Повторитель напряжения на ОУ

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 U_вых=U_вх, 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: K_u = 1 + R2/R1 , т. е. K_u неинвертирующего усилителя всегда будет больше (или равен при R2=0) единицы.
Входное сопротивление неинвертирующего усилителя велико и составляет:
R_вх ≈ R_{вх_ОУ} * А/K_u при двухполярном питании, либо R_вх ≈ R3 ll (R_{вх_ОУ} * А/K_u) при однополярном.
Выходное сопротивление неинвертирующего усилителя , напротив, мало и составляет:
R_вых ≈ R_{вых_ОУ} * K_u /А . 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:
K_u ≈ 1;
R_вх ≈ R_{вх_оу} * А при двухполяном питании, либо R_вх ≈ R3 ll (R_{вх_оу} * А) – при однополярном;
R_вых ≈ R_{вых_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:
K_u ≈ — R2/R1 ;
R_вх ≈ R1 ;
R_вых ≈ R_{вых_ОУ} * K_u /А .

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:
K_u ≈ — 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:
K_{u_n} ≈ — R2/R1_n .
Входное сопротивление каждого из входов определяется лишь номиналом соответствующего весового резистора: R_{вх_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: U_вых = (U_вх2 — U_вх1)*K_u ;
Поскольку по минусовому входу коэффициент передачи равняется: K_u = R2/R1 , то легко просчитать, что для получения такого же K_u 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*K_u / ( K_u +1 ) ;
R3 = R1 — R4 .

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

Повторитель напряжения на основе ОУ

Схема повторителя (рис. 10.4) легко может быть получена из схемы неинвертирующего усилителя при R₁→ , R₂→ 0. Здесь предполагается, что операционный усилитель работает в режиме усиления (u_диф 0). Используя второй закон Кирхгофа, получаем u_вых = u_вх.

Рис. 10.4. Повторитель напряжения на основе ОУ

Сумматор напряжения (инвертирующий сумматор)

Рассмотрим схему сумматора, приведенную на рис. 10.5.

Рис. 10.5. Сумматор напряжения (инвертирующий сумматор)

Предположим, что операционный усилитель работает в режиме усиления, тогда u_диф 0. Учитывая, что i_–= i₊= 0, получим . При u_диф 0 получим u_Rj = u_вхj, j = 1,…,n; u_Rос = u_вых. На основании этих выражений после несложных преобразований получаем

.

Для уменьшения влияния входных токов ОУ в цепь неинвертирующего входа включают резистор с сопротивлением

Вычитающий усилитель (усилитель с дифференциальным входом)

В вычитающем усилителе (рис. 10.6) один входной сигнал подается на инвертирующий вход, а второй – на неинвертирующий.

Рис. 10.6. Вычислительный усилитель с дифференциальным входом

Предположим, что ОУ работает в линейном режиме. Тогда все устройство можно считать линейным и для анализа принцип суперпозиции (наложения).

Если u_вх2 = 0, тогда соответствующее выходное напряжение u’_вых будет определяться выражением, соответствующим инвертирующему усилителю:

.

Если u_вх1 = 0, определим напряжение на выходе u»_вых. Для оценки воздействия напряжения u_вх2 целесообразно на основе теоремы об эквивалентном генераторе преобразование цепи, подключенной к неинвертирующему входу (рис. 10.7).

Как следует из теоремы,

, .

В соответствии с принципом суперпозиции, общее напряжение на выходе u_вых определяется из выражения

,

.

Повторитель напряжения на основе ОУ

Схема повторителя (рис. 10.4) легко может быть получена из схемы неинвертирующего усилителя при R₁→, R₂→ 0. Здесь предполагается, что операционный усилитель работает в режиме усиления (u_диф0). Используя второй закон Кирхгофа, получаем u_вых = u_вх.

Рис. 10.4. Повторитель напряжения на основе ОУ

Сумматор напряжения (инвертирующий сумматор)

Рассмотрим схему сумматора, приведенную на рис. 10.5.

Рис. 10.5. Сумматор напряжения (инвертирующий сумматор)

Предположим, что операционный усилитель работает в режиме усиления, тогда u_диф 0. Учитывая, что i_–= i₊= 0, получим . При u_диф 0 получим u_Rj = u_вхj, j = 1,…,n; u_Rос = u_вых. На основании этих выражений после несложных преобразований получаем

.

Для уменьшения влияния входных токов ОУ в цепь неинвертирующего входа включают резистор с сопротивлением

Вычитающий усилитель (усилитель с дифференциальным входом)

В вычитающем усилителе (рис. 10.6) один входной сигнал подается на инвертирующий вход, а второй – на неинвертирующий.

Рис. 10.6. Вычислительный усилитель с дифференциальным входом

Предположим, что ОУ работает в линейном режиме. Тогда все устройство можно считать линейным и для анализа принцип суперпозиции (наложения).

Если u_вх2 = 0, тогда соответствующее выходное напряжение u’_вых будет определяться выражением, соответствующим инвертирующему усилителю:

.

Если u_вх1 = 0, определим напряжение на выходе u»_вых. Для оценки воздействия напряжения u_вх2 целесообразно на основе теоремы об эквивалентном генераторе преобразование цепи, подключенной к неинвертирующему входу (рис. 10.7).

Как следует из теоремы,

, .

В соответствии с принципом суперпозиции, общее напряжение на выходе u_вых определяется из выражения

,

.

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.