Вериги за захранване с операционен усилвател

В тази статия ще започна да говоря за използването на операционни усилватели в линейни вериги.

Работа на операционния усилвател от биполярно захранване

Както беше споменато в предишна статия, операционният усилвател се основава на диференциален транзисторен каскад, който изисква захранване с две напрежения, положително и отрицателно, за захранването му. Освен това и двете напрежения трябва да бъдат еднакви: например +5 и -5 V, +12 и -12 V. Типична схема за свързване на усилвателя към източника на захранване е показана по-долу

Типична верига за захранване с оп-усилвател.

Типична верига за захранване с оп-усилвател се състои от следните елементи: кондензатори C1, C2, защитни диоди VD1, VD2 и биполярно захранване + Upit, -Upit. Защитните диоди VD1 и VD2 са незадължителни елементи на веригата, но се препоръчват за всички захранвания, където е възможно случайно смесване на захранващите щифтове.

Кондензаторите C1 и C2 осигуряват AC развързване на силовите релси и трябва да бъдат свързани възможно най-близо до щифтовете на микросхемата. Тези кондензатори трябва да имат капацитет от порядъка на 0,001 - 0,1 μF.

Тъй като съвременните операционни усилватели имат доста голям коефициент на усилване при високи честоти, паразитната обратна връзка се появява доста често в захранващите вериги на усилвателя. Следователно, често освен отделянето на кондензатори С1 и С2 в захранващите вериги на операционния усилвател, кондензаторите често са свързани директно към релсите на захранването, което подобрява стабилността на усилвателите.

Работа на операционния усилвател от еднополюсно захранване

При нормални условия комутационната верига на операционния усилвател осигурява биполярно захранване, но в съвременното преносимо оборудване с мощност на батерията това не е съвсем удобно. В резултат на това се използват еднополярни захранващи вериги на операционния усилвател с въвеждането на допълнително отклонение във веригата.

В линеен усилвател връзката между входното UBX и изходното UBbIX напрежение има следната функционална връзка, която е уравнение на права линия и се нарича трансферна характеристика

където k е наклонът на усилвателя

b - компенсиране на изходното напрежение.

Следователно, в зависимост от коефициентите k и b, са възможни четири варианта на трансферните характеристики на линейния усилвател

За да се намерят коефициентите k и b в уравнението на права линия, е необходимо да се зададат параметрите на две точки на тази права линия, в случай на линеен усилвател - параметрите на входното и изходното напрежение в две точки, най-често крайността.

Като пример нека намерим коефициентите k и b в следния случай: на входа на линейния усилвател сигналът от сензора може да варира в диапазона от 0,3 до 0,7 V и от изхода на усилвателя към аналогово-цифров преобразувател, сигнал в диапазона от 1 до 6 V. За да определим уравнението на линейния усилвател, имаме две точки A1 (UBbIX1; UBX1) = (1; 0.3) и A2 (6; 0.7), така че ние съставяме система от уравнения

След като решихме тази система, получаваме следните стойности на коефициентите k = 7 и b = 1.1. В резултат на това предавателната характеристика на линейния усилвател ще има следната форма

Всеки тип трансферна характеристика има своя собствена схема за изпълнение на вериги за пристрастия, ще ги разгледаме по-подробно.

Верига на пристрастия в усилватели UBbIX = kUBX + b

На фигурата по-долу е показана схема, която реализира трансферна характеристика с формата UBbIX = kUBX + b

Усилвателна схема с трансферна характеристика тип UBbIX = kUBX + b.

Тази схема е неинвертиращ суматор и се състои от разединяващи кондензатори C1 и C2 с капацитет от порядъка на 0,001 - 0,1 μF, резистори R1, R2, R3 и R4 и самият усилвател DA1 в неинвертираща верига. Предавателната характеристика на тази схема е описана със следния израз

тогава коефициентите k и b ще се определят от следните изрази

Изчисляване на усилвател с характеристика като UBbIX = kUBX + b

Например, нека изчислим усилвателните елементи със следните параметри: входно напрежение UBX = 0,1 ... 1 V, изходно напрежение UBЫX = 1 ... 5 V, захранващо напрежение UPIT = 6 V, захранващо напрежение UCM = UPIT = 6 V се използва като източник на пристрастия.

Нека дефинираме вида на трансферната характеристика. Определете коефициентите k и b

След като решихме тази система, получаваме k = 4.44 и b = 0.556, тогава трансферната характеристика ще има следната форма

Нека изчислим стойностите на резисторите R1 и R2, като решим следната система от уравнения за (R3 + R4)/R3

Замествайки стойностите на коефициентите k, b и UCM, получаваме следното уравнение

Стойността на резистора R1 обикновено се избира в диапазона от 1 до 10 kOhm, тъй като резисторът R1 определя входното съпротивление на усилвателя и трябва да се увеличи, за да се избегне претоварването на източника на сигнал.

Нека да изберем R1 = 10 kΩ, след това R2 = 47,91 * 10 = 479,1 kΩ. Да вземем R2 = 470 kOhm.

Нека изчислим стойностите на съпротивленията R3 и R4

Стойността на резистора, както и R1, се избира в рамките на 1 ... 10 kOhm, следователно приемаме R3 = 10 kOhm, R4 = 10 * 3,53 = 35,3 kOhm. Да вземем R4 = 36 kOhm.

Верига на пристрастия в усилватели UBbIX = kUBX - b

Усилвателната схема, трансферната характеристика, която има формата UBbIX = kUBX - b е представена по-долу.

Усилвателна схема с трансферна характеристика тип UBbIX = kUBX - b

Предавателната характеристика на тази схема е представена от следния израз

В този случай коефициентите k и b ще се определят от следните изрази

Изчисляване на усилвател с характеристика като UBbIX = kUBX - b

Например, нека изчислим усилвател със следните параметри: входно напрежение UBX = 0,3 ... 0,7 V, изходно напрежение UBЫX = 1 ... 5 V, захранващо напрежение UPIT = 6 V, захранващо напрежение UCM = UPIT = 6 V е използва се като източник на пристрастия.

Нека изчислим коефициентите на трансферните характеристики

След като решихме тази система от уравнения, получаваме k = 10 и b = -2.

Тогава преходният отговор на този усилвател ще има формата

Нека изчислим съпротивлението на резисторите R3 и R В тази схема съпротивлението на резистора R3 трябва да бъде много по-голямо от еквивалентното съпротивление на паралелните резистори R1 || R2. Следователно коефициентът k може да бъде изразен чрез следния приблизителен израз

Да вземем съпротивлението на резистора R3 = 10 kΩ, след това R4 = 90 kΩ.

Нека изчислим съпротивлението на резисторите и R

Тъй като R3 >> R1 || R2 вземаме R2 = 0,75 kΩ, след това R1 = 26 * 0,75 = 19,5 kΩ. Ще вземе R1 = 20 kΩ.

По този начин трансферната характеристика на усилвателя ще има формата UBbIX = 10UBX - 2 със следните оценки на елементите: R1 = 20 kΩ, R2 = 0,75 kΩ, R3 = 10 kΩ, R4 = 90 kΩ.

Верига на пристрастия в усилватели UBbIX = - kUBX + b

Третият случай на захранването на операционния усилвател от еднополюсен източник има трансферна характеристика с формата UBbIX = - kUBX + b. Схематичното решение за този случай е представено по-долу.

Усилвателна схема с трансферна характеристика от вида UBbIX = - kUBX + b.

Тази схема се състои от оп-усилвател DA1, разединителни кондензатори C1 и C2, резистори R1, R2, R3, R4 и е диференциален или диференциален усилвател.

Като се вземат предвид елементите на веригата, трансферната характеристика може да бъде следната

Тогава коефициентите k и b могат да бъдат представени чрез следните изрази

Изчисляване на усилвател с характеристика от вида UBbIX = - kUBX + b

Като пример, нека изчислим усилвател, който трябва да има следните параметри: диапазон на входното напрежение UBX = -0,1 ... -1 V, диапазон на изходното напрежение UBЫX = 1 ... 5 V, компенсираното напрежение се взема от захранващото напрежение UCM = UPIT = 6 V.

Определяме коефициентите на трансферната характеристика k и b, за това съставяме и решаваме системата от линейни уравнения

След като решихме тази система, получаваме k = - 4.44 и b = 0.556, тогава преходният отговор на тази усилвателна верига ще има формата

Определете съпротивлението на резистори R1 и R4

Да вземем R1 = 10 kΩ, след това R4 = 4.44 * 10 = 44.4 kΩ. Да вземем R4 = 43 kOhm

Нека изчислим съпротивлението на резисторите и R3

Да вземем R3 = 1 kOhm, след това R2 = 56,19 * 1 = 56,19 kOhm. Да вземем R2 = 56 kOhm.

Верига на отклонение в усилватели UBbIX = - kUBX - b

Последният, четвърти случай на операционен усилвател с еднополюсно захранване и преходна характеристика на формата UBbIX = - kUBX - b има схемата, показана на фигурата по-долу

Усилвателна схема с трансферна характеристика от вида UBbIX = - kUBX - b

Тази схема е инвертиращ суматор и се състои от операционен усилвател DA1, разединителен кондензатор C1, резистори R1, R2 и R3. Като се вземат предвид елементите на веригата, трансферната характеристика ще има формата

Тогава коефициентите k и b могат да бъдат представени в следната форма

Изчисляване на усилвател с преходен отклик от формата UBbIX = - kUBX - b

Например, нека изчислим усилвател, който реализира преходен отговор на формата UBbIX = - kUBX - b. Като начални условия ще вземем следните параметри на веригата: диапазон на входното напрежение UBX = -0,2 ... -0,8 V, диапазон на изходното напрежение UBЫX = 1 ... 5 V, напрежението на компенсиране се взема от захранващото напрежение UCM = UPIT = 6 V.

Нека изчислим коефициентите k и b, за това решаваме системата от линейни уравнения

След като решихме тази система, получаваме k = - 6,67 и b = - 0,334. Тогава преходният отговор ще има формата

Определете стойността на съпротивлението R1 и R3

Да вземем R1 = 10 kΩ, след това R3 = 6,67 * 10 = 66,7 kΩ. Да вземем R3 = 68 kOhm.

Определете стойността на съпротивлението R2

Да вземем R2 = 200 kOhm.

Вместо заключение

Разработването на схеми на операционен усилвател с еднополярно захранване е малко по-сложно, отколкото при използване на биполярно захранване, но като се използват изчисленията, дадени в тази статия, добрите резултати няма да закъснеят.

Доста често е необходимо да се изграждат схеми с няколко входа, допълнителни изисквания за потискане на шума и т.н., но описаните схеми за изчисление могат да се използват и тук.

Теорията е добра, но без практическо приложение това са само думи.Тук можете да направите всичко сами.