Операционный усилитель
Операционный усилитель (ОУ) англ. Operational Amplifier (OpAmp), в народе – операционник, является усилителем постоянного тока (УПТ) с очень большим коэффициентом усиления. Словосочетание «усилитель постоянного тока» не означает, что операционный усилитель может усиливать только постоянный ток. Имеется ввиду, начиная с частоты в ноль Герц, а это и есть постоянный ток.
Термин «операционный» укрепился давно, так как первые образцы ОУ использовались для различных математических операций типа интегрирования, дифференцирования, суммирования и тд. Коэффициент усиления ОУ зависит от его типа, назначения, структуры и может превышать 1 млн!
Обозначение на схеме операционного усилителя
На схемах операционный усилитель обозначается вот так:
Чаще всего ОУ на схемах обозначаются без выводов питания
Итак, далее по классике, слева два входа, а справа – выход.
Вход со знаком «плюс» называют НЕинвертирующий, а вход со знаком «минус» инвертирующий. Не путайте эти два знака с полярностью питания! Они НЕ говорят о том, что надо в обязательном порядке подавать на инвертирующий вход сигнал с отрицательной полярностью, а на НЕинвертирующий сигнал с положительной полярностью, и далее вы поймете почему.
Питание операционных усилителей
Если выводы питания не указаны, то считается, что на ОУ идет двухполярное питание +E и -E Вольт. Его также помечают как +U и -U, VCC и VEE, Vc и VE. Чаще всего это +15 и -15 Вольт. Двухполярное питание также называют биполярным питанием. Как это понять — двухполярное питание?
Давайте представим себе батарейку
Думаю, все вы в курсе, что у батарейки есть «плюс» и есть «минус». В этом случае «минус» батарейки принимают за ноль, и уже относительно нуля считают напряжение батарейки. В нашем случае напряжение батарейки равняется 1,5 Вольт.
А давайте возьмем еще одну такую батарейку и соединим их последовательно:
Итак, общее напряжение у нас будет 3 Вольта, если брать за ноль минус первой батарейки.
А что если взять на ноль минус второй батарейки и относительно него уже замерять все напряжения?
Вот здесь мы как раз и получили двухполярное питание.
Идеальная и реальная модель операционного усилителя
Для того, чтобы понять суть работы ОУ, рассмотрим его идеальную и реальную модели.
1) Входное сопротивление идеального ОУ бесконечно большое.
В реальных ОУ значение входного сопротивления зависит от назначения ОУ (универсальный, видео, прецизионный и т.п.) типа используемых транзисторов и схемотехники входного каскада и может составлять от сотен Ом и до десятков МОм. Типовое значение для ОУ общего применения — несколько МОм.
2) Второе правило вытекает из первого правила. Так как входное сопротивление идеального ОУ бесконечно большое, то входной ток будет равняться нулю.
На самом же деле это допущение вполне справедливо для ОУ с полевыми транзисторами на входе, у которых входные токи могут быть меньше пикоампер. Но есть также ОУ с биполярными транзисторами на входе. Здесь уже входной ток может быть десятки микроампер.
3) Выходное сопротивление идеального ОУ равняется нулю.
Это значит, что напряжение на выходе ОУ не будет изменяться при изменении тока нагрузки. В реальных ОУ общего применения выходное сопротивление составляет десятки Ом (обычно 50 Ом).
Кроме того, выходное сопротивление зависит от частоты сигнала.
4) Коэффициент усиления в идеальном ОУ бесконечно большой. В реальности он ограничен внутренней схемотехникой ОУ, а выходное напряжение ограничено напряжением питания.
5) Так как коэффициент усиления бесконечно большой, следовательно, разность напряжений между входами идеального ОУ равняется нулю. Иначе если даже потенциал одного входа будет больше или меньше хотя бы на заряд одного электрона, то на выходе будет бесконечно большой потенциал.
6) Коэффициент усиления в идеальном ОУ не зависит от частоты сигнала и постоянен на всех частотах. В реальных ОУ это условие выполняется только для низких частот до какой-либо частоты среза, которая у каждого ОУ индивидуальна. Обычно за частоту среза принимают падение усиления на 3 дБ или до уровня 0,7 от усиления на нулевой частоте (постоянный ток).
Схема простейшего ОУ на транзисторах выглядит примерно вот так:
Принцип работы операционного усилителя
Давайте рассмотрим, как работает ОУ
Принцип работы ОУ очень прост. Он сравнивает два напряжения и на выходе уже выдает отрицательный, либо положительный потенциал питания. Все зависит от того, на каком входе потенциал больше. Если потенциал на НЕинвертирующем входе U1 больше, чем на инвертирующем U2, то на выходе будет +Uпит, если же на инвертирующем входе U2 потенциал будет больше, чем на НЕинвертирующем U1, то на выходе будет -Uпит. Вот и весь принцип ;-).
Давайте рассмотрим этот принцип в симуляторе Proteus. Для этого выберем самый простой и распространенный операционный усилитель LM358 (аналоги 1040УД1, 1053УД2, 1401УД5) и соберем примитивную схему, показывающую принцип работы
Подадим на НЕинвертирующий вход 2 Вольта, а на инвертирующий вход 1 Вольт. Так как на НЕинвертирующем входе потенциал больше, то следовательно, на выходе мы должны получить +Uпит. Мы получили 13,5 Вольт, что близко к этому значению
Но почему не 15 Вольт? Виновата во всем сама внутренняя схемотехника ОУ. Максимальное значение ОУ не всегда может равняться положительному либо отрицательному напряжению питания. Оно может отклоняться от 0,5 и до 1,5 Вольт в зависимости от типа ОУ.
Но, как говорится, в семье не без уродов, и поэтому на рынке уже давно появились ОУ, которые могут выдавать на выходе допустимое напряжение питания, то есть в нашем случае это значения, близкие к +15 и -15 Вольтам. Такая фишка называется Rail-to-Rail, что в дословном переводе с англ. «от рельса до рельса», а на языке электроники «от одной шины питания и до другой».
Давайте теперь на инвертирующий вход подадим потенциал больше, чем на НЕинвертирущий. На инвертирующий подаем 2 Вольта, а на НЕинвертирующий подаем 1 Вольт:
Как вы видите, в данный момент выход «лег» на -Uпит, так как на инвертирующем входе потенциал был больше, чем на НЕинвертирующем.
Чтобы не качать лишний раз программный комплекс Proteus, можно в онлайне с помощью программы Falstad сэмулировать работу идеального ОУ. Для этого выбираем вкладку Circuits—Op-Amps—>OpAmp. В результате на вашем экране появится вот такая схемка:
На правой панели управления увидите бегунки для добавления напряжения на входы ОУ и уже можете визуально увидеть, что получится на выходе ОУ при изменении напряжения на входах.
Что будет на выходе ОУ, если на обоих входах будет ноль вольт?
Итак, мы рассмотрели случай, когда напряжение на входах может различаться. Но что будет, если они будут равны? Что нам покажет Proteus в этом случае? Хм, показал +Uпит.
А что покажет Falstad? Ноль Вольт.
Кому верить? Никому! В реале, такое сделать невозможно, чтобы на два входа загнать абсолютно равные напряжения. Поэтому такое состояние ОУ будет неустойчивым и значения на выходе могут принимать значения или -E Вольт, или +E Вольт.
Давайте подадим синусоидальный сигнал амплитудой в 1 Вольт и частотой в 1 килоГерц на НЕинвертирующий вход, а инвертирующий посадим на землю, то есть на ноль.
Смотрим, что имеем на виртуальном осциллографе:
Что можно сказать в этом случае? Когда синусоидальный сигнал находится в отрицательной области, на выходе ОУ у нас -Uпит, а когда синусоидальный сигнал находится в положительной области, то и на выходе имеем +Uпит.
Скорость нарастания выходного напряжения
Также обратите внимание на то, что напряжение на выходе ОУ не может резко менять свое значение. Поэтому, в ОУ есть такой параметр, как скорость нарастания выходного напряжения VUвых .
Этот параметр показывает насколько быстро может измениться выходное напряжение ОУ при работе в импульсных схемах. Измеряется в Вольт/сек. Ну и как вы поняли, чем больше значение этого параметра, тем лучше ведет себя ОУ в импульсных схемах. Для LM358 этот параметр равен 0,6 В/мкс.
Также смотрите видео «Что такое операционный усилитель (ОУ) и как он работает»
Биполярное питание что это
Биполярные источники питания уже давно известны на рынке, однако решения, способные корректно работать в моменты падения входного напряжения, в частности, во время холодного пуска, и при этом обеспечивать двунаправленный функционал, на данный момент отсутствуют. В статье представлен пример биполярного источника, невосприимчивого к изменениям входного напряжения при работе в режиме источника и в режиме нагрузки, то есть при протекании тока от выхода к входу.
Введение
Большинство существующих электронных систем работает от цепей питания с положительным или отрицательным напряжением, однако для некоторых приложений требуется наличие устройства, способного выдавать напряжение как той, так и другой полярности. В подобных случаях прибегают к использованию биполярных источников питания, напряжение на выходе которых может плавно регулироваться во всем необходимом диапазоне. Такие решения довольно часто встречаются в автомобильных приложениях или продвинутых аудиосистемах, где к традиционным источникам добавляются блоки питания, способные исполнять роль потребителей тока, то есть работать в режиме нагрузки. Ярким примером могут служить системы рекуперативного торможения, применяемые в некоторых автомобилях.
Схемы биполярного двунаправленного источника питания
На рис. 1 показана схема биполярного двухкаскадного источника питания, в основе которого лежит четырехквадрантный DC/DC-преобразователь LT8714, обозначенный на схеме как U1. Данный преобразователь питается от повышающего преобразователя LTC7804, обозначенного на схеме как U2 и выдающего напряжение промежуточной шины Vinter в диапазоне 12−24 В (если брать максимальные значения) или 12−16 В (если брать номинальные значения), что соответствует диапазону напряжений в стандартной аккумуляторной цепи автомобиля. Напряжение на выходе схемы источника составляет ±10 В при токе нагрузки 3 А и регулируется при помощи вывода CTRL преобразователя U1.
Биполярное питание что это
Иногда бывает необходим источник тока, обеспечивающий как положительный, так и отрицательный выходной ток , который пропорционален приложенному входному напряжению Для этой цели можно соединить друг с другом два комплементарных источника, как показано на рис. 4.27. Если то протекают равные токи выходной ток равен нулю. Если приложить положительное напряжение, то увеличивается, уменьшается. Благодаря этому протекает отрицательный выходной ток. При отрицательном входном напряжении имеет место обратная картина.
Для определения выходного тока прежде всего найдем токи Согласно рис. 4.27, получаем
Схема работоспособна только при отсутствии перегрузки источника тока.
Рис. 4.27. Биполярный источник стабильного тока. Выходной ток
При этом, с одной стороны, модуль входного напряжения должен быть меньше чем , так как в противном случае оба транзистора будут закрыты. С другой стороны, сопротивление нагрузки должно быть малым, с тем чтобы модуль выходного напряжения не превышал значения ибо иначе транзистор попадет в режим насыщения.
Новые методы лечения биполярного аффективного расстройства
Биполярное расстройство (BD) — это хроническое психическое заболевание, характеризующееся чередованием мании или гипомании , депрессии или смешанных аффективных состояний. Несмотря на доступность современных фармакологических и психосоциальных методов лечения, BD может увеличить риск злоупотребления психоактивными веществами, суицида и смертности от сопутствующих заболеваний.
Патогенез биполярного аффективного расстройства
Дисбаланс нейротрансмиттеров, окислительный стресс (ОS) и генетические причин- вот некоторые из факторов, которые связаны с патогенезом биполярного аффективного расстройства. . Биологические процессы в патогенезе биполярного расстройства включают нарушения развития мозга, хронобиологии и нейропластичности. БBD также отличает дефектная апоптотическая, воспалительная, нейротрофическая, нейротрансмиттерная и кальциевая передача сигналов; окислительный и нитрозативный стресс; стресс эндоплазматического ретикулума; а также митохондриальная дисфункция.
Окислительный стресс при биполярном аффективном расстройстве
Постоянным звеном патогенеза BD является наличие ОS, что делает биомолекулы восприимчивыми к окислительному и нитрозативному повреждению. Уровни дофамина (DA) заметно повышаются во время мании, а DA продуцирует активные формы кислорода (ROS) и хиноны, которые могут окислять белки. Перепроизводство ROS и активных форм азота наряду с нарушением поддержания баланса антиоксидантными системами может привести к повреждению липидов, белков, ДНК и РНК. Кроме того, присутствие ROS/активных форм азота в митохондриях приводит к окислению митохондриальной ДНК (мтДНК), белков и липидов.
ОS приводит не только к мутациям в мтДНК и повреждению цепи переноса электронов, но также к изменениям проницаемости мембран, механизмов защиты митохондрий и уровня кальция. Центральная нервная система особенно уязвима для ОS, поскольку мозг использует большое количество кислорода, что увеличивает выработку свободных радикалов и ROS.
ROS представляют собой свободные радикалы, содержащие кислород; они образуются как побочный продукт переноса электронов и создаются преждевременной разрядкой электронов из комплексов вблизи начала электрон-транспортной цепи. Этот процесс приводит к образованию супероксидных анионов (O 2 • — ). Супероксиддисмутаза превращает супероксидные радикалы в перекись водорода (H 2 O 2 ); каталаза (CAT) и глутатионпероксидаза (GPX) превращают H2O2 в воду и кислород. В нормальных условиях от 1% до 5% кислорода, потребляемого клеткой, образует ROS; напротив, в условиях митохондриального повреждения, такого как воздействие митохондриального токсина или избыток кальция, конверсия кислорода в ROS увеличивается. Чрезмерное потребление питательных веществ также может продуцировать большое количество ROS, потому что электрон-транспортная цепь может быть перегружена электронами, вызывая их беспорядочное высвобождение. Неспособность устранить ROS может привести к окислительному повреждению клетки, включая перекисное окисление липидов, ДНК и белков (например, рецепторов и ферментов). Кластеры железо-сера, участвующие в транспорте электронов в комплексах I и III, наиболее уязвимы к окислительному повреждению.
Лечение биполярного аффективного расстройства
Оксиданты могут иметь решающее значение при психических расстройствах, поскольку они связаны с мембранозависимой патологией в центральной нервной системе. Некоторые оксиданты могут вызывать неблагоприятное увеличение других метаболитов, что может привести к специфическим психическим расстройствам. Как отмечалось ранее, биполярное расстройство характеризуется перекисным окислением липидов и изменениями антиоксидантных ферментов. Следовательно, антиоксидантные соединения могут ослабить симптомы и могут быть использованы в качестве дополнительной терапии. Например, миноциклин — антибиотик, по-видимому, оказывает нейропротекторное действие благодаря своей антиоксидантной активности, механизм, который также применим к лечению биполярного расстройства. Плохое питание часто связано с ОS и воспалением, что может повлиять на иммунную систему Ранние исследования показывают, что противовоспалительные средства, вероятно, будут полезны для пациентов с BD, проявляющих нарушение регуляции активности иммунной системы.
Добавки витамина D коррелируют со снижением маниакальных и депрессивных симптомов, но для подтверждения этих данных необходимы дальнейшие исследования эффективности конкретных доз. Фолиевая кислота и фолаты считаются полезными для лечения симптомов депрессии из-за их роли в синтезе нейротрансмиттеров и метилировании ДНК. Было обнаружено, что пациенты с бпиолярным расстройством , перенесшие депрессивный, маниакальный или гипоманиакальный эпизод, имели значительно более высокие концентрации магния в сыворотке по сравнению со здоровым контролем . Эти результаты позволяют предположить, что сывороточный магний можно использовать в качестве потенциального маркера патофизиологических изменений, сопровождающих острое биполярное расстройство. Кроме того, в нескольких сообщениях отмечается изменение уровня меди в сыворотке у пациентов с биполярным расстройством . Исследование 133 пациентов с BD (23 с манией/гипоманией, 61 с депрессией и 49 с ремиссией) показало значительно повышенный уровень меди в сыворотке у пациентов на начальной стадии заболевания по сравнению с пациентами на поздних стадиях заболевания .
Литий, препарат первой линии для лечения биполярного расстройства , как при биполярной депрессии , так и при смешанных эпизодах , который обладает многочисленными нейропротекторными, нейротрофическими и нейропластическими эффектами. В дополнение к стабилизатору настроения, обычно используемому для улучшения патофизиологии BD, литий обладает некоторой антидепрессивной активностью. Было высказано предположение, что терапевтические эффекты лития частично связаны с его антиоксидантными свойствами.
Клинические испытания с участием пациентов с BD продемонстрировали обнадеживающие результаты для различных групп противовоспалительных средств. Когда аспирин, целекоксиб, инфликсимаб, N -ацетилцистеин (NAC), омега-3 жирные кислоты и пиоглитазон вводили в качестве адъювантной терапии, они оказались эффективными в снижении депрессии, связанной с биполярным расстройством.
Патологическая анатомия биполярного аффективного расстройства
У некоторых пациентов с биполярным расстройством наблюдается прогрессирование патологических процессов, которое характеризуется прогредиентными изменениями в нейроанатомии, включая уменьшение объема гиппокампа , увеличение размера бокового желудочка и уменьшение толщины коры мозга. Эти нейроанатомические изменения связаны с функциональными нарушениями.