Чем определяется постоянная составляющая выходного напряжения усилителя на оу

Чем определяется постоянная составляющая выходного напряжения усилителя на оу

Исследование особенностей работы операционного усилителя в режимах неинвертирующего и инвертирующего усилителей

2. Определение разности фаз между выходным и входным синусоидальным напряжением ОУ.

3. Исследование влияния коэффициента усиления усилителя на постоянную составляющую выходного напряжения.

Приборы и элементы:

— операционный усилитель LM 471.

Ход выполнения работ.

Эксперимент 1. Работа неинвертирующего усилителя в режиме усиления синусоидального напряжения.

Создать файл со схемой, изображенной на рис. 13.1. Рассчитать коэффициент усиления напряжения Ку усилителя по заданным значениям параметров компонентов схемы. Включить схему. Измерить амплитуды входного Uвх и выходного Uвых синусоидальных напряжений. Также измерить постоянную составляющую выходного напряжения Uовых и разность фаз между входным и выходным напряжениями. По результатам измерений вычислить коэффициент усиления по напряжению Ку усилителя. Результаты занести в раздел «Результаты экспериментов». Используя значение напряжения смещения Uсм, вычисленное в разделе 12.1, и вычисленное теоретическое значение коэффициента усиления, вычислить постоянную составляющую выходного напряжения Uовых. Результаты расчета также занести в раздел «Результаты экспериментов».

Эксперимент 2. Исследование влияния параметров схемы на режим её работы.

В схеме, приведенной на рис. 13.1, уменьшить значение сопротивления R1 с 100кОм до 10кОм, амплитуду синусоидального напряжения генератора увеличить до 100 мВ. Установить масштаб напряжения на входе А осциллографа 100 mV/div, а на канале В — 500 mV/div. Включить схему. Повторить все операции эксперимента 1 при новых параметрах компонентов. Результаты занести в раздел «Результаты экспериментов».

Эксперимент 1. Работа неинвертирующего усилителя в режиме усиления синусоидального напряжения.

— теоретический расчет: K_у = 201.

— расчет по результатам измерения: K_у = 245 В.

Амплитуда входного напряжения U_вх= 4,9 мВ.

Амплитуда выходного напряжения U_вых= 1,2 В.

Постоянная составляющая выходного напряжения:

— расчет U_0вых = 0,201 В;

— измерения U_0вых = 0,213 В.

Разность фаз между входным и выходным напряжением: 25 мкс.

Эксперимент 2. Исследование влияния параметров схемы на режим её работы.

— теоретический расчет: K_у = 201.

— расчет по результатам измерения: K_у = 200.

Амплитуда входного напряжения U_вх= 99 мВ.

Амплитуда выходного напряжения U_вых= 19,8 В.

Постоянная составляющая выходного напряжения:

— расчет U_0вых = 0,201 В.

— измерения U_0вых = 0,2 В.

Разность фаз между входным и выходным напряжением: 26 мкс.

1. Из каких условий выводится выражение для коэффициента усиления схемы на рис. 13.1

2. Какова разность фаз между входным и выходным сигналами неинвертирующего усилителя на ОУ?

В эксперименте 1 — 62,5 мкс, а в эксперименте 2 — 26 мкс.

3. Существенно ли различие в значениях измеренной и вычисленной постоянной составляющей выходного напряжения схемы на рис. 13.1?

Нет. Не существенно.

4. Чем определяется постоянная составляющая выходного напряжения схемы на pиc.13.1?

Постоянная составляющая определяется резисторами R1 и R2.

5. С помощью какого прибора Electronics Workbench можно экспериментально измерить коэффициент усиления схемы на ОУ?

С помощью осциллографа.

1. Измерение коэффициента усиления инвертирующего усилителя на ОУ.

2. Определение разности фаз между выходным и входным синусоидальным напряжением ОУ

3. Исследование влияния коэффициента усиления схемы на постоянную составляющую выходного напряжения.

Приборы и элементы:

— операционный усилитель LM 471.

Ход выполнения работ.

Эксперимент 1. Работа усилителя в режиме усиления синусоидального напряжения.

Создать файл со схемой, изображенной на рис. 13.2. Рассчитать коэффициент усиления напряжения Ку усилителя по значениям параметров компонентов схемы. Включить схему. Измерить амплитуду входного Uвx и выходного Uвых синусоидального напряжения, постоянную составляющую выходного напряжения Uовых и разность фаз между входным и выходным напряжением. По результатам измерений вычислить коэффициент усиления по напряжению Ку усилителя. Результаты занесите в раздел «Результаты экспериментов». Используя значение входного напряжения смещения Uсм, полученное в разделе 12.1 и найденное значение коэффициента усиления, вычислить постоянную составляющую выходного напряжения Uовых. Результаты вычислений также занести в раздел «Результаты экспериментов».

Эксперимент 2. Исследование влияния параметров схемы на режим её работы.

Установить значение сопротивления R1 равным 10 кОм, амплитуду синусоидального напряжения генератора — 100 мВ. Установить масштаб напряжения на входе А осциллографа 100 mV/del, а на канале В — 500 mV/del. Включить схему. Для новых параметров схемы повторить все измерения и вычисления эксперимента 1. Результаты занести в раздел «Результаты экспериментов».

Эксперимент 1. Работа усилителя в режиме усиления синусоидального входного сигнала.

— теоретический расчет: K_у = 100

— расчет по результатам измерения: K_у = 120

Амплитуда входного напряжения U_вх= 4,97 мВ.

Амплитуда выходного напряжения U_вых= 597 мВ.

Постоянная составляющая выходного напряжения:

— расчет U_0вых = 0,1 В.

— измерения U_0вых = 0,0995 В.

Разность фаз между входным и выходным напряжением: 515 мкс.

Эксперимент 2. Исследование влияния параметров схемы на режим её работы.

— теоретический расчет: K_у = 10

— расчет по результатам измерения: K_у = 10

Амплитуда входного напряжения U_вх= 99,7 мВ.

Амплитуда выходного напряжения U_вых= 1 В.

Постоянная составляющая выходного напряжения:

— расчет U_0вых = 0,01 В.

— измерения U_0вых = 0,01 В.

Разность фаз между входным и выходным напряжением: 500 мкс.

1. Как рассчитать коэффициент усиления схемы на рис. 13.2?

Найти отношение сопротивления обратной связи R_f к сопротивлению R1 на инверсном входе ОУ.

2. Как измерить разность фаз между входным и выходным напряжением в схеме на рис. 13.2?

Исключить постоянную составляющую. Определить точки пересечения синусоид с горизонтальной осью, а потом найти разность этих точек.

3. Оцените различия между измеренной и вычисленной постоянной составляющей выходного напряжения.

Постоянная составляющая полученная экспериментальным путем практически не отличается от теоретических расчетов.

4. Сколько процентов от амплитуды выходного напряжения, измеренного в эксперименте 1, составляет постоянная составляющая в выходном напряжении?

Постоянная составляющая равна 16,8 % от выходного напряжения.

5. Какие параметры схемы на рис. 13.2 влияют на ее коэффициент усиления?

Величина сопротивления резисторов R1 и R_f.

6. Как влияет коэффициент усиления схемы рис. 13.2 на постоянную составляющую выходного напряжения?

Неинвертирующие усилители

2. Определение разности фаз между выходным и входным синусоидальным напряжением ОУ.

3. Исследование влияния коэффициента усиления усилителя на постоянную составляющую выходного напряжения.

Краткие сведения из теории Коэффициент усиления схемы неинвертирующего усилителя на ОУ (рис. 11.5) вычисляется по формуле:

Постоянная составляющая выходного напряжения усилителя Новых определяется произведением напряжения смещения Ucm на коэффициент усиления схемы Ку:

Порядок проведения экспериментов

Эксперимент 1. Работа неинвертирующего усилителя в режиме усиления синусоидального напряжения.

Откройте файл с11_005 со схемой, изображенной на рис. 11.5. Рассчитайте коэффициент усиления напряжения Ку усилителя по заданным значениям параметров компонентов схемы. Включите схему. Измерьте амплитуды входного Uвх и выходного Uвых синусоидальных напряжений. Также измерьте постоянную составляющую выходного напряжения Uовых и разность фаз между входным и выходным напряжениями. По результатам измерений вычислите коэффициент усиления по напряжению Ку усилителя. Результаты занесите в раздел «Результаты экспериментов». Используя значение напряжения смещения Uсм, вычисленное в разделе 11.1, и вычисленное теоретическое значение коэффициента усиления, вычислите постоянную составляющую выходного напряжения Uовых Результаты расчета также занесите в раздел «Результаты экспериментов».

Эксперимент 2. Исследование влияния параметров схемы на режим её работы.

В схеме, приведенной на рис. 11.5, уменьшите значение сопротивления R1 с 100кОм до 10кОм, амплитуду синусоидального напряжения генератора увеличьте до 100 мВ. Установите масштаб напряжения на входе А осциллографа 100 mV/div, а на канале В — 500 mV/div. Включите схему. Повторите все операции эксперимента 1 при новых параметрах компонентов. Результаты занесите в раздел «Результаты экспериментов».

Эксперимент 1. Работа неинвертирующего усилителя в режиме усиления синусоидального напряжения.

Эксперимент 2. Исследование влияния параметров схемы на режим её работы.

1. Из каких условий выводится выражение для коэффициента усиления схемы нарис. 11.57

2. Какова разность фаз между входным и выходным сигналами неинвертирующего усилителя на ОУ?

3. Существенно ли различие в значениях измеренной и вычисленной постоянной составляющей выходного напряжения схемы на рис. 11.5?

4. Чем определяется постоянная составляющая выходного напряжения схемы на puc. 11.5?

5. С помощью какого прибора Electronics Workbench можно экспериментально измерить коэффициент усиления схемы на ОУ?

Когда тот или иной физик использует понятие «физический вакуум», он либо не понимает абсурдности этого термина, либо лукавит, являясь скрытым или явным приверженцем релятивистской идеологии.

Понять абсурдность этого понятия легче всего обратившись к истокам его возникновения. Рождено оно было Полем Дираком в 1930-х, когда стало ясно, что отрицание эфира в чистом виде, как это делал великий математик, но посредственный физик Анри Пуанкаре, уже нельзя. Слишком много фактов противоречит этому.

Для защиты релятивизма Поль Дирак ввел афизическое и алогичное понятие отрицательной энергии, а затем и существование «моря» двух компенсирующих друг друга энергий в вакууме — положительной и отрицательной, а также «моря» компенсирующих друг друга частиц — виртуальных (то есть кажущихся) электронов и позитронов в вакууме.

Однако такая постановка является внутренне противоречивой (виртуальные частицы ненаблюдаемы и их по произволу можно считать в одном случае отсутствующими, а в другом — присутствующими) и противоречащей релятивизму (то есть отрицанию эфира, так как при наличии таких частиц в вакууме релятивизм уже просто невозможен). Подробнее читайте в FAQ по эфирной физике.

Инвертирующий усилитель на ОУ

Схема инвертирующего усилителя с двухполярным питанием

Базовая схема инвертирующего усилителя с двухполярным питанием выглядит вот так:

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».

Коэффициент усиления по напряжению любого усилителя выражается формулой

Итак, что получаем в итоге?

Входное напряжение из формулы выше

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:

Отсюда находим коэффициент усиления

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

В итоге наша формула сокращается и получаем

Пример работы инвертирующего усилителя

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

В Proteus она будет выглядеть вот так:

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».

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

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

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.

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

В этом случае он будет определяться по формуле:

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

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:

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 U_см , 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 U_вых ? Оно должно иметь значение половины U_пит , 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 U_пит должно быть как минимум 20 Вольт. Так как ОУ поддерживают однополярное питание до 32 В, то давайте для красоты выставим U_пит = 30 В. Рассчитываем U_см :

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 дифференцирующей цепи, с помощью которого можно отсекать лишние частоты.

Э ксперимент 10. Исследование характеристик детектора нулевого уровня с подачей сигнала на инвертирующий вход оу.

р ис. 12.8. Включите схему. Зарисуйте характеристику выход-вход в разделе «Результаты экспериментов» и по характеристике определите пороговое напряжение.

б). Осциллограммы входного и выходного напряжения. Зарисуйте полученные осциллограммы входного U_BХ и выходного U_BЫХ напряжения в разделе «Результаты экспериментов». Определите пороговое значение входного напряжения U_BХ и сравните его со значением, определенным в предыдущем пункте. Значение порогового напряжения запишите в раздел «Результаты экспериментов».

Эксперимент 11. Исследование характеристик компаратора с положительным опорным напряжением.

а). Характеристика выход-вход. Откройте файл 12_09.sch со схемой, изображенной на

рис. 12.9. Включите схему. Зарисуйте характеристику выход-вход в разделе «Результаты экспериментов» и по характеристике определите пороговое напряжение.

б). Осциллограммы входного и выходного напряжения. Зарисуйте полученные осциллограммы входного U_BХ и выходного U_BЫХ напряжения в разделе «Результаты экспериментов». Определите пороговое значение входного напряжения U_BХ и сравните его со значением, определенным в предыдущем пункте. Значение порогового напряжения запишите в раздел «Результаты экспериментов».

Э ксперимент 12. Исследование характеристик компаратора с отрицательным опорным напряжением.

а). Характеристика выход-вход. Откройте файл 12_10.sch со схемой, изображенной на

рис. 12.10. Включите схему. Зарисуйте характеристику выход-вход в разделе «Результаты экспериментов» и по характеристике определите пороговое напряжение.

б ). Осциллограммы входного и выходного напряжения. Зарисуйте полученные осциллограммы входного U_BХ и выходного U_BЫХ напряжения в разделе «Результаты экспериментов». Определите пороговое значение входного напряжения U_BХ и сравните его со значением, определенным в предыдущем пункте. Значение порогового напряжения запишите в раздел «Результаты экспериментов».

Эксперимент 13. Исследование характеристик компаратора с опорным н апряжением, задаваемым стабилитроном.

а). Характеристика выход-вход. Откройте файл 12_11.sch со схемой, изображенной на

рис. 12.11. Включите схему. Зарисуйте характеристику выход-вход в разделе «Результаты экспериментов» и по характеристике определите пороговое напряжение.

б ). Осциллограммы входного и выходного напряжения. Зарисуйте полученные осциллограммы входного U_BХ и выходного U_BЫХ напряжения в разделе «Результаты экспериментов». Определите пороговое значение входного напряжения U_BХ и сравните его со значением, определенным в предыдущем пункте. Значение порогового напряжения запишите в раздел «Результаты экспериментов».

Эксперимент 14. Исследование характеристик компаратора с фиксацией выходного апряжения.

а ). Осциллограммы входного и выходного напряжения. Откройте файл 12_12.sch со схемой, изображенной на рис. 11.12. Включите схему. Зарисуйте полученные осциллограммы входного и выходного напряжения в разделе «Результаты экспериментов». По осциллограммам определите уровни выходного напряжения и пороговое напряжение.

б ). Осциллограммы входного и выходного напряжения при обратном включении

стабилитрона. В схеме рис. 11.12 измените направление включения стабилитрона на

обратное. Включите схему. Повторите операции пункта а) и занесите результаты в раздел «Результаты экспериментов».

Эксперимент 15. Исследование характеристик компаратора с фиксированной зоной входного напряжения.

а). Осциллограммы входного и выходного напряжения. Откройте файл 12_13.sch со схемой, изображенной нарис. 11.13. Включите схему. Зарисуйте полученные осциллограммы входного U_BX и выходного U_BЫX напряжения в разделе «Результаты экспериментов». Определите пороговые напряжения U_HИЖН и U_BEPXH.

Э ксперимент 16. Исследование характеристик триггера Шмитта.

а). Характеристика выход-вход. Откройте файл 12_14.sch со схемой, изображенной на рис. 11.14. Включите схему. Зарисуйте характеристику выход-вход в разделе «Результаты экспериментов» и по характеристике определите верхнее и нижнее значение порогового напряжения.

б ). Осциллограммы входного и выходного напряжения. Зарисуйте полученные осциллограммы входного U_BX и выходного U_BЫX напряжения в разделе «Результаты экспериментов». По осциллограммам определите значения пороговых напряжений и сравните их со значениями, определенными в предыдущем пункте. Значения пороговых напряжений запишите в раздел «Результаты экспериментов».

Результаты экспериментов

Эксперимент 1. Измерение входных токов.

Ток (I₁) неинвертирующего входа

Ток (I₂) инвертирующего входа

Средний входной ток I_ВХ

Расчет по результатам измерений

Разность входных токов ОУ Δ I_ВХ

Расчет по результатам измерений

Эксперимент 2. Измерение напряжения смещения.

Выходное напряжение усилителя U_ВЫХ

Коэффициент усиления схемы

Напряжение смещения U_CM

Расчет по результатам измерений

Эксперимент 3. Измерение входного и выходного сопротивлений.

Входной ток I_ВХ, мкА

Входной ток I_ВХ, мкА после изменения напряжения

Изменение входного напряжения, мВ

Расчет по результатам измерений

Изменение входного тока, мкА

Расчет по результатам измерений

Входное дифференциальное сопротивление ОУ, Ом

Расчет по результатам измерений

Выходное напряжение U_ВЫХ, В

Выходное сопротивление ОУ R_BЫХ

Эксперимент 4. Измерение времени нарастания выходного напряжения ОУ.

Выходное напряжение U_ВЫХ

Время установления выходного напряжения

Скорость нарастания выходного напряжения ОУ V_UВЫХ

Расчет по результатам измерений

Эксперимент 5. Работа неинвертирующего усилителя в режиме усиления синусоидального напряжения.

Коэффициент усиления К_У

Расчет по результатам измерений

Амплитуда входного напряжения U_BХ

Амплитуда выходного напряжения U_BЫХ

Пост. составляющая вых. напряжения U_0ВЫХ

Расчет по результатам измерений

Разность фаз между входным и выходным напряжением

Эксперимент 6. Исследование влияния параметров схемы на режим её работы.

Коэффициент усиления К_У

Расчет по результатам измерений

Амплитуда входного напряжения U_BХ

Амплитуда выходного напряжения U_BЫХ

Пост. составляющая вых. напряжения U_0ВЫХ

Расчет по результатам измерений

Разность фаз между входным и выходным напряжением

Эксперимент 7. Работа усилителя в режиме усиления синусоидального входного сигнала.

Коэффициент усиления К_У

Расчет по результатам измерений

Амплитуда входного напряжения U_BХ

Амплитуда выходного напряжения U_BЫХ

Пост. составляющая вых. напряжения U_0ВЫХ

Расчет по результатам измерений

Разность фаз между входным и выходным напряжением

Эксперимент 8. Исследование влияния параметров схемы на режим её работы

Коэффициент усиления К_У

Расчет по результатам измерений

Амплитуда входного напряжения U_BХ

Амплитуда выходного напряжения U_BЫХ

Пост. составляющая вых. напряжения U_0ВЫХ

Расчет по результатам измерений

Разность фаз между входным и выходным напряжением

Эксперимент 9. Исследование характеристик детектора нулевого уровня с подачей сигнала на неинвертирующий вход ОУ.

Пороговое напряжение U_П, В

Эксперимент 10. Исследование характеристик детектора нулевого уровня с подачей сигнала на инвертирующий вход ОУ.

Пороговое напряжение U_П, В

Эксперимент 11. Исследование характеристик компаратора с положительным опорным напряжением.

Пороговое напряжение U_П, В

Эксперимент 12. Исследование характеристик компаратора с отрицательным опорным напряжением.

Пороговое напряжение U_П, В

Эксперимент 13. Исследование характеристик компаратора с опорным напряжением, задаваемым стабилитроном.

Пороговое напряжение U_П, В

Эксперимент 14. Исследование характеристик компаратора с фиксацией выходного напряжения.

а). При прямом включении стабилитрона.

Уровни выходного напряжения, В

Пороговое напряжение U_П, В

б). При обратном включении стабилитрона.

Уровни выходного напряжения, В

Пороговое напряжение U_П, В

Эксперимент 15. Исследование характеристик компаратора с фиксированной зоной входного напряжения.

Верхний уровень порогового напряжения U_BEPXH, В

Нижний уровень порогового напряжения U_HИЖН, В

Эксперимент 16. Исследование характеристик триггера Шмитта.

Верхний уровень порогового напряжения U_BEPXH, В

Нижний уровень порогового напряжения U_HИЖН, В

1. Отличается ли измеренное значение среднего входного тока I_ВХ от его номинального значения для ОУ LM741, взятого из паспортных данных?

2. Существенно ли отличие разности входных токов от номинального значения для ОУ LM741?

3. Совпадают ли измеренное значение напряжения смещения с номинальным значением для ОУ LМ741?

4. Сравните величину измеренного входного сопротивления с паспортными данными на ОУ LМ741.

5. Сравните величину измеренного выходного сопротивления с паспортными данными на ОУ LМ741.

6. Сравните между собой величины входного и выходного сопротивлений ОУ. Какова схема замещения ОУ как элемента электрической цепи?

7. Отличается ли экспериментальное значение скорости нарастания выходного напряжения от номинального значения?

8. В чем причина возникновения входных токов ОУ и разности входных токов? К чему они приводят при работе схем на ОУ?

9. Из каких условий выводится выражение для коэффициента усиления схемы на рис. 12.5?

10. Какова разность фаз между входным и выходным сигналами неинвертирующего усилителя на ОУ?

11. Существенно ли различие в значениях измеренной и вычисленной постоянной составляющей выходного напряжения схемы на рис. 12.5?

12. Чем определяется постоянная составляющая выходного напряжения схемы на рис. 12.5?

13. С помощью какого прибора Electronics Workbench можно экспериментально измерить коэффициент усиления схемы на ОУ?

14. Как рассчитать коэффициент усиления схемы на рис. 12.6?

15. Как измерить разность фаз между входным и выходным напряжением в схеме на рис. 12.6?

16. Оцените различия между измеренной и вычисленной постоянной составляющей выходного напряжения.

17. Сколько процентов от амплитуды выходного напряжения, измеренного в эксперименте 7, составляет постоянная составляющая в выходном напряжении?

18. Какие параметры схемы на рис. 12.6 влияют на ее коэффициент усиления?

19. Как влияет коэффициент усиления схемы рис. 12.6 на постоянную составляющую выходного напряжения?

20. Каковы особенности применения ОУ в схемах компараторов?

21. Перечислите способы построения схем детекторов положительного уровня входного напряжения.

22. Чем определяется точность задания порогов входного напряжения в схемах детекторов уровня на основе ОУ?

23. На чем основана работа компаратора с фиксированной зоной входного напряжения?

24. Можно ли в компараторе на основе триггера Шмитта сделать уровни порогов входного напряжения разными? Если да, то каким образом?

Похожие публикации:

1. Как уменьшить показания счетчика электроэнергии
2. Как подключить пмл 1220 с тепловым реле
3. В чем измеряется уровень
4. Как классифицируются оптические кабели

Операционные усилители в звукотехнике

БУФЕРНЫЙ УСИЛИТЕЛЬ, ИНТЕГРАТОР, КОМПАРАТОР, СУММАТОР, ЛИММИТЕР. Эти слова неразрывно уже связаны с аудиоаппаратурой и, хотя на первый взгляд между ними нет ни чего общего, на самом деле у них есть общий «рабочий инструмент» — операционный усилитель (ОУ). Для того, чтобы понять какую роль выполняет ОУ стоит разобраться, что это собственно такое.
По сути это набор транзисторов, соединенных определенным образом и представляющий из себя пятиполюсник, выполняющий функции усилителя постоянного напряжения. На рисунке 1 показано несколько наиболее популярных обозначений ОУ:
Рисунок 1 Как и положено, слева находятся входы усилителя, их два — один инвертирующий, т.е. напряжение на выходе будет иметь противоположную фазу, чем на этом входе, второй не инвертирующий, т.е. выходной сигнал будет совпадать по фазе с входным. Справа находится выход усилителя, вверху и внизу выводы для подачи на ОУ напряжения питания, обычно вверху «+Uип», внизу «-Uип». Кроме этого усилитель является дифференциальным, т.е. усиливается только разность напряжений на инвертирующем и не инвертирующем входах . В принципе это объясняется даже логически, без разбора принципиальной схемы. Если на не инвертирующем входе напряжение составляет 5 В, а на инвертирующем 3 В, то поскольку фаза инвертирующем входе меняется на противоположную, то будет справедливо из 5 вольт вычесть 3 вольта. Следовательно входное напряжение будет составлять 2 В и именно это напряжение будет усиливаться операционным усилителем.
Изначально ОУ проектировались для выполнения математических действий в аналоговых вычислительных машинах и конечно же, выглядели несколько иначе:
Рисунок 2. Один из первых операционных усилителей Однако с развитием микроэлектроники ОУ кардинально изменили свой внешний вид и размеры до таких величин, что корпус DIP-8 выглядит гигантским:
Рисунок 3. Внешний вид современных ОУ для поверхностного монтажа в сравнении с DIP-8 Осталось выяснить, что же внутри этого устройства, поскольку и как обозначается, и как выглядит уже немного понятно. Принципиальная схема операционного усилителя К140УД1 приведена на рисунке 4.
Рисунок 4 Для большей наглядности смоделируем эту схему в симуляторе, правда номиналы резисторов пришлось подбирать опытным путем, тем не менее, от схемы удалось добиться работоспособности:
Рисунок 5. Принципиальная схема модели к140УД1 Раз изначально это усилитель постоянного напряжения, то опыты следует начать именно с постоянного напряжения. Для этого добавим к схеме два источника постоянного напряжения и охватим усилитель ОТРИЦАТЕЛЬНОЙ ОБРАТНОЙ СВЯЗЬЮ (ООС) .
Рисунок 6. Проверка работоспособности ОУ на усиление напряжения. Теперь выставим на источнике V4 напряжение в 0,5 В и запустим РАСЧЕТ ПО ПОСТОЯННОМУ ТОКУ симулятора. В результате получается следующая картина:
Рисунок 7. Карта напряжений. Теперь немного подробней. Практически во всех учебниках написано, что коф усиления ОУ в «прямом» включении, т.е. когда сигнал подается на не инвертирующий вход, пропорционален отношению резисторов ООС плюс единица. В нашем случае это будет R17 / R18 + 1 = 1,02 + 1 = 2,02. Откуда вылезло 0,02? Дело в том, что К140УД1 имеет довольно низкое входное сопротивление, и для получения необходимой точности пришлось R18 уменьшить до 9,76 кОм. Тогда не понятно — на входе 0,5 В и на выходе практически 0,5 В, где усиление? Тут следует давать поправку, что 0,5 В на входе сумматора, но не на входе ОУ, которым является база транзистора Q1, а на базе 0,24 В. А раз так, то как раз и получается 0,24 х 2,02 = 0,4848 В. По показаниям симулятора 0,496 В, что опять же является неточностью нашей модели, впрочем и сам оригинал К140УД1 имел не плохой разброс параметров. Но если входное напряжение 0,5 В, то почему на базе Q1 половина этого значения? Напряжение на V5 равно нулю, следовательно, R16 и R15 образуют делитель напряжения, а поскольку номиналы одинаковы, то и напряжение будет делиться на два, разумеется ток базы Q1 внесет свою лепту. Вот и получается 0,24 В на входе ОУ. Однако это только следствия работы каскадов данной схемы, коснемся немного причин:
Как только на базе Q1 появляется напряжение, отличающееся от нуля, в нашем случае это 0,24 В, Q1 начинает открываться, что ведет, в свою очередь, к уменьшению напряжения на его коллекторе. Уменьшение напряжение на коллекторе Q1 снижает протекающий через базу Q6 ток и он начинает призакрываться, вследствие чего на его коллекторе увеличивается напряжение, которое через эмиттерный повторитель на Q7 увеличивает напряжение на эмиттерном повторителе на Q9 и напряжение на выходе ОУ (точка OUT) начинает увеличиваться. Увеличение напряжения на выходе ОУ увеличивает напряжение в точке соединения R17 и R18, а эта точка соединена с базой Q2, которая является инвертирующим входом нашего ОУ (рисунок 6). Q2 начинает приоткрываться и на его эмиттере увеличивается напряжение. Это влечет призакрытие транзистора Q1 и далее по схеме оказывает влияние на последующие каскады. Транзистор Q1 призакрывается ровно на столько, чтобы на базе Q2 сформировалось напряжение максимально приближенное к напряжению на базе самого Q1, а величина этого напряжение напрямую зависит от номиналов резисторов R17 и R18. Чем меньше R18, тем бОльшее напряжение должно сформироваться на выходе ОУ, чтобы восстановить баланс базовых токов каскада на Q1 и Q2. Если же сопротивление R18 не менять, а увеличивать R17 точно так же потребуется увеличение выходного напряжение ОУ, поскольку на Q17 снова будет падать довольно большое напряжение.
Теперь осталось увеличить напряжение на источнике V5 и убедится, что величины напряжений действительно суммируются.
Рисунок 8. Математическое сложение двух слагаемых V4 и V5. Как видно из рисунка при двух слагаемых V4 и V5 по 0,5 В на выходе сумматора получилась сумма, равная ОДНОМУ ВОЛЬТУ, т.е. математическое действие выполнено верно.
Для большей наглядности отойдем от антикварного К140УД1 и смоделируем сумматор для трех слагаемых на базе широко распространенного ОУ TL071. В результате получается следующий «калькулятор»:
Рисунок 9. Математическое сложение трех слагаемых. Тут следует обратить внимание на номиналы резисторов ООС. Разница номиналов практически в два раза, т.е. коф усиления ОУ будет составлять R5 / R4 + 1 = 3. ПОЧЕМУ? На прошлой схеме коф усиления составлял 2, а здесь 3? В прошлой схеме слагаемых было ДВА, поэтому и входных делителей было два (R15 и R16 рисунок 6), следовательно, изначальное входное напряжение делилось на два и для восстановления значений его нужно было удвоить. В схеме рисунка 9 слагаемых ТРИ, следовательно, входной делитель делит значение на три и для восстановления необходимо утроение. Для большей достоверности посмотрим на сумматор с четырьмя слагаемыми и уже самостоятельно просчитайте получившийся коф усиления:
Рисунок 10. Сумматор четырех слагаемых. А какое, собственно, отношение к звукотехнике имеет ЭТА математика?
Самое прямое. В звукотехнике напряжение, конечно же переменное, однако в любой, ОЧЕНЬ короткий, промежуток времени его можно рассматривать как постоянное напряжение, следовательно, математическая обработка сигнала при помощи ОУ вполне приемлема:
Рисунок 11. Представление переменного напряжения в виде постоянного. Исходя из того, что переменное напряжение в определенный момент времени можно рассматривать как постоянное, вводится дополнительное понятие — МГНОВЕННОЕ ЗНАЧЕНИЕ НАПРЯЖЕНИЯ , точно так же можно апеллировать мгновенными значениями токов и мощностей. Как будет выглядеть это в реальности показано на рисунке 12:
Рисунок 12. Сумматор четырех аналоговых слагаемых. Здесь имеются 4 источника синусоидального сигнала V1-V4, напряжения которых суммируются резисторами R1-R4 и выравниваются по амплитуде ОУ Х1. Выходной сигнал сумматора, в зависимости от входных показан на рисунке 13:
Рисунок 13. Зависимость выходного сигнала от входных. И какая практическая польза от этого сумматора? Если этот сумматор немного доработать, то в финале получается самый простой четырех входовой МИКШЕР, причем количество входов может быть самым разным — от двух, до двадцати:
Рисунок 14. Принципиальная схема четырех входового микшера. В этой схеме конденсаторы С1-С4 выполняют роль разделительных и предотвращают проникновение на входу ОУ постоянного напряжения от источника, что иногда случается. В качестве ОУ в данной схеме выступает TL071, однако может использоваться практически любой из современных ОУ — для аппаратуры средней ценовой категории их параметров вполне хватает. Переменными резисторами Х1-Х4 регулируется уровень каждого из входных сигналов, что позволяет оперативно изменять громкость любого из входных источников. В качестве источника питания выступает два источника по 15 В, соединенных последовательно. Точка соединения соединяется с общим проводом и относительно ее получается два напряжения относительно общего провода — ПЛЮС ПЯТНАДЦАТЬ и МИНУС ПЯТНАДЦАТЬ вольт . Такой двойной источник называется источником двуполярного напряжения и обычно величины плюсового и минусового проводов одинаковы. Однако ОУ может быть запитанно и от одного источника, единственно не стоит забывать о том, что в тех документации на ОУ обычно указывается величина двуполярного источника напряжений и обозначается минимальное и максимальное значения, например Uип мин ±5 В, Uип макс ±20 В. Это означает, что ОУ работоспособен при двуполярном питании в диапазоне напряжений ±5. ±20 В, однако при питании от однополярного источника диапазон напряжений будет выглядеть +10. +40 В.
Рисунок 15. Варианты питания ОУ. Питание от двуполярного источника несколько предпочтительней — несколько упрощается схемотехника, поскольку привязка входов происходит либо «автоматически», как в схеме рисунка 14, где нулевое напряжение на входе ОУ формируется нижними выводами переменных резисторов, либо ноль на входе формируется отдельным постоянным резистором, один вывод которого подключается к общему проводу, а второй вывод к входу ОУ, обычно не инвертирующему. Таким образом на выходе ОУ задается начальное напряжение, если не учитывать дрейфы, равное нулю. При однополярном напряжении питания выходное напряжение ОУ не может быть отрицательным, однако ему необходимо усиливать обе полуволны синусоиды и положительную, и отрицательную. Для решения этой проблемы формируют виртуальный ноль именно для ОУ. Обычно это два последовательно соединенных резистора подключенных между клеммами питания, а формируемое в точке соединения резисторов половина напряжения питания и выступает в роли виртуального нуля (рисунок 16).
Рисунок 16. Питание ОУ от однополярного напряжения. R1 и R4 формируют половину напряжения питания, R3 необходим для уменьшения влияния входного сигнала формируемое напряжение, а так же для увеличения входного сопротивления устройство, поскольку С2, призванный уменьшать импульсные помехи и пульсации питания на виртуальном нуле будет так же влиять и на входное переменное напряжение. С1 служит разделительным конденсатором, отделяющим постоянную составляющую на входе ОУ от источника, ведь подразумевается, что источник выдает переменное напряжение. R5 и R2 формируют ООС и в данном усилителе коф усиления равен R5 / R2 + 1 = 30к / 10 к + 1 = 4. С3 служит разделительным конденсатором между выходом ОУ и нагрузкой. Сравнивая рисунки 14, 15 и 16 становится ясно, что ОУ может обходится без ОБЩЕГО провода, поскольку выходное напряжение полностью зависит от напряжения на его входах, следовательно для получения на выходе нулевого напряжения при двуполярном питании и половины напряжения при однополярном необходимо «привязать» не инвертирующий вход усилителя к нулю или половине напряжения питания. Только в этом случае будет исключено не санкционированное изменение постоянной составляющей выходного сигнала, поскольку изменение входного сигнала будет происходить относительно напряжения этой «привязки», т.е. ОБЩИЙ провод для двуполярного питания и половина напряжения питания при однополярном питании будут выступать в роли опорных напряжений. Подобное положение дел наводит на мысль о том, что для корректной работы ОУ «чистота» опорного напряжения становится приоритетной. При разводке печатной платы необходимо учитывать важность этих опорных напряжений и исключить влияние на данные проводники внешних факторов, таких как наводки силовой части, протекание через них токов от конденсаторов фильтров питания, поскольку все изменения опорного напряжения приведут к изменениям выходного сигнала ОУ, т.е. под опорное напряжение на плате должен быть выделен отдельный проводник и он должен использоваться только как опорное напряжения для ОУ или группы ОУ, и не для каких других целей . Принцип работы конденсатора можно объяснить двумя способами:
При входном переменно напряжении равным нулю конденсатор заряжен до половины напряжения питания. При появлении положительной полуволны конденсатор начинает дозаряжаться и через него начинает протекать ток, а поскольку R6, выступающий в роли нагрузки, соединен с С3 последовательно, то и через него начинает протекать ток, причем направление тока будет сверху вниз. Как только положительная полуволна минует свой пик и ее величина начнет уменьшаться конденсатор начнет разряжаться. Это повлечет снова протекание тока, но уже в обратном направлении. Таким образом на R6 сформируется переменное напряжение. Второй способ объяснения привязан к сопротивлению элементов электрическому току. Для постоянного тока сопротивление конденсатора равно бесконечности (не считая токов утечки), а вот для переменного тока величина сопротивления конденсатора уже имеет какое то значение и это значение зависит от емкости конденсатора и от частоты протекающего тока. Поскольку сопротивление меняется в зависимости от каких то условий , то необходима формула для вычисления какое именно сопротивление имеет элемент при определенных условиях, а поскольку сопротивление меняющееся, то для отличия его от сопротивления резисторов, вводится понятие как РЕАКТИВНОЕ СОПРОТИВЛЕНИЕ, вычисляемое по формуле , где ПИ, есть число ПИ, F- частота в Герцах, С — емкость конденсатора в Фарадах. Исходя из этой формулы не трудно подсчитать какое будет сопротивление у конденсатора С3, рисунка 16 при крайних частотах звукового диапазона, а именно на частоте 20 Гц реактивное сопротивление конденсатора в 47 мкФ будет равно 169 Ом, а на частоте 20 кГц — 0,17 Ома. При сопротивлении нагрузки в 2 кОм 169 Ом будут вносить незначительное ослабление сигнала:
Рисунок 17. Ослабление переменного напряжения реактивным сопротивлением С1. Таким образом, с математической точки зрения на сопротивлении нагрузки R6 рисунка 16 постоянного напряжения не будет, поскольку для постоянного напряжение сопротивление С3 равно бесконечности, а для переменного сопротивление уменьшается со 169 Ом до 0,17 Ом в звуковом диапазоне. Значит, для снижения реактивного сопротивления емкость разделительного конденсатора следует брать как можно большей? Не совсем. Например варьируя емкостью входного конденсатора можно организовать небольшой фильтр инфранизких частот, например при емкости разделительного конденсатора С1 22 мкФ, буферного усилителя на ОУ Х1 АЧХ усилителя приобретает форму синей линии, а при С1 равным 2,2 мкФ — красной. Из рисунка видно, что несмотря на небольшой завал в области 20 Гц все что ниже довольно успешно обрезается, тем самым предохраняя низкочастотный динамик от перегрузки.
Рисунок 18. Влияние емкости разделительного конденсатора на АЧХ всего усилителя. Кроме этого использование свойств конденсатора изменять свое сопротивление позволяет строить различные фильтры, а для этого определенным образом соединяют резисторы на входе ОУ и тогда он выступает в роли компенсатора падения напряжения, либо в обратной связи ОУ, и тогда ОУ изменяет собственный коф усиления в зависимости от частоты. Но перед рассмотрением фильтров следует вернуться к упомянутому БУФЕРНОМУ УСИЛИТЕЛЮ . По сути буферный усилитель представляет из себя промежуточный усилитель, имеющий ровную АЧХ, желательно наличие регулировки коф усиления. Введение в схему буферного усилителя обычно является обоснованным, если усилитель имеет выходную мощность 200 и более Вт . В этом случае собственный коф усиления усилителя мощности должен быть достаточно высоким, поскольку выходное напряжение предварительных усилителей нормировано и составляет 0,75 или 1 В, а для мощности 200 Вт уже необходимо напряжение амплитудой порядка 40 В (28 В действующее значение), т.е. усилителю необходимо усилить сигнал в 28 раз, а это 32 дБ. Ни для кого не секрет, что чем больше собственный кф усиления усилителя, тем большие искажения он выдает, следовательно для снижения искажений необходимо снизить коф усиления, а для получения той же мощности необходимо увеличить амплитуду входного сигнала. Для решения этой задачи как раз и используется буферный усилитель. Схемотехника буферных усилителей довольно проста — обычно это типовое включение ОУ, охваченного ООС, причем регулируемой. Питание ОУ обычно осуществляется от того же источника, что и сам усилитель, поэтому для получения необходимого для работы ОУ напряжения ±15 В используют параметрические стабилизаторы, но для начала рассмотрим схему с питанием от отдельного источника:
Рисунок 19. Принципиальная схема буферного усилителя с питанием от отдельного источника. Прежде всего следует обратить внимание на отсутствие разделительного конденсатора на выходе усилителя — он не нужен, поскольку стоит конденсатор на входе самого усилителя мощности. Усилитель имеет небольшие завалы на краях звукового диапазона, но несмотря на кажущуюся крутизну линий это завал всего на 0,1 дБ при коф усиления 15 дБ, что более чем приемлемо:
Рисунок 20. АЧХ буферного усилителя на ОУ TL071 от TI. Уровень THD тоже не велик:
Рисунок 21. Уровень THD для усилителя на ОУ TL071 Здесь 1,2 m означает, что это миллипроценты, т.е. это 0,0012%. Кстати сказать, что эта величина напрямую зависит от используемого ОУ. Ниже приведены такие же графики для того же буферного ОУ, но уже с использованием NE5534 и AD744:
Рисунок 22. Уровень THD для ОУ NE5534 (вверху, на желтом фоне)
и AD744 (внизу, на зеленом фоне) Как видно из графиков уровень THD снижается в разы, поэтому при выборе ОУ следует учитывать этот фактор и перед установкой более детально изучить свойства планируемого ОУ. Например NE5534 имеет биполярный вход, что снижет его входного сопротивление, но имеет бОльшую нагрузочную способность, что позволяет ему устойчиво работать на инвертирующие усилители мощности с большим собственным коф усиления. Для более наглядного примера используем базовую схему усилителя Холтона:
Рисунок 23. Принципиальная схема усилителя мощности Холтона Уровень THD в этом варианте достигает 0,03%, при коф усиления 32 дБ.
Рисунок 24. Теперь «прикрутим» к усилителю буферный усилитель и еще раз проверим уровень THD:
Рисунок 25. Усилитель Холтона с буферным ОУ на TL071

Рисунок 26. Уровень THD с буферным ОУ на TL071.
Как видно из графика уровень THD снизился практически в 3 раза (!) и это при использовании обычного ОУ TL071. Однако если еще снизить коф усиления самого усилителя и увеличить коф усиления буферного усилителя, а вместо TL071 использовать AD744 уровень THD можно еще снизить в 2 раза.
Рисунок 27. Уровень THD при использовании AD744. Теперь более подробно рассмотрим схему рисунка 25:
С3 и С6 это электролитические конденсаторы, фильтрующие низкочастотную составляющую питания, а С4 и С5 — пленочные, фильтрующие ВЧ;
D1 и D2 — стабилитроны на 1,3 Вт, 15 В;
R3 подразумевается подстроечным резистором, позволяющим оперативно изменять коф усиления буферного ОУ;
С7 — корректирующий конденсатор, кардинально снижающих коф усиления ОУ на ультразвуке и придающий устойчивость (снижающий склонность к возбуждению) буферному усилителю;
R17 и R20 изменены по сравнению с аналогичными схемы 23, поскольку именно они отвечают за собственный коф усиления усилителя мощности;
резисторы R4 и R5 выполняют роль токоограничивающих (балластных) резисторов для параметрического стабилизатора и чем выше напряжение питания самого усилителя, тем большие номинал они должны иметь и тем больше тепла они будут рассеивать. Номинал резисторов следует выбирать таким образом, чтобы на стабилитронах D1 и D2 рассеивалось 0,1. 0,15 Вт. Это будет гарантировать, что стабилизируемое напряжение не измениться в случае провалов напряжения питания и не будет зависеть ни от потребляемого тока самого ОУ, ни от потребляемого тока, отдаваемого ОУ в нагрузку. Номиналы балластных резисторов для различных напряжений питания усилителей сведены в таблицу:

НАПРЯЖЕНИЕ ПИТАНИЯ УМЗЧ, В

НОМИНАЛЫ ТОКООГРАНИЧИВАЮЩИХ (БАЛАСТНЫХ) РЕЗИСТОРОВ

560. 620 Ом 0,25Вт

1,5. 1,7 кОм 0,5Вт

1,7. 2,2 кОм 1Вт

2,2. 2,7 кОм 1Вт

3,3. 3,6 кОм 1Вт

4,3. 4,7 кОм 1Вт

5,1. 5,6 кОм 1Вт

6,2. 6,8 кОм 2Вт

6,8. 7,5 кОм 2Вт

Сразу же следует добавить, что и стабилитроны и балластные резисторы греются, следовательно на печатной плате необходимо предусмотреть более большие контактные площадки под эти элементы , чтобы они выступали в роли небольших теплоотводов. Так же более большая контактная площадка гораздо надежней для греющихся элементов и вероятность отхода от элемента припоя со временем сильно уменьшается. Заканчивая тему буферных усилителей осталось только заметить, что раз уж поставлен ОУ, то на нем можно организовать дополнительный узел, именуемый лимитером. ЛИМИТЕР — модуль измеряющий пиковый уровень выходного сигнала и на основании этих замеров регулирует коф усиления используемого ОУ, что исключает появление клиппинга на выходе усилителя. В аппаратуре магнитной записи что то похожее называлось АВТОМАТИЧЕСКИМ РЕГУЛЯТОРОМ УРОВНЯ .
Основная проблема при создании лимитера это выбор постоянной времени для реакции лимитера, поскольку слишком быстрая реация будет довольно сильно изменять динамический диапазон звукового сигнала, а если она будет слишком большой, то лимитер не успеет обработать входной сигнал и «пропустит» клиппинг. На рисунке 28 приведен фрагмент схемы лимитера, организованного на базе буферного ОУ, т.е. это «доведенная» схема рисунка 25:
Рисунок 28. Организация лимитера. Схема специально организована самым примитивным образом — сигнал с выхода усилителя подается на правый вывод резистора R52, далее он выпрямляется диодным мостом на диаодах D12, D13, D17, D18 и подается на ограничитель амплитуды на D14 и D15. Напряжения стабилитронов D14 и D15 выбирается примерно на 5. 8 В меньше, чем максимальное выходное напряжение усилителя мощности, а R50 ограничивает протекающий ток и совместно с С20 образует времязадающую цепочку времени реакции лимитера, т.е. как быстро лимитер снизит коф усиления буферного усилителя при появлении максимальной амплитуды сигнала. Время, через которое лимитер «вернет» первоначальный коф усиления буферному ОУ зависит от емкости С20 и сопротивления R51. D16 предохраняет лампу оптрона АОР124 от перегорания завышенным напряжением. Лампа HL1 «светит» на фоторезистор оптрона R49, который при освещении уменьшает свое сопротивление, существенно уменьшая коф усиления буферного ОУ. К сожалению оптронов ЛАМПА-ФОТОРЕЗИСТОР не так уж много, и взаимозаменяемость у них не очень хорошая, так что лучше поискать оптроны именно этой серии, причем лучше с буквой Б на конце, т.е. АОР124Б — при включенной лампе сопротивление фоторезистора снижается до 360 Ом, а у остальных этой серии до 1,2 кОм, хотя и этого достаточно для данного лимитера. Однако ОУ хороши не только в буферных усилителях — используя наборы резисторов и конденсаторов на них можно построить и регуляторы тембра, причем и много полосные эквалайзеры, и фильтры только для определенного диапазона частот . Для примера рассмотрим схему рисунка 29:
Рисунок 29. Фильтр высокой частоты. R1 и С2 образуют фильтр первого порядка, принцип которого лучше объяснить через реактивное сопротивление — при достижении определенной частоты реактивное сопротивление начнет уменьшаться и как только оно станет значительно меньше R1 амлитуда входного сигнала тоже начнет уменьшаться. Для проверки возьмем АЧХ данной схемы, нарисованную симулятором:
Рисунок 30. Теперь пересчитаем реактивное сопротивление С1 для частот, показанных на графике выше. Изгиб линии АЧХ начинается примерно на 2 кГц, для этой частоты реактивное сопротивление С2 будет составлять 169 кОм, по отношению к 22 кОм R1 это начинает ощущаться. На частоте 24,1 кГц сопротивление С2 будет составлять 14 кОм и это уже меньше сопротивления R1 в 1,6 раза, следовательно напряжение тоже должно уменьшиться в 1,6 раза, что собственно и происходит при напряжении в 1,22 В на низкой частоте 500 Гц на частоте 24 кГц амплитуда уменьшилась до 0,75 В, т.е. в те же самые 1,6 раза. Теперь добавим еще одно, точно такое же звено, как R1-С2, и получим фильтр второго порядка:
Рисунок 31. Фильтр второго порядка

Рисунок 32. АЧХ фильтра второго порядка. Как видно из рисунка выходного напряжение на низких частотах снизилось, буквально на 0,2 В, а вот на высокой частоте завал происходит значительно интенсивней — теперь на частоте 24 кГц выходное напряжение составляет 0,3 В, что более чем в 2 раза меньше, чем в предыдущем фильтре. Для большей наглядности переведи эти значения в дБ, поскольку человеческое ухо уровень громкости воспринимает по логарифмическому закону, и АЧХ фильтра втрого порядка приобретает следующий вид:
Рисунок 33. АЧХ фильтра второго порядка в дБ. Из графика теперь видно, что на частоте 24 кГц завал АЧХ составляет 10 дБ, т.е в 3 раза ниже от низкочастотного. Добротность данного фильтра, т.е. зависимость на сколько уменьшится коф усиления в зависимости от изменения частоты, составляет 5 дБ на октаву. Октава — музыкальное понятие, означающее, что частота изменилась ровно в 2 раза. В данном случае за отрезок для расчетов были взяты частоты 10 кГц и 20 кГц, м на этом участке амплитуда уменьшилась на 5,2 дБ.
Рассмотрим еще один пример — фильтр третьего порядка, т.е. содержащий 3 одинаковых узла:
Рисунок 34. Фильтр третьего порядка.

Рисунок 35. АЧХ фильтра третьего порядка. В этом фильтре «завал» АЧХ происходит 7,5 дБ на октаву, т.е. уменьшение амплитуды происходит гораздо интенсивней. По этому же принципу можно организовывать фильтры низких частот:
Рисунок 36. Фильтр низких частот

Рисунок 37. АЧХ фильтра низких частот Данные фильтры обычно используются в полных усилителях мощности для ограничения краев звукового диапазона , где обычно «селяться» неприятные помехи. Однако используя схемотехнику фильтра высоких частот можно организовать фильтр НЧ, для сабвуфера :
Рисунок 38. Фильтр для сабвуфера

Рисунок 39. АЧХ фильтра для сабвуфера Не смотря на полную работоспособность данного фильтра рекомендовать его использование было бы не совсем корректно — у него нет ограничения в области инфранизких частот , а это увеличивает шанс перегрева катушки динамической головки или ее механическое повреждение от ударов о магнитную систему. Теперь в качестве фильтра рассмотрим следующую схему:
Рисунок 40. Здесь ОУ включен через инвертирующий вход, причем ООС ОУ содержит RC цепочки, которые однозначно будут влиять на АЧХ данной схемы. Так же схема содержит переменный резистор Х1, при среднем положении движка которого компоненты ООС и входной цепи делаются полностью симметричными, что дает право предположить, что ООС компенсирует изменения АЧХ, которые внесут входные элементы. На схеме слева от движка написано номинал резистора, в данном случае это 100 кОм, а справа — положение движка в процентах относительно его полного хода, т.е. 50 означает, что движок находится посередине. Для проверки суждений об АЧХ посмотрим на АЧХ данной схемы, сформированной симулятором:
Рисунок 41. Действительно — красная линия, отображающая форму АЧХ практически идет по нулевой отметке. Теперь передвинем движок переменного резистора в сторону R2:
Рисунок 42. Как видно из рисунка усилитель начал усиливать определенный участок АЧХ, расположенный в районе 40 Гц и это говорит о том, что реактивное сопротивление конденсаторов С2 и С3 изменяется на столько, что начинает влиять на ООС, причем форма полученной АЧХ сильно напоминает форму АЧХ LC резонансного контура, однако здесь нет индуктивностей, следовательно резонанс как таковой не возможен. Для определения частоты всплеска вводится дополнительное понятие — КВАЗИРЕЗОНАНС. Квазирезонанс может вызывать как всплеск АЧХ вверх, так и завал вниз — достаточно перевести движок переменного резистора в сторону R4:
Рисунок 43 Используя этот фильтр уже можно создать полноценный фильтр для сабвуфера , поскольку у него есть хорошее ограничения в области инфранизких частот. Единственно, что может потребоваться, так это изменить номинал частотозадающих конденсаторов, поскольку добротность у фильтра получается достаточно высокая. В результате получается следующая схема и ее АЧХ:
Рисунок 44 Используя несколько фильтров включенных параллельно, но имеющих разные частотозадающие конденсаторы можно построить эквалайзер — регулятор тембра, производящий регулировку в четырех и более участках АЧХ (полосах). На рисунке 45 приведена схема подобного эквалайзера на 8 полос:
Рисунок 45. Принципиальная схема эквалайзера на 8 полос. Однако это далеко не единственный способ постройки эквалайзеров с использованием ОУ. На рисунке 47 приведена схема полностью пассивного эквалайзера, в котором ОУ выполняют роль буферного усилителя (Х1) и компенсатора потерь (Х2).
Рисунок 46. Принципиальная схема пассивного эквалайзера,
опубликованного в журнале РАДИО в восьмидесятых годах. Иногда для построения эквалайзеров на базе ОУ используют отдельные полосовые фильтры , включенные в ООС другого ОУ. Это позволяет уменьшить влияние полос друг на друга, а так же в широких пределах изменять величины подъема-завала участка АЧХ выбранной полосы:
Рисунок 47. Однако при построении стереофонического эквалайзера желательно чтобы оба канала были идентичны друг другу, а это требует использование и резисторов и конденсаторов без разброса параметров . Найти такие весьма затруднительно, поэтому приходится подбирать и резисторы и конденсаторы. Избавиться от этой неприятности позволит изменение схемотехники полосовых фильтров, а именно использование регулируемых фильтров. В восьмидесятых годах в РАДИО была опубликована схема подобного эквалайзера на базе К157УД2. Использование именно этих ОУ было обоснованно тем, что они сдвоенные. Однако на сегодня не дефицитны микросхемы, содержащие в своем корпусе 4 ОУ, следовательно увеличение количества ОУ для регулируемых фильтров практически не скажется на увеличении количества микросхем. Схема эквалайзера на пять полос на базе регулируемых фильтров приведена на рисунке 48, причем данный эквалайзер может легок расширяться до 15-ти полосного:
Рисунок 48. Кстати сказать — все предлагаемые выше эквалайзеры были из разрядка графических , т.е. при использовании ползунковых переменных резисторов возле каждого движка нанести градуировку, то по положению движка резистора можно судить о форме АЧХ:
Рисунок 49. Передняя панель графического эквалайзера ПРИБОЙ Э024С Однако есть еще одна разновидность эквалайзеров — параметрические . Данные эквалайзеры позволяют влиять не только на подъем-завал АЧХ на определенном участке, но и перемещать этот участок и кроме этого регулировать добротность.
Рисунок 50. Передняя панель параметрического эквалайзера Klark Teknik DN410 В быту такие эквалайзеры используются крайне редко, тем не менее именно они позволяют более точно откорректировать АЧХ в зависимости от необходимости. Речь собственно о параметрических эквалайзерах зашла потому, что схема рисунка 48 позволяет трансформировать данный эквалайзер в параметрический, для чего необходимо подстроечные резисторы полосовых фильтров заменить на последовательно соединенный подстроечный резистор меньшего номинала и переменный резистор, выведенный на переднюю панель. С другой стороны никто не запрещает использовать одну полосу данного эквалайзера для выделения и усиления узкого участка АЧХ, который как раз и необходим для создания многофункционального фильтра для сабвуфера, к которому остается только добавить фазовращатель, чтобы устранить изменение фазы, происходящее в самом фильтре. В результате получается следующая схема фильтра для сабвуфера :
Рисунок 51. Принципиальная схема фильтра сабвуфера На рисунках 52 и 53 приведены изменения формы АЧХ в зависимости от регулировки частоты и добротности:
Рисунок 52. Изменение частоты фильтра для сабвуфера

Рисунок 53. Изменение добротности фильтра для сабвуфера. Все рассмотренные ранее варианты применения ОУ были основаны на использовании ООС — отрицательной обратной связи. Однако ОУ может быть охвачен и положительной обратной связью — ПОС , т.е. обратная связь заводится на НЕИНВЕРТИРУЮЩИЙ ВХОД . Такое включение позволяет «оцифровывать» некоторые аналоговые события, например при достижении определенной температуры должно произойти какое то событие, например включиться вентилятор принудительного охлаждения, а как только температура понизится ниже определенной температуры — выключиться. Подобные действия может осуществлять схема управления вентилятором , приведенная на рисунке 54.
Рисунок 54. Принципиальная схема управления вентилятором. На схеме R7 выступает в роли вентилятора от компьютерной техники, размер которого и производительность, зависят уже от конструктивного исполнения усилителя. Подстроечным резистором Х1 регулируется порог срабатывания. Резистор R8 служит для включения вентилятора на минимальных оборотах и должен быть мощностью не менее 1 Вт, а сопротивление подбирается в зависимости от производительности. Для большей наглядности подключим к схеме генератор низких частот с небольшой амплитудой, имитирующей изменение R2 в зависимости от температуры и сравним входное и выходное напряжения ОУ:
Рисунок 55. Входные и выходное напряжения ОУ. Здесь синей линией обозначен входное напряжение на инвертирующем входе, красной на не инвертирующем, а зеленой — на выходе ОУ. Поскольку выходное напряжение изменяется, то через резистор R4 оно влияет и на величину напряжения на не инвертирующем входе, однако на этом рисунке зависимость изменений видно не очень хорошо, поэтому отключим напряжение на выходе ОУ и более внимательно рассмотрим напряжения на входах:
Рисунок 56. Напряжение на входе ОУ. Пока терморезистор R2 холодный его сопротивление велико и на инвертирующем входе напряжение будет положительным, следовательно напряжение на выходе ОУ будет максимально приближено к минусовому напряжению питания (синяя линия рисунка 56), а это в свою очередь повлечет появление небольшого отрицательного напряжения на не инвертирующем входе, примерно -0,3 В (красная линия рисунка 56). По мере нагрева R2 его сопротивление начнет уменьшаться, что повлечет уменьшение напряжения на инвертирующем входе ОУ, а затем переход в отрицательное значение. Как только напряжение на инвертирующем входе станет меньше, чем на не инвертирующем значение напряжения на выходе ОУ начнет увеличиваться, что повлечет увеличение напряжения на не инвертирующем входе и разница напряжения на входах ОУ еще больше увеличится. Поскольку ОУ усиливает только разницу напряжения на инвертирующем и не инвертирующем входах увеличение разницы напряжений повлечет еще большее увеличение выходного напряжения на выходе ОУ и разница входных напряжений станет еще больше. Таким образом образуется лавинный процесс, который способствует почти мгновенному изменению выходного напряжения на выходе ОУ, что собственно и происходит на рисунке 56, в точке 1 шкалы времени. По окончании этого процесса на выходе ОУ формируется напряжение, близкое по значению к положительному источнику питания, а на не инвертирующем входе появляется положительное напряжение равное 0,3 В. Появление положительного напряжение на выходе ОУ открывает транзистор Q1 (2N5551), который в свою очередь открывает Q2 (BD139) и вентилятор увеличивает обороты до максимальных. Кстати сказать — напряжение почти 15 В можно подавать далеко не на все компьютерные вентиляторы, поскольку не у всех вентиляторов устройство управления обмотками двигателя позволяет работать на повышенных оборотах. При достижении максимальных оборотов и дальнейшем увеличении напряжения питания магнитное поле вклеенных магнитов двигателя уже успевает «проскочить» нужный датчик Холла и в результате повышается вибрация двигателя, падают обороты и резко увеличивается нагрев силовых ключей двигателя. Поэтому, при питании схемы от напряжения ±15 В следует предусмотреть резистор на 0,5 Вт, включенный последовательно с вентилятором. Сопротивление этого резистора подбирается таким образом, чтобы на вентиляторе было 12-13 В, обычно 5. 10 Ом хватает. Как только началось охлаждение, по логике, сопротивление терморезистора должно увеличиваться, но допустим, что тепловое сопротивление радиатора не очень хорошее и терморезистор продолжает нагреваться, а напряжение на инвертирующем входе продолжает уменьшаться.
Но спустя какое то время спустя терморезистор начнет охлаждаться и его сопротивление начнет увеличиваться, а напряжение на инвертирующем входе начнет увеличиваться, дойдет до нуля и перейдет в положительное значение. Как только напряжение достигнет значения, равного напряжению на не инвертирующем входе и сразу же начнется лавинный процесс, но уже в отрицательную сторону — на выходе начнет уменьшаться провоцируя уменьшение напряжения на не инвертирующем входе увеличивая разницу напряжений на входа ОУ и в конце концов максимально приблизится в напряжению минусового напряжения питания. Что собственно и происходит во временной точке 2, в которой и выключается вентилятор. Как видно из графика переключение ОУ происходит не при одной и той же температуре — сначала должен произойти небольшой перегрев (напряжение на терморезисторе должно стать меньше -0,3 В), по отношению к установленной величине, а затем небольшое переохлаждение (напряжение на терморезисторе должно превысить +0,3 В). Исходя из этого можно построить график, изображенный на рисунке 57:
Рисунок 57. Получившаяся схема представляет одну из возможных реализаций триггера Шмитта или компаратора , а представленный на рисунке 57 график является описанием петли Гистерезиса , т.е. данную схему можно рассматривать как простейший аналого-цифровой преобразователь — АЦП .
Кроме контроля за температурой подобные схемы могут использоваться для управления вторым уровнем питания в мощных усилителях звуковой частоты класса Н . Принцип работы данных усилителей основан на разделении напряжения питания на две, обычно одинаковые части, и пока уровень выходного сигнала меньше более низкого питания оконечный каскад использует именно низковольтный источник. Как только амплитуда выходного сигнала начинает приближаться к величине напряжения питания на оконечный каскад подается «вторая часть» питания. Для более подробного рассмотрения используем усилитель Холтона:
Рисунок 58. Принципиальная схема Холтона в классе H В этой схеме в качестве компаратора используется специализированный ОУ LM311 , имеющий на выходе транзистор и выведенными эмиттером и коллектором, что значительно расширяет возможности данной микросхемы — возможно включение и повторителем, и выходом с открытым коллектором. Как только напряжение на выходе усилителя достигает значения +40 В компаратор Х3 изменит напряжение на своем выходе и откроются транзисторы Х9 и Х10 и напряжение +100 В будет подано на стоки транзисторов оконечного каскада. Как только напряжение на выходе снизится ниже 22 В компаратор снова изменит свое состояние и «второй этаж» питания будет отключен. Напряжения при которых подключается и выключается «второй этаж» питания определяется положением движка подстроечного резистора R30, а петля Гистерезиса формируется резистором R37 и в данной схеме номинал этого резистора несколько занижен для большей наглядности. При повторении схемы рекомендуется использовать номинал на 2,2 МОм. Если есть уверенность в том, что у Вас ПРАВИЛЬНАЯ разводка печатной платы и вероятность возникновения импульсных наводок сведена до минимума, то от этого резистора можно вообще отказаться — внутренняя структура микросхемы позволяет. Для минусового плеча происходит тот же самый процесс, только за ним следит компаратор на X4, а второй уровень питания подключают транзисторы М7 и М8.
Рисунок 59. Управление вторым уровнем питания усилителя класса H. В качестве транзисторов для подключения второго уровня питания на схеме используются IRF640 и IRF9640, как самые распространенные. Резисторы R63, R64, R69, R71 используются для уменьшения ударного процесса, который происходит в момент открытия транзисторов второго уровня и который неизбежно проявляется на выходном сигнале. Для уменьшения этого же процесса служат и конденсаторы С13 и С14. Если проблем с комплектацией нет, то вместо пар силовых транзисторов можно использовать по одному использовать более сильноточные транзисторы IRF5210 для плюсового плеча и IRF3710 для минусового. Резисторы в истоках необходимо уменьшить до 0,1 Ома. Питание систем управления осуществляется от параметрических стабилизаторов R53-D8-D9, для положительного плеча питания и R56-D10-D11, для отрицательного плеча. Два одинаковых стабилитрона обеспечивают виртуальную среднюю точку именно для каждого ОУ и эта точка является опорным для работы компаратора. Ну а что собственно дает такое включение оконечного каскада? Прежде всего уменьшения рассеиваемого тепла оконечным каскадом, поскольку изменяясь напряжение питания оконечного каскада существенно уменьшает рассеиваемое этим каскадом тело. А поскольку тепла выделяться стало значительно меньше, то уже можно использовать и меньшее количество пар транзисторов для этого самого, оконечного каскада, а это уже экономия средств. Кроме этого, в качестве транзисторов конечного каскада используются IRFP240-IRFP9240, максимальное напряжение СТОК-ИСТОК равно 200 В, следовательно напряжение питания усилителя по традиционной схеме не должно превышать ±90 В (десять вольт на технологический запас, хотя этого мало). Используя двух уровневое питание напряжение можно увеличивать, поскольку в любой момент времени к транзисторам будет приложено не более 3/4 от общего напряжения питания. Другими словами — даже при питании от двухуровневого питания ±50 В и ±100 В к транзисторам будет приложено напряжение не более 150 В, поскольку даже при максимальной амплитуде выходного сигнала один из транзисторов управления вторым уровнем будет закрыт — если на выходе плюсовая полуволна будет закрыто управление «вторым этажом» минусового напряжения и наоборот — если на выходе минусовая полуволна, то будет закрыто управление плюсового «второго этажа». Схемотехнически можно организовать работу компаратора таким образом, что он будет отслеживать не один уровень сравниваемого с опорным напряжения, а два. Подобные компараторы называются двух пороговыми , а использовать их можно, например для контроля напряжения питания усилителя, для контроля за уровнем постоянного напряжения на выходе усилителя. С защиты от постоянного напряжения для АС и начнем:
Рисунок 60. Защита АС от постоянного напряжения. Здесь на входа ОУ изначально поддано напряжения смещения , организованное на диодах D3 и D4 (1N4148). В качестве выхода усилителя мощности служит генератор синусоидального сигнала V1 и если на нем появляется напряжение плюсовое постоянное напряжение, то увеличить величину на не инвертирующем входе оно не может — не даст D3, а вот на инвертирующем входе увеличению положительного напряжения ни чего не мешает и на выходе ОУ сформируется почти минус напряжения питания, что повлечет закрытие составного транзистора Q1-Q2 и реле (R12) отключится. Если же на выходе усилителя появляется минусовое напряжение, то увеличиваться, точнее уменьшаться оно не сможет на инвертирующем входе — не даст D4, а вот на не инвертирующем входе оно беспрепятственно может принимать отрицательные значения, что так же повлечет к появления на выходе ОУ почти минусового напряжения питания и реле снова отключится. Для примера подадим с генератора напряжение амплитудой 9 В и частотой 0,1 Гц, которое можно считать за имитацию постоянного напряжения:
Рисунок 61. Временные диаграммы работы защиты АС, длительность 10 сек. Синяя линия — сигнал с генератора, красная — напряжение на коллекторах Q1 и Q2.
Цепочка С2 и R13 служит для задержки подключения АС в момент включения усилителя и на короткое время (пока С2 заряжается) подает небольшое положительное напряжение на вход устройства. А чем эта схема лучше популярных транзисторных аналогов? Есть один нюанс, который рано или поздно может довести до неприятностей. Для примера возьмем одну из популярных схем защиты от постоянного напряжения:
Рисунок 62. Принципиальная схема защиты АС от постоянного напряжения. Плюс на выходе усилителя открывает Q1- Q3 закрывается, минус на выходе усилителя открывает Q2 — Q3 закрывается, вроде бы все верно, но вот как это происходит? Емкость C2 достаточно велика и мгновенно включить и выключить реле она не позволит, следовательно уменьшается скорость замыкание и размыкания контактов реле, что вызывает подгорание контактов и к конечном итоге — выходу из строя реле . Для наглядности рассмотрим графики напряжения на коллекторах управляющих реле транзисторов:
Рисунок 63. Осциллограммы на коллекторах силовых транзисторов. Здесь синяя линия это напряжение на коллекторе Q2 рисунка 62, а красная на коллекторе транзистора Q2 рисунка 60. Как видно из рисунка для традиционной защиты изменение напряжения питания для реле происходит в течении 0,1 сек, в то время как для защиты с ОУ время переключения зависит только от скорости самого ОУ и быстродействия силовых транзисторов, т.е. практически мгновенно, по сравнению с традиционной. По этому же принципу можно организовать софт-старт для усилителя мощности , а кроме самого софт-старта схема будет осуществлять и контроль за напряжением питания. Если вторичное питания будет изменяться выше или ниже установленного предела, например при проведении сварочных работ на этой же фазе сетевого напряжения, или во время ветреной погоды произойдет перехлест проводов сетевой линии и в розетке появится 280-340 В, то данная схема автоматически переведет усилитель в режим старта. Если ситуация продлится довольно долго, то это вызовет перегорание токоограничивающего резистора и усилитель вообще отключится. Принципиальная схема приведена на рисунке 64:
Рисунок 64. Здесь V1 и V1 имитируют вторичные обмотки силового трансформатора, V3 — имитация скачков сетевого напряжения, R1 и R2 — имитируют ОДИН резистор, включенный последовательно с первичной обмоткой силового трансформатора и шунтируемый контактами реле, обмотку которого имитирует резистор R15, R 3 — имитация тока покоя усилителя мощности. Для получения более узкого диапазона срабатывания в схеме использованы диоды Шоттки, поскольку на них меньшее падение напряжения, можно заменить на 1N4144. В момент включения С3 разряжен и реле выключено, зарядка конденсаторов фильтров вторичного питания происходит через резистор, установленный последовательно с первичной обмоткой трансформатора. Зачастую время зарядки конденсаторов вторичного питания превышает время зарядки С3, следовательно контакты реле остаются разомкнутыми. Как только на верхнем выводе С1 напряжение достигает определенного уровня срабатывает компаратор и включает реле — схема перешла в рабочий режим. как только напряжение на С1 станет меньше или больше установленного подстроечным резистором R5 напряжения компаратор снова сработает и отключит реле — питание будет осуществляться через токоограничивающий резистор. Мощности трансформатора уже не хватит сжечь оконечные транзисторы усилителя, в котором при скачках начнут формироваться переходные процессы. Однако если емкости конденсаторов достаточно велики, то запасенной в них энергии может быть достаточно, чтобы что то вышло из строя, поэтому рекомендуется использовать сильноточное высоковольтное реле с тремя переключающими группами контактов. Одна группа будет шунтировать резистор в первичной обмотке трансформатора, а вторая токоограничивающие резисторы, установленные по шинами питания уже после основных конденсаторов вторичного питания:
Рисунок 65. Наиболее оптимальное использование контактных групп реле. Как дополнительный сервис данная схема может еще следить за техническим состоянием С1 (рисунок 64) и если его емкость уменьшится от «высыхания», устройство даже не даст подать питание на усилитель мощности. Но тут нужно будет добавить точно такую же схему и для слежения за техническим состоянием конденсаторов минусового плеча питания, впрочем использование ОУ типа TL072 (в одном корпусе 2 ОУ) сократит количество используемых деталей. На последок осталось рассмотреть еще один способ использования ОУ, обычно применяемый в высококачественных усилителях мощности, причем применение именно в качестве усилителя постоянного напряжения. Для обеспечения на выходе усилителя мощности постоянного напряжения максимально приблежонного к нулю используют интеграторы — модули, которые следят за величиной именно постоянного напряжения и исходя из величины постоянной составляющей вносят коррективы в режимы усилителя, тем самым приближая уровень постоянного напряжения к нулю. Для примера возьмем все тот же усилитель Холтона:
Рисунок 66. Принципиальная схема усилителя Холтона с буферным усилителем и интегратором. Выходное напряжение усилителя мощности через резистор R49 попадает на конденсатор С21, который отфильтровывает переменную составляющую сигнала. Встречно включенные диоды D12 и D13 исключают превышение входного напряжения для ОУ, предохраняя его от перегрузки. Далее напряжение попадает на инвертирующий вход ОУ Х7 и сравнивается с нулем, который подается на не инвертирующий вход ОУ. ОУ охвачен глубокой ООС, но только по переменному напряжению — это конденсатор С20, следовательно он усиливает только постоянное напряжение, которое с выхода ОУ, через резистор R47 подается на вход усилителя. Если на выходе усилителя постоянное напряжение положительное, то интегратор на своем выходе формирует отрицательное напряжение такой величины, чтобы напряжение на выходе усилителя стало равным нулю ОУ интегратора входное напряжение сравнивает именно с нулем. Если же выходе усилителя отрицательное напряжение, то на выходе ОУ формируется положительное напряжение, снова выравнивающее выходное напряжение самого УМ с нулем. Введение интегратора позволяет более точно контролировать наличие постоянной составляющей на выходе усилителя и автоматически корректирует ее, что позволило существенно увеличить входное сопротивление самого усилителя — на рисунке 25 R8 равно 10 кОм, номиналом именно этого резистора выставлялся ноль на выходе усилителя. Вот собственно и все основные способы применения ОУ в звукотехнике, если придумаете свои — честь Вам и хвала. Можно конечно упрекнуть в том, что не упомянуты мощные ОУ, которые можно самостоятельно использовать как усилители мощности, например TDA2030, TDA2050 и т.д. Но это спорный вопрос. С одной стороны это уже интегральные усилители мощности, как бы отедльная ветка, с другой все варианты включения ОУ для них подходят и они точно так же как ОУ могут суммировать сигналы, изменять их АЧХ, могут работать компараторами, причем стоимость TDA2030 меньше стоимости ОУ, транзистора и реле, необходимые для управления вентилятором, а ведь TDA2030 способна без дополнительных элементов управлять компьютерным вентилятором, причем не одним, а несколькими, включенными как последовательно, при увеличении питания, так и паралельно — диапазон питающих напряжений позволяет. Опять же — подавляющее большинство дискретных усилителей можно рассматривать как ОУ, поскольку они имеют и не инвертирующий вход и инвертирующий, следовательно все законы обратных связей ОУ для них вполне применимы. Так что додумывайте дальше сами — ВОТ ЭТО БУДЕТ ТВОРЧЕСКИМ ПОДХОДОМ. Предвидя упрек, что можно было бы добавить небольшой справочный листок по наиболее популярным ОУ отвечу — подобный листок в стадии разработки и появится в середине-конце октября в виде приложения к данной статье. Одним из недостатков данной статьи является отсутствие фотографий и чертежей печатных плат, однако здесь предложены схемы, некоторые из которых собирались отдельными модулями более двадцати лет назад, а в случае необходимости установки сегодня они просто интегрируются непосредственно в плату устройства, а не используются как отдельный модуль. Так что печатные платы разрабатывайте сами или ищите на форуме.

Приложение к статье

Операционные усилители делятся на несколько категорий, самая популярная — ОУ широкого применения, имеющие не плохие параметры, но на сегодня считающиеся средними. Есть ОУ прецизионные, предназначенные для использования в измерительной аппаратуре. А есть специально для аудиоустройств. Чем они отличаются кроме цены? Прежде всего принципиальной схемой. Для примера возьмем принципиальную схему ОУ широкого применения TL071 и считающийся звуковым:
Рисунок 1. Принципиальная схема операционного усилителя TL071

Рисунок 2. Принципиальная схема операционного усилителя AD744 Кроме схемотехнических отличий данные ОУ отличаются друг от друга используемыми транзисторами — у AD774 более скоростные транзисторы, что конечно же сказывается на частоте единичного усиления. У AD744 частота единичного усиления не менее 13 МГц, а у TL071 — 3 МГц. Так же у них отличается уровень THD — у AD744 это 0,0003%, у TL071 от Texas Instruments — 0.003%, а у TL071 от STMicroelectronics — 0.01%, Ну и наконец в принципиальной схеме AD744 в генераторе тока имеются два подстроечных резистора, да, да, именно подстроечных. Разумеется, что микросхемы не имеют шлицов для регулировки. Эти резисторы юстируются лазером после изготовления кристалла ОУ до получения оптимального режима работы диф каскада, и как следствие — минимального уровня THD. Даже не вникая глубоко в экономику должно быть понятно, что стоимость ОУ, приведенных в качестве примера будет отличаться в разы, а если точнее, то почти в 20 раз. Так же изначальные параметры компонентов объясняют засилье рынка TL071 от STMicroelectronics, ведь продавать эти популярные ОУ приходится по той же цене, что и ОУ от Texas Instruments — не каждому покупателю удается объяснить разницу. Большинство ориентируется только на название и не вникает в то, что одни и те же микросхемы от разных производителей отличаются даже точностью применяемых резисторов, не говоря уже о полупроводниках. На рисунке 3 показана принципиальная схема TL071 от STMicroelectronics, номиналы пассивных компонентов отличаются от номиналов, показанных на рисунке 1:
Рисунок 3. Принципиальная схема ОУ TL071 от STMicroelectronics Учитывая то, что разброс параметров резисторов считается от последнего знака и обычно составляет 5% получаем, что разброс резисторов в диф каскаде для микросхемы от STMicroelectronics составляет 5% от сотен Ом — последний знак это 0,3 кОм, а для микросхемы от Texas Instruments это будет 5% от единиц Ома, ведь в документации от завода прописан номинал в 1080 Ом. Для большей наглядности рассмотрим параметры ОУ, позиционируемых как аудио:

Наименование
(тип корпуса)

Напряжение
питания, В

Входное
сопротивление,
МОм

Операционный усилитель? Это очень просто!

Дорога в десять тысяч ли начинается с первого шага.
(китайская пословица) Дело было вечером, делать было нечего… И так вдруг захотелось спаять что-нибудь. Этакое… Электронное. Спаять — так спаять. Компьютер имеется, Интернет подключен. Выбираем схему. И вдруг оказывается, что схем для задуманного сабжа — вагон и маленькая тележка. И все разные. Опыта нет, знаний маловато. Какую выбрать? Некоторые из них содержат какие-то прямоугольнички, треугольнички. Усилители, да еще и операционные… Как они работают — непонятно. Стра-а-ашно. А вдруг сгорит? Выбираем, что попроще, на знакомых транзисторах! Выбрали, спаяли, включили… HELP. Не работает. Почему? Да потому, что «Простота — хуже воровства»! Это как компьютер: самый быстрый и навороченный — игровой! А для офисной работы достаточно и самого простого. Так же и с транзисторами. Спаять на них схему мало. Надо еще уметь её настроить. Слишком много «подводных камней» и «граблей». А для этого зачастую требуется опыт отнюдь не начального уровня. Так что же, бросать увлекательное занятие? Отнюдь! Просто не надо бояться этих «треугольничков-прямоугольничков». С ними работать, оказывается, во многих случаях намного проще, чем с отдельными транзисторами. ЕСЛИ ЗНАТЬ — КАК! Вот этим: пониманием, как работает операционный усилитель (ОУ, или по-английски OpAmp) мы сейчас и займемся. При этом будем рассматривать его работу буквально «на пальцах», практически не пользуясь никакими формулами, разве что кроме закона дедушки Ома: «Ток через участок цепи (I) прямо пропорционален напряжению на нем (U) и обратно пропорционален его сопротивлению (R)»:
I = U / R. (1) Для начала, в принципе, не так уж и важно, как именно ОУ устроен внутри. Просто примем в качестве допущения, что он представляет собой «черный ящик» с какой-то там начинкой. На данном этапе не будем рассматривать и такие параметры ОУ, как «напряжение смещения», «напряжение сдвига», «температурный дрейф», «шумовые характеристики», «коэффициент подавления синфазной составляющей», «коэффициент подавления пульсаций напряжений питания», «полоса пропускания» и т.п. Все эти параметры будут важны на следующем этапе его изучения, когда в голове «улягутся» основные принципы его работы ибо «гладко было на бумаге, да забыли про овраги»… Пока что просто допустим, что параметры ОУ близки к идеальным и рассмотрим, только то, какой сигнал будет на его выходе, если какие-то сигналы подавать на его входы. Итак, операционный усилитель (ОУ) является дифференциальным усилителем постоянного тока с двумя входами (инвертирующим и неинвертирующим) и одним выходом. Кроме них ОУ имеет выводы питания: положительного и отрицательного. Эти пять выводов имеются в почти любом ОУ и принципиально необходимы для его работы.

Примечание Существуют ОУ и не имеющие одного из входов. Либо инвертирующего (инверторы), либо неинвертирующего (повторители, буферы), но они применяются редко и мы их рассматривать не будем. ОУ может иметь и дополнительные выводы для балансировки и частотной коррекции, но эти выводы и их функции мы также сейчас рассматривать не будем. Это задача более продвинутого изучения как внутренней структуры ОУ, так и их работы.

ОУ имеет огромный коэффициент усиления, как минимум, 50000…100000, а реально — намного больше. Поэтому, в первом приближении, можно даже допустить, что он равен бесконечности.

Примечание Правда, ОУ первых разработок (К140УД1 или, как он тогда маркировался, К1УТ401 — отечественная реплика uA702) имел коэффициент усиления всего 500. 4500 для группы «А» и 1350. 12000 для группы «Б», а поскольку в старой аппаратуре, откуда их можно выпаять, они еще попадаются, это ограничение уже надо учитывать.

Термин «дифференциальный» («different» переводится с английского как «разница», «различие», «разность») означает, что на выходной потенциал ОУ влияет исключительно разность потенциалов между его входами, независимо от их абсолютного значения и полярности. Термин «постоянного тока» означает, что усиливает ОУ входные сигналы начиная от 0 Гц. Верхний диапазон частот (частотный диапазон), усиливаемых ОУ сигналов зависит от многих причин, таких, как частотные характеристики транзисторов, из которых он состоит, коэффициента усиления схемы, построенной с применением ОУ и т.п. Но этот вопрос уже выходит за рамки первичного ознакомления с его работой и рассматриваться здесь не будет. Входы ОУ имеют очень большое входное сопротивление, равное десяткам/сотням МегаОм, а то и ГигаОм (и только в приснопамятных К140УД1, да еще в К140УД5 оно составляло всего 30…50 кОм). Столь большое сопротивление входов означает, что на входной сигнал они практически не влияют. Поэтому с большой степенью приближения к теоретическому идеалу можно считать, что ток во входы ОУ не течет. Это — первое важное правило, которое применяется при анализе работы ОУ. Прошу хорошо запомнить, что оно касается только самого ОУ, а не схем с его применением! Что же означают термины «инвертирующий» и «неинвертирующий»? По отношению к чему определяется инверсия и вообще, что это за «зверек» такой — инверсия сигнала?

Примечание При тщательном поиске в Гугле, к своему великому удивлению, внятного толкования смысла этого термина в отношении аналогового сигнала в электротехнике я не нашел. Видимо, оно подразумевается настолько очевидным, что даже в пояснениях не нуждается. Одно из определений, гласящее: «Инвертирование или инверсия сигнала — это изменение его полярности» [1], требует уточнения, что такое «полярность». Один непонятный термин описывается другим, также непонятным термином. Поэтому попробуем всё же сформулировать данное понятие самостоятельно, не привязываясь к принципам работы собственно ОУ.

В переводе с латинского одним из значений слова «inversio» является «оборачивание», «переворот». Иными словами, инверсия — это зеркальное отражение (отзеркаливание) сигнала относительно горизонтальной оси Х (оси времени). На Рис. 1 показаны несколько из множества возможных вариантов инверсии сигнала, где красным цветом обозначен прямой (входной) сигнал и синим — проинвертированный (выходной).
Рис. 1 Понятие инверсии сигнала Особо следует отметить, что к нулевой линии (как на Рис. 1, А, Б) инверсия сигнала не привязана! Сигналы могут быть инверсными и асимметрично. Например, оба только в области положительных значений (Рис. 1, В), что характерно для цифровых сигналов или при однополярном питании (об этом речь идти будет дальше), или оба частично в положительной и частично — в отрицательной областях (Рис. 1, Б, Д). Возможны и другие варианты. Главным условием является их взаимная зеркальность относительно какого-то произвольным образом выбранного уровня (например, искусственной средней точки, о которой речь также будет вестись дальше). Иными словами, полярность сигнала тоже не является определяющим фактором. Изображают ОУ на принципиальных схемах по-разному. За рубежом ОУ раньше изображались, да и сейчас очень часто изображаются в виде равнобедренного треугольника (Рис. 2, А). Инвертирующий вход — символом «минус», а неинвер­тирующий — символом «плюс» внутри треугольника. Эти символы совершенно не означают, что на соответствующих входах потенциал должен быть более положительным или более отрицательным, чем на другом. Они просто-напросто указывают, как реагирует потенциал выхода на потенциалы, подаваемые на входы. В итоге их легко спутать с выводами питания, что может оказаться неожиданными «граблями», особенно для начинающих.
Рис. 2 Варианты условных графических изображений (УГО)
операционных усилителей В системе отечественных условных графических изображений (УГО) до вступления в силу ГОСТ 2.759-82 (СТ СЭВ 3336-81) ОУ также изображались в виде треугольника, только инвертирующий вход — символом инверсии — кружочком в месте пересе­чения вывода с треугольником (Рис.2, Б), а сейчас — в виде прямоугольника (Рис.2, В). При обозначении ОУ на схемах инвертирующий и неинвертирующий входы можно менять местами, если так удобнее, однако, традиционно инвертирующий вход изображается вверху, а неинвертирующий — внизу. Выводы питания, как правило, всегда располагают единственным способом (положительный вверху, отрицательный — внизу).

Внимание! Часто выводы питания на схеме не рисуют, дабы не загромождать её несущественными деталями (например, при изображении одного усилителя из микросхемы с несколькими ОУ с общими выводами питания). Кроме того, шина, являющаяся общей для напряжений питания обеих полярностей питающего напряжения, тоже не изображается одной линией, а обозначается значками в виде перевернутой буквы «Т» (_|_) в нужных местах. Все эти значки на реальной схеме соединены вместе одной шиной.

ОУ почти всегда используются в схемах с отрицательной обратной связью (ООС). Обратной связью называется эффект подачи части выходного напряжения усилителя на его вход, где оно алгебраически (с учетом знака) суммируется с входным напряжением. О принципе суммирования сигналов речь пойдет ниже. В зависимости от того, на какой вход ОУ, инвертирующий или неинвертирующий, подается ОС, различают отрицательную обратную связь (ООС), когда часть выходного сигнала подается на инвертирующий вход (Рис. 3, А) или положительную обратную связь (ПОС), когда часть выходного сигнала подается, соответственно, на неинвертирующий вход (Рис. 3, Б).
Рис. 3 Принцип формирования обратной связи (ОС) В первом случае, поскольку выходной сигнал является инверсным по отношению ко входному, он вычитается из входного. В результате общее усиление каскада снижается. Во втором случае — суммируется со входным, общее усиление каскада повышается. На первый взгляд может показаться, что ПОС имеет положительный эффект, а ООС — совершенно бесполезная затея: зачем же снижать усиление? Именно так и посчитали патентные эксперты США, когда в 1928 г. Гарольд С. Блэк попытался запатентовать ООС. Однако, жертвуя усилением, мы существенно улучшаем другие важные параметры схемы, как, например, её линейность, частотный диапазон и пр. Чем глубже ООС, тем меньше характеристики всей схемы зависят от характеристик ОУ.

Примечание Глубина ООС показывает, во сколько раз изменяется коэффициент усиления схемы под её влиянием по сравнению с её отсутствием (без ООС). Выражается обычно в логарифмическом масштабе — децибелах. Поскольку мы договаривались, что формул в данной статье почти не будет, отмечу только, что чем меньше её цифровое значение, тем глубже ООС.

А вот ПОС (учитывая собственное огромное усиление ОУ), имеет обратное влияние на характеристики схемы и самое неприятное — вызывает ее самовозбуждение. Она, конечно, тоже используется осознанно, например, в генераторах, компараторах с гистерезисом (подробно об этом — далее) и т.п., но в общем виде её влияние на работу усилительных схем с ОУ скорее негативное и требует очень тщательного и обоснованного анализа её применения. Поскольку ОУ имеет два входа, то возможны такие основные виды его включения с использованием ООС (Рис. 4):
Рис. 4 Основные схемы включения ОУ а) инвертирующее (Рис. 4, А) — сигнал подается на инвертирующий вход, а неинвертирующий подключается непосредственно к опорному потенциалу (не используется); б) неинвертирующее (Рис. 4, Б) — сигнал подается на неинвертирующий вход, а инвертирующий подключается непосредственно к опорному потенциалу (не используется); в) дифференциальное (Рис. 4, В) — сигналы подаются на оба входа, инвертирующий и неинвертирующий. Для анализа работы этих схем следует учесть второе важнейшее правило, которому подчиняется работа ОУ: Выход операционного усилителя стремится к тому, чтобы разность напряжений между его входами была равна нулю. Вместе с тем, любая формулировка должна быть необходимой и достаточной, чтобы ограничить всё подмножество подчиняющихся ей случаев. Приведенная выше формулировка, при всей её «классичности», не дает никакой информации о том, на какой же из входов «стремится повлиять» выход. Исходя из неё, получается, что вроде бы ОУ выравнивает напряжения на своих входах, подавая напряжение на них откуда-то «изнутри». Если внимательно рассмотреть схемы на Рис. 4, можно заметить, что ООС (через Rоос) во всех случаях заведена с выхода только на инвертирующий вход, что дает нам основание переформулировать это правило следующим образом: Напряжение на выходе ОУ, охваченном ООС, стремится к тому, чтобы потенциал на инвертирующем входе уравнялся с потенциалом на неинвертирующем входе. Исходя из этого определения, «ведущим» при любом включении ОУ с ООС является неинвертирующий вход, а «ведомым» — инвертирующий.

Внимание! Правило 2 действительно только для ОУ, охваченных ООС. При отсутствии любой ОС, либо при наличии ПОС, Правило 2 не действует!

При описании работы ОУ потенциал на его инвертирующем входе часто называют «виртуальным нулем» или «виртуальной средней точкой». Перевод латинского слова «virtus» означает «воображаемый», «мнимый». Виртуальный объект ведет себя близко к поведению аналогичных объектов материальной реальности, т.е., для входных сигналов (за счет действия ООС) инвертирующий вход можно считать подключенным непосредственно к такому же потенциалу, к какому подключен и неинвертирующий вход. Однако, «виртуальный ноль» является всего лишь частным случаем, имеющим место только при двуполярном питании ОУ. При использовании однополярного питания (о чем будет вестись речь ниже), да и во многих других схемах включения, ни на неинвертирующем, ни на инвертирующем входах ноля не будет. Поэтому давайте договоримся, что этот термин мы применять не будем, поскольку он мешает начальному пониманию принципов работы ОУ. Вот с этой точки зрения и разберем схемы, приведенные на Рис. 4. При этом, для упрощения анализа, примем, что напряжения питания всё-таки двуполярные, равные друг другу по величине (скажем, ± 15 В), со средней точкой (общая шина или «земля»), относительно которой и будем отсчитывать входные и выходные напряжения. Кроме того, анализ будет проводить по постоянному току, т.к. изменяющийся переменный сигнал в каждый момент времени тоже можно представить как выборку значений постоянного тока. Во всех случаях обратная связь через Rоос заведена с выхода ОУ на его инвертирующий вход. Различие заключается только в том, на какие из входов подается входное напряжение. А) Инвертирующее включение (Рис. 5).
Рис. 5 Принцип работы ОУ в инвертирующем включении Потенциал на неинвертирующем входе равен нулю, т.к. он подключен к средней точке («земле»). Входной сигнал, равный +1 В относительно средней точки (от GB) подан на левый вывод входного резистора Rвх. Допустим, что сопротивления Rоос и Rвх равны друг другу и составляют 1 кОм (в сумме их сопротивление равно 2 кОм).

Внимание! В данном и последующих примерах номиналы резисторов являются «учебными»! Исключительно для того, чтобы оперировать с целыми и круглыми величинами (например, 1 кОм — 1 В — 1 мА). О том, какими они должны быть в реальности, речь пойдет отдельно.

Согласно Правилу 2, на инвертирующем входе должно быть такой же потенциал, как и на зануленном неинвертирующем, т.е., 0 В. Следовательно, к Rвх приложено напряжение +1 В. Согласно закону Ома по нему будет протекать ток Iвх. = 1 В / 1000 Ом = 0,001 А (1 мА). Направление протекания этого тока показано стрелкой.

Примечание В электротехнике направление движения электрического тока традиционно принято обозначать от плюса к минусу. Хотя в действительности он обусловлен перемещением электронов, имеющих отрицательный заряд, но этот факт был открыт намного позже, чем само явление электричества. Так что не будем отходить от традиций.

Поскольку Rоос и Rвх включены делителем, а согласно Правилу 1 входы ОУ тока не потребляют, то для того, чтобы в средней точке этого делителя напряжение составляло 0 В, к правому выводу Rоос должно быть приложено напряжение минус 1 В, а протекающий по нему ток Iоос также должен быть равен 1 мА. Иными словами, между левым выводом Rвх и правым выводом Rоос приложено напряжение 2 В, а ток, протекающий по этому делителю равен 1 мА (2 В / (1 кОм + 1 кОм) = 1 мА), т.е. Iвх. = Iоос. Если на вход подать напряжение отрицательной полярности, на выходе ОУ будет напряжение положительной полярности. Всё то же самое, только стрелки, показывающие протекание тока через Rоос и Rвх будут направлены в противоположную сторону. Таким образом, при равенстве номиналов Rоос и Rвх, напряжение на выходе ОУ будет равно напряжению на его входе по величине, но инверсное по полярности. И мы получили инвертирующий повторитель. Эта схема нередко применяется, если нужно проинвертировать сигнал, полученный с помощью схем, принципиально являющихся инверторами. Например, логарифмических усилителей. Теперь давайте, сохранив номинал Rвх, равным 1 кОм, увеличим сопротивление Rоос до 2 кОм при том же входном сигнале +1 В. Общее сопротивление делителя Rоос+Rвх увеличилось до 3 кОм. Чтобы в его средней точке остался потенциал 0 В (равный потенциалу неинвертирующего входа), через Rоос должен протекать тот же ток (1 мА), что и через Rвх. Следовательно, падение напряжения на Rоос (напряжение на выходе ОУ) должно составлять уже 2 В. На выходе ОУ напряжение равно минус 2 В. Увеличим номинал Rоос до 10 кОм. Теперь напряжение на выходе ОУ при тех же остальных условиях составит уже 10 В. Во-о-от! Наконец-то мы получили инвертирующий усилитель! Его выходное напряжение больше входного (иными словами, коэффициент усиления Ку) во столько раз, во сколько раз сопротивление Rоос больше, чем сопротивление Rвх. Как я ни зарекался не применять формулы, давайте всё-таки отобразим это в виде уравнения:
Ку = – Uвых / Uвх = – Rоос / Rвх. (2) Знак минус перед дробью правой части уравнения означает только то, что выходной сигнал инверсен по отношению ко входному. И ничего более! А теперь давайте увеличим сопротивление Rоос до 20 кОм и проанализируем, что получится. Согласно формулы (2) при Ку = 20 и входном сигнале 1 В на выходе должно было бы быть напряжение 20 В. Ан не тут-то было! Мы же ранее приняли допущение, что напряжение питания нашего ОУ составляет всего ± 15 В. Но даже 15 В получить не удастся (почему так — чуть ниже). «Выше головы (напряжения питания) не прыгнешь»! В итоге такого надругательства над номиналами схемы выходное напряжение ОУ «упирается» в напряжение питания (выход ОУ входит в насыщение). Баланс равенства токов через делитель RоосRвх (Iвх. = Iоос) нарушается, на инвертирующем входе появляется потенциал, отличный от потенциала на неинвертирующем входе. Правило 2 перестает действовать. Входное сопротивление инвертирующего усилителя равно сопротивлению Rвх, поскольку через него протекает весь ток от источника входного сигнала (GB). Теперь давайте заменим постоянный Rоос на переменный, с номиналом, скажем 10 кОм (Рис. 6).
Рис. 6 Схема инвертирующего усилителя с переменным усилением При правом (по схеме) положении его движка усиление будет составлять Rоос / Rвх = 10 кОм / 1 кОм = 10. Перемещая движок Rоос влево (уменьшая его сопротивление) усиление схемы будет снижаться и, наконец, при крайнем левом его положении станет равным нулю, поскольку числитель в приведенной выше формуле станет равным нулю при любом значении знаменателя. На выходе будет ноль также при любом значении и полярности входного сигнала. Такая схема часто применяется в схемах усиления звуковых сигналов, например, в микшерах, где приходится регулировать усиление от нуля.

Внимание! Следует отметить, что в этой схеме есть двое «граблей»: 1) чтобы получить линейную регулировку коэффициента усиления от угла поворота движка переменного резистора, он должен быть с логарифмической зависимостью «Б» (для отечественных) либо «С» (для импортных); 2) не все ОУ способны работать стабильно при коэффициенте усиления, близком к 1, а тем более, меньше единицы. Например, К574УД1 желательно использовать с Ку более 6.

Б) Неинвертирующее включение (Рис. 7).
Рис. 7 Принцип работы ОУ в неинвертирующем включении Левый вывод Rвх подключен к средней точке («земле»), а входной сигнал, равный +1 В подан прямо на неинвертирующий вход. Поскольку нюансы анализа «разжеваны» выше, здесь будем уделять внимание только существенным отличиям. На первом этапе анализа также примем сопротивления Rоос и Rвх равными друг другу и составляющими 1 кОм. Т.к. на неинвертирующем входе потенциал составляет +1 В, то по Правилу 2 такой же потенциал (+1 В) должен быть и на инвертирующем входе (показано на рисунке). Для этого на правом выводе резистора Rоос (выходе ОУ) должно быть напряжение +2 В. Токи Iвх. и Iоос, равные 1 мА, текут теперь через резисторы Rоос и Rвх в обратном направлении (показаны стрелками). У нас получился неинвертирующий усилитель с усилением, равным 2, поскольку входной сигнал, равный +1 В формирует выходной сигнал, равный +2 В. Странно, не так ли? Номиналы те же, что и в инвертирующем включении (различие только в том, что сигнал подан на другой вход), а усиление налицо. Разберемся в этом чуть позже. Теперь увеличиваем номинал Rоос до 2 кОм. Чтобы сохранить баланс токов Iвх. = Iоос и потенциал инвертирующего входа +1 В, на выходе ОУ должно быть уже +3 В. Ку = 3 В / 1 В = 3! Увеличиваем номинал Rоос дальше, до 10 кОм. На выходе ОУ выходное напряжение теперь должно быть уже 11 В. Ку = 11 В / 1 В = 11. Если сравнить значения Ку при неинвертирующем включении с инвертирующим, при тех же номиналах Rоос и Rвх, то получается что коэффициент усиления во всех случаях больше на единицу. Выводим формулу:
Ку = Uвых / Uвх + 1 = (Rоос / Rвх) + 1 (3) Почему же так происходит? Да очень просто! ООС действует точно так же, как и при инвертирующем включении, но согласно Правилу 2, к потенциалу инвертирующего входа в неинвертирующем включении всегда прибавляется потенциал неинвертирующего входа. Так что же, при неинвертирующем включении нельзя получить усиление, равное 1? Почему же нельзя — можно. Давайте уменьшать номинал Rоос, аналогично тому, как мы анализировали Рис. 6. При его нулевом значении — перемыкании выхода с инвертирующем входом накоротко (Рис. 8, А), согласно Правилу 2, на выходе будет такое напряжение, чтобы потенциал инвертирующего входа был равен потенциалу неинвертирующего входа, т.е., +1 В. Получаем: Ку = 1 В / 1 В = 1 (!) Ну, а поскольку инвертирующий вход тока не потребляет и разности потенциалов между ним и выходом нет, то и никакой ток в этой цепи не протекает.
Рис. 8 Схема включения ОУ, как повторителя напряжения Rвх становится вообще лишним, т.к. он подключается параллельно нагрузке, на которую должен работать выход ОУ и через него совершенно зря будет протекать его выходной ток. А что будет, если оставить Rоос, но убрать Rвх (Рис. 8, Б)? Тогда в формуле усиления Ку = Rоос / Rвх + 1 сопротивление Rвх теоретически становится близким к бесконечности (в реальности, конечно же, нет, т.к. существуют утечки по плате, да и входной ток ОУ хоть и пренебрежимо мал, но нулю всё-таки не равен), при чем соотношение Rоос / Rвх приравнивается к нулю. В формуле остается только единица: Ку = + 1. А усиление меньше единицы для этой схемы можно получить? Нет, меньше не получится ни при каких обстоятельствах. «Лишнюю» единицу в формуле усиления на кривой козе не объедешь… После того, как мы убрали все «лишние» резисторы, получается схема неинвертирующего повторителя, показанная на Рис. 8, В. На первый взгляд, такая схема не имеет практического смысла: зачем нужно единичное да еще и неинверсное «усиление» — что, нельзя просто подать сигнал дальше. Однако, такие схемы применяются довольно часто и вот почему. Согласно Правилу 1 ток во входы ОУ не течет, т.е., входное сопротивление неинвертирующего повторителя очень большое — те самые десятки, сотни и даже тысячи МОм (это же относится и к схеме по Рис. 7)! А вот выходное сопротивление очень малое (доли Ома!). Выход ОУ «пыхтит изо всех сил», стараясь, согласно Правилу 2, поддержать на инвертирующем входе такой же потенциал, как и на неинвертирующем. Ограничением является только допустимый выходной ток ОУ. А вот с этого места мы немного вильнем в сторону и рассмотрим вопрос выходных токов ОУ чуть подробнее. Для большинства ОУ широкого применения в технических параметрах указано, что сопротивление нагрузки, подключенной к их выходу, не должно быть меньше 2 кОм. Больше — сколько угодно. Для намного меньшего числа оно составляет 1 кОм (К140УД…). Это значит, что при наихудших условиях: максимальном напряжении питания (например, ±16 В или суммарно 32 В), нагрузкой, подключенной между выходом и одной из шин питания и максимальном выходном напряжении противоположной полярности, к нагрузке будет приложено напряжение около 30 В. При этом ток через нее составит: 30 В / 2000 Ом = 0,015 А (15 мА). Не так, чтобы мало, но и не особо много. К счастью, большинство ОУ широкого применения имеют встроенную защиту от превышения выходного тока — типичное значение максимального выходного тока составляет 25 мА. Защита предотвращает перегрев и выход ОУ из строя. Если напряжения питания не максимально допустимые, то минимальное сопротивление нагрузки можно пропорционально уменьшать. Скажем, при питании 7,5…8 В (суммарно 15…16 В) оно может составлять 1 кОм.

Примечание Существуют ОУ с повышенным выходным током, например, К157УД1, способные обеспечивать выходной ток до 100 мА (для него минимальное сопротивление нагрузки составляет 200 Ом). И, наконец, широко применяющаяся микросхема усилителя звуковой частоты TDA2030/2050/2052 тоже представляет собой ОУ. Только низкочастотный и весьма мощный (максимальный выходной ток составляет, соответственно, 3,5/5,0/6,0 А). Это позволяет использовать её не только по «прямому» назначению но и для тех применений, где традиционном применялись ОУ, например, в блоках питания, для управления электродвигателями и т.п. Мощные достаточно быстродействующие ОУ широкого применения: L165, LM675, OPA544 и пр.

В) Дифференциальное включение (Рис. 9).
Рис. 9 Принцип работы ОУ в дифференциальном включении Итак, допустим, что при одинаковых номиналах Rвх и Rоос, равных 1 кОм, на оба входа схемы поданы одинаковые напряжения, равные +1 В (Рис. 9, А). Поскольку потенциалы с обеих сторон резистора Rвх равны друг другу (напряжения на резисторе равно 0), ток через него не протекает. А значит, равен нулю и ток через резистор Rоос. Т.е., эти два резистора никакой функции не выполняют. По сути, мы фактически получили неинвертирующий повторитель (сравните с Рис. 8). Соответственно, на выходе получим такое же напряжение, как и на неинвертирующем входе, т.е., +1 В. Поменяем полярность входного сигнала на инвертирующем входе схемы (перевернем GB1) и подадим минус 1 В (Рис. 9, Б). Теперь между выводами Rвх приложено напряжение 2 В и через него течет ток Iвх = 2 мА (надеюсь, что подробно расписывать, почему так — уже не нужно?). Для того, чтобы скомпенсировать этот ток, через Rоос тоже должен протекать ток, равный 2 мА. А для этого на выходе ОУ должно быть напряжение +3 В. Вот где проявился ехидный «оскал» дополнительной единички в формуле коэффициента усиления неинвертирующего усилителя. Получается, что при таком упрощенном дифференциальном включении разница в коэффициентах усиления постоянно сдвигает выходной сигнал на величину потенциала на неинвертирующем входе. Проблема-с! Однако, «Даже если вас съели — у вас всё равно остаётся как минимум два выхода». Значит, нам каким-то образом надо уравнять коэффициенты усиления инвертирующего и неинвертирующего включений, чтобы «нейтрализовать» эту лишнюю единичку. Для этого подадим входной сигнал на неинвертирующий вход не напрямую, а через делитель Rвх2, R1 (Рис. 9, В). Примем их номиналы также по 1 кОм. Теперь на неинвертирующем (а значит, и на инвертирующем тоже) входе ОУ будет потенциал +0,5 В, через него (и Rоос) будет протекать ток Iвх = Iоос = 0,5 мА, для обеспечения которого на выходе ОУ должно быть напряжение, равное 0 В. Фу-у-ух! Мы добились, чего хотели! При равных по величине и полярности сигналах на обеих входах схемы (в данном случае +1 В, но то же самое будет справедливо и для минус 1 В и для любых иных цифровых значений), на выходе ОУ будет сохраняться нулевое напряжение, равное разнице входных сигналов. Проверим это рассуждение, подав на инвертирующий вход сигнал отрицательной полярности минус 1 В (Рис. 9, Г). При этом Iвх = Iоос = 2 мА, для чего на выходе должно быть +2 В. Всё подтвердилось! Уровень выходного сигнала соответствует разнице между входными. Конечно, при равенстве Rвх1 и Rоос (соответственно, Rвх2 и R1) усиления мы не получим. Для этого нужно увеличить номиналы Rоос и R1, как это делали при анализе предыдущих включений ОУ (не буду повторяться), причем должно строго соблюдаться соотношение: Rоос / Rвх1 = R1 / Rвх2. (4) Что же полезного мы получаем от такого включения практически? А получаем мы замечательное свойство: выходное напряжение не зависит от абсолютных значений входных сигналов, если они равны друг другу по величине и полярности. На выход поступает только разностный (дифференциальный) сигнал. Это позволяет усиливать очень малые сигналы на фоне помехи, одинаково действующей на оба входа. Например, сигнал с динамического микрофона на фоне наводки сети промышленной частоты 50 Гц. Однако, в этой бочке меда, к сожалению, присутствует ложка дегтя. Во-первых, равенство (4) должно соблюдаться очень строго (вплоть до десятых а иногда и сотых процента!). Иначе возникнет разбаланс токов, действующих в схеме, а следовательно, кроме разностных («противофазных») сигналов будут усиливаться и сочетанные («синфазные») сигналы. Давайте, разберемся с сущностью этих терминов (Рис. 10).
Рис. 10 Сдвиг фазы сигнала Фаза сигнала — это величина, характеризующая смещение начала отсчета периода сигнала относительно начала отсчета времени. Поскольку и начало отсчета времени, и начало отсчета периода выбираются произвольно, фаза одного периодического сигнала физическим смыслом не обладает. Однако разность фаз двух периодических сигналов — это величина, имеющая физический смысл, она отражает запаздывание одного из сигналов относительно другого. Что считать началом периода, не имеет никакого значения. За точку начала периода можно взять нулевое значение с положительным наклоном. Можно — максимум. Всё в нашей власти. На Рис. 9 красным обозначен исходный сигнал, зеленым — сдвинутый на ¼ периода относительно исходного и синим — на ½ периода. Если сравнить красную и синюю кривые с кривыми на Рис. 2, Б, то можно заметить, что они взаимно инверсны. Т.о., «синфазные сигналы» — это сигналы, совпадающие друг с другом в каждой своей точке, а «противофазные сигналы» — инверсные друг относительно друга. В то же время, понятие инверсии более широкое, чем понятие фазы, т.к. последнее применимо только к регулярно повторяющимся, периодическим сигналам. А понятие инверсии применимо к любым сигналам, в том числе и непериодическим, как, например, звуковой сигнал, цифровая последовательность, либо постоянное напряжение. Чтобы фаза была состоятельной величиной, сигнал должен быть периодическим хотя бы на некотором интервале. В противном случае, и фаза и период превращаются в математические абстракции. Во-вторых, инвертирующий и неинвертирующий входы в дифференциальном включении при равенстве номиналов Rоос = R1 и Rвх1 = Rвх2 будут иметь различные входные сопротивления. Если входное сопротивление инвертирующего входа определяется только номиналом Rвх1, то неинвертирующего — номиналами последовательно включенных Rвх2 и R1 (ещё не забыли, что входы ОУ тока не потребляют?). В приведенном выше примере они будут составлять, соответственно, 1 и 2 кОм. А если мы увеличим Rоос и R1 для получения полноценного усилительного каскада, то разница возрастет еще существеннее: при Ку = 10 — до, соответственно, всё того же 1 кОм и целых 11 кОм! К сожалению, на практике обычно ставят номиналы Rвх1 = Rвх2 и Rоос = R1. Однако, это приемлемо, только если источники сигнала для обоих входов имеют очень низкое выходное сопротивление. Иначе оно образует делитель с входным сопротивлением данного усилительного каскада, а поскольку коэффициент деления таких «делителей» будет разным, то и результат очевиден: дифференциальный усилитель с такими номиналами резисторов не будет выполнять своей функции подавления синфазных (сочетанных) сигналов, либо выполнять эту функцию плохо. Одним из путей решения данной проблемы может быть неравенство номиналов резисторов, подключенных к инвертирующему и неинвертирующему входам ОУ. А именно, чтобы Rвх2 + R1 = Rвх1. Ещё одним важным моментом является достижение точного соблюдения равенства (4). Как правило, этого добиваются путем разбиения R1 на два резистора — постоянный, обычно составляющий 90% от нужного номинала и переменный (R2), сопротивление которого составляет 20% от нужного номинала (Рис. 11, А).
Рис. 11 Варианты балансировки дифференциального усилителя Путь общепринятый, но опять же, при таком способе балансировки пусть и немного, но изменяется входное сопротивление неинвертирующего входа. Намного стабильнее вариант с включением подстроечного резистора (R5) последовательно с Rоос (Рис. 11, Б), поскольку Rоос в формировании входного сопротивления инвертирующего входа участия не принимает. Главное — сохранить соотношения их номиналов, аналогично варианту «А» (Rоос / Rвх1 = R1 / Rвх2). Коль скоро мы повели речь о дифференциальном включении и упомянули повторители, хотелось бы описать одну интересную схемку (Рис. 12).
Рис. 12 Схема переключаемого инвертирующего/неинвертирующего повторителя Входной сигнал подается одновременно на оба входа схемы (инвертирующий и неинвертирующий). Номиналы всех резисторов (Rвх1, Rвх2 и Rоос) равны друг другу (в данном случае возьмем их реальные значения: 10…100 кОм). Неинвертирующий вход ОУ ключом SA может замыкаться на общую шину. В замкнутом положении ключа (Рис. 12, А) резистор Rвх2 в работе схемы не участвует (через него только «бесполезно» течет ток Iвх2 от источника сигнала на общую шину). Получаем инвертирующий повторитель с усилением равным минус 1 (см. Рис. 6). А вот при разомкнутом положении ключа SA (Рис. 12, Б) получаем неинвертирующий повторитель с усилением равным +1. Принцип работы этой схемы можно выразить и несколько по-другому. При замкнутом ключе SA она работает как инвертирующий усилитель с усилением, равным минус 1, а при разомкнутом — одновременно (!) и как инвертирующий усилитель с усилением, минус 1, и как неинвертирующий усилитель с усилением +2, откуда: Ку = +2 + (–1) = +1. В таком виде эту схему можно использовать, если, например, на этапе проектирования неизвестна полярность входного сигнала (скажем, от датчика, к которому нет доступа до начала наладки устройства). Если же в качестве ключа использовать транзистор (например, полевой), управляемый от входного сигнала с помощью компаратора (о нем речь будет вестись ниже), то получим синхронный детектор (синхронный выпрямитель). Конкретная реализация такой схемы, конечно же, выходит за рамки начального ознакомления с работой ОУ и мы её здесь опять же подробно рассматривать не будем. А теперь давайте рассмотрим принцип суммирования входных сигналов (Рис. 13, А), а заодно разберемся, какие же номиналы резисторов Rвх и Rоос должны быть в реальности.
Рис. 13 Принцип работы инвертирующего сумматора Берем за основу уже рассмотренный выше инвертирующий усилитель (Рис. 5), только ко входу ОУ подключаем не один, а два входных резистора Rвх1 и Rвх2. Пока что, в «учебных» целях, принимаем сопротивления всех резисторов, включая Rоос, равными 1 кОм. На левые выводы Rвх1 и Rвх2 подаем входные сигналы, равные +1 В. Через эти резисторы протекают токи, равные 1 мА (показаны стрелками, направленными слева направо). Для поддержания на инвертирующем входе такого же потенциала, как и на неинвертирующем (0 В), через резистор Rоос должен протекать ток, равный сумме входных токов (1 мА +1 мА = 2 мА), показанный стрелкой, направленной в противоположном направлении (справа налево), для чего на выходе ОУ должно быть напряжение минус 2 В. Тот же самый результат (выходное напряжение минус 2 В) можно получить, если на вход инвертирующего усилителя (Рис. 5) подать напряжение +2 В, либо номинал Rвх уменьшить вдвое, т.е. до 500 Ом. Увеличим напряжение, приложенное к резистору Rвх2 до +2 В (Рис. 13, Б). На выходе получим напряжение минус 3 В, что равно сумме входных напряжений. Входов может быть не два, а сколь угодно много. Принцип работы данной схемы от этого не изменится: выходное напряжение в любом случае будет прямо пропорционально алгебраической сумме (с учетом знака!) токов, проходящих через резисторы, подключенные к инвертирующему входу ОУ (обратно пропорционально их номиналам), независимо от их количества. Если же, на входы инвертирующего сумматора подать сигналы, равные +1 В и минус 1 В (Рис. 13, В), то протекающие через них токи будут разнонаправлены, они взаимно скомпенсируются и на выходе будет 0 В. Через резистор Rоос в таком случае ток протекать не будет. Иными словами, ток, протекающий по Rоос, алгебраически суммируется со входными токами. Отсюда также проистекает важный момент: пока мы оперировали небольшими входными напряжениями (1…3 В), выход ОУ широкого применения вполне мог обеспечить такой ток (1…3 мА) для Rоос и что-то ещё оставалось для нагрузки, подключенной к выходу ОУ. Но если напряжения входных сигналов увеличить до максимально допустимых (близких к напряжениям питания), то получается, что весь выходной ток уйдет в Rоос. Для нагрузки ничего не останется. А кому нужен усилительный каскад, который работает «сам на себя»? Кроме того, номиналы входных резисторов, равные всего 1 кОм (соответственно, определяющие входное сопротивление инвертирующего усилительного каскада), требуют протекания по ним чрезмерно больших токов, сильно нагружающих источник сигнала. Поэтому в реальных схемах сопротивление Rвх выбирается не менее 10 кОм, но и желательно не более 100 кОм, чтобы при заданном коэффициенте усиления не ставить Rоос слишком большого номинала. Хотя эти величины и не являются абсолютными, а только прикидочными, как говорится, «в первом приближении» — всё зависит от конкретной схемы. В любом случае нежелательно, чтобы через Rоос протекал ток, превышающий 5…10% максимального выходного тока данного конкретного ОУ. Суммируемые сигналы можно подавать и на неинвертирующий вход. Получается неинвертирующий сумматор. Принципиально такая схема будет работать точно так же, как и инвертирующий сумматор, на выходе которого будет сигнал, прямо пропорциональный входным напряжениям и обратно пропорциональный номиналам входных резисторов. Однако практически она используется намного реже, т.к. содержит «грабли», которые следует учитывать. Поскольку Правило 2 действует только для инвертирующего входа, на котором действует «виртуальный потенциал нуля», то на неинвертирующем будет потенциал, равный алгебраической сумме входных напряжений. Следовательно, входное напряжение, имеющееся на одном из входов, будет влиять на напряжение, поступающее на другие входы. «Виртуального потенциала» ведь на неинвертирующем входе нет! В итоге приходится применять дополнительные схемотехнические ухищрения. До сих пор мы рассматривали схемы на ОУ с ООС. А что будет, если обратную связь убрать вообще? В таком случае мы получаем компаратор (Рис. 14), т.е., устройство, сравнивающее по абсолютному значению два потенциала на своих входах (от английского слова compare — сравнивать). На его выходе будет напряжение, приближающееся к одному из напряжений питания в зависимости от того, какой из сигналов больше другого. Обычно входной сигнал подается на один из входов, а на другой — постоянное напряжение, с которым он сравнивается (т.н. «опорное напряжение»). Оно может быть любым, в том числе и равным нулевому потенциалу (Рис. 14, Б).
Рис. 14 Схема включения ОУ как компаратора

Внимание! На Рис. 14 и 15 расположение входов обратное тому, как это принято для ОУ с ООС: неинвертирующий вход — вверху, инвертирующий — внизу). Это является общепринятым для изображения компараторов, особенно тех, что выпускаются в виде отдельных микросхем (о них речь будет вестись ниже). Даже цоколевка выводов у них противоположная по сравнению с ОУ.

Однако, не всё так хорошо «в королевстве Датском»… А что произойдет, если напряжение между входами будет равно нулю? По идее, на выходе тоже должен быть ноль, но в реальности — никогда. Если потенциал на одном из входов хоть на чуть-чуть перевесит потенциал другого, то уже этого будет достаточно, чтобы на выходе возникли хаотические скачки напряжения из-за случайных возмущений, наводящихся на входы компаратора. В реальности любой сигнал является «зашумленным», т.к. идеала не может быть по определению. И в области, близкой к точке равенства потенциалов входов, на выходе компаратора появится пачка выходных сигналов вместо одного четкого переключения. Для борьбы с этим явлением в схему компаратора часто вводят гистерезис путем создания слабой положительной ПОС с выхода на неинвертирующий вход (Рис. 15).
Рис. 15 Принцип действия гистерезиса в компараторе за счет ПОС Проанализируем работу этой схемы. Напряжения её питания составляют ±10 В (для ровного счета). Сопротивление Rвх равно 1 кОм, а Rпос — 10 кОм. В качестве опорного напряжения, поступающего на инвертирующий вход, выбран потенциал средней точки. Красной кривой показан входной сигнал, поступающий на левый вывод Rвх (вход схемы компаратора), синей — потенциал на неинвертирующем входе ОУ и зеленой — выходной сигнал. Пока входной сигнал имеет отрицательную полярность, на выходе — отрицательное напряжение, которое через Rпос суммируется с входным напряжением обратно пропорционально номиналам соответствующих резисторов. В результате потенциал неинвертирующего входа во всем диапазоне отрицательных значений на 1 В (по абсолютному значению) превышает уровень входного сигнала. Как только потенциал неинвертирующего входа уравняется с потенциалом инвертирующего (для входного сигнала это будет составлять + 1 В), напряжение на выходе ОУ начнет переключаться с отрицательной полярности в положительную. Суммарный потенциал на неинвертирующем входе начнет лавинообразно становиться ещё более положительным, поддерживая процесс такого переключения. В итоге незначительные шумовые колебания входного и опорного сигналов компаратор просто «не заметит», поскольку они будут на много порядков меньшими по амплитуде, чем описанная «ступенька» потенциала на неинвертирующем входе при переключении. При снижении входного сигнала обратное переключение выходного сигнала компаратора произойдет при входном напряжении минус 1 В. Вот эта разница между уровнями входного сигнала, ведущими к переключению выхода компаратора, равная в нашем случае суммарно 2 В, и называется гистерезисом. Чем больше сопротивление Rпос по отношению к Rвх (меньше глубина ПОС), тем меньший гистерезис переключения. Так, при Rпос = 100 кОм он будет составлять всего 0,2 В, а при Rпос = 1 Мом — 0,02 В (20 мВ). Выбирается гистерезис (глубина ПОС), исходя из реальных условий функционирования компаратора в конкретной схеме. В какой и 10 мВ будет много, а в какой — и 2 В мало. К сожалению, не каждый ОУ и не во всех случаях можно использовать в качестве компаратора [2]. Выпускаются специализированные микросхемы компараторов, предназначенные для согласования между аналоговыми и цифровыми сигналами. Часть из них специализирована для подключения к цифровым ТТЛ-микросхемам (597СА2), часть — цифровым ЭСЛ-микросхемам (597СА1), однако большинство является т.н. «компараторами широкого применения» (LM393/LM339/К554СА3/К597СА3). Их основное отличие от ОУ заключается в особом устройстве выходного каскада, который выполнен на транзисторе с открытым коллектором (Рис. 16).
Рис. 16 Выходной каскад компараторов широкого применения
и его подключение к нагрузочному резистору Это требует обязательного применения внешнего нагрузочного резистора (R1), без которого выходной сигнал просто физически не способен сформировать высокий (положительный) выходной уровень. Напряжение +U2, к которому подключается нагрузочный резистор, может быть иным, чем напряжение питания +U1 самой микросхемы компаратора. Это позволяет простыми средствами обеспечить выходной сигнал нужного уровня — будь он ТТЛ или КМОП.

Примечание В большинстве компараторов, примером которых могут быть сдвоенные LM393 (LM193/LM293) или точно такие же по схемотехнике, но счетверенные LM339 (LM139/LM239), эмиттер транзистора выходного каскада соединен с минусовым выводом питания, что несколько ограничивает область их применения. В этой связи хотел бы обратить внимание на компаратор LM31 (LM111/LM211), аналогом которого является отечественный 521/554СА3, в котором отдельно выведены как коллектор, так и эмиттер выходного транзистора, которые можно подключать к иным напряжениям, чем напряжения питания самого компаратора. Единственным и относительным его недостатком является только то, что в 8-выводном (иногда в 14 выводном) корпусе он всего лишь один.

До сих пор мы рассматривали схемы, в которых входной сигнал поступал на вход(ы) через Rвх, т.е. все они являлись преобразователями входного напряжения в выходное напряжение же. При этом входной ток протекал через Rвх. А что будет, если его сопротивление принять равным нулю? Работать схема будет точно так же, как и рассмотренный выше инвертирующий усилитель, только в качестве Rвх будет служить выходное сопротивление источника сигнала (Rвых), а мы получим преобразователь входного тока в выходное напряжение (Рис. 17).
Рис. 17 Схема преобразователя тока в напряжение на ОУ Поскольку на инвертирующем входе потенциал такой же, как и на неинвертирующем (в данном случае равен «виртуальному нулю»), весь входной ток (Iвх) будет протекать через Rоос между выходом источника сигнала (G) и выходом ОУ. Входное сопротивление такой схемы близко к нулевому, что позволяет строить на ее основе микро/миллиамперметры, практически не влияющие на ток, протекающий по измеряемой цепи. Пожалуй, единственным ограничением является допустимый диапазон входных напряжений ОУ, который не следует превышать. С её помощью можно построить также, например, линейный преобразователь тока фотодиода в напряжение и множество других схем. Мы рассмотрели основные принципы функционирования ОУ в различных схемах его включения. Остался один важный вопрос: их питание. Как было сказано выше, ОУ типично имеет всего 5 выводов: два входа, выход и два вывода питания, положительного и отрицательного. В общем случае используется двуполярное питание, то есть источник питания имеет три вывода с потенциалами: +U; 0; –U. Еще раз внимательно рассмотрим все приведенные выше рисунки и увидим, что отдельного вывода средней точки в ОУ НЕТ! Для работы их внутренней схемы она просто не нужна. На некоторых схемах со средней точкой соединялся неинвертирующий вход, однако, это не является правилом.

Вставка Специальный вывод средней точки «изнутри» кристалла был только в самом первом интегральном ОУ μA702 (отечественная реплика — К1УТ401, переименованный позднее в К140УД1). В некоторых других ОУ (К140УД8, К574УД2, К140УД13 и др.) отдельным выводом заземлялся (занулялся) корпус исключительно для повышения их защищенности от помех (наводок).

Следовательно, подавляющее большинство современных ОУ предназначены для питания ОДНОПОЛЯРНЫМ напряжением! Возникает закономерный вопрос: «А зачем же тогда нужно двуполярное питание», если мы так упорно и с завидным постоянством изображали его на рисунках? Оказывается, оно просто очень удобно для практических целей по следующим причинам: А) Для обеспечения достаточного тока и размаха выходного напряжения через нагрузку (Рис. 18).
Рис. 18 Протекание выходного тока через нагрузку при различных вариантах питании ОУ Пока что не будем рассматривать входные (и ООС) цепи схем, изображенных на рисунке («чёрный ящик»). Примем, как данность, что на вход подается какой-то входной синусоидальный сигнал (черная синусоида на графиках) и на выходе получается такой же синусоидальный сигнал, усиленный по отношению ко входному цветная синусоида на графиках). При подключении нагрузки Rнагр. между выходом ОУ и средней точки соединения источников питания (GB1 и GB2) — Рис. 18, А, ток через нагрузку протекает симметрично относительно средней точки (соответственно, красная и синяя полуволны), а его амплитуда максимальна и амплитуда напряжения на Rнагр. также максимально возможна — она может достигать почти напряжений питания. Ток от источника питания соответствующей полярности замыкается через ОУ, Rнагр. и источник питания (красная и синяя линии, показывающие протекание тока в соответствующем направлении). Поскольку внутреннее сопротивление источников питания ОУ весьма мало, ток, проходящий через нагрузку, ограничен только её сопротивлением и максимальным выходным током ОУ, которое типично составляет 25 мА.

Примечание Даже в не очень свежих цинк-угольных гальванических элементах внутренне сопротивление составляет единицы Ом, не говоря уж о сетевых блоках питания, щелочных и, тем более, кислотных аккумуляторах, В которых оно составляет сотые и тысячные доли Ома.

При питании ОУ однополярным напряжением в качестве общей шины выбирается обычно отрицательный (минусовый) полюс источника питания, к которому и подключается второй вывод нагрузки (Рис. 18, Б). Теперь ток через нагрузку может протекать только в одном направлении (показано красной линией), второму направлению просто неоткуда взяться. Иными словами, ток через нагрузку становится асимметричным (пульсирующим). Однозначно утверждать, что такой вариант плох, нельзя. Если нагрузкой является, скажем, динамическая головка, то для неё это плохо однозначно. Однако, существует множество применений, когда подключение нагрузки между выходом ОУ и одной из шин питания (как правило, отрицательной полярности), не только допустимо, но и единственно возможно. Если же всё-таки нужно обеспечить симметрию протекания тока через нагрузку при однополярном питании, то приходится гальванически развязывать её от выхода ОУ гальванически конденсатором С1 (Рис. 18, В). Б) Для обеспечения нужного тока инвертирующего входа, а также привязки входных сигналов к какому-то произвольно выбранному уровню, принимаемому за опорный (нулевой) — задания режима работы ОУ по постоянному току (Рис. 19).
Рис. 19 Подключение источника входного сигнала при различных вариантах питания ОУ Теперь рассмотрим варианты подключения источников входных сигналов, исключив из рассмотрения подключение нагрузки. Подключение инвертирующего и неинвертирующего входов к средней точке соединения источников питания (Рис. 19, А) было рассмотрено при анализе приведенных ранее схем. Если неинвертирующий вход тока не потребляет и просто принимает потенциал средней точки, то через источник сигнала (G) и Rвх, включенные последовательно, ток-то протекает, замыкаясь через соответствующий источник питания! А поскольку их внутренние сопротивления пренебрежимо малы по сравнению со входным током (на много порядков меньше, чем Rвх), то и влияния на напряжения питания он практически не оказывает. Таким образом, при однополярном питании ОУ, можно совершенно спокойно сформировать потенциал, подаваемый на его неинвертирующий вход, с помощью делителя R1R2 (Рис. 19, Б, В). Типичные номиналы резисторов этого делителя составляют 10…100 кОм, причем нижний (подключенный к общей минусовой шине) крайне желательно зашунтировать конденсатором на 10…22 мкф, чтобы существенно снизить влияние пульсаций напряжения питания на потенциал такой искусственной средней точки. А вот источник сигнала (G) к этой искусственной средней точке подключать крайне нежелательно всё из-за того же входного тока. Давайте прикинем. Даже при номиналах делителя R1R2 = 10 кОм и Rвх = 10…100 кОм, входной ток Iвх составит в лучшем случае 1/10, а в худшем — до 100% тока, проходящего через делитель. Следовательно, на столько же будет «плавать» потенциал на неинвертирующем входе в сочетании (синфазно) с входным сигналом. Чтобы устранить взаимовлияние входов друг на друга при усилении сигналов постоянного тока при таком включении, для источника сигнала следует организовать отдельный потенциал искусственной средней точки, формируемый резисторами R3R4 (Рис. 19, Б), либо, если усиливается сигнал переменного тока, гальванически развязать источник сигнала от инвертирующего входа конденсатором С2 (Рис. 19, В). Следует отметить, что в приведенных выше схемах (Рис. 18, 19) мы по умолчанию приняли допущение, что выходной сигнал должен быть симметричным относительно либо средней точки источников питания, либо искусственной средней точки. В реальности это нужно не всегда. Довольно часто нужно, чтобы выходной сигнал имел преимущественно либо положительную, либо отрицательную полярность. Поэтому совершенно не обязательно, чтобы положительная и отрицательная полярности источника питания были равны по абсолютному значению. Одно из них может быть значительно меньше по абсолютному значению, чем другое — только таким, чтобы обеспечить нормальное функционирование ОУ. Возникает закономерный вопрос: «А каким именно»? Чтобы ответить на него, коротко рассмотрим допустимые диапазоны напряжений входных и выходного сигналов ОУ. У любого ОУ потенциал на выходе не может быть выше, чем потенциал положительной шины питания и ниже, чем потенциал отрицательной шины питания. Иными словами, выходное напряжение не может выйти за пределы питающих напряжений. Например, для ОУ OPA277 выходное напряжение при сопротивлении нагрузки 10 кОм меньше напряжения положительной шины питания на 2 В и отрицательной шины питания — на 0,5 В. Ширина этих «мертвых зон» выходного напряжения, которых не может достичь выход ОУ, зависит от ряда факторов, таких, как схемотехника выходного каскада, сопротивление нагрузки и др.). Существуют ОУ, у которых мертвые зоны минимальны, например, по 50 мВ до напряжения шин питания при нагрузке 10 кОм (для OPA340), эта особенность ОУ называется «rail-to-rail» (R2R). С другой стороны, для ОУ широкого применения входные сигналы также не должны превышать напряжения питания, а для некоторых — быть меньше их на 1,5…2 В. Однако, существуют ОУ со специфической схемотехникой входного каскада (например, те же LM358/LM324), которые могут работать не только от уровня отрицательного питания, но даже «минусовее» его на 0,3 В, что существенно облегчает их использование при однополярном питании с общей отрицательной шиной.

Примечание Слово «rail» переводится с английского, как «рельс», «шина». Т.е., дословно получается «от рельса-до-рельса» («от шины-до-шины») или, иными словами, «во всем диапазоне питающих напряжений». В полном объеме этот термин обозначает, что теоретически такой размах сигнала можно снимать с выхода и такой же размах входного сигнала подавать на вход.

Давайте, наконец, рассмотрим и пощупаем этих «жучков-паучков». Можно даже обнюхать и облизать. Разрешаю. Рассмотрим их наиболее частые варианты, доступные начинающим радиолюбителям. Тем более, если приходится выпаивать ОУ из старой аппаратуры. Для ОУ старых разработок, в обязательном порядке требующих внешних цепей для частотной коррекции, чтобы предотвратить самовозбуждение, было характерно наличие дополнительных выводов. Некоторые ОУ из-за этого даже не «влезали» в 8-выводный корпус (рис. 20, А) и изготавливались в 12-выводных круглых металло-стеклянных, например, К140УД1, К140УД2, К140УД5 (Рис. 20, Б) или в 14-выводных DIP-корпусах, например, К140УД20, К157УД2 (Рис. 20, В). Аббревиатура DIP является сокращением английского выражения «Dual In line Package» и переводится как «корпус с двусторонним расположением выводов». Круглый металло-стеклянный корпус (Рис. 20, А, Б) применялся, как основной, для импортных ОУ примерно до середины 70-х годов, а для отечественных ОУ — до середины 80-х и применяется сейчас для т.н. «военных» применений («5-я приемка»). Иногда отечественные ОУ размещались в довольно «экзотических» в настоящее время корпусах: 15-выводный прямоугольный метало-стеклянный для гибридного К284УД1 (Рис. 20, Г), в котором ключом является дополнительный 15-й вывод от корпуса, и других. Правда, планарные 14-выводные корпуса (Рис. 20, Д) для размещения в них ОУ мне лично не встречались. Они применялись для цифровых микросхем.
Рис. 20 Корпуса отечественных операционных усилителей Современные же ОУ в большинстве своем содержат корректирующие цепи прямо на кристалле, что позволило обходиться минимальным количе­ством выводов (как пример — 5-выводный SOT23-5 для одиночного ОУ — Рис. 23). Это позволило в одном корпусе размещать по два-четыре полностью независимых (кроме общих выводов питания) ОУ, изготовленных на одном кристалле.
Рис. 21 Двухрядные пластиковые корпуса современных ОУ для выводного монтажа (DIP) Иногда можно встретить ОУ, размещенные в однорядных 8-выводных (Рис. 22) либо 9-выводных корпусах (SIP) — К1005УД1. Аббревиатура SIP является сокращением английского выражения «Single In line Package» и переводится как «корпус с односторонним расположением выводов».
Рис. 22 Однорядный пластиковый корпус сдвоенных ОУ для выводного монтажа (SIP-8) Они были разработаны для минимизации места, занимаемого на плате, но, к сожалению, «опоздали»: к этому времени широкое распространение заняли корпуса для поверхностного монтажа (SMD — Surface Mounting Device) путем подпайки прямо к дорожкам платы (Рис. 23). Однако, для начинающих их использование представляет существенные сложности.

Примечание 9-выводные SIP-корпуса обладают интересной особенностью: выводы положительного напряжения питания (+U) расположены по краям корпуса (1-й и 9-й) и соединены вместе. Как корпус ни запаивай — не ошибешься, т.к. цоколевка самих ОУ симметрична относительно вывода отрицательного питания (5-й вывод).

Рис. 23 Корпуса современных импортных ОУ для поверхностного монтажа (SMD) Очень часто одна и та же микросхема может «упаковываться» производителем в различные корпуса (Рис. 24).
Рис. 24 Варианты размещения одной и той же микросхемы в разных корпусах Выводы всех микросхем имеют последовательную нумерацию, отсчитываемую от т.н. «ключа», указывающего на расположение вывода под номером 1. (Рис. 25). В любом случае, если расположить корпус выводами от себя, их нумерация по возрастающей идет против часовой стрелки!
Рис. 25 Расположение выводов операционных усилителей
в различных корпусах (цоколевка), вид сверху;
направление нумерации показано стрелками В круглых металло-стеклянных корпусах ключ имеет вид бокового выступа (Рис. 25, А, Б). Вот с расположения этого ключа возможны огроменных размеров «грабли»! В отечественных 8-выводных корпусах (302.8) ключ располагается напротив первого вывода (Рис. 25, А), а в импортных ТО-5 — напротив восьмого вывода (Рис. 25, Б). В 12-выводных корпусах, как отечественных (302.12), так и импортных, ключ расположен между первым и 12-м выводами. Обычно инвертирующий вход как в круглых металло-стеклянных, так и в DIP-корпусах, соединен со 2-м выводом, неинвертирующий — с 3-м, выход — с 6-м, минус питания — с 4-м и плюс питания — с 7-м. Однако, есть и исключения (ещё одни возможные «грабли»!) в цоколевке ОУ К140УД8, К574УД1. В них нумерация выводов сдвинута на один против часовой стрелки по сравнению с общепринятой для большинства других типов, т.е. с выводами они соединены, как в импортных корпусах (Рис. 25, Б), а нумерация соответствует отечественным (Рис. 25, А). В последние годы большинство ОУ «бытового назначения» стали размещать в пластмассовых корпусах (Рис. 21, 25, В-Д). В этих корпусах ключом является либо углубление (точка) напротив первого вывода, либо вырез в торце корпуса между первым и 8-м (DIP-8) или 14-м (DIP-14) выводами, либо фаска вдоль первой половины выводов (Рис. 21, посередине). Нумерация выводов в этих корпусах также идет против часовой стрелки при виде сверху (выводами от себя). Как было сказано выше, ОУ с внутренней коррекцией имеют всего пять выводов, из которых только три (два входа и выход) принадлежат каждому отдельному ОУ. Это позволило в одном 8-выводном корпусе разместить на одном кристалле по два полностью независимых (за исключением плюса и минуса питания, требующих еще двух выводов) ОУ (Рис. 25, Г), а в 14-выводном корпусе — даже четыре (Рис. 25, Д). В итоге в настоящее время большинство ОУ выпускаются как минимум сдвоенными, например, TL062, TL072, TL082, дешевые и простые LM358 и др. Точно такие же по внутренней структуре, но счетверенные — соответственно, TL064, TL074, TL084 и LM324. В отношении отечественного аналога LM324 (К1401УД2) существуют еще одни «грабли»: если в LM324 плюс питания выведен на 4-й вывод, а минус — на 11-й, то в К1401УД2 наоборот: плюс питания выведен на 11-й вывод, а минус — на 4-й. Однако, никаких сложностей с разводкой это отличие не вызывает. Поскольку цоколевка выводов ОУ полностью симметрична (Рис. 25, Д), нужно просто перевернуть корпус на 180 градусов, чтобы 1-й вывод занял место 8-го. Да и всё. Пара слов относительно маркировки импортных ОУ (да и не только ОУ). Для ряда разработок первых 300 цифровых обозначений было принято обозначать группу качества первой цифрой цифрового кода. Например, ОУ LM158/LM258/LM358, компараторы LM193/LM293/LM393, регулируемые трехвыводные стабилизаторы TL117/TL217/TL317 и пр. совершенно идентичны по внутренней структуре, но различаются по температурному рабочему диапазону. Для LM158 (TL117) диапазон рабочих температур составляет от минус 55 до +125…150 градусов по Цельсию (т.н. «боевой» или военный диапазон), для LM258 (TL217) — от минус 40 до +85 градусов («промышленный» диапазон) и для LM358 (TL317) — от 0 до +70 градусов («бытовой» диапазон). При этом цена на них может быть совершенно не соответствующей такой градации, либо отличаться очень незначительно (неисповедимы пути ценообразования!). Так что покупать их можно с любой маркировкой, доступной «для кармана» начинающего, особо не гоняясь за первой «тройкой». После исчерпания первых трех сотен цифровой маркировки группы надежности стали отмечать буквами, значение которых расшифровываются в даташитах (Datasheet дословно переводится как «таблица данных») на данные компоненты.

Заключение

Теги:

Соколюк А. Опубликована: 2012 г. 0 12

Параметры операционных усилителей. Как измерить и какие возникают сложности?

Операционный усилитель – одна из базовых схем аналоговой электроники, на основе которой можно строить сложные системы. Данный элемент существует как отдельно, так и присутствует в составе почти всех интегральных микросхем: управления питанием AC/DC,DC/DC,LDO, АЦП, ЦАП, интерфейсы, синтезаторы частот, микроконтроллеры и тд. Система, в которой будет использоваться усилитель накладывает определенные ограничения на его параметры. Как измерить параметры усилителя и с какими трудностями можно столкнуться?

Базовые сведения об операционном усилителе ОУ

Фундаментально, операционный усилитель представляет собой преобразователь напряжения с высоким коэффициентом умножения, разработанный для применения в системах с обратной связью. Существует много различных архитектур, как построить усилитель на базе транзисторов, однако в большинстве случаев схемотехники рассматривают его как некий черный ящик или треугольник, в котором есть 3 основных вывода: Inp — неинвертирующий вход, Inn инвертирущий вход, Out- выход для полностью дифференциальных усилителей доступны два выхода: инвертирующий и неинвертирующий. Идеальный усилитель можно представить следующим образом:

Основные параметры ОУ:

1. Ku – коэффициент усиления.
2. Vos – напряжение смещения нуля.
3. Диапазон входных и выходных напряжений.
4. GBW – частота единичного усиления.
5. CMRR – коэффициент ослабления синфазного напряжения.
6. Noise – собственный уровень шума усилителя
7. Iin – входной ток.
8. +PSRR – устойчивость к помехе по питанию.
9. -PSRR – устойчивость к помехе по земле.
10. V-, V+ – напряжения земли и питания соответственно.
11. P – потребляемая мощность.

Итак, основные параметры усилителя описали, приступим к анализу схем для их измерения.

Измерения параметров ОУ

При разработке микросхем, в симуляторе довольно легко проверить все параметры, которые вас интересуют. В современных САПР есть много различных типов анализа схем, которые позволяют сделать это быстро. При работе с реальной схемой сталкиваешься сразу же с кучей проблем. Последний год, работал над проектом – изолированный усилитель ошибки. Проект запущен в изготовление на фабрике, а пока необходимо разобраться – как же все это дело проверить в жизни. Для работы данной схемы в составе изолированного DC-DC преобразователя очень важны параметры входного ОУ:

В РФ существует отдельный ГОСТ 23089, в котором описаны схемы измерений, но нигде не выведено как именно они работают и с какие проблемы могут встретиться в данном процессе. Рассмотрим подробно все схемы измерений, надеюсь кому-то это будет полезно при работе с аналоговым железом).

Коэффициент усиления Ku

Для измерения коэффициента усиления соберем схему, для работы которой необходимо применять вспомогательный усилитель.

Для того, чтобы при измерении избавиться от напряжения Vos, необходимо производить измерения 2 раза, при разных G4.
1. G4=U1, тогда Uxi=Ux1.
2. G4=U2, тогда Uxi=Ux2.

Запишем уравнения Кирхгофа:

Составим уравнения для 2-х этапов измерения, проводя следующие замены переменных:
1. V1→V11, V3→V31, V4→V41, Ux_i→Ux₁, G4=U1.
2. V1→V12, V3→V32, V4→V42, Ux_i→Ux₂, G4=U2.

Получаем систему из 8-ми уравнений с 8-ю неизвестными: V11, V12, V31, V32, V41, V42, Ku, Vos. Решая уравнения, получаем:

Примечания к схеме моделирования

Измеряемое напряжение Uxi будет равно:

Для увеличения точности измерений необходимо увеличивать R3, однако смещение нуля может вывести из режима вспомогательный усилитель поэтому стоит выбирать усилитель с широким диапазоном биполярного питания.

Результаты моделирования

Переходим от теории к практике: подгружаем spice модель вспомогательного усилителя в симулятор и собираем схему измерения.

Схема измерения коэффициента усиления, собранная в симуляторе

Для компенсации всей системы необходимо использовать RC цепь на неинвертирующем входе вспомогательного усилителя.

Для измерений источник vtest создает 2 уровня напряжений U2, U1, после чего замеряется напряжение на vin, и по формуле пересчитывается в коэффициент усиления:

Работа схемы в tran анализе, где vin — выход вспомогательного усилителя для различных G3

Для исследуемого усилителя получается 105дБ.

Возможные трудности при измерениях

1) Влияние смещения нуля на рабочую точку вспомогательного усиления. При смещении нуля исследуемого усилителя 5мВ, выход вспомогательного усилителя по DC становится -4.7В проблема устраняется при использовании биполярного питания.

2) При моделировании с включенными в симуляторе шумами транзисторов, их амплитуда оказывается сопоставимой с разницей напряжений, необходимых для вычислений Ku:

Для улучшения точности измерений необходимо использовать усреднение, однако оно не помогает полностью избавиться от шума. Если коэффициент усиления не слишком высокий, шум не будет сильной помехой. У исследуемого усилителя минимальное значение Ku=66дБ:

Получается, чтобы отбраковать усилитель нужно задетектировать 0.4В, что с таким уровнем шума является легкой задачей.

3) Напряжение на выходе исследуемого усилителя будет равно V12+V12−Vtest. Для повышения точности необходимо задавать разницу между двумя vtest как можно больше, однако все это ограничивается допустимым выходным напряжением усилителя, это нужно также учитывать.

Смещение нуля Vos

Рассмотрим схему для измерения смещения:

Найдем формулу, которая будет определять напряжение смещения.

Составим систему уравнений:

Решая систему неизвестные V1 и Vos, получаем:

Примечания к схеме моделирования

Выходное напряжение вспомогательного усилителя определяется формулой:

Для увеличения точности измерений необходимо увеличивать R5, однако смещение нуля может вывести из режима вспомогательный усилитель поэтому стоит выбирать усилитель с широким диапазоном биполярного питания.

Результаты моделирования

Приступим к моделированию. Собираем схему измерения с учетом цепи коррекции и однополярного питания исследуемого усилителя:

Схема измерения напряжения смещения, собранная в симуляторе

Проведем AC анализ с цепью коррекции:

AC анализ на стабильность обратной связи

Система работает стабильно, теперь проведем измерения для разных смещений нуля: Voff=-5m:2m:5m

Напряжения на выходе вспомогательного усилителя для различных значений смещения нуля и G3

При измерении смещения выход вспомогательного усилителя варьируется от -3.5В до 5.4В. Итого для Vos при Vcm=0.4, 1.5 получаем следующие значения по формулам:

Возможные трудности при измерениях

1) При смещении нуля исследуемого усилителя -5мВ, выход вспомогательного усилителя по DC становится -3.5В. Для vos=5мВ – напряжение становится 5.4В проблема устраняется при использовании биполярного питания.

2) При добавлении шума, картина измерений не сильно ухудшается:

Результаты для измерений с шумом используется усреднение:

Частота единичного усиления f1/GBW

Рассмотрим схему измерения частоты единичного усиления:

Найдем формулу, которая будет определять частоту единичного усиления:

Запишем уравнения Кирхгофа:

Неизвестные: V3, V4, Vin, Ku. Решим систему и найдем чему равен Ku:

Переходя к амплитудам переменных сигналов с частотой f₀, учитывая, что сигналы V2 и V1 сдвинуты на 180 градусов, а G3=const:

Если Ku имеет наклон 20db/dec вплоть до f1, тогда передаточную характеристику, можно представить в виде:

AЧХ данной характеристики можно представить как:

Если проводить измерения отступив от полочки, АЧХ можно записать в след виде:

Для частоты единичного усиления:

Проводим измерения для частоты

Подставляем уравнение 1, получаем финальное выражение для частоты единичного усиления:

Примечания к схеме моделирования

1. Для использования данной методики необходимо учитывать, что наклон АЧХ должен составлять 20дБ/дек вплоть до частоты единичного усиления.
2. Запишем уравнение для V4:

Результаты моделирования

Приступим к моделированию. Собираем схему измерения с учетом цепи коррекции и однополярного питания исследуемого усилителя:

Проведем ac анализ для данной системы:

Из графика видно, что для стабильной работы нужно использовать частоту f0 в диапазоне от 1-20кГц.

По моделированию наклон АЧХ усилителя имеет 20дб/дек, поэтому метод справедлив. Итого для различных технологических корнеров, температур и питания получаем результаты:

Возможные трудности при измерениях

1. Необходимо использовать увеличивать резисторы R1, R2, R5 в моем случае R1=R5=10кОм,R2=50кОм, чтобы увеличить амплитуду сигнала v1 и vout, что повышает точность измерений.
2. Можно увеличить амплитуду входного сигнала для увеличения точности в моем случае до 500мВ.

При выполнении пунктов выше влияние шума становится минимальным.

Метод 2 для измерения f1

Существует более простой метод для измерения частоты единичного усиления:

Для измерения на вход емкости Cin подается синусоидальный сигнал. Частота сигнал изменяется, до поры, пока амплитуда входного сигнала не станет равной амплитуде выходного.

Резисторы Rout и Rin подбираются исходя из того, чтобы амплитуда на выходе Ux не превышала напряжение питания. Однако в единичном включении схему составлять нельзя. Из-за плавного спада амплитуды, что заведомо будет уменьшать частоту единичного усиления при измерениях:

Поэтому при выборе резисторов необходимо добавлять коэффициент обратной связи обычно влияние спада становится слабым при усилении более 20дБ.

1. Большая часть усилителей не рассчитана на работу с сигналом большой амплитуды на высоких частотах нелинейности будут влиять на амплитуду – следовательно и на результат измерений. К примеру, для данного усилителя на 10МГц нужно подавать сигнал 10мВ для отсутствия искажений.
2. При использовании малых сигналов, шумы становятся по амплитуде сопоставимы с полезным сигналом.
3. Требуется высокочастотный генератор для усилителей с большой полосой.

Коэффициент ослабления синфазного напряжения CMRR

Уравнение идеального ОУ можно записать так:

Однако если учитывать неидельность усилителя, в уравнении появится коэффициент усиления синфазного напряжения Acm:

CMRR определяется как отношение Ad к Acm.

Рассмотрим схему для измерения CMRR:

Для устранения влияния смещения нуля усилителя на систему, измерения необходимо проводить в 2 этапа:

1. G1 = U1, Ux_i = Ux1, Vi=V1;
2. G1 = U2, Ux_i = Ux2, Vi=V2;

Найдем формулу, которая будет определять CMRR:

Составим систему уравнений, с учетом влияния CMRR на систему:

Выведем уравнение для Uxi:

Для разности Uxi 2-х этапов измерения, справедливо:

Учитывая тот факт, что и :

Примечания к схеме моделирования

1. Исходя из уравнения 1, видно что на вклад постоянного напряжения выхода вспомогательного усилителя сильно влияет Vos с коэффициентом R3/R1.
2. Для использования уравнения для CMRR, необходимо, чтобы .

Результаты моделирования

Приступим к моделированию. Собираем схему измерения с учетом цепи коррекции и однополярного питания исследуемого усилителя:

Проведем tran анализ для измерения CMRR. Рассмотрим сигналы vcm и vin:

В аналоговой электронике существует один из видов теста -Монте-Карло, который статистически разбрасывает параметры компонент транзисторов, конденсаторов, резисторов. Именно из-за неидеальностей технологий появляется усиление Acm. Проведем данный анализ и определим максимальное и минимальное значение CMRR:

В монте-карло анализе получаем следующие результаты:

Возможные трудности при измерениях

1. Необходимо использовать биполярный усилитель для компенсации части Uxi, которую вносит смещение: R3/R1 * Vos.
2. Шум не сильно будет влиять, для 66dB – dUx > 1.65В.

Входной ток Iin1, Iin2

Рассмотрим схему для измерения входных токов:

Для измерения входных токов необходимо проводить 3 этапа измерений:

1. R3, R4 – закорочены. PV1 → Ux₁. ключи S2, S1 — замкнуты.
2. R3 — активный, R4 – закороченный. PV1 → Ux₂. ключ S1 — разомкнут, S2 — замкнут.
3. R4 — активный, R3 – закороченный. PV1 → Ux₃. ключ S2 — разомкнут, S1 — замкнут.

Найдем формулу, которая будет определять CMRR:

1) Эквивалентная схема при включении на 1 этапе:

Запишем систему уравнений:

2) Эквивалентная схема при включении на 2 этапе:

Запишем систему уравнений:

3) Эквивалентная схема при включении на 3 этапе:

Упрощенная схема измерения Iin — этап 2

Запишем систему уравнений:

Итого получаем 9 уравнений. Неизвестные: V1, V12, V13, V3, V2, V23, Iin1, Iin2, Ku.

Решая систему уравнений получаем следующие формулы для входных токов:

Примечания к схеме моделирования

1. При выводе формулы считается, что входной ток усилителя не зависит от входного напряжения. Этот факт дает небольшую погрешность в измерениях.
2. Для повышения точности измерений, необходимо увеличивать резисторы R3,R4,R5. Также необходимо, чтобы R1

Результаты моделирования

Приступим к моделированию. Собираем схему измерения с учетом цепи коррекции и однополярного питания исследуемого усилителя:

Из-за низкого входного тока, для проверки работоспособности схемы используем входные источники тока, подключенные к выводам ta2 и tb2. По методологии, описанной ранее, изменяя положение ключей, рассчитываем входной ток. На рисунке изображен выход вспомогательного усилителя для максимальных входных токов 100нА:

Проводим тест для различных G3, и в итоге получаем:

Возможные трудности при измерениях

1. При смещении нуля исследуемого усилителя -5мВ, выход вспомогательного усилителя по DC становится -4.7В проблема устраняется при использовании биполярного питания.

2. При моделировании с включенным шумом внутренних компонентов усилителя, его уровень становится сопоставимым с разницей напряжений при маленьком входном токе 1нА:

Точно маленькие токи данным методом не измерить, однако для отбраковки, при усреднении необходимо задетектировать токи в 100нА, что с текущем уровнем шума довольно легко сделать:

Заключение

Надеюсь, не сильно утомил читателей формулами, однако для понимания необходимо было все точно вывести. Большинство схем были взяты из советского госта, к сожалению, описание там никуда не годится, ко всему прочему он имеет ошибки. Зато данные схемы можно использовать радиолюбителю в случае необходимости проверить заявленные характеристики усилителя, ведь схемы не требуют создавать стенд с дорогостоящим оборудованием.