входное напряжение из формулы выше

Инвертирующий усилитель на ОУ

Но так как наш усилитель инвертирует входной сигнал, следовательно, на выходе у нас будет напряжение со знаком “минус”, то есть -Uвых.

В этом случае ток I2 будет выражаться формулой:

Инвертирующий усилитель на ОУ

Инвертирующий усилитель на ОУ

Отсюда находим коэффициент усиления

Инвертирующий усилитель на ОУ

Так как входное сопротивление инвертирующего входа бесконечно велико, следовательно, ток будет протекать только через цепь R1—>R2. Два разных тока в одной ветви быть не может, поэтому получается, что

Инвертирующий усилитель на ОУ

В итоге наша формула сокращается и получаем

Инвертирующий усилитель на ОУ

Пример работы инвертирующего усилителя

Давайте посмотрим, как работает наш усилитель в программе-симуляторе электронных схем Proteus. Здесь мы собираем базовую схему с двухполярным питанием

Инвертирующий усилитель на ОУ

В Proteus она будет выглядеть вот так:

инвертирующий усилитель принцип работы

Здесь мы взяли значение резисторов R2=10 кОм и R1=1 кОм, следовательно, коэффициент усиления такой схемы будет равен -10. Знак “минус” в данном случае просто инвертирует усиленный сигнал, что мы и видим на осциллограмме ниже. Входной сигнал – это розовая осциллограмма, а выходной – это желтая осциллограмма. Выходной сигнал находится в противофазе относительно входного, то есть инвертирует его. Отсюда и название “инвертирующий усилитель”.

Читайте также:  Симптомы мигрень головная боль напряжения

инвертирующий усилитель осциллограмма

Насыщение выхода инвертирующего усилителя

Давайте представим себе такую ситуацию. У нас входное переменное напряжение амплитудой 1 В. Коэффициент усиления 50. По нашим расчетам на выходе мы должны получить сигнал амплитудой 50 В. Но как мы получим 50 В, если питание нашего усилителя, допустим, +-15 В? Усиленный сигнал, амплитудой больше чем 15 В, мы получить не сможем. Хотя типичное падение напряжения во внутренних цепях реальных ОУ составляет около 0,5-1,5 В. То есть максимальный размах сигнала, который мы можем получить в данном случае на выходе будет 27-29 Вольт.

Хотя в настоящее время есть ОУ, которые все-так позволяют получать на выходе +-Uпит. Такое свойство некоторых ОУ называется Rail-to-Rail. В дословном переводе “от рельса до рельса” или “от шины до шины”. Есть такие параметры, как Rail-to-Rail по входу (Rail-to-Rail input). Здесь на вход мы можем подавать сигналы вплоть до Uпит ОУ. Иногда в даташите оговаривается, с отрицательной или положительной шины питания можно подходить к этому параметру. Есть также есть Rail-to-Rail output. Здесь на выходе мы можем получить напряжение +-Uпит. Если усиленный сигнал на выходе не вписывается в такой диапазон, то он будет срезаться. Такое свойство ОУ называется насыщением выхода. То есть надо всегда помнить, что если амплитуда сигнала будет превышать +-Uпит усилителя, то такой сигнал на выходе будет срезан по этому уровню.

Продемонстрируем это в симуляторе Proteus. Итак, давайте на вход подадим синусоидальный сигнал амплитудой в 1 В, а коэффициент усиления сделаем 20, подобрав нужные резисторы. То есть по нашим расчетам мы должны получить синус с амплитудой в 20 Вольт. Смотрим осциллограмму

насыщение выхода инвертирующий усилитель

Подавали на вход синусоиду, а получили на выходе синусоиду с обрезанными верхушками и амплитудой в 14 В. Одна клеточка в данном случае – это 2 В. Как вы видите,сигнал, амплитудой более чем +-Uпит мы получить не сможем. Всегда помните об этом, особенно при конструировании радиоэлектронных устройств.

Ток смещения и смещение выхода

Входы реального ОУ потребляют небольшой ток, который называется током смещения. В англоязычных даташитах он называется Input Bias Current. Если входные цепи ОУ построены на биполярных транзисторах, то такой ток смещения будет где-то несколько десятков наноампер, в отличите от ОУ, где входные цепи построены на полевых транзисторах. Во входных цепях, построенных на полевых транзисторах, ток смещения оценивается десятыми долями пикоампер. Следовательно, ток смещения очень важен именно для ОУ, чьи входные цепи построены на биполярных транзисторах.

Почему же так важен ток смещения? Давайте еще раз рассмотрим схему

Инвертирующий усилитель на ОУ

Даже если мы не подаем никакого сигнала на вход, то на выходе у нас все равно будет какое-то маленькое постоянное напряжение. Почему так происходит? Во всем как раз и виноват ток смещения. Он создает падение напряжения на резисторе обратной связи. В данном случае – это резистор R2. А как вы знаете, на большем сопротивлении падает большее напряжение. То есть если номинал сопротивления R2 будет очень большим, то на нем будет падать большое напряжение, которое как раз и пойдет на выход нашего ОУ.

Допустим, ток смещения равен 0,1 мкА, а резистор R2= 1 МОм, то какое падение напряжения будет в этом случае на резисторе? Вспоминаем закон Ома: I=U/R, отсюда U=IR= 0,1 В. То есть на выходе у нас уже будет постоянное напряжение 0,1 В! Подавая на вход такого усилителя полезный сигнал с током смещения в 0,1 мкА , на выходе этот сигнал будет усиливаться и суммироваться с постоянной составляющей в 0,1 В. В нашем случае происходит смещение нулевого уровня. Наглядно – на рисунке ниже.

ток смещения инвертирующего усилителя

Способы борьбы с током смещения

В некоторых случаях током смещения можно пренебречь, если он не оказывает сильного влияния на ваши требования по сигналу. Но если все-таки вы разрабатываете какое-либо точное устройство, где выходной сигнал должен строго вписываться в рамки ТЗ, то в этом случае можно прибегнуть к таким способам:

1) Ставить в цепь обратной связи резистор малого номинала.

На малом сопротивлении падает малое напряжение. Следовательно, на выходе уже будет меньшее постоянное напряжение. Стандартный диапазон резисторов от нескольких килоом и до 50 кОм.

2) Ввести в схему компенсирующий резистор

компенсационный резистор инвертирующий усилитель

В этом случае он будет определяться по формуле:

Инвертирующий усилитель на ОУ

Если все-таки выходной сигнал соответствует вашим ожиданиям и без RК , то лучше его не ставить, так как любой резистор вносит шумовые искажения в сигнал. Зачем лишний раз добавлять в схему шум?

Читайте также:  Защита сети от высокого напряжения схема

3) Использовать ОУ с входными цепями, построенными на полевых транзисторах, либо подбирать ОУ с малыми токами смещения, благо сейчас технологии производства таких ОУ далеко шагнули вперед.

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:

инвертирующий усилитель с однополярным питанием

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

Инвертирующий усилитель на ОУ

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.

симуляция работы инвертирующий усилитель

Что имеем в итоге на виртуальном осциллографе?

срез полуволны

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!

Инвертирующий усилитель на ОУ

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

Инвертирующий усилитель на ОУ

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 :

Инвертирующий усилитель на ОУ

Инвертирующий усилитель на ОУ

Проверяем симуляцию, все ок!

инвертирующий усилитель с напряжением смещения

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:

постоянная составляющая сигнала

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 дифференцирующей цепи, с помощью которого можно отсекать лишние частоты.

RC дифференцирующая цепь

Свойства инвертирующего усилителя

  • выходной сигнал усилителя инвертирован по отношению ко входному сигналу
  • входное сопротивление такого усилителя равняется сопротивлению R1
  • выходное сопротивление очень мало

Принцип работы можете увидеть на видео:

Источник

Входное напряжение усилителя

Цитата
а входное напряжение интегральных усилителей 150-300 мВ
Цитата
Это не «входное напряжение», а чувствительность входов.

Я попрбую ответить за Юрия. Тем более, что он мне это в свое время и объяснял.

При подаче на вход усилителя сигнала с напряжением равным его чувствительности, усилитель будет выдавать в нагрузку свою максимальную (паспортную) мощность при установке регулятора громкости на максимум.

Цитата
При подаче на вход усилителя сигнала с напряжением равным его чувствительности, усилитель будет выдавать в нагрузку свою максимальную (паспортную) мощность при установке регулятора громкости на максимум.
Цитата
почему в паспортах прописывается выходное напряжение для CD порядка 2 В, а входное напряжение интегральных усилителей 150-300 мВ

На самом деле 2 В — это МАКСИМАЛЬНОЕ выходное напряжение для синусоидального сигнала («0дБ»), что соответствует амплитудному значению около 2,8 В. На самом деле СРЕДНИЙ уровень сигнала с CD составляет от -12 до -20 дБ, то есть в 4-10 раз меньше, или от 500 мВ до 200 мВ эфф. Поэтому усилитель и должен иметь чувствительность этого порядка, иначе номинальной мощности на выходе получить не удастся.

Источник