Как изменить входное сопротивление усилителя - Исправление ошибок и поиск оптимальных решений проблем

Входное
сопротивление можно повысить с помощью
отрицательной ОС введенной последовательно.
Изменяя параметры обратной связи
усилителя можно увеличить его входное
сопротивление, (а также установив на
входе преобразователь импеданса с
высоким входным сопротивлением. См.рис.)

1,9. Какие компоненты в схеме эв ограничивают значение нижней частоты измеряемого напряжения?

Разделительные
конденсаторы в усилителе ограничивают
значение нижней частоты измеряемого
напряжения. Ёмкость разделительного
конденсатора C_р
можно рассчитать по формуле:

,
где ω_н
– нижняя частота; М_н
– коэффициент искажений (М_н
= 1,05 – 1,1);
R_i
– выходное сопротивление предыдущего
каскада; R_i₊₁
– входное сопротивление следующего
каскада.

1,10. Какие параметры схемы ограничивают высшую рабочую частоту эв?

Высшую рабочую частоту
ограничивают: паразитные емкости
монтажа; инерционность активных
компонентов усилителя;
корректирующие
цепи интегрирующего типа.

Структурная
схема разработанного устройства:

Разработан
электронный вольтметр переменного тока
(по курсачу у Мулика) (см. принц. схему
рис11+ рис12) действующего значения,
удовлетворяющий следующим требованиям
технического задания: диапазон измерения:
10 мВ – 300 В; диапазон частот: 20 Гц – 5МГц;
входное сопротивление: не менее 5МОм;
входная емкость: не более 15 пФ; основная
погрешность: 1,5%; рабочий диапазон
температур: +10 — +40˚С; напряжение питания:
220 ± 10% В.

Контрольное
задание
№ 2

Разработать
измерительный генератор, вырабатывающий
сигналы в диапазоне частот 20Гц до 20кГц
с изменяющимся дискретно и плавно
выходным напряжением и различным
выходным сопротивлением.

ОТВЕТ

2,1. Приведите классификацию измерительных генераторов и их обозначения.

Различают
следующие ИГ: генераторы шумовых сигналов
— Г2; генераторы сигналов низких частот
— Г3; генераторы сигналов высоких частот
— Г4; генераторы прямоугольных импульсов
— Г5; генераторы сигналов специальной
формы — Г6.

2,2. Приведите блок-схему измерительного генератора низкой частоты.

Генерируют
во всем диапазоне рабочих частот сигналы
синусоидальной формы, стабильной частоты
постоянного уровня. Они имеют небольшое
выходное сопротивление, а в некоторых
генераторах его можно регулировать для
согласования в режиме нагрузки. В этих
приборах предусматривается регулировка
Uвых. Бывают следующие виды регулировки:
плавная и ступенчатая.

Структурная
схема НЧИГ:

ЗГ
– задающий генератор

УН
– усилитель напряжения

УМ
– усилитель мощности

Ат
– аттенюатор

СУ
– согласующее устройство;

ИВ
– измеритель выхода

2,3. Какие типы задающих генераторов применяются в измерительных генераторах?

(АИУ,Мулик)

—
генераторы типа LС;
—
генераторы типа RС;
—
генераторы на биениях

2,4. Приведите блок-схему задающего генератора на биениях и объясните принцип его работы.

Вних НЧ напряжение получается путем
смешения двух близких по частоте
высокочастотных напряжений с последующим
выделением напряжения разности частот
– биение.

Напряжение
ВЧ генератора f1 смешивается с напряжением
генератора ~f2 частота которого f2
перестраивается от f1 до f1+fmax. Fmax – это
наибольшая частота рабочего диапазона
ИГ. На выходе смесителя получаются
напряжения комбинационных частот в том
числе и напряжения разности частот
F=f1-f2, которая выделяется ФНЧ. «+»:
генераторов биения: плавность перестройки
частоты, широкий диапазон частот,
постоянство выходной мощности при
изменении частоты сигнала, стабильность
частоты у данных генераторов выше чем
у других НЧИГ.

Соседние файлы в папке прошлогодние госы

Источник

$begingroup$

I learnt about bootstrapping a non-inverting amplifier to increase its input impedance. Is there any similar way to increase the input impedance of the inverting amplifier?

asked Jan 20, 2016 at 15:16

$endgroup$

$begingroup$

Buffer then invert (two amplifiers). The first amplifier (a bootstrapped follower) provides high input impedance, the second provides inversion or inverting gain.

If you feedback from an inverting amplifier to the input you will lower the input impedance. In the extreme, this is what a transimpedance amplifier does- the input is a virtual ground, so (ideally) 0$Omega$ input impedance.

You could also try to bootstrap some analog of the input voltage from the output of the inverting amplifier (invert it again, and reverse the gain) but chances are that would not work too well (it would have poor performance or oscillate) because of the multiple stages. This kind of thing is done sometimes to actively drive shields (guards) to the common mode voltage on differential-input amplifiers.

answered Jan 20, 2016 at 16:04

Spehro PefhanySpehro Pefhany

356k17 gold badges304 silver badges787 bronze badges

$endgroup$

$begingroup$

You need to think about how the inverting amplifier operates in order to understand whether this is possible.

When the feedback loop is closed, the voltage at the inverting input is equal to that at the non-inverting input. That means that you can consider the inverting-input node to be a zero-impedance point.

In addition to the above, the reason that you are able to bootstrap the non-inverting amplifier is that the amplifier output is in phase with the input.

Take the above information and figure out for yourself whether it is possible to use bootstrap techniques to increase the input impedance of an inverting amplifier.

answered Jan 20, 2016 at 15:36

Dwayne ReidDwayne Reid

23k2 gold badges34 silver badges65 bronze badges

$endgroup$

$begingroup$

It depends on the topology of the amplifier. For a BJT inverting amplifier, adding a resistor at the emitter creates negative feedback on Vbe (reducing the gain, as expected with negative feedback) but the impedance seen into the base is multiplied by the beta of the transistor. I.e. you put 1mA into the base, which causes beta * 1mA to flow through the emitter resistor, raising the voltage at the emitter as if you where injecting 1mA into a resistor of R = beta * Re:

^{simulate this circuit – Schematic created using CircuitLab}

UPDATE: Sorry, I just noticed in the title that you where referring to Op-Amp amplifiers. At least this might help understanding feedback in general anyway.

answered Jan 20, 2016 at 18:12

jpcgtjpcgt

4001 silver badge8 bronze badges

$endgroup$

Источник

$begingroup$

I learnt about bootstrapping a non-inverting amplifier to increase its input impedance. Is there any similar way to increase the input impedance of the inverting amplifier?

asked Jan 20, 2016 at 15:16

$endgroup$

$begingroup$

Buffer then invert (two amplifiers). The first amplifier (a bootstrapped follower) provides high input impedance, the second provides inversion or inverting gain.

answered Jan 20, 2016 at 16:04

Spehro PefhanySpehro Pefhany

356k17 gold badges304 silver badges787 bronze badges

$endgroup$

$begingroup$

You need to think about how the inverting amplifier operates in order to understand whether this is possible.

In addition to the above, the reason that you are able to bootstrap the non-inverting amplifier is that the amplifier output is in phase with the input.

Take the above information and figure out for yourself whether it is possible to use bootstrap techniques to increase the input impedance of an inverting amplifier.

answered Jan 20, 2016 at 15:36

Dwayne ReidDwayne Reid

23k2 gold badges34 silver badges65 bronze badges

$endgroup$

$begingroup$

^{simulate this circuit – Schematic created using CircuitLab}

UPDATE: Sorry, I just noticed in the title that you where referring to Op-Amp amplifiers. At least this might help understanding feedback in general anyway.

answered Jan 20, 2016 at 18:12

jpcgtjpcgt

4001 silver badge8 bronze badges

$endgroup$

Источник

Форум РадиоКот • Просмотр темы — Входное и выходное сопротивление.

Сообщения без ответов | Активные темы

ПРЯМО СЕЙЧАС:

Автор	Сообщение
	Заголовок сообщения: Входное и выходное сопротивление. Добавлено: Сб апр 03, 2010 09:12:31
Родился Зарегистрирован: Сб апр 03, 2010 08:46:19 Сообщений: 7 Рейтинг сообщения: 0	Расскажите, пожалуйста, как измерить и как рассчитать входные и выходные сопротивления усилительных каскадов и готовых усилителей (звука). К примеру, мне нужно сделать предварительный усилитель для гитары, естественно нужно согласовать сопротивление звукоснимателей и входное сопротивление усилителя. Так как же это делается?
Вернуться наверх	Профиль

Реклама

aen

Заголовок сообщения: Re: Расчёт входного и выходного сопротивлений

Добавлено: Сб апр 03, 2010 11:51:21

Модератор

Карма: 158

Рейтинг сообщений: 1596

Зарегистрирован: Пт апр 28, 2006 15:26:07
Сообщений: 11943
Откуда: Россия.

Рейтинг сообщения: 0

Медали: 2

Где то там Вам мозги немного «запудрили»
С большой точностью согласовывать выходное и тем более входное сопротивление в УНЧ особого смысла нет. Если входное отличается в два, а то и в три раза, то это особой роли не с играет.
Тем более входное и выходное сопротивление имеет не чисто активный характер, т.е. имеет разные значения в зависимости от частоты, то имеет смысл говорить только об этих параметрах на какой то конкретной частоте или определять их на низких средних и высоких частотах.
Ниже приведен метод определения этих параметров без учета реактивностей, т.е. например без учета паразитных емкостей и индуктивностей. Будем считать, что они пренебрежимо малы. Т.е. смотрим принцип.

Само собой измеряется переменное напряжение.

Как выше писал, все это применимо только на низких частотах, т.к. в ВЧ схемах нужно учитывать и паразитные реактивности. Учесть их трудно, хотя оценить можно.

Вложения:

1.JPG [63.32 KiB]

Скачиваний: 20051

Вернуться наверх

Реклама

йенот	Заголовок сообщения: Re: Расчёт входного и выходного сопротивлений Добавлено: Сб апр 03, 2010 13:21:20
Зарегистрирован: Сб апр 03, 2010 08:46:19 Сообщений: 7 Рейтинг сообщения: 0	Спасибо большое, как мерить понятно, не понятно, почему так.
Вернуться наверх

aen

Заголовок сообщения: Re: Расчёт входного и выходного сопротивлений

Добавлено: Сб апр 03, 2010 13:31:31

Модератор

Карма: 158

Рейтинг сообщений: 1596

Зарегистрирован: Пт апр 28, 2006 15:26:07
Сообщений: 11943
Откуда: Россия.

Рейтинг сообщения: 0

Медали: 2

йенот писал(а):

не понятно, почему так.

Из теории о четырехполюсниках.
Только я здорово упростил все. Что бы сам принцип был понятен.
В общем то таким методом можно оценить параметры усилителя.

Вернуться наверх

Реклама
	Выгодные LED-драйверы для решения любых задач КОМПЭЛ представляет со склада и под заказ широкий выбор LED-драйверов производства MEAN WELL, MOSO, Snappy, Inventronics, EagleRise. Линейки LED-драйверов этих компаний, выполненные по технологии Tunable White и имеющие возможность непосредственного встраивания в систему умного дома (димминг по шине KNX), перекрывают практически полный спектр применений: от простых световых указателей и декоративной подсветки до диммируемых по различным протоколам светильников внутреннего и наружного освещения. Подобрать LED-драйвер>>

йенот	Заголовок сообщения: Re: Расчёт входного и выходного сопротивлений Добавлено: Сб апр 03, 2010 14:32:37
Зарегистрирован: Сб апр 03, 2010 08:46:19 Сообщений: 7 Рейтинг сообщения: 0	Эх, вечно такие вот ответы. Формулку бы, а то лопатить кучу страниц и книг в поисках нужного, изучение принципов когда нужен лиш расчет, потеря времени.
Вернуться наверх

Реклама

Реклама
	LIMF – источники питания High-End от MORNSUN со стандартным функционалом на DIN-рейку На склад Компэл поступили ИП MORNSUN (крепление на DIN-рейку) с выходной мощностью 240 и 480 Вт. Данные источники питания обладают 150% перегрузочной способностью, активной схемой коррекции коэффициента мощности (ККМ; PFC), наличием сухого контакта реле для контроля работоспособности (DC OK) и возможностью подстройки выходного напряжения. Источники питания выполнены в металлическом корпусе, ПП с компонентами покрыта лаком с двух сторон, что делает ее устойчивой к соляному туману и пыли. Изделия соответствуют требованиям ANSI/ISA 71.04-2013 G3 на устойчивость к коррозии, а также нормам ATEX для взрывоопасных зон. Подробнее>>

fedyaok	Заголовок сообщения: Re: Расчёт входного и выходного сопротивлений Добавлено: Сб апр 03, 2010 14:56:35
Это не хвост, это антенна Карма: 41 Рейтинг сообщений: 320 Зарегистрирован: Вт фев 23, 2010 08:30:30 Сообщений: 1402 Откуда: Новосибирск Рейтинг сообщения: 0	йенот писал(а): Спасибо большое, как мерить понятно, не понятно, почему так. Во, блин ремарка — «понятно, но не понятно». Вообще aen привёл правильный теоретический пример, но какой-то неудобный. На практике проще анализировать все сопротивления, смотря на схему, каждая схема включения транзистора определённым образом преобразует сопротивления. йенот, ты пишешь диплом или тебе надо реальную схему спаять?
Вернуться наверх

fedyaok	Заголовок сообщения: Re: Расчёт входного и выходного сопротивлений Добавлено: Сб апр 03, 2010 15:03:08
Это не хвост, это антенна Карма: 41 Рейтинг сообщений: 320 Зарегистрирован: Вт фев 23, 2010 08:30:30 Сообщений: 1402 Откуда: Новосибирск Рейтинг сообщения: 0	йенот писал(а): Эх, вечно такие вот ответы. Формулку бы, а то лопатить кучу страниц и книг в поисках нужного, изучение принципов когда нужен лиш расчет, потеря времени. Хоровиц, Хилл — стр. 93 — 127, а лучше от корки и до корки Ув. товарищи модераторы, а почему эта книжка не качается с нашего форума, или это «косяк» моих настроек
Вернуться наверх

aen

Заголовок сообщения: Re: Расчёт входного и выходного сопротивлений

Добавлено: Сб апр 03, 2010 16:33:11

Модератор

Карма: 158

Рейтинг сообщений: 1596

Зарегистрирован: Пт апр 28, 2006 15:26:07
Сообщений: 11943
Откуда: Россия.

Рейтинг сообщения: 0

Медали: 2

fedyaok писал(а):

каждая схема включения транзистора определённым образом преобразует сопротивления.

Добавлю еще, что не только схема включения транзистора, но и внешние обратные связи независимые от включения транзистора. С помощью их например можно сделать выходное сопротивление теоретически от бесконечности, в схеме стабилизатора тока например и теоретически нулевым, например в стабилизаторе напряжения до отрицательного, в генераторе например.
Так же обстоит дело и в входным сопротивлением.
Тем более эти обратные связи могут быть частотно зависимы.
Иногда эти обратные связи даже учесть нельзя, т.к. они могут быть паразитными, поэтому простой формулы куда подставишь пару циферок и все узнаешь нет.

йенот писал(а):

Формулку бы, а то лопатить кучу страниц и книг

Это довольно сложный вопрос и форум, не подходящее место, что бы его изучать.
Книжки придется читать, и не одну.

Вернуться наверх

йенот	Заголовок сообщения: Re: Расчёт входного и выходного сопротивлений Добавлено: Сб апр 03, 2010 17:58:20
Зарегистрирован: Сб апр 03, 2010 08:46:19 Сообщений: 7 Рейтинг сообщения: 0	Спасибо всем. Будем учится по длинному пути
Вернуться наверх

Сэр Мурр

Заголовок сообщения: Re: Расчёт входного и выходного сопротивлений

Добавлено: Сб апр 03, 2010 22:17:04

Модератор

Карма: 46

Рейтинг сообщений: 236

Зарегистрирован: Чт окт 27, 2005 18:50:07
Сообщений: 11174
Откуда: из мест не столь отдалённых

Рейтинг сообщения: 0

Медали: 2

Флудить так флудить! Согласовывать выходное и выходное сопротивление нужно для предачи максимальной мощности- а это актуально, в первую очередь, для усилителей мощности радиосигнала. Для усиления звуковых частот это тоже учитывается, но- в системах проводной связи.
А теперь- о нашем случае.
Если исходный сигнал- ЭДС или другое напряжение, то нужно обеспечивать минимальное выходное сопротивление, и максимальное- входное. Если усиливаемый сигнал- ток (хоть и самый милипизерный)- всё наоборот- выходное сопротивление масимальное, входное- минимальное.
В реалиях об этом обычно не думают, особенно если используются готовые усилительные узлы, вроде операционного усилителя.Чаще всего принимают, что усиливаемый сигнал- напряжение.

Вернуться наверх

йенот	Заголовок сообщения: Re: Расчёт входного и выходного сопротивлений Добавлено: Вс апр 04, 2010 07:41:47
Зарегистрирован: Сб апр 03, 2010 08:46:19 Сообщений: 7 Рейтинг сообщения: 0	да я вот хочу научится грубо говоря конструировать примочки и предусилители для гитар на транзисторах, с оу я поразберался немножко, мне звук не очень нравится поэтому решил с транзюками попробовать. ну пока конечно что на оу , что на транз. простенькие схемки чтобы понять принцыпы, потом и до гибридов могет доросту. вот и надо во всём разобратся, то я окромя разделительных конд. , фильтров да резисторов смещения ни бум-бум.
Вернуться наверх

Сэр Мурр

Заголовок сообщения: Re: Расчёт входного и выходного сопротивлений

Добавлено: Вс апр 04, 2010 21:41:16

Модератор

Рейтинг сообщения: 1

Медали: 2

Для одиночного танзисторного каскада очень приближённо :
входное сопротивление- меньше, чем сопротивление параллельно включённых резисторов базового делителя напряжения, который задаёт режим работы;
выходное сопротивление- примерно равно сопротивлению резистора в цепи коллектора.
Повторяю- всё это очень приближённо.

Вернуться наверх

lebron2323	Заголовок сообщения: Понимание входного и выходного сопротивления Добавлено: Ср авг 31, 2011 09:44:49
Зарегистрирован: Вт апр 13, 2010 19:24:35 Сообщений: 47 Рейтинг сообщения: 0	Здравтсвуйте! Помогите с базовым пониманием входного и выходного сопротивляния усилителя. Почему если сигнал на входе маленикий (как например от динамического микрофона) то для уменьшения шумов нужно увличивать входное сопротивление. Или например с динамиком на выходе усилителя, получается что чем меньше сопротивление динамика тем больший сигнал на него нужно подавать. В моем понимании на сейчас если чем меньше входное сопротивление усилителя тем меньше он сопротивляется входному сигналу, и чем меньше сопротивление динамика тем при меньшем сигнале он должен работать, так как он не сопротивляется проходящему через него току меньше. А из того что я читаю в википедии и в других статьях и на форумах получается что все наоборот. Обьясните пожалуста.
Вернуться наверх

Leo O_o

Заголовок сообщения: Re: Понимание входного и выходного сопротивления

Добавлено: Ср авг 31, 2011 10:13:20

Открыл глаза

Зарегистрирован: Вс июл 17, 2011 21:45:18
Сообщений: 61

Рейтинг сообщения: 0

На самом деле, чем меньше входное сопротивление усилителя, тем большая часть сигнала потеряется… уйдет на общий, рассеется… не знаю как бы поточнее сказать… кроме того, усилитель, особенно если он чувствительный, должен сопртивляться входному сигналу — иначе он перегрузится по входу (начнет фуззить, хритепть и тд)

с динамиком похоже — если он будет маленького сопротивления, то маленький сигнал через него почти что закоротится

_________________
Ура первопроходцам своих разноцветных глубин!

Вернуться наверх

lebron2323	Заголовок сообщения: Re: Понимание входного и выходного сопротивления Добавлено: Ср авг 31, 2011 10:55:23
Зарегистрирован: Вт апр 13, 2010 19:24:35 Сообщений: 47 Рейтинг сообщения: 0	Leo O_o писал(а): На самом деле, чем меньше входное сопротивление усилителя, тем большая часть сигнала потеряется… уйдет на общий, рассеется… Вот я и хочу понять почему часть сигнала потеряется, вроде бы наоборот если сопротивление большое то сигнал именно на большом сопротивлении должен терятся. так как это то что делают все резисторы сопротивляются току и преврашают его в тепло. Цитата: с динамиком похоже — если он будет маленького сопротивления, то маленький сигнал через него почти что закоротится а если будет большой сигнал, почему в этом случае при маленьком сопротивлении не закоротится?
Вернуться наверх

Leo O_o

Заголовок сообщения: Re: Понимание входного и выходного сопротивления

Добавлено: Ср авг 31, 2011 10:58:48

Открыл глаза

Зарегистрирован: Вс июл 17, 2011 21:45:18
Сообщений: 61

Рейтинг сообщения: 0

начну с более простого, с динамика… не закоротится, потмоу что для адекватного протекания большего тока нужен проводник с меньшим сопротивлением, иначе проводник будет греться (закон Джоуля-Ленца)

насчет входа… ток сигнала, как правило, оч мал и большее значение имеет напряжение. про вольтметр читали? если он будет маленького сопротивления, то просто закоротит напряжение и будет безбожно врать…. вот вход усилителя примерно так же

_________________
Ура первопроходцам своих разноцветных глубин!

Вернуться наверх

МитяРа

Заголовок сообщения: Re: Понимание входного и выходного сопротивления

Добавлено: Ср авг 31, 2011 11:04:00

Модератор

Карма: 14

Рейтинг сообщений: 37

Зарегистрирован: Чт дек 11, 2008 14:52:26
Сообщений: 11492
Откуда: град Нижний

Рейтинг сообщения: 0

lebron2323, если объяснить просто на подушечках лап, то есть ещё такое понятие, как выходное сопротивление..
Когда ты соединяешь два устройства, выход источника сигнала и вход усилителя, то у тя получаются два сопротивления, выходное — у источника и входное — у усилителя..
Если входное у усилителя маленькое, по сравнению с выходным источника, то весь сигнал «упадёт» в источнике, а до усилителя дойдёт очень мало.. И наоборот…

_________________
Между людьми возникает напряжение, если у них разный потенциал…

Вернуться наверх

steeler

Заголовок сообщения: Re: Понимание входного и выходного сопротивления

Добавлено: Ср авг 31, 2011 11:07:11

Опытный кот

Карма: 7

Рейтинг сообщений: 58

Зарегистрирован: Ср авг 10, 2011 14:10:36
Сообщений: 886
Откуда: Киев

Рейтинг сообщения: 0

lebron2323 писал(а):

Leo O_o писал(а):

На самом деле, чем меньше входное сопротивление усилителя, тем большая часть сигнала потеряется… уйдет на общий, рассеется…

Вот я и хочу понять почему часть сигнала потеряется, вроде бы наоборот если сопротивление большое то сигнал именно на большом сопротивлении должен терятся. так как это то что делают все резисторы сопротивляются току и преврашают его в тепло.

Цитата:

а если будет большой сигнал, почему в этом случае при маленьком сопротивлении не закоротится?

Извини.Будь добр и посмотри физику за 8 кл. Закон Ома и тд и тп.U-I-R-P исходные величины для понимания всего остального. Еще раз извини.

Вернуться наверх

lebron2323	Заголовок сообщения: Re: Понимание входного и выходного сопротивления Добавлено: Ср авг 31, 2011 11:16:14
Зарегистрирован: Вт апр 13, 2010 19:24:35 Сообщений: 47 Рейтинг сообщения: 0	Leo O_o писал(а): насчет входа… ток сигнала, как правило, оч мал и большее значение имеет напряжение. про вольтметр читали? если он будет маленького сопротивления, то просто закоротит напряжение и будет безбожно врать…. вот вход усилителя примерно так же тоесть большое сопротивление на входе создает разность поненциалов между источником и входом, и из за это поддерживается нужное напряжение? Если у источника очень маленький ток, почему большое входное сопр. не делает это и так маленький ток еще меньше? или переменного сигнала важно только напряжение? Я читал что ток течет туда где меньше сопротивление, тогде по идее если на источнике маленькое а на входе усилителя большое то ток не должен течь к входу.
Вернуться наверх

lebron2323	Заголовок сообщения: Re: Понимание входного и выходного сопротивления Добавлено: Ср авг 31, 2011 11:17:21
Зарегистрирован: Вт апр 13, 2010 19:24:35 Сообщений: 47 Рейтинг сообщения: 0	МитяРа писал(а): lebron2323, если объяснить просто на подушечках лап, то есть ещё такое понятие, как выходное сопротивление.. Когда ты соединяешь два устройства, выход источника сигнала и вход усилителя, то у тя получаются два сопротивления, выходное — у источника и входное — у усилителя.. Если входное у усилителя маленькое, по сравнению с выходным источника, то весь сигнал «упадёт» в источнике, а до усилителя дойдёт очень мало.. И наоборот… тоесть ток течет не туда где меньше сопротивление а туда где больше?
Вернуться наверх

Кто сейчас на форуме

Сейчас этот форум просматривают: tipa и гости: 16

Вы не можете начинать темы
Вы не можете отвечать на сообщения
Вы не можете редактировать свои сообщения
Вы не можете удалять свои сообщения
Вы не можете добавлять вложения

Источник

Каждый электронщик должен знать основные параметры усилителя, так как усилитель в электронике используется абсолютно везде. В этой статье мы рассмотрим самые важные параметры усилителей.

Входное и выходное сопротивление

Кто в первый раз сталкивается с этими понятиями, читайте эту статью. Кому лень читать, вкратце объясню здесь из прошлой статьи. Каждый усилительный каскад имеем свое входное и выходное сопротивление. На схеме R_вх и R_вых

Входное сопротивление усилителя находится по формуле R_вх =U_вх/ I_вх . Думаю, здесь вопросов возникать не должно. Эта формула справедлива как для постоянного тока, так и для переменного. В случае с постоянным током — это у нас будет усилитель постоянного тока (УПТ).

Немного иначе обстоят дела с выходным сопротивлением. В теории, можно замкнуть выходные клеммы 3 и 4 накоротко. В этом случае во выходной цепи усилителя у нас появится ток короткого замыкания I_кз

Более наглядно:

Ну и по закону Ома нетрудно догадаться, что R_вых = E_вых / I_{кз .}Но как же найти Е_вых? Достаточно разомкнуть цепь и просто и замерить напряжение мультиметром. Это и будет E_вых. Физический смысл очень простой. Так как вольтметр обладает очень высоким входным сопротивлением, то в цепи у нас почти не будет течь ток, так как по закону Ома I=U/R. А если сопротивление нагрузки бесконечно большое, то, следовательно, I_кз будет бесконечно малое.

В этом случае этим бесконечно маленьким током можно пренебречь и считать, что в цепи нет никакой силы тока. А раз сила тока равна нулю, то и падение напряжения на R_вых также будет равняться нулю или формулой: U_Rвых = IR_вых = 0 Вольт. Следовательно, на клеммах 3 и 4 мы будем замерять E_вых .

Выходное сопротивление усилителя можно найти двумя способами: теоретическим и практическим. Теоретический способ, часто сложен, поскольку неизвестны многие параметры «черного ящика», называемого усилителем. Проще определить выходное сопротивление практическим путем.

Как найти выходное сопротивление на практике

Что нужно для этого? Номинальная мощность усилителя и допустимое напряжение на выходе. Не важно — усилитель это постоянного или переменного тока (напряжения). Тестирование усилителя любого типа желательно выполнять на уровне 70% допустимой выходной мощности. Это общая практика.

Если вы не забыли, мультиметр в этом случае нам покажет ЭДС E_вых, т. е. в данном случае E_вых = U_вых. (Что такое ЭДС).

Номинал нагрузочного сопротивления должен выбираться исходя из допустимого тока и мощности усилителя.

Пример:

Выходная мощность усилителя 10 Вт, допустимое выходное напряжение (эффективное) 100 В. В этом случае, резистор нагрузки должен иметь сопротивление не менее R=U²/P = 10000/10 = 1 кОм. Мощность резистора: P_R = U²/R = 10000/1000 = 10 Вт

Какой же физический смысл этого опыта? В результате этих шагов, у нас цепь станет замкнутой, а два сопротивления, R_выхи R_н, образуют делитель напряжения. Сюда же можно приписать закон Ома для полной цепи, который выражается формулой:

где

I — сила тока в цепи, А

E — ЭДС, В

R — сопротивление нагрузки, Ом

r — внутреннее сопротивление источника ЭДС, Ом

Применительно к нашей ситуации, формула будет иметь такой вид:

Отсюда получаем:

Или словами, ЭДС равняется сумме падений напряжения на каждом сопротивлении.

Как вы могли заметить, падение напряжения на сопротивлении R_вых зависит от силы тока в цепи. Чем больше сила тока в цепи, тем больше падение напряжения на выходном сопротивлении R_вых . Но от чего же зависит сила тока в цепи? От нагрузки R_н ! Чем она меньше, тем больше сила I_выхв цепи, тем больше будет падение напряжения на R_вых, а значит, падение напряжения на U_Rнбудет меньше.

Теперь, зная этот принцип, можно косвенно вычислить выходное сопротивление R_вых .

Шаг номер 3: Замеряем напряжение на нагрузке U_Rн. Вспоминаем формулу выше:

отсюда

из формулы

Получаем, что

Далее что нам требуется — это увеличивать входное напряжение и снимать выходное напряжение — так мы увидим всю нелинейность выходной характеристики от тока и сможем замерить выходное сопротивление в диапазоне нагрузок, так как большинство усилителей мощности имеют нелинейность выходного сопротивления от допустимого тока нагрузки.

Коэффициент усиления

Про коэффициенты усиления мы писали еще в прошлой статье.

Рабочий диапазон частот

Рабочий диапазон — это диапазон частот, где коэффициент усиления изменяется в допустимых пределах, заданных в технических условиях на усилитель. Для этого надо построить АЧХ усилителя. Обычно этот предел устанавливается на уровне -3 децибел. Почему именно -3 дБ? В свое время так было удобнее учитывать передаваемую энергию. В полосе — 3 дБ передается 50% мощности сигнала.

Но иногда требуется незначительное изменение коэффициента усиления. Например, в -1 дБ. В этом случае рабочий диапазон частот усилителя будет меньше:

Собственные шумы усилителя.

Что же такое шум?

В электронике шумом называют беспорядочные колебания амплитуды сигнала, которые глушат полезный сигнал. Сюда же относятся разного рода помехи. Собственные шумы усилителя — это шумы, которые зарождаются как внутри самого усилителя, так и могут быть вызваны внешним источником помех, либо некачественным питанием усилителя. Давайте рассмотрим основные виды шумов усилителя.

Фон

Этот шум вызван некачественным питанием усилителя. Если источник питания собран на сетевом трансформаторе, то шум будет на частоте 100 Гц (2х50Гц, по схеме диодного моста). То есть на выходе такого усилителя мы услышим гудение, если подцепим к выходу динамик. Думаю, вы часто слышали такое выражение «что-то динамики фонят». Это все из этой серии.

Помехи и наводки

Это могут быть внешние источники, которые так или иначе действуют на усилитель. Это может быть наводка от сети 220 Вольт (очень часто ее можно увидеть, если просто прикоснуться к сигнальному щупу осциллографа), это также может быть какая-либо искра, которая образуется в свечах двигателей внутреннего сгорания.

Небольшое лирическое отступление. Помню, как смотрел диснеевские мультики по первому каналу, а через дорогу сосед пилил дрова с помощью бензопилы Дружба-2. Тогда на экране ТВ были такие помехи, что я про себя тихо материл соседа.

Ну а как же без грозовых разрядов? Благодаря электромагнитному импульсу у нас появилось такое изобретение, как радио.

К источникам помех можно также отнести радио- и ТВ-станции, рядом лежащее и стоящее электрооборудование, типа мощных коммутационных механических ключей, разрядников и тд.

Ну и конечно, это шум самих радиоэлементов. Сюда относится тепловой шум (джонсоновский), дробовой шум, а также фликкер-шум.

Наиболее существенными являются шумы, которые возникают на входе усилителя в самом первом каскаде. Этот шум в дальнейшем усиливается также, как и входной полезный сигнал. В результате на выходе усилителя у нас будет усилен как полезный сигнал, так и шумовой. Поэтому, при проектировании качественных усилителей стараются как можно сильнее минимизировать шум на входе первого каскада усилителя.

Отношение сигнал/шум

Пусть у вас дома стоит телевизор, который ловит аналоговое вещание. На экране телевизора мы видим четкую картинку:

Но вдруг антенна на крыше вашего дома из-за сильного ветра чуток отклонилась в сторону и изображение ухудшилось

Потом антенна вообще упала с крыши, и на телевизоре мы видим теперь что-то типа этого

В каком случае отношение сигнал/шум будет больше, а в каком меньше? На первой картинке, где четкое изображение, отношение сигнала к шуму будет очень большое, так как не первой картинке мы простым взглядом не можем уловить каких-либо помех на изображении, хотя по идее они есть).

На второй картинке мы видим, что в изображении появились помехи, которые делают некомфортным просмотр картинки. Здесь отношение сигнала к шуму уже будет намного меньше, чем на первой картинке.

Ну и на третьей картинке шумы почти полностью одолели изображение. В этом случае можно сказать , что отношение сигнала к шуму будет ну очень малым.

Отношение сигнал/шум является количественной безразмерной величиной.

В аналоговой электронике для нормальной работы усилителя полезный сигнал должен в несколько раз превышать шумы, иначе это сильно скажется на качестве усиления, так как полезный сигнал суммируется с шумовым.

Отношение сигнал/шум в англоязычной литературе обозначается как SNR или S/N.

Так как порой это отношение достигает очень больших значений в цифрах, поэтому чаще всего его выражают в децибелах:

где

U_cигнал — среднеквадратичное значение полезного сигнала, В

U_шум — среднеквадратичное значение шумового сигнала, В

P_сигнал — мощность сигнала

P_шум — мощность шума

То есть в нашем случае с котиком на первой картинке амплитуда полезного видеосигнала в разы превосходила амплитуду шума, поэтому первая картинка была четкой. На третьей картинке амплитуда полезного видеосигнала почти была равна амплитуде шума, поэтому картинка получилась очень зашумленной.

Еще один пример. Вот синусоидальный сигнал с SNR=10:

А вот тот же самый синус с SNR=3

Как вы могли заметить, сигнал с SNR=10 намного «чище», чем с SNR=3.

SNR чаще всего можно увидеть при описании характеристик усилителя звука. Чем выше SNR, тем лучше по качеству звучания будет усилитель. Для HI-FI систем звучания этот показатель должен быть от 90 дБ и выше. Для телефонных разговоров вполне достаточно и 30 дБ.

На практике SNR измеряется на выходе усилителя с помощью милливольтметра с trueRMS, либо с помощью анализатора спектра.

Амплитудная характеристика

Амплитудная характеристика усилителя — это зависимость амплитуды сигнала на выходе от входного сигнала при фиксированной частоте. Обычно она составляет 1 кГц.

Амплитудная характеристика идеального усилителя по идее должна выглядеть вот так:

Это луч, который начинается от нулевой точки отсчета координат и простирается в бесконечность.

Но на самом деле реальная амплитудная характеристика усилителя выглядит вот так:

Здесь мы видим, что если даже входное напряжение U_вх =0, то на выходе усилителя мы все равно получим какой-то уровень сигнала. Это будет напряжение шума U_ш .

Динамический диапазон усилителя

Динамический диапазон — это отношение максимально допустимого уровня выходного сигнала к его минимальному уровню, при котором обеспечивается заданное отношение сигнал/шум:

Чтобы понять концовку определения «обеспечивается заданное отношение сигнал/шум» динамического диапазона, давайте рассмотрим наш рисунок:

Допустим, наш усилитель должен иметь SNR=90 дБ. Будет ли правильно, если мы возьмем U_{вых мин} за U_шум?

Конечно же нет! В этом случае в этой точке на графике амплитуды сигнала и шума будут равны, а следовательно, по формуле

получим, что SNR=0 дБ.

Непорядок. Значит, надо взять такое значение U_вых , при котором бы соблюдалось равенство

Допустим, что U_шум =1 мкВ, подставляем в формулу

Из этого уравнения находим U_вых. Это будет как раз являться U_{вых. мин.} для формулы:

при SNR=90. В нашем случае это будет точка А.

U_{вых макс} берем в точке B, так как в этом случае это максимальное значение, при котором у нас в усилителе не возникают нелинейные искажения (о них чуть ниже).

Рабочая область усилителя будет обеспечиваться на отрезке АВ. В этом случае у нас будут минимальные искажения в сигнале, так как эта область линейная. Отношение максимально допустимого выходного сигнала к уровню шума — это предельный уровень динамического диапазона для аналогового усилителя.

Для усилителей звука выход за пределы этой рабочей области в большую сторону будет чреват нелинейными искажениями, а в меньшую — полезный сигнал задавят помехи. Да вы и сами, наверное замечали, что выкрутив на полную катушку ручку громкости дешевой китайской магнитолы, у нас качество звучания оставляло желать лучшего, так как в дело «вклинивались» нелинейные искажения.

Коэффициент полезного действия (КПД)

КПД представляет из себя отношение мощности на нагрузке усилителя к мощности, которая потребляется усилителем от источника питания

где

P_вых — это мощность на нагрузке, Вт

P_и.п. — мощность, потребляемая источником питания, Вт

Искажения, вносимые усилителем

Искажения определяют сравнением формы сигнала на входе и на выходе. Идеальным является усилитель, который в точности повторяет форму сигнала, поданного на вход. Но так как наш мир не идеален, и радиоэлементы тоже не идеальны, то и на выходе у нас сигнал будет всегда немного искаженный. Главное, чтобы эти искажения не были столь критичны.

В основном искажения делятся на 4 группы:

Частотные
Фазовые
Переходные
Нелинейные

Частотные искажения

Частотные искажения возникают вследствие того, что коэффициент усиления во всем диапазоне частот не одинаковый. Или простыми словами, какие-то частоты усиливаются хорошо, а какие-то плохо). Чтобы в этом разобраться, достаточно посмотреть на АЧХ усилителя.

В данном случае мы можем увидеть, что низкие и высокие частоты будут усиливаться меньше, чем средние частоты. А так как сложный сигнал состоит из множества частотных составляющих, вследствие этого и возникнут частотные искажения.

Фазовые искажения

Фазовые искажения возникают из-за того, что разные частоты с разной задержкой по времени появляются на выходе усилителя. Какие-то частоты запаздывают больше, а какие-то меньше. Давайте все это рассмотрим на примере двух картинок.

Допустим, мы «загоняем» на вход синусоидальный сигнал с низкой частотой и на выходе получаем уже усиленный сигнал, но немного с небольшой задержкой.

Но также не забывайте, что катушки и конденсаторы являются частото-зависимыми радиоэлементами. Их реактивное сопротивление зависит от частоты сигнала, поэтому, прогоняя через усилитель сигнал с другой частотой, мы получим уже совсем другую задержку сигнала

То есть в нашем случае t₁≠ t₂. Хорошо это или плохо? Если мы будем усиливать синусоиду, то в принципе нам по барабану. Какая разница раньше он появится на выходе или позже? Главное то, что сигнал будет усиленный.

Все бы ничего, но стоит помнить, что сложные сигналы состоят из суммы множества синусоид различных частот и амплитуд.

Чтобы понять, что такое сумма сигналов, достаточно рассмотреть вот такие примеры:

ну и еще один, мне не жалко)

Складываем амплитуды в одинаковые моменты времени и получаем сумму этих двух сигналов.

А вот так из разных синусоид разных частот складывается прямоугольный сигнал:

В данном случае мы пытаемся «собрать» прямоугольный сигнал из суммы синусоид разных амплитуд и частот.

Но так как у нас усилитель задерживает разные сигналы по частоте по-разному, то у нас между сигналами происходит разнобой. Лучше всего это объяснит рисунок ниже. Имеем два синусоидальных сигнала с разной частотой и амплитудой:

Если их сложить, получим сложный сигнал:

Но что будет, если второй сигнал сдвинется по фазе относительно первого?

Смотрим теперь сумму этих сигналов:

Абсолютно другой сигнал! Чувствуете разницу? Чуток сдвинули фазу, а форма сигнала уже поменялась.

То есть на выходе усилителя мы хотели получить вот такой усиленный сигнал:

а получили такой:

В результате фазовых искажений наш сложный сигнал, состоящий из двух синусоид, поменял форму. На выходе усилителя мы получили совсем другой сигнал. А как вы помните, роль усилителя заключается в том, чтобы усиливать сигнал, сохраняя при этом его форму.

Фазо-частотная характеристика (ФЧХ) усилителя — это график зависимости угла сдвига фаз, вносимого усилителем, от частоты. Выглядеть она может примерно вот так:

где

φ — это сдвиг фазы относительно входного и выходного сигнала

f — частота сигнала

Человеческое ухо не замечает фазовых искажений, несмотря на то, что даже изменяется форма сигнала. Поэтому при проектировании звуковых усилителей фазовые искажения не принимают во внимание.

Частотные искажения и фазовые искажения относят к линейным искажениям, так как оба вида искажений обусловлены линейными элементами схемы. Если сказать по научному, у нас в спектре сигнала не появляется дополнительных гармоник.

Переходные искажения

Переходным искажением называют искажение прямоугольного импульса, которое подается на вход усилителя. На выходе такой импульс будет иметь уже другую форму, вызванную искажением сигнала внутри самого усилителя.

Для оценки переходных искажений используют переходную характеристику. Она представляет из себя зависимость напряжения или тока на выходе усилителя от времени от подачи на его вход прямоугольного импульса.

На рисунке ниже имеем прямоугольный сигнал, который подаем на вход усилителя, а на выходе усилителя уже будет искаженный усиленный сигнал. Это искажения вызваны, как обычно, с наличием в схеме усилителя реактивных радиоэлементов, то есть тех же самых катушек индуктивности и конденсаторов.

Для оценки переходных искажений используют такие параметры:

U_m — это амплитуда импульса, отсчитывается от плоской вершины импульса, В

ΔU_в — это выброс фронта импульса, В

ΔU_с — спад вершины импульса, В

Следующие два параметра измеряются в диапазоне от 0,1U_mи до 0,9U_m:

t_ф — длительность фронта импульса

t_c— длительность спада импульса

А длительность самого импульса t_и измеряется на уровне 0,5U_m.

Нелинейные искажения

Ну и напоследок мы с вами разберем нелинейные искажения. Нелинейными она называются из-за того, что такие искажения уже меняют форму сигнала, в отличие от линейных искажений. Все дело в том, что электронные лампы и полупроводники имеют нелинейную характеристику. Давайте рассмотрим все это дело более подробно.

Как вы могли заметить, на выходе у нас форма сигнала изменилась. Нашу верхнюю часть синусоиды усиленного сигнала немного «придавило». То есть мы подавали сигнал одной формы, а вышел сигнал совсем другой формы. Это не есть хорошо и с этим надо бороться.

Если сказать более научным радиотехническим языком, в нашем сигнале появились дополнительные гармоники, которых не было в исходном сигнале. В данном случае мы на вход загоняли простой синусоидальный сигнал, состоящий из одной гармоники, а получили на выходе сложный сигнал, состоящий уже из нескольких гармоник.

Для количественной оценки нелинейных искажений используется коэффициент гармонических искажений (КГИ). Он выражается формулой:

Эта величина находится как отношение среднеквадратичного напряжения суммы высших гармоник сигнала, кроме первой, к напряжению первой гармоники при воздействии на вход усилителя синусоидального сигнала.

или на английский манер

Также есть и подобный параметр коэффициент нелинейных искажений (КНИ). Он выражается формулой:

на английский манер

Эти два параметра выражаются в процентах. Для малых значений коэффициенты КГИ и КНИ почти совпадают. Так что коэффициент искажений можно считать как по первой, так и по второй формуле.

Консультант Jeer

Источник

Всем привет!

В последнее время я по большей части ушел в цифровую и, отчасти, в силовую электронику и схемы на операционных усилителях использую нечасто. В связи с этим, повинуясь неуклонному закону полураспада памяти, мои знания об операционных усилителях стали постепенно тускнеть, и каждый раз, когда все-таки надо было использовать ту или иную схему с их участием, мне приходилось гуглить ее расчет или искать его в книгах. Это оказалось не очень удобно, поэтому я решил написать своего рода шпаргалку, в которой отразил наиболее часто используемые схемы на операционных усилителях, приведя их расчет, а также результаты моделирования в LTSpice.

Введение

В рамках данной статьи будет рассмотрено десять широко используемых схем на операционных усилителя. При написании данной статьи я исходил из того, что читатель знает, что такое операционный усилитель и хотя бы в общих чертах представляет, как он работает. Также предполагается, что ему известны базовые вещи теории электрических цепей, такие как закон Ома или расчет делителя напряжения.

Не следует воспринимать эту статью как законченное руководство по применению операционных усилителей в любых ситуациях. Для большого количества задач, действительно, этих схем может быть достаточно, однако в сложных проектах всегда может потребоваться что-то нестандартное.

1. Неинвертирующий усилитель

Неинвертирующий усилитель – наверное, наиболее часто встречающаяся схема включения операционного усилителя, она приведена на рисунке ниже.

В этой схеме усиливаемый сигнал подается на неинвертирующий вход операционного усилителя, а сигнал с выхода через делитель напряжения попадает на инвертирующий вход.
Расчет этой схемы прост, он строится исходя из того, что операционный усилитель, охваченный петлей обратной связи, отрабатывает входное воздействие таким образом, чтобы напряжение на инвертирующем входе было равно напряжению на неинвертирующем:

$V_{IN}=V_{OUT}frac{ R2}{R1+R2}$

Из этой формулы легко получается коэффициент усиления неинвертирующего усилителя:

$mathbf{k= frac {V_{OUT}}{V_{IN}}=1+frac {R1}{R2}}$

Рассчитаем и промоделируем неинвертирующий усилитель со следующими параметрами:

Выберем из ряда Е96 и . Тогда коэффициент усиления будет равен

$k=1+frac {R1}{R2}=1+frac {9,53 cdot 10^3}{1,05 cdot 10^3} approx 10$

Результат моделирования данной схемы приведен на рисунке (картинка кликабельна):

Давайте теперь рассмотрим граничные случаи этого усилителя. Допустим, величина сопротивления резистора . При этом мы получим, что коэффициент усиления будет стремиться к бесконечности. На самом деле, конечно, это хоть и очень большая, но все-таки конечная величина, она обычно приводится в документации на микросхему конкретного операционного усилителя. С другой стороны, величина выходного напряжения реального операционного усилителя даже при бесконечно большом коэффициенте усиления не может быть бесконечно большой: она ограничена напряжением питания микросхемы. На практике она зачастую даже несколько меньше, за исключением некоторых типов усилителей, которые отмечены как rail-to-rail. Но в любом случае не рекомендуется загонять операционные усилители в предельные состояния: это приводит к насыщению их внутренних выходных каскадов, нелинейным искажениям и перегрузкам микросхемы. Поэтому данный предельный случай не несет какой-то практической пользы.

Гораздо больший интерес представляет собой другой предельный случай, когда величина сопротивления . Его мы рассмотрим в следующем разделе.

2. Повторитель

Как уже говорилось ранее, включение операционного усилителя по схеме повторителя – это предельный случай неинвертирующего усилителя, когда один из резисторов имеет нулевое сопротивление. Схема повторителя приведена на рисунке ниже.

Как видно из формулы, приведенной в прошлом разделе, коэффициент передачи для повторителя равен единице, то есть выходной сигнал в точности повторяет входной. Зачем же вообще нужен операционный усилитель в таком случае? Он выступает в роли буфера, обладая высоким входным сопротивлением и маленьким выходным. Когда это бывает нужно? Допустим, мы имеем какой-то источник сигнала с большим выходным сопротивлением и хотим этот сигнал без искажения передать на относительно низкоомную разгрузку. Если мы это сделаем напрямую, без каких бы то ни было буферов, то неизбежно потеряем какую-то часть сигнала.

Убедимся в этом с помощью моделирования схемы со следующими основными параметрами:

Моделирования будем проводить для двух случаев: в первом случае пусть источник сигнала работает на нагрузку через повторитель, а во втором случае — напрямую.
Результаты моделирования приведены на рисунке ниже (картинка кликабельна): на верхней осциллограмме выходной и входной сигналы в точности совпадают друг с другом, тогда как на нижней сигнал на выходе в несколько раз меньше по амплитуде относительно сигнала на входе.

Вместо повторителя на операционном усилителе можно также использовать и эмиттерный повторитель на транзисторе, не забывая, однако, про присущие ему ограничения.

3. Инвертирующий усилитель (классическая схема)

В схеме инвертирующего усилителя входной сигнал подается на инвертирующий вывод микросхемы, на него же заведена и обратная связь. Неинвертирующий вход при этом подключается к земле (иногда к источнику смещения). Типовая схема инвертирующего усилителя приведена на рисунке ниже.

Для входной цепи инвертирующего усилителя можно записать следующее выражение:

$frac {V_{IN}-V_{-}}{R1}=frac {V_--V_{OUT}}{R2}$

Где $V_-$ — напряжение на инвертирующем входе операционного усилителя.
Поскольку операционный усилитель, охваченный петлей обратной связи, стремится выровнять напряжения на своих входах, то $V_-=0$ , и при заземленном неинвертирующем входе получаем

$frac {V_{IN}}{R1}=-frac{V_{OUT}}{R2}$

Отсюда коэффициент усиления инвертирующего усилителя равен

$mathbf{k=frac{V_{OUT}}{V_{IN}}=-frac{R2}{R1}}$

По инвертирующему усилителю можно сделать следующие выводы:

Инвертирующий усилитель инвертирует сигнал. Это значит, что необходимо применение двухполярного питания.
Величина модуля коэффициента усиления инвертирующего усилителя равна отношению резисторов цепи обратной связи. При равенстве номиналов двух резисторов коэффициент усиления равен -1, т.е. инвертирующий усилитель работает просто как инвертор сигнала.
Величина входного сопротивления инвертирующего усилителя равна величине резистора R1. Это важно, потому что при маленьких значениях R1 может сильно нагружаться предыдущий каскад.

Для примера рассчитаем инвертирующий усилитель со следующими параметрами:

В качестве резисторов в цепи обратной связи выберем резисторы номиналами и : их отношение как раз равно десяти.
Результаты моделирования усилителя приведены на рисунке (картинка кликабельна).

Как видим, выходной сигнал в 10 раз больше по амплитуде, чем входной, и при этом проинвертирован.

Входное сопротивление данной схемы равно . А что будет, если источник сигнала будет иметь значительное выходное сопротивление, допустим, эти же 10 кОм? Результат моделирования этого случая представлен на рисунке ниже (картинка кликабельна).

Амплитуда выходного сигнала просела в два раза по сравнению с предыдущим случаем! Очевидно, что это все из-за того, что выходное сопротивление генератора в этом случае равно входному сопротивлению инвертирующего усилителя. Таким образом, стоит всегда помнить про эту особенность инвертирующего усилителя. Как же быть, если все-таки требуется обеспечить работу источника сигнала с высоким выходным сопротивлением на инвертирующий усилитель? В теории надо увеличивать сопротивление R1. Однако одновременно с эти будет расти и сопротивление R2. Если мы хотим обеспечить входное сопротивление схемы в 500 кОм при коэффициенте усиления 10, резистор R2 должен иметь сопротивление в 5 МОм! Такие большие номиналы сопротивлений применять не рекомендуется: схема будет очень чувствительной к наводкам, пыли и флюсу на печатной плате. Есть ли какие-то выходы из этой ситуации? На самом деле да. Можно, например, использовать буфер-повторитель, который мы рассмотрели в прошлом разделе. А можно еще применить схему с Т-образным мостом в обратной связи, про нее поговорим в следующем разделе.

4. Инвертирующий усилитель с Т-образным мостом в цепи ОС

Схема инвертирующего усилителя с Т-образным мостом в цепи обратной связи приведена на рисунке ниже.

Коэффициент усиления этой схемы равен

$mathbf{k=frac {V_{OUT}}{V_{IN}}=-frac {R2+R3+frac{R2cdot R3}{R4}}{R1}}$

Рассчитаем усилитель со следующими параметрами:

Расчет показывает, что следящие номиналы резисторов должны сформировать усилитель с Т-образным мостом, отвечающий заявленным требованиям:

Результаты моделирования схемы усилителя приведены на рисунке ниже (картинка кликабельна).

Попробуем теперь подключить источник с выходным сопротивлением 10 кОм, как мы это сделали в предыдущем разделе. Получим такую картинку (кликабельно):

Выходной сигнал практически не изменился по амплитуде по сравнению с предыдущим моделированием, и это ни в какое сравнение не идет с тем, насколько он проседал в схеме простого инвертирующего усилителя без Т-моста. Кроме того, как мы видим, эта схема позволяет обойтись без мегаомных резисторов даже при больших коэффициентах усиления и значительном входном сопротивлении.

5. Инвертирующий усилитель в схемах с однополярным питанием

Схемы с однополярным питанием распространены гораздо больше, чем схемы с двухполярным. Вместе с тем, как мы выяснили в прошлых двух разделах, при использовании схемы инвертирующего усилителя у нас меняется знак выходного напряжения, что влечет за собой обязательное применение двухполярного источника питания. Можно ли как-то обойти это ограничение и использовать инвертирующий усилитель в схемах с однополярным питанием? На самом деле можно, для этого надо на неинвертирующий вход усилителя подать напряжение смещения как показано на рисунке ниже

Примечание

Позиционные обозначения R1 и R2 показаны условно. Они одни и те же для разных резисторов на схеме, что, конечно, невозможно для реальной схемы, однако допускается на рисунке для подчеркивания того, что эти резисторы имеют одинаковые номиналы.

Расчет этой схемы строится все на том же принципе равенства напряжений на инвертирующем и неинвертирующем входах усилителя. Ток через цепочку резисторов R1-R2 инвертирующего плеча равен.

$I_{R1R2}=frac {V_{OUT}-V_-}{R2}=frac {V_--V_{IN}}{R1}$

Отсюда напряжения на инвертирующем входе равно

$V_-=frac{V_{OUT}cdot R1+V_{IN}cdot R2}{R1+R2}$

Напряжение на неинвертирующем входе равно

$V_+=V_{REF}frac{R2}{R1+R2}$

Исходя из принципа равенства напряжения на инвертирующем и неинвертирующем входах получаем

$V_{OUT}cdot R1+V_{IN}cdot R2=V_{REF}cdot R2$

Таким образом, напряжение на выходе операционного усилителя равно

$mathbf{V_{OUT}=(V_{REF}-V_{IN})frac{R2}{R1}}$

Отсюда делаем вывод, что для корректной работы напряжения смещения $V_{REF}$ должно быть больше максимального входного напряжения с учетом подаваемого на вход напряжения смещения.
Промоделируем схему инвертирующего усилителя со следующими параметрами:

Результаты моделирования приведены на рисунке ниже (картинка кликабельна)

Как видим, мы получили усиленный в 10 раз инвертированный сигнал, при этом сигнал проинвертировался, однако, не залез в отрицательную область.

6. Инвертирующий сумматор

Операционный усилитель можно использовать для суммирования различных сигналов. С помощью резисторов можно задавать «вес» каждого из сигнала в общей сумме. Схема инвертирующего сумматора приведена на рисунке ниже.

Расчет инвертирующего сумматора очень прост и основывается на принципе суперпозиции: суммарный выходной сигнал равен сумме отдельных составляющих:

$V_{OUT1}=-frac{R4}{R1}V_{IN1}$

$V_{OUT2}=-frac{R4}{R2}V_{IN2}$

$V_{OUT3}=-frac{R4}{R3}V_{IN3}$

$mathbf {V_{OUT}=-left(frac{R4}{R1}V_{IN1}+frac{R4}{R2}V_{IN2}+frac{R4}{R3}V_{IN3}right)}$

Рассчитаем и произведем моделирование инвертирующего сумматора со следующими параметрами:

Для обеспечения требуемых «весов» $v_{1}$ , $v_{2}$ и $v_{3}$ выберем следущие номиналы резисторов из ряда Е96:

Результат моделирования приведен на рисунке ниже (картинка кликабельна).

Видим, что выходной сигнал проинвертирован и усилен в соответствии с выражением, приведенным выше. Однако стоит всегда помнить, что приведенное выше выражение верно для постоянных напряжений (либо же мгновенных значений переменного сигнала). Если же сдвинуть сигналы по фазе или если они будут обладать разной частотой, то результат будет совершенно другим. Аналитически его можно рассчитать, воспользовавшись формулами преобразования тригонометрических выражений (в случае, если мы имеем дело с синусоидальными сигналами). В качестве примера на рисунке ниже приведен результат моделирования инвертирующего сумматора для случая сдвинутых по фазе входных сигналов (изображение кликабельно).

Как видим, итоговый сигнал не превышает по амплитуде сигнал $V_{IN3}$ , а также имеет в начальной части артефакты, вызванные постепенным появлениями сигналов на входах.
Необходимо также помнить, что инвертирующий сумматор – по сути все тот же инвертирующий усилитель, и его входное сопротивление определяется величиной резистора в цепи обратной связи, поэтому его надо аккуратно применять в случаях, если источник сигнала имеет большое выходное сопротивление.

7. Дифференциальный усилитель

Дифференциальный усилитель предназначен для усиления разности сигналов, поступающих на его входы. Такое включение усилителей широко используется, например, для усиления сигнала с резистора-шунта-датчика тока. Что немаловажно, операционный усилитель в таком включении помимо, собственно, усиления сигнала, давит синфазную помеху.

Схема дифференциального усилителя приведена на рисунке.

Для дифференциального усилителя можно записать следующие выражения:

$frac{V_{OUT}-V_-}{R40}=frac{V_--V_{IN2}}{R3}$

$V_+=V_{IN1}frac{R2}{R1+R2}$

Решая эту систему уравнений, получаем

$V_{OUT}=V_{IN1}frac{R2}{R1+R2}frac{R3+R4}{R3}-V_{IN2}frac{R4}{R3}.$

Если мы примем, что

$frac{R2}{R1}=frac{R4}{R3},$

то данное выражение упрощается и преобразуется в

$mathbf {V_{OUT}=(V_{IN1}-V_{IN 2})frac{R2}{R1}}.$

Таким образом, коэффициент усиления дифференциального сигнала определяется отношением R2 к R1.

Эта формула (да и сама схема включения дифференциального усилителя) очень похожа на рассмотренный ранее случай инвертирующего усилителя в схеме с однополярным питанием. Действительно, все так и есть: схема инвертирующего усилителя с однополярным питанием и напряжением смещения есть частный случай дифференциального усилителя, просто в ней на один из входов подается не какой-то переменный сигнал, а постоянное напряжение.

Произведем моделирование схемы со следующими параметрами:

Результаты моделирования приведены на рисунке ниже (изображение кликабельно).

Как видим, разница между сигналами $V_{IN1}$ и $V_{IN2}$ в 5 мВ оказалась усиленной в 50 раз и стала 250 мВ.

Посмотрим теперь, как дифференциальный усилитель давит синфазную помеху. Для этого подключим к сигналам $V_{IN1}$ и $V_{IN2}$ общий генератор белого шума и произведем моделирование, его результаты представлены на рисунке (картинка кликабельна).

На верхней осциллограмме приведены сигналы $V_{IN1}$ и $V_{IN2}$ с добавленной помехой: самого сигнала уже даже не видно за шумами. На нижней осциллограмме приведен результат работы дифференциального усилителя. Поскольку помеха одна и та же для инвертирующего и неинвертирующего входа, дифференциальный усилитель ее убирает, и в результате мы имеем чистый сигнал, не отличающийся от случая без помехи.

Однако стоит все же помнить, что способность операционного усилителя давить синфазную помеху не бесконечна, данный параметр обычно приводится в документации на операционный усилитель. Кроме того, нельзя забывать и про величину входного сопротивления дифференциального усилителя со стороны инвертирующего входа: оно по-прежнему может быть невелико.

8. Источник тока

Операционный усилитель при определенном включении может работать как источник тока. Источник тока поддерживает постоянный ток вне зависимости от величины сопротивления нагрузки (в идеальном источнике нагрузка может быть вообще любая, в реальном – не больше какой-либо величины, пропорциональной максимально возможному напряжению, которое может сформировать на ней источник тока). Возможно как минимум две схемы источника тока на операционном усилителе: с плавающей нагрузкой и с заземленной нагрузкой. Схема источника тока с плавающей нагрузкой предельно проста и приведена на рисунке ниже

Как видим, на неинвертирующий вход подается опорное напряжение, а в роли нагрузки выступает один из элементов обратной связи. Величина тока при этом определяется следующим выражением

$mathbf {I=frac{V_{REF}}{R1}}$

Однако все-таки чаще требуется, чтобы нагрузка была заземлена. В этому случае схема немного усложняется: потребуется дополнительный транзистор. Для этих целей лучше брать полевой транзистор: у биполярного транзистора токи коллектора и эмиттера немного отличаются из-за тока базы, что приведет к менее стабильной работе источника тока. Схема источника тока на операционном усилителе с заземленной нагрузкой приведена на рисунке ниже

Величина тока рассчитывается так:

$mathbf {I=frac{V_{REF}-V_{+}}{R}=frac{V_{REF}}{R}left(1-frac{R2}{R1+R2}right)}$

Произведем расчет и моделирование источника тока со следующими параметрами:

Для обеспечения заданных характеристик подойдут следующие номиналы сопротивлений резисторов:

Результат моделирования источника тока с заданными параметрами представлен на рисунке ниже (изображение кликабельно).

На рисунке приведено два графика. Верхний график показывает величину тока через сопротивление нагрузки, и она равна 10 мА. Нижний график показывает напряжение на нагрузке, оно равно 100 мВ. Попробуем теперь изменить сопротивление нагрузки: вместо 10 Ом возьмем 100 Ом и промоделируем (изображение кликабельно):

Как мы видим, через нагрузку течет все тот же самый ток в 10 мА: операционный усилитель отработал изменение нагрузки, повысив на ней напряжение, оно теперь стало равным 1 В. Но в реальности операционный усилитель не сможет поднимать напряжение бесконечно: оно ограничено напряжением источника питания (а зачастую еще и несколько меньше него). Что же будет, если задать сопротивление нагрузки слишком высоким? По сути, источник тока перестает работать. На рисунке ниже пример моделирования источника с сопротивление нагрузки в 1 кОм (изображение кликабельно).

Согласно графику, ток через нагрузку теперь уже никакие не 10 мА, а всего лишь 4 мА. При дальнейшем повышении сопротивления нагрузки ток будет все меньше и меньше.

Дополнительно по приведенным схемам источников тока на операционных усилителях надо отметить, что стабильность выходного тока в них зависит от стабильности напряжения $V_{IN}$ , в связи с этим оно должно быть хорошо стабилизированным. Существуют более сложные схемы, которые позволяют уйти от этой зависимости, но в рамках данной статьи мы их рассматривать не будем.

9. Интегратор на операционном усилителе

Думаю, что все читатели знакомы с классической схемой интегратора на RC-цепочке:

Эта схема чрезвычайно широко используется на практике, однако имеет в себе один серьезный недостаток: выходное сопротивление этой схемы велико и, как следствие, входной сигнал может существенно ослабляться. Для устранения этого недостатка возможно использование операционного усилителя.

Простейшая схема интегратора на операционном усилителе, встречающаяся во всех учебниках, приведена на рисунке ниже.

Как видно из рисунка — это инвертирующий интегратор, т.е. помимо интегрирования сигнала, он меняет также и его полярность. Следует отметить, что это требуется далеко не всегда. Еще один серьезный недостаток этой схемы — конденсатор интегратора накапливает в себе заряд, который надо как-то сбрасывать. Для этого можно либо применять резистор, включенный параллельно с конденсатором (однако необходимо учитывать также его влияние на итоговый сигнал), либо же сбрасывать заряд с помощью полевого транзистора, открывая его в нужные моменты времени. По этой причине я решил рассмотреть более подробно другую схему интегратора с использованием операционного усилителя, которая, на мой взгляд, заслуживает больший практический интерес:

Как видно из рисунка, эта схема представляет собой классический интегратор на RC-цепочке, к которому добавлен повторитель на операционном усилителе: с помощью него решается проблема выходного сопротивления.

Интегратор можно также рассматривать как фильтр нижних частот. Частота среза АЧХ фильтра высчитывается по формуле

$mathbf {f_c=frac{1}{2pi R1C1}}$

Тут стоит обратить внимание на один очень важный момент. Надо всегда помнить, что частота среза, рассчитанная выше, верна только для RC-цепочки и не учитывает частотных свойств самого операционного усилителя. Частотными свойствами операционного усилителя можно пренебречь, если мы попадаем в его рабочий диапазон частот, но если мы вдруг выйдем за него, то итоговая частотная характеристика схемы будет совсем не такой, как мы ожидали. Грубо говоря, если у нас RC-цепочка настроена на 1 МГц, а операционный усилитель позволяет работать до 100 МГц – все хорошо. Но если у нас цепочка на 10 МГц, а операционный усилитель работает до 1 МГц – все плохо.

В качестве примера рассчитаем ФНЧ со следующими параметрами частотой среза АЧХ в 1 МГц. Для такой частоты можно выбрать

Частота среза АЧХ $f_c=1 text { МГц}$
Операционный усилитель LT1803 (Максимальная частота 85 МГц)

Для заданной частоты среза АЧХ подойдут следующие номиналы сопротивления и емкости RC-цепочки:

Результат моделирования приведен на рисунке ниже (изображение кликабельно). На этом рисунке показаны две частотные характеристики: отдельно для RC-цепочки (красная линия) и для всей схемы целиком (RC-цепочка+операционный усилитель, зеленая линия).

Как видно из рисунка, красная и зеленая линии сначала совпадают, а начиная с определенной частоты зеленая идет вниз гораздо круче. Это как раз и объясняется тем, что на частотные свойства схемы начинает оказывать влияние уже сам операционный усилитель.

Ну и поскольку все-таки мы рассматриваем интегратор, то на следующем рисунке (кликабельно) приведена классическая картинка из учебников: интегрирование прямоугольных импульсов. Параметры интегратора те же, какие были в предыдущем моделировании частотной характеристики.

10. Дифференциатор на операционном усилителе

Схема простейшего дифференциатора на RC-цепочке известна ничуть не меньше, чем схема интегратора:

Эта схема имеет все тот же недостаток, связанный с высоким выходным сопротивлением, и для его устранения можно аналогичным образом применить операционный усилитель. Схема инвертирующего дифференциатора получается из схемы инвертирующего интегратора путем замены конденсаторов на резисторы и резисторов на конденсаторы, она приведена на рисунке ниже.

Однако и в этом случае более подробно рассмотрим другую схему, состоящую из классического дифференциатора на RC-цепочке и повторителя на операционном усилителе:

Если интегратор мы рассматривали как простейший фильтр нижних частот, то дифференциатор наоборот – фильтр верхних частот. Частота среза АЧХ считается все по той же формуле

$mathbf {f_c=frac{1}{2pi R1C1}}$

В случае дифференциатора также нельзя забывать про частотные свойства самого операционного усилителя: здесь они выражены даже более ярко, чем в случае с интегратором. Как мы уже убедились в прошлом разделе, начиная с определенной частоты операционный усилитель работает как фильтр нижних частот, тогда как дифференциатор – это фильтр верхних частот. Вместе они будут работать как полосовой фильтр.

В качестве примера рассчитаем ФВЧ с частотой среза АЧХ равной тем же 1 МГц. Для такой частоты можно выбрать все те же номиналы компонентов, которые были в случае ФНЧ:

Результат моделирования приведен на рисунке ниже (картинка кликабельна). На этом рисунке показаны две частотные характеристики: отдельно для RC-цепочки (красная линия) и для всей схемы целиком (RC-цепочка + операционный усилитель, зеленая линия).

Как видно из рисунка, красная и зеленая линии сначала совпадают, а начиная с определенной частоты, зеленая линия идет резко вниз, тогда как красная линия, отражающая работу непосредственно самой RC-цепочки, горизонтальна.

Работа дифференциатор при подаче на его вход прямоугольных импульсов приведена на рисунке ниже (изображение кликабельно).

Заключение

В данной статье мы рассмотрели десять наиболее часто встречающихся схем на операционных усилителях. Операционный усилитель – мощный инструмент в умелых руках, и количество схем, которые можно создать с его помощью, конечно, многократно превосходит то, что было рассмотрено, однако, надеюсь, данный материал будет кому-то полезен и поможет более уверенно использовать этот компонент в своих разработках.

Полезные ссылки

Хоровиц П., Хилл У. Искусство схемотехники: — Изд. 2-е. — М.: Издательство БИНОМ — 2014. — 704 с
Картер Б., Манчини Р. Операционные усилители для всех — М.: Издательский дом «Додэка — XXI» — 2011. — 509 с
LT1803

Источник

1,9. Какие компоненты в схеме эв ограничивают значение нижней частоты измеряемого напряжения?

1,10. Какие параметры схемы ограничивают высшую рабочую частоту эв?

2,1. Приведите классификацию измерительных генераторов и их обозначения.

2,2. Приведите блок-схему измерительного генератора низкой частоты.

2,3. Какие типы задающих генераторов применяются в измерительных генераторах?

2,4. Приведите блок-схему задающего генератора на биениях и объясните принцип его работы.

Кто сейчас на форуме

Входное и выходное сопротивление

Как найти выходное сопротивление на практике

Коэффициент усиления

Рабочий диапазон частот

Собственные шумы усилителя.

Отношение сигнал/шум

Амплитудная характеристика

Динамический диапазон усилителя

Коэффициент полезного действия (КПД)

Искажения, вносимые усилителем

Частотные искажения

Фазовые искажения

Переходные искажения

Нелинейные искажения

Введение

1. Неинвертирующий усилитель

2. Повторитель

3. Инвертирующий усилитель (классическая схема)

4. Инвертирующий усилитель с Т-образным мостом в цепи ОС

5. Инвертирующий усилитель в схемах с однополярным питанием

6. Инвертирующий сумматор

7. Дифференциальный усилитель

8. Источник тока

9. Интегратор на операционном усилителе

10. Дифференциатор на операционном усилителе

Заключение

Читайте также: