Для чего нужен повторитель напряжения

Операционные усилители в линейных схемах

Всем доброго времени суток. В прошлой статье я рассказывал о питании операционного усилителя от однополярного источника питания. В данной статье я расскажу о применении ОУ в линейных схемах.

Повторитель напряжения

Первая схема, о которой я расскажу, является схема усилителя с единичным усилением (единичный усилитель) или так называемый повторитель напряжения. Схема данного усилителя показана ниже

Для сборки радиоэлектронного устройства можно преобрески DIY KIT набор по ссылке.

Усилитель с единичным усилением (повторитель напряжения).

Данная схема представляет собой модификацию неинвертирующего усилителя, отличие состоит в том, что отсутствуют резистор обратной связи и резистор на инвертирующем входе. Таким образом, напряжение с выхода ОУ полностью поступает на инвертирующий вход ОУ, а, следовательно, коэффициент передачи обратной связи равен единице (β = 1).

Как известно, входное сопротивление ОУ с обратной связью определяется следующим выражением

• где R_BX – входное сопротивление ОУ без ОС,
• β – коэффициент передачи цепи ОС,
• К – коэффициент усиления ОУ без ОС.

Тогда для повторителя напряжения входное сопротивление будет иметь вид

Выходное сопротивление ОУ с обратной связью представляет собой следующее выражение

• где R_BЫX – входное сопротивление ОУ без ОС,
• β – коэффициент передачи цепи ОС,
• К – коэффициент усиления ОУ без ОС.

Так как у повторителя напряжения коэффициент передачи обратной связи равен единице (β = 1), то выходное сопротивление будет иметь следующий вид

Пример расчёта параметров повторителя напряжения

Для примера рассчитаем повторитель напряжения на ОУ, который имеет на требуемой частоте коэффициент усиления К_У = 80 (38 дБ), входное сопротивление R_BX = 500 кОм, выходное сопротивление R_BЫX = 300 Ом.

Входное сопротивление повторителя напряжения составит

Выходное сопротивление повторителя напряжения составит

Недостатки простейшей схемы повторителя напряжения

Вследствие того, что усиление ОУ с разомкнутой цепью ОС изменяется с частотой (с ростом частоты происходит уменьшение коэффициента усиления), поэтому входное и выходное сопротивления также зависят от частоты (с ростом частоты входное сопротивление уменьшается, а выходное – возрастает).

Если входной сигнал имеет достаточно большую постоянную составляющую и значительный размах амплитуды, то может возникнуть ситуация, когда будет превышен предел синфазных входных напряжений. Для устранения данной проблемы сигнал на неивертирующий вход необходимо подавать, через разделительный конденсатор, а между неинвертирующим входом и «землёй» включить резистор, однако этот резистор будет влиять на входное сопротивление повторителя.

Ещё одним способом улучшения параметров повторителя напряжения, который рекомендуют производители ОУ является включение в цепь ОС и между неинвертирующим входом и «землёй» резисторов с одинаковым сопротивлением. При этом коэффициент усиления ОУ будет также равен единице, но входное и выходное сопротивление будут зависеть от внешних резисторов, а не от параметров ОУ.

Наиболее действенным способом улучшения параметров единичного усилителя является схема, в которой после схемы повторителя напряжения включить усилитель мощности, обеспечивающий большой выходной ток. В этом случае коэффициент усиления напряжения составит примерно единицу, а ток ОС определяется характеристика усилителя мощности (входное и выходное сопротивление умножаются на коэффициенты усиления обоих усилителей).

Неинвертирующий усилитель

После разбора повторителя напряжения, который, по сути, является неинвертирующим усилителем с коэффициентом усиления равным единице, перейдём к рассмотрению схемы неинвертирующего усилителя с произвольным коэффициентом усиления. Такой тип усилителя характеризуется тем, что имеет высокое входное и низкое выходное сопротивление, схема усилителя приведена ниже

Схема неинвертирующего усилителя.

Данная схема является одной из стандартных схем включения операционных усилителей и содержит ОУ DA1, резистор смещения R1 и резистор обратной связи R2. Операционный усилитель в данной схеме охвачен последовательной обратной связью по напряжению, коэффициент передачи цепи обратной связи составит

Тогда входное сопротивление неинвертирующего усилителя составит

R_BX.ОУ – входное сопротивление ОУ при разомкнутой цепи ОС,

К_ОУ – коэффициент усиления ОУ при разомкнутой цепи ОС.

Выходное сопротивление неинвертирующего усилителя можно вычислить из следующего выражения

R_ВЫХ.ОУ – выходное сопротивление ОУ при разомкнутой цепи ОС.

Коэффициент усиления неинвертирующего усилителя

В данном типе усилителя присутствует некоторый уровень напряжения смещения UСМ на входе, поэтому данная схема может быть применена там где уровень смещения напряжения на входе не имеет существенного влияния. Уровень напряжения смещения на входе составит

Пример расчёта неинвертирующего усилителя

Рассчитаем неинвертирующий усилитель, который должен обеспечить коэффициент усиления К = 10. В качестве ОУ применим К157УД2, имеющий следующие параметры: коэффициент усиления (на частоте 1 кГц) К = 1800 (65 дБ), входное сопротивление R_BX.ОУ = 500 кОм, выходное сопротивление R_BЫX.ОУ = 300 Ом, напряжение смещения U_CM = 10 мВ, входной ток I_ВХ ≤ 500 нА. Входной сигнал имеет уровень U_ВХ = 40 мВ.

Определение сопротивлений R1,R2. Величина сопротивления R1 не должна значительно влиять на входное напряжение, то есть падение напряжения на нём не должна превышать 0,1U_ВХ, тогда величина сопротивления составит

Примем R1 = 8,2 кОм.

Примем R2 = 75 кОм.

Рассчитаем параметры неинвертирующего усилителя:

входное сопротивление R_BX

выходное сопротивление R_BЫX

смещение уровня постоянной составляющей составит

Неинвертирующий сумматор

В продолжение темы неинвертрующих усилителей расскажу о неинвертирующем сумматоре, который выполняет функцию сложения входных сигналов и находит своё применение в качестве линейных смесителей сигналов (микшеров), например, когда сигналы из нескольких источников необходимо скомбинировать и подать на вход усилителя мощности. Схема неинвертирующего сумматора представлена ниже

Схема двухвходового неинвертирующего сумматора.

Данная схема представляет собой неинвертирующий усилитель с двумя входами и состоит из ОУ DA1, токоограничительных входных резисторов R1 и R2, резистора смещения R3 и резистора обратной связи R4.

Для данной схемы основные соотношения соответствуют схеме простого неинвертирующего усилителя, с учётом того что входное напряжение в схеме соответствует среднему напряжению входных выводов

А сопротивление резисторов должны соответствовать следующему условию

Коэффициенты усиления по разным каналам определяются следующим выражением

R_N – сопротивление входного резистора,

K_N – коэффициент усиления соответствующего канала усиления.

Основным недостатком схемы неинвертирующего сумматора является отсутствие точки нулевого потенциала, поэтому коэффициент усиления по различным входам не являются независимыми. Данный недостаток проявляет себя в тех случаях, когда внутреннее сопротивление источников входных напряжений или только одного из них известно приблизительно или изменяется в процессе работы.

Теория это хорошо, но необходимо отрабатывать это всё практически ПОПРОБЫВАТЬ МОЖНО ЗДЕСЬ

4. Повторитель напряжения.

Существуют три способа включения биполярного транзистора:

— с общим коллектором (ОК — эмиттерный повторитель (ЭП);
— с общим эмиттером (ОЭ);
— с общей базой (ОБ). Аналогично для полевых транзисторов:
— с общим стоком (ОС);
— с общим истоком (ОИ), истоковый повторитель (ИП);
— с общим затвором (ОЗ).

В общем случае ЭП (ИП) имеет наибольшее входное сопротивление и наименьшее выходное. Этот тип каскада используют для усиления сигнала по току. Коэффициент передачи по напряжению близок к единице, потому он и называется повторителем. Однако это справедливо при достаточно низком сопротивлении источника сигнала и на низкой частоте. При бесконечно большом сопротивлении источника сигнала перестаёт действовать 100% последовательная ООС по напряжению и выходное сопротивление стремится к R_вых каскада с ОЭ, резко возрастает коэффициент гармоник, который минимален при R_r=0.

R_вх = r_б + (1+h_21э)R_н
R_вых = r_э + (R_r + r_б)/(1 + h_21э)
где r_б — сопротивление базы (1. 20 Ом и более);
h_21э — безразмерный статистический коэффициент передачи тока (beta);
r_э = F_т/I_к (мА);
F_т = 25 мВ — температурный потенциал,
Rr — выходное сопротивление источника сигнала.

Входное сопротивление резко уменьшается в случае коротких импульсов и на высоких частотах. На высоких частотах входная ёмкость повторителя зависит, главным образом, от С_н и грубо может быть оценена как С_н/h_21э. Выходное сопротивление повторителя на высоких частотах может иметь индуктивный характер, поэтому при определённых С_н ЭП могут давать колебательные переходные процессы и даже переходить в режим автогенерации. Однако наиболее "опасным" следствием ёмкостной нагрузки является склонность однотактных повторителей к нелинейным искажениям сигнала высокой частоты. Наиболее понятно объяснение этого явления на примере передачи фронта и спада импульсного сигнала (рис.60) [8].

При передаче фронта к току транзистора помимо тока I_э=U_вых/R_э добавляется ток заряда С_н.

При прохождении спада сигнала ток перезаряда не может превысить ток, протекающий через R_э, а не через транзистор. Если U_вx будет снижаться быстрее перезаряда С_н, то напряжение на базе окажется ниже, чем на эмиттере, и транзистор закроется.

Максимальная частота, передаваемая повторителем без искажений f_max = I_э/2_пU_mC_н, где U_m — амплитуда сигнала.

Как видно из формулы, расширить полосу пропускания ЭП можно увеличением тока эмиттера. Характерные искажения сигнала высокой частоты в ЭП носят пилообразный характер (рис.61).

Истоковый повторитель (по сравнению с ЭП) имеет значительно большие значения как выходного сопротивления (несколько сот Ом при токах стока в несколько мА), так и коэффициента гармоник. Замена полевого транзистора составным (рис. 12,14,17,18) уменьшает как выходное сопротивление, так и вносимые искажения (см. 1 часть статьи).

Применение составного транзистора позволяет увеличить входное сопротивление и повысить нагрузочную способность. К примеру, повторитель на составном транзисторе Шиклаи (рис.62) имеет R_вх >= 1 МОм, R_вых <= 1,5 Ом, коэффициент обратной связи около 50 дБ. Характеристика линейна от 10 Гц до 100 кГц.

В повторителе на составном транзисторе по схеме Дарлингтона входное сопротивление 2-го транзистора играет роль эмиттерной нагрузки для первого транзистора. Отсюда, если пренебречь сопротивлением базы, получим: Rвх

В связи с огромным входным сопротивлением повторителей на составных транзисторах особенно остро встаёт вопрос о цепи смещения базы. Делать сопротивления порядка нескольких мегаом нельзя из-за температурной нестабильности и невозможности обеспечения необходимого тока базы. Поэтому во входном каскаде, как правило, используют полевой транзистор либо следящую связь в цепи базы (рис.63). Сопротивление R3 искусственно повышается в 1/(1-К_u) раз и может достигать десятков мегаом и не будет существенно шунтировать вход повторителя. Во столько же раз повышается и сопротивление резистора R4, а также уменьшается ёмкость С_б в схеме (рис.59).

Для того чтобы искусственно увеличить сопротивление r_к и исключить (нейтрализовать) влияние ёмкости С_к, т.е. исключить её перезаряд, необходимо чтобы напряжение U_кб1 было постоянно, т.е. нужно изменять потенциал U_k1 пропорционально потенциалу U_б1, ток через r_к и С_к станет равным нулю, а это равносильно увеличению их комплексного сопротивления. Для реализации этой идеи в коллектор (сток) первого транзистора полностью подаётся переменная, составляющая выходного напряжения с помощью конденсатора достаточно большой ёмкости (рис.64), стабилитрона, схемы сдвига уровня (рис.65), либо с помощью ИП (рис.66). При этом сопротивление r_к увеличивается в сотни раз, полоса пропускания максимально расширяется, а коэффициент передачи К_u приближается к единице.

Аналогичная идея реализована и в широкополосном повторителе (рис.67) [9].

ЭП с повышенным быстродействием (рис.68) [10] реализован за счёт быстродействующей линейной положительной обратной связи (ЛПОС) с помощью транзисторов VT1-VT3.

Повторитель с входным сопротивлением, стремящимся к бесконечности, показан на рис.69 [11]. Благодаря отражателю тока на транзисторах VT1 ,VT3, токи коллекторов, а соответственно и токи баз транзисторов VT2 и VT4 равны. А так как токи баз противоположны, то и происходит их компенсация, что эквивалентно Rвх, равному бесконечности.

Замена эмиттерного резистора на нелинейный элемент с большим дифференциальным сопротивлением и малым сопротивлением постоянному току позволяет увеличить входное сопротивление и сделать его практически независимым от h_21э (рис.70).

Высоколинейный ЭП с высокой нагрузочной способностью показан на рис.71 [12]. Амплитудное входное напряжение такого повторителя достигает напряжения питания. Сопротивление нагрузки:

Для того чтобы повторитель идеально повторял входное напряжение на нагрузке, необходимо чтобы напряжение U_эб было постоянно во всем диапазоне изменения входного напряжения.

Это условие можно выполнить, если застабилизировать ток эмиттера (коллектора). Для этого достаточно в схеме (рис.71) токозадающий резистор R3 заменить активным источником тока с токозадающим резистором, равным сопротивлению нагрузки (рис.72). В этом случае ток коллектора транзистора VT3

Простейший двухтактный ЭП показан на рис.73. Резистор R уменьшает искажения типа "ступеньки" в момент перехода через ноль (т.е. во время отсечки транзисторов). Применение такого повторителя для усиления слабых сигналов (до 0,4. 0,5 В) нецелесообразно.

Введение смещения с помощью диодов (рис.74) или другого генератора напряжения позволяет избавиться от ступеньки. Ток генераторов тока должен быть больше максимального тока базы при полной раскачке выходных транзисторов во избежание запирания диодов.

Эмиттерный повторитель по [13] показан на рис.75. Увеличение входного сопротивления выполнено с помощью следящей обратной связи, рассмотренной выше.

Выходные каскады первых бестрансформаторных усилителей мощности выполнялись по схеме (рис.76) на так называемой квазикомплементарной паре, т.е. верхнее плечо — на составном транзисторе Дарлингтона, а нижнее — на транзисторе Шиклаи. Введение дополнительного транзистора VT2, аналогичного VT4, VT5, симметрирует входное сопротивление плеч. При этом искажения уменьшаются в 2. 3 раза.

Наиболее распространённые двухтактные каскады показаны на рис.77 и 78 на комплементарных транзисторах Шиклаи и Дарлингтона соответственно. Повторитель, показанный на рис.79 [14, 15], сочетает в себе оба типа составных транзисторов. Недостаток схемы (рис.77) в том, что в ней возникают большие сквозные токи при перегрузках, особенно на высоких частотах.

Схемотехнические решения, показанные на рис.80 и 81, позволяют достаточно простым способом исключить полную отсечку предвыходных транзисторов и тем самым уменьшить коммутационные искажения.

В повторителе (рис.82) оригинально решена проблема смещения выходных транзисторов при достаточно высокой термостабильности. Основной недостаток такого повторителя — плохая нагрузочная способность при работе на низкоомную нагрузку, а отсюда и большие вносимые искажения в виде нечётных гармоник. Возможный путь усовершенствования заключается во введении вольтдобавки в эмиттеры входных транзисторов. Другой способ состоит в том, что между базами выходных транзисторов включают обратновключённый диод. В результате при перегрузке, например, положительной полуволной закрывается транзистор VT1, а транзистор VT2 через открывшийся диод подключается к базе транзистора VT3 и тем самым составляет обычную схему Дарлингтона. При этом, естественно, возникают дополнительные коммутационные искажения.

Существенно повысить нагрузочную способность такого повторителя при сохранении высокой термостабильности и КПД можно, если параллельно резисторам R1, R2 включить активные источники тока (АИТ), как показано на рис. 83. Резисторы R3, R4 выбирают из расчёта, чтобы максимальный ток АИТ был больше тока баз выходных транзисторов при максимальной амплитуде сигнала.

Нагрузочная способность повторителя на базе рис.67 также повышена за счёт введения активных источников тока в эмиттеры входных транзисторов (рис.84) [16].

Возможный вариант повышения быстродействия за счёт следящей обратной связи, описанной выше, показан на рис.85. В отличие от предыдущей схемы, входные транзисторы работают при большем примерно на 0,6 В напряжении питания за счёт дополнительных транзисторов.

Увеличить выходную мощность повторителя в 4 раза при том же напряжении питания позволяет мостовая схема (рис.86). Управление таким повторителем осуществляют парафазным сигналом.

Парафазного управляющего сигнала требует и схема (рис.87), питание которой осуществляют от двух незаземлённых источников тока постоянного напряжения. Достоинство схемы в том, что она не требует комплементарных транзисторов. А, как известно, абсолютно комплементарных транзисторов практически не существует.

Несколько слов о применении полевых транзисторов в мощном повторителе. Вследствие меньшей чем у биполярных транзисторов крутизны и её нелинейной зависимости от уровня входного сигнала, нелинейные искажения больше. Поэтому такие каскады должны работать в усилителях с более глубокой ООС.

Очень важным преимуществом мощных полевых транзисторов, особенно СИТ (статических индукционных полевых транзисторов), является высокое быстродействие благодаря отсутствию основных носителей в цепи затвора. Мощность на раскачку, как правило, не превышает нескольких мВт. Такие каскады обладают хорошими передаточными свойствами на высоких частотах и имеют эффект термостабилизации [17].

5. А.с. 1327271 публ. 133-22-87 с.8.
6. Патент ЕПВ 0109080 публ. 3-126-85 с.20.
7. Патент США 4536662 публ. 9-1 26-86.
8. М.Гальперин. Промышленная схемотехника в промышленной автоматике. М, Энергоатомиздат, 1987.
9. Радио 4/81, с.61. За рубежом. Широкополосной повторитель напряжения.
10. А.с. 1298853.
11. А.с 1264303 публ. 133-03-87, с.5.
12. Радио 5/79, с.61. За рубежом. Эмиттерный повторитель с высокой нагрузочной способностью.
13. А.с.1167694.
14. А.с.769703.
15. Пат. США 4454479, публ. 3-126-85, с. 37
16. А.с. 1224966, публ. 14-126-86, с.14
17. П.Шкритек. Справочное руководство по звуковой схемотехнике. М, Мир, 1991, с.204.

1. Эмиттерный повторитель.

Эмиттерный повторитель имеет наибольшее входное сопротивление и наименьшее выходное и используется для усиления сигнала по току, коэффициент усиления по напряжению близок к единице. Однако это справедливо при достаточно низком сопротивлении источника сигнала и на низкой частоте. При бесконечно большом сопротивлении источника сигнала перестаёт действовать 100% последовательная ООС по напряжению и выходное сопротивление стремиться к R_вых каскада с общим эмиттером, резко возрастает коэффициент гармоник, который минимален при R_r=0.

R_вх = r_б + (1+h_21э)R_н
R_вых = r_э + (R_r + r_б)/(1 + h_21э)
где r_б — сопротивление базы (1. 20 Ом и более);
h_21э — безразмерный статистический коэффициент передачи тока (beta);
r_э = F_т/I_к (мА);
F_т = 25 мВ — температурный потенциал,
Rr — выходное сопротивление источника сигнала.

Входное сопротивление резко уменьшается в случае коротких импульсов и на высоких частотах. На высоких частотах входная ёмкость повторителя зависит, главным образом, от С_н и грубо может быть оценена как С_н/h_21э. Выходное сопротивление повторителя на высоких частотах может иметь индуктивный характер, поэтому при определении Сн эмиттерный повторители могут давать колебательные переходные процессы и даже переходить в режим автогенерации. Однако наиболее опасным следствием ёмкостной нагрузки является склонность однотактных повторителей к нелинейным искажениям сигнала высокой частоты. Наиболее понятно объяснение этого явления на примере передачи фронта и спада импульсного сигнала:

При передаче фронта к току транзистора помимо тока I_э=U_вых/R_э добавляется ток заряда С_н.
При прохождении спада сигнала ток перезаряда не может превысить ток, протекающий через R_э, а не через транзистор. Если U_вх будет снижаться быстрее перезаряда С_н, то напряжение на базе окажется ниже, чем на эмиттере, и транзистор закроется.
Максимальная частота, передаваемая повторителем без искажений F_max=I_э/2_nU_mC_n , где U_m — амплитуда сигнала.
Как видно из формулы, расширить полосу пропускания эмиттерного повторителя можно увеличением тока эмиттера. Характерные искажения сигнала высокой частоты в эмиттерном повторителе носят пилообразный характер:

2. Повторитель на составном транзисторе Шиклаи.

R_вх>=1МОм, коэффициент обратной связи около 50 дБ. Характеристика линейна от 10Гц до 100 кГц.

3. Составной транзистор со следящей связью в цепи базы.

Из-за огромного входного сопротивления повторителей на составных транзисторах особенно остро встаёт о цепи смещения базы. Делать сопротивления порядка нескольких мегаом нельзя из-за температурной нестабильности и невозможности обеспечения необходимого тока базы. Поэтому во входном каскаде, как правило, используют полевой транзистор или следящую связь в цепи базы:

Для того что бы искусственно увеличить сопротивление R_к и исключить (нейтрализовать) влияние ёмкости С_к, т.е. исключить её перезаряд, необходимо что бы напряжение U_кб1 было постоянно, т.е. нужно изменять потенциал U_к1 пропорционально потенциалу U_б1, ток через R_к и С_к станет равным нулю, а это равноценно увеличению их комплексного сопротивления. Для реализации этой идеи в коллектор (сток) первого транзистора полностью подаётся переменная составляющая выходного напряжения с помощью конденсатора достаточно большой ёмкости:

или с помощью стабилитрона,схемы сдвига уровня:

или с помощью истокового повторителя:

Аналогичная идея реализована в широкополосном повторителе:

4. Эмиттерный повторитель с повышенным быстродействием.

Реализован за счёт быстродействующей линейной положительной обратной связи с помощью транзисторов VT1-VT3.

5.Повторитель с входным сопротивлением, стремящимся к бесконечности.

Благодаря отражателю тока на транзисторах VT1, VT3, токи коллекторов, а соответственно и токи баз транзисторов VT2 и VT4 равны. А так как токи баз противоположны, то и происходит их компенсация, что эквивалентно R_вх, равному бесконечности.

6. Повторитель с увеличенным входным сопротивлением.

Rвх практически не зависит от h_21э.

7.Высоколинейный эмиттерный повторитель с высокой нагрузочной способностью.

Амплитудное входное напряжение такого повторителя достигает напряжения питания. Сопротивление нагрузки: R_н=>R3/2

Для того,что бы повторитель идеально повторял входное напряжение на нагрузке, необходимо что бы напряжение U_эб было постоянно во всём диапазоне изменения входного напряжения.
Это условие можно выполнить, если застабилизировать ток эмиттера (коллектора). Для этого надо в предыдущей схеме токозадающий резистор R3 заменить активным источником тока с токозадающим резистором, равным сопротивлению нагрузки:

8. Простейший двухтактный эмиттерный повторитель.

Резистор R уменьшает искажения типа "ступенька" в момент перехода через ноль (т.е. во время отсечки транзисторов). Применение такого повторителя для усиления слабых сигналов (до 0.4. 0.5 В) не целесообразно.

Введение смещения с помощью диодов или другого генератора напряжения позволяет избавиться от ступеньки. Ток генераторов тока должен быть больше максимального тока базы при полной раскачке выходных транзисторов во избежание запирания диодов.

9.Эмиттерный повторитель с увеличенным входным сопротивлением с помощью следящей обратной связи.

10. Выходной каскад на квазикомплементарной паре.

Верхнее плечо — на составном транзисторе Дарлингтона, нижнее — на транзисторе Шиклаи. Введение дополнительного транзистора VT2, аналогично VT4, VT5, симметрируют входное сопротивление плеч. При этом искажения уменьшаются в 2..3 раза.

11. Двухтактные каскады.

По схеме Шиклаи (недостаток — возникновение больших сквозных токов при перегрузках, особенно на высоких частотах)

По схеме Дарлингтона

Повторитель по схеме Шиклаи и Дарлингтона

12. Схемы, позволяющие достаточно простым способом исключить полную отсечку предвыходных транзисторов и тем самым уменьшить коммутационные искажения.

13. Повторитель с высокой термостабильностью.

Недостаток — плохая нагрузочная способность при работе на низкоомную нагрузку, а отсюда и большие вносимые искажения в виде нечётных гармоник.

С повышенной нагрузочной способностью

14. Повторитель с повышенной нагрузочной способностью.

Повышенная нагрузочная способность достигнута за счёт введения активных источников тока в эмиттеры входных транзисторов.

Повторитель эмиттерный на транзисторе: принцип работы

История транзисторов начинается с середины 20 века, когда в 1956 году три американских физика – Д. Бардин, У. Браттейн, В. Шокли, были удостоены Нобелевской премии «За исследования полупроводников и открытие транзисторного эффекта».

Радиотехнику, начинающему работу на своем поприще, порой бывает сложно разобраться в электронных схемах и предназначении тех или иных ее составляющих. Для этого существуют определенные наработки – уже придуманные схемы подключения транзисторов и других элементов с определенными свойствами, из которых можно составлять различные устройства. Одним из таких «кирпичиков» в здании электронных схем является эмиттерный повторитель на транзисторе.

Схемы подключения транзисторов

Существует три разновидности включения биполярных транзисторов – с общей базой (ОБ), с общим эмиттером (ОЭ) и общим коллектором (ОК).

Наиболее распространено подключение (ОЭ), так как дает большое усиление по напряжению и току. Одной из особенностей такого подключения является инвертирование входного напряжения на 180 0 . Недостатком подключения является маленькое входное (сотни Ом) и большое выходное (десятки кОм) сопротивление.

При подаче входного напряжения, транзистор открывается и ток проходит через базу на эмиттер, при этом коллекторный ток увеличивается. Ток эмиттера суммируется из тока базы и тока коллектора: И_Е = И_Б + И_К

В цепи коллектора, на резисторе_, появляется напряжение намного большее входного сигнала, что приводит к увеличению выходного напряжения, а соответственно, и силы тока.

Включение транзистора по схеме (ОБ) дает усиление по напряжению и позволяет работать с более широким частотным диапазоном, чем схема с (ОЭ), поэтому часто используется на антенных усилителях. Эта схема позволяет в полной степени использовать способность транзистора к усилению высоких частот сигнала (частотные характеристики). Чем выше частота усиливаемого сигнала, тем меньше усиление по напряжению. Данный каскад имеет маленькое входное и выходное сопротивление.

Включение транзистора с (ОК) дает усиление по току и часто используется как переходник между высокоомным источником питания и низкоомной нагрузкой. Также, данное включение можно использовать при согласовании различных каскадных схем, оно не изменяет полярность входного сигнала.

Общие понятия о повторителе

Повторитель эмиттерный — это усилитель сигнала по току, в котором включение транзистора происходит по схеме (ОК). Коэффициент усиления сигнала по напряжению практически равен единице, напряжение эмиттера равно входному сигналу, поэтому схема носит название эмиттерный повторитель. Принцип работы устройства рассмотрим ниже.

Несмотря на то что повторитель эмиттерный имеет коэффициент передачи по напряжению единицу, его можно отнести к классу усилителей, так как он дает усиление по току, а значит, и по мощности: И_Е = (β +1) х И_Б , где И_Е — ток эмиттера, И_Б — ток базы.

При малом сопротивлении источника питания, коллектор транзистора присоединяется к общей шине, а резистор, с которого происходит снятие выходного напряжения, подключается к эмиттерной цепи. Подключение входа и выхода к внешним цепям осуществляется с помощью конденсаторов С₁ и С₂. При маленьком коэффициенте увеличения по напряжению, коэффициент увеличения по току достигает своего пика в режиме короткого замыкания зажимов на выходе.

Принцип действия

Нагрузкой каскадной схемы повторителя является резистор на эмиттере Р_Е. Входной сигнал поступает через первый конденсатор С₁, а снятие выходного сигнала происходит через второй конденсатор С₂.

Эмиттерный повторитель напряжения имеет очень маленькое входное и большое выходное сопротивление. При переменном токе, когда через транзистор п-р-п типа проходит полуволна положительного переменного напряжения, он сильнее открывается и происходит возрастание тока, при отрицательной полуволне – наоборот. В итоге выходное переменное напряжение имеет одинаковую фазу со входным и является напряжением обратной связи. Выходное напряжение направлено навстречу входному и включено последовательно, поэтому в эмиттерном повторителе используется последовательная отрицательная обратная связь. Выходное напряжение меньше входного на незначительную величину (напряжение база – эмиттер около 0,6 В).

Как сделать расчет схемы

Первоначальными данными, чтобы сделать расчет эмиттерного повторителя, являются ток коллектора (И_К) и напряжение питания (У_ВХ):

• Напряжение эмиттера (У_Е) должно соответствовать: У_Е = 0,5 х У_ВХ (чтобы обеспечить для выходного напряжения максимальный размах).
• Теперь нужно сделать расчет сопротивления резистора на эмиттере: Р_Е = У_Е/И_К.
• Делается расчет сопротивления резисторного делителя: Р₁-Р₂ (подбираем сопротивления так, чтобы ток на делителе был примерно в 10 раз меньше тока на базе): И_Д = 0,1 х И_К/β, где β – коэффициент усиления по току транзистора. Сопротивление Р₁+ Р₂= У_ВХ/И_Д.
• Рассчитываем напряжение базы относительно земли: У_Б = У_Е + 0,7.

Отличительные особенности

Повторитель эмиттерный обладает интересной особенностью – ток коллектора имеет зависимость только от нагрузочного сопротивления и входного напряжения, а параметры транзистора существенной роли не играют. Такие схемы считают имеющими 100-процентную обратную связью по напряжению. Можно не бояться спалить транзистор, подавая на базу питание без ограничивающего резистора.

Работа эмиттерного повторителя основана на высоком входном сопротивлении, что позволяет подключать к нему источник сигнала с большим комплексным сопротивлением (например, звукосниматель в радио). Усилитель мощности

Очень часто повторитель эммитерный используется в качестве усилителя мощности в выходных каскадах усилителей. Основной задачей таких узлов является передача определенной мощности на нагрузку. Наиболее важный параметр, который ставится в расчетах усилителя по мощности – это коэффициент усиления мощности, искажение передачи сигнала и КПД (его увеличение необходимо в связи с потреблением большей части мощности источника питания выходным усилителем). Усиление по напряжению не является основным параметром и обычно приближается к единице.

Бывает несколько способов работы такого усилительного каскада, в зависимости от нахождения рабочей точки на графике характеристик и, соответственно, с различным КПД и характеристиками выходного сигнала.

Режимы работы

В рассматриваемых случаях работы эмиттерного повторителя, коллекторный переход будет обратно смещен и режим работы будет зависеть от эмиттерного перехода:

1. В первом случае смещение эмиттерного перехода происходит таким образом, что транзистор стабильно не переходит в режим насыщения и повторитель работает на прямом участке графика передаточной характеристики (напряжения У_К и У_Е одинаковы). Максимальное напряжение выходного сигнала меньше входного напряжения. Коэффициент полезного действия равен отношению мощности, поступающей в нагрузку к мощности от источника питания, и достигает максимума (25 %) при наивысшей амплитуде выходного напряжения. Во избежание рассогласования выходного и входного сигнала, амплитуду выходного напряжения приходится уменьшать, в итоге КПД, тоже уменьшается. Низкий КПД в данном режиме работы повторителя обусловлен независимостью тока, проходящего через транзистор, от напряжения питания и мощность, которая потребляется от источника питания является постоянной величиной. В отсутствие входного сигнала, мощность рассеиваемая транзистором, наибольшая. Поэтому в этом режиме эмиттерный повторитель не используется как усилитель мощности, а скорее как передатчик малоискаженного сигнала.
2. Еще один рабочий режим усилительного каскада, при котором смещение эмиттерного перехода приводит рабочую точку транзистора на границу области запирания. Если принять напряжение эмиттера (У_Е=0) и входной сигнал не поступает, эмиттерный переход обратно смещен и транзистор находится в закрытом состоянии. Вследствие чего, снижается потребляемая мощность. При прохождении с источника питания положительной полуволны, транзистор отпирается (открывается эмиттерный переход), а отрицательная запирает его (отсутствует выходной сигнал). Второй случай работы усилительного каскада решает проблему с увеличением КПД усилителя, потому что отсутствует ток на транзисторе, если нет напряжения питания. Но есть недостаток – сильное искажение выходного сигнала.

Двухтактная схема

Двухтактный эмиттерный повторитель позволяет сделать усиление по току в положительном и отрицательном диапазонах. Чтобы получить разнополярный выходной сигнал, можно использовать комплементарный эмиттерный повторитель. В принципе, двухтактная схема – это два повторителя, каждый из которых усиливает сигнал в плюсовой или минусовой полуволне. Схема состоит из двух типов биполярных транзисторов (с п-р-п и р-п-р – переходами).

Принцип действия комплементарной схемы

Когда входное питание отсутствует, оба транзистора выключены, в связи с отсутствием напряжения на эмиттерных переходах. При прохождении полуволны положительной полярности, происходит открытие п-р-п – транзистора, аналогично, прохождение отрицательной полуволны вызывает открытие р-п-р – транзистора.

Мощный эмиттерный повторитель имеет расчет КПД (К = Пи/4 х У_ВЫХ/У_К), где У_вых – амплитуда выходного сигнала; У_К – напряжение на коллекторном переходе.

Из формулы видно, что К возрастает при увеличении амплитуды У_ВЫХ и становится максимальным, при У_ВЫХ = У_К (К = Пи/4 = 0,785).

Отсюда видно, что эмиттерный повторитель на комплементарной схеме обладает значительно более высоким КПД, чем обычный повторитель.

Свойством этой схемы являются большие (переходные) нелинейные искажения. Они проявляют себя в большей степени, чем меньше входное напряжение (У_ВХ).

Расчет двухтактного усилителя

Так как нам нужен повторитель эмиттерный для усиления по мощности, то исходными данными, чтобы сделать расчет эмиттерного повторителя, будут: сопротивление нагрузки (Р_Н), мощность нагрузки (П_Н). Чтобы уменьшить рассогласованность выходного и входного сигнала, напряжение питания должно быть выше на 5 В от амплитуды выходного напряжения.

Формулы для расчета усилительного каскада:

• Выходное напряжение: У_ВЫХ = корень квадратный (2П_НР_Н).
• Напряжение источника питания: У_ВХ = У_Е + 5.
• Выходной ток: И_Е = У_Е/Р_Н.
  
• Мощность, забираемая у источника питания: П₊+ П_—= 2/Пи × У_Е/Р_Н × У_К.
• Наибольшая рассеиваемая мощность на каждом из транзисторов: П₁= П₂= У_К 2 /Пи 2 Р_Н.
  

Уменьшение искажений выходного напряжения

Двухтактный эмиттерный повторитель, принцип работы которого описан выше, можно еще улучшить, уменьшив в его схеме переходные искажения сигнала на выходе.

Чтобы уменьшить искажения напряжения на выходе каскада можно подавать на базы транзисторов напряжения, смещающие выходную характеристику.

Для смещения используются диоды либо транзисторы, подающие сигнал на базы рабочих транзисторов повторителя.

Схема с использованием диодов

На эмиттерных переходах транзисторов Т₁ и Т₂ появляется смещение за счет диодов Д₁ и Д₂, подключенных между базами транзисторов. При входном напряжении, равном нулю, транзисторы активны. Когда полярность напряжения положительна, транзистор Т₂ запирается, а при отрицательной полярности напряжения запирается транзистор Т₁. При нулевом входном сигнале один из транзисторов является активным, таким образом, схема с диодами дает характеристику выходного сигнала, очень близкую к линейной. Вместо диодов, можно использовать транзисторы с шунтированными коллекторными переходами.

Усилитель мощности с дополнительными эмиттерными повторителями

Еще одна схема, которая дает уменьшить искажение выходного сигнала, на входе которой включены два транзистора.

В этой схеме на входе размещены два повторителя на транзисторе, которые создают смещение напряжения для эмиттерных переходов двух выходных транзисторов. Существенным плюсом такого включения будет увеличенное сопротивление на входе каскада. Эмиттерные токи входных и базовые токи выходных транзисторов, задают два первых резистора_. Вторые два резистора входят в цепь обратной связи для выходных транзисторов.

Этот вариант подключения является буферным усилителем с единичным усилением по напряжению.

Составные транзисторы

Сейчас выпускаются транзисторы в виде отдельного каскада из двух транзисторов в одном корпусе (схема Дарлингтона). Они используются в микросхемах в усилителях на дискретных составляющих. При замене обычного транзистора на составной происходит увеличение входного и уменьшение выходного сопротивлений схемы.

Операционные усилители с однополярным питанием: примеры применения

Ведущий инженер Microchip рассказывает о схемах базовых функциональных узлов на операционных усилителях (ОУ), типовых схемах систем управления на их базе и типичных ошибках при проектировании устройств на ОУ.

Операционный усилитель (ОУ) представляет собой основной после транзистора функциональный элемент для построения аналоговых схем. С помощью ОУ легко реализуются такие базовые функции как усиление сигнала, изоляция нагрузки, инвертирование сигнала, смещение уровня, сложение и/или вычитание сигналов. Также на базе ОУ можно реализовать и более сложные схемы, такие как инструментальные усилители, преобразователи тока в напряжение и фильтры. Независимо от сложности схемы собственно операционного усилителя, знание основных принципов его работы позволит сэкономить много времени на начальных этапах проектирования.

В курсе изучения операционных усилителей дается множество важной и полезной информации. Однако при этом часто упускают из виду вопросы, касающиеся практического применения ОУ. Так, при проектировании схем с операционными усилителями разработчики постоянно забывают о такой «мелочи» как блокировочные конденсаторы по питанию. С теоретической точки зрения эти компоненты не нужны. В то же время при отсутствии блокировочного конденсатора схема усилителя может возбудиться и в ней возникнут колебания, чего в теории быть не должно. Если же при проектировании схемы использовались только готовые решения из книг, эта проблема может оказаться трудноразрешимой.

Данное руководство состоит из трех частей. В первой части рассматриваются схемы базовых функциональных узлов на ОУ вместе с уравнениями для их расчета. Эти схемы были выбраны с учетом их применимости во встраиваемых системах.

Во второй части руководства рассматриваются более сложные аналоговые схемы для встраиваемых систем управления, построенные с использованием базовых функциональных узлов.

В третьей части руководства приведены наиболее распространенные ошибки, которые допускаются при проектировании схем на ОУ с однополярным питанием. Данный перечень ошибок – результат многолетней работы множества разработчиков по поиску неисправностей в аналоговых схемах. Большей части этих ошибок можно избежать, если применить рекомендации, приведенные в данной статье.

Основные принципы работы операционных усилителей

Операционный усилитель – это такой же «кирпичик» для построения аналоговых схем, как логический элемент – для цифровых. При помощи операционных усилителей мы можем кардинально изменять аналоговые сигналы, подобно тому как с помощью инверторов и логических элементов И/ИЛИ мы изменяем цифровые сигналы. В этой части мы рассмотрим такие базовые функциональные узлы на ОУ как повторитель напряжения, неинвертирующий и инвертирующий усилители, расщепитель питания (формирователь искусственной средней точки), дифференциальный и суммирующий усилители, а также преобразователь тока в напряжение.

Повторитель напряжения

Начнем с самой простой схемы – схемы буферного усилителя (рисунок 1). Буферный усилитель применяется для управления большими нагрузками для согласования входных/выходных сопротивлений или для развязки силовых цепей и чувствительных прецизионных схем.

Рис. 1. Буферный усилитель (повторитель напряжения)

Буферный усилитель, показанный на рисунке 1, может быть реализован на любом ОУ с однополярным питанием, устойчиво работающем при единичном коэффициенте усиления. В этой схеме, как и во всех схемах с ОУ, должен присутствовать блокировочный конденсатор по питанию. Для усилителей с однополярным питанием, работающих в полосе частот от нуля до единиц мегагерц, как правило, достаточно конденсатора емкостью 1 мкФ. Если полоса частот усилителя составляет десятки мегагерц, может потребоваться конденсатор меньшей емкости. В этом случае обычно используют конденсатор емкостью 0,1 мкФ. При отсутствии блокировочного конденсатора или при неправильном выборе его емкости операционный усилитель может самовозбудиться.

Коэффициент усиления схемы, приведенной на рисунке 1, равен +1 В/В. Обратите внимание, что хотя усиление всей схемы положительно, цепь обратной связи с выхода усилителя подключена к инвертирующему входу. Полагать, будто бы схема на ОУ, имеющая положительное усиление, требует наличия положительной обратной связи – очень распространенное заблуждение. Если мы охватим ОУ положительной обратной связью, то на выходе усилителя, скорее всего, установится уровень одной из шин питания.

Данная схема обеспечивает хорошую линейность в пределах всей полосы пропускания усилителя. Однако существуют и определенные ограничения – уровень синфазного сигнала на входе и размах выходного сигнала не должны выходить за определенные границы. Указанные ограничения обсуждаются в разделе «Подводные камни проектирования схем с ОУ».

Если эта схема предназначена для управления мощной нагрузкой, то примененный ОУ должен обеспечивать необходимый уровень выходного тока. Также данная схема может применяться для управления емкостной нагрузкой. Следует отметить, что далеко не каждый ОУ способен сохранять устойчивость при работе на емкостную нагрузку. Если усилитель рассчитан на управление емкостной нагрузкой, то в его документации это будет явно указано. С другой стороны, если ОУ не может работать на емкостную нагрузку, то в его документации это, как правило, особо не оговаривается.

Кроме того, буферный усилитель используется для решения задачи согласования входного и выходного сопротивлений. Это может потребоваться в том случае, если источник аналогового сигнала имеет достаточно высокое выходное сопротивление по сравнению со входным сопротивлением схемы. При прямом подключении источника к схеме уровень сигнала уменьшится из-за падения напряжения на делителе, образованном выходным сопротивлением источника и выходным сопротивлением схемы. Буферный усилитель прекрасно решает эту проблему. Входное сопротивление неинвертирующего входа КМОП ОУ может достигать значения 10 13 Ом. В то же время выходное сопротивление буферного усилителя обычно не превышает 10 Ом.

Еще один вариант использования буферного усилителя – изоляция чувствительной прецизионной схемы от источника тепла, как показано на рисунке 2. Представьте, что схема, к которой подключен буферный усилитель, усиливает сигнал величиной 100 мкВ.

Рис. 2. Развязка нагрузки с использованием буферного усилителя

Усиление подобных сигналов – непростая задача, независимо от требуемой точности. При таких прецизионных измерениях из-за изменения выходного тока схемы усилителя может легко возникнуть погрешность. Увеличение тока нагрузки вызывает саморазогрев кристалла, что в свою очередь приводит к росту напряжения смещения. В таких ситуациях для управления мощной нагрузкой лучше использовать отдельный аналоговый буфер, а входным каскадам оставить только прецизионные измерения.

Усиление аналоговых сигналов

Буфер позволяет решить многие проблемы, связанные с передачей аналогового сигнала, однако на практике часто возникает необходимость усиления сигнала. Для этого можно использовать усилители двух типов. В усилителе первого типа, схема которого приведена на рисунке 3, сигнал не инвертируется. Этот вариант усилителя очень удобен для схем с однополярным питанием, в которых отрицательные сигналы, как правило, отсутствуют.

Рис. 3. Неинвертирующий усилитель на ОУ

Примечание. Когда в данной публикации говорится об однополярном питании, то подразумевается, что отрицательный вывод питания операционного усилителя соединен с общим проводом, а положительный вывод питания подключен к линии +5 В. Все рассуждения в этой статье можно экстраполировать и на другие значения напряжения питания, если напряжение однополярного источника превышает 5 В или же если используется двуполярное питание.

В данном случае входной сигнал подается на высокоимпедансный неинвертирующий вход операционного усилителя. Выходное напряжение данной схемы определяется по формуле 1:

В схемах с однополярным питанием значение сопротивления резистора R₂, как правило, берется не менее 2 кОм. Сопротивление резистора R₁ выбирается исходя из требуемого значения коэффициента усиления с учетом уровня шумов операционного усилителя и входного напряжения смещения, указанных в технической документации на ОУ. Стоит отметить, что данная схема имеет некоторые ограничения, касающиеся величины входного и выходного сигналов. Так, напряжение на неинвертирующем входе ОУ не должно превышать максимально допустимого для данного ОУ значения синфазного напряжения. Размах выходного сигнала ОУ также ограничен; допустимый диапазон указывается в технической документации на усилитель. Как правило, большая часть ошибок возникает из-за ограничения слишком большого выходного сигнала усилителя, а не из-за слабого сигнала на входе. При возникновении ограничения выходного сигнала коэффициент усиления схемы следует уменьшить.

Схема инвертирующего усилителя приведена на рисунке 4. Эта схема усиливает и инвертирует сигнал, поданный на входной резистор (R₁). Выходное напряжение этой схемы определяется по формуле 2:

Рис. 4. Инвертирующий усилитель на ОУ

Сопротивления резисторов R₁ и R₂ выбираются из тех же соображений, что и для схемы неинвертирующего усилителя, приведенной на рисунке 3.

При использовании этой схемы в условиях однополярного питания легко допустить ошибку. Пусть, к примеру, R₂ равен 10 кОм, R₁ равен 1 кОм, V_BIAS равно 0 В, а напряжение на входном резисторе R₁ равно 100 мВ. В этом случае выходное напряжение, казалось бы, должно быть равно -1 В. Однако это значение выходит за границы диапазона выходного напряжения ОУ, поэтому на выходе ОУ установится минимально возможное положительное напряжение.

Для решения этой проблемы следует добавить в схему источник напряжения смещения V_BIAS. Вернемся к предыдущему примеру. Если бы мы подали на вход V_BIAS напряжение 225 мВ, то выходной сигнал оказался бы смещен на 2,475 В. Соответственно, вместо отрицательного напряжения на выходе ОУ было бы напряжение 2,475 В – 1 В = 1,475 В. Как правило, схемы рассчитывают таким образом, чтобы среднее значение выходного напряжения ОУ было равно половине напряжения питания V_DD/2.

Схемы с однополярным питанием и расщепители питания

Как было показано на примере схемы инвертирующего усилителя (рисунок 4), при однополярном питании часто требуется смещать уровень сигнала, чтобы он оставался в пределах диапазона, определенного потенциалами выводов питания. Такое смещение можно обеспечить с использованием одного ОУ и нескольких пассивных элементов, как показано на рисунке 5. Во многих случаях эту схему можно реализовать на обычном буферном усилителе без конденсаторов частотной коррекции. В других ситуациях, например, при использовании этой схемы в качестве источника опорного напряжения аналого-цифрового преобразователя (АЦП), ее нагрузка будет динамически изменяться. В подобных приложениях напряжение смещения должно оставаться неизменным, иначе может возникнуть ошибка преобразования.

Рис. 5. Расщепитель питания на одном операционном усилителе. Данная схема особенно полезна при однополярном питании

Неизменное напряжение смещения можно легко сформировать, используя делитель напряжения (R₃ и R₄) или источник опорного напряжения с последующей буферизацией посредством ОУ. Выходное напряжение схемы, приведенной на рисунке 5, определяется по формуле 3:

Схема, представленная на рисунке 5, имеет дополнительную цепь коррекции, обеспечивающую работу на большую емкостную нагрузку C₁. Такая большая емкость используется потому, что имеет очень маленькое сопротивление переменному току по входу опорного напряжения АЦП. Этот конденсатор сглаживает кратковременные скачки тока, которые обязательно присутствуют на входе опорного напряжения АЦП.

Дифференциальный (разностный) усилитель

Дифференциальный усилитель представляет собой сочетание неинвертирующего и инвертирующего усилителей (рисунки 3 и 4). Схема дифференциального усилителя приведена на рисунке 6.

Рис. 6. Дифференциальный усилитель на ОУ

Выходное напряжение этой схемы определяется по формуле 4:

Данная схема будет усиливать разность двух сигналов с хорошей точностью с условием, что выходное сопротивлении источников этих сигналов мало. Если выходные сопротивления этих источников окажутся большими по сравнению с сопротивлением R₁, то уровень сигнала на входах ОУ снизится из-за влияния делителя напряжения, созданного выходным сопротивлением источника и входными резисторами дифференциального усилителя. Помимо этого, погрешности могут создавать различные значения выходных сопротивлений источников сигналов. Коэффициент усиления данной схемы может превышать или равняться единице.

Суммирующий усилитель

Суммирующие усилители (рисунок 7) используются, когда необходимо объединить несколько сигналов путем их сложения или вычитания. Дифференциальный усилитель, обрабатывающий только два сигнала, представляет собой частный случай суммирующего усилителя.

Рис. 7. Суммирующий усилитель на ОУ

Выходное напряжение этой схемы определяется по формуле 5:

На инвертирующий и неинвертирующий входы ОУ в этой схеме можно подавать любое равное количество сигналов через резисторы с одинаковым сопротивлением.

Преобразователь тока в напряжение

Операционный усилитель может применяться для преобразования токового сигнала от датчика, такого как фотодиод, в напряжение. Для этого в цепь обратной связи включается единственный резистор и (опционально) конденсатор, как показано на рисунке 8.

Свет, попадая на фотодиод, вызывает протекание через него обратного тока. При использовании операционного усилителя, изготовленного по технологии КМОП, который обладает высоким входным сопротивлением, весь ток фотодиода (I_D1) будет течь по цепи с наименьшим сопротивлением – через резистор обратной связи R₂. А благодаря очень малому входному току смещения КМОП-усилителей (обычно менее 200 пА), обусловленная им погрешность также будет невелика. Неинвертирующий вход операционного усилителя подключен к общему проводу, то есть все сигналы в схеме отсчитываются относительно общего провода. Обе схемы будут работать только в том случае, если ОУ допускает подачу на свои входы нулевого синфазного напряжения.

На рисунке 8 приведены две схемы. Верхняя схема обеспечивает измерение освещенности с высокой точностью. В ней напряжение на фотодиоде близко к нулю и равно напряжению смещения операционного усилителя. При такой конфигурации основным источником тока, протекающего через резистор R₂, является воздействие света на фотодиод.

Рис. 8. Преобразователь тока в напряжение на ОУ и одном резисторе: схема (а) измерения освещенности обеспечивает повышенную точность, а схема (б) обладает повышенным быстродействием

Схема измерения освещенности, изображенная в нижней части рисунка 8, обеспечивает более высокое быстродействие. Это достигается путем смещения фотодиода в обратном направлении, в результате чего уменьшается его паразитная емкость. Недостатком данной схемы является увеличенная погрешность по постоянному току из-за большого обратного тока фотодиода.

Применение базовых схем

Инструментальный усилитель

Инструментальные усилители находят применение в самых разных областях: от медицинского оборудования до промышленных контроллеров. Инструментальный усилитель аналогичен дифференциальному усилителю в том смысле, что он тоже вычитает один аналоговый сигнал из другого, однако его входной каскад построен совершенно иначе. Классическая схема инструментального усилителя на трех ОУ приведена на рисунке 9.

Рис. 9. Инструментальный усилитель на трех ОУ

В этой схеме оба входных сигнала поступают на высокоомные неинвертирующие входы операционных усилителей. Поэтому, в отличие от дифференциального усилителя, данную схему можно использовать в случае, если выходные сопротивления источников сигналов велики и/или различаются. Коэффициент усиления входного каскада определяется сопротивлением резистора R_G.

Второй каскад представляет собой обычный дифференциальный усилитель. Этот каскад подавляет синфазное напряжение входных сигналов и вычитает один сигнал из другого. Выходные сопротивления источников сигналов, поступающих на вход дифференциального усилителя, малы, имеют одинаковое значение и их легко контролировать.

Напряжение смещения дифференциального каскада измерительного усилителя можно изменять в широких пределах. В схемах с однополярным питанием напряжение смещения обычно выбирается равным половине напряжения питания. Для формирования напряжения смещения можно использовать расщепитель питания, схема которого приведена на рисунке 5. Выходное напряжение инструментального усилителя определяется по формуле 6:

Другая схема инструментального усилителя показана на рисунке 10. В этой схеме оба ОУ служат для изоляции нагрузки и усиления сигнала. Кроме того, второй ОУ работает как дифференциальный усилитель.

Рис. 10. Инструментальный усилитель на двух ОУ. Эта схема лучше всего подходит, если нужно обеспечить высокий коэффициент усиления (более 3 В/В)

На первый ОУ можно подать напряжение смещения. Как правило, в схемах с однополярным питанием напряжение смещения выбирают равным половине напряжения питания. Выходное напряжение этой схемы определяется по формуле 7:

Плавающий источник тока

Плавающий источник тока может пригодиться для задания тока, протекающего через элемент с изменяющимся сопротивлением, например, резистивного термодатчика (RTD). Схема, приведенная на рисунке 11, представляет собой источник тока величиной 1 мА для RTD-датчика, хотя можно установить и любое другое значение тока.

Рис. 11. Плавающий источник тока, построенный на двух ОУ и прецизионном источнике опорного напряжения

В этой схеме из-за наличия резистора R1 напряжение V_REF уменьшается на величину V_R1. Соответственно, напряжение на неинвертирующем входе верхнего в схеме ОУ равно V_REF – V_R1. Это напряжение после усиления в два раза дает на выходе ОУ напряжение, равное 2 × (V_REF – V_R1). При этом выходное напряжение нижнего ОУ схемы составляет V_REF – 2 × V_R1. Вычитая выходное напряжение верхнего ОУ из напряжения на неинвертирующем входе нижнего ОУ, получаем:

Величина тока, формируемого данной схемой, определяется по формуле 8:

Фильтры

На входе любого АЦП крайне желательно наличие полосового или низкочастотного фильтра, позволяющего удалить нежелательные составляющие сигнала. Фильтр нижних частот, схема которого приведена на рисунке 12, имеет два полюса, которые можно сконфигурировать таким образом, чтобы получить фильтр Баттерворта. Фильтры Баттерворта имеют плоскую АЧХ в полосе пропускания и хорошие характеристики в целом.

Рис. 12. Активные фильтры нижних частот с двумя полюсами легко реализовать на одном операционном усилителе

С другой стороны, на переходной характеристике фильтра этого типа присутствует небольшой выброс, а также звон. Это может быть проблемой, а может и не быть – все зависит от требований конкретного приложения. Коэффициент усиления этого фильтра определяется сопротивлением резисторов R₃ и R₄.

Обратите внимание на сходство уравнений для вычисления коэффициента усиления данного фильтра и неинвертирующего усилителя, показанного на рисунке 3.

Фильтры этого типа также называют антиалиасинговыми, если они используются для устранения составляющих сигнала, частота которых превышает половину частоты Найквиста конкретной дискретной системы. Таким образом, из спектра сигнала удаляются высокочастотные помехи, которые в противном случае наложились бы на полезный сигнал.

Коэффициент усиления по постоянному току схемы, приведенной на рисунке 12, определяется по формуле 9:

Полосовой фильтр, схема которого приведена на рисунке 13, имеет частотную характеристику с одним нулем и двумя полюсами и предназначен для обработки речевых сигналов. Фильтр высоких частот первого порядка реализован на конденсаторе C₁ и резисторах R₁ и R₂, соединенных параллельно. Обратите внимание, что резисторы R₁ и R₂ также образуют делитель, формирующий на неинвертирующих входах операционных усилителей напряжение смещения. Это обеспечивает работу обеих ОУ в линейной области. На втором операционном усилителе U2 и компонентах R₃, R₄, C₃ и C₄ реализован фильтр низких частот второго порядка.

Рис. 13. Полосовой фильтр можно реализовать на двух ОУ: первый ОУ будет работать как фильтр верхних частот, а второй – как фильтр нижних частот

Этот фильтр подавляет высокочастотные помехи, которые в противном случае могли бы наложиться на полезный сигнал при аналого-цифровом преобразовании. Выходное напряжение данной схемы определяется по формуле 10:

Для получения дополнительной информации о фильтрах нижних частот ознакомьтесь с руководством по применению AN699 «Anti-Aliasing Analog Filters for Data Acquisitions Systems» («Антиалиасинговые аналоговые фильтры для систем сбора данных»).

Соединяем все вместе

Схема, приведенная на рисунке 14, реализует законченное устройство измерения температуры с однополярным питанием. В этой схеме применены четыре операционных усилителя и 12-разрядный аналого-цифровой преобразователь. В качестве датчика температуры используется RTD-датчик, который требует возбуждения током. Этот ток формируется плавающим источником тока, схема которого была приведена на рисунке 11. Усилительный каскад и антиалиасинговый фильтр реализованы по схеме, приведенной на рисунке 13.

Рис. 14. Законченная схема с однополярным питанием для измерения температуры

Сигнал с RTD-датчика поступает на усилительный каскад, который представляет собой комбинацию инвертирующего и неинвертируюшего усилителей.

С выхода этого усилительного каскада сигнал поступает на фильтр нижних частот второго порядка с коэффициентом усиления 6 В/В. Такое усиление было выбрано в соответствии со входным диапазоном аналого-цифрового преобразователя. Полагая, что частота дискретизации АЦП, также известная как частота Найквиста, равна 75 кГц, частота среза антиалиасингового фильтра (U4) была задана равной 10 кГц. Такой полосы пропускания фильтра достаточно для эффективного подавления составляющих сигнала с частотами, меньшими чем половина частоты Найквиста. В качестве аналого-цифрового преобразователя используется 12-битный АЦП последовательного приближения, выход которого подключен к микроконтроллеру PIC12C509.

Подводные камни проектирования схем с ОУ

В этой части руководства перечислены типичные проблемы, связанные с работой операционных усилителей, установленных на печатную плату. Эти проблемы разбиты на четыре категории: