Применение операционных усилителей

В этой статье проиллюстрированы некоторые типичные приложения операционного усилителя . Эквивалентная схема неидеального операционного усилителя имеет конечное входное сопротивление, ненулевое выходное сопротивление и конечный коэффициент усиления. Реальный операционный усилитель имеет ряд неидеальных особенностей, как показано на схеме ^{[ необходимо разъяснение ]} , но здесь используется упрощенная схематическая нотация, многие детали, такие как выбор устройства и подключение источника питания, не показаны. Операционные усилители оптимизированы для использования с отрицательной обратной связью , и в этой статье обсуждаются только приложения с отрицательной обратной связью. Когда требуется положительная обратная связь, обычно более уместен компаратор . Для получения дополнительной информации см. раздел Приложения компараторов .

Практические соображения

Требования к параметрам операционных усилителей

Для того, чтобы определенное устройство можно было использовать в приложении, оно должно удовлетворять определенным требованиям. Операционный усилитель должен

• имеют большой коэффициент усиления сигнала в разомкнутом контуре (в ранних образцах интегральных схем коэффициент усиления по напряжению составляет 200 000), и
• иметь входное сопротивление, большое по сравнению со значениями, присутствующими в цепи обратной связи.

При выполнении этих требований операционный усилитель считается идеальным , и можно использовать метод виртуального заземления , чтобы быстро и интуитивно понять «поведение» любой из схем операционного усилителя, представленных ниже.

Спецификация компонента

Резисторы, используемые в практических схемах твердотельных операционных усилителей, обычно находятся в диапазоне кОм. Резисторы, значительно превышающие 1 МОм, вызывают чрезмерный тепловой шум и делают работу схемы подверженной значительным ошибкам из-за токов смещения или утечки.

Входные токи смещения и входное смещение

Практические операционные усилители потребляют небольшой ток с каждого из своих входов из-за требований смещения (в случае входов на основе биполярных транзисторов) или утечки (в случае входов на основе МОП-транзисторов).

Эти токи протекают через сопротивления, подключенные к входам, и создают небольшие падения напряжения на этих сопротивлениях. Соответствующая конструкция сети обратной связи может облегчить проблемы, связанные с входными токами смещения и усилением синфазного сигнала, как объясняется ниже. Эвристическое правило заключается в том, чтобы гарантировать, что импеданс, «выходящий» из каждой входной клеммы, идентичен.

В той степени, в которой входные токи смещения не совпадают, будет присутствовать эффективное входное напряжение смещения , что может привести к проблемам в работе схемы. Многие коммерческие предложения операционных усилителей предоставляют метод настройки операционного усилителя для балансировки входов (например, контакты «смещения нуля» или «баланса», которые могут взаимодействовать с внешним источником напряжения, подключенным к потенциометру). В качестве альтернативы можно добавить настраиваемое внешнее напряжение к одному из входов, чтобы сбалансировать эффект смещения. В случаях, когда конструкция требует, чтобы один вход был закорочен на землю, это короткое замыкание можно заменить переменным сопротивлением, которое можно настроить для смягчения проблемы смещения.

Операционные усилители, использующие входные каскады на основе МОП-транзисторов, имеют входные токи утечки, которые во многих конструкциях будут пренебрежимо малы.

Эффекты электропитания

Хотя источники питания не указаны в (упрощенных) конструкциях операционных усилителей ниже, они, тем не менее, присутствуют и могут иметь решающее значение при проектировании схемы операционного усилителя.

Шум от подачи

Несовершенства источника питания (например, пульсация сигнала питания, ненулевое сопротивление источника) могут привести к заметным отклонениям от идеального поведения операционного усилителя. Например, операционные усилители имеют определенный коэффициент подавления источника питания , который показывает, насколько хорошо выход может подавлять сигналы, которые появляются на входах источника питания. Входы источника питания часто шумят в больших конструкциях, поскольку источник питания используется почти каждым компонентом в конструкции, а эффекты индуктивности не позволяют току мгновенно поступать на каждый компонент одновременно. Как следствие, когда компоненту требуются большие инъекции тока (например, цифровой компонент, который часто переключается из одного состояния в другое), соседние компоненты могут испытывать провисание в месте их подключения к источнику питания. Эту проблему можно смягчить с помощью соответствующего использования байпасных конденсаторов, подключенных между каждым выводом источника питания и землей. Когда компоненту требуются всплески тока, компонент может обойти источник питания, получая ток непосредственно от соседнего конденсатора (который затем медленно перезаряжается источником питания).

Использование токов питания в сигнальном тракте

Кроме того, ток, потребляемый операционным усилителем от источника питания, может использоваться в качестве входов для внешних схем, которые расширяют возможности операционного усилителя. Например, операционный усилитель может не подходить для конкретного приложения с высоким коэффициентом усиления, поскольку его выход должен будет генерировать сигналы за пределами безопасного диапазона, генерируемого усилителем. В этом случае внешний двухтактный усилитель может управляться током, поступающим в операционный усилитель и выходящим из него. Таким образом, операционный усилитель может сам работать в пределах своих заводских ограничений, при этом позволяя отрицательной обратной связи включать большой выходной сигнал, выходящий далеко за эти пределы. ^[1]

Усилители

Первым примером является дифференциальный усилитель, из которого можно вывести множество других приложений, включая инвертирующий, неинвертирующий и суммирующий усилитель , повторитель напряжения, интегратор, дифференциатор и гиратор.

Дифференциальный усилитель (дифференциальный усилитель)

Усиливает разницу напряжений между входами.

Название «дифференциальный усилитель» не следует путать с «дифференциатором», который также показан на этой странице.

«Инструментальный усилитель», который также показан на этой странице, представляет собой модификацию дифференциального усилителя, которая также обеспечивает высокое входное сопротивление .

Показанная схема вычисляет разницу двух напряжений, умноженную на некоторый коэффициент усиления. Выходное напряжение

${\displaystyle V_{\text{out}}={\frac {\left(R_{\text{f}}+R_{1}\right)R_{\text{g}}}{\left(R_{\text{g}}+R_{2}\right)R_{1}}}V_{2}-{\frac {R_{\text{f}}}{R_{1}}}V_{1}=\left({\frac {R_{1}+R_{\text{f}}}{R_{1}}}\right)\cdot \left({\frac {R_{\text{g}}}{R_{\text{g}}+R_{2}}}\right)V_{2}-{\frac {R_{\text{f}}}{R_{1}}}V_{1}.}$

Или, выраженная как функция синфазного входного сигнала V _com и дифференциального входного сигнала V _dif :

${\displaystyle V_{\text{com}}=(V_{1}+V_{2})/2;V_{\text{dif}}=V_{2}-V_{1},}$

выходное напряжение равно

${\displaystyle V_{\text{out}}{\frac {R_{1}}{R_{\text{f}}}}=V_{\text{com}}{\frac {R_{1}/R_{\text{f}}-R_{2}/R_{\text{g}}}{1+R_{2}/R_{\text{g}}}}+V_{\text{dif}}{\frac {1+(R_{2}/R_{\text{g}}+R_{1}/R_{\text{f}})/2}{1+R_{2}/R_{\text{g}}}}.}$

Для того чтобы эта схема выдавала сигнал, пропорциональный разности напряжений на входных клеммах, коэффициент синфазного усиления V _{com должен быть равен нулю, или}

${\displaystyle R_{1}/R_{\text{f}}=R_{2}/R_{\text{g}}.}$

При наличии этого ограничения ^{[nb 1]} коэффициент подавления синфазного сигнала этой схемы бесконечно велик, а выходной сигнал

${\displaystyle V_{\text{out}}={\frac {R_{\text{f}}}{R_{1}}}V_{\text{dif}}={\frac {R_{\text{f}}}{R_{1}}}\left(V_{2}-V_{1}\right),}$

где простое выражение R _f / R ₁ представляет собой коэффициент усиления дифференциального усилителя в замкнутом контуре.

Особый случай, когда коэффициент усиления замкнутой цепи равен единице, — это дифференциальный повторитель, при этом

${\displaystyle V_{\text{out}}=V_{2}-V_{1}.}$

Инвертирующий усилитель

Инвертирующий усилитель является частным случаем дифференциального усилителя , в котором неинвертирующий вход схемы V ₂ заземлен, а инвертирующий вход V ₁ обозначен выше как V _in . Коэффициент усиления замкнутой цепи равен R _f / R _in , следовательно

${\displaystyle V_{\text{out}}=-{\frac {R_{\text{f}}}{R_{\text{in}}}}V_{\text{in}}\!\,}$.

Упрощенная схема выше похожа на дифференциальный усилитель в пределе R ₂ и R _g очень малых. В этом случае, однако, схема будет восприимчива к дрейфу входного тока смещения из-за несоответствия между R _f и R _in .

Чтобы наглядно увидеть приведенное выше уравнение усиления, рассчитаем ток в R _in :

${\displaystyle i_{\text{in}}={\frac {V_{\text{in}}}{R_{\text{in}}}}}$

затем вспомним, что этот же ток должен проходить через R _f , поэтому (потому что V ₋ = V ₊ = 0):

${\displaystyle V_{\text{out}}=-i_{\text{in}}R_{\text{f}}=-V_{\text{in}}{\frac {R_{\text{f}}}{R_{\text{in}}}}}$

Механическая аналогия — качели с узлом V ₋ (между R _in и R _f ) в качестве точки опоры, при потенциале земли. V _in находится на расстоянии R _in от точки опоры; V _out находится на расстоянии R _f . Когда V _in опускается «под землю», выход V _out пропорционально поднимается, чтобы уравновесить качели, и наоборот . ^[2]

Поскольку отрицательный вход операционного усилителя действует как виртуальное заземление, входное сопротивление этой схемы равно R _in .

Неинвертирующий усилитель

Неинвертирующий усилитель является частным случаем дифференциального усилителя , в котором инвертирующий вход схемы V ₁ заземлен, а неинвертирующий вход V ₂ идентифицирован с V _выше , при этом R ₁ ≫ R _2. Ссылаясь на схему, представленную выше,

${\displaystyle V_{\text{out}}=\left(1+{\frac {R_{\text{2}}}{R_{\text{1}}}}\right)V_{\text{in}}\!\,}$.

Чтобы наглядно увидеть это уравнение усиления, воспользуемся методом виртуального заземления для расчета тока в резисторе R ₁ :

${\displaystyle i_{1}={\frac {V_{\text{in}}}{R_{1}}}\,,}$

затем вспомним, что этот же ток должен проходить через R ₂ , поэтому:

${\displaystyle V_{\text{out}}=V_{\text{in}}+i_{1}R_{2}=V_{\text{in}}\left(1+{\frac {R_{2}}{R_{1}}}\right)}$

В отличие от инвертирующего усилителя, неинвертирующий усилитель не может иметь коэффициент усиления менее 1.

Механическая аналогия — рычаг класса 2 с одним выводом R ₁ в качестве точки опоры, находящимся под потенциалом земли. V _in находится на расстоянии R ₁ от точки опоры; V _out находится на расстоянии R ₂ дальше. Когда V _in поднимается «над землей», выход V _out увеличивается пропорционально рычагу.

Входное сопротивление упрощенного неинвертирующего усилителя высокое:

${\displaystyle Z_{\text{in}}=(1+A_{\text{OL}}B)Z_{\text{dif}}}$

где Z _dif — входное сопротивление операционного усилителя для дифференциальных сигналов, а A _OL — коэффициент усиления напряжения разомкнутой цепи операционного усилителя (который изменяется в зависимости от частоты), а B — коэффициент обратной связи (доля выходного сигнала, которая возвращается на вход). ^{[3] [4]} В случае идеального операционного усилителя, когда A _OL бесконечен, а Z _dif бесконечен, входное сопротивление также бесконечно. Однако в этом случае схема будет подвержена дрейфу входного тока смещения из-за несоответствия между сопротивлениями, управляющими входами операционного усилителя V ₊ и V _{− .}

Аналогично контур обратной связи уменьшает выходное сопротивление:

${\displaystyle Z_{\text{out}}={\frac {Z_{\text{OL}}}{1+A_{\text{OL}}B}}}$

где Z _out — выходное сопротивление с обратной связью, а Z _OL — выходное сопротивление без обратной связи. ^[4]

Повторитель напряжения (единичный буферный усилитель)

Используется в качестве буферного усилителя для устранения эффектов нагрузки (например, при подключении устройства с высоким входным сопротивлением к устройству с низким входным сопротивлением ).

${\displaystyle V_{\text{out}}=V_{\text{in}}\!}$

${\displaystyle Z_{\text{in}}=\infty }$(реально, дифференциальное входное сопротивление самого операционного усилителя (от 1 МОм до 1 ТОм), умноженное на коэффициент усиления операционного усилителя без обратной связи)

Из-за сильной (т. е. единичного усиления) обратной связи и определенных неидеальных характеристик реальных операционных усилителей эта система обратной связи склонна иметь плохие запасы устойчивости . Следовательно, система может быть нестабильной при подключении к достаточно емкостным нагрузкам. В этих случаях для восстановления устойчивости можно использовать сеть компенсации задержки (например, подключение нагрузки к повторителю напряжения через резистор). Паспорт производителя операционного усилителя может содержать указания по выбору компонентов во внешних компенсационных сетях. В качестве альтернативы можно выбрать другой операционный усилитель, который имеет более подходящую внутреннюю компенсацию.

Входное и выходное сопротивление подвергается влиянию контура обратной связи таким же образом, как и в случае неинвертирующего усилителя, при этом B = 1. ^{[3] [4]}

Суммирующий усилитель

Суммирующий усилитель вырабатывает отрицательное значение суммы нескольких (взвешенных) напряжений:

${\displaystyle V_{\text{out}}=-R_{\text{f}}\left({\frac {V_{1}}{R_{1}}}+{\frac {V_{2}}{R_{2}}}+\cdots +{\frac {V_{n}}{R_{n}}}\right)}$

• Когда , и независимый ${\displaystyle R_{1}=R_{2}=\cdots =R_{n}}$ ${\displaystyle R_{\text{f}}}$

${\displaystyle V_{\text{out}}=-{\frac {R_{\text{f}}}{R_{1}}}(V_{1}+V_{2}+\cdots +V_{n})\!}$

• Когда ${\displaystyle R_{1}=R_{2}=\cdots =R_{n}=R_{\text{f}}}$

${\displaystyle V_{\text{out}}=-(V_{1}+V_{2}+\cdots +V_{n})\!}$

• Входное сопротивление n- го входа равно ( виртуальное заземление ) ${\displaystyle Z_{n}=R_{n}}$ ${\displaystyle V_{-}}$

Инструментальный усилитель

Сочетает в себе очень высокое входное сопротивление , высокое подавление синфазного сигнала , низкое смещение постоянного тока и другие свойства, используемые для проведения очень точных измерений с низким уровнем шума.

• Изготавливается путем добавления неинвертирующего буфера к каждому входу дифференциального усилителя для увеличения входного сопротивления.

Осцилляторы

Генератор с мостом Вина

Производит синусоиду с очень низким искажением . Использует отрицательную температурную компенсацию в виде лампочки или диода.

Фильтры

Операционные усилители могут использоваться в конструкции активных фильтров , обеспечивая высокочастотные, низкочастотные, полосовые, режекторные функции и функции задержки. Высокое входное сопротивление и коэффициент усиления операционного усилителя позволяют производить прямой расчет значений элементов, что позволяет точно реализовать любую желаемую топологию фильтра, не беспокоясь о нагрузочных эффектах каскадов в фильтре или последующих каскадах. Однако частоты, на которых могут быть реализованы активные фильтры, ограничены; когда поведение усилителей значительно отличается от идеального поведения, предполагаемого в элементарной конструкции фильтров, производительность фильтра ухудшается.

Компаратор

Операционный усилитель может, при необходимости, быть вынужден работать как компаратор. Наименьшая разница между входными напряжениями будет усилена чрезвычайно, заставляя выходной сигнал колебаться почти до напряжения питания. Однако обычно лучше использовать для этой цели специальный компаратор, поскольку его выход имеет более высокую скорость нарастания и может достигать любой шины питания. Некоторые операционные усилители имеют фиксирующие диоды на входе, которые не позволяют использовать их в качестве компаратора. ^[5]

Интеграция и дифференциация

Инвертирующий интегратор

Интегратор в основном используется в аналоговых компьютерах , аналого-цифровых преобразователях и схемах формирования волн. Простая версия:

Предполагая, что элементы идеальны, он интегрирует входной сигнал (умноженный на ) в течение интервала времени от t ₀ до t ₁ , получая выходное напряжение в момент времени t = t _{1 ,} равное: ${\displaystyle -{\tfrac {1}{RC}}}$

${\displaystyle V_{\text{out}}(t_{1})=V_{\text{out}}(t_{0})-{\frac {1}{RC}}\int _{t_{0}}^{t_{1}}V_{\text{in}}(t)\,dt,}$

где V _out ( t ₀ ) — начальное напряжение конденсатора в момент времени t = t ₀ . Другими словами, выходное напряжение схемы изменяется за промежуток времени на величину, пропорциональную временному интегралу входного напряжения:

${\displaystyle -{\frac {1}{RC}}\int _{t_{0}}^{t_{1}}V_{\text{in}}(t)\,dt.}$

Эту схему можно рассматривать как активный электронный фильтр нижних частот с одним полюсом на постоянном токе (т.е. где ). ${\displaystyle \omega =0}$

Его практичность ограничена существенной проблемой: если конденсатор периодически не разряжается, выходное напряжение в конечном итоге выйдет за пределы рабочего диапазона операционного усилителя. Это может быть вызвано любой комбинацией:

• ненулевая постоянная составляющая на входе V _in ,
• ненулевой входной ток смещения операционного усилителя,
• ненулевое входное напряжение смещения операционного усилителя. ^[6]

Следующая немного более сложная схема может решить вторые две проблемы, а в некоторых случаях и первую, но имеет ограниченную полосу пропускания интеграции:

Здесь резистор обратной связи R _f обеспечивает путь разряда для конденсатора C _f . Последовательный резистор R _n на неинвертирующем входе устраняет проблемы входного тока смещения и синфазного сигнала, при условии, что он установлен на параллельное сопротивление R _i || R _f :

${\displaystyle R_{\text{n}}=R_{\text{i}}||R_{\text{f}}={\frac {1}{{\frac {1}{R_{\text{i}}}}+{\frac {1}{R_{\text{f}}}}}}\,.}$

Интегратор на операционном усилителе § Практическая схема объясняет дрейф выходного сигнала, добавляя небольшую конечную ошибку постоянного напряжения:

${\displaystyle V_{\text{error}}=\left({\frac {R_{\text{f}}}{R_{\text{i}}}}+1\right)\left(V_{\text{OS}}+I_{\text{B-}}\left(R_{\text{f}}\parallel R_{\text{i}}\right)\right).}$

Поскольку схема представляет собой фильтр нижних частот первого порядка с плоской характеристикой вплоть до частоты среза , она функционирует как интегратор только для частот, значительно превышающих эту частоту среза. ${\displaystyle {\tfrac {1}{2\pi C_{f}R_{f}}}}$

Инвертирующий дифференциатор

Предполагая, что элементы идеальны, эта схема дифференцирует сигнал (умноженный на ) с течением времени: ${\displaystyle -RC}$

${\displaystyle V_{\text{out}}=-RC{\frac {dV_{\text{in}}}{dt}},}$

где и являются функциями времени. ${\displaystyle V_{\text{in}}}$ ${\displaystyle V_{\text{out}}}$

Передаточная функция инвертирующего дифференциатора имеет один ноль в начале координат (т. е., где угловая частота ). Характеристики верхних частот дифференцирующего усилителя могут привести к проблемам со стабильностью, когда схема используется в аналоговом сервоконтуре (например, в ПИД-регуляторе со значительным производным усилением). В частности, как показывает анализ корневого годографа , увеличение усиления обратной связи приведет к перемещению полюса замкнутого контура к предельной устойчивости в нуле постоянного тока, вносимом дифференциатором. ${\displaystyle \omega =0}$

Синтетические элементы

Индуктивный гиратор

Имитирует индуктор (т. е. обеспечивает индуктивность без использования возможно дорогостоящего индуктора). Схема использует тот факт, что ток, протекающий через конденсатор, ведет себя с течением времени как напряжение на индукторе. Конденсатор, используемый в этой схеме, геометрически меньше, чем индуктор, который он имитирует, и его емкость меньше подвержена изменениям значения из-за изменений окружающей среды. Приложения, в которых эта схема может превосходить физический индуктор, имитируют переменную индуктивность или имитируют очень большую индуктивность.

Эта схема имеет ограниченное применение в приложениях, где используется свойство обратной ЭДС катушки индуктивности, поскольку в схеме гиратора этот эффект будет ограничен напряжением питания операционного усилителя.

Преобразователь отрицательного импеданса (NIC)

Создает резистор, имеющий отрицательное значение для любого генератора сигналов.

В этом случае соотношение между входным напряжением и входным током (и, следовательно, входным сопротивлением) определяется выражением

${\displaystyle R_{\text{in}}=-R_{3}{\frac {R_{1}}{R_{2}}}.}$

В общем случае компоненты , и не обязательно должны быть резисторами; они могут быть любыми компонентами, которые можно описать с помощью импеданса . ${\displaystyle R_{1}}$ ${\displaystyle R_{2}}$ ${\displaystyle R_{3}}$

Нелинейный

Прецизионный выпрямитель

Падение напряжения V _F на прямосмещенном диоде в схеме пассивного выпрямителя нежелательно. В этой активной версии проблема решается путем включения диода в цепь отрицательной обратной связи. Операционный усилитель сравнивает выходное напряжение на нагрузке с входным напряжением и увеличивает собственное выходное напряжение на величину V _F . В результате падение напряжения V _F компенсируется, и схема ведет себя почти как идеальный ( супер ) диод с V _F = 0 В.

Схема имеет ограничения по скорости на высоких частотах из-за медленной отрицательной обратной связи и низкой скорости нарастания выходного напряжения многих неидеальных операционных усилителей.

Экспоненциальный выход

Уравнение диода Шокли дает соотношение тока и напряжения для идеального полупроводникового диода :

${\displaystyle I_{\text{D}}=I_{\text{S}}\left(e^{\frac {V_{\text{D}}}{V_{\text{T}}}}-1\right),}$

где - ток насыщения , - прямое напряжение на диоде, - тепловое напряжение (приблизительно 26 мВ при комнатной температуре). Когда ток диода приблизительно пропорционален экспоненциальной функции : ${\displaystyle I_{\text{S}}}$ ${\displaystyle V_{\text{D}}}$ ${\displaystyle V_{\text{T}}}$ ${\displaystyle V_{\text{D}}\gg V_{\text{T}},}$

${\displaystyle I_{\text{D}}\simeq I_{\text{S}}e^{\frac {V_{\text{D}}}{V_{\text{T}}}}.}$

Инвертирующий вход операционного усилителя фактически заземлен и в идеале не потребляет ток. Таким образом, выходное напряжение будет:

${\displaystyle V_{\text{out}}=-RI_{\text{D}}.}$

Таким образом, выходное напряжение представляет собой приблизительно экспоненциальную функцию входного напряжения : ${\displaystyle V_{\text{out}}}$ ${\displaystyle V_{\text{in}}}$

${\displaystyle V_{\text{out}}\simeq -RI_{\text{S}}e^{\frac {V_{\text{in}}}{V_{\text{T}}}}\,.}$

Данная реализация не учитывает температурную стабильность и другие неидеальные эффекты.

Логарифмический вывод

Поскольку логарифм является обратной функцией возведения в степень, описанную выше схему экспоненциального выхода можно перестроить, заменив диод в цепи обратной связи операционного усилителя, чтобы сформировать логарифмический усилитель :

Поскольку инвертирующий вход операционного усилителя фактически заземлен и в идеале не потребляет ток, а ток, текущий от источника через резистор и диод, равен: ${\displaystyle V_{\text{out}}{=}V_{\text{D}}}$

${\displaystyle {\frac {V_{\text{in}}}{R}}=I_{\text{R}}=I_{\text{D}},}$

где — ток через диод, который, как было описано ранее, приблизительно равен: ${\displaystyle I_{\text{D}}}$

${\displaystyle I_{\text{D}}\simeq I_{\text{S}}e^{\frac {V_{\text{D}}}{V_{\text{T}}}}.}$

Решение дает приблизительно логарифмическую зависимость между входным напряжением и выходным напряжением : ${\displaystyle V_{\text{out}}}$ ${\displaystyle V_{\text{in}}}$ ${\displaystyle V_{\text{out}}}$

${\displaystyle V_{\text{out}}\simeq -V_{\text{T}}\ln \left({\frac {V_{\text{in}}}{I_{\text{S}}R}}\right)\,.}$

Данная реализация не учитывает температурную стабильность и другие неидеальные эффекты.

Кусочно-линейный выход

Кусочно-линейные функции могут аппроксимировать нелинейные функции как ряд соединенных линейных сегментов . Схемы сжатия усиления (такие как синус или квадратный корень ) используют диоды или транзисторы для переключения между линейными сегментами с наклонами, определяемыми резистивными сетями делителей напряжения . Схемы расширения могут быть построены с использованием схемы сжатия в качестве обратной связи операционного усилителя. ^[7]

Температурно-компенсированное сжатие

Трехсегментная функция сжатия с температурной компенсацией

Схема, показанная для «компенсированной температурой трехсегментной функции сжатия» ^{[8] [9],} создает функцию передачи сжатия усиления, где каждый последующий линейный сегмент уменьшает крутизну функции передачи. Для малых сигналов транзисторы Q2 и Q3 создают очень малый ток базы, и поэтому усиление схемы определяется просто сопротивлением обратной связи R2, деленным на входное сопротивление R1. Как только выходное напряжение превышает примерно 2 В (точное напряжение которого зависит от R3 и R4 и источника питания -15 В), Q3 насыщается, поэтому сопротивление обратной связи схемы определяется R4 параллельно с R2, что снижает усиление. По мере дальнейшего увеличения выходного напряжения Q2 будет насыщаться, поэтому усиление схемы снова уменьшается за счет дополнительного включения R6 в параллельное сопротивление обратной связи. Транзисторы температурной компенсации Q4 и Q1 нейтрализуют падение прямого напряжения на p–n-переходе база-эмиттер Q3 и Q2, зависящее от температуры. Дополнительные линейные сегменты могут быть добавлены с использованием дополнительных копий цепочек резистор-транзистор-резистор (например, цепочка R5, Q2, R6 или цепочка R3, Q3, R4, но с другими значениями) аналогичным образом для дальнейшего сжатия входного сигнала. Функция сжатия этой схемы работает только для отрицательных входных сигналов. Диод D1 принудительно устанавливает выходной сигнал в ноль, если подается положительный входной сигнал.

Другие приложения

• аудио и видео предусилители и буферы
• фильтры
• регулятор напряжения и регулятор тока
• аналого-цифровой преобразователь
• цифро-аналоговый преобразователь
• зажим напряжения
• Осцилляторы и генераторы волновых форм
• Аналоговый компьютер
• Умножитель емкости
• Усилитель заряда

Смотрите также

• Операционный усилитель с обратной связью по току
• Частотная компенсация
• Операционный усилитель
• Операционный усилитель крутизны
• Трансимпедансный усилитель

Примечания

1. Если рассматривать левую часть соотношения как коэффициент усиления замкнутого контура инвертирующего входа, а правую часть как коэффициент усиления неинвертирующего входа, то соответствие этих двух величин обеспечивает выход, нечувствительный к синфазному напряжению и . ${\displaystyle V_{1}}$ ${\displaystyle V_{2}}$

Ссылки

1. Пол Горовиц и Уинфилд Хилл, Искусство электроники . 2-е изд. Cambridge University Press, Кембридж, 1989 ISBN  0-521-37095-7
2. Базовая теория электроники, Делтон Т. Хорн, 4-е изд. McGraw-Hill Professional, 1994, стр. 342–343.
3. "Преимущества отрицательной обратной связи". HyperPhysics . Получено 2018-05-07 .
4. Simpson, Robert E. (1987). "7.2 Отрицательная обратная связь по напряжению". Введение в электронику для ученых и инженеров (2-е изд.). Бостон: Allyn and Bacon. стр. 291. ISBN 0205083773. OCLC  13821010. Входное сопротивление усилителя без отрицательной обратной связи увеличивается за счет добавления отрицательной обратной связи. .. .. выходное сопротивление .. уменьшается .. ${\displaystyle Z_{\mathrm {inf} }=(1+A_{0}B)Z_{\mathrm {ino} }}$ ${\displaystyle Z_{\mathrm {outf} }=Z_{\mathrm {out} }/(1+A_{0}B)}$
5. «Использование операционных усилителей в качестве компараторов — нормально ли это? - Сигнал - Архивы - Форумы поддержки TI E2E».
6. "AN1177 Op-Amp Precision Design: DC Errors" (PDF) . Microchip. 2 января 2008 г. Архивировано (PDF) из оригинала 2019-07-09 . Получено 26 декабря 2012 г.
7. Кун, Кеннет А. (2004-03-24). «Кусочно-линейные цепи» (PDF) .
8. "AN-4 Monolithic Op Amp — the Universal Linear Component" (PDF) . Texas Instruments . Апрель 1968 г.
9. "National Semiconductor Application Note 31" (PDF) . Сентябрь 2002 г.

Дальнейшее чтение

Внешние ссылки

• «Сборник схем операционных усилителей с однополярным питанием» (PDF) . (163  КБ )
• «Коллекция схем на операционных усилителях» (PDF) . (2980  КиБ )
• «Коллекция приложений усилителей» (PDF) . (1,06  МиБ )  – Analog Devices Application Note
• «Базовые применения операционных усилителей» (PDF) . (173  КБ )
• «Справочник по применению операционных усилителей» (PDF) . (2,00  МиБ )  – Замечание по применению Texas Instruments
• Измерение тока на нижней стороне с использованием операционных усилителей. Архивировано 08.04.2009 на Wayback Machine
• "Генератор логарифмов/антилогарифмов, генератор кубов, усилитель умножения/деления" (PDF) . Архивировано из оригинала (PDF) 2008-05-09. (165  КБ )
• Логарифмически переменный коэффициент усиления от линейно переменной составляющей
• Преобразования импеданса и проводимости с использованием операционных усилителей Д. Х. Шейнгольда
• Методы высокоскоростного усилителя очень практичны и понятны – с фотографиями и реальными формами сигналов
• Правильное завершение работы неиспользуемого операционного усилителя