Повторитель напряжения на операционном усилителе

Схема повторителя напряжения на ОУ, смысл ее применения и параметры подходящего операционного усилителя. Использование микросхемы TDA2030 для создания простого мощный повторитель напряжения.

Повторитель напряжения на операционном усилителе

Схема повторителя напряжение на ОУ, мощный повторитель напряжения на TDA2030

Повторитель напряжения представляет собой неинвертирующий усилитель, обладающий единичным коэффициентом усиления. Реализуется это замыканием отрицательной обратной связи и подачей полезного сигнала на неинвертирующий вход.

При таком включении операционный усилитель старается обеспечить на выходе точную копию сигнала приходящего на его вход. В каждый момент времени Uвых=Uвх, поэтому описываемая схема и называется повторителем. Схема повторителя на ОУ:

  1. Смысл применения повторителя напряжения
  2. Параметры операционных усилителей
  3. Как рассчитать величину тока, который должен обеспечивать ОУ ?
  4. TDA2030 как повторитель напряжения
  5. Заключение

Смысл применения повторителя напряжения

Зачем же повторять то, что уже есть? Усилитель с единичным коэффициентом усиления называют также буфером или буферным каскадом. Обладая большим входным и малым выходным импедансами, повторитель, как нельзя лучше, подходит для согласования каскадов по сопротивлению.

Таким образом соблюдается главное правило схемотехники — входное сопротивление следующего каскада должно быть минимум в 3, а лучше в 10 раз больше выходного сопротивления предыдущего каскада. В таком случае сигнал не претерпевает искажений.

Параметры операционных усилителей

Современные операционные усилители обладают колоссальным входным сопротивлением. У того же дешевого и распространенного TL062 входное сопротивление составляет 10 12 Ом. Для сдвоенного операционного усилителя (TL062, TL072, NE5532, LM833….) в корпусе DIP-8 или SO-8, включение по схеме повторителя показано ниже:

У операционных усилителей по мере увеличения коэффициента усиления сужается частотный диапазон и снижается верхняя передаваемая частота. Но в режиме повторителя, работая с единичным коэффициентом усиления, ОУ способен работать до максимально возможных для него частот.

Так или иначе, при выборе ОУ для повторителя, желательно иметь запас по частоте в несколько раз, лучше в 10. В таком случае можно однозначно не беспокоиться о каких либо фазовых искажения вносимых самим операционным усилителем.

При выборе микросхемы для повторителя, помимо ширины частотного диапазона, важной характеристикой является также выходной ток, который ОУ способен дать в нагрузку. Если операционный усилитель не способен обеспечить требуемый для нагрузки выходной ток, то начинаются просадки и искажения. Поэтому если речь идет о низкоомной нагрузке, для которой требуется ток более 100 мА, то с таким справится далеко не каждый операционный усилитель.

Как рассчитать величину тока, который должен обеспечивать ОУ ?

Очень просто! Допустим, что в роли нагрузки выступает резистор сопротивлением в 10 Ом. На повторитель приходит напряжение в 5 вольт, которое он должен передать нагрузке. В таком случае, применяя закон ома (I=U/R), выясняем, что для поддержания 5 вольт на резисторе операционнику требуется обеспечивать ток в 0.5 ампера. (Это грубая прикидка, но вполне применимая на практике)

Обычные ОУ не смогут справиться с такой задачей. Конечно выход можно умощнить транзистором, но тогда применение повторителя на ОУ становится менее оправданным.

Для таких целей предлагается использовать TDA2030, TDA2040 или TDA2050 включенных по схеме повторителя. Микросхемы представляют собой уже готовые, умощненые транзисторами, операционные усилители, которые между собой отличаются максимальной выходной мощность.

TDA2030 как повторитель напряжения

Для примера рассмотрим микросхему TDA2030, т.к. две другие являются её более мощными собратья. Исходно микросхема разрабатывалась и применяется в усилителях звука. Подавляющее большинство бытовых усилителей, особенно систем 2.1 и 5.1 построено на этой микросхеме. Что логично и понятно — микросхема дешевая и при этом обладает хорошими характеристиками.

Микросхема реализована в пяти-выводном корпусе и требует минимум деталей для работы. При включении по схеме повторителя для нормальной работы требуются только конденсаторы по питанию. Лучше оставить еще и резистор по входу для привязки входа к земле по постоянному напряжению, хотя и он не обязателен.

Стандартная схема включения микросхемы в качестве усилителя звуковой частоты:

В штатном включении микросхемы (показанном выше), предлагаемом дата шитом, коэффициент усиления задается около 20. При этом полоса рабочих частот ограничивается тем же дата шитом в 140кГц. Однако при работе по схеме повторителя напряжения с единичным коэффициентом усиления микросхема может работать до частот в 0,5…1 МГц. По крайней мере микросхема отлично себя проявила, при работе на частоте 100кГц, подаваемой с генератора синусоидального сигнала на мосту Вина, для умощнения выхода которого она и была применена.

Изящно, красиво, а главное — работает. Микросхема солидно греется и желательно применять радиатор с достаточной площадью поверхности. Отлично подойдет радиатор процессора ПК. Однако тепловыделение зависит от режима работы и сопротивления нагрузки. Не рекомендуется включение микросхемы без радиатора.

В авторском варианте микросхема запитанна стабилизированным напряжением ±9Вольт для обеспечения стабильности амплитуды сигнала. Работа микросхемы предполагалась с мощностью 2-3 Ватта, по этой причине стабилизация питания выполнена на кренках 7809 и 7909, способных обеспечивать ток до 1А(при условии наличия радиаторов). Диапазон питающих напряжений для микросхемы TDA2030 составляет ±6 … ±18 Вольт.

Заключение

Повторитель на ОУ, пожалуй самый простой, но при этом, очень важный каскад. При разработке электронных устройств, когда незадействованным остался один из ОУ, то определенно лучше построить на нем повторитель, чем оставлять его неиспользованным. Так же повторитель напряжения можно использовать как выходной усилитель тока.

Привет! В этом окошке авторы блогов любят мериться крутостью биографий. Мне же будет гораздо приятнее услышать критику статей и блога в комментариях. Обычный человек, который любит музыку, копание в железе, электронике и софте, особенно когда эти вещи пересекаются и составляют целое, отсюда и название — АудиоГик. Материалы этого сайта — личный опыт, который, надеюсь, пригодится и Вам. Приятно, что прочитали 🙂

Операционные усилители, схемы включения и расчёт параметров

Применение ОУ. Простейшие схемы с обратной связью: неинвертирующие,
инвертирующие, дифференциальные усилительные каскады, сумматоры
повторители напряжения.

На Рис.2 приведена упрощённая, но вполне себе работоспособная схема трёхкаскадного ОУ.
Первый каскад (Т1, Т2) – дифференциальный усилитель, второй (Т3) – дополнительный усилительный каскад, третий (Т4) – эмиттерный повторитель, обеспечивающий низкое выходное сопротивление.

При анализе большинства радиолюбительских схем на ОУ правомерно допустить, что операционник по части своих параметров является идеальным, то есть:
– его входное сопротивление Rвх → ∞ (реально единицы ÷ сотни МОм);
– его выходное сопротивление Rвых → 0 (реально десятки ÷ сотни Ом);
– собственный коэффициент усиления по напряжению А → ∞ (реально тысячи ÷ сотни тысяч);
– ОУ является идеально симметричным по входам;
– ОУ работает на линейном участке амплитудной характеристики;
– напряжение смещения нуля Uсм = 0 (реально 10 -3 ÷ 10 -6 В);
– ширина полосы пропускания → ∞ (реально сотни килогерц ÷ сотни мегагерц).

Рассмотрим основные схемы включения операционных усилителей:

Рис.3 Схема неинвертирующего усилителя при питании от двухполярного ИП (слева) и
однополярного (справа)

«Неинвертирующий усилитель» означает то, что фаза (полярность) выходного сигнала всегда совпадает со фазой входного.
Поскольку в схеме присутствует отрицательная обратная связь (ООС) по напряжению, а собственный коэффициент усиления ОУ по напряжению мы приняли А → ∞, то коэффициент усиления Кu представленного усилителя будет зависеть только от соотношения резисторов R1 и R2. В данном случае: Ku = 1 + R2/R1 , т. е. Ku неинвертирующего усилителя всегда будет больше (или равен при R2=0) единицы.
Входное сопротивление неинвертирующего усилителя велико и составляет:
Rвх ≈ Rвх_ОУ * А/Ku при двухполярном питании, либо Rвх ≈ R3 ll (Rвх_ОУ * А/Ku) при однополярном.
Выходное сопротивление неинвертирующего усилителя , напротив, мало и составляет:
Rвых ≈ Rвых_ОУ * Ku . В обеих формулах А – это собственный коэффициент усиления ОУ по напряжению.

Частным случаем неинвертирующего усилителя на ОУ является повторитель напряжения (Рис.4).

Рис.4 Схема повторителя напряжения при питании от двухполярного ИП (слева) и
однополярного (справа)

А поскольку, повторюсь, повторитель – это частный случай неинвертирующего усилителя, то и все основные характеристики остаются прежними, а формулы несколько упрощаются:
Ku ≈ 1;
Rвх ≈ Rвх_оу * А при двухполяном питании, либо Rвх ≈ R3 ll (Rвх_оу * А) – при однополярном;
Rвых ≈ Rвых_оу / А .

Для операционного усилителя, включённого по инвертирующей схеме, расчёт параметров также не представляет сложности:

Рис.5 Схема инвертирующего усилителя при питании от двухполярного ИП (слева) и
однополярного (справа)

Как следует из названия – фаза (полярность) выходного сигнала такого усилителя всегда сдвинута на 180° по отношению к фазе входного.
Поскольку операционный усилитель, охваченный петлёй отрицательной ОС, стремится выровнять напряжения на своих входах, а неинвертирующий вход посажен на ноль, то и на инвертирующем у нас будет ноль, причём как по постоянному, так и по переменному току. Такой вход называют мнимой или виртуальной землёй.

Параметры инвертирующего усилителя на ОУ таковы:
Ku ≈ — R2/R1 ;
Rвх ≈ R1 ;
Rвых ≈ Rвых_ОУ * Ku .

Основным недостатком инвертирующего усилителя является довольно низкое входное сопротивление, особенно в тех случаях, когда необходимо получить высокий Ku усилителя. Связано это с наличием в реальных ОУ токов утечки, а потому – невозможностью бесконечного увеличения номинала резистора обратной связи R2. Как правило, величина этого резистора выбирается не выше 1МОм.
С целью повышения входного сопротивления инвертирующих усилителей применяется Т-образная цепочка ООС, которая при умеренных номиналах резисторов позволяет выполнить функцию эквивалента высокоомного резистора обратной связи (Рис.6 справа).

Рис.6 Схема инвертирующего усилителя с повышенным входным сопротивлением

Здесь величины входного и выходного сопротивлений описываются такими же формулами, как и в стандартном усилителе. А вот коэффициент усиления имеет более сложный вид:
Ku ≈ — R2*(R3+R4)/(R1+R4) .
На практике обычно выбирают R2 = R3 >> R4.
В примере, приведённом на рисунке, видно, что обе схемы обладают одинаковым коэффициентом усиления Ku=100, в то время как входное сопротивление обычного инвертирующего усилителя равно 3.3 кОм, а с Т-образной ООС – 33 кОм.

Наличие виртуальной земли на минусовом входе ОУ при инвертирующем включении позволяет лёгким движением руки из схемы усилителя получить схему инвертирующего сумматора (Рис.7).

Рис.7 Схема инвертирующего сумматора при питании от двухполярного ИП (слева) и
однополярного (справа)

Количество входов практически ничем не ограничено. Коэффициент передачи по каждому из входов не зависит ни от количества, ни от степени задействованности других входов и составляет величину:
Ku_n ≈ — R2/R1_n .
Входное сопротивление каждого из входов определяется лишь номиналом соответствующего весового резистора: Rвх_n ≈ R1_n .

В некоторых источниках приводятся построения неинвертирующих сумматоров на основе схемы неинвертирующего усилителя. Я не стану останавливаться на этих схемах в связи со значительным влиянием каждого из входов, а также фактором его задействованности на Ku остальных входов. Куда более верным решением будет реализация неинвертирующего сумматора путём последовательного соединения инвертирующего сумматора, описанного выше, и инвертора напряжения.

Если нужно выполнить не суммирование, а вычитание сигналов, то можно воспользоваться схемой дифференциального усилителя на одном ОУ (Рис.8).

Рис.8 Схема дифференциального усилителя при питании от двухполярного ИП (слева) и
однополярного (справа)

Главной задачей дифференциального усилителя является усиление разности входных сигналов, то есть: Uвых = (Uвх2 — Uвх1)*Ku ;
Поскольку по минусовому входу коэффициент передачи равняется: Ku = R2/R1 , то легко просчитать, что для получения такого же Ku для неинвертирующего входа отношение величин R4/R3 должно равняться R2/R1.
В то же время, если мы хотим получить устройство с полной симметрией, то нам надо побеспокоиться о равенстве входных сопротивлений каждого из дифференциальных входов.
Такое условие выполняется при следующих соотношениях:
R4 = R1*Ku / ( Ku +1 ) ;
R3 = R1 — R4 .

На этом, пожалуй, и всё. А оставшееся широкое многообразие устройств, построенных на ОУ, будем изучать на следующих страницах.

Искусство схемотехники. Часть 6 — Стабилизация сигнальных параметров

Избранные главы из книги С. А. Гаврилова «Искусство схемотехники. Просто о сложном».

Продолжение

Начало читайте здесь:

Заказать книгу можно в интернет-магазине издательства

7.2. Стабилизация сигнальных параметров

Общая ООС по сигналам

Ценность сложных схем с общей ООС еще и в том, что они могут обеспечить стабилизацию рабочих параметров, – скажем, коэффициента передачи. Причем не только для переменных составляющих, а и для полных входных сигналов. Здесь мы будем впервые иметь дело с линейными схемами «постоянного тока», где до определенной степени не различаются постоянные и переменные составляющие входных напряжений (токов). Те и другие равно являются «входным сигналом».

Охват общей ООС является мощным методом получения схем с заданными свойствами, нечувствительных к параметрам отдельных элементов.

Усилитель постоянного тока

Разомкнем транзисторное кольцо самостабилизирующейся структуры в любом месте (но только не перед эмиттерным повторителем). Получится усилительная схема, имеющая вход (предназначенный для обратной связи, его принято называть инвертирующим) и выход.

Первый каскад такого усилителя должен быть непременно дифференциальным: ведь необходимо иметь и второй вход – для подачи внешнего сигнала! В простейшем случае роль сигнального входа играет второй из входных электродов первого транзистора (эмиттер или база), отсоединенный для этого от питающей шины.

Так на рис. 7.10 – знакомая нам по рис. 7.5 схема превращена в дифференциальный усилитель (ДУ); вторым (неинвертирующим) входом служит эмиттер VT1.

Рис. 7.10. Дифференциальный усилитель постоянного тока имеет два входа и выход

Рис. 7.11 изображает несколько других конфигураций усилителей постоянного тока. Можно проследить, что каждая из них пригодна для построения схемы с общей обратной связью.

Рис. 7.11. Различные схемы дифференциальных усилительных структур работоспособны только при наличии обратной связи
Радиолюбитель: Как об этом можно судить?

Просто проверьте, что при соединении инвертирующего входа с выходом усилителя все активные приборы совмещаются друг с другом по уровням напряжений.

Радиолюбитель: Мне кажется почему-то, что схемы не будут работать.

Разумеется, – без обратной связи: ведь в них отсутствуют элементы стабилизации режимов.

Радиолюбитель: Зачем же было их изображать?

Дифференциальный усилитель постоянного тока служит лишь заготовкой для построения стабилизированных линейных схем. Этим мы и займемся.

Повторитель напряжения

В любой из конфигураций ДУ замкнем кольцо отрицательной обратной связи с выхода на инвертирующий вход. Свойства полученного линейного устройства оценить легко: пренебрегая до поры «напряжением ошибки» между входами, имеем: UВЫХ UВХ.

Перед нами повторитель напряжения (см., например, рис. 7.12).

Рис. 7.12. Повторитель напряжения: входное и выходное напряжения отсчитываются от любой (но одной и той же) точки схемы

Масштабный усилитель

Если обратная связь подана через делитель напряжения (на рис. 7.13 это R1, ), – получится схема масштабного усилителя. Действительно, считая, что UБЭ1 + UБЭ3 ≈ 0, имеем:

UВЫХR1′ / (R1 + R1′ )UВХ
UВЫХ = KUUВХ, KU = (R1 + R1′ ) / R1′
Рис. 7.13. Масштабный усилитель: входное и выходное напряжения отсчитываются от «нижнего» конца делителя

Кстати, применение здесь специального дифференциального входного каскада позволило снизить погрешность, вызванную протеканием входного тока по сопротивлениям делителя.

Преобразователь тока в напряжение

Соединим неинвертирующий вход усилителя с общей шиной. Если выходной сигнал подан через резистор обратной связи на вход усилителя, то эта же точка явится входом получившегося преобразователя тока в напряжение, например, так, как на рис. 7.14.

Рис. 7.14. В преобразователе тока в напряжение – выходное напряжение отсчитывается от неинвертирующего входа

Считая пренебрежимо малыми как UБЭ1, так и IБ1, получаем:

IВХ IR, IR UВЫХ / R
UВЫХ IВХR

Смещение нуля

Выводимые выше формулы для выходного напряжения можно принять разве что в начальном приближении. Мы сознательно игнорировали влияние постоянного напряжения между входами ДУ в рабочем режиме, а ведь оно далеко не нулевое! Составляющую этого напряжения, не зависящую от величины сигнала, называют напряжением смещения нуля. Точнее говоря, напряжение, которое потребуется подать на вход, чтобы добиться нуля на выходе, и будет смещением нуля.

В схемах, где применен несимметричный входной каскад, нуль ДУ грубо смещен: для рис. 7.10, 7.12 – на 0.7 В, а для рис. 7.13 – даже на 1.4 В. В самом деле, более точные соотношения для, например, масштабного усилителя рис. 7.13:

UВЫХR1′ / (R1 + R1′ )UВХ – (UБЭ1 + UБЭ3)
UВЫХ KUUВХ KU(UБЭ1 + UБЭ3)

Возможно, что нежелательный, нестабильный второй член и будет в основном определять выходное напряжение схемы.

Радиолюбитель: Это крайне неприятно, разумеется.

Отметьте: чем выше усиление, тем больше нестабильность!

Радиолюбитель: Согласен. И как же бороться со смещением нуля?

В зависимости от ситуации, пойдем по одному из трех путей.

Путь 1. Иногда можно примириться с наличием значительного смещения нуля. Например, в стабилизаторе напряжения это смещение можно учесть соответствующей корректировкой величины опорного напряжения.

Путь 2. Если требуется повышенная точность передачи постоянных уровней (усилитель постоянного тока), не обойтись без симметричного дифференциального входного каскада (рис. 7.11, в). Грубое смещение нуля ликвидировано, а тонкими эффектами мы займемся в «Шаге 8».

Путь 3. Если схема призвана работать только с переменными составляющими, можно просто разделить задачи: точной передачи колебаний и стабилизации режимов.

Радиолюбитель: Как это сделать?

Сейчас будет показано.

Усилитель переменного напряжения

Это отчасти верно. Если мы применим упрощенные схемные обозначения, как на рис. 7.16, то поймем существо структуры линейных устройств с общей обратной связью, независимо от того, как реализован усилитель.

Рис. 7.16. Повторитель (а), масштабный усилитель (б), преобразователь тока в напряжение (в), усилитель переменного напряжения (г) – структуры на основе дифференциальных усилителей

Однако схемы, которые мы разбирали, не являются классическими ОУ.

Радиолюбитель: Тогда что есть операционный усилитель?

Понятие операционного усилителя пришло из техники аналогового моделирования. С появлением дешевых интегральных ОУ они сделались типовыми элементами различных линейных и нелинейных устройств.

Радиолюбитель: Но почему же то, что мы рассматривали, это не ОУ?

Собственно, универсальный операционный усилитель – это и есть дифференциальный усилитель постоянного тока. Только к нему предъявляются некоторые особые требования.

Требование 1. Шкала уровней выходных напряжений ОУ должна быть достаточно широкой, и примерно симметричной относительно «средней точки» источников питания.

Требование 2. Диапазон допустимых синфазных входных напряжений должен соответствовать шкале выходных напряжений.

Требование 3. Принимаются меры для улучшения всех параметров, влияющих на точность измерительных схем с ОУ (это касается коэффициента усиления, смещения и дрейфа нуля, величин входных токов, уровня подавления синфазного сигнала).

Требование 4. Специально решаются вопросы устойчивости.

Мы не будем здесь разбирать ни схемотехнику универсальных операционных усилителей, ни их применение: этим темам посвящена своя литература. Хотя принципиальные стороны этих вопросов в «Шаге 7» и «Шаге 8» так или иначе затрагиваются.

Отдельно мы рассмотрим лишь общие подходы к синтезу специальных схем, от которых требуется точная передача постоянных напряжений и токов.

Продолжение читайте здесь

ОУ в режиме повторителя напряжения

Вообщем Использую Операционный усилитель TL072CN в режиме повторителя напряжения.

http://clip2net.som/clip/m11726/1288980920-clip-4kb.png
При подаче на его вход маленького напряжения, от нуля до (примерно) 0.3 вольт, на выходе оказывается напряжение в 11.5 вольт. при остальных значениях входного напряжения ОУ, как и положено, повторяет его на выходе. Проверял на двух отдельных схемах. Прошу помощи, может это какая-то особенность работы ОУ в данном режиме, я не знаю. Ибо самоучка, и нигде такого не встречал.

до ОУ стоит параллельный ЦАП 2R-R.

Помощь в написании контрольных, курсовых и дипломных работ здесь.

Роутер в режиме повторителя
есть 2 одинаковых роутера ASUS RT-N13U. На данном роутере внизу есть трехпозиционный.

Archer C7 в режиме повторителя
добрый день. столкнулся с такой проблемой: устроился на работу сетевым специалистом (совсем зеленый.

Настройка маршрутизатора в режиме повторителя.
Решил расширить охват беспроводной сети. В качестве базовой точки доступа — роутер DIR 615 c ddwrt.

Настройка dir-300 в режиме повторителя
Здравствуйте. Подскажите как настроить роутер dir-300 в режиме повторителя? Прошивка на нем dd-wrt.

вот что-то почитал. вы предлагаете подтянуть входной сигнал к линии питания?

На самом деле ОУ выбран чуть ли не самый неудачный, простейший двухполярник. Надо как минимум однополярный ОУ, в данных условиях он будет работать достаточно хорошо, поскольку положительное напряжение питания намного выше напряжения сигнала, а к отрицательному питанию (земле) однополярник притягивать умеет.

Типа LM358P, в вашей конторе они есть.

Советую сначала проверять свои схемы на симуляторе, типа Proteus или Multisym. Косяки такого рода скорее всего будут видны.

А на какой ток рассчитана схема?

ГЫ. Так нахрена добавлять шум, дрейф и нелинейность еще одного УО? Или ты чего-то не знаешь про тот серьезный прибор, или повторитель не нужен вообще.
Иначе говоря, «серьезный вольтметр» имеет высокое входное сопротивление, при котором очень странно добавление повторителя перед ним.

Еще иначе: кто сказал, что повторитель нужен? Может тот, кто так сказал, что-то знает об источнике сигнала и серьезном вольтметре?

Или повторитель есть часть схемы имитации датчика? Тогда всю схему (или ее выходные цепи) — в студию!
Я сильно подозреваю, что имитатор — какойнить потенциометр 🙂 Тогда точно нахер ОУ

Схема в студии.
Прибор, к которому собирается этот имитатор датчика подает низкое значение на МК (на схеме кнопки). далее мк на сдвиговые регистры отправляет значение, далее на цап на резисторах, далее на ОУ, потом это все уходит обратно в прибор. Прибор, основываясь на «показаниях датчика», производит управляющие воздействия опять на МК (обратная свзять). Точность здесь большая не требуется, так как основное предназначение: удержание определенного значения напряжения и плавное его изменение..
ОУ решил воткнуть, так как у меня нету схемы прибора, для которого я делаю имитатор датчика, и поэтому, решил подстраховаться. Плюс ко всему разбирал реальный датчик, там тоже был ОУ.

сегодня заменил операционник — схема работает именно так, как хотелось бы, поэтому еще раз спасибо за помощь. Не видел в инете еще таких форумов, где люди такие отзывчивые.

сразу поясню: использование сдвиговых регистров при таком большом количестве свободных портов МК обусловлено тем, что в дальнейшем функционал будет добавляться, ибо имитировать нужно большее количество датчиков.

./styles/iosyitistromyss/imageset/icon_topys_attach.gif» width=»14″ height=»18
[74.54 Кб]

Вся эта схема с самодельными ЦАП и ОУ совершенно лишняя, надо было просто взять любой МК со встроенным двухканальным ЦАП. Что было бы и намного точнее, и разрешение было бы выше. Можно взять отдельный двухканальный ЦАП, из дешевых. Собственно, кроме самого МК и самой простой обвязки, вообще ничего не понадобится.

Я не думаю, что в данном случае изготовление собственного ЦАП и связанная с ним возня как-то оправданы, это же не серийное производство.

Практическое введение в операционные усилители

Операционные усилители, или ОУ, являются одним из фундаментальных строительных блоков, которые инженер-электронщик может использовать в своих проектах схем. Для операционных усилителей существует множество полезных приложений. В данной статье мы рассмотрим лишь несколько основных схем, которые вы можете реализовать в своих проектах!

Основы: повторители напряжения

Первая схема настолько проста, что выглядит почти немного сумасшедшей:

Рисунок 1 – Повторитель напряжения

Данная схема называется повторителем напряжения и ведет себя следующим образом

На первый взгляд это не очень полезно. Почему я должен заплатить несколько дополнительных центов за операционный усилитель, если создается впечатление, что эту же работу может выполнять провод между двумя компонентами? Ответ прост, если вы знаете несколько простых вещей об операционных усилителях. Когда вы начинаете отбрасывать схему с операционными усилителями, вы должны учитывать два основных принципа:

  1. входные выводы операционного усилителя V+ и V- не потребляют ток;
  2. напряжения V+ и V– всегда равны. Это свойство иногда называют виртуальным коротким замыканием.

Рассматривая первое правило, мы видим, что схема нашего повторителя напряжения не создает никакого тока на входном выводе, подключенном к V+. Это действительно простой способ сказать, что V+ имеет действительно высокий импеданс – фактически, поскольку мы говорим об идеальных операционных усилителях, мы склонны просто сказать, что он имеет бесконечное входное сопротивление. На практике это имеет некоторые замечательные последствия: если V+ не потребляет никакого тока, это означает, что мы могли бы подключить Vвх к любому узлу любой схемы и измерить его без изменения исходной схемы. Нам не пришлось бы проходить через утомительную процедуру решения кучи новых уравнений для напряжений узлов и контурных токов, потому что мы не будем изменять их, добавляя повторитель напряжения. Довольно круто, да?

Примечание: Как и в большинстве правил, из этих правил для операционных усилителей есть некоторые исключения. На протяжении всей этой статьи мы будем игнорировать эти исключения – они будут мешать анализу нашего повторителя напряжения.

Вместо того чтобы проводить прямое измерение на Vвх в нашей гипотетической схеме, мы бы измерили Vвых. Это второе правило операционных усилителей в действии – напряжения V+ и V- всегда считаются равными. Поскольку мы соединили выводы V- и выход, мы можем продолжить и сказать что Vвых = V- = V+ из-за виртуального короткого замыкания.

Использование повторителей напряжения обеспечивает очень простой способ взаимодействия различных цепей с разными импедансами. Здорово! Что еще мы можем сделать с операционными усилителями?

Изменение коэффициента усиления – инвертирующий усилитель

Как следует из названия, операционные усилители являются усилителями. Они могут усиливать сигналы с определенным отношением входного сигнала к выходному. Это отношение обычно называется коэффициентом усиления операционного усилителя. В идеальном мире коэффициент усиления операционного усилителя был бы бесконечно высоким – настолько высоким, что он мог бы усилить любой уровень сигнала до любого другого уровня сигнала. В реальном мире это не так, но мы будем считать это фактом, пока анализируем следующую схему: инвертирующий усилитель.

Рисунок 2 – Инвертирующий усилитель

Давайте шаг за шагом проведем эту работу. Во-первых, давайте применим наши два правила для операционных усилителей, чтобы определить некоторые узловые напряжения в этой схеме. Простейшим из них является виртуальное короткое замыкание, где V+ и V- всегда находятся на одинаковом напряжении. Мы видим, что V+ привязан к земле; следовательно, V- также должен быть на земле. Как насчет тока, поступающего в узел и выходящего из узла V-? По закону токов Кирхгофа мы знаем, что сумма всех токов в этом узле должна быть следующей:

Поначалу это выглядит так, что для решения могут потребоваться некоторые усилия, так как это уравнение содержит три неизвестных. Но так ли это? Если вы вспомните правила для операционных усилителей, изложенные ранее, вы увидите, что это уравнение простое: входы операционного усилителя не потребляют ток! Поэтому мы знаем, что iV- равен нулю. Затем мы можем привести это уравнение к следующему виду:

Поскольку V- привязан к земле виртуальным коротким замыканием, закон Ома позволяет нам заменить эти токи на напряжения и сопротивления:

Что при небольшой помощи алгебры возвращает нас туда, где мы начали:

Понятно, почему эта схема полезна – она позволяет применять линейный коэффициент усиления к входу и выходу, выбирая (Roc/Rвх), чтобы сформировать любое соотношение, которое вы захотите. У схемы также есть дополнительный бонус, позволяющий вам в значительной мере контролировать ее входной импеданс – так как вы можете выбрать значение резистора Rвх, вы можете сделать его таким большим или маленьким, чтобы соответствовать любому выходному импедансу, с которым вам нужно достичь согласованности!

Зачем нужна резисторная цепь для достижения такого поведения? Чтобы понять это, нам нужно понять немного больше о том, как работает операционный усилитель. Операционный усилитель – это тип усилителя по напряжению. В идеальном случае операционный усилитель обеспечивает бесконечный коэффициент усиления – он может усиливать любое напряжение до любого другого уровня напряжения. Мы можем масштабировать бесконечный коэффициент усиления операционного усилителя, используя резисторную цепь, которая соединяет входной узел, V-, и выходной узел. Подключив выход операционного усилителя к входу, мы используем процесс под названием обратная связь для регулировки выходного напряжения до желаемого уровня. Обратная связь – действительно важная концепция электронной техники и достаточно сложная, чтобы потребовать целую статью, посвященную этой теме. На данный момент достаточно понять базовый принцип, который применим к операционным усилителям: путем подключения выхода к входу вы можете изменить поведение схемы действительно полезными способами.

Перевернутый инвертор?

Давайте посмотрим, что произойдет, когда мы начнем извращаться с базовой схемой инвертирующего усилителя. Что произойдет, если мы поменяем цепь обратной связи, а входной сигнал подадим на другой вход?

Рисунок 3 – Что делает данная схема?

Мы можем пройти ту же последовательность шагов, что и раньше, с инвертирующим усилителем, но начнем с замены напряжения на узле V-. Из-за виртуального короткого замыкания V- = V+ = Vвх. В результате мы можем написать следующее уравнение для тока, проходящего через Rз:

Поскольку мы знаем, что операционный усилитель не потребляет никакого входного тока, мы знаем, что токи через Rз и Rос должны раны, что позволяет нам написать следующее уравнение:

Виртуальное короткое замыкание позволяет избавиться от V-, поскольку мы знаем, что оно равно Vвх.

И еще немного перестановок, и мы получим следующее:

В отличие от предыдущей схемы, коэффициент усиления этой цепи не отрицателен. В результате данная схема называется неинвертирующим усилителем: она обеспечивает линейное усиление, но с положительным знаком. В отличие от предыдущего схемы, неинвертирующий усилитель не может обеспечить коэффициент усиления меньше единицы – невозможно установить цепь обратной связи ниже! С другой стороны, эта схема обеспечивает одну вещь, которую инвертирующий усилитель обеспечить не может. Поскольку выходной сигнал положительный, он совпадает по фазе с входным сигналом. Инвертирующий усилитель, благодаря отрицательному коэффициенту усиления, переключает выходной сигнал на 180 градусов. Неинвертирующий усилитель этого не делает!

Резюме

Операционные усилители – это действительно универсальные компоненты схем. Данная статья едва касается того, что с ними можно сделать, – диапазон функциональности, который они могут привнести, огромен.