Операційний підсилювач; Курс електроніки дронів Arduino Matlab

Резюме

1. Загальні

1.1. Визначення

1.2. Символ

1.3. Рівняння

2. Характеристика PDO

2.1. Моделювання (ідеальний підсилювач)

2.2. Несправності підсилювача OP

3. Режими експлуатації

3.1. Лінійний режим

3.2. Насичений режим (нелінійний)

4. Збірки на базі операційного підсилювача

4.1 Послідовний підсилювач у зборі

4.2. Неінвертуючий підсилювач у зборі

Подальші вузли на базі операційного підсилювача

1. Загальні

1.1. Визначення

Слово операційний підсилювач в аналоговій електроніці (також званий або операційний підсилювач, AO, PDO) Спочатку застосовувався до підсилювачів, які використовувались в аналогових схемах обробки сигналів у режимі низьких частот (Гц-МГц), аналогове вирішення цифрових задач, особливо диференціальних рівнянь. Розвиток цифрових комп’ютерів використовував аналогові комп’ютери.

Область застосування операційних підсилювачів сьогодні зросла, і вони використовуються набагато більше функцій, ніж аналогові обчислення сьогодні. AOP - компонент, який дуже присутній в аналогових збірках:

Реалізація активних фільтрів
Підсилення сигналу та прилади з низьким рівнем шуму
Виконання аналогових обчислень
Контроль та сервопривід
Генерація сигналу
І т. Д.

1.2. Символ

Операційний підсилювач (AOP) є важливим інтегрованим компонентом в електроніці. Його основна роль - забезпечення функції посилення.

Малюнок нижче ілюструє символ IEEE, який буде використовуватися для операційного підсилювача.

Рейтинги:

1.3. Рівняння

Реклама (V + - V-) I + = Ip + Id

З:

Ip: струм зміщення
Id: струм зміщення (струм зміщення)

Примітка:

Операційний підсилювач часто використовує збалансоване джерело живлення (± Vdc), оскільки він, як правило, використовується для обробки біполярних сигналів.

2. Характеристика PDO

Комерційні операційні підсилювачі постачаються з технічними інструкціями, які визначають відносно велику кількість характеристик, які слід враховувати для керівництва вибором користувача.

Майже всі операційні підсилювачі мають однакову внутрішню структуру: це монолітні схеми, кремнієвий “чіп” яких утворює загальну підкладку. Вони мають вхід диференціального підсилювача, за яким слід каскад адаптера імпедансу; вихідний підсилювач типу push-pull працює в класі B (малюнок нижче). Всі листя прямі.

Це диференціальні підсилювачі, які характеризуються:

Статичний диференціальний коефіцієнт посилення Ad0,
Приріст диференціальної частоти Ad (f), посилення загального режиму Ac (f),
Крива АЧХ A (f),
Лінійні та насичені діючі домени,
Вхідний диференціальний опір,
Вихідний опір,
Струми поляризації,
Зміщені струми,
Швидкість сканування.

Внутрішня архітектура підсилювача OP27

Таблиця Характеристики реальних підсилювачів:

LM158

LMH6629

LT1007

Напруга живлення (В)

Коефіцієнт посилення розімкнутого циклу

Частота кросовера (МГц)

Вихідний струм (мА)

Струм зміщення (нА)

Швидкість наростання (В/с)

Напруга зміщення Voffset (мВ)

Зміщення струму зміщення (в, нА)

CMRR (дБ)

Шум в (нВ/кв. (Гц))

Rin CM (M)

GBW (МГц)

3.1. Моделювання (ідеальний підсилювач)

Нас зацікавить ідеальна модель підсилювача, однак ця остання корисна для розуміння загальної роботи збірки, що реалізує операційні підсилювачі, оскільки вони мають характеристики, які насправді дуже близькі до ідеальних характеристик.

Ідеальний операційний підсилювач характеризується:

Нескінченний коефіцієнт підсилення напруги у відкритому контурі,
Нескінченний вхідний опір (нульовий вхідний струм),
Нульовий вихідний опір (вихідний струм не залежить від навантаження),
Нульова напруга зміщення (Vos),
Нульовий струм зміщення струму,
Нескінченна швидкість сканування,
Нескінченна пропускна здатність.

Вихідна напруга Vs не може бути більше Vcc. Це явище насичення. Це означає, що якщо e додатне, Vs дорівнює Vsat (VCC), оскільки коефіцієнт підсилення розімкнутого циклу (Ad0) нескінченний. З іншого боку, як тільки e від’ємне, Vs дорівнює –Vsat (-VCC). Для e = 0 вихід не насичений (малюнок нижче).

Характеристика напруги ідеального підсилювача:

Вихідна напруга занадто чутлива до зміни e, тому слабке зовнішнє збурення достатнє для насичення підсилювача. Отже, на практиці операційний підсилювач використовується рідко, як є, тобто у розімкнутому циклі. Він використовується більше як зворотний зв'язок.

2.2. Несправності підсилювача OP

Насправді операційний підсилювач не ідеальний. Ми відрізняємо статичні недоліки від динамічних.

Статичні недоліки:

Вони зумовлені зміщенням диференціального вхідного каскаду (див. Внутрішню структуру підсилювача) і тим, що цей каскад є не повністю симетричним. Тому:

Загальні вхідні струми + і - не дорівнюють нулю,
Вони не обов'язково рівні, тобто Тобто не дорівнює нулю,
напруги базового випромінювача на транзисторах диференціальної пари не рівні.

Тому ми визначаємо:

Струм зміщення Ip дорівнює середньому I + і I-,
Струм зміщення Id, рівний абсолютному значенню Ie (або (I + - I-)),
Зміщена напруга (звана "зміщення") дорівнює напрузі, яка повинна подаватися на вхід, щоб ефективно Vs = 0.

Ці несправності також піддаються дрейфу з часом і з температурою.

Динамічні недоліки:

Як альтернативу, якщо паразитні ємності різних транзисторів і тих, які були навмисно введені для поліпшення стійкості збірки, використовуються в еквівалентній схемі підсилювача, ми покажемо, що коефіцієнт посилення розімкнутого контуру слід за розвитком передавальної функції фільтра низьких частот першого порядку в першому наближенні.

Fc - частота відсікання -3 дБ операційного підсилювача, а Ft - частота кросовера, для якої модуль A дорівнює 0 дБ. На нахилі -20 дБ за десятиліття добуток пропускної здатності постійний, ця характеристика важлива для вибору підсилювача.

Частота кросовера для OP27: 10 МГц
Частота кросовера для LMH6629: 10 МГц - 100 МГц
Частота кросовера для OP27: 10 МГц

Імпульсна характеристика операційного підсилювача регулюється максимумом ds/dt, що називається "швидкістю наростання". На додаток до проблем з частотною характеристикою, вихідна напруга підсилювачів не може миттєво змінюватися від одного значення до іншого (у разі кроку напруги). Точніше, внутрішня конструкція кожного операційного підсилювача допускає максимальне значення швидкості зміни вихідної напруги. Цей параметр називається "швидкістю наростання" операційного підсилювача, він виражається у В/мкс,

Порядок величини швидкості наростання становить 0,5 В/мкс для підсилювачів 741 від 10 до 15 В/мкс для підсилювачів типу TL081, LF356… і може зростати до 50 В/мкс (або навіть 1600 В/мкс із спеціальною компенсацією) для LMH6629.

Загалом, підсилювачі не можуть бути хорошими скрізь: дуже точні підсилювачі (OP7: високий коефіцієнт статичного посилення та дуже низький зсув) часто погані з точки зору швидкості наростання, і навпаки, LM318 шумний і неточний).

Швидкість наростання обмежить посилення сильних сигналів, а смуга пропускання буде нижчою, ніж для малих сигналів на даній частоті (нахил у В/мкс сигналів пропорційний їх амплітуді: чим більша амплітуда, тим більша потужність ставка буде граничною.

Вхідний диференціальний опір - це еквівалентний опір, що з'єднує два входи V + і V-. У смузі пропускання підсилювача це опір Re, який становить від декількох сотень кіло Ом до кількох Гіга Ом.

Це внутрішній опір генератора напруги, керований вхідною диференціальною напругою G (f) .e (f). У смузі пропускання підсилювача це опір Rs, який становить близько 10-100 Ом. Слід зазначити, що його величина залежить від величини вихідної напруги. Чим вище ця напруга, тим нижчі Rs.

3. Режими експлуатації

3.1. Лінійний режим

AOP працює в лінійному режимі лише у випадку негативного зворотного зв'язку (вихід підсилювача так чи інакше підключений до інвертуючого входу (V-)). Тоді ми маємо: Vs = Ad (V + -V-) .

Статичний коефіцієнт посилення Ad вважається нескінченним у тій частині характеристики, яка відповідає лінійному режиму (-Vsat

Іншим чином, якщо ми беремо частку вихідної напруги і подаємо її назад на V-вхід, ми бачимо, що зі збільшенням Vs e зменшується.

Цей процес, який дозволяє уникнути насичення і, отже, залишатися в лінійному режимі, називається "зворотним зв'язком" напруги. Це також дозволяє зменшити посилення напруги, що призводить до збільшення пропускної здатності.

Оскільки e = V + - V- дуже мало, ми використовуємо коефіцієнт підсилення напруги замкненого контуру Ad = Vs/e.

3.2. Насичений режим (нелінійний)

І навпаки, якщо частка вихідної напруги подається назад на неінвертуючий вхід, явищу насичення сприяє. У цьому випадку операційний підсилювач потім використовується в комутаційному режимі.

Підсилювач працює в режимі насичення у наступних двох випадках:

Коли немає негативних відгуків (випадок 1)
Позитивний зворотний зв'язок (вихід підключений до неінвертуючого входу (+)) (Випадок 2)

Коли операційний підсилювач перебуває в режимі насичення (нелінійний режим), це означає, що вихідна напруга може приймати лише два значення + Vsat або -Vsat

Vs = + Vsat, якщо V +> V-

Vs = - Vsat, якщо V+

Ця властивість лежить в основі явищ гістерезису, які супроводжують збори на основі PDO в режимі насичення.

4. Збірки на базі операційного підсилювача

4.1. Послідовний підсилювач у зборі

Послідовний підсилювач, це найпростіший приклад для визначення Vs як функції від Ve.

З цим AOP у складі послідовника ми працюємо в лінійному режимі AOP (вихід підключений до входу (-)). Крім того, ми вважаємо це ідеальним, у цьому випадку маємо:

e = 0V де: V + = V-

Тепер нам потрібно визначити значення V + і V-

У нашому випадку вхідними даними цієї збірки послідовників є:

V + має відношення до Ve, отже: V + = Ve
V- має відношення до Vs, отже: V- = Vs

Таким чином, замінивши попередню формулу (V + = V-) на відповідні значення V + і V-, отримаємо:

Індикатор напруги, як правило, використовується в ланцюзі, де прагнуть "роз'єднати" імпеданси, тобто, щоб запобігти виникненню імпедансу порушень в ланцюзі нижче, щоб мати максимальну передачу потужності.

Ця збірка має ряд переваг:

Приріст одиниці
Нескінченний вхідний опір
Нульовий вихідний опір.

4.2. Неінвертуючий підсилювач у зборі

Вхідний струм на штифті (-) дорівнює нулю (I- = 0), ми можемо застосувати резистивний мост дільника напруги між R1 і R2 для отримання напруги V-:

Примітки

Вхідний опір збірки становить нескінченний. Отже, вхідний струм дорівнює нулю (I + = I- =)

Вихідна напруга Проти отже, набагато більше або дорівнює вхідній напрузі Ве (якщо R1/R2